Đỉnh cao nhỏ mà chúng ta chinh phục được khi đọc và hiểu chương trước cho phép chúng ta trả lời câu hỏi đặt ra ở tiêu đề.
Hãy tưởng tượng một số loại phần trên, ví dụ như loại được mô tả ở đầu cuốn sách - một đĩa (bánh răng) bằng đồng mỏng được gắn trên một trục thép mỏng. Phiên bản phần trên này được hiển thị trong Hình 4.
Đừng để sự phức tạp của bản vẽ làm bạn sợ, nó chỉ rõ ràng thôi. Suy cho cùng, điều phức tạp chỉ là điều chưa được hiểu đầy đủ. Một số nỗ lực và sự chú ý - và mọi thứ sẽ trở nên đơn giản và rõ ràng.
Hình 4.
Hãy lấy hệ thống hình chữ nhật tọa độ xyz và đặt tâm của nó vào tâm khối lượng của kệ, tức là tại điểm CM. Để trục zđi qua trục quay nhanh của chính nó, sau đó trục xyz sẽ song song với mặt phẳng đĩa và nằm bên trong đĩa. Hãy đồng ý rằng các trục xyz tham gia vào tất cả các chuyển động của đỉnh, ngoại trừ chuyển động quay nhanh của chính nó.
Ở bên phải góc trên cùng(Hình 4, b) chúng tôi mô tả cùng một hệ tọa độ xyz. Sau này chúng ta sẽ cần nó để nói “ngôn ngữ” của vectơ.
Đầu tiên, chúng ta sẽ không quay phần trên và chúng ta sẽ cố gắng đặt nó với đầu dưới của trục trên một mặt phẳng đỡ, chẳng hạn như trên bề mặt của một cái bàn. Kết quả sẽ không làm chúng ta thất vọng: đỉnh cao chắc chắn sẽ nghiêng về phía nó. Tại sao điều này lại xảy ra? Khối tâm của đỉnh (điểm CM) nằm trên điểm hỗ trợ của nó (điểm VỀ). Lực trọng lượng G phần trên cùng, như chúng ta đã biết, được áp dụng tại điểm CM. Vì vậy, bất kỳ độ lệch nhỏ nào của trục z từ trên xuống theo phương thẳng đứng B sẽ tạo ra một vai lực G so với điểm tựa VỀ, tức là sự xuất hiện của một khoảnh khắc M, nó sẽ đánh đổ đỉnh theo hướng tác động của nó, tức là xung quanh trục X.
Bây giờ chúng ta hãy quay phần trên quanh trục z tới vận tốc góc cao Sh. Như trước, để trục z của phần nghiêng so với phương thẳng đứng B một góc nhỏ, tức là. cùng thời điểm M hành động ở trên. Bây giờ điều gì đã thay đổi? Như chúng ta sẽ thấy sau này, có rất nhiều thứ đã thay đổi, nhưng cơ sở của những thay đổi này là thực tế là hiện nay mọi điểm vật chất đều TôiĐĩa đã có tốc độ tuyến tính V, do đĩa quay với vận tốc góc Sh.
Chúng ta hãy chọn một điểm trên đĩa, ví dụ, điểm A, có khối lượng m A và nằm trong mặt phẳng giữa của đĩa và cách trục quay một khoảng r (r là bán kính của đĩa). Chúng ta hãy xem xét các đặc điểm chuyển động của nó trên mỗi vòng quay.
Vì vậy, trong khoảnh khắc bắt đầu thời gian, điểm A, giống như tất cả các điểm khác trên đĩa, có vận tốc tuyến tính, vectơ của V A nằm trong mặt phẳng của đĩa. Mặt trên (và đĩa của nó) chịu tác dụng của mômen M, cố gắng* làm lật mặt trên, truyền vận tốc tuyến tính tới các điểm của đĩa, các vectơ mà Wi vuông góc với mặt phẳng của đĩa.
Dưới tác dụng của mômen M, điểm A bắt đầu đạt vận tốc W A. Do định luật quán tính nên tốc độ của một điểm vật chất không thể tăng ngay lập tức. Do đó, ở vị trí ban đầu (điểm A nằm trên trục y), tốc độ của nó là W A = 0 và chỉ sau một phần tư vòng quay của đĩa (khi điểm A đang quay sẽ ở trên trục X) tốc độ W A của nó tăng và đạt cực đại. Điều này có nghĩa là dưới tác dụng của mômen M, đầu quay quay quanh trục Tại, và không quanh trục X(như trường hợp với phần trên không được xoắn). Hiện tượng này đánh dấu sự khởi đầu làm sáng tỏ bí ẩn của đỉnh cao.
