Школьная энциклопедия. Почему не падает вращающийся волчок

Итак, великану Матифу, чтобы совершить свой подвиг, достаточно было тянуть канат с силою всего 24 фунтов!

Не думайте, что эта цифра – 24 фунта – только теоретическая и что на самом деле потребуется гораздо большее усилие. Напротив, у нас получился результат даже чересчур значительный: при пеньковой веревке и деревянной свае усилие потребуется до смешного ничтожное. Лишь бы веревка была достаточно крепка и могла выдержать натяжение, – тогда даже ребенок, благодаря формуле Эйлера, мог бы, навив веревку 3–4 раза, не только повторить подвиг жюль-верновского исполина, но и превзойти его.

В обыденной жизни мы часто пользуемся той выгодой, на которую указывает нам формула Эйлера. Что такое, например, любой узел, как не бечевка, навитая на валик, роль которого в данном случае играет другая часть той же бечевки? Крепость всякого рода узлов – обыкновенных, «беседочных», «морских», – всякого рода завязок, бантов и т. п. зависит исключительно от трения, которое здесь усиливается во много раз вследствие того, что шнурок обвивается вокруг самого себя, как веревка вокруг тумбы. В этом не трудно убедиться, если проследить за изгибами шнурка в узле. Чем больше этих изгибов, чем больше раз бечевка обвивается вокруг самой себя – тем больше «угол навивания» в формуле Эйлера, а следовательно, тем крепче узел.

Бессознательно пользуется формулой Эйлера и портной, когда пришивает пуговицу. Он много раз обматывает нить вокруг захваченного стежком участка сукна и затем обрывает нить. За прочность шитья он может быть спокоен: если только нитка крепка, пуговица не отпорется. Здесь применяется уже знакомое нам правило: с увеличением числа оборотов нитки в арифметической прогрессии крепость шитья возрастает в геометрической прогрессии.

Если бы не было трения, мы не могли бы связать двух бечевок или завязать шнурки ботинок; не могли бы мы пользоваться и пуговицами: нитки размотались бы под их тяжестью, и наш костюм остался бы без единой пуговицы.

Без преувеличения можно сказать, что из тысячи людей, забавлявшихся в детстве верчением волчка, едва ли хоть один сможет правильно ответить на этот вопрос. В самом деле: не странно ли, что вращающийся волчок, поставленный вертикально или даже наклонно, не опрокидывается вопреки всяким ожиданиям? Какая сила удерживает его в таком, казалось бы, неустойчивом положении? Разве тяжесть не действует на этот маленький предмет?

Конечно, никакого исключения из законов природы для волчка не делается. Здесь имеет место лишь чрезвычайно любопытное взаимодействие сил.

Рис. 22. Почему волчок не падает?

На рис. 22 изображен волчок, вращающийся в направлении черных стрелок. Обратите внимание на часть А впереди волчка и на часть В , диаметрально противоположную ей. Часть А стремится двигаться справа налево, не падает? часть В – слева направо. Теперь проследите, какое движение получают эти части, когда вы толкаете ось волчка от себя. Таким толчком вы заставляете часть А двигаться вверх, часть В – вниз, т. е. обе части получают толчок под прямым углом к их собственному движению. Но так как при быстро вращающемся волчке первоначальная скорость частей диска очень велика, то вполне понятно, что волчок как бы сопротивляется попытке опрокинуть его. Чем массивнее волчок и чем быстрее он вращается, тем упорнее сопротивляется он опрокидыванию.

