Еще в древние времена существовала замечательная игрушка — волчок. Но долгое время никто не старался разгадать удивительную тайну волчка. Почему он не падает, когда кружится на одной ножке, а стоит лишь ему остановиться, как он мгновенно падает?
Детям, которым волчок служил игрушкой, не под силу было решить такой сложный вопрос, даже если они и задумывались над ним, а взрослые, забыв детские забавы, не интересовались волчком.
Но все же тайна волчка была разгадана, были теоретически изучены законы волчка, была изучена механика его движения. Основное свойство волчка — сохранять устойчивое равновесие — нашло себе достаточно широкое применение в технике.
Или другой опыт. Гибкая цепь связана в замкнутый круг. Наденем ее на быстро вращающийся диск и затем на ходу спустим. Мы увидим, что цель покатится, как твердый обруч.
Эти два примера показывают одно из свойств вращения, а именно свойство, заставляющее твердеть упругие и гибкие тела. Другое свойство вращения выявляется, когда вращающееся тело совершает одновременно поступательное движение. Бросим высоко к небу кружок, согнутый из ветки так, чтобы он вращался. Что мы заметим? Оказывается, ось вращения кружка остается все время параллельной себе, и нам и легко его поймать на полоску, с которой мы его бросили. Если бы мы бросили этот же кружок без вращения, он, кувыркаясь, упал бы. Это свойство вращающихся тел — сохранять ось вращения параллельно самой себе во время полета любого направления — широко используется в военной технике.
Известно, что дуло винтовки внутри имеет нарезку для того, чтобы пуля до вылета из дула пришла во вращательное движение и этим сохранила бы постоянство направления своего полета.
Ясно, что волчку как вращающемуся телу также принадлежат описанные свойства. Но волчок таит в себе еще и другие, более интересные свойства, благодаря которым он нашел себе распространение в технике.
Теоретическая механика твердых тел имеет целый раздел, посвященный изучению так называемых гироскопов, т. е. вращающихся тел.
Самым простым видом гироскопа является волчок. Обычно теоретически изучают гироскопы, имеющие вид круглого маховичка с осью, но часто изучают и яйцевидные гироскопы.
Необходимо ввести понятие, которое называется степенью свободы гироскопа. Это необходимо потому, что бывают гироскопы с различными степенями свободы, в связи с этим имеющие различные степени данного свойства. Обратимся за пояснениями к чертежу на 37 стр. Если мы поместим наш маховичок а с осью в круглый обод б, а обод, в свою очередь, заключим в другой неподвижный обод в, то мы получим гироскоп с двумя степенями свободы.
 |
| Гироскоп с двумя степенями свободы. |
Что же такое степени свободы? Волчок а может свободно вращаться вместе с осью, шарнирно закрепленной в ободе б. Вот эта его свободная возможность вращаться внутри первого обода и называется степенью свободы. Таких степеней у взятого нами гироскопа два. Гироскопы, подобные описанному, применялись в проектах однолинейных гироскопических дорог.
*
Но вернемся к простому волчку. Поставим его ножку на гладкий стол и приведем во вращение. Волчок кружится быстро, и ножка его стоит совершенно вертикально. Отклоним теперь головку от вертикали на некоторый уголок. Теперь вся ножка, вместе с вертящимся маховичком, начнет медленно поворачиваться около прежней вертикальной оси. Головка волчка будет описывать крути. Это вращение волчка около прежней вертикальной оси называется прецессионным движением. А явление возникновения этого самостоятельного вращения оттого, что мы наклоним волчок, называется прецессией. Вращающийся волчок обладает свойством сопротивляться изменению направления оси его вращения. Если какая-нибудь внешняя сила попытается изменить эту ось, то в гироскопе возникает собственная сила, так называемая сила инерции, действующая в противоположную сторону. Особенно ярко это свойство будет выявлено при описании гироскопической железной дороги.