Chuyển động quay của đỉnh dưới tác dụng của mô men M được gọi là tuế sai, và vận tốc góc xoay - tốc độ của tuế sai, hãy ký hiệu là y p. Tuế sai, đỉnh bắt đầu quay quanh trục y.
Chuyển động này có thể di chuyển được so với chuyển động quay (tương đối) của chính đỉnh với vận tốc góc cao Shch.
Là kết quả của chuyển động di động, vectơ tương đối tốc độ tuyến tính V A điểm vật chất A, đã được trả lại và vị trí bắt đầu, sẽ được chuyển về hướng xoay di động.
Do đó, hình ảnh quen thuộc với chúng ta nảy sinh về ảnh hưởng của chuyển động di động lên chuyển động tương đối, ảnh hưởng làm phát sinh gia tốc Coriolis.
Hướng của vectơ gia tốc Coriolis của điểm A (theo quy tắc đã cho ở chương trước) sẽ tìm được bằng cách quay vectơ tốc độ tương đối V A của điểm A 90° theo hướng quay di động (tuế sai) của đỉnh. Gia tốc Coriolis a của điểm A, có khối lượng mA, tạo ra một lực quán tính FK, hướng ngược lại với vectơ gia tốc ak và tác dụng lên các điểm vật chất của đĩa tiếp xúc với điểm A.
Lý luận theo cách tương tự, người ta có thể thu được hướng của vectơ gia tốc và lực quán tính Coriolis cho bất kỳ điểm vật chất nào khác trên đĩa.
Trở lại điểm A. Lực quán tính F K tác dụng lên vai r tạo ra mômen MGA tác dụng lên trên xung quanh trục x. Khoảnh khắc này được tạo ra bởi lực quán tính Coriolis, được gọi là con quay hồi chuyển.
Giá trị của nó được xác định bằng công thức:
GA = r F k = m A r 2 Shch P = TÔI MỘT
Kích cỡ TÔI A = m Ar 2 , tùy thuộc vào khối lượng của điểm và khoảng cách của nó với trục quay, được gọi là mômen quán tính dọc trục của điểm. Momen quán tính của một điểm là thước đo quán tính của nó trong chuyển động quay. Khái niệm mômen quán tính được L. Euler đưa vào cơ học.
Không chỉ các điểm riêng lẻ mà toàn bộ vật thể cũng có mô men quán tính vì chúng bao gồm các điểm riêng lẻ. điểm vật chất. Với suy nghĩ này, chúng ta hãy tạo một công thức cho mômen hồi chuyển MG được tạo bởi đĩa trên cùng. Để làm điều này, trong công thức trước, chúng ta thay thế mô men quán tính của điểm TÔI A tại thời điểm quán tính của đĩa TÔI D, và vận tốc góc Shch và Shch P sẽ không đổi, vì tất cả các điểm của đĩa (ngoại trừ những điểm nằm tương ứng trên trục linh dương đầu bò) đều quay với cùng vận tốc góc Shch và Shch P.
KHÔNG. Zhukovsky, “cha đẻ của ngành hàng không Nga”, người cũng tham gia nghiên cứu cơ học về con quay và con quay hồi chuyển, đã đưa ra quy tắc đơn giản sau để xác định hướng của mô men con quay (Hình 4, b): mô men con quay có xu hướng kết hợp vectơ mô men động học H với vectơ vận tốc góc của chuyển động quay di động u P dọc theo đường đi ngắn nhất.
Trong trường hợp cụ thể, tốc độ quay di động là tốc độ tuế sai.
Trong thực tế, một quy tắc tương tự cũng được sử dụng để xác định hướng của tuế sai: tuế sai có xu hướng kết hợp vectơ động lượng H với vectơ động lượng sức mạnh thể chất M dọc theo con đường ngắn nhất.
Những cái này quy tắc đơn giản nằm ở nền tảng của hiện tượng hồi chuyển và chúng ta sẽ sử dụng chúng rộng rãi trong tương lai.