Итак, мы уже знаем, какая причина мешает волчку опрокинуться, несмотря на то, что он находится, казалось бы, в неустойчивом положении. Это хорошо знакомая нам инерция – основное свойство материи, состоящее в том, что всякая материальная частица стремится сохранять неизменным направление своего движения. Мы не будем рассматривать здесь всех движений волчка, которые возникают при действии на него посторонней силы. Это потребовало бы очень подробных объяснений, которые, пожалуй, покажутся скучными большинству читателей. Мы хотели лишь разъяснить причину основного стремления всякого вращающегося тела – сохранять неизменным направление оси вращения. Этим свойством объясняется целый ряд явлений, с которыми мы сталкиваемся в обыденной жизни. Самый искусный велосипедист ни минуты не усидел бы на своем стальном коне, если бы быстро вращающиеся колёса не стремились сохранять горизонтальность своих осей: ведь колёса – те же волчки, только оси их не вертикальны, а горизонтальны. И вот почему так трудно ехать на велосипеде медленно: колёса перестают быть волчками. Ребенок, катящий свой обруч, бессознательно пользуется тем же свойством вращающихся тел: пока обруч находится в быстром вращении, он не падает. Игра с диаболо целиком основана на том же принципе: сначала мы с помощью бечевки приводим двойной конус диаболо в быстрое вращательное движете и затем кидаем его высоко вверх; но, летя вверх и падая затем вниз, вращающийся диаболо не перестает сохранять горизонтальность оси вращения – вот почему его так легко поймать на вытянутую бечевку, снова подкинуть, вновь поймать и т. д. Если бы диаболо не вращался, все это было бы неисполнимо даже для самого искусного жонглера.

Рис. 23. Диаболо легко поймать только потому, что он во время взлета и падения не перестает вращаться.

Кстати о жонглерах: почти все удивительнейшие «номера» их разнообразной программы основаны опять-таки на стремлении вращающихся тел сохранять направление оси вращения. Позволю себе привести здесь выписку из увлекательной книги современного английского физика, проф. Джона Перри «Вращающийся волчок»:

«Однажды я показывал некоторые из моих опытов перед публикой, пившей кофе и курившей табак в великолепном помещении концертной залы «Виктория» в Лондоне. Я старался заинтересовать моих слушателей, насколько мог, и рассказывал о том, что плоскому кольцу надо сообщить вращение, если его желают бросить так, чтобы можно было наперед указать, куда оно упадет; точно так же поступают, если хотят кому-нибудь бросить шляпу так, чтобы он мог поймать этот предмет палкой. Всегда можно рассчитывать на сопротивление, которое оказывает вращающееся тело, когда изменяют направление его оси. Далее я объяснял моим слушателям, что, отполировав гладко дуло пушки, никогда нельзя рассчитывать на точность прицела; что вращение, в которое приходит обыкновенное ядро, зависит прежде всего от того, каким образом ядро коснется отверстия пушки в момент, когда оно из нее вылетает; вследствие этого теперь делают нарезные дула, т. е. вырезывают на внутренней стороне дула пушек спиралеобразные желоба, в которые приходятся выступы ядра или снаряда, так что последний должен получить вращательное движение, когда сила взрыва пороха заставляет его двигаться по дулу пушки. Благодаря этому снаряд покидает пушку с точно определенным вращательным движением, относительно которого не может возникнуть никакого сомнения». Рис. 26 указывает на вид движения, которое затем совершает снаряд: совершенно так же, как у шляпы или кольца, его ось вращения остается почти параллельной сама себе.

Видео 1. Эксперимент с вращением более лёгкого волчка.
Экспериментальные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1. Экспериментальные данные для вращения более лёгкого волчка. Измерения времени сделаны для каждого 10-го оборота.
Обороты переводятся в расстояние


График математической модели скорости приведён на рис. 3.
График математической модели координаты приведён на рис. 4.


Рис. 3. График математической модели скорости для ИДВУСД волчка в первом опыте. Экспериментальные данные скорости обозначены синими точками.

Рис. 4. График математической модели координаты для ИДВУСД волчка в первом опыте. Экспериментальные данные координаты обозначены синими точками.

3. Исследование второго (более тяжёлого) волчка.

Движение (вращение) второго волчка будем фиксировать видеосъёмкой с частотой кадров: 600 кадров в секунду.

Вес волчка: 0,015 кг.
Диаметр волчка равен 0,057 метра.

Рис. 5. Общий вид второго, более тяжёлого волчка.

Видео 2. Эксперимент с вращением более тяжёлого волчка.
Экспериментальные данные приведены в таблице 2.

Таблица 2. Экспериментальные данные для вращения более тяжёлого волчка. Измерения времени сделаны для каждого 10-го оборота.


