Волчок и применение его свойств - Краснов Александр Иванович - Страница 9

Не менее загадочными на первых порах оказывались случаи износа и разрушения подшипников корабельных турбин. Металл в подшипниках срабатывался не только в нижней, но и в боковой и даже верхней частях. Иногда подшипники разрушались на ходу корабля и, как правило, в один из ответственных моментов — при развороте либо во время сильной качки.

Известны случаи, когда на автомобиле, мчавшемся по кривой, выходило из строя рулевое управление.

Или еще один любопытный пример. Многие удивляются искусству велосипедиста, едущего, не держась за руль. Он не только смело мчится по прямой, скрестив на груди руки, но и ловко заворачивает и вправо и влево, не касаясь руля.

Приведенные примеры свидетельствуют о наличии некоторых вредных, опасных, трудно объяснимых явлений в технике. Однако нередко встречаются подобные, но полезные явления.

В мельницах для дробления руды основной рабочей деталью является тяжелый диск, так называемый бегунок (рис. 34).

Рис. 34. Общий вид бегунковой мельницы.

Было замечено, что на дробилках, где ведущий вал соединен с диском жестким поводком или через кривошип, подшипники нагревались более сильно и чаще происходил изгиб вала, причем эффективность действия бегунка оказывалась в несколько раз ниже, чем на дробилках, где диск соединен с поводком посредством шарнира. Особенно часто подобные явления наблюдались у одиночного бегунка при жестком креплении поводка.

Не являются ли «загадочные» примеры проявлением гироскопических свойств?

Чтобы ответить на этот вопрос, возьмем гироскоп и приведем его ротор в быстрое вращение. Повесим теперь на его внутреннее кольцо небольшой груз.

Внимательно наблюдая за «поведением» гироскопа, мы вдруг обнаружим, что его ось «уходит» с первоначального направления. При этом нетрудно заметить, что прецессионное движение его происходит по определенному правилу. Если ротор гироскопа вращается по часовой стрелке, как изображено на рисунке 35, то гироскоп «уходит» влево, и, наоборот, если ротор вращается против часовой стрелки, то гироскоп будет «уходить» вправо.

Рис. 35. Прецессия гироскопа с тремя степенями свободы под влиянием постоянной силы.

Так совершает прецессию гироскоп под действием постоянной нагрузки.

Если же нанести сильный, но кратковременный удар по внутреннему кольцу, то прецессия будет происходить несколько иначе. Ось гироскопа в этом случае будет описывать конус, как и обычный волчок (рис. 36).

Рис. 36. Прецессия гироскопа с тремя степенями свободы от кратковременной силы — резкого удара по внутреннему кольцу.

Расположив горизонтально ось быстро вращающегося ротора гироскопа, накинем петлю висящего шнура на продолжение оси ротора (рис. 37).

Рис. 37. Прецессия быстро вращающегося гироскопа, подвешенного на шнурке.

К нашему удивлению, гироскоп сохранит приданное ему положение. Он будет лишь описывать окружность. Быстро вращающееся велосипедное колесо, подвешенное на веревке за удлиненную ось к потолку, станет «вести себя» точно так же, как и гироскоп в только что описанном случае (рис. 38).

Рис. 38. Прецессия быстро вращающегося велосипедного колеса, подвешенного на шнурке.

Возьмем теперь в руки, направив горизонтально, ось велосипедного колеса, быстро вращающегося по часовой стрелке, если смотреть на него со стороны правой руки.

Это нехитрое устройство мы вправе считать ротором гироскопа.

Попытаемся теперь повернуть этот гироскоп так, чтобы поставить его вертикально, левым концом кверху, а правым — книзу. В процессе поворота мы, к удивлению, ощутим, как конец оси, находящийся в левой руке, устремится в горизонтальной плоскости вперед, а в правой — назад (схема А рис. 39).

Рис. 39. Направление сил прецессии, возникающих под влиянием усилий, стремящихся повернуть ротор гироскопа, или ось велосипедного колеса. 1 — прецессионные силы; 2 — сила, прилагаемая к оси колеса, чтобы повернуть его.

Попытавшись теперь повернуть ось нашего гироскопа в горизонтальной плоскости, занося, например, левый конец оси вперед, а правый назад, мы обнаружим, что левый конец ее устремится вниз, а правый — вверх (схема Б рис. 39).

Подобное явление и называют прецессией гироскопа или гироскопическим эффектом. Если вспомнить объяснение причин «поведения» быстро вращающегося волчка, то легко разобраться в описанных явлениях.

Наблюдая за «поведением» велосипедного колеса, нетрудно обнаружить замечательную закономерность: прецессионная сила всегда направлена под прямым углом относительно приложенной силы.

Теперь мы можем уяснить причину возникновения полезных и вредных неожиданностей, описанием которых мы начали этот рассказ.

Быстро вращающийся винт летящего самолета подобен гироскопу. Если он вращается против часовой стрелки, то при левом вираже, то есть когда плоскость вращения винта поворачивается влево, прецессионная сила оказывается направленной вверх. Огромная скорость вращения винта и его большие размеры являются причиной того, что прецессионная сила очень велика. Она и заставляет в этом случае самолет кабрировать, то есть задирать нос, вращаясь вокруг поперечной оси. Самолет, пытающийся совершить правый разворот, увлекается прецессионной силой в пикирование.

Колесо быстро вращающейся паровой турбины на корабле подобно огромному гироскопу. Под влиянием разворота или качки вал турбины увлекает прецессионная сила, вызывающая дополнительные, иногда очень большие усилия, даже разрушающие подшипники. В некоторых случаях прецессионная сила нарушает управление кораблем.

О том, насколько велики усилия, возникающие на валу турбины, свидетельствует гибель английских миноносцев «Вепрь» и «Кобра», на которых впервые были установлены мощные паровые турбины. Предполагают, что причиной гибели послужил именно гироскопический эффект.

Колеса быстро мчащегося велосипеда, мотоцикла, автомобиля подобны быстро вращающимся роторам гироскопа. При наклонах и поворотах колес в них возникают прецессионные силы, под влиянием которых и происходят самопроизвольные развороты или выпрямление положения колес и поломка цапф.

Велосипедист, не держащийся за руль руками при езде, тоже использует явление гироскопического эффекта, возникающего при изменении положения колес. Достаточно велосипедисту наклониться вместе с велосипедом в сторону поворота, чтобы переднее колесо под действием возникающей силы прецессии повернуло в эту же сторону.

В езде на велосипеде, не управляемом руками, искусство состоит в том, чтобы точно рассчитать степень наклона и определить момент выравнивания велосипеда.

На мельницах с бегунковыми дробилками происходит явление, подобное описанному. В том случае, если бегунок жестко закреплен на поводке или через кривошип, прецессионная сила, действуя на вал, изгибает его. В том случае, если бегунок соединен с поводком посредством шарнира, прецессионная сила с большим усилием прижимает бегунок к размельчаемой руде. Получается больший эффект дробления ее. При жестком же креплении эта сила обычно затрачивается на изгиб поводка или нагрев подшипников.

Явления прецессии, явления гироскопического эффекта часто используют для успокоения качки судов, а также для устройства однорельсовых железных дорог.

Качка судов на море — чрезвычайно неприятное и опасное явление.