Использование гироскопов в технике
Удивительная устойчивость, сообщаемая волчку быстрым вращением, долгие годы
привлекала внимание ученых и изобретателей.
В 1852 г. французский ученый Леон Фуко на заседании Парижской академии наук
продемонстрировал свой первый гироскопический прибор, при помощи которого можно
было непосредственно в лаборатории обнаружить факт вращения Земли. С тех пор
прошло немногим более 100 лет - крайне незначительный для истории срок. За это
время потомки маленького волчка - гироскопы различных назначений и конструкций
массой от нескольких граммов до многих тонн нашли широкое применение в технике.
Одним из первых гироскопических приборов, который в свое время широко использовался
во флоте, был прибор, применявшийся для измерения географической широты месторасположения
корабля во время шторма. Волчок служил в этом приборе для определения искусственного
горизонта. Несколько позже началось широкое использование гироскопов в военной
технике. Так, в 1898 г. австрийский инженер Обри изобрел прибор, известный под
названием прибора Обри и предназначенный для обеспечения заданного направления
движущейся в воде торпеды. Оказалось, что забавная детская игрушка - волчок
- способна сеять на Земле смерть, уничтожать человеческие жизни.
Один из гироскопических приборов самолета -гирогоризонт, основным
элементом которого является гироскоп в кардановом подвесе.
В настоящее время гироскопы играют большую роль в исследовании космического
пространства, где используются при выводе на орбиту космических кораблей, стабилизации
искусственных спутников Земли, при полетах космических аппаратов к Марсу, Венере,
Луне. Гироскопы используются на кораблях для стабилизации различных сложных
приборов, для правильного определения места расположения корабля и т. д. Гироскопы
помогают летчику управлять самолетом, уверенно ведут его к месту назначения
в любое время суток; они широко используются при бурении скважин, строительстве
шахт, прокладке штолен метрополитенов, в геодезии. Сейчас уже трудно найти область
техники, где бы не использовались гироскопы, гироскопические приборы.
На Земле, под землей и под водой, на широких просторах морей, океанов, в космическом
пространстве они помогают людям осуществлять дерзновенные замыслы и мечты, уверенно
прокладывать пути к намеченным целям.
Загадки волчка
На фотографиях вы видите особенный волчок, за которым с одинаковым интересом
наблюдают и те, для кого он предназначен, - дети, и два великих физика -Нильс
Вор и Вольфганг Паули. Кажется, даже их озадачила эта детская игрушка, которая
носит имя великого физика, -волчок Томсона.
Что же в нем интересного? А то, что, запущенный, он кувыркается, постепенно
ложится на бок, переворачивается, встает на ножку и продолжает вертеться на
ней. Для человека, не знакомого с теорией волчка, это так же необъяснимо, как
если бы стол в его комнате вдруг сам собой перевернулся ножками вверх. Ведь,
казалось бы, на шарообразной головке волчку стоять легче и удобнее, чем на тоненькой
ножке.
Столь необычное поведение волчка было бы нетрудно объяснить на языке формул.
Но мы не станем этого делать. Мы лишь напомним про описанный в нашей статье
"спящий" волчок, ножка которого также заканчивается сферической поверхностью.
Если запустить, его наклонно, ось сама собой приблизится к вертикали, т. е.
центр тяжести "спящего" волчка стремится занять самое высокое положение.
У волчка Томсона верхушка шарика срезана, центр тяжести волчка поэтому расположен
ниже геометрического центра шарика. При любом отклонении волчка от вертикали
его центр тяжести поднимается, что хорошо видно на рисунке. А самое высокое
положение центр тяжести волчка Томсона занимает, когда волчок переворачивается
на ножку.
Применение теории волчка не ограничивается гироскопами и детскими игрушками.
Наша Земля - это гигантский волчок, который, как и все волчки, обладает прецессией
и нутацией. Планеты, Солнце и звезды тоже волчки. Похоже на волчок и вращение
электрона вокруг своей оси (спин) и вокруг ядра атома, и вращение самого ядра
атома. Без анализа этих движений, кстати говоря, также обладающих прецессией,
невозможны современная теория магнетизма, теория металлов и полупроводников,
да и вообще вся современная физика.
|