Волчок и компас

Среди детских игрушек есть одна, которая заслуживает самого серьезного внимания со стороны исследователя законов природы – это волчок. Эта игрушка обладает целым рядом удивительных свойств, и ученые не мало потрудились над их объяснением. Первое из этих свойств волчка – его способность сохранять равновесие в таком положении, в каком всякое другое тело неизбежно должно упасть. В более общем виде это свойство можно формулировать так: вращающийся волчок стремится сохранить неизменным положение своей оси.

В обыденной жизни мы часто бессознательно пользуемся этим свойством вращающихся тел. Чтобы пояснить это, мы позволим себе привести здесь отрывок из популярных лекций английского ученого, проф. Перри, – лекций, специально посвященных свойствам волчка.

«Вот волчок, который лежит на плоской дощечке. Я подбрасываю его в воз-дух: вы видите, что проследить его движение трудно, и никто не мог бы предсказать наперед, в каком положении он упадет обратно на дощечку: – он может упасть своим острым концом и вперед, и назад, и в сторону. Но если я предварительно заверчу его и тогда подброшу его вверх, то уже не может быть никаких сомнений относительно того, в каком положении он вернется: ось его вращения все время остается параллельна сама себе, и я могу подбрасывать его несколько раз кряду, почти не изменяя его вращательного движения.

«Если я подброшу вверх этот бисквит (рис. 2), то вы видите, что я не могу знать заранее, к а к он упадет обратно; но если перед тем, как выпустить его из рук, я приведу его во вращение, – то на этот счет не останется никакого сомнения. Вот шляпа; я подбрасываю ее вверх, и не знаю, в каком положении она упадет обратно; но если я раньше сообщу ей вращение, то ось, вокруг которой она вращается, останется (как и у волчка, и у бисквита) параллельной сама себе, и вы можете быть уверены, что, в данном случае, шляпа упадет на пол полями вниз. Очень резко выступает этот принцип при игре с диаболом: было бы совершенно невозможно поймать диабол, если бы он не находился в быстром вращательном движении. Подхлестывая диабол бечевкой, играющий сообщает ему вращение, благодаря, чему он и сохраняет неизменное положение полета.

«Однажды я показывал некоторые из моих опытов перед публикой в концертной зале. Я старался заинтересовать моих слушателей, насколько мог, вышеописанными явлениями и рассказывал о том, что плоскому диску надо сообщить вращение, если его желают бросить так, чтобы возможно было заранее указать, как он упадет; точно так же поступают, если желают кому-нибудь бросить обруч или шляпу так, чтобы тот мог поймать их палкой. Далее я объяснил моим слушателям, что, отполировав гладко дуло пушки, никогда нельзя рассчитывать на точность прицела; вследствие этого и делают нарезные дула, т.е. вырезывают на внутренней стороне дула спиральные желобы, в которые приходятся выступы ядра, так что последнее получает вращательное движение, когда сила взрыва заставляет его двигаться по дулу пушки; благодаря этому, ось вращения снаряда (как у шляпы или бисквита) во время его полета остается параллельной сама себе... Это было все, что я мог сделать во время моей лекции, так как я не обладаю ловкостью в метании шляп или дисков. Но когда я кончил лекцию, на подмостки выступили два жонглера, – и я не мог пожелать лучшей иллюстрации к своей лекции, нежели та, которую давал каждый фокус этих артистов. Они бросали друг другу вращающиеся шляпы, обручи, тарелки, зонтики. Один из жонглеров кидал в воздух целый ряд ножей, ловил их и опять подбрасывал вверх. Моя аудитория, только что прослушавшая объяснение этих явлений, ликовала от удовольствия и заявляла, что она замечает вращение, которое жонглер сообщал каждому ножу, выпуская его из руки, так что он мог быть спокоен относительно того, в каком положении ножи вернуться к нему... Словом, почти все жонглерские фокусы, показанные в этот вечер, представляли иллюстрацию объясненного выше принципа. Если вы все еще не убеждены в его правильности, то спросите ребенка, когда его обруч легче опрокидывается: тогда ли, когда он катится быстро, или когда движется медленно? Спросите у велосипедиста, когда ему легче удержать равновесие – при медленной или при скорой езде? Спросите балетную танцовщицу, долго ли бы могла она устоять на носке, если бы не кружилась; спросите у астронома сколько месяцев земная ось сохраняла бы неизменное направление относительно Полярной звезды, если бы земля не вращалась...»