Nhưng hãy quay trở lại đầu trang. Tại sao nó không rơi khi quay quanh trục x, đã rõ - mômen con quay đang ngăn cản nó. Nhưng có lẽ nó sẽ rơi, quay quanh trục y do tuế sai? Cũng không! Thực tế là, khi tiến động, đỉnh bắt đầu quay quanh trục y, có nghĩa là lực trọng lượng G bắt đầu tạo ra một mômen tác động lên đỉnh quanh cùng một trục. Hình ảnh này đã quen thuộc với chúng ta; chúng ta bắt đầu xem xét hoạt động của một đầu quay với nó. Do đó, trong trường hợp này, sẽ xuất hiện một đám rước và mômen con quay, điều này sẽ không cho phép phần trên nghiêng quanh trục y trong thời gian dài mà sẽ chuyển chuyển động của phần trên sang một mặt phẳng khác và trong đó hiện tượng của nó sẽ được lặp lại lần nữa.
Vì vậy, trong khi vận tốc góc vòng quay riêngĐỉnh chữ U lớn, mômen trọng trường sinh ra mômen tuế sai và hồi chuyển, giữ cho đỉnh không bị rơi về một hướng nào. Điều này giải thích sự ổn định của trục r sự quay của đỉnh. Bằng cách đơn giản hóa, chúng ta có thể giả sử rằng điểm cuối của trục trên cùng, điểm K, chuyển động theo một đường tròn và bản thân trục quay z mô tả trong không gian bề mặt hình nón với các đỉnh tại một điểm VỀ.
Đỉnh quay là một ví dụ về chuyển động của một vật có một điểm cố định (đối với đỉnh là điểm O). Vấn đề về bản chất chuyển động của một vật thể như vậy có vai trò vai trò quan trọng trong sự phát triển của khoa học và công nghệ, nhiều nhà khoa học xuất sắc đã cống hiến công sức của mình cho việc giải quyết nó.
Trong số hàng nghìn người đã chơi với áo khi còn nhỏ, sẽ không có nhiều người có thể trả lời chính xác câu hỏi này. Trên thực tế, làm thế nào chúng ta có thể giải thích hiện tượng một đầu quay, đặt thẳng đứng hoặc thậm chí nghiêng, không bị lật, trái với mọi mong đợi? Thế lực nào đã giữ anh ta ở một vị trí tưởng chừng như không ổn định như vậy? Sự nặng nề không ảnh hưởng đến anh ấy sao?
Có một sự tương tác rất thú vị của các lực lượng đang diễn ra ở đây. Lý thuyết về con quay không đơn giản và chúng ta sẽ không đi sâu vào nó. Chúng ta chỉ nêu lý do chính tại sao đầu quay không rơi.
Trong hình. Hình 26 cho thấy một đỉnh quay theo hướng mũi tên. Hãy chú ý tới phần MỘT vành và một phần của nó TRONG, ngược lại với nó. Phần MỘT có xu hướng rời xa bạn, một phần TRONG- với bạn. Bây giờ hãy quan sát loại chuyển động mà các bộ phận này nhận được khi bạn nghiêng trục của đỉnh về phía bạn. Với cú đẩy này, bạn buộc phần đó MỘT di chuyển lên một phần TRONG- xuống; cả hai phần đều nhận được một lực đẩy vuông góc với phong trào riêng. Nhưng vì trong quá trình quay nhanh của đỉnh, tốc độ ngoại vi của các phần của đĩa rất cao, nên tốc độ không đáng kể mà bạn báo cáo, cộng với tốc độ vòng tròn lớn của điểm, sẽ cho kết quả rất gần với tốc độ vòng tròn này - và chuyển động của đỉnh hầu như không thay đổi. Điều này cho thấy rõ tại sao phần trên dường như chống lại nỗ lực lật đổ nó. Phần trên càng lớn và quay càng nhanh thì khả năng chống lật càng bền.
Tại sao phần trên không rơi?
