Среди детских игрушек есть одна, которая заслуживает самого серьезного внимания со стороны исследователя законов природы — это волчок. Эта игрушка обладает целым рядом удивительных свойств, и ученые немало потрудились над их объяснением.

Первое из этих свойств волчка — его способность сохранять равновесие в таком положении, в каком всякое другое тело неизбежно должно упасть. В более общем виде это свойство можно сформулировать так: вращающийся волчок стремится сохранить неизменным положение своей оси.

В обыденной жизни мы часто бессознательно пользуемся этим свойством вращающихся тел. Чтобы пояснить это, мы позволим себе привести здесь отрывок из популярных лекций английского ученого профессора Перри[75], — лекций, специально посвященных свойствам волчка. 'Вот волчок, который лежит на плоской дощечке. Я подбрасываю его в воздух: вы видите, что проследить его движение трудно, и никто не мог бы предсказать наперед, в каком положении он упадет обратно на дощечку: он может упасть своим острым концом и вперед, и назад, и в сторону. Но если я предварительно заверчу его и тогда подброшу вверх, то уже не может быть никаких сомнений относительно того, в каком положении он вернется: ось его вращения все время остается параллельна сама себе, и я могу подбрасывать его несколько раз кряду, почти не изменяя его вращательного движения.

Если я подброшу вверх этот бисквит (рис.), то вы видите, что я не могу знать заранее, какон упадет обратно; но если перед тем, как выпустить его из рук, я приведу его во вращение, — то на этот счет не останется никакого сомнения. Вот шляпа; я подбрасываю ее вверх и не знаю, в каком положении она упадет обратно; но если я раньше сообщу ей вращение, то ось, вокруг которой она вращается, останется (как и у волчка, и у бисквита) параллельной сама себе, и вы можете быть уверены, что в данном случае шляпа упадет на пол полями вниз[76].

Однажды я показывал некоторые из моих опытов перед публикой в концертной зале. Я старался заинтересовать моих слушателей, насколько мог, вышеописанными явлениями и рассказывал о том, что плоскому диску надо сообщить вращение, если его желают бросить так, чтобы возможно было заранее указать, как он упадет; точно так же поступают, если желают кому-нибудь бросить обруч или шляпу так, чтобы тот мог поймать их палкой. Далее я объяснил моим слушателям, что, отполировав гладко дуло пушки, никогда нельзя рассчитывать на точность прицела; вследствие этого и делают нарезные дула, т.е. вырезают на внутренней стороне дула спиральные желобы, в которые приходятся выступы ядра, так что последнее получает вращательное движение, когда сила взрыва заставляет его двигаться по дулу пушки; благодаря этому ось вращения снаряда (как у шляпы или бисквита) во время его полета остается параллельной сама себе…

Это было все, что я мог сделать во время моей лекции, так как я не обладаю ловкостью в метании шляп или дисков. Но когда я кончил лекцию, на подмостки выступили два жонглера, — и я не мог пожелать лучшей иллюстрации к своей лекции, нежели та, которую давал каждый фокус этих артистов. Они бросали друг другу вращающиеся шляпы, обручи, тарелки, зонтики. Один из жонглеров кидал в воздух целый ряд ножей, ловил их и опять подбрасывал вверх. Моя аудитория, только что прослушавшая объяснение этих явлений, ликовала от удовольствия и заявляла, что она замечает вращение, которое жонглер сообщал каждому ножу, выпуская его из руки, так что он мог быть спокоен относительно того, в каком положении ножи вернутся к нему… Словом, почти все жонглерские фокусы, показанные в этот вечер, представляли иллюстрацию объясненного выше принципа.

Если вы все еще не убеждены в его правильности, то спросите ребенка, когда его обруч легче опрокидывается: тогда ли, когда он катится быстро, или когда движется медленно? Спросите у велосипедиста, когда ему легче удержать равновесие — при медленной или при скорой езде? Спросите балетную танцовщицу, долго ли бы могла она устоять на носке, если бы не кружилась; спросите у астронома, сколько месяцев земная ось сохраняла бы неизменное направление относительно Полярной звезды, если бы Земля не вращалась…'

Кроме этого более или менее общеизвестного свойства у волчка есть и еще одно, — пожалуй, еще более замечательное. Оно состоит в следующем: если ось волчка заставить вращаться вокруг другой оси, то первая ось стремится занять положение, параллельное второй, и притом так, чтобы оба вращательных движения имели одинаковое направление.

