Александр Краснов - Волчок и применение его свойств

Рис. 37. Прецессия быстро вращающегося гироскопа, подвешенного на шнурке.

К нашему удивлению, гироскоп сохранит приданное ему положение. Он будет лишь описывать окружность. Быстро вращающееся велосипедное колесо, подвешенное на веревке за удлиненную ось к потолку, станет «вести себя» точно так же, как и гироскоп в только что описанном случае (рис. 38).

Рис. 38. Прецессия быстро вращающегося велосипедного колеса, подвешенного на шнурке.

Возьмем теперь в руки, направив горизонтально, ось велосипедного колеса, быстро вращающегося по часовой стрелке, если смотреть на него со стороны правой руки.

Это нехитрое устройство мы вправе считать ротором гироскопа.

Попытаемся теперь повернуть этот гироскоп так, чтобы поставить его вертикально, левым концом кверху, а правым — книзу. В процессе поворота мы, к удивлению, ощутим, как конец оси, находящийся в левой руке, устремится в горизонтальной плоскости вперед, а в правой — назад (схема А рис. 39).

Рис. 39. Направление сил прецессии, возникающих под влиянием усилий, стремящихся повернуть ротор гироскопа, или ось велосипедного колеса. 1 — прецессионные силы; 2 — сила, прилагаемая к оси колеса, чтобы повернуть его.

Попытавшись теперь повернуть ось нашего гироскопа в горизонтальной плоскости, занося, например, левый конец оси вперед, а правый назад, мы обнаружим, что левый конец ее устремится вниз, а правый — вверх (схема Б рис. 39).

Подобное явление и называют прецессией гироскопа или гироскопическим эффектом. Если вспомнить объяснение причин «поведения» быстро вращающегося волчка, то легко разобраться в описанных явлениях.

Наблюдая за «поведением» велосипедного колеса, нетрудно обнаружить замечательную закономерность: прецессионная сила всегда направлена под прямым углом относительно приложенной силы.

Теперь мы можем уяснить причину возникновения полезных и вредных неожиданностей, описанием которых мы начали этот рассказ.

Быстро вращающийся винт летящего самолета подобен гироскопу. Если он вращается против часовой стрелки, то при левом вираже, то есть когда плоскость вращения винта поворачивается влево, прецессионная сила оказывается направленной вверх. Огромная скорость вращения винта и его большие размеры являются причиной того, что прецессионная сила очень велика. Она и заставляет в этом случае самолет кабрировать, то есть задирать нос, вращаясь вокруг поперечной оси. Самолет, пытающийся совершить правый разворот, увлекается прецессионной силой в пикирование.

Колесо быстро вращающейся паровой турбины на корабле подобно огромному гироскопу. Под влиянием разворота или качки вал турбины увлекает прецессионная сила, вызывающая дополнительные, иногда очень большие усилия, даже разрушающие подшипники. В некоторых случаях прецессионная сила нарушает управление кораблем.

О том, насколько велики усилия, возникающие на валу турбины, свидетельствует гибель английских миноносцев «Вепрь» и «Кобра», на которых впервые были установлены мощные паровые турбины. Предполагают, что причиной гибели послужил именно гироскопический эффект.

Колеса быстро мчащегося велосипеда, мотоцикла, автомобиля подобны быстро вращающимся роторам гироскопа. При наклонах и поворотах колес в них возникают прецессионные силы, под влиянием которых и происходят самопроизвольные развороты или выпрямление положения колес и поломка цапф.

Велосипедист, не держащийся за руль руками при езде, тоже использует явление гироскопического эффекта, возникающего при изменении положения колес. Достаточно велосипедисту наклониться вместе с велосипедом в сторону поворота, чтобы переднее колесо под действием возникающей силы прецессии повернуло в эту же сторону.

В езде на велосипеде, не управляемом руками, искусство состоит в том, чтобы точно рассчитать степень наклона и определить момент выравнивания велосипеда.

На мельницах с бегунковыми дробилками происходит явление, подобное описанному. В том случае, если бегунок жестко закреплен на поводке или через кривошип, прецессионная сила, действуя на вал, изгибает его. В том случае, если бегунок соединен с поводком посредством шарнира, прецессионная сила с большим усилием прижимает бегунок к размельчаемой руде. Получается больший эффект дробления ее. При жестком же креплении эта сила обычно затрачивается на изгиб поводка или нагрев подшипников.

Явления прецессии, явления гироскопического эффекта часто используют для успокоения качки судов, а также для устройства однорельсовых железных дорог.

Качка судов на море — чрезвычайно неприятное и опасное явление.

При очень сильном шторме судно может опрокинуться. Правда, это случается очень редко. Зато палубу часто заливает водой; в частях судна возникают значительные добавочные нагрузки вследствие инерции. Затрудняются всякие работы.

На военных судах качка мешает артиллерийской и торпедной стрельбе. На авианосцах сильно усложняются взлет и посадка самолетов.

Качка снижает скорость хода судна, от чего увеличивается продолжительность рейса, обычно сопровождающаяся перерасходом топлива.

От качки сильно страдают многие пассажиры.

В 1904 г. немецкий инженер О. Шлик разработал и испытал на бывшем минном заградителе «Зеебор», водоизмещением около шестидесяти тонн, гироскопическое устройство для борьбы с качкой — стабилизатор, или успокоитель качки.

Без стабилизаторов наклоны судна при качке достигали сорока градусов. С запуском гироскопического стабилизатора раскачивание судна резко уменьшилось. Оно стало не выше чем один градус. Сильно раскачивался лишь гироскоп.

Схему устройства успокоителя и принцип действия его нетрудно понять, обратившись к рисунку 40 (схема А ). Вид успокоителя представлен с кормы.

Рис. 40. Схема действия успокоителя качки на судне.

Большой, тяжелый маховик, являющийся гироскопом, приводится во вращение паровой турбиной или электромотором. Маховик вместе с приводом находится в раме на подшипниках. Рама расположена строго перпендикулярно оси вращения маховика и в спокойном состоянии параллельна поперечному сечению судна. Удерживается она в таком положении при помощи специального груза. Цапфы рамы покоятся в подшипниках на фундаменте, жестко скрепленном с судном. Вращение рамы в цапфах относительно корпуса судна ограничено и, кроме того, тормозится специальными устройствами. Подвеска рамы выполнена с таким расчетом, чтобы ось гироскопа была всегда расположена вертикально.