В корне неверную теорию Птолемея опровергла теория, созданная позднее Коперником. По его теории центр мира — Солнце. Вокруг него обращаются планеты, в том числе и наша Земля. Каждая из планет, кроме того, вращается вокруг собственной оси, направление которой в пространстве практически сохраняется неизменным. Поскольку по теории Коперника центром мира является Солнце, она называется гелиоцентрической.
Многие ученые, поддерживавшие теорию Коперника, подвергались гонениям, преследованиям со стороны церкви. Джордано Бруно, например, был сожжен на костре в Риме за свои якобы еретические мысли. Галилео Галилей почти всю жизнь подвергался преследованиям со стороны инквизиции. Галилею якобы принадлежит фраза «а все-таки она вертится», сказанная им в ответ на требование инквизиторов признать ошибочность его взглядов.
Современная наука подтверждает, что Земля вращается вокруг своей оси со скоростью одного оборота в сутки, то есть за двадцать четыре часа. Эта, сейчас уже неоспоримая истина долгое время оставалась основанной лишь на умозаключениях и астрономических наблюдениях.
Ученые издавна стремились доказать вращение Земли путем какого-либо лабораторного опыта. Первой вполне удачной попыткой такого доказательства был общеизвестный опыт знаменитого французского ученого Леона Фуко с маятником, осуществленный в Парижском Пантеоне в 1851 г. Этот опыт можно наблюдать и у нас в Исаакиевском соборе в Ленинграде.
Знаменитый физик, однако, не ограничился одним опытом. В 1852 г. он докладывает Парижской Академии наук о новых опытах и демонстрирует прибор гироскоп, что означает «указатель вращения». Очевидно, Фуко имел в виду вращение Земли. Гироскоп в переводе с греческого означает: гирос — круг, кольцо; скопео — наблюдаю, смотрю. Кроме этого, Л. Фуко открыл и сформулировал основные свойства гироскопа, которые широко используются в современной технике. В гироскопе Л. Фуко имелся своеобразный волчок — ротор, ось которого могла вращаться на двух подшипниках, закрепленных в кольце. Это кольцо в свою очередь вращалось на подшипниках во втором, внешнем кольце. Последнее было подвешено на тонкой незакрученной нити к специальной станине (рис. 19).
Рис. 19. Гироскоп Леона Фуко. 1 — ротор гироскопа во внутреннем кольце; 2 — наружное кольцо гироскопа.
При быстром вращении ротор этого гироскопа обнаруживал замечательные свойства: его ось сохраняла неизменным свое положение в пространстве; будучи направлена на какую-либо звезду, она как бы следила за ее перемещением, «двигалась» вместе с нею. Конечно, на самом деле перемещалась не звезда и не ось гироскопа, а Земля. Так Л. Фуко использовал замечательное свойство гироскопа как одно из доказательств вращения Земли.
Однако в гироскопе Л. Фуко ось ротора не точно следовала за какой-либо звездой, поэтому нельзя было уверенно утверждать о бесспорной удаче опыта.
Причина неудачи крылась не в принципиальной ошибке, совершенной ученым, а в конструктивных недостатках его гироскопа. Дело в том, что ротор приводили в действие с помощью шнура, накрученного на его ось. А это не позволяло получить достаточно большое число оборотов ротора в продолжение длительного времени. Вращение не могло быть строго равномерным из-за недостаточной уравновешенности ротора и значительного трения в подшипниках.
Опыт Л. Фуко более успешно проделал ученый А. Феппль, устроив гироскоп с двумя электромоторами, развивающими 2400 оборотов в минуту.
В современном, широком понятии гироскопом называют устройство, в котором используются своеобразные, так называемые «гироскопические» свойства быстро вращающегося ротора.
Современный гироскоп конструктивно во многом отличается от волчка. Он состоит из ротора, опирающегося концами оси на внутреннее кольцо. Наружное кольцо, находясь в специальной опоре, может поворачиваться вокруг вертикальной оси; внутреннее кольцо покоится в наружном и свободно поворачивается вокруг горизонтальной оси, а ротор, опирающийся своей осью на внутреннее кольцо, может свободно вращаться вокруг оси (рис. 20).
Рис. 20. Гироскоп с тремя степенями свободы.
Гироскоп, как мы видим, способен совершать движение в трех направлениях. Поэтому его называют гироскопом с тремя степенями свободы. Если закрепить одно из колец, то получится гироскоп, способный совершать движение в двух направлениях. Такое устройство называют гироскопом с двумя степенями свободы.
Хотя конструктивно гироскоп отличается от обычного волчка, сходство их свойств настолько велико, что в технике гироскоп часто называют волчком и, наоборот, волчок — гироскопом. Ведь гироскоп — тоже твердое тело, которое вращается вокруг оси симметрии, имеющей неподвижную точку.
Быстро вращающийся ротор гироскопа, как и волчок, обладает способностью устойчиво сохранять свое положение в пространстве, «уходить» под прямым углом к действующей на него силе, совершать прецессию и т. п.
