ВОЛЧОК И ПРИМЕНЕНИЕ ЕГО СВОЙСТВ

НЕСКОЛЬКО ПОЛЕЗНЫХ И ВРЕДНЫХ НЕОЖИДАННОСТЕЙ

Братившись к примерам из области техники, нетрудно обнаружить множество загадочных на первый взгляд явлений. Вот некоторые из них.

Уже при первых полетах самолетов было замечено странное явление, послужившее в некоторых случаях при­чиной аварий и даже катастроф. Самолет при соверше­нии правого виража (поворота вправо) самопроизвольно стремился войти в пикирование. Если же выполнялся ле­вый вираж, то он также самопроизвольно проявлял стремление кабрировать, то есть задирать нос, как бы становясь на дыбы, поворачиваясь вокруг своей по­перечной оси.

4 А. И. Крденез

Не менее загадочными на первых порах оказывались случаи износа и разрушения подшипников корабельных турбин. Металл в подшипниках срабатывался не только в нижней, но и в боковой и даже верхней частях. Иногда подшипники разрушались на ходу корабля и, как пра­вило, в один из ответственных моментов — при развороте либо во время сильной качки.

Известны случаи, когда на автомобиле, мчавшемся по кривой, выходило из строя рулевое управление.

Или еще один любопытный пример. Многие удив­ляются искусству велосипедиста, едущего, не держась за руль. Он не только смело мчится по прямой, скрестив на груди руки, но и ловко заворачивает и вправо и влево, не касаясь руля.

Приведенные примеры свидетельствуют о наличии не­которых вредных, опасных, трудно объяснимых явлений в технике. Однако нередко встречаются подобные, но полезные явления.

В мельницах для дробления руды основной рабочей деталью является тяжелый диск, так называемый бегунок (рис. 34). Было замечено, что на дробилках, где ведущий

Вал соединен с диском Жестким поводком или через кри­вошип, подшипники нагревались более сильно и чаще происходил изгиб вала, причем эффективность действия бегунка оказывалась в несколько раз ниже, чем на дро­билках, где диск соединен с поводком посредством шар­нира. Особенно часто подобные явления наблюдались у одиночного бегунка при жестком креплении поводка.

Не являются ли «за­гадочные» примеры про - Напряжете прецес - явлением гироскопиче - а/ошого движения

СКИХ СВОЙСТВ? гироскопа

Чтобы ответить на этот вопрос, возьмем гироскоп и приведем его ротор в быстрое вращение. Повесим те­перь на его внутреннее кольцо небольшой груз.

Внимательно на­блюдая за «поведе­нием» гироскопа, мы вдруг обнаружим, что его ось «уходит» с пер­воначального направле­ния. При этом нетрудно заметить, что прецес­сионное движение его происходит по опреде­ленному правилу. Если ротор гироскопа вра­щается по часовой стрелке, как изображено на рисунке 35, то гироскоп «уходит» влево, и, наоборот, если ротор вра­щается против часовой стрелки, то гироскоп будет «ухо­дить» вправо.

Так совершает прецессию гироскоп под действием постоянной нагрузки.

Если же нанести сильный, но кратковременный удар по внутреннему кольцу, то прецессия будет происходить несколько иначе. Ось гироскопа в этом случае будет описывать конус, как и обычный волчок (рис. 36).

Расположив горизонтально ось быстро вращающегося ротора гироскопа, накинем петлю висящего шнура на продолжение оси ротора (рис. 37). К нашему удивлению,

Гироскоп сохранит приданное ему положение. Он будет лишь описывать окружность. Быстро вращающееся вело -

Сипедное колесо, подвешенное на веревке за удлиненную ось к потолку, станет «вести себя» точно так же, как и

Гироскоп в только что описан­ном случае (рис. 38).

Возьмем теперь в руки, на­правив горизонтально, ось ве­лосипедного колеса, быстро вращающегося по часовой стрелке, если смотреть на него со стороны правой руки.

