Почему не падает крутящийся волчок?
Опубликовано 29 Янв 2014
Рубрика: Механика | 30 комментариев
Крутящийся волчок завораживает! Можно, как на огонь костра, долго смотреть на это явление, испытывая неугасающий интерес, любопытство и еще какие-то непонятные чувства… В понимании теории классического волчка и адекватном ее применении на практике, возможно, «зарыта собака»...
...использования и покорения гравитации… А, возможно, нам просто иногда так хочется думать, когда мы видим явления, которые не можем сразу понять и дать им объяснение.
Приступаем к ответу на вопрос заголовка статьи. Я разбил текст ответа на краткие пронумерованные пункты с целью максимально облегчить восприятие информации с возможностью отвлечений в процессе чтения и легкого последующего возврата к тексту и смыслу статьи. Переходите к следующему пункту только после понимания сути предыдущего.
Обратимся к рисунку, на котором изображен классический волчок.
1. Неподвижная абсолютная система координат Ox0y0z0 показана на рисунке лиловым цветом. Центром прямоугольной Декартовой системы координат является точка O, на которую опирается крутящийся волчок.
2. Подвижная система координат Cxyz изображена на рисунке синим цветом. Оси этой системы не вращаются вместе с волчком, но повторяют все остальные его движения! Центром этой прямоугольной системы координат является точка C, которая лежит на средней плоскости диска волчка и является его центром масс.
3. Относительное движение волчка – это движение (вращение) относительно подвижной системы координат Cxyz.
4. Переносное движение — это движение волчка вместе с подвижной системой координат Cxyz относительно неподвижной системы Ox0y0z0.
5. Вектора сил и моментов показаны на рисунке зеленым цветом.
6. Диск волчка имеет массу m и вес G=m*g, где g – ускорение свободного падения.
7. То, что некрутящийся волчок падает на бок, как правило, никого не удивляет. Волчок падает на бок из-за действия опрокидывающего момента Mопр=G*P, который неизбежно возникнет при любом самом незначительном отклонении оси волчка z от вертикальной оси z0. Здесь P – плечо силы G, измеренное по оси y.
8. Согласно рисунку падение невращающегося волчка происходит вокруг оси x!
Относительно абсолютной неподвижной системы координат Ox0y0z0 ось x при падении двигается плоскопараллельно по цилиндрической поверхности радиусом OC.
Ось y при этом перекатывается по окружности радиусом OC, меняя направление в абсолютном пространстве вместе с осью z, которая поворачивается вокруг точки O.
Рассматривая падение волчка в абсолютном пространстве относительно точки C, можно сделать вывод, что волчок и жестко связанная с ним система координат Cxyz совершает поворот вокруг оси x в направлении действия опрокидывающего момента Mопр.
9. Рассмотрим движение произвольной материальной точки, принадлежащей диску крутящегося волчка. Для этого выделим точку A, имеющую массу mA и лежащую, например, в плоскости Cxy на периферии диска на расстоянии R от центра масс точки C.
10. Полагаем, что изначально точка A имеет линейную скорость относительного движения VAотн, обусловленную только вращательным движением волчка вокруг оси z. Вектор скорости VAотн параллелен оси x.
11. Помним, что на волчок, крутящийся по часовой стрелке с очень большой угловой скоростью ωотн вокруг оси z, по-прежнему действует момент Mопр, возникший в результате неизбежного изначального отклонения оси z от вертикали.
12. Точка, обладающая массой, не может мгновенно изменить свою скорость потому, что для этого ей необходимо придать ускорение, равное бесконечности – что считается невозможным из-за действия закона инерции. Это означает, что нарастание скорости VAпер, вызванной действием опрокидывающего момента Mопр, будет происходить какое-то время и крутящийся волчок успеет повернуться на некоторый угол. Для упрощения объяснения процесса условно примем, что переносная скорость точки A VAпер достигнет своего максимума в момент, когда точка A повернется на угол 90° (¼ оборота) и будет пересекать ось x.
13. На рисунке векторы переносной скорости точки A VAпер в различные моменты времени при разных углах поворота показаны пурпурным цветом, а вектор относительной скорости VAотн в начальном положении точки изображен коричневым цветом.
14. В соответствии с вышесказанным, если посмотреть на рисунок, становится очевидным, что волчок начнет опрокидывание не вокруг оси x, а вокруг оси y!
15. Из-за возникшего переносного движения (опрокидывания), когда точка A, совершив оборот вокруг оси z, вернется в начальное положение на ось y, вектор ее абсолютной скорости VA будет повернут вниз в сторону опрокидывания, то есть в сторону переносного движения относительно вектора относительной скорости VAотн.
16. Любое изменение скорости может быть обусловлено только действием ненулевого ускорения! В данном случае это ускорение называется кориолисовым ускорением aкор. Оно направлено по линии действия скорости VAпер переносного движения, его вызвавшего. Вектор aкор параллелен оси z.
17. Переносное движение, вызвавшее кориолисово ускорение aкор, рождает соответственно и силу инерции Fкор, которая действует в направлении противоположном направлению вектора aкор.
18. В свою очередь кориолисова сила инерции Fкор создает момент относительно оси x Mгир= Fкор*R, называемый гироскопическим моментом. Именно гироскопический момент Mгир, противодействуя опрокидывающему моменту Mопр, уравновешивает систему и не позволяет крутящемуся волчку завалиться на бок!!!
19. Волчок, не успев повернуться вокруг одной оси, начинается поворот вокруг другой и так далее пока есть вращение, пока действует кинетический момент H=ωотн*m*R2/2!
Образно можно сказать так: как только крутящийся волчок начинает падать под действием момента силы тяжести Mопр, поворачиваясь вокруг некоторой оси, так через мгновение вокруг этой же оси возникает гироскопический момент Mгир, препятствующий этому повороту. Так и «играют в догонялки» эти два момента – один роняет волчок, другой его удерживает от падения…
20. Ось z, жестко связанная с осью вращения волчка, описывает при этом в абсолютной координатной системе Ox0y0z0 конус с вершиной в точке O. Такое круговое движение оси z со скоростью ωпер называется прецессией.
21. На векторной диаграмме, изображенной на рисунке ниже, показаны, уравновешивающие друг друга, опрокидывающий момент силы тяжести Mопр и гироскопический момент Mгир.
Mопр =Mгир=H*ωпер
Гироскопический момент Mгир по самому короткому пути пытается повернуть вектор кинетического момента H в направлении вектора угловой скорости переносного вращения ωпер. При этом прецессия – вектор ωпер – стремится повернуть тот же вектор H и совместить его по другому кратчайшему пути с вектором опрокидывающего момента силы тяжести Mопр. Эти два действия и определяют основу явления, имя которого — гироскопический эффект.
Пока есть вращение (ωотн≠0), волчок обладает кинетическим моментом H, который обеспечивает существование гироскопического момента Mгир, который в свою очередь компенсирует действие момента силы тяжести Mопр, который и породил возникновение гироскопического момента Mгир…
Такая вот история о «доме, который построил Джек», только круг – замкнутый, и существует он пока «крутится волчок – забава детства»!
Заложил основы теории волчка Леонард Эйлер (Россия), решив задачу для волчка с центром тяжести в точке опоры. Развил теорию Жозеф Луи Лагранж (Франция), решив задачу с волчком у которого центр тяжести находится на оси вращения, но не в точке опоры. Наиболее далеко в решении вопроса о теории волчка продвинулась Софья Васильевна Ковалевская (Россия), которая решила задачу для волчка с центром тяжести не лежащем на оси вращения.
…А, может быть, вращение волчка происходит совершенно по иным причинам, а не по изложенной выше теории, о которой поведал миру Лагранж? Может быть, эта модель и описывает «правильно» процесс, но физическая сущность в другом? Как знать…, но математического решения задачи в общем виде до сих пор нет, и крутящийся волчок еще не раскрыл человечеству абсолютно все свои секреты.
С интересом прочту Ваши комментарии, уважаемые читатели!
Статьи с близкой тематикой
Отзывы
30 комментариев на «Почему не падает крутящийся волчок?»
Ваш отзыв
Александр Васильевич. Прочел Вашу статью про волчок. Очень понравилась. ? Потому что текст написан просто классно. Ничего лишнего, все верно по-существу и в литературном плане. Такие тексты нынче большая редкость. Они показывают, насколько сам автор знает проблему. Тут все в наличии, спасибо.
Спасибо! Интересно.
Здравствуйте, Александр Васильевич! Интересно, а если у волчка одна сторона явно тяжелей другой, он будет удерживать равновесие при вращении? Наверное нет. На мой взгляд убедительней объяснение уравновешиванием центробежных сил в противоположных точках тела волчка.
И еще добавлю. Если Вы интересовались торнадо, то в каком-нибудь выпуске расскажите Ваше мнение о его природе.
Спасибо.
Александр Васильевич, вы похожи на человека который доказывает чушь в которую и сам не верит...вы б ещё больше понаписали формул и законов из нашей ущербной и несовершенной теор. механики... Вы никогда не слышали о теряющем весе теле, вращающимся вокруг оси в вакууме??? Или о теории эфира, незаслуженно отвергнутую???
«Чушь... ущербная теор. механика... теряющем весе...»
Знаете, Михаил, ТЕОРИЯ, подтвержденная ЭКСПЕРИМЕНТОМ — вот основа физики и сопутствующих наук. Все остальное — средневековая безграмотная болтовня.
Чем массивнее волчок и чем быстрее он вращается, тем упорнее противодействует он опрокидыванию.
Смотри :-
phys.bspu.by/static/um/phys/meh/1mehanika/pos/glava06/6_11.pdf
Мехмат 2 курс.Теор. механика 2 семестра.Читается на соответствующих специальностях по всей Российской федерации.
ASY-Lviv
Человечество тупо игнорирует участие пространства во всех видах движения и силового взаимодействия. Гироскоп обладает силой сцепления с пространством и тем отслеживает ось раскрутки. Игрушка Paverbol требует силача для раскрутки центрального гироскопа до 17 000 оборотов. Пространство ждёт приглашение, иначе фокусы Природы не понять!
(yssy.narod.ru)
Автору было бы полезно ознакомиться с теорией волчка Лагранжа, которая изложена в любом приличном учебнике по теормеху
Wrobel, обязательно воспользуюсь Вашим советом. 30 лет прошло с момента моего знакомства с темой... Может, Лагранж написал за это время что-то новенькое...
А если — серьезно, то изложенное видение процесса описал именно Лагранж.
Напишите свое видение процесса. Я его добавлю со ссылкой на Вас.
Не физика,ни теор.мех, не могут объяснить многого в природе и даже в квантовой фихике. Все эти формулы выведены эмпирически, испальня уровень наших знаций на данном этапе. Тот же самый волчек-велосипед. Или мотоцикл. Но стоит водителю его покинуть он падает. Конечно, нет подходящих условий,т.е. абсолютно ровной поверхности и многое другое. Но объяснений даже имперических-нет. Может ответ в другом. Но мы, со своими знаниями,до него ещё не доросли,и пока не пытаемся.
Чудесно. Наконец есть общее резюмэ, что полного решения ещё нет. А я удивляюсь, что ничего не могу найти толком. Даже нигде не вычислили силу, которой волчок противодействует исходя из его момента. Можно получить только момент. А мне надо угол, который установится под воздействием момента.
В 8 пункте падение неподвижного волчка происходит разве относительно x? x0?
Именно вокруг оси x!!!
Прочтите внимательно весь пункт 8.
Александр Васильевич, Вы пишете, что
«математического решения задачи в общем виде до сих пор нет». Скажите, пожалуйста, это Ваше личное или общепринятое в науке мнение? Или на эту тему существует дискуссия?
С уважением,
Соломон
Соломон, это — не мое мнение. Общепринятое оно или нет — не знаю. Время не стоит на месте...
Речь идет о математическом решении задачи вращения любого твердого тела в ОБЩЕМ ВИДЕ не зависимо от расположения в пространстве оси вращения, точки опоры и центра тяжести.
Спасибо.
Еще хочу заметить, что, если наклонный волчек удерживается благодаря вращению, то в вертикальном положении он не должен был бы отклоняться вовсе.
А можно ли здесь указать интернет-ссылку?
О какой ссылке Вы спрашиваете?
Ссылки со временем имеют тенденцию становиться «битыми», поэтому можете указать текст ссылки, который скопировав в браузер можно использовать для перехода.
Спасибо.
Предлагаю посмотреть следующую статью:
lib.izdatelstwo.com/Papers2/SpinningTop.pdf
Вопрос о том, почему волчок не падает, возникает постоянно несмотря на то, что существует обоснованная теория функционирования волчка. Вопрошающий интуитивно чувствует, что первоначальный толчок не может дать ту энергию, которая нужна для долгого и энергичного вращения. Вопрошающий интуитивно чувствует, что должна быть реальная сила, удерживающая волчок от падения. А теория объясняет, почему он крутится, и непроизнесенный ответ звучит как «не падает, потому что крутится».
Предлагаются ответы на эти вопросы. Критика приветствуется.
Соломон Ицкович, спасибо за ссылку.
Чтобы ответить хоть что-то — нужно время на детальное ознакомление с Вашими работами. Чтобы сказать что-то дельное — требуется еще больше времени...
А что думают по теме Ваших выводов эксперты из Академий наук РФ, Израиля, США?
Александр Васильевич, спасибо за внимание.
Эксперты из Академий наук РФ, Израиля, США меня в упор не видят, ибо я не из этой касты. Я — технарь.
А время тратить не надо. Если сразу не возникает возмущение, то и ладно.
Соломон Ицкович, какое может возникнуть возмущение от того во что не вник и не разобрался с доводами?.. Хочу в выходные попробовать изучить Ваши математические выкладки.
С возрастом всё чаще восхищаюсь скоростью, уровнем и культурой коммуникаций ученых 18-19 веков на фоне сегодняшних интернет-возможностей, но при полной «кастовой глухоте».
Это — да!
Александр Васильевич,
я обнаружил ошибку, по ссылке файл заменен.
Александр Васильевич,
я снова заменил файл!
Александр Васильевич,
я перепроверяю себя и должен еще кое-что исправить.
Извините.
Александр Васильевич,
файл по ссылке заменен:
lib.izdatelstwo.com/Papers2/SpinningTop.pdf
Здесь решение аналогичной задачи для диска Эйлера:
lib.izdatelstwo.com/Papers2/DNAEuler.pdf