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.

перейти к началу страницы