Bản chất của lời giải thích này liên quan trực tiếp đến định luật quán tính. Mỗi hạt của đỉnh chuyển động theo một vòng tròn trong mặt phẳng vuông góc với trục quay. Theo định luật quán tính, tại mỗi thời điểm hạt có xu hướng chuyển động từ đường tròn lên một đường thẳng tiếp xúc với đường tròn. Nhưng mọi tiếp tuyến đều nằm trong cùng mặt phẳng với chính đường tròn; do đó, mỗi hạt có xu hướng chuyển động sao cho luôn luôn nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục quay. Suy ra rằng tất cả các mặt phẳng ở phía trên, vuông góc với trục quay, có xu hướng giữ nguyên vị trí của chúng trong không gian, và do đó đường vuông góc chung với chúng, tức là bản thân trục quay, cũng có xu hướng giữ nguyên hướng của nó.
Một con quay khi bị ném đi vẫn giữ nguyên hướng trục ban đầu.
Chúng ta sẽ không xem xét tất cả các chuyển động của đỉnh xảy ra khi có ngoại lực tác dụng lên nó. Điều này sẽ đòi hỏi quá nhiều giải thích chi tiết, điều này có vẻ nhàm chán. Tôi chỉ muốn giải thích lý do tại sao bất kỳ vật thể quay nào cũng mong muốn duy trì hướng của trục quay không đổi.
Tính chất này được sử dụng rộng rãi công nghệ hiện đại. Nhiều thiết bị con quay hồi chuyển (dựa trên đặc tính của đỉnh) - la bàn, bộ ổn định, v.v. - được lắp đặt trên tàu và máy bay. [Xoay đảm bảo sự ổn định của đạn và đạn trong chuyến bay, đồng thời cũng có thể được sử dụng để đảm bảo sự ổn định của đạn không gian - vệ tinh và tên lửa - khi chúng di chuyển (ghi chú của biên tập viên).]
Chuyện là thế đó sử dụng có lợi một món đồ chơi tưởng chừng đơn giản.
Trong số hàng nghìn người đã chơi với áo khi còn nhỏ, sẽ không có nhiều người có thể trả lời chính xác câu hỏi này. Trên thực tế, làm thế nào chúng ta có thể giải thích hiện tượng một đầu quay, đặt thẳng đứng hoặc thậm chí nghiêng, không bị lật, trái với mọi mong đợi? Thế lực nào đã giữ anh ta ở một vị trí tưởng chừng như không ổn định như vậy? Sự nặng nề không ảnh hưởng đến anh ấy sao?
Có một sự tương tác rất thú vị của các lực lượng đang diễn ra ở đây. Lý thuyết về con quay không đơn giản và chúng ta sẽ không đi sâu vào nó. Chúng ta chỉ nêu lý do chính tại sao đầu quay không rơi.
Trong hình. Hình 26 cho thấy một đỉnh quay theo hướng mũi tên. Chú ý phần A của vành và phần B đối diện với nó. Phần A có xu hướng rời xa bạn, phần B hướng về phía bạn. Bây giờ hãy quan sát loại chuyển động mà các bộ phận này nhận được khi bạn nghiêng trục của đỉnh về phía bạn. Với lực đẩy này, bạn buộc phần A phải di chuyển lên, phần B phải di chuyển xuống; cả hai phần đều nhận được lực đẩy vuông góc với chuyển động của chúng. Nhưng vì trong quá trình quay nhanh của đỉnh, tốc độ ngoại vi của các phần của đĩa rất cao, nên tốc độ không đáng kể mà bạn báo cáo, cộng với tốc độ vòng tròn lớn của điểm, sẽ cho kết quả rất gần với tốc độ vòng tròn này - và chuyển động của đỉnh hầu như không thay đổi. Điều này cho thấy rõ tại sao phần trên dường như chống lại nỗ lực lật đổ nó. Phần trên càng lớn và quay càng nhanh thì khả năng chống lật càng bền.
Hình 26. Tại sao phần trên không rơi?
Hình 27. Một con quay khi ném đi vẫn giữ nguyên hướng ban đầu của trục của nó.
Bản chất của lời giải thích này liên quan trực tiếp đến định luật quán tính. Mỗi hạt của đỉnh chuyển động theo một vòng tròn trong mặt phẳng vuông góc với trục quay. Theo định luật quán tính, tại mỗi thời điểm hạt có xu hướng chuyển động từ đường tròn lên một đường thẳng tiếp xúc với đường tròn. Nhưng mọi tiếp tuyến đều nằm trong cùng mặt phẳng với chính đường tròn; do đó, mỗi hạt có xu hướng chuyển động sao cho luôn luôn nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục quay. Suy ra rằng tất cả các mặt phẳng ở phía trên, vuông góc với trục quay, có xu hướng giữ nguyên vị trí của chúng trong không gian, và do đó đường vuông góc chung với chúng, tức là bản thân trục quay, cũng có xu hướng giữ nguyên hướng của nó.