Отсюда следует, что так как наш земной шар постоянно находится во вращательном движении, то все волчки и вообще все вращающиеся тела, видимые нами на Земле, имеют стремление поставить свою ось параллельно земной оси, — т.е. направить ее к Полярной звезде. «С чувством изумления обыкновенно узнают впервые о том, — пишет Перри, — что все вращающиеся тела (как, например, маховые колеса паровых машин и т.п.) постоянно стремятся повернуть свою ось по направлению к Полярной звезде; это непосредственное стремление вращающихся тел остается тщетным, хотя они и рвутся со своих подставок к предмету своих стремлений»…

Но если мы подвесим волчок так, чтобы ось его могла свободно изменять свое положение, то стремление это не останется тщетным, а осуществится. Если при обычных условиях мы не замечаем этого стремления, то только оттого, что оно резко проявляется лишь при очень быстром вращении: вращающееся тело должно совершать несколько тысяч оборотов в секунду, чтобы мы могли заметить его стремление направить свою ось к Полярной звезде. Этим свойством быстро вращающихся волчков и воспользовались инженеры, чтобы приготовить компас без магнита. Компас такого рода представляет собой волчок, чрезвычайно быстро вращающийся вокруг оси. Последняя, собственно, и играет роль стрелки магнитного компаса; она может двигаться лишь в горизонтальной плоскости и, следовательно, стремясь стать параллельно земной оси, займет положение как раз по линии север — юг.

Модель компаса-волчка

На рисунке изображена модель, наглядно объясняющая употребление безмагнитного компаса. Вы видите волчок (жироскоп[77]), который можно закрепить в любом месте медного обруча-меридиана, охватывающего глобус. Ось волчка нарочно продолжена и сделана в виде большой стрелы, чтобы движения ее были резче. Волчок приводится в быстрое вращательное движение при помощи электричества (провод виден на рисунке). Сила тяжести заменена здесь резиновыми шнурками, протянутыми от оси волчка к глобусу. Пока глобус не вращается, ось волчка может занимать любое положение; но как только «Земля» приходит во вращательное движение, ось волчка начинает раскачиваться и успокаивается лишь тогда, когда станет параллельно меридиану, — т.е. направится с юга на север.

Для моряка такой безмагнитный компас представляет огромные удобства. Во-первых, он показывает не на магнитный, а на географический полюс; во-вторых, для него не существует никаких «склонений», с которыми постоянно приходится считаться, пользуясь магнитным компасом. В третьих, положение его не зависит от близости железных масс, которые так влияют на магнитный компас. Это последнее преимущество очень важно для военных судов с их гигантскими пушками, толстой стальной броней и электромоторами.

Компас-волчок

В настоящее время уже около 50 судов (главным образом германского флота) снабжены такими безмагнитными компасами. Мы не будем входить здесь в описание деталей их устройства: они несущественны для неспециалиста, а идея их, надеемся, достаточно ясна из предыдущего. Укажем лишь, что компасы-волчки делают до 20 000 оборотов в минуту, т.е. около 330 в секунду (Земля делает почти столько же в год!)

Между прочим, компас-волчок дает нам новое и притом прямое доказательство вращения Земли: если бы земной шар не вращался, движения оси компаса-волчка были бы необъяснимы. С помощью этого маленького прибора мы могли бы убедиться во вращательном движении нашей планеты даже в том случае, если бы никогда не видели неба, а были бы погребены в какой-нибудь подземной пещере…

Как упростилась бы задача гениального Галилея, если бы он был знаком с этим замечательным свойством гироскопа! Надо вообще заметить, что волчок таит в себе немало загадок, разрешение которых может сыграть важную роль в технике будущего. И нужно прямо удивляться, что такие важные принципы до сих пор оставались неиспользованными.