Одной из любимых детских игрушек является волчок или юла. Раскрутишь его – он и стоит себе на одной ножке, только яркие полосы на боковине сливаются в сплошное цветное пятно. Казалось бы, самая обычная, простая детская игрушка, а в основе ее поведения лежит такое физическое явление, как гироскопический эффект. Пока такой волчок неподвижен, он не представляет собой никакого интереса, поставить его вертикально просто невозможно. Но стоит его раскрутить – тут начинаются настоящие чудеса.
Именно вращательное движение и является причиной устойчивости волчка. Из-за сил трения в точке опоры вращение замедляется, и когда оно прекратится, волчок падает. Устойчивость игрушке придает гироскопический эффект. Создается он центробежной силой, возникающей при вращении юлы. Если ее хорошо раскрутить, то, даже если юла первоначально стояла под углом, она станет вертикально. Волчок всегда устанавливается так, что ось вращения и направление силы тяжести совпадают.
Если попытаться отклонить волчок от вертикального положения, то он начинает совершать некие колебания, которые имеют специальное название – прецессия. Ось волчка при этом явлении описывает в пространстве вокруг вертикальной линии фигуру похожую на конус. Чем сильнее раскручен волчок, тем он будет устойчивей. Чем более массивным будет игрушка и чем выше ее скорость, тем больший гироскопический момент она сможет развить. Под этим термином подразумевается произведение угловой скорости волчка (ротора) на момент инерции собственного вращения ротора.
Описанный случай– лишь один из немногих возможных примеров вращающихся тел. Их главная особенность – устойчивость тела по отношению к оси вращения. Для повышения устойчивости пули и исключения ее кувыркания в воздухе, ее заставляют в полете вращаться. Добиваются этого с помощью винтовой нарезки в стволе. Вращающаяся пуля сохраняет во все время полета свое положение и направление.
Из приведенного примера видно, что гироскопический эффект находит применение не только в качестве детской игрушки. Устойчивость вращающегося диска имеет свое использование в технике. На этом принципе – сопротивлении попыткам изменить положение вращающегося диска, построены так называемые гироскопические стабилизаторы. Они работают на морских судах в качестве устройств, гасящих качку.
Изобретен и специальный прибор – гироскоп. По сути, гироскоп – это тот же самый волчок. У этого прибора ось помещена в специальную подвеску и может свободно в ней вращаться. Гироскоп может служить компасом. Если его сильно раскрутить, то ось его вращения будет направлена вдоль земного меридиана, указывая на север. Такой прибор называется гирокомпасом.
Гирокомпас обладает определенными преимуществами перед обычным магнитным компасом. Так, погрешность магнитного компаса зачастую достаточно большая, особенно в районах вблизи полюсов. В таких случаях лучше всего пользоваться именно гирокомпасом. Существует множество других приборов с применением гироскопического эффекта – гирогоризонт, гиротахометры, гиростабилизирующие платформы.
Даже сама Земля представляет собой гигантский волчок, совершающий один оборот в сутки. У этого волчка есть и прецессионные колебания. Такой же гигантский волчок представляет собой и Солнце. По-видимому, вокруг собственной оси вращается все во Вселенной. И не только звезды, но и туманности, и галактики.
Рассмотрев в качестве примера вращающийся волчок, прочно стоящий на одной точке и сопротивляющийся попыткам изменить его положение, удалось узнать, что в основе такого поведения лежит удивительно интересное и полезное явление, такое, как гироскопический эффект.
