Волчок и применение его свойств - Краснов Александр Иванович - Страница 4

Рис. 16. Прецессия земного шара.

Сторона конуса составляет с этой осью угол в двадцать три с половиной градуса.

Чтобы дождаться, пока земная ось полностью опишет конус, нашему наблюдателю потребовалось бы пробыть в межзвездном пространстве почти двадцать шесть тысяч лет.

Изменение положения земной оси, как известно, является одной из причин, по которым меняется климат. В наши дни в северном полушарии происходит постепенное потепление летнего периода и похолодание зимнего, а в южном — наоборот. Через тринадцать тысяч лет летом в нашем полушарии станет значительно теплее, чем сейчас. Затем начнется постепенное похолодание. Изменение наклона земной оси к так называемой плоскости эклиптики, то есть к плоскости, в которой движется Земля вокруг Солнца, за ряд тысячелетий представлено на рис. 17.

Рис. 17. Изменение наклона земной оси в пространстве под влиянием прецессии.

Нужно сказать, что еще Л. Эйлер, руководствуясь открытым им законом вращения твердого тела, указывал на возможное изменение положения земной оси с течением времени. Но тогда проверить догадку Эйлера не было возможности. Лишь во второй половине XIX века, когда измерения стали более точными, убедились в справедливости утверждения Эйлера.

Изменение положения земной оси на протяжении тысячелетий подтверждается, например, сохранившимися до наших дней описаниями звездного неба, которое наблюдали много тысяч лет тому назад. По этим документам мы узнаем, что две тысячи лет назад звезды Большой Медведицы мерцали над южной Грецией, а сейчас оттуда их видят заходящими за горизонт. Шесть тысяч лет назад над тем местом, где сейчас расположена столица нашей Родины Москва, ярко светил Южный Крест — созвездие, ныне видимое лишь в южном полушарии. В наши дни над северным полушарием Земли ярко светит Сириус, прежде невидимый в этих местах.

Итак, Земля устойчиво сохраняет положение своей оси вращения в пространстве, описывая правильный конус. Это позволяет назвать земной шар гигантским волчком, а все изменения видимого звездного неба над каким-либо одним местом в течение тысячелетий — следствием прецессии нашего гигантского волчка.

С быстро вращающимися волчками, с проявлениями их замечательных свойств мы встречаемся повседневно, ежечасно. В небесной дали находится множество их. Твердые небесные тела, вращающиеся вокруг своей оси (например, планеты), обладают всеми свойствами быстро вращающихся волчков. Эти же свойства характерны для самых малых частиц вечно движущейся материи — электронов. Такие «волчки» имеются всюду, во всех телах.

Беспредельны морские и воздушные просторы. Плавая в океанах и морях, можно неделями не встретить какого-либо ориентира, по которому можно было бы определить свое местоположение. Лишь Солнце и звезды, да волны вокруг.

А безопасное плавание, своевременное прибытие к месту назначения возможны лишь в том случае, когда мореплаватель точно знает свое местоположение.

Летая над сплошными облаками или морем, пилот не видит ориентиров и не может определить своего местонахождения. Местоположение можно определить специальным прибором — секстаном, измерив высоту над горизонтом одного из небесных светил. Но горизонт часто оказывается затянутым дымкой, туманом, мглой. Значит, нужен искусственный «горизонт». Казалось бы, с этой целью можно использовать сосуд с водой. Ведь ее поверхность в спокойном состоянии всегда горизонтальна. Указателем горизонта мог бы служить также специальный инструмент, так называемый уровень (ватерпас), с воздушным пузырьком в жидкости, помещенной в стеклянную трубочку, или, еще проще, подвешенный шнурок с грузом. Шнурок с грузом будет направлен к центру Земли, или, как говорят, по истинной вертикали. А она всегда перпендикулярна к плоскости горизонта.

На стоянке корабля и самолета все эти приборы будут действовать безошибочно. Но на движущемся корабле или самолете они не покажут истинного горизонта. Определение высоты светила с помощью таких устройств окажется неправильным. Для этого необходимо более совершенное устройство искусственного горизонта.

И вот возникла идея использовать для создания искусственного горизонта волчок. Эту идею высказали уже в середине XVIII столетия.

Рассказывают, что первую удачную конструкцию искусственного горизонта предложил в 1742–1743 гг. английский механик Серсон. Основой этого прибора являлся волчок в виде большого отполированного диска с заострением в центре. Верхняя поверхность диска была тщательно отполирована до такой степени, что предметы отражались в ней, как в зеркале. Волчок Серсона запускался от руки. Поэтому продолжительность его вращения оказалась небольшой. К тому же он не выдерживал качки.

Существенное усовершенствование в это изобретение внес английский механик Дж. Грехем, предложив запускать волчок раскручиванием намотанного на его ось шнурка. Уже одно это сделало прибор Серсона более пригодным для пользования.

Вначале Адмиралтейство отказывалось испытывать искусственный горизонт Серсона, усовершенствованный Дж. Грехемом. Но затем в том же 1743 г. его подвергли всесторонним испытаниям при плавании яхты в Ламанше. Испытания оказались успешными. Предложенная конструкция искусственного горизонта получила одобрение.

Вслед за этим Адмиралтейство отправило изобретателя Серсона в плавание на корабле «Виктория» для дальнейших детальных испытаний. К сожалению, результаты их остались неизвестными. Корабль со всем экипажем и изобретателем искусственного горизонта погиб во время шторма. Считали, что это произошло по вине испытывавшегося прибора.

Происшедшая катастрофа создала непреодолимые затруднения для Дж. Грехема, создавшего новый вариант искусственного горизонта.

Практическое использование этой, по существу верной, идеи стало реальным лишь почти через сто пятьдесят лет, в 1886 г., когда француз Флерие предложил очень компактный искусственный горизонт.

В то время во Франции за изобретения и открытия, способствующие успехам мореплавания, была установлена специальная премия. Флерие за созданный им искусственный горизонт получил премию удвоенных размеров. Предложенная им конструкция действительно заслуживала этого, будучи очень удобной и прекрасно действующей в условиях качки.

Прибор Флерие несложен. Устройство его нетрудно понять, обратившись к рисунку 18.

Рис. 18. Схема устройства искусственного горизонта, применяемого в секстане. 1 — светило, видимое в окуляре секстана на линии искусственного горизонта; 2 — линия искусственного горизонта (штрих, нанесенный на линзах).

Волчок запускается струей сжатого воздуха и вращается со скоростью десять тысяч оборотов в минуту. На диске волчка укреплены две плоско-выпуклые линзы, отстоящие одна от другой на их фокусном расстоянии.

На плоской поверхности каждой линзы нанесено по тонкому горизонтальному штриху. Когда плоскость быстро вращающегося волчка совпадает с истинным горизонтом, штрихи на линзах наблюдатель видит слившимися в одну линию. Чтобы определить широту места, надо, перемещая лимб[1] особой подзорной трубы секстана, привести отражение наблюдаемого светила в соприкосновение с этой линией. Тогда на секстане окажется зафиксированной высота светила (рис. 18).

При несовпадении поверхности волчка с истинным горизонтом наблюдатель видит в трубе секстана штрихи то наклонными, то горизонтальными, но не совпадающими.

Вопрос о том, обращаются ли планеты и Солнце вокруг Земли или, наоборот, Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца, занимал многих ученых на протяжении ряда столетий.