Александр Краснов - Волчок и применение его свойств

Ученые издавна стремились доказать вращение Земли путем какого-либо лабораторного опыта. Первой вполне удачной попыткой такого доказательства был общеизвестный опыт знаменитого французского ученого Леона Фуко с маятником, осуществленный в Парижском Пантеоне в 1851 г. Этот опыт можно наблюдать и у нас в Исаакиевском соборе в Ленинграде.

Знаменитый физик, однако, не ограничился одним опытом. В 1852 г. он докладывает Парижской Академии наук о новых опытах и демонстрирует прибор гироскоп, что означает «указатель вращения». Очевидно, Фуко имел в виду вращение Земли. Гироскоп в переводе с греческого означает: гирос — круг, кольцо; скопео — наблюдаю, смотрю. Кроме этого, Л. Фуко открыл и сформулировал основные свойства гироскопа, которые широко используются в современной технике. В гироскопе Л. Фуко имелся своеобразный волчок — ротор, ось которого могла вращаться на двух подшипниках, закрепленных в кольце. Это кольцо в свою очередь вращалось на подшипниках во втором, внешнем кольце. Последнее было подвешено на тонкой незакрученной нити к специальной станине (рис. 19).

Рис. 19. Гироскоп Леона Фуко. 1 — ротор гироскопа во внутреннем кольце; 2 — наружное кольцо гироскопа.

При быстром вращении ротор этого гироскопа обнаруживал замечательные свойства: его ось сохраняла неизменным свое положение в пространстве; будучи направлена на какую-либо звезду, она как бы следила за ее перемещением, «двигалась» вместе с нею. Конечно, на самом деле перемещалась не звезда и не ось гироскопа, а Земля. Так Л. Фуко использовал замечательное свойство гироскопа как одно из доказательств вращения Земли.

Однако в гироскопе Л. Фуко ось ротора не точно следовала за какой-либо звездой, поэтому нельзя было уверенно утверждать о бесспорной удаче опыта.

Причина неудачи крылась не в принципиальной ошибке, совершенной ученым, а в конструктивных недостатках его гироскопа. Дело в том, что ротор приводили в действие с помощью шнура, накрученного на его ось. А это не позволяло получить достаточно большое число оборотов ротора в продолжение длительного времени. Вращение не могло быть строго равномерным из-за недостаточной уравновешенности ротора и значительного трения в подшипниках.

Опыт Л. Фуко более успешно проделал ученый А. Феппль, устроив гироскоп с двумя электромоторами, развивающими 2400 оборотов в минуту.

В современном, широком понятии гироскопом называют устройство, в котором используются своеобразные, так называемые «гироскопические» свойства быстро вращающегося ротора.

Современный гироскоп конструктивно во многом отличается от волчка. Он состоит из ротора, опирающегося концами оси на внутреннее кольцо. Наружное кольцо, находясь в специальной опоре, может поворачиваться вокруг вертикальной оси; внутреннее кольцо покоится в наружном и свободно поворачивается вокруг горизонтальной оси, а ротор, опирающийся своей осью на внутреннее кольцо, может свободно вращаться вокруг оси (рис. 20).

Рис. 20. Гироскоп с тремя степенями свободы.

Гироскоп, как мы видим, способен совершать движение в трех направлениях. Поэтому его называют гироскопом с тремя степенями свободы. Если закрепить одно из колец, то получится гироскоп, способный совершать движение в двух направлениях. Такое устройство называют гироскопом с двумя степенями свободы.

Хотя конструктивно гироскоп отличается от обычного волчка, сходство их свойств настолько велико, что в технике гироскоп часто называют волчком и, наоборот, волчок — гироскопом. Ведь гироскоп — тоже твердое тело, которое вращается вокруг оси симметрии, имеющей неподвижную точку.

Быстро вращающийся ротор гироскопа, как и волчок, обладает способностью устойчиво сохранять свое положение в пространстве, «уходить» под прямым углом к действующей на него силе, совершать прецессию и т. п.

Возьмем, например, гироскоп с быстро вращающимся ротором, представленный на рис. 21.

Рис. 21. Примеры устойчивости гироскопа .

Он обнаруживает удивительные, невероятные на первый взгляд свойства.

Его ось проявляет необычную устойчивость, сохраняя свое положение, например, опираясь регулировочным штифтом о край стакана или на туго натянутый шнур.

Попытавшись свалить его, казалось бы, из неустойчивого положения, мы потерпим неудачу. Слегка качнувшись, гироскоп сохранит приданное ему ранее положение, заметно сопротивляясь прилагаемым усилиям. Но вот ротор прекратил вращение. И как по мановению волшебной палочки, гироскоп теряет устойчивость, превращается в безжизненный кусок металла.

О том, как используют замечательные свойства гироскопа в технике, мы сейчас и расскажем.

Недалек день, когда межпланетные корабли устремятся на штурм вселенной. О полетах на Луну, Марс, Венеру и другие планеты сейчас не только мечтают. Это дело ближайших лет. Немало самых различных машин, механизмов и приборов потребуется создать для осуществления этой многовековой мечты человечества.

Среди них, безусловно, займет почетное место и гироскоп. Его можно будет использовать, например, чтобы определять положение межпланетного корабля.

Мы уже знаем замечательную способность гироскопа сохранять направление своей оси неизменным. Установив в момент отлета ось по направлению Солнца, космонавты оставят гироскоп в таком положении. Теперь, чтобы определить курс межпланетного корабля, потребуется лишь измерить угол между направлением оси гироскопа и направлением на Солнце в момент наблюдения.

Продолговатый снаряд, выпущенный из гладкоствольной пушки, летит, опрокидываясь и кувыркаясь. Это резко уменьшает дальность его полета, снижает меткость попадания (рис. 22, А ).

Рис. 22. Траектории полета снаряда.

Другое дело, когда стрельба ведется из пушки с нарезным стволом. Снаряд, выпущенный из нее, вращается вокруг оси с довольно большой скоростью, совершая несколько сот оборотов в секунду.

«Поведение» такого снаряда зависит от среды, в которой совершается полет. На высоте более двадцати километров, где сопротивление воздуха из-за его малой плотности ничтожно, снаряд ведет себя подобно быстро вращающемуся гироскопу, стремящемуся точно сохранить направление своей оси (рис. 22, Б ).