Класс!ная физика



Вращение. Гироскопы и волчки. Опыты

06.2012

ГИРОСКОПЫ И ВОЛЧКИ

Очень часто  гироскоп называют волчком, а  волчок — гироскопом. И хотя конструктивно гироскоп и волчок отличаются друг от друга, они имеют много общего в характере движения. И гироскоп, и волчок   - это тела, способные быстро вращаться вокруг своей оси симметрии, имеющей неподвижную точку, оба обладают способностью устойчиво сохранять при вращении направление своей оси в пространстве, совершать прецессию и т. д.
Поэтому рассматривать вращение гироскопа очень удобно на примере простой детской игрушки – волчка.

ОПЫТЫ С ГИРОСКОПОМ


Очень интересные опыты можно проделать, если тебе удастся найти в магазине гироскоп - тяжелый металлический волчок, укрепленный в металлическом кольце.

Волчок запускается тонким и прочным шнурком. При быстром вращении он сохраняет вертикальное положение, если его поставить на один из шариков кольца. Волчок не только не падает, он даже сопротивляется, когда его пробуют повалить. И только когда вращение замедлится, волчок постепенно ложится набок.

Впрочем, все это тебе уже знакомо по опытам с простыми, самодельными, волчками. Но усовершенствованный покупной волчок дает и новые возможности.

Например, он передвигается, не падая, по донышку тарелки или по другой гладкой поверхности, если нажимать палочкой на его нижний шарик.

Можно придать волчку положение, которое как будто бы противоречит всем законам равновесия. Он будет вращаться, стоя наклонно на кончике иглы. Для этого воткни швейную иглу в пробку бутылки острием вверх и, закрутив волчок, поставь его осторожно и точно на острие. Хорошо, если на шарике волчка есть маленькое углубление. Оно не даст соскочить с иглы. Если волчок немного наклонить, он, вместо того чтобы падать, опишет круг свободным концом.

А ты ведь уже знаешь, что равновесие волчка неустойчиво. В самом деле, если его наклонить, центр тяжести будет опускаться. Значит, волчок должен упасть. И он в самом деле упадет, как только перестанет вращаться. Но пока вращается, стоит. Ось вращения сохраняет свое положение.

Вращающийся волчок может, словно канатный плясун, удерживаться на тонкой нитке. Для этого нужно только, чтобы в одном из шариков покупного волчка был желобок. Если его нет, можешь сам аккуратно сделать тонким напильником. Привяжи нитку к ручке окна, двери, к вешалке или другому неподвижному предмету, а другой конец возьми в руку. Раскрутив волчок, поставь его желобком на нитку.

Он будет стоять неподвижно или «ездить» от одного конца к другому, если ты будешь поднимать или опускать нитку. Хорошо раскрученный волчок может ходить через всю комнату!

A вот еще замечательный опыт с покупным волчком. Подвесь волчок за один из шариков на прочной нитке. Пока волчок не вращается, он будет, конечно, висеть вертикально. Но как только ты запустишь волчок, он сможет вертеться в том положении, какое ты ему придашь. Хотя бы даже боком!.


Опыт с волчком

Запустите  волчок  на листе картона, а затем подбросьте вверх. Время полета и после падения вниз на картон острием волчок сохранит вертикальное положение своей оси.
Легко убедиться, что это его свойство связано с быстрым вращением.

Повторите опыт, пустив волчок медленнее, чем раньше. Положение оси
в данном случае будет неустойчивым.


Опыт с колесом

Поставим колесо, например велосипедное, на горизонтальную поверхность и отпустим. Колесо, конечно, упадет. Другое дело, если его покатить. Когда оно катится быстро, то не только не падает, но и сбить-то его трудно. Понаблюдав за движением колеса, мы заметим, что оно, постепенно наклоняясь, поворачивается в сторону наклона.
Это свойство гироскопа называется:  способность прецессировать.


Опыт с монетой

Тот же эффект можно наблюдать, если воспользоваться обычной монетой.
Пустите  монету  по столу или гладкому полу…

Она покатится не прямо, а будет двигаться по кривой, поворачиваясь при этом в сторону своего наклона. Кстати, волчок, запущенный наклонно, также прецессирует: его ось при движении описывает верхним концом круговые траектории.


Катание на велосипеде «без рук»

Явление прецессии часто используют велосипедисты, катаясь «без рук».

Например, едущий слегка наклонился влево. Ось переднего колеса тут же получает вращательный момент относительно направления движения велосипеда. Переднее колесо начинает прецессировать и поворачивает влево. Линия соединяющая точки касания переднего и заднего колес с землей, подойдет под центр тяжести седока, и велосипед вновь будет устойчиво двигаться по прямой.

Таким образом,  роль велосипедиста при езде «без рук»  не так уж сложна. Ему нужно лишь не мешать  прецессионным  движениям  переднего  колеса, которые совершаются автоматически.


Опыт с бумерангом


Теперь поэкспериментируем с бумерангом.
Совсем не обязательно придавать ему крючковатую форму, которая не так уж важна для возвращения бумеранга к месту запуска.

Так, кольцо диаметром 20—30см и шириной 2 см, вырезанное из картона толщиной 4 мм, способно проделать такой же полет. Его бросают, придав ему движением руки вращение. С увеличением угла атаки кольцо поднимается, теряя при этом свою скорость и медленно прецессируя. На вершине траектории оно имеет уже значительный угол атаки, начинается скользящий полет. Кольцо продолжает вращаться и направляется к бросавшему.

Бумеранг можно сделать и в виде прямоугольной пластинки, вырезанной также из картона (2,5  х  12 см, толщина 0,5 мм). Такой бумеранг кладут на наклонно расположенную книгу так, чтобы выступал конец. Затем по нему ударяют линейкой. Ее движение при этом параллельно краю книги. Слегка повернув книгу, можно искривить траекторию полета бумеранга.

Источник: журн. "Юный техник"; "Здравствуй, физика" Л. Гальперштейн>





Устали? - Отдыхаем!

Вверх