Текст книги "Волчок и применение его свойств"
Автор книги: Александр Краснов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 4 страниц)
Самолет без летчика
Непосвященный, заглянув в кабину управления летящего самолета, мог бы иногда с удивлением, а возможно и с ужасом обнаружить, что штурвал и педали перемещаются сами собой, словно самолетом управляет человек-невидимка. Пилоты же спокойно сидят в креслах. Один, как дома за столом, закусывает, второй безмятежно читает книжку или дремлет.
Секрет такого полета очень прост.
Почти на всех современных пассажирских и транспортных самолетах обязательно имеется автомат управления полетом – автоматический пилот, или автопилот.
Автопилот способен управлять самолетом по «заданию» летчика, подменяя его при взлете, наборе высоты или совершении поворотов и полете по прямой в направлении заданного курса, выполнять виражи и снижение под заданным углом.
При воздушной качке автопилот ведет самолет даже лучше опытного пилота, более плавно, смягчает толчки и броски самолета.
Бывают и такие автопилоты, которые автоматически выводят самолет из любого положения в горизонтальное, если летчик вынужден почему-либо оставить управление.
Можно, наконец, на борту самолета совместно с автопилотом поместить специальную радиоустановку и управлять таким образом полетом самолета с Земли.
Любопытна история создания автопилота.
Желание автоматизировать полет самолетов возникло одновременно с появлением самих же самолетов.
Первую в мире схему автоматического управления дирижаблем разработал наш соотечественник, знаменитый ученый К. Э. Циолковский в 1898 г. Принцип действия этого автоматического устройства чрезвычайно прост.
На дирижабле нужно иметь источник электрического тока, электромотор, для отклонения руля высоты и чувствительный элемент в виде маятника с переключателями цепи электрического тока (рис. 31).
Рис. 31. Схема автоматического управления продольной стабилизации дирижабля, предложенная К. Э. Циолковским.
В случае «ухода» дирижабля из горизонтального полета маятник отклоняется. Переключатель соединяет соответствующие контакты. От источников питания ток проходит в электромотор, приводя его в движение; электромотор через зубчатую передачу перемещает руль высоты в положение, при котором дирижабль возвращается в горизонтальное положение (рис. 31).
Принципиальная схема автоматического управления, разработанная К. Э. Циолковским, состоит из всех основных элементов, которые имеются в современных автопилотах «непрямого» действия. В таких автопилотах чувствительный элемент воздействует на управление не непосредственно, а через специальную машину, приводящую в движение управление дирижаблем или самолетом.
Конструкции подобных автопилотов относятся к группе маятниковых. «Автоматическое» управление на самолетах за рубежом впервые стали применять на десять-пятнадцать лет позже, чем в СССР, причем в качестве чувствительного элемента использовался… сам летчик.
Примерно в 1910–1911 гг. известный энтузиаст воздухоплавания и авиации бразилец Сантос Дюмон и летчик Кертис для облегчения управления полетом прикрепляли на спине к пиджаку хомутик, который имел связь с рычагом управления самолетом. Когда самолет кренился, пилот инстинктивно, стремясь сохранить вертикальное положение, наклонялся в сторону, противоположную крепу. Прикрепленный к спине рычаг управления перемещался так, что самолет выравнивался.
В то время подобную «автоматику» еще можно было применять. Самолет летал со скоростью около восьмидесяти километров в час. В 1910 г. мировой рекорд скорости полета составлял сто девять километров в час.
На современных самолетах, летающих со скоростями звука, использование маятниковых автопилотов невозможно. Поэтому маятниковые автопилоты заменили в настоящее время гироскопическими. Изобретателем такого автопилота считают американца Сперри. Но мы знаем, что создателем первой принципиальной схемы автопилота является все же К. Э. Циолковский.
Современный автопилот самолета состоит из трех самостоятельных механизмов: автомата курса, автомата поперечной устойчивости и автомата продольной стабилизации. В каждом из них управляет движением отдельно установленный гироскоп.
Роторы таких гироскопов, свободно умещающихся на ладони, весом около четырехсот граммов, вращаются со скоростью двенадцати тысяч оборотов в минуту. Их задача – только подать команду мощным механизмам. А они уже выполняют необходимую тяжелую, сложную и ответственную работу по управлению самолетом.
