Трение — древнейший враг машин. На его преодоление тратится половина мощности всех двигателей планеты, почти половина добываемого на земле топлива. Кроме того, трение приводит к износу деталей машин. Это значит, миллионы тонн металла теряются безвозвратно, превращаясь в тончайшую пыль.

Способов борьбы с трением придумано множество, но почти все они сводятся к тому, чтобы отделить трущиеся поверхности друг от друга. Для этого, например, подшипники автомобиля смазывают маслом, а некоторые подшипники морских судов делают из резины и смазывают… водой.

Еще первобытный человек, передвигая тяжелые камни, догадался подкладывать под них катки, ролики. Тем самым трущиеся поверхности разъединялись, и трение скольжения заменялось трением качения. На этом принципе основан шарикоподшипник. Придумал его еще Леонардо да Винчи, а делать научились сто лет назад. Шарикоподшипник по сравнению с масляной или водяной смазкой в десятки раз снижает трение и износ. Но для некоторых машин и этого мало.

Сегодня зубные врачи сверлят зубы при помощи пневматических бормашинок. Их вал вращается от воздушной турбинки со скоростью до 100 000 оборотов в минуту. Все известные шариковые подшипники при таких скоростях мгновенно бы пришли в негодность. Поэтому здесь применяют подшипники, которые смазываются сжатым воздухом. Это не только снижает трение, но и почти совсем устраняет износ. Есть, однако, приборы, для которых и такие подшипники слишком грубы. Речь идет о гироскопических устройствах, которые применяются для точного вождения кораблей, самолетов и ракет. Основа их — волчок, который, благодаря быстрому вращению, способен сохранять в пространстве положение своей оси. Однако малейшее трение способно отклонить ось, и тогда самолет собьется с курса, а ракета пролетит мимо цели.

Лучший способ устранить трение гироскопа — магнитный подвес. Наденьте на карандаш пару кольцевых магнитов, расположив их одноименными полюсами навстречу. Между ними образуется зазор. Поместив их в вакуум, можно было бы полностью избавиться от трения между ними. Но без карандаша или какого-то вала система окажется неустойчива.

Достаточно малейшего смещения одного из магнитов в сторону, как он тотчас же перевернется и прилипнет к другому.

Некогда изобретатели полагали, что следует взять не два магнита, а пять, сто или тысячу, чтобы получилась устойчивая система, однако практическое решение найти очень долго никому не удавалось.

Причину, казалось бы, обнаружили. Еще в 1839 году английский физик С. Ирншоу доказал, что система тел, связанных силовым полем типа электрического или магнитного, но обязательно убывающего обратно пропорционально квадрату расстояния, не может находиться в устойчивом равновесии. Многие восприняли это как запрет и перестали искать устойчивую систему из постоянных магнитов.

И все же магнитный подвес был создан, причем без нарушения теории Ирншоу.

В 60-е годы в Польше на одной из международных выставок появился большой глобус, бесшумно висящий в воздухе как бы ни на чем (рис. 1).

Это была сенсация, но из нее никто не делал секрета. Глобус был сделан из легкого пластика, а сверху наклеена пластина мягкой стали. Под потолком укрепили электромагнит, лампочку и фотоэлемент. При включении тока электромагнит притягивал глобус, а он при этом пересекал луч фотоэлемента. Возникал сигнал, который тотчас отключал ток от магнита. Глобус начинал падать и переставал загораживать свет. Тогда от фотоэлемента поступал сигнал на включение магнита. Весь этот процесс проходил настолько быстро, что дрожание глобуса заметить было невозможно.

Устройство с бесшумно парящим в воздухе предметом — неплохое украшение для квартиры. Вы можете собрать его самостоятельно по схеме, которую мы опубликуем в приложении к «ЮТ» — журнале «Левша».

Магнитный подвес подобного типа применяется и для подвески роторов гироскопов. Вращающийся с огромной скоростью шарик, висящий в вакуумной камере на невидимых нитях магнитного поля, прекрасно сохраняет положение своей оси вращения, позволяет выводить ракету на цель с отклонением не более десятка метров на тысячу километров полета.

Конечно, в гироскопах ракет магнитный подвес такого типа управляется гораздо более сложной электронной системой. Однако можно сделать его проще. Это стало возможным благодаря работам физика из Томска Г. В. Николаева.

К сожалению, из-за сложного математического аппарата кратко изложить его теорию невозможно. Однако эксперименты, положенные в ее основу, могут быть показаны в школе.

Вот один из них. Возьмите два небольших полосовых магнита, например от мебельных защелок, и положите их параллельно, так, чтобы они притягивались (рис. 2).

Рис. 2

Ничего особенного в этом нет. Но если из них собирать магниты более длинные и также укладывать параллельно, то притяжение между ними по мере роста длины будет ослабевать и даже сменится на отталкивание.

Интересный результат получается, когда короткий магнит приближают к длинному (рис. 3).

Рис. 3

При этом возникает так называемая магнитная потенциальная яма. На большом расстоянии эти два магнита притягиваются. На малом — отталкиваются, но есть такое место, где магниты друг с другом вовсе не взаимодействуют.

Получившаяся устойчивая система из магнитов не противоречит теореме Ирншоу. Ведь здесь расстояния между магнитами малы по сравнению с их размерами. Поэтому силы взаимодействия ослабевают не обратно пропорционально квадрату расстояния, а гораздо медленнее. Но почему сила притяжения одних и тех же магнитов то меняется на отталкивание, то пропадает вообще? Как утверждает Г.В.Николаев, это явление в рамках обычной электродинамики необъяснимо. Оно связано с существованием двух магнитных полей. Одно из них — поле, охватывающее проводник с током, мы изучаем в школе. Но у каждого проводника с током, как установил Ампер, есть еще и слабое продольное магнитное поле. Его современная электродинамика не учитывает, а зря. Оно является причиной многих явлений, в том числе и описанного. Однако это не мешает найти магнитной потенциальной яме техническое применение.

Вот, к примеру, забавная игрушка. Паровоз тянет за собою два-три вагона. Приглядевшись, вы замечаете, что между ними нет ни крючков, ни нитей, лишь маленький зазор. Если вагоны сблизить до упора и отпустить, то они разойдутся. Стоит их растащить, они сойдутся вновь. Во всех случаях зазор между вагонами остается.

На рисунке 4 изображен демонстрационный прибор Николаева — ротор с магнитным подвесом.

Рис. 4

Его вал, хоть и проходит через подшипники, не касается ни их, ни какого-либо тела вообще. Сила трения здесь в тысячи раз слабее, чем в любом из известных подшипников.

Если же поместить ротор в сосуд, где откачан воздух, то трения не будет вообще. Очевидно, на этом принципе можно построить простой и очень надежный гироскоп. Возможно и другое применение прибора — накопление энергии. Стоит раскрутить такой ротор, и он будет вращаться годами.

Магнитную потенциальную яму, предложенную Г.В.Николаевым, вероятно, можно применить для создания поезда, парящего над рельсами практически без трения. Да мало ли для чего еще! Если же вас интересуют парадоксы магнитного поля, то рекомендуем книгу: Г.В. Николаев . Непротиворечивая электродинамика, теории, эксперименты, парадоксы. Томск, 1997.

С. СИНЕЛЬНИКОВ , А. ИЛЬИН