Переворачивающийся волчок Томсона. Научные игрушки

Подробности

Обновлено 14.06.2021 19:27

07.2011

Как у Вас еще нет такого волчка? Значит Вы многое упустили в детстве ... Немедленно приобретайте! Голову заморочит, кому хочешь ... Кручу, верчу, многое узнать хочу ... например, о динамических свойствах этого своенравного переворачивающегося волчка. Посмотрите только на этих знаменитых физиков В. Паули и Н. Бора . Как Вы думаете, чем они увлечены? ...

Никто не знает, когда впервые был запущен китайский волчок, и кто его придумал. Но известно, что впервые необычными свойствами китайского волчка при вращении заинтересовался великий физик лорд Кельвин.

Позднее китайский волчок приобрел еще одно название "волчок Томсона" по имени ученого, занимавшегося изучением гироскопов. С тех пор такие волчки "крутят" во всем мире!

Китайский волчок - это шарик со срезанной верхушкой, на поверхности среза в центре расположена ножка-ось. Чтобы увидеть во вращении этого волчка что-то отличающее его от обычного волчка, нужно при его изготовлении соблюсти одно правило: центр масс волчка не должен совпадать с геометрическим центром шара-заготовки.

В устойчивом состоянии, т.е. в положении равновесия, китайский волчок подобен «Ваньке-встаньке». Центр тяжести расположен ниже центра кривизны его поверхности.

Без вращения волчок под действием силы тяжести устанавливается так, что ножка вытянута по вертикали. Волчок опирается на плоскость одной точкой своей сферической поверхности. Если его сильно раскрутить, то, вращаясь, он начинает наклоняться, переворачивается, а затем встает на ножку. Вращение при этом не прекращается. Правда, неправдоподобно? Но, факт!

Основные параметры волчка: О - центр масс волчка, h - расстояние от центра масс до точки опоры; K - центр кривизны волчка в точке опоры, r - радиус кривизны.

Если любой симметричный волчок привести во вращение вокруг его геометрической оси симметрии и установить на плоскость в вертикальном положении, то это вращение в зависимости от формы волчка и угловой скорости вращения может быть устойчивым или неустойчивым.

Поведение волчка при вращении будет зависеть от отношения момента инерции относительно геометрической оси симметрии к моменту инерции относительно главной центральной оси, перпендикулярной оси симметрии, а также от отношения расстояния от центра масс до точки опоры (h) к радиусу кривизны шляпки волчка (r).

При сильном раскручивании волчка происходит некоторое небольшое непроизвольное отклонение его от вертикального положения. При дальнейшем вращении геометрическая ось симметрии волчка занимает все более наклонное положение относительно вертикальной оси вращения.

На поверхности волчка не существует постоянной точки опоры. Смещающаяся точка опоры на его поверхности, постоянно приближаясь к срезу шарика, описывает на поверхности, на которой вращается волчок, кривую линию.

Центр масс волчка, который находится ниже геометрического центра шара, из которого он изготовлен, смещается при этом с оси вращения и начинает вращаться вокруг нее.

По мере вращения ось вращения и геометрическая ось волчка все более смещаются относительно друг друга. Трение в точке опоры создает вращающий момент, определяемый расхождением осей симметрии и вращения и направленный к низу. Это ведет к еще большему наклону волчка на бок. При большой угловой скорости вращения центр масс поднимается, а сам волчок все больше «заваливается» на бок.

После перехода волчка по инерции через горизонтальное положение вращающий момент за счет силы тяжести меняет свое направление и пытается перевернуть волчок.

Как только волчок коснется краешком ножки поверхности, на которой происходит вращение, точка опоры переходит на краешек ножки, и китайский волчок, как самый обыкновенный, начинает процессировать вокруг вертикальной оси, описывая коническую поверхность. За счет действия момента силы трения, направленного к вертикали, волчок, в конце концов, совместит свою ось с вертикалью, и мы увидим вертикальное вращение волчка «вверх ногами», т.е. на ножке.

Со временем из-за подъема центра масс и потерь на трение угловая скорость вращения волчка уменьшается.

Интересно, что если, например, запустить его по часовой стрелке, то после переворачивания направление вращения его относительно собственной геометрической оси симметрии сохраняется неизменным( если наблюдать за вращением только с одной стороны - например, сверху).

Но если проанализировать вращение волчка, наблюдая за ним все время вращения только с одной стороны, например, со стороны ножки, то можно заметить, что после опрокидывания на ножку, вращение волчка вокруг оси симметрии будет противоположно исходному. Это было замечено на опытах, когда вращение волчка происходило на поверхности копировальной бумаги. Вычерченная в результате вращения линия на поверхности волчка показывает, где, в какой момент произошло изменение направления вращения.

Где же, в какой момент происходит эта неуловимая для глаза смена направления вращения?

Когда геометрическая ось волчка при вращении переходит в горизонтальное положение, в этот момент вращение вокруг геометрической оси симметрии волчка отсутствует! Здесь то и меняется неощущаемое визуально направление вращения.