Кратко познакомимся теперь еще с одним свойством гироскопа – способностью устанавливаться по полуденной линии (линии меридиана).
Компас без магнита
Уже много тысяч лет тому назад в древнем Китае знали замечательные свойства магнитной стрелки. Рассказывают, что в 2364 г. до современного летосчисления китайский император Хуанг Ти сумел победить своего соперника Чжи Су, преследуя его в облаках пыли и тумана, руководствуясь указаниями компаса, установленного на каретах в виде художественно исполненной фигуры.
В России рыбаки и землепроходцы издавна пользовались компасом. Давно на Руси знали этот замечательный, незаменимый в тяжелых и опасных путешествиях прибор, уважительно называли его «маткой».
Много столетий и даже тысячелетий магнитный компас действовал «верой и правдой», безотказно, с отменной точностью. Но в современных условиях он оказывается все более непригодным или неточно действующим прибором. На металлических судах, например, магнитный компас не особенно надежен. Большие стальные корпуса и отдельные детали судна, работа электромашин и даже перемещение небольшой металлической массы оказывают вредное влияние, искажая показания компаса.
Болтанка, рысканье, продольные и поперечные крены самолета вызывают резкое снижение точности действия компаса. А именно в это время, как никогда, нужна исключительная точность его показаний.
Мысль о замене магнитного компаса другим, более надежным прибором возникала неоднократно у многих и очень давно.
Л. Фуко уже в 1852 г. теоретически показал возможность создания гироскопа, определяющего направление полуденной линии, линии север – юг, в любой точке Земли, т. е. гирокомпаса.
Чем объясняется такое, казалось бы, странное поведение гироскопа?
Мы уже говорили о том, что земной шар – это гигантский волчок. По правилу же, установленному Л. Фуко, ось гироскопа с двумя степенями свободы на вращающемся основании всегда устанавливается параллельно оси вращения этого основания. При этом направление вращения ротора совпадает с направлением вращения основания.
Значит, находясь с таким гироскопом на экваторе, мы заметим, что ось его установится по линии север – юг, то есть параллельно земной оси, причем направления вращения ротора и Земли совпадают.
В другом месте земного шара, не на экваторе, ось ротора нашего гироскопа будет отклоняться, направляясь одним концом на Полярную звезду. Чем ближе к полюсу, тем выше поднимается ось гироскопа, а непосредственно на полюсе ось его занимает вертикальное положение, что неудобно. Это неудобство вскоре было ликвидировано путем помещения гироскопа в подшипниках, прикрепленных горизонтально к поплавку, находящемуся, например, в сосуде с водой. Этим достигли того, что гироскоп неизменно устанавливался по линии север – юг (рис. 32), т. е. гироскоп использовался как гирокомпас.
Рис. 32. Принципиальная схема гирокомпаса.
Однако история создания гирокомпаса не так проста и легка.
От теоретического предположения Л. Фуко до практического претворения в жизнь его замечательной идеи прошел длительный период исканий и работ многих ученых, изобретателей и конструкторов. Постепенно, шаг за шагом решались отдельные элементы конструкции гирокомпаса.
Одним из серьезных препятствий для применения гироскопа в гирокомпасе было отсутствие источника энергии для вращения ротора с достаточной для этих целей скоростью. Обычно ротор приводили во вращение шнуром, накрученным на его ось. Но таким способом трудно получить достаточно большую скорость и длительность вращения.
Впервые эта проблема была решена в 1865 г., когда в качестве ротора гироскопа использовали якорь электромотора постоянного тока.
Толчком к созданию гирокомпаса для морских судов послужил возникший в 1904 г. проект путешествия к Северному полюсу на подводной лодке. Для нее немецкий доктор Аншютц сконструировал гироскопический прибор, назвав его «азимутальным волчком».
Испытания «азимутального волчка» не дали положительных результатов: изобретатель неверно выбрал тип гироскопа.
Первым наиболее удачным гирокомпасом оказался прибор, созданный немецким специалистом Оскаром Мартинссеном в 1906 г. Однако и Аншютц после своей первой неудачи, отказавшись от «азимутального волчка», создал удовлетворительный для пользования гирокомпас (рис. 33).
Рис. 33. Схема гирокомпаса Аншютца.
Скорость вращения роторов в этом гироскопе достигала двадцати тысяч оборотов в минуту. Такой скорости удалось достичь благодаря электромотору.
