ВОЛЧОК И ПРИМЕНЕНИЕ ЕГО СВОЙСТВ

ПРИЧИНЫ УСТОЙЧИВОСТИ

Нимательно наблюдая за «поведением» предметов, находящихся вокруг нас, мы обнаружим ряд любо­пытных явлений.

Например, соскочивший с быстро вращающихся шки­вов приводной ремень некоторое время катится, словно твердое колесо. Точно так же ведет себя металлическая цепь.

Предметы, свободно подвешенные на стержнях, бу­дут висеть в привычном для нас положении. Но стоит привести стержни в быстрое вращение, как эти предметы сначала начнут покачиваться, а затем опять займут

Мажным диском можно, как пилой, разрезать более твердые тела.

Нечто подобное удается наблюдать, когда вода вы­текает из пожарного ствола под давлением 75—100 ат­мосфер с большой скоростью. Струя жидкости, встре -

Чая на своем пути более твердые тела, разрушает их. Таким способом в некоторых шахтах добывают уголь.

Нефтяники рассказывают, что из одной фонтанирую­щей скважины поток нефти вырывался с огромной ско­ростью под давлением более трехсот атмосфер. При ударе по такой струе лом отскакивал, словно от сталь­ного столба.

Струя газа, вытекающего из одной скважины, увле­кая с собой частицы песка, прорезала деревянную доску и даже металлическую пластинку.

Конькобежцам, шоферам, велосипедистам хорошо из­вестно, как трудно внезапно остановиться или резко из­менить направление своего движения.

Можно без конца приводить подобные примеры. Но уже из сказанного нетрудно сделать вывод о том, что все тела стремятся сохранять направление движения и величину скорости. Это явление называется инерцией. О существовании этого явления впервые говорил еще Галилей, но открыл закон инерции и дал ему научное обоснование Исаак Ньютон.

Закону инерции, разумеется, подчинены и тела вра­щения, в том числе быстро вращающийся волчок. С од­ной стороны, сила тяжести стремится свалить волчок, с другой стороны, сила инерции стремится сохранить пер­воначальный характер движения, противодействуя, таким

Образом, падению волчка. Чем быстрее вращается вол­чок, тем больше сила инерции, тем труднее ее преодо­леть.

Проследим, например, за движением точек Л и В на диске волчка в тот момент, когда по его оси нанесен удар в направлении, указанном стрелкой (рис. И). Под воздействием удара волчок наклонится влево, точка А на диске станет при этом двигаться вниз, а точка В— вверх. Однако по закону инерции обе точки, стремясь

Сохранить прежнее на­правление движения, окажут сильное сопро­тивление действию уда­ра. В результате этого возникает так называе­мая прецессион­ная сила, увлекаю­щая волчок в сторону от направления дейст­вующей силы.

Внимательно на­блюдая за проводимым опытом, мы заметим, что волчок, вращаю­щийся против часовой стрелки, если смотреть сверху, отскакивает всегда под прямым уг­лом влево от направле­ния действующей на него силы (рис. 12). Проделав подобный же опыт с волч­ком, вращающимся по часовой стрелке, обнаружим, что он отскакивает вправо от направления толчка также под прямым углом.

Проделав одну за другой несколько попыток свалить быстро вращающийся волчок, мы обнаружим, что при каждом толчке усиливается покачивание его оси. На­конец, оно окажется значительным. Теперь нетрудно за­метить, что ось волчка описывает в пространстве опре­деленную фигуру (рис. 13). Это так называемая пре­цессия волчка.

Стремление волчка устойчиво сохранять свое поло­жение можно отчасти объяснить законом инерции. Но

Легкое покачивание оси объясняется и другим важным законом механики. Попытаемся разобраться в причинах этого явления на следующем простом примере.

Покатим с какой-нибудь постоянной скоростью по горизонтальной поверхности тяжелый металлический шар, хоставляющий после себя след в виде черной черты (рис. 14, А). Когда шар достигнет линии ДК, нанесем

По нему быстрый удар под Лонис прецессии

Прямым углом к направле - /

Нию движения (рис. 14, Б). ..........

В результате этого удара ^

Произойдет незначительное.................................

Изменение первоначального направления, причем шар теперь покатится с несколь­ко большей скоростью (рис. 14, В).

Если сильно увеличить скорость движения шара и затем нанести по нему удар с прежней силой, то направ­ление движения изменится еще меньше, чем в первом случае (рис. 14, Г).

Проводя подобные опы­ты, мы в любом ИЗ НИХ обна - Рис. 13. Прецессия волчка, ружим, что всякая сила, при­ложенная к движущемуся телу, вызывает изменение его скорости. Это, безусловно, верно. Здесь действует второй закон Ньютона: всякая сила, приложенная к движуще­муся телу вызывает изменение его скорости.

Движение быстро вращающегося волчка, разумеется, также подчиняется второму закону Ньютона. Именно по­этому ось волчка при любом воздействии на него по­сторонней силы всегда изменяет свое положение. Но такое изменение вследствие огромной разницы между силой, развивающейся в результате вращения, и «валя­щей» силой не заметно.

Таковы основные причины удивительного «поведе­ния» волчка. Следует, однако, оговориться: целый ряд дополнительных причин остался не упомянутым, потому что дальнейшее углубление вопроса превратило бы боль­шую часть нашей книжки в один из разделов теорети -

2

А. И. Краснов

Л

К

Ческой механики. Поэтому мы ограничимся лишь ска­занным.

Замечательные свойства быстро вращающегося волчка — вот в чем секрет устойчивости балерины, ис­полняющей фуэте. Этими же свойствами объясняются и поразительные манипуляции жонглера. Здесь мы видим умелое, однако безотчетное использование законов ме­ханики, законов вращения твердого тела вокруг непо­движной точки.

Где же еще, кроме эстрады и забавных детских игру­шек, используются замечательные свойства волчка?