Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2007 № 09

Техническая характеристика:

Тип кузова… кабриолет

Количество дверей… 2

Длина… 4,200 м

Ширина… 1,746 м

Высота… 1,200 м

База… 2,285 м

Объем двигателя… 4736 см 3

Мощность… 271 л.с.

Максимальная скорость… 220 км/ч

Вместимость топливного бака… 62 л

Разгон до 100 км/ч… 4 с

В «ЮТ» № 7 за этот год мы упомянули маятник Фуко, с помощью которого ученые доказали, что Земля вращается. Но маятник — странное устройство. Качка корабля и движение звезд, подвеска автомобиля и вращение электронов в каких-то своих основах подчиняются тем же законам, что и его движения. А потому справедливо будет рассказать о маятниках подробнее.

Полную теорию маятника создал сам сэр Исаак Ньютон. А началось все, возможно, с опыта, который он поставил, не веря, что период колебаний маятника не зависит от плотности вещества.

«Я достал два одинаковых деревянных ящика и один из них равномерно наполнил деревянными кубиками, а в другой поместил такого же веса (насколько точно я мог) слиток золота. Поместив их рядом, я наблюдал, как они качались совершенно одинаково и совместно в течение длительного времени». Так И.Ньютон описал свой опыт. Он не пояснил, где взял золото — но если вспомнить, что основным его занятием была работа в качестве директора Монетного двора, — можно догадаться, что найти для эксперимента килограмм-другой золота не составляло для него труда.

Всем известен математический маятник — грузик, качающийся с небольшой амплитудой на длинной нити. Период колебаний такого маятника не зависит от массы и, как видно из формулы, зависит только от ускорения силы тяжести. Но как это проверить — съездить на полюс и на экватор или слетать на Луну?

Эрнст Мах (1838–1916), философ, идеи которого пронизывают всю современную физику, чтобы наглядно доказать это школьникам в земных условиях, создал прибор, в котором маятник качается на жесткой оси, в рамке. А рамке может придавать различный наклон. При этом сила тяжести разлагается на составляющие по правилу параллелограмма. В зависимости от величины наклона меняется движущая маятник доля силы тяжести. Так, если рамку маятника наклонить примерно под углом 10° к горизонту, то он станет качаться с таким же периодом, как и на Луне.

Мы привыкли к тому, что масса маятника расположена ниже точки подвеса. Но это не обязательно. Всем приходилось видеть, как жонглер ставит на нос длинный шест и движется с ним по сцене. Но дайте ему карандаш — и он его тут же уронит. Здесь имеет место эффект перевернутого маятника.

Если шест поставлен строго вертикально на нижний конец, то он находится в равновесии. Правда, это равновесие неустойчиво и шест под действием любой случайной микроскопической причины начинает от этого положения отклоняться. Чем он длиннее, тем отклонение происходит медленнее. Скорость этого отклонения такая же, как у «нормального» маятника — того же шеста, подвешенного за верхний конец. Поэтому длинный шест раскачивается на носу жонглера гораздо медленнее, чем короткий карандаш, и удержать его в равновесии достаточно легко.

Понаблюдайте за работой высокого строительного крана. Вы увидите, что башня его медленно раскачивается. Здесь тоже имеет место эффект перевернутого маятника. Этот эффект был использован и в метрономе. И не стоит удивляться, если кто-нибудь создаст часы-ходики, работающие вверх ногами.

Можно ли создать маятник, имеющий при небольших размерах большой период колебаний?

Над этим работали многие ученые и изобретатели. Первым добился успеха Д.К.Максвелл. Его мятник — это диск, опускающийся, вращаясь, на двух разматывающихся нитях. Дойдя до нижней точки, диск по инерции начинает те же нити наматывать и вновь поднимается.

Здесь качание как бы заменено прыжками. Для увеличения периода колебаний маятника Максвелла его диск должен быть предельно легок и в то же время накапливать при вращении как можно больше энергии. Для этого как можно большую часть массы диска необходимо сосредоточить на ободе.

Чтобы увеличить период колебаний маятника, не меняя его длины, можно уменьшить действие силы тяжести на массу маятника, например, использовав отталкивание одноименных магнитных полюсов. В таком маятнике в качестве груза применяется постоянный магнит, повернутый полюсом вниз, а под ним, на траектории его движения, располагается другой, более длинный, магнит одноименным полюсом вверх. Таким способом во много раз уменьшается вес маятника, и он раскачивается значительно медленнее.

Только в конце XX века изобретатели задали себе простой вопрос: зачем маятнику нить? Ответ вызывал удивление. Нить — это всего лишь простейшее приспособление, обеспечивающее движение груза по криволинейной траектории. Если так, то ее может заменить любое устройство, выполняющее ту же задачу. Так, известны компактные механизмы, способные обеспечить движение точки по дуге эллипса или круга. Но они сложны, имеют большие потери на трение.

Известно более простое решение — лоток, изогнутый по дуге большого радиуса, по которому катится шарик. Трение, возникающее при этом, ничтожно мало и составляет всего 0,0001 от его веса. Казалось бы, тут период колебаний шарика должен быть равен периоду маятника с нитью такой же длины, как и радиус кривизны лотка. Но нет. Шарик по лотку не только движется, но еще и катится, а значит, вращается. На это расходуется кинетическая энергия, и период колебаний возрастает. Это не мешает делать на шаровом маятнике очень точные декоративные настольные часы, но для учебных целей он неудобен.

Смоленский учитель Н.И.Горчаков в маятнике с лотком заменил качение шарика скольжением на воздушной смазке. Трение в этом процессе еще меньше, чем при качении шарика, а вращения нет. Период колебаний такого маятника точно совпадает с периодом маятника с нитью, равной по длине радиусу кривизны лотка. Лоток же устроен в стенке узкой коробки из оргстекла длиною один метр. В нем просверлено множество отверстий, через которые вытекает воздух, подаваемый от пылесоса, работающего на пониженном напряжении. В лоток помещается грузик. На воздушной смазке он получает возможность скользить вдоль лотка с периодичностью маятника. Вот как сделать такой маятник.