После Аншютца значительных успехов достиг американец Элмер А. Сперри, запатентовавший осенью 1909 г. свой гирокомпас. Впоследствии гирокомпасы, успешно применяемые на кораблях, были усовершенствованы. Многое сделали в этом отношении и наши отечественные инженеры, конструкторы.
Несмотря на совершенство гирокомпаса, в авиации его не применяют вследствие большой погрешности при больших скоростях полета, фигурах высшего пилотажа, болтанке. «Хранителем курса» в авиации служат гирополукомпас и гиромагнитный компас. В основе их действия лежит все тот же гироскоп.
Гирополукомпас – довольно удобный и надежный прибор для самолетов. Он может с достаточной степенью точности показывать правильный курс, причем на него не действуют болтанка, рысканье и другие резкие движения самолета. Гирополукомпас обладает лишь одним недостатком: его показания оказываются точными в течение 10–15 минут, после чего их требуется сверять с магнитным компасом и, внеся исправление, вновь уверенно пользоваться в течение указанного срока.
Автоматизация работы по внесению исправлений в гирополукомпас достигнута и в гиромагнитном компасе. Для этого в нем имеется специальное корректирующее магнитное устройство.
Авиагоризонт, гирополукомпас, гиромагнитный компас, указатель поворотов, автопилот – приборы, без которых невозможен слепой полет. Все они прекрасно действуют благодаря быстро вращающемуся ротору гироскопа – волчку.
Можно было бы привести еще много примеров использования замечательного свойства быстро вращающегося гироскопа – сохранять приданное ему направление неизменным. Однако рассказанного достаточно, чтобы представить колоссальную важность и ценность этого замечательного прибора.
Не меньшее значение в технике имеет явление прецессии гироскопа, или так называемый гироскопический эффект. К рассказу о его проявлениях мы и перейдем.
Несколько полезных и вредных неожиданностей
Обратившись к примерам из области техники, нетрудно обнаружить множество загадочных на первый взгляд явлений. Вот некоторые из них.
Уже при первых полетах самолетов было замечено странное явление, послужившее в некоторых случаях причиной аварий и даже катастроф. Самолет при совершении правого виража (поворота вправо) самопроизвольно стремился войти в пикирование. Если же выполнялся левый вираж, то он также самопроизвольно проявлял стремление кабрировать, то есть задирать нос, как бы становясь на дыбы, поворачиваясь вокруг своей поперечной оси.
Не менее загадочными на первых порах оказывались случаи износа и разрушения подшипников корабельных турбин. Металл в подшипниках срабатывался не только в нижней, но и в боковой и даже верхней частях. Иногда подшипники разрушались на ходу корабля и, как правило, в один из ответственных моментов – при развороте либо во время сильной качки.
Известны случаи, когда на автомобиле, мчавшемся по кривой, выходило из строя рулевое управление.
Или еще один любопытный пример. Многие удивляются искусству велосипедиста, едущего, не держась за руль. Он не только смело мчится по прямой, скрестив на груди руки, но и ловко заворачивает и вправо и влево, не касаясь руля.
Приведенные примеры свидетельствуют о наличии некоторых вредных, опасных, трудно объяснимых явлений в технике. Однако нередко встречаются подобные, но полезные явления.
В мельницах для дробления руды основной рабочей деталью является тяжелый диск, так называемый бегунок (рис. 34).
Рис. 34. Общий вид бегунковой мельницы.
Было замечено, что на дробилках, где ведущий вал соединен с диском жестким поводком или через кривошип, подшипники нагревались более сильно и чаще происходил изгиб вала, причем эффективность действия бегунка оказывалась в несколько раз ниже, чем на дробилках, где диск соединен с поводком посредством шарнира. Особенно часто подобные явления наблюдались у одиночного бегунка при жестком креплении поводка.
Не являются ли «загадочные» примеры проявлением гироскопических свойств?
Чтобы ответить на этот вопрос, возьмем гироскоп и приведем его ротор в быстрое вращение. Повесим теперь на его внутреннее кольцо небольшой груз.
Внимательно наблюдая за «поведением» гироскопа, мы вдруг обнаружим, что его ось «уходит» с первоначального направления. При этом нетрудно заметить, что прецессионное движение его происходит по определенному правилу. Если ротор гироскопа вращается по часовой стрелке, как изображено на рисунке 35, то гироскоп «уходит» влево, и, наоборот, если ротор вращается против часовой стрелки, то гироскоп будет «уходить» вправо.