График математической модели скорости приведён на рис. 6.
График математической модели координаты приведён на рис. 7.


Рис. 6. График математической модели скорости для ИДВУСД волчка во втором опыте. Экспериментальные данные скорости обозначены синими точками.


Рис. 7. График математической модели координаты для ИДВУСД волчка во втором опыте. Экспериментальные данные координаты обозначены синими точками.

4. Сравнение графиков скорости для первого и второго опытов.

На рисунке 8 показаны два графика скорости – для лёгкого и для более тяжёлого волчка.
График математической модели скорости для более лёгкого волчка построен зелёными точками. График математической модели скорости для более тяжёлого волчка построен голубыми точками.


Рис. 8. Графики скорости для лёгкого и тяжёлого волчков. Экспериментальные данные координаты обозначены синими точками.

У волчков (маховиков) ещё много тайн. Ведь, та мат модель, которую я привёл - это не единственный вариант движения волчков (маховиков). Следует продолжить поиски, и исследовать волчки из различных материалов и даже магнитов.

5. Исследование латунного волчка - тонвала.

Движение (вращение) латунного волчка будем фиксировать видеосъёмкой с частотой кадров: 600 кадров в секунду.
Для определения пройденного расстояния, на плоскость диска волчка наклеим метку красного цвета.
Вес волчка: 0,104 кг.
Диаметр волчка равен 0,05 метра.

Рис. 9. Общий вид латунного волчка.

Видео 3. Эксперимент с вращением латунного волчка.
Экспериментальные данные приведены в таблице 3.

Таблица 3. Экспериментальные данные для вращения латунного волчка. Измерения времени сделаны для каждого 10-го оборота.


График математической модели скорости приведён на рис. 10.
График математической модели координаты приведён на рис. 11.


Рис. 10. График математической модели скорости для ИДВУСД латунного волчка. Экспериментальные данные скорости обозначены синими точками.

Рис. 11. График математической модели координаты для ИДВУСД латунного волчка. Экспериментальные данные координаты обозначены синими точками.

Из тысяч людей, забавлявшихся в детстве с волчком, не многие смогут правильно ответить на этот вопрос. Как, в самом деле, объяснить то, что вращающийся волчок, поставленный отвесно или даже наклонно, не опрокидывается, вопреки всем ожиданиям? Какая сила удерживает его в таком, казалось бы, неустойчивом положении? Разве тяжесть на него не действует?

Здесь имеет место весьма любопытное взаимодействие сил. Теория волчка непроста, и углубляться в нее мы не станем. Наметим лишь основную причину, вследствие которой вращающийся волчок не падает.

На рис. 26 изображен волчок, вращающийся в направлении стрелок. Обратите внимание на часть A его ободка и на часть B, противоположную ей. Часть A стремится двигаться от вас, часть B – к вам. Проследите теперь, какое движение получают эти части, когда вы наклоняете ось волчка к себе. Этим толчком вы заставляете часть A двигаться вверх, часть B – вниз; обе части получают толчок под прямым углом к их собственному движению. Но так как при быстром вращении волчка окружная скорость частей диска очень велика, то сообщаемая вами незначительная скорость, складываясь с большой круговой скоростью точки, дает равнодействующую, весьма близкую к этой круговой, – и движение волчка почти не меняется. Отсюда понятно, почему волчок как бы сопротивляется попытке его опрокинуть. Чем массивнее волчок и чем быстрее он вращается, тем упорнее противодействует он опрокидыванию.

Рисунок 26. Почему волчок не падает?

Рисунок 27. Вращающийся волчок, будучи подброшен, сохраняет первоначальное направление своей оси.

Сущность этого объяснения непосредственно связана с законом инерции. Каждая частица волчка движется по окружности в плоскости, перпендикулярной к оси вращения. По закону инерции частица в каждый момент стремится сойти с окружности на прямую линию, касательную к окружности. Но всякая касательная расположена в той же плоскости, что и сама окружность; поэтому каждая частица стремится двигаться так, чтобы все время оставаться в плоскости, перпендикулярной к оси вращения. Отсюда следует, что все плоскости в волчке, перпендикулярные к оси вращения, стремятся сохранить свое положение в пространстве, а поэтому и общий перпендикуляр к ним, т. е. сама ось вращения, также стремится сохранить свое направление.

