Игрушка волчок — небольшая безделушка для детской забавы. Смотришь – ничего особенного. Шар со срезанной верхушкой и стержень в центре среза, напоминает гриб с круглой шляпкой. Однако эта игрушка стала объектом серьезных научных исследований в области физики. Такие знаменитости, как Оге Нильс Бор, Вольфганг Паули, Яков Смородинский, Анатолий Черняев изучали необычное «поведение» этого удивительного волчка. На первый взгляд при его вращении нарушаются основные законы физики.
Если взять за стержень и с силой закрутить, он начинает вращаться как обычная юла. Но через несколько секунд совершается чудо. Вертун кувыркается, переворачиваясь вверх тормашками, и продолжает крутиться на своей тоненькой ножке, причем в ту же сторону, куда его закрутили.
Приходит мысль о каком-то замысловатом устройстве этой игрушки. Хитрость тут небольшая, но она долго держалась в секрете. Об этом говорит тот факт, что патент на изобретение волчка выдавался дважды. Впервые в 1891 году. Но в нем были указаны заведомо неверные пропорции размеров и массы. И только в 1950 году датский инженер Вернер Остберг вновь запатентовал открытие необычного вьюна.
При производстве нижняя округлая часть делается более тяжелой. В состоянии покоя волчок устойчив, не падает набок. Наподобие неваляшки. Центр тяжести находится чуть ниже центра сферы, из которой изготовлен.
Что удивило ученых?
1. Какая сила заставляет более массивную часть подняться? Почему не действует закон гравитации Земли?
2. Загадкой является и направление вращения. Если взять карандаш острием вниз и крутить по часовой стрелке непрерывно, то перевернув на 180 градусов (острием вверх) замечаем его вращение против часовой стрелки. Когда предмет вращается все время в одном направлении, при его перевороте наблюдается кручение в обратную сторону. А чудо-вьюн продолжает вертеться в ту же. Значит, на какое-то мгновение, он должен остановиться и начать вращение в обратном направлении. Визуально никто не замечает его остановки. Останавливается ли волчок? И если это так, то когда?
Впервые дал объяснение этого феномена английский физик Уильям Томсон (1824–1907). На основании наблюдений за подобными предметами он создал теорию о вращающихся телах. Поэтому волчок называют его именем.
Кратко изложить суть этой теории невозможно. Достаточно понять, что при вращении материя изменяет свои свойства: изменяется температура, плотность, масса. Совокупность гироскопических сил (центробежной, трения, инерции, притяжения), образуют сложные физические процессы (прецессия, нутация). В результате вращающееся тело поднимается в направлении противоположном силе тяжести.
Из-за необычной конструкции положение тела волчка относительно оси вращения изменяется. Первоначально он закручивается вокруг собственной вертикали, которая является его осью симметрии. Заваливаясь набок, делает один поворот вокруг горизонтали, перпендикулярной предыдущей. В это мгновение полностью отсутствует вращение относительно стержня. А крутящий момент, согласно закону сохранения импульса, действует в заданном изначально направлении. Поэтому перевернувшись на ножку, волчок вновь начинает вращение относительно вертикали в сторону действия силы, увлекаемой его. Наблюдаем круговое движение до и после кувырка в одну сторону.
Вывод: сам волчок полностью не останавливается. При своем парадоксальном кручении он не нарушает законов физики. Более того, по этим законам происходит движение планет во Вселенной, а также движение атомов и электронов. Эффектом волчка объясняется возникновение торнадо, цунами.
Игрушка волчок пришла к нам из глубины веков, задолго до того, как заинтересовался ею Томсон. Родина ее – Китай. Отсюда еще одно название – китайский волчок. Существует мнение, что впервые сделали его из косточки китайской сливы личи. Ножом срезали примерно одну ее треть. В большую часть воткнули короткую палочку.
Как в пещерные времена могли создать такие необыкновенные вещи? Возможно, они являются посланиями погибшей древней цивилизации. И служат подсказкой для понимания законов мировой механики.
Кручение волчка – развлечение полезное не только для детей, но и взрослых. Такие упражнения развивают моторику кистей рук, стимулируют мозговое кровообращение, развивают внимание, воображение, пространственное мышление, терпение и т.д.
