Фундамент гироскопа
© Ерашов В.М.
Есть глобальный закон Природы:
Момент количества движения в изолированной системе - величина постоянная.
Чтобы получить вращательное движение в принципе, в простейшем случае нужны статор и ротор. Статор – это физическое устройство раскручивающее ротор, а ротор – это деталь (или агрегат), способная вращаться относительно общей оси, то есть статора. Есть много способов раскрутить ротор через механическую, электрическую или какую-то иную энергию. Для данной статьи достаточно того, что статор способен раскрутить ротор, каким способом – совершенно неважно.
Обязательно нужно отметить, что при любой раскрутке вращение приобретает не только ротор, но и статор, причем статор и ротор обязаны вращаться в противоположных направлениях ибо момент количества движения в изолированной системе величина постоянная. Вращение статора путем увеличения массы можно замедлить до каких-то очень малых приделов. Например, в земных условиях статор крепим к Земле и делаем его как бы неподвижным, но по большому счету при раскрутке ротора и статор вместе с Землей получает вращение, только очень медленное, незаметное глазу. Принципиально, момент количества движения при раскрутке ротора (гироскопа) всея Земли остается постоянным.
Как правило, статор и ротор всегда находятся на одной оси. Можно получить систему, когда ось, как спица, может быть выдернута, и тогда статор и ротор потеряют механическую связь. Ротор в этом варианте приобретет неограниченную степень свободы. А так как ничего нам не мешает ротор назвать гироскопом, то, выдернув ось-спицу, мы получаем ротор-гироскоп с тремя степенями свободы. В жизни на ротор-гироскоп всегда действует сила притяжения Земли, а по сему для нейтрализации этого воздействия нужно применять определенные конструктивные решения, иначе гироскоп столкнется с Землей и погасит вращение. Не будем лезть в дебри конструктивного оформления гироскопов, достаточно предположения, что ротор –гироскоп способен длительно вращаться без столкновения с Землей.
Далее с нашим вращающимся ротором-гироскопом проведем следующий эксперимент, приложим некую силу к оси вращения с надеждой ось ротора повернуть относительно оси статора. Напоминаем, общая ось-спица статора и ротора предположительно выдернута, то есть, механических препятствий для поворота нет. Но вот незадача, ротор отказывается быть послушным, он не поворачивается туда, куда мы его стремимся повернуть. Что за мистика?
Мистика – не мистика, но поворот, пусть даже вынужденный, оси вращающегося ротора, относительно оси статора ведет к нарушению закона сохранения момента количества движения системы статор-ротор, а если статор закреплен к Земле, то системы статор-Земля – ротор. Этого по определению произойти не может, ибо за всю практику человечества не зафиксировано ни одного случая нарушения законов сохранения, в том числе и закона сохранения момента количества движения изолированной системы. Система статор-Земля – ротор по законам любого жанра может считаться изолированной, это и доказывать совершенно излишне.
И так, вращающийся ротор-гироскоп, не может откликаться на наше воздействие так, как откликнулся бы неподвижный ротор(без вращения), препятствует закон сохранения момента количества движения. Но и проигнорировать наше воздействие ротор не может, это бы нарушило второй закон Ньютона. Природа нашла гениальное решение, ротор откликается на наше воздействие, но только оригинальным образом, он начинает прецессировать относительно первоначального положения оси.
Таким образом мы выяснили, что свойство ротора-гироскопа под действием внешней силы прецессировать диктует ему закон сохранения момента количества движения изолированной системы.
А есть ли практическая польза от открытого нами механизма воздействия законов сохранения на свойства гироскопов?
Несомненно есть, и очень даже неожиданная. Дело в том, ч то в науке до сих пор ведется дискуссия, относительно чего ось гироскопа стремится сохранить свое положение. Большинство ученых полагает, что относительно звезд.
В случае, когда ось ротора-статора до раскрутки была неподвижна относительно звезд, то есть гироскоп находился в инерционной системе координат, то, естественно, такой гироскоп (ось гироскопа) и после раскрутки останется неподвижным относительно звезд.
Но если гироскоп до раскрутки был неподвижен относительно неинерциальной системы отсчета, а ось гироскопа циркулировала относительно звезд, то и после раскрутки все останется как было, то есть ось гироскопа будет неподвижна относительно неинерциальной системы отсчета и будет циркулировать с прежней скоростью (линейной и угловой) относительно звезд (инерциальной системы отсчета).
Типичной неинерциальной системой отсчета является поверхность Земли. Следовательно, любой ротор-гироскоп, находившийся неподвижно относительно Земли до раскрутки, останется неподвижным (разговор про ось), неподвижным и после раскрутки, относительно звезд он продолжит движение с прежними характеристиками.
Гироскоп, установленный на самолете, будет сам по себе держать линию горизонта, потому как его ось вращения всегда будет устремлена к центру Земли (если до раскрутки она смотрела в этот центр), это природное свойство гироскопа, как мы выше выяснили, вызванное законом сохранения момента количества движения системы. А там всякие дополнительные премудрости современных гироскопов – этого лишь возможность улучшить работу гироскопа при различных экстремальных воздействиях.
Итог данной работы – это возможность сформулировать универсальный закон поведения гироскопов:
Раскрутка гироскопа меняет энергию и законы движения гироскопа относительно оси раскрутки, но не влияет никоим образом на иные характеристики гироскопа, в том числе и на его линейное и угловое движение относительно других осей координат.
Отдельно отметим:
На ось вращающихся тел в идеале не действуют никакие дополнительные силы, связанные с раскруткой. Центробежная сила при раскрутке ротора обязательно возникает, но при идеальной балансировке ротора она является для ротора внутренней и на ось вращения не действует.