Закон гироскопа о сохранении оси вращения, параллельной самой себе, можно понимать как свойство сохранять устойчивое равновесие. Именно благодаря этому свойству гироскопы стали применяться в технике. Особенно распространено применение гироскопа в морской технике. На море часто бывает трудно вести точные отсчеты по приборам. Поэтому были изобретены гироскопический компас, не качающаяся пушка, не качающийся прожектор. Морская качка не влияет на положение этих приборов, благодаря гироскопам они сохраняют устойчивое равновесие. Гироскопы применяются также в морских торпедах для автоматического сохранения направления их движения под водой.
*
В самом начале нашего столетия почти одновременно были найдены два практических применения свойств гироскопа в большом масштабе. Авторами проектов были англичанин Луи Бреннан и немец Шлик. Бреннан изобрел однорельсовую железную дорогу, по которой двигались вагоны с установленным внутри гироскопом.
 |
| Вагончик Бреннана с пассажирами. |
Шлик предложил для уменьшения качки устанавливать на кораблях гироскопы больших размеров. И, действительно, корабли с гироскопами почти не испытывали качки. Это вполне понятно. Мы установили одно из свойств гироскопа — отклоняться осью своего вращения от той стороны, в которую ее тянет. Поэтому если волны моря наклоняют корабль — гироскоп отчаянно отстаивает прежнюю, позицию, так как сам наклоняет корабль навстречу волнам. Это свойство гироскопа особенно хорошо видно на фотографии вагончика Бреннана. Правая сторона вагончика загружена высокими ящиками, создан явный искусственный перевес, но вагончик наклонился влево, т. е. в сторону, противоположную действию внешних сил (тяжести ящиков).
Появление однорельсовых гироскопических дорог было вызвано стремлением достигнуть больших скоростей. Кроме Бреннана, с проектами однорельсовых гироскопических дорог выступили в 1910—1911 гг. немец Август Шерль и русский инж. Шиловский.
Август Шерль, выдвигая свой проект скоростного поезда, исходит из того, что в условиях двухрельсовой колеи невозможно достигнуть больших скоростей. Попытка двигаться по одному рельсу была сделана еще немного раньше Бреннана. В 1900 г. в Америке была изобретена однорельсовая дорога, но на ней для поддержания равновесия применялись специальные катки, установленные на уровне крыши вагона и бегущие по дополнительным продольным брусьям. Таким образом она являлась уже не однорельсовой, а трех- и более рельсовой дорогой. Применение же гироскопа впервые дает действительно один рельс.
 |
| Однорельсовый поезд по проекту Шерля. |
Изобретатели однорельсовой гироскопической дороги писали о своей системе: «Предел достижимой скорости движения определяется не родом подвижного состава и движущей силы.., а особенностями пути, состоящего из пары рельсов...»
*
Таким образом, вопрос скорости сводится к вопросу об устройстве нового рационального пути. При переходе к одному рельсу вместо двух нужна была уже иная, новая система подвижного состава. Почему же переход к одному рельсу дал бы лучшие условия для осуществления сверхскоростных движений?
Вспомним, как происходит движение по обычной железнодорожной двухрельсовой колее (см. журн. «Техника молодежи» № 3 за 1934 г.). Колесные скаты вагонов и паровозов имеют реборды (борты по краям колеса), обнимающие внутренний, верхний угол каждого рельса. Поэтому между экипажем (вагоны, паровозы и т. д.) и рельсами существует жесткая связь. Когда экипаж начинает двигаться, колеса, наталкиваясь на неизбежные незаметные неровности, начинают понемногу раскачивать рессорно-посаженный на них экипаж. Экипаж начинает колебаться. Чем больше скорость, тем сильнее толчки, тем больше колебания. При этом размах колебаний увеличивается не просто пропорционально скорости, а пропорционально квадрату скорости. Это значит, что если скорость возросла в 3 раза, то колебания возрастут в 9 раз.
