Александр Дмитриев - Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей

Все в детстве играли с волчком. Крутишь его – и он стоит на кончике! И какие-то загадочные силы удерживают его от падения. А остановится – и падает.

У наших предков, кстати, была занятная игра – «кубарик». Из дерева вырезали волчок, раскручивали его. Для этого на него наматывали веревочку и дергали ее, придерживая кубарик пальцем. Кубарик раскручивался и стоял на кончике. Чтобы он не падал, его подстегивали маленьким кнутиком. Задача была заставить кубарик крутиться как можно дольше.

А ученые придумали прибор, состоящий из волчка (металлического обычно), который закреплен в специальных рамках и может вращаться свободно в любом из направлений. Посмотрите, на фотографии лабораторный гироскоп, доставшийся мне в наследство от моего папы, – этот гироскоп участвовал в создании систем наведения для первых советских ракет!

Настоящий лабораторный гироскоп. Стрелками показаны рамки.

Видно, что в центре – волчок, он может вращаться. Он закреплен в круглой рамке, которая в свою очередь закреплена еще в одной рамке – а та, в свою очередь в третьей. Я показал их стрелками.

Если быстро-быстро раскрутить волчок (в настоящих гироскопах это бешеные скорости, например двадцать тысяч оборотов в минуту!), то он будет сохранять свое положение в пространстве. Как ни крути гироскоп за внешнюю рамку, а ось волчка будет всегда показывать в одном и том же направлении.

Но если при этом надавить (пальцем) на одну из рамок, волчок начнет поворачиваться. Его движение описываются очень сложными уравнениями Эйлера (очень умный был физик). Но для нас важно, что, если на вращающееся тело начать прикладывать со стороны силу, это тело начнет поворачиваться.

Движения рамок и гироскопа описываются уравнениями Эйлера третей степени. Но бумеранг мы обязательно сделаем!

Например, если волчок вращается, как на картинке по стрелке, слева направо и мы надавим на вторую рамку справа налево, то неожиданно первая рамка гироскопа начнет поворачиваться вниз! Совсем не в том направлении, в котором мы давим на другую рамку.

Правило простое, несмотря на все сложные уравнения Эйлера: поворачивается гироскоп всегда так, чтобы все рамки совместились и приложенная сила оказалась совпадающей с направлением вращения, как бы помогала крутиться волчку. Но это так, для тех, кому интересно.

Представим же теперь, что этот гироскоп – летающий. А ведь наш бумеранг и есть вращающийся волчок! Только рамок у него нет, да они ему и не нужны – ведь он во время полета свободно висит в воздухе, так что ведет он себя словно настоящий волчок гироскопа, подвешенный в рамках.

Ну вот, мы добрались почти до конца теории.

Мы помним, что на верхнее крыло нашего бумеранга действует опрокидывающая сила. От этого вращающийся бумеранг начнет не заваливаться набок, как можно было бы ожидать, а как настоящий гироскоп начнет прямо в воздухе заворачивать налево! То есть поворачиваться так, чтобы действующая на него сила действовала в том же направлении, что и вращение бумеранга. Но при этом на него все так же будет действовать опрокидывающая сила, ведь, поворачивая, бумеранг начинает двигаться немножко в другом направлении, – и все повторяется, он опять чуть-чуть повернет налево и так далее.

И бумеранг начнет описывать красивый круг, постоянно поворачивая налево!

При этом постепенно скорость вращения самого бумеранга будет падать, разница между скоростью верхнего и нижнего крыла будет все меньше, и бумеранг перестанет вести себя как гироскоп. Что при этом произойдет? Он начнет помимо поворота налево еще и заваливаться набок – и вернется к нам в руки, уже просто вращаясь в воздухе, как лопасти вертолета, «лежа» в горизонтальном положении! Все!

Уф, а теперь – кто дочитал – за дело! Сделаем быстренько хороший, возвращающийся бумеранг.

Как я и говорил, надо взять две обычные деревянные линейки сантиметров по пятьдесят длиной. Их обычно делают из сосны, точно так же, как детали первых самолетов. На фотографии видно, как надо расчертить эти линейки для обработки. Обе линейки обрабатываются совершенно одинаково. В центре оставить квадратик. В этом месте они будут склеиваться друг с другом. Квадратик, естественно, должен быть шириной с эту же линейку.