Не будем рассматривать всех движений волчка, которые возникают при действии на него посторонней силы. Это потребовало бы чересчур подробных объяснений, которые, пожалуй, покажутся скучными. Я хотел лишь разъяснить причину стремления всякого вращающегося тела сохранять неизменным направление оси вращения.

Этим свойством широко пользуется современная техника. Различные гироскопические (основанные на свойстве волчка) приборы – компасы, стабилизаторы и др. – устанавливаются на кораблях и самолетах.

Таково полезное использование простой, казалось бы, игрушки.

Искусство жонглеров

Многие удивительные фокусы разнообразной программы жонглеров основаны тоже на свойстве вращающихся тел сохранять направление оси вращения. Позволю себе привести выдержку из увлекательной книги английского физика проф. Джона Перри «Вращающийся волчок».

Рисунок 28. Как летит монета, подброшенная с вращением.

Рисунок 29. Монета, подброшенная без вращения, падает в случайном положении.

Рисунок 30. Подброшенную шляпу легче поймать, если ей было сообщено вращение около оси.

Однажды я показывал некоторые из моих опытов перед публикой, пившей кофе и курившей табак в великолепном помещении концертного зала „Виктория“ в Лондоне. Я старался заинтересовать моих слушателей, насколько мог, и рассказывал о том, что плоскому кольцу надо сообщить вращение, если его желают бросить так, чтобы можно было наперед указать, куда оно упадет; точно так же поступают, если хотят кому‑нибудь бросить шляпу так, чтобы он мог поймать этот предмет палкой. Всегда можно полагаться на сопротивление, которое оказывает вращающееся тело, когда изменяют направление его оси. Далее я объяснял моим слушателям, что, отполировав гладко дуло пушки, никогда нельзя рассчитывать на точность прицела; вследствие этого теперь делают нарезные дула, т. е. вырезают на внутренней стороне дула пушек спиралеобразные желоба, в которые приходятся выступы ядра или снаряда, так что последний должен получить вращательное движение, когда сила взрыва пороха заставляет его двигаться по каналу пушки. Благодаря этому снаряд покидает пушку с точно определенным вращательным движением.

Это было все, что я мог сделать во время этой лекции, так как я не обладаю ловкостью в метании шляп или дисков. Но после того, как я закончил свою лекцию, на подмостки выступили два жонглера, – и я не мог пожелать лучшей иллюстрации упомянутых выше законов, нежели та, которую давал каждый отдельный фокус, показанный этими двумя артистами. Они бросали друг другу вращающиеся шляпы, обручи, тарелки, зонтики… Один из жонглеров бросал в воздух целый ряд ножей, ловил их опять и снова подбрасывал с большой точностью вверх; моя аудитория, только что прослушав объяснение этих явлений, ликовала от удовольствия; она замечала вращение, которое жонглер сообщал каждому ножу, выпуская его из рук так, что мог наверное знать, в каком положении нож снова вернется к нему. Я был тогда поражен, что почти все без исключения жонглерские фокусы, показанные в тот вечер, представляли иллюстрацию изложенного выше принципа».

Несмотря на то, что неподвижный волчок невозможно заставить стоять на остром конце, вращающийся волчок может стоять вертикально несколько минут. Вращающиеся волчки, аналогично другим вращающимся телам приобретают так называемый угловой момент (момент количества движения), величина которого зависит от распределения массы волчка и скорости его вращения.

Угловой момент воспроизводит вращающую силу (вращающий момент), которая заставляет ось вращающегося волчка сохранять угол своего наклона относительно вертикали и совершать колебательные движения, называющиеся в технике прецессией. Поскольку трение между опорной поверхностью и волчком вынуждает его терять часть углового момента, волчок постепенно замедляет свое движение и падает.

