Глава третья. Круговое движение

Почему не падает вращающийся волчок?

Из тысяч людей, забавлявшихся в детстве с волчком, не многие смогут правильно ответить на этот вопрос. Как, в самом деле, объяснить то, что вращающийся волчок, поставленный отвесно или даже наклонно, не опрокидывается, вопреки ожиданиям? Какая сила удерживает его в таком, казалось бы, неустойчивом положении? Разве сила тяжести на него не действует?

Здесь имеет место весьма любопытное взаимодействие сил. Теория волчка непроста, и углубляться в нее мы не станем. Укажем лишь основную причину, вследствие которой вращающийся волчок не падает.

Рис.25. Почему волчок не падает?

На рис.25 изображен волчок, вращающийся в направлении стрелок. Обратите внимание на часть А его ободка и на часть В, противоположную ей. Часть А стремится двигаться от вас, часть В - к вам. Проследите теперь, какое движение получают эти части, когда вы наклоняете ось волчка к себе (рис.26). Толчком вы заставляете часть А двигаться вверх, часть В - вниз; обе части получают толчок под прямым углом к их собственному движению. Но так как при быстром вращении волчка круговая скорость частей диска очень велика, то сообщаемая вами незначительная скорость, складываясь с большой круговой скоростью точки, дает равнодействующую, весьма близкую к этой круговой,- и движение волчка почти не меняется. Отсюда понятно, почему волчок как бы сопротивляется попытке его опрокинуть. Чем массивнее волчок и чем быстрее он вращается, тем упорнее противодействует он опрокидыванию.

Рис.26. Вращающийся волчонок, будучи подброшен, сохраняет первоначальное направление своей оси

Сущность этого объяснения непосредственно связана с законом инерции. Каждая частица волчка движется по окружности в плоскости, перпендикулярной к оси вращения. По закону инерции частица в каждый момент стремится сойти с окружности на прямую линию, касательную к окружности. Но всякая касательная расположена в той же плоскости, что и сама окружность; поэтому каждая частица стремится двигаться так, чтобы все время оставаться в плоскости, перпендикулярной к оси вращения. Отсюда следует, что все плоскости в волчке, перпендикулярные к оси вращения, стремятся сохранить свое положение в пространстве, а поэтому и общий перпендикуляр к ним, т. е. сама ось вращения, также стремится сохранить свое направление.

Не будем рассматривать всех движений волчка, которые возникают при действии на него посторонней силы. Это потребовало бы чересчур подробных объяснений. Я хотел лишь разъяснить причину стремления всякого вращающегося тела сохранять неизменным направление оси вращения. Этим свойством широко пользуются в технике. Различные гироскопические (основанные на свойстве волчка) приборы - компасы, стабилизаторы и др.- устанавливаются на кораблях и самолетах ¹

¹ (Вращение обеспечивает устойчивость снарядов и пуль в полете. Гироскопические приборы применяются для автоматического управления движением летательных аппаратов, ракет, морских судов. Известии также разнообразные навигационные гироскопические приборы, например гирокомпас, гировертикаль, указатель курса и т. д. Целый ряд измерительных гироскопических приборов предназначается для определения характеристик движения тела: угловой скорости, углового ускорения и некоторых других. Во всех перечисленных приборах основным элементом является гироскоп - быстро вращающееся твердое тело, ось вращения которого может изменять свое направление в пространстве.)

Таково полезное использование простой, казалось бы, игрушки.