Возьмем, например, гироскоп с быстро вращающимся ротором, представленный на рис. 21.
Рис. 21. Примеры устойчивости гироскопа.
Он обнаруживает удивительные, невероятные на первый взгляд свойства.
Его ось проявляет необычную устойчивость, сохраняя свое положение, например, опираясь регулировочным штифтом о край стакана или на туго натянутый шнур.
Попытавшись свалить его, казалось бы, из неустойчивого положения, мы потерпим неудачу. Слегка качнувшись, гироскоп сохранит приданное ему ранее положение, заметно сопротивляясь прилагаемым усилиям. Но вот ротор прекратил вращение. И как по мановению волшебной палочки, гироскоп теряет устойчивость, превращается в безжизненный кусок металла.
О том, как используют замечательные свойства гироскопа в технике, мы сейчас и расскажем.
Волчок в космосе
Недалек день, когда межпланетные корабли устремятся на штурм вселенной. О полетах на Луну, Марс, Венеру и другие планеты сейчас не только мечтают. Это дело ближайших лет. Немало самых различных машин, механизмов и приборов потребуется создать для осуществления этой многовековой мечты человечества.
Среди них, безусловно, займет почетное место и гироскоп. Его можно будет использовать, например, чтобы определять положение межпланетного корабля.
Мы уже знаем замечательную способность гироскопа сохранять направление своей оси неизменным. Установив в момент отлета ось по направлению Солнца, космонавты оставят гироскоп в таком положении. Теперь, чтобы определить курс межпланетного корабля, потребуется лишь измерить угол между направлением оси гироскопа и направлением на Солнце в момент наблюдения.
Снаряд-гироскоп
Продолговатый снаряд, выпущенный из гладкоствольной пушки, летит, опрокидываясь и кувыркаясь. Это резко уменьшает дальность его полета, снижает меткость попадания (рис. 22, А).
Рис. 22. Траектории полета снаряда.
Другое дело, когда стрельба ведется из пушки с нарезным стволом. Снаряд, выпущенный из нее, вращается вокруг оси с довольно большой скоростью, совершая несколько сот оборотов в секунду.
«Поведение» такого снаряда зависит от среды, в которой совершается полет. На высоте более двадцати километров, где сопротивление воздуха из-за его малой плотности ничтожно, снаряд ведет себя подобно быстро вращающемуся гироскопу, стремящемуся точно сохранить направление своей оси (рис. 22, Б).
В обычных же атмосферных условиях снаряд летит головной частью вперед, точно описывая центром тяжести траекторию (рис. 22, В). Такому полету вращающегося снаряда в описываемом случае способствует сопротивление воздуха.
В общем вращающийся снаряд приобретает большую устойчивость, что повышает точность стрельбы. При одинаковом весе заряда, длине ствола и т. п. дальнобойность нарезной пушки значительно выше, чем гладкоствольной.
Торпеда и гироскоп
Наиболее грозный современный подводный снаряд — самодвижущаяся торпеда. Создал ее известный русский изобретатель Иван Федорович Александровский. Впервые в мире торпеда прошла успешные испытания в 1857 г. вблизи Кронштадта. Торпеда, созданная Александровским, несмотря на успешные испытания, к сожалению, не привлекла внимания военных чиновников, признававших только «заграничное». Для русского флота за огромные деньги приобрели «секрет» торпеды у английского промышленника Уайтхеда.
Торпеда, выпущенная с корабля, двигалась к цели — судну противника, в которое производился выстрел. Однако торпеда очень часто сбивалась с заданного направления волной или течением. Этот недостаток торпеды был устранен лишь в 1898 г., когда австрийский офицер Обри предложил применить гироскоп для автоматического управления ее вертикальными рулями.
Принцип действия устройства, предложенного Обри, несложен. В момент выстрела ось гироскопа автоматически устанавливается по ходу торпеды, а струя сжатого воздуха, попадая в лункообразные углубления на окружности ротора, приводит его в быстрое вращение (рис. 23, 1).
Рис. 23. Схема действия гироскопа в торпеде. 1 — торпеда идет на цель; 2 — торпеда отклонилась от заданного курса; 3 — торпеда снова легла на прежний курс.
Кольцо гироскопа связано с клапаном — золотником, через который подается воздух к механизму управления вертикальным рулем. В тот момент, когда торпеда под влиянием внешних сил, изменив направление, как бы поворачивается вокруг гироскопа, сохранившего свое первоначальное положение (рис. 23, 2), в механизм управления вертикальным рулем поступает сжатый воздух. Под влиянием его вертикальный руль устанавливается таким образом, чтобы торпеда «возвратилась» на установленный курс. Когда торпеда начинает двигаться в прежнем направлении, руль возвращается в нейтральное положение (рис. 23, 2 и 3). На таком принципе основаны и другие, более сложные устройства, например так называемый гирорулевой, осуществляющий автоматическое управление кораблем.
Замечательное свойство быстро вращающегося гироскопа сохранять неизменным свое положение в пространстве широко применяется и в авиации.