Несмотря на всю забавность вращающихся волчков, их свойства приносят огромную пользу в различных областях техники. Наиболее важным техническим приложением этих свойств является гироскоп, который похож на большой волчок, смонтированный на поворотной раме. Чрезвычайно чувствительный к изменению направления, вызывающему его прецессию, гироскоп является важнейшим элементом навигационных систем самолетов и морских судов и сделал возможным дистанционное управление системами ориентации космических кораблей.

Прецессия

Находящийся под постоянным воздействием силы тяжести, вращающийся волчок использует свою угловую скорость и гравитационное притяжение для создания боковой вращающей силы. Эта сила заставляет ось собственного вращения волчка совершать круговые движения (прецессировать) вокруг вертикальной оси OZ. Угол наклона оси волчка во время прецессии увеличивается по мере того как волчок теряет свой угловой момент.

Игрушка-перевертыш

Приведенная во вращение, такая игрушка перевернется и начнет вращаться на своей ручке (правый рисунок над текстом). Секрет этого трюка заключается в расположении центра тяжести. Вращающиеся игрушки наиболее устойчивы, когда их центр тяжести лежит высоко над опорной поверхностью. Когда игрушка-перевертыш начинает вращаться (левый рисунок над текстом), ее центр тяжести расположен рядом с опорной поверхностью. Для подъема своего центра тяжести игрушка поворачивается набок и затем становится на ручку, превращая часть своей кинетической энергии в потенциальную и приобретая гораздо большую устойчивость.

В классических волчках свободная нога вытягивается вперёд или немного присогнута внутрь к опорной ноге. Однако существует множество вариаций, где свободная нога может быть направлена в сторону или назад от опорной, или лежать сверху.

Волчок - одна из трёх базовых позиций вращений .

Классический волчок в исполнении Аманды Эворы

• волчок может исполняться в качестве вращения в одной позиции , как со сменой ноги, так и без.
• волчок также может исполняться в комбинированных вращениях . В зависимости от вида программ, позиция волчка может быть обязательной, например в комбинированном вращении со сменой ноги в коротких программах.
• прыжок в волчок — вращение в волчке без смены ноги, с входом прыжком. Наиболее распространённые прыжковые заходы в волчок — чинян , Death Drop и бедуинский.

