Александр Краснов - Волчок и применение его свойств

Впервые эта проблема была решена в 1865 г., когда в качестве ротора гироскопа использовали якорь электромотора постоянного тока.

Толчком к созданию гирокомпаса для морских судов послужил возникший в 1904 г. проект путешествия к Северному полюсу на подводной лодке. Для нее немецкий доктор Аншютц сконструировал гироскопический прибор, назвав его «азимутальным волчком».

Испытания «азимутального волчка» не дали положительных результатов: изобретатель неверно выбрал тип гироскопа.

Первым наиболее удачным гирокомпасом оказался прибор, созданный немецким специалистом Оскаром Мартинссеном в 1906 г. Однако и Аншютц после своей первой неудачи, отказавшись от «азимутального волчка», создал удовлетворительный для пользования гирокомпас (рис. 33).

Рис. 33. Схема гирокомпаса Аншютца.

Скорость вращения роторов в этом гироскопе достигала двадцати тысяч оборотов в минуту. Такой скорости удалось достичь благодаря электромотору.

После Аншютца значительных успехов достиг американец Элмер А. Сперри, запатентовавший осенью 1909 г. свой гирокомпас. Впоследствии гирокомпасы, успешно применяемые на кораблях, были усовершенствованы. Многое сделали в этом отношении и наши отечественные инженеры, конструкторы.

Несмотря на совершенство гирокомпаса, в авиации его не применяют вследствие большой погрешности при больших скоростях полета, фигурах высшего пилотажа, болтанке. «Хранителем курса» в авиации служат гирополукомпас и гиромагнитный компас. В основе их действия лежит все тот же гироскоп.

Гирополукомпас — довольно удобный и надежный прибор для самолетов. Он может с достаточной степенью точности показывать правильный курс, причем на него не действуют болтанка, рысканье и другие резкие движения самолета. Гирополукомпас обладает лишь одним недостатком: его показания оказываются точными в течение 10–15 минут, после чего их требуется сверять с магнитным компасом и, внеся исправление, вновь уверенно пользоваться в течение указанного срока.

Автоматизация работы по внесению исправлений в гирополукомпас достигнута и в гиромагнитном компасе. Для этого в нем имеется специальное корректирующее магнитное устройство.

Авиагоризонт, гирополукомпас, гиромагнитный компас, указатель поворотов, автопилот — приборы, без которых невозможен слепой полет. Все они прекрасно действуют благодаря быстро вращающемуся ротору гироскопа — волчку.

Можно было бы привести еще много примеров использования замечательного свойства быстро вращающегося гироскопа — сохранять приданное ему направление неизменным. Однако рассказанного достаточно, чтобы представить колоссальную важность и ценность этого замечательного прибора.

Не меньшее значение в технике имеет явление прецессии гироскопа, или так называемый гироскопический эффект. К рассказу о его проявлениях мы и перейдем.

Обратившись к примерам из области техники, нетрудно обнаружить множество загадочных на первый взгляд явлений. Вот некоторые из них.

Уже при первых полетах самолетов было замечено странное явление, послужившее в некоторых случаях причиной аварий и даже катастроф. Самолет при совершении правого виража (поворота вправо) самопроизвольно стремился войти в пикирование. Если же выполнялся левый вираж, то он также самопроизвольно проявлял стремление кабрировать, то есть задирать нос, как бы становясь на дыбы, поворачиваясь вокруг своей поперечной оси.

Не менее загадочными на первых порах оказывались случаи износа и разрушения подшипников корабельных турбин. Металл в подшипниках срабатывался не только в нижней, но и в боковой и даже верхней частях. Иногда подшипники разрушались на ходу корабля и, как правило, в один из ответственных моментов — при развороте либо во время сильной качки.

Известны случаи, когда на автомобиле, мчавшемся по кривой, выходило из строя рулевое управление.

Или еще один любопытный пример. Многие удивляются искусству велосипедиста, едущего, не держась за руль. Он не только смело мчится по прямой, скрестив на груди руки, но и ловко заворачивает и вправо и влево, не касаясь руля.

Приведенные примеры свидетельствуют о наличии некоторых вредных, опасных, трудно объяснимых явлений в технике. Однако нередко встречаются подобные, но полезные явления.

В мельницах для дробления руды основной рабочей деталью является тяжелый диск, так называемый бегунок (рис. 34).

Рис. 34. Общий вид бегунковой мельницы.

Было замечено, что на дробилках, где ведущий вал соединен с диском жестким поводком или через кривошип, подшипники нагревались более сильно и чаще происходил изгиб вала, причем эффективность действия бегунка оказывалась в несколько раз ниже, чем на дробилках, где диск соединен с поводком посредством шарнира. Особенно часто подобные явления наблюдались у одиночного бегунка при жестком креплении поводка.

Не являются ли «загадочные» примеры проявлением гироскопических свойств?

Чтобы ответить на этот вопрос, возьмем гироскоп и приведем его ротор в быстрое вращение. Повесим теперь на его внутреннее кольцо небольшой груз.

Внимательно наблюдая за «поведением» гироскопа, мы вдруг обнаружим, что его ось «уходит» с первоначального направления. При этом нетрудно заметить, что прецессионное движение его происходит по определенному правилу. Если ротор гироскопа вращается по часовой стрелке, как изображено на рисунке 35, то гироскоп «уходит» влево, и, наоборот, если ротор вращается против часовой стрелки, то гироскоп будет «уходить» вправо.

Рис. 35. Прецессия гироскопа с тремя степенями свободы под влиянием постоянной силы.

Так совершает прецессию гироскоп под действием постоянной нагрузки.

Если же нанести сильный, но кратковременный удар по внутреннему кольцу, то прецессия будет происходить несколько иначе. Ось гироскопа в этом случае будет описывать конус, как и обычный волчок (рис. 36).

Рис. 36. Прецессия гироскопа с тремя степенями свободы от кратковременной силы — резкого удара по внутреннему кольцу.

Расположив горизонтально ось быстро вращающегося ротора гироскопа, накинем петлю висящего шнура на продолжение оси ротора (рис. 37).