Александр Краснов - Волчок и применение его свойств

Если сильно увеличить скорость движения шара и затем нанести по нему удар с прежней силой, то направление движения изменится еще меньше, чем в первом случае (рис. 14, Г ).

Проводя подобные опыты, мы в любом из них обнаружим, что всякая сила, приложенная к движущемуся телу, вызывает изменение его скорости. Это, безусловно, верно. Здесь действует второй закон Ньютона: всякая сила, приложенная к движущемуся телу вызывает изменение его скорости.

Движение быстро вращающегося волчка, разумеется, также подчиняется второму закону Ньютона. Именно поэтому ось волчка при любом воздействии на него посторонней силы всегда изменяет свое положение. Но такое изменение вследствие огромной разницы между силой, развивающейся в результате вращения, и «валящей» силой не заметно.

Таковы основные причины удивительного «поведения» волчка. Следует, однако, оговориться: целый ряд дополнительных причин остался не упомянутым, потому что дальнейшее углубление вопроса превратило бы большую часть нашей книжки в один из разделов теоретической механики. Поэтому мы ограничимся лишь сказанным.

Замечательные свойства быстро вращающегося волчка — вот в чем секрет устойчивости балерины, исполняющей фуэте. Этими же свойствами объясняются и поразительные манипуляции жонглера. Здесь мы видим умелое, однако безотчетное использование законов механики, законов вращения твердого тела вокруг неподвижной точки.

Где же еще, кроме эстрады и забавных детских игрушек, используются замечательные свойства волчка?

Изо дня в день, из века в век Солнце для нас, живущих на Земле, «восходит» и «заходит» в точно определенное для каждого дня и географического места время, «проходя» по точно определенному пути небосвода. Звезды на небе тоже «перемещаются» по строго определенным путям. Это видимое движение небесных тел является, прежде всего, следствием вращения Земли.

Предположим себе такой фантастический случай, когда наблюдатель находится в межзвездном пространстве против Северного полюса Земли. Отсюда он ясно видит точку воображаемой оси вращения, проходящей через полюс. Земля в течение суток, а точнее, за двадцать три часа пятьдесят шесть минут и четыре с одной десятой секунды, совершает один оборот, вращаясь против часовой стрелки.

Земля вращается практически вечно с постоянной скоростью. Это одна из главных причин того, что она устойчиво сохраняет вполне определенное положение относительно Солнца и других планет. Ось вращения Земли (ее называют еще и осью мира) постоянно направлена на Полярную звезду.

Вернемся, однако, к нашему наблюдателю, находящемуся в межзвездном пространстве. В течение дня, месяца и даже года он заметил бы лишь вращение Земли почти точно вокруг оси против часовой стрелки с постоянной скоростью — один оборот в сутки (рис. 15).

Рис. 15. Что видит фантастический наблюдатель, находящийся в космическом пространстве против Северного полюса Земли. 1 — воображаемая ось Земли (ось мира), «выходящая» на Северном полюсе, направлена на Полярную звезду.

В природе каждое тело находится под сложнейшим влиянием других, иногда многих тел. Земля находится под постоянным действием сил притяжения Луны, Солнца. На нее оказывают влияние также и планеты. Вследствие этого воображаемая ось Земли описывает правильный конус, а точка, видимая нашим фантастическим наблюдателем, описывает окружность (рис. 16).

Рис. 16. Прецессия земного шара.

Сторона конуса составляет с этой осью угол в двадцать три с половиной градуса.

Чтобы дождаться, пока земная ось полностью опишет конус, нашему наблюдателю потребовалось бы пробыть в межзвездном пространстве почти двадцать шесть тысяч лет.

Изменение положения земной оси, как известно, является одной из причин, по которым меняется климат. В наши дни в северном полушарии происходит постепенное потепление летнего периода и похолодание зимнего, а в южном — наоборот. Через тринадцать тысяч лет летом в нашем полушарии станет значительно теплее, чем сейчас. Затем начнется постепенное похолодание. Изменение наклона земной оси к так называемой плоскости эклиптики, то есть к плоскости, в которой движется Земля вокруг Солнца, за ряд тысячелетий представлено на рис. 17.

Рис. 17. Изменение наклона земной оси в пространстве под влиянием прецессии.

Нужно сказать, что еще Л. Эйлер, руководствуясь открытым им законом вращения твердого тела, указывал на возможное изменение положения земной оси с течением времени. Но тогда проверить догадку Эйлера не было возможности. Лишь во второй половине XIX века, когда измерения стали более точными, убедились в справедливости утверждения Эйлера.

Изменение положения земной оси на протяжении тысячелетий подтверждается, например, сохранившимися до наших дней описаниями звездного неба, которое наблюдали много тысяч лет тому назад. По этим документам мы узнаем, что две тысячи лет назад звезды Большой Медведицы мерцали над южной Грецией, а сейчас оттуда их видят заходящими за горизонт. Шесть тысяч лет назад над тем местом, где сейчас расположена столица нашей Родины Москва, ярко светил Южный Крест — созвездие, ныне видимое лишь в южном полушарии. В наши дни над северным полушарием Земли ярко светит Сириус, прежде невидимый в этих местах.

Итак, Земля устойчиво сохраняет положение своей оси вращения в пространстве, описывая правильный конус. Это позволяет назвать земной шар гигантским волчком, а все изменения видимого звездного неба над каким-либо одним местом в течение тысячелетий — следствием прецессии нашего гигантского волчка.

С быстро вращающимися волчками, с проявлениями их замечательных свойств мы встречаемся повседневно, ежечасно. В небесной дали находится множество их. Твердые небесные тела, вращающиеся вокруг своей оси (например, планеты), обладают всеми свойствами быстро вращающихся волчков. Эти же свойства характерны для самых малых частиц вечно движущейся материи — электронов. Такие «волчки» имеются всюду, во всех телах.

Беспредельны морские и воздушные просторы. Плавая в океанах и морях, можно неделями не встретить какого-либо ориентира, по которому можно было бы определить свое местоположение. Лишь Солнце и звезды, да волны вокруг.