Это нехитрое устройство мы вправе считать ротором гиро­скопа.

Попытаемся теперь повер­нуть этот гироскоп так, чтобы поставить его вертикально, ле­вым концом кверху, а пра­вым — книзу. ,В процессе пово­рота мы, к удивлению, ощутим, как конец оси, находящийся в левой руке, устремится в гори­зонтальной плоскости вперед, а в правой — назад (схема А рис. 39).

Попытавшись теперь повернуть ось нашего гироскопа в горизонтальной плоскости, занося, например, левый ко­
нец оси вперед, а правый назад, мы обнаружим, что левый конец ее устремится вниз, а правый — вверх (схема Б рис. 39).

Подобное явление и называют прецессией гироскопа или гироскопическим эффектом. Если вспомнить объяс -

Нение причин «поведения» быстро вращающегося волчка, то легко разобраться в описанных явлениях.

Наблюдая за «поведением» велосипедного колеса, не­трудно обнаружить замечательную закономерность: пре­цессионная сила всегда направлена под прямым углом относительно приложенной силы.

Теперь мы можем уяснить причину возникновения полезных и вредных неожиданностей, описанием которых мы начали этот рассказ.

Быстро вращающийся винт летящего самолета подо­бен гироскопу. Если он вращается против часовой стрелки, то при левом вираже, то есть когда плоскость вращения винта поворачивается влево, прецессионная сила оказывается направленной вверх. Огромная ско­рость вращения винта и его большие размеры являются
причиной того, что прецессионная сила очень велика. Она и заставляет в этом случае самолет кабрировать, то есть задирать нос, вращаясь вокруг поперечной оси. Самолет, пытающийся совершить правый разворот, увлекается пре­цессионной силой в пикирование.

Колесо быстро вращающейся паровой турбины на корабле подобно огромному гироскопу. Под влиянием

Рис. 39. Направление сил прецессии, возникающих под влия­нием усилий, стремящихся повернуть ротор гироскопа, или ось велосипедного колеса. 1 — прецессионные силы; 2 — сила, прилагаемая к оси колеса, чтобы повернуть его.

Разворота или качки вал турбины увлекает прецессион­ная сила, вызывающая дополнительные, иногда очень большие усилия, даже разрушающие подшипники. В не­которых случаях прецессионная сила нарушает управле­ние кораблем.

О том, насколько велики усилия, возникающие на валу турбины, свидетельствует гибель английских мино­носцев «Вепрь» и «Кобра», на которых впервые были установлены мощные паровые турбины. Предполагают, что причиной гибели послужил именно гироскопический эффект.

Колеса быстро мчащегося велосипеда, мотоцикла, автомобиля подобны быстро вращающимся роторам ги­роскопа. При наклонах и поворотах колес в них возни­кают прецессионные силы, под влиянием которых и про­исходят самопроизвольные развороты или выпрямление положения колес и поломка цапф.

Велосипедист, не держащийся за руль руками при езде, тоже использует явление гироскопического эффекта, возникающего при изменении положения колес. Доста­точно велосипедисту наклониться вместе с велосипедом в сторону поворота, чтобы переднее колесо под дей­ствием возникающей силы прецессии повернуло в эту же сторону.

В езде на велосипеде, не управляемом руками, ис­кусство состоит в том, чтобы точно рассчитать степень наклона и определить момент выравнивания вело­сипеда.

На мельницах с бегунковыми дробилками происходит явление, подобное описанному. В том случае, если бегу­нок жестко закреплен на поводке или через кривошип, прецессионная сила, действуя на вал, изгибает его. В том случае, если бегунок соединен с поводком посред­ством шарнира, прецессионная сила с большим усилием прижимает бегунок к размельчаемой руде. Получается больший эффект дробления ее. При жестком же крепле­нии эта сила обычно затрачивается на изгиб поводка или нагрев подшипников.

Явления прецессии, явления гироскопического эф­фекта часто используют для успокоения качки судов, а также для устройства однорельсовых железных дорог.