Вы прекрасно знаете и сами: пока волчок неподвижен, поставить его на острый конец оси невозможно. Но стоит заставить его вращаться, и он устойчиво стоит на том же самом остром конце оси. Вы можете на него подуть или слегка щелкнуть, но он лишь покачнется. В чем секрет его устойчивости?

Обод волчка находится в движении. Это позволяет сравнивать поведение волчка с поведением любого другого движущегося тела. Если ударить, например, по летящему камню, он довольно резко изменит свою траекторию. Но если такой же удар нанести летящей пуле, то из-за большой скорости форма ее траектории изменится незначительно.

То же самое происходит и при ударе по ободу вращающегося волчка. Небольшая скорость удара складывается с большой скоростью обода и лишь незначительно изменяет ее направление. При этом так же незначительно изменяется и положение оси вращения.

Известно и несколько иное объяснение устойчивости волчка. Допустим, какая-то частица, находящаяся на его ободе слева, получила толчок и «полетела» вниз по инерции. Ось при этом наклонилась влево. В следующее мгновение, благодаря вращению, она окажется справа. Но импульс частицы на ободе по-прежнему направлен вниз, и теперь он наклоняет ось вправо. Таким образом, благодаря вращению, внешний удар, по крайней мере, частично устранил свои последствия.

Эти объяснения не противоречат друг другу. Из них, например, следует один и тот же вывод: при бесконечно большой скорости вращения изменить положение оси вращающегося тела может лишь бесконечно большая сила.

Разумеется, бесконечно быстрое вращение невозможно. Но и при обычных скоростях при попытке изменить направление оси вращения сила сопротивления большого волчка может составлять сотни тонн.

Этим давно уже пользуются, например, для успокоения качки кораблей. На них устанавливают массивные волчки (силовые гироскопы), концы осей которых проходят через мощные подшипники, закрепленные на корпусе корабля (рис. 2).

Так, еще в 1930-е годы такие гироскопы ставили на итальянский пароход-экспресс «Конте ди Савойя». Этот гигантский пароход имел длину 244, ширину 30 м и водоизмещение 48 500 т. Турбины мощностью 120 000 л. с сообщали ему скорость 52 км/ч. На этом экспрессе установили три гироскопа, которые вместе с рамами весили 651 т. Их вращали три электромотора общей мощностью 1500 л.с. Гироскопы, сопротивляясь бортовой качке, создавали усилие в 1620 т. В результате этого даже в сильнейший шторм палуба отклонялась всего лишь на 1,5°, чего пассажиры просто не замечали.

В начале XX века русский изобретатель Шиловский построил одноколейный автомобиль, имевший, как мотоцикл, только два колеса. На нем с удобством располагались четыре человека. Но в отличие от мотоцикла, автомобиль на остановках не падал: устойчивость ему придавал тяжелый гироскоп с вертикальной осью вращения. На этом же принципе Шиловский построил железнодорожный вагон, которому для езды было достаточно лишь одного рельса. В начале 1920-х годов в нашей стране началось даже строительство однорельсовой железной дороги. К сожалению, смерть изобретателя и разруха Гражданской войны помешали работам.

В начале 60-х годов прошлого века американцы вслед за Шиловским построили двухколесный автомобиль. Он развил скорость 200 км/ч, имея двигатель мощностью всего 80 л.с. (Обычной машине для этого нужна мощность под 200 л.с.!) Расход топлива составлял всего 3 л/100 км. Устойчивость создавалась крохотным силовым гироскопом, вращавшимся со скоростью 60 000 об/мин.

Долгое время у нас было принято лишь восхищаться работами Шиловского. Но вот появились сведения о разработке в нашей стране одноколейного варианта автомобиля «Ока». Устойчивость ему будет придавать легкий, но очень быстро вращающийся гироскоп под задним сиденьем. Машина будет двухместной и очень узкой, что позволит ей легко обходить автомобильные пробки. Гироскоп в ней послужит и накопителем энергии двигателя, что будет способствовать значительному снижению расхода топлива.

Однако в наше время способность гироскопа идеально точно сохранять положение чаще всего используется лишь как сигнал в системах управления самолетов, ракет и судов.