Примеры позиций волчков
	Простой волчок. Самое классическое и каноническое исполнение, бедро опорной ноги параллельно льду, свободная нога либо вытянута вперёд, либо немного согнута внутрь, спина прямая и наклонена вперёд, руки тянутся вперёд. Классификация по НСС: Простая вариация позиции волчка.
	Простой волчок, низкий вариант. Бедро опорной ноги заметно ниже, чем уровень параллели льду. Классификация по НСС: Простая вариация позиции волчка. С точки зрения судейства ничем не отличается от классического варианта.
	Простой волчок, высокий вариант. Современные правила предъявляют довольно жёсткие требования к позиции волчка, бедро опорной ноги должно быть хотя бы параллельно льду. Строго говоря, из-за высокого положения опорного бедра это уже не волчок, а промежуточная позиция, близкая к волчку. Классификация по НСС: скорее всего, такой волчок будет квалифицирован как простая вариация промежуточной позиции. Такая позиция не позволяет получать какие-либо черты, повышающие уровень сложности вращения, а равно не засчитывается в качестве выполненного волчка во вращении в одной позиции и комбинированных.
	Пушка, волчок с захватом свободной ноги руками. Свободная нога распрямлена, вытянута вперёд, удерживается руками параллельно льду. Часто исполняется как в прямых, так и обратных вращениях. Классификация по НСС: простая вариация позиции волчка. Сам по себе захват ноги не делает вариацию сложной, необходимы другие факторы, усложняющие вращение.
	Складка. Волчок, в котором корпус и голова плотно сложены к опорной ноге, свободная нога или вытянута вперёд, тогда такой вариант ещё называют "пушкой", либо согнута внутрь — последний вариант ещё иногда называют Cannonball. Вариации часто исполняются как в прямых, так и обратных вращениях. Классификация по НСС: сложная вариация позиции волчка, категория SF (Sit Forward) .
	Волчок - стульчик, со свободной ногой, находящейся за опорной. Свободная нога заводится назад за опорную, и удерживается противоположной рукой за конёк или ботинок. Для усложнения вращения корпус и голову складывают к опорной ноге, или, возможно, делают какие-либо иные вариации. Исполняется как в прямых, так и обратных вращениях. Классификация по НСС: SB (Sit Behind) .
	Pancake Spin (блинчик). Конёк свободной ноги лежит на колене или бедре опорной, при этом позиции рук могут варьироваться, руки могут обхватывать опорный конёк, быть отведены в стороны или сомкнуты в замке за спиной. Вариация исполняется как в прямых, так и обратных вращениях. Классификация по НСС: При хорошем исполнении трактуется как сложная вариация волчка категории SF (Sit Forward) . Но, эту вариацию сложно сделать так, чтобы опорное бедро было достаточно низким, и тогда эта позиция будет трактоваться как сложная промежуточная.
	Волчок, с руками в замке за спиной. Корпус складывается к опорной ноге, руки находятся в замке за спиной, натянуты вверх. Классификация по НСС: При достаточно сложном исполнении трактуется как сложная вариация волчка категории SF (Sit Forward) .
	Волчок с горизонтально развёрнутым корпусом. Очень необычная и оригинальная позиция. Классификация по НСС: Сложная вариация категории SF (Sit Forward)
	Скрученный волчок. Корпус сильно скручивается так, что линия плеч становится перпендикулярна льду. Свободная нога скрещивается спереди с опорной. Распространённая вариация для обратных вращений. Классификация по НСС: сложная вариация волчка категории SF (Sit Forward) . Существенно отличается от вариаций вроде складок.
	Ломаный волчок (Broken Leg Sit Spin). Нога развёрнута и сильно вынесена в сторону от опорной. Вариация только для прямых вращений. Классификация по НСС: При достаточно хорошем и сложном исполнении засчитывается как сложная вариация волчка категории SS (Sit Sideways)
	Волчок, с прямой свободной ногой, скрещенной сзади от опорной. Довольно эффектная позиция, для обратных вращений. Классификация по НСС: При хорошем исполнении засчитывается как сложная вариация волчка категории SB (Sit Behind)
	Чинян. Чинян — прыжок во вращение, с принятием позиции волчка в воздухе. Чинян, это именно сам прыжок, а не вращение, начинающееся с этого прыжка (так, чинян может предшествовать вращениям стоя, не обязательно волчкам). Ключевой критерий — должна быть принята позиция волчка в воздухе, бедро ноги, с которой делается прыжок, в какой-то момент должно быть параллельно льду. Классификация по НСС: использование чиняна в качестве захода на вращение (как в составе элемента "прыжок во вращение", так и любого другого вращения с заходом прыжком), при достаточно хорошем исполнении, повышает уровень сложности.

Некоторые вопросы, связанные с судейством

• позиция волчка может считаться исполненной только в том случае, если было сделано не менее двух непрерывных оборотов в базовой (то есть, достаточно низкой) позиции. Если этот критерий не выполнен для вращения в волчке, то элемент будет записан как "вращение без уровня" (с нулевой оценкой). Если засчитанной позиции не будет в комбинированном вращении со сменой ноги, то элемент получит уровень не выше 1, а в короткой программе так же будет снижено GOE элемента.
• категория сложной вариации вращения — понятие, введённое в сезоне 2010-11. Сложные вариации волчков классифицируются по категориям по положению свободной ноги относительно опорной (спереди, сбоку или сзади). В течении всей программы не более двух попыток исполнения сложных вариаций одной категории могут повысить уровни вращений, и только при условии, если эти две вариации одной категории существенно разные.
• черты сложности для волчков (на сезон 2010-11): 8 оборотов в одной вариации позиции (в том числе, в простых вариациях), сложные вариации (как сложные позиции, так и подпрыжки), смена ребра (с сезона 2010-11 только в прямых вращениях и только с ребра назад-внутрь на вперёд-наружу), обратный вход во вращение. Прим.: требования к чертам сложности требуют отдельного детального рассмотрения.