При переходе к одному рельсу устраняется эта жесткая связь между двумя рельсами и колесами, взаимные отталкивания колес поочередно от каждого рельса должны также отпасть. Остается лишь одно общее с двух-рельсовой колеей — зафиксированная траектория движения, т. е. закрепленный навсегда путь. Последнее обстоятельство очень важно, потому что рулевое управление (например как у автомобиля) невозможно при сверхскоростных движениях.
 |
| Схема гироскопического вагона. |
Вагоны гироскопических дорог имеют внутри вертикальную ось, на которой вращается с большой скоростью горизонтальный маховичок. Маховичок и является гироскопом или волчком. Всякое нарушение равновесия под действием внешних сил тотчас же автоматически восстанавливается. При остановках или вообще при недостаточной скорости вращения волчка автоматически опускаются дополнительные колеса, удерживающие вагон от падения. При движении они опять убираются. Такова общая схема гироскопических вагонов.
*
Из всех трех проектов гироскопических дорог (Бреннана, Шерля и Шиловского) ни один осуществлен не был. Бреннан построил в 1912 г. лишь опытную дорогу на англо-японской выставке в Лондоне, достигнув там скорости максимально 70 км/час.
Август Шерль демонстрировал свой маленький вагончик на Берлинской выставке. В вагоне помещалось всего 6 чел.
Очень подробно разработан проект русского инж. П. П. Шиловского. Шиловский приспособил гироскоп еще к целому ряду разделов техники. Им был сконструирован и построен двухколесный автомобиль, на котором он разъезжал по улицам Лондона. Проект однорельсовой железной дороги Шиловского был наиболее подробно разработан. Шиловский был последним, поэтому он имел возможность учесть недостатки и ошибки предыдущих проектов.
Шиловский, используя свойство гироскопа, сконструировал особый регулирующий механизм, который дает возможность облегчения конструкции волчка и предохраняет его от опасности порчи механизма.
 |
| Схема установки гироскопа. |
Особенно подробно был разработан в 1922 г. по системе Шиловского проект дороги Петроград—Гатчина. Но условия того времени не дали возможности развернуть работы по осуществлению очень сложной конструкции подвижного состава, и проект Шиловского был «законсервирован».
*
Гироскоп нашел применение в одном из многочисленных изобретений П. И. Гроховского. П. И. Гроховский, наш советский изобретатель, давший много интересных изобретений в авиации, предложил построить гироскопический однорельсовый цеппелин. Это вагон сигарообразной формы, напоминающий дирижабль. Он установлен на колесах, бегущих в одну линию по одному рельсу. Для сохранения равновесия внутри в нижнем этаже вагона установлен гироскоп-волчок. Снаружи такого дирижабля установлены два воздушных винта. Последний — всасывающий винт и задний — толкающий. Двухэтажный дирижабль рассчитан на 35 чел. Проектная скорость 350 км/час. Это значит, что расстояние между Москвой и Ленинградом сможет быть пройдено за 1 час 42 мин.
Идея применения гироскопа к однорельсовой дороге встретила ряд практических трудностей. Основной трудностью безусловно нужно считать сложность оборудования экипажа. Каждый вагончик должен иметь собственный гироскоп для сохранения устойчивого равновесия. Но этого мало. Так как число оборотов гироскопа достигает 5000 в 1 мин. и более, то на каждом вагончике необходимо иметь самостоятельную силовую установку для приведения гироскопа во вращение.
Чрезвычайно усложняет конструкцию однорельсовой гироскопической дороги необходимость иметь автоматические приспособления, обеспечивающие устойчивость в случае отказа гироскопа работать.
Это особенно затруднительно выполнить для проезда мостов и насыпей.
Очевидно, по всем этим причинам гироскопические железные дороги не только не нашли массового распространения, но не были осуществлены даже и на отдельных участках.
Комментариев нет:
Отправить комментарий