Кроме этого, более и менее обще-известного, свойства, у волчка есть и еще одно, – пожалуй еще более замечательное. Оно состоит в следующем: если ось волчка заставить вращаться вокруг другой оси, то первая ось стремится занять положение параллельное второй, и при том так, чтобы оба вращательных движения имели одинаковое направление. Отсюда следует, что так как наш земной шар постоянно находится в вращательном движении, то все волчки и вообще все вращающиеся тела, видимые нами на земле, имеют стремление поставить свою ось параллельно земной оси, – т.е. направить ее к Полярной звезде. «С чувством изумления обыкновенно узнают впервые том, – пишет Перри, – что все вращающиеся тела (как, напр., маховые колеса паровых машин и т.п.) постоянно стремятся повернуть свою ось по направлению к Полярной звезде; это непосредственное стремление вращающихся тел остается тщетным, хотя, они и рвутся со своих подставок к предмету своих стремлений»...

Но если мы подвесим волчок так, чтобы ось его могла свободно изменять свое положение, то стремление это не останется тщетным, а осуществится. Если при обычных условиях мы не замечаем этого стремления, то только оттого, что оно резко проявляется лишь при очень быстром вращении: вращающееся тело должно совершать несколько тысяч оборотов в секунду, чтобы мы могли заметить его стремление направить свою ось к Полярной звезде.

Этим свойством быстро вращающихся волчков и воспользовались инженеры, чтобы приготовить ком-пас без магнита. Компас такого рода представляет собой волчок, чрезвычайно быстро вращающийся вокруг оси. Последняя, собственно, и играет роль стрелки магнитного компаса; она может двигаться лишь в горизонтальной плоскости и, следовательно, стремясь стать параллельно земной оси, займет положение как раз по линии север-юг.

На рис. 6 изображена модель, наглядно объясняющая употребление безмагнитного компаса. Вы видите волчок (гироскоп), который можно закрепить в любом месте медного обруча-меридиана, охватывающего глобус. Ось волчка нарочно продолжена и сделана в виде большой стрелы, чтобы движения ее были резче. Волчок приводится в быстрое вращательное движение при помощи электричества (провод виден и на рисунке). Сила тяжести заменена здесь резиновыми шнурками, протянутыми от оси волчка к глобусу. Пока глобус не вращается, ось волчка может занижать любое положение; но как только «земля» приходить в вращательное движение, ось волчка начинает раскачиваться и успокаивается лишь тогда, когда станет параллельно меридиану, – т.е. направится с юга на север. Для моряка такой безмагнитный компас представляет огромные удобства. Во-первых, он показывает не на магнитный, а на географический полюс; во-вторых, для него не существует никаких «склонений», с которыми постоянно приходится считаться, пользуясь магнитным компасом. В третьих, – положение его не зависит от близости железных масс, которые так влияют на магнитный компас. Это последнее преимущество очень важно для военных судов, с их гигантскими пушками, толстой стальной броней и электромоторами.

В настоящее время уже около 50 судов (главным образом, германского флота) снабжены такими безмагнитными компасами. Мы не будем входить здесь в описание деталей их устройства; они не существенны для неспециалиста, а идея их, надеемся, достаточно ясна из предыдущего. Укажем лишь, что компасы-волчки делают до 20.000 оборотов в минуту, т.е. около 330 в секунду (земля делает почти столько же в год!)

Между прочим, компас-волчок дает нам новое и при том прямое доказательство вращения земли: если бы земной шар не вращался, движения оси компаса-волчка были бы необъяснимы. С помощью этого маленького прибора мы могли бы убедиться в вращательном движении нашей планеты даже в том случае, если бы никогда не видели неба, а были бы погребены в какой-нибудь подземной пещере... Как упростилась бы задача гениального Галилея, если бы он был знаком с этим замечательным свойством гироскопа!

Надо вообще заметить, что волчок таит в себе не мало загадок, разрешение которых может сыграть важную роль в технике будущего. И нужно прямо удивляться, что такие важные принципы до сих пор оставались неиспользованными.

Источник информации:

«Природа и Люди».
Иллюстрированный журнал науки, искусства и литературы. 1912, №15

Дата публикации:

17 февраля 1999 года