Рис. 35. Прецессия гироскопа с тремя степенями свободы под влиянием постоянной силы.
Так совершает прецессию гироскоп под действием постоянной нагрузки.
Если же нанести сильный, но кратковременный удар по внутреннему кольцу, то прецессия будет происходить несколько иначе. Ось гироскопа в этом случае будет описывать конус, как и обычный волчок (рис. 36).
Рис. 36. Прецессия гироскопа с тремя степенями свободы от кратковременной силы – резкого удара по внутреннему кольцу.
Расположив горизонтально ось быстро вращающегося ротора гироскопа, накинем петлю висящего шнура на продолжение оси ротора (рис. 37).
Рис. 37. Прецессия быстро вращающегося гироскопа, подвешенного на шнурке.
К нашему удивлению, гироскоп сохранит приданное ему положение. Он будет лишь описывать окружность. Быстро вращающееся велосипедное колесо, подвешенное на веревке за удлиненную ось к потолку, станет «вести себя» точно так же, как и гироскоп в только что описанном случае (рис. 38).
Рис. 38. Прецессия быстро вращающегося велосипедного колеса, подвешенного на шнурке.
Возьмем теперь в руки, направив горизонтально, ось велосипедного колеса, быстро вращающегося по часовой стрелке, если смотреть на него со стороны правой руки.
Это нехитрое устройство мы вправе считать ротором гироскопа.
Попытаемся теперь повернуть этот гироскоп так, чтобы поставить его вертикально, левым концом кверху, а правым – книзу. В процессе поворота мы, к удивлению, ощутим, как конец оси, находящийся в левой руке, устремится в горизонтальной плоскости вперед, а в правой – назад (схема А рис. 39).
Рис. 39. Направление сил прецессии, возникающих под влиянием усилий, стремящихся повернуть ротор гироскопа, или ось велосипедного колеса. 1 – прецессионные силы; 2 – сила, прилагаемая к оси колеса, чтобы повернуть его.
Попытавшись теперь повернуть ось нашего гироскопа в горизонтальной плоскости, занося, например, левый конец оси вперед, а правый назад, мы обнаружим, что левый конец ее устремится вниз, а правый – вверх (схема Б рис. 39).
Подобное явление и называют прецессией гироскопа или гироскопическим эффектом. Если вспомнить объяснение причин «поведения» быстро вращающегося волчка, то легко разобраться в описанных явлениях.
Наблюдая за «поведением» велосипедного колеса, нетрудно обнаружить замечательную закономерность: прецессионная сила всегда направлена под прямым углом относительно приложенной силы.
Теперь мы можем уяснить причину возникновения полезных и вредных неожиданностей, описанием которых мы начали этот рассказ.
Быстро вращающийся винт летящего самолета подобен гироскопу. Если он вращается против часовой стрелки, то при левом вираже, то есть когда плоскость вращения винта поворачивается влево, прецессионная сила оказывается направленной вверх. Огромная скорость вращения винта и его большие размеры являются причиной того, что прецессионная сила очень велика. Она и заставляет в этом случае самолет кабрировать, то есть задирать нос, вращаясь вокруг поперечной оси. Самолет, пытающийся совершить правый разворот, увлекается прецессионной силой в пикирование.
Колесо быстро вращающейся паровой турбины на корабле подобно огромному гироскопу. Под влиянием разворота или качки вал турбины увлекает прецессионная сила, вызывающая дополнительные, иногда очень большие усилия, даже разрушающие подшипники. В некоторых случаях прецессионная сила нарушает управление кораблем.
О том, насколько велики усилия, возникающие на валу турбины, свидетельствует гибель английских миноносцев «Вепрь» и «Кобра», на которых впервые были установлены мощные паровые турбины. Предполагают, что причиной гибели послужил именно гироскопический эффект.
Колеса быстро мчащегося велосипеда, мотоцикла, автомобиля подобны быстро вращающимся роторам гироскопа. При наклонах и поворотах колес в них возникают прецессионные силы, под влиянием которых и происходят самопроизвольные развороты или выпрямление положения колес и поломка цапф.