Вот схема одного из таких приборов. Вращающийся гироскоп закреплен в поворотной раме, расположенной в корпусе ракеты. Если корпус повернется в горизонтальной плоскости, то положение рамы вместе с гироскопом останется практически неизменным. Это достигается за счет очень низкого трения подшипников, на которых эта рама укреплена. Угол поворота корпуса определяется при помощи электронных датчиков. Полученный сигнал поворачивает рулевые машинки ракеты и тем самым устраняет отклонение ее полета. Долгое время подобные гироскопические автопилоты служили лишь для целей очень серьезных — вождения кораблей, самолетов, ракет. Но недавно гироскопы начали входить и в мир игрушек. Правда, игрушек очень дорогих. Гироскоп для модели самолета, например, стоит столько же, сколько цветной телевизор…

Большой интерес вызывают и просто волчки. Над ними интенсивно работают изобретатели. Как правило, волчок является и наглядным пособием по различным учебным темам.

Вот, например, очень простой волчок, раскрашенный синими и желтыми секторами. Стоит его достаточно быстро раскрутить, как линии сливаются в зеленое поле. Если такой волчок ярко раскрасить всеми цветами радуги, то после запуска он станет белесо-серым. Такой опыт поставил еще Ньютон, доказав тем самым, что белый луч солнца слагается из многих цветных лучей.

Три десятилетия назад в учебную литературу попала странная рекомендация не употреблять понятия «центробежная сила», а при решении задач пользоваться лишь силой центростремительной. Между тем эти две силы всегда существуют одновременно. Это доказывает волчок, показанный на рисунке 1.

Он состоит из бусинок, надетых на обычные булавки. При запуске бусинки под действием центробежной силы сдвигаются к концам булавок, тем самым доказывая ее реальность. Но это скольжение не происходит бесконечно быстро. Этому мешает инерция бусинки, которая здесь является силой центростремительной. Но вот бусинка достигла головки булавки. Теперь она неподвижна относительно самой булавки. Но своей центробежной силой давит на головку булавки, а головка (за счет деформации) создает силу центростремительную, которая и обеспечивает движение бусинки по окружности.

Далее о волчке, описанном в авторском свидетельстве СССР № 1713608. Этот волчок прыгает (рис. 3).

Он имеет куполообразный вращающийся корпус с карманами-воздухозаборниками, как на некоторых самолетах. После запуска в карманы попадает воздух, давление под куполом повышается, и волчок отрывается от пола. Сразу же после этого давление падает, и купол опускается. Далее следует новое накопление воздуха и новый взлет. Корпус такого волчка можно выклеить из бумаги, пропитанной клеем, на форме, вылепленной из пластилина. После высыхания корпус легко снимается с формы. Для повышения прочности и придания нарядного вида его полезно покрасить нитрокраской из баллончика.

А вот «упрямые ослики» (патент РФ № 1680241) изобретателей, постоянных авторов приложения «Левша» В.М.Красноухова и А.Т.Калинина (рис. 4).

На особой подставке стоят два ослика. Если ее закрутить в ту сторону, куда смотрят ослики, то волчок будет вращаться нормально. Но попробуйте ее крутануть в обратную сторону. Игрушка некоторое время повертится, затем на мгновение замрет и… начнет вращаться в ту сторону, куда смотрят ослики.

Явление это связано с тем, что каждый ослик установлен подвижно. Он может вращаться относительно оси, проходящей через его задние ножки. При толчке в обратную сторону ослики резко отклоняются, смещается центр масс игрушки и она начинает вращаться в обратную сторону.

Волчок по патенту РФ Nз 2215567 (авторы Лисицын С.Г. и Опарин С.Я.) состоит из подставки с установленным в ней магнитным кольцом и магнита, расположенного на оси непосредственно под ободом (рис. 5).

Полюса магнитов, как показано на рисунке, всегда направлены навстречу друг другу. Каталось бы, при этом сила отталкивания должна лишь приподнимать волчок. Но происходит нечто удивительное. Уже после запуска волчок вместе с подставкой можно установить на стену и даже поставить на потолок. Он будет неизменно вращаться, упираясь в углубление подставки. Это связано с тем, что поле кругового магнита имеет сложную структуру. Оно может резко менять свое действие на магнит, стоящий на оси, при самых небольших смещениях волчка. Не исключено, что данный эффект сможет найти какое-то техническое применение.

А вообще получается, что волчок игрушка серьезная.

А. ВАРГИН

Рисунки автора