Chúng ta sẽ không xem xét tất cả các chuyển động của đỉnh xảy ra khi có ngoại lực tác dụng lên nó. Điều này đòi hỏi phải giải thích quá chi tiết và có thể sẽ nhàm chán. Tôi chỉ muốn giải thích lý do tại sao bất kỳ vật thể quay nào cũng mong muốn duy trì hướng của trục quay không đổi.
Tài sản này được sử dụng rộng rãi bởi công nghệ hiện đại. Nhiều thiết bị con quay hồi chuyển (dựa trên đặc tính của phần trên) - la bàn, bộ ổn định, v.v. - được lắp đặt trên tàu và máy bay.
Đó là công dụng hữu ích của một món đồ chơi tưởng chừng đơn giản.
Nghệ thuật tung hứng
Nhiều những trò ảo thuật tuyệt vời Các chương trình khác nhau của người tung hứng cũng dựa trên đặc tính của các vật thể quay để duy trì hướng của trục quay. Tôi xin trích dẫn một đoạn trong cuốn sách thú vị nhà vật lý người Anh giáo sư Con quay của John Perry.
Hình 28. Cách tung đồng xu bay theo vòng quay.
Hình 29. Một đồng xu được tung không quay sẽ rơi vào một vị trí ngẫu nhiên.
Hình 30. Một chiếc mũ ném sẽ dễ bắt hơn nếu nó được quay quanh trục của nó.
Một ngày nọ, tôi đang trình diễn một số thí nghiệm của mình cho một khán giả đang uống cà phê và hút thuốc trong một căn phòng tráng lệ. phòng hòa nhạc"Victoria" ở Luân Đôn. Tôi đã cố gắng thu hút người nghe của mình nhiều nhất có thể và nói về việc một chiếc vòng phẳng phải được quay như thế nào nếu người ta muốn ném nó để có thể chỉ trước nơi nó sẽ rơi; Họ cũng làm điều tương tự nếu muốn ném mũ cho ai đó để người đó dùng gậy đỡ vật này. Bạn luôn có thể dựa vào lực cản mà một vật thể quay tạo ra khi hướng trục của nó thay đổi. Tôi giải thích thêm cho thính giả của mình rằng, khi đã đánh bóng nòng súng một cách trơn tru, người ta không bao giờ có thể tin tưởng vào độ chính xác của tầm nhìn; Kết quả là, hiện nay người ta đã tạo ra những chiếc mõm có rãnh, tức là chúng được cắt thành bên trong Nòng súng là các rãnh hình xoắn ốc để các phần nhô ra của đạn đại bác hoặc đạn vừa khít vào đó, để đạn sau phải nhận được chuyển động quay, khi lực nổ của thuốc súng buộc nó phải di chuyển dọc theo kênh pháo. Nhờ đó, đạn rời khỏi súng với chuyển động quay được xác định chính xác.
Đó là tất cả những gì tôi có thể làm trong bài giảng này, vì tôi không có kỹ năng ném mũ hay ném đĩa. Nhưng sau khi tôi kết thúc bài giảng, hai nghệ sĩ tung hứng xuất hiện trên sân khấu, và tôi không thể mong muốn một minh họa nào tốt hơn về các định luật nói trên bằng minh họa qua mỗi thủ thuật cá nhân được thực hiện bởi hai nghệ sĩ này. Họ ném những chiếc mũ quay, vòng, đĩa, ô cho nhau... Một trong những người tung hứng ném lên không trung cả một loạt những con dao, bắt chúng nhiều lần và ném chúng lên với độ chính xác cao; thính giả của tôi vừa nghe lời giải thích về những hiện tượng này, đã vui mừng khôn xiết; cô nhận thấy chuyển động quay mà người tung hứng truyền cho mỗi con dao, thả nó ra khỏi tay anh ta để anh ta có thể biết con dao sẽ quay trở lại với mình ở vị trí nào. Sau đó tôi ngạc nhiên rằng hầu như không có ngoại lệ, tất cả các thủ thuật tung hứng được thực hiện tối hôm đó đều là minh họa cho nguyên tắc đã nêu ở trên.”
Chắc hẳn ai trong chúng ta cũng từng có một món đồ chơi con quay khi còn nhỏ. Thật thú vị biết bao khi xem cô ấy quay! Và tôi thực sự muốn hiểu tại sao một con quay đứng yên không thể đứng thẳng, nhưng khi bạn phóng nó ra, nó bắt đầu quay và không rơi, duy trì sự ổn định trên một giá đỡ.
Mặc dù con quay chỉ là một món đồ chơi nhưng nó đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt của các nhà vật lý. Con quay là một trong những loại vật thể mà trong vật lý gọi là con quay. Là một món đồ chơi, nó thường có thiết kế bao gồm hai nửa hình nón được kết nối với nhau, với một trục chạy qua tâm. Nhưng phần trên có thể có hình dạng khác. Ví dụ, bánh răng của cơ cấu đồng hồ cũng là phần trên, cũng như con quay hồi chuyển - một đĩa lớn gắn trên một thanh. Phần trên đơn giản nhất bao gồm một đĩa có trục được lắp vào giữa.
Không gì có thể buộc cái đỉnh đứng thẳng khi nó đứng yên. Nhưng một khi bạn tháo nó ra, nó sẽ đứng vững trên đầu nhọn. Và cái gì tốc độ nhanh hơn vòng quay của nó thì vị trí của nó càng ổn định.
Tại sao con quay không rơi?
bấm vào hình ảnh
Theo định luật quán tính thì được phát hiện bởi Newton, mọi vật chuyển động đều có xu hướng duy trì hướng chuyển động và độ lớn của tốc độ. Theo đó, một đầu quay cũng tuân theo định luật này. Lực quán tính ngăn không cho phần trên rơi xuống, cố gắng duy trì tính chất ban đầu của chuyển động. Tất nhiên, trọng lực cố gắng lật đổ phần trên, nhưng nó quay càng nhanh thì lực quán tính càng khó vượt qua.
Sự tuế sai của đỉnh
Hãy đẩy phần trên quay ngược chiều kim đồng hồ theo hướng như trong hình. Dưới tác dụng của lực tác dụng, nó sẽ nghiêng sang trái. Điểm A di chuyển xuống và điểm B di chuyển lên. Cả hai điểm, theo định luật quán tính, sẽ chống lại lực đẩy và cố gắng quay trở lại vị trí cũ. vị trí bắt đầu. Kết quả là sẽ xuất hiện một lực tiến động, có phương vuông góc với phương đẩy. Mặt trên sẽ quay sang trái một góc 90° so với lực tác dụng lên nó. Nếu quay theo chiều kim đồng hồ thì nó sẽ quay sang bên phải một góc như vậy.
Nếu phần trên không quay thì dưới tác dụng của trọng lực, nó sẽ ngay lập tức rơi xuống bề mặt mà nó nằm. Nhưng trong khi quay, nó không rơi mà giống như các vật quay khác, nhận xung lượng góc (động lượng góc). Độ lớn của mô men này phụ thuộc vào khối lượng của đỉnh và tốc độ quay. Một lực quay xuất hiện, lực này buộc trục của đỉnh phải duy trì một góc nghiêng so với phương thẳng đứng trong quá trình quay.
Theo thời gian, tốc độ quay của đỉnh giảm đi và chuyển động của nó bắt đầu chậm lại. Điểm trên của nó dần dần lệch khỏi vị trí ban đầu sang hai bên. Chuyển động của nó diễn ra theo hình xoắn ốc phân kỳ. Đây là tuế sai của trục đỉnh.
Hiệu ứng của tuế sai cũng có thể được quan sát thấy nếu không đợi tốc độ quay của nó chậm lại, bạn chỉ cần ấn phần trên, tức là áp dụng nó vào nó. ngoại lực. Mômen của lực tác dụng làm thay đổi hướng của xung lượng góc của trục trên.
Người ta đã xác nhận bằng thực nghiệm rằng tốc độ thay đổi xung lượng góc của một vật thể đang quay tỷ lệ thuận với độ lớn của mômen lực tác dụng lên vật thể đó.
Con quay hồi chuyển
bấm vào hình ảnh
Nếu bạn cố gắng đẩy con quay, nó sẽ lắc lư và trở về vị trí thẳng đứng. Hơn nữa, nếu bạn ném nó lên, trục của nó vẫn giữ nguyên hướng. Tính chất hàng đầu này được sử dụng trong công nghệ.
Trước khi con người phát minh ra con quay hồi chuyển, con người đã sử dụng những cách khác nhauđịnh hướng trong không gian. Đây là một đường thẳng và một mức độ, cơ sở của nó là trọng lực. Sau đó, họ đã phát minh ra một la bàn sử dụng từ tính của Trái đất và một thước đo thiên văn, nguyên lý của nó dựa trên vị trí của các ngôi sao. Nhưng trong điều kiện khó khăn những thiết bị này không phải lúc nào cũng có thể hoạt động được.
Hoạt động của con quay hồi chuyển, được phát minh vào năm đầu thế kỷ XIX thế kỷ của nhà thiên văn học và toán học người Đức Johann Bonenberger, không phụ thuộc vào thời tiết xấu, lắc, lắc lư hoặc nhiễu điện từ. Thiết bị này là một đĩa kim loại nặng có trục đi qua tâm. Toàn bộ cấu trúc này được bao bọc trong một vòng tròn. Nhưng nó có một nhược điểm đáng kể - công việc của nó nhanh chóng bị chậm lại do lực ma sát.
Vào nửa sau thế kỷ 19, người ta đề xuất sử dụng động cơ điện để tăng tốc và duy trì hoạt động của con quay hồi chuyển.
Vào thế kỷ 20, con quay hồi chuyển đã thay thế la bàn trong máy bay, tên lửa và tàu ngầm.
Trong la bàn con quay, một bánh xe quay (rôto) được lắp trong gimbal, đây là một giá đỡ khớp nối đa năng trong đó một vật thể cố định có thể tự do quay đồng thời trong một số mặt phẳng. Hơn nữa, hướng trục quay của thân xe sẽ không thay đổi bất kể vị trí của hệ thống treo thay đổi như thế nào. Loại hệ thống treo này rất thuận tiện khi sử dụng ở nơi có chuyển động. Suy cho cùng, một vật cố định trong đó sẽ duy trì vị trí thẳng đứng dù thế nào đi nữa.
Rôto con quay hồi chuyển duy trì hướng của nó trong không gian. Nhưng Trái đất quay. Và người quan sát sẽ thấy rằng trong 24 giờ trục rôto tạo ra lượt đầy đủ. Trong la bàn con quay, rôto được giữ ở vị trí nằm ngang bằng vật nặng. Trọng lực tạo ra mômen xoắn và trục rôto luôn hướng về phía bắc.
Con quay hồi chuyển đã trở thành yếu tố quan trọng nhất hệ thống định vị của máy bay và tàu thuyền.
Trong ngành hàng không, một thiết bị gọi là chân trời nhân tạo được sử dụng. Đây là một thiết bị con quay hồi chuyển dùng để xác định góc cuộn và góc nghiêng.
Bộ ổn định con quay hồi chuyển cũng đã được tạo ra dựa trên phần trên. Một đĩa quay nhanh ngăn chặn những thay đổi trong trục quay và “dập tắt” độ nghiêng của tàu. Các bộ ổn định như vậy cũng được sử dụng trong máy bay trực thăng để ổn định sự cân bằng của chúng theo chiều dọc và chiều ngang.
Không chỉ phần trên mới có thể tiết kiệm vị trí ổn định so với trục quay. Nếu cơ thể có đúng hình dạng hình học, khi quay, nó cũng có thể duy trì sự ổn định.
“Người thân” của top
Phía trên có “họ hàng”. Đây là một chiếc xe đạp và một viên đạn súng trường. Thoạt nhìn chúng hoàn toàn khác nhau. Điều gì đoàn kết họ?
Mỗi bánh xe đạp có thể được coi là một đỉnh. Nếu bánh xe không chuyển động, xe sẽ đổ nghiêng. Và nếu họ lăn, thì anh ta cũng giữ được thăng bằng.
Và một viên đạn bắn ra từ súng trường cũng quay tròn khi bay, giống như một cái đầu. Nó hoạt động theo cách này vì nòng súng trường có rãnh xoắn ốc. Khi viên đạn lao qua chúng, nó sẽ nhận được chuyển động quay. Và trong không khí, nó giữ nguyên vị trí như trong nòng súng, với đầu nhọn hướng về phía trước. Đạn pháo cũng xoay theo cách tương tự. Không giống như những khẩu pháo cũ bắn đạn đại bác, tầm bắn và độ chính xác của những viên đạn như vậy cao hơn.
Một chiếc áo tốt sẽ quay dễ dàng. Để làm được điều này, cần phải đặt trọng tâm một cách chính xác. Ở tốc độ cao, đầu quay cố gắng duy trì vị trí trục của nó không thay đổi và không bị rơi. Dần dần, do ma sát nên tốc độ quay giảm dần.
Và khi tốc độ trở nên không đủ, trục của đỉnh sẽ xoắn ốc ra khỏi phương thẳng đứng, sau đó là rơi xuống. Trong số hàng nghìn người đã chơi với áo khi còn nhỏ, sẽ không có nhiều người có thể trả lời chính xác câu hỏi này. Trên thực tế, làm thế nào chúng ta có thể giải thích hiện tượng một đầu quay, đặt thẳng đứng hoặc thậm chí xiên, không lật đổ
trái ngược với mọi mong đợi? Thế lực nào đã giữ anh ta ở một vị trí tưởng chừng như không ổn định như vậy? Sự nặng nề không ảnh hưởng đến anh ấy sao? Có một sự tương tác rất thú vị của các lực lượng đang diễn ra ở đây. Lý thuyết về con quay không đơn giản và chúng ta sẽ không đi sâu vào nó. Chúng ta chỉ phác thảo
lý do chính
, nhờ đó đầu quay không bị rơi. Hình vẽ cho thấy một đỉnh quay theo hướng mũi tên.
Chú ý phần A của vành và phần B đối diện với nó. Phần A có xu hướng rời xa bạn, phần B hướng về phía bạn. Bây giờ hãy quan sát loại chuyển động mà các bộ phận này nhận được khi bạn nghiêng trục của đỉnh về phía bạn.
Với lực đẩy này, bạn buộc phần A phải di chuyển lên, phần B phải di chuyển xuống; cả hai phần đều nhận được lực đẩy vuông góc với chuyển động của chúng. Nhưng vì trong quá trình quay nhanh của đỉnh, tốc độ ngoại vi của các phần của đĩa rất cao, nên tốc độ không đáng kể mà bạn báo cáo, cộng với tốc độ vòng tròn lớn của điểm, sẽ cho kết quả rất gần với tốc độ vòng tròn này - và chuyển động của đỉnh hầu như không thay đổi.Điều này cho thấy rõ tại sao phần trên dường như chống lại nỗ lực lật đổ nó. Phần trên càng lớn và quay càng nhanh thì khả năng chống lật càng bền.
đầu quay, bị ném, Mỗi hạt của đỉnh chuyển động theo một vòng tròn trong mặt phẳng vuông góc với trục quay.
Theo định luật quán tính, tại mỗi thời điểm hạt có xu hướng chuyển động từ đường tròn lên một đường thẳng tiếp xúc với đường tròn.
Nhưng mọi tiếp tuyến đều nằm trong cùng mặt phẳng với chính đường tròn; do đó, mỗi hạt có xu hướng chuyển động sao cho luôn luôn nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục quay. Theo đó tất cả các mặt phẳng ở trên cùng, vuông góc với trục
các phép quay có xu hướng duy trì vị trí của chúng trong không gian, và do đó đường vuông góc chung với chúng, tức là bản thân trục quay, cũng có xu hướng duy trì hướng của nó.
Chúng ta sẽ không xem xét tất cả các chuyển động của đỉnh xảy ra khi có ngoại lực tác dụng lên nó.
Điều này đòi hỏi phải giải thích quá chi tiết và có thể sẽ nhàm chán. Tôi chỉ muốn giải thích lý do tại sao bất kỳ vật thể quay nào cũng mong muốn duy trì hướng của trục quay không đổi. Tài sản này được sử dụng rộng rãi bởi công nghệ hiện đại. Nhiều
con quay hồi chuyển