Велосипедист, не держащийся за руль руками при езде, тоже использует явление гироскопического эффекта, возникающего при изменении положения колес. Достаточно велосипедисту наклониться вместе с велосипедом в сторону поворота, чтобы переднее колесо под действием возникающей силы прецессии повернуло в эту же сторону.
В езде на велосипеде, не управляемом руками, искусство состоит в том, чтобы точно рассчитать степень наклона и определить момент выравнивания велосипеда.
На мельницах с бегунковыми дробилками происходит явление, подобное описанному. В том случае, если бегунок жестко закреплен на поводке или через кривошип, прецессионная сила, действуя на вал, изгибает его. В том случае, если бегунок соединен с поводком посредством шарнира, прецессионная сила с большим усилием прижимает бегунок к размельчаемой руде. Получается больший эффект дробления ее. При жестком же креплении эта сила обычно затрачивается на изгиб поводка или нагрев подшипников.
Явления прецессии, явления гироскопического эффекта часто используют для успокоения качки судов, а также для устройства однорельсовых железных дорог.
Борьба с качкой
Качка судов на море – чрезвычайно неприятное и опасное явление.
При очень сильном шторме судно может опрокинуться. Правда, это случается очень редко. Зато палубу часто заливает водой; в частях судна возникают значительные добавочные нагрузки вследствие инерции. Затрудняются всякие работы.
На военных судах качка мешает артиллерийской и торпедной стрельбе. На авианосцах сильно усложняются взлет и посадка самолетов.
Качка снижает скорость хода судна, от чего увеличивается продолжительность рейса, обычно сопровождающаяся перерасходом топлива.
От качки сильно страдают многие пассажиры.
В 1904 г. немецкий инженер О. Шлик разработал и испытал на бывшем минном заградителе «Зеебор», водоизмещением около шестидесяти тонн, гироскопическое устройство для борьбы с качкой – стабилизатор, или успокоитель качки.
Без стабилизаторов наклоны судна при качке достигали сорока градусов. С запуском гироскопического стабилизатора раскачивание судна резко уменьшилось. Оно стало не выше чем один градус. Сильно раскачивался лишь гироскоп.
Схему устройства успокоителя и принцип действия его нетрудно понять, обратившись к рисунку 40 (схема А). Вид успокоителя представлен с кормы.
Рис. 40. Схема действия успокоителя качки на судне.
Большой, тяжелый маховик, являющийся гироскопом, приводится во вращение паровой турбиной или электромотором. Маховик вместе с приводом находится в раме на подшипниках. Рама расположена строго перпендикулярно оси вращения маховика и в спокойном состоянии параллельна поперечному сечению судна. Удерживается она в таком положении при помощи специального груза. Цапфы рамы покоятся в подшипниках на фундаменте, жестко скрепленном с судном. Вращение рамы в цапфах относительно корпуса судна ограничено и, кроме того, тормозится специальными устройствами. Подвеска рамы выполнена с таким расчетом, чтобы ось гироскопа была всегда расположена вертикально.
Предположим, что ротор гироскопа вращается против часовой стрелки, если смотреть на него сверху, с палубы.
В момент удара волны о борт судна, например, слева оно кренится вправо (схема Б рис. 40).
Из опыта с велосипедным колесом нам известно, что под влиянием подобного наклона ось колеса будет стремиться перемещаться под прямым углом к направлению действующей на него силы. Таким образом, верхний конец оси ротора гироскопа-успокоителя в рассматриваемом случае вместе с рамой начнет уходить к носу судна, а нижний – к корме. Под влиянием затормаживания перемещающейся рамы в цапфах возникает добавочное сопротивление. Поэтому на корпус судна действуют усилия, направленные в сторону, противоположную наклону корабля под влиянием волны (схема В рис. 40).
Такова схема действия пассивного успокоителя качки О. Шлика.
Этот успокоитель был установлен и на других, более тяжелых судах. Работал он вполне удовлетворительно. Однако из-за своей сложности пассивный стабилизатор не приобрел распространения.
Внеся некоторые изменения в конструкцию успокоителя, американец Э. Сперри создал так называемый активный успокоитель, при помощи которого можно было активно воздействовать на судно, не только успокаивая, но и увеличивая качку. Последнее обстоятельство очень важно, например, для ледокола, проходящего через ледяные поля, где специальное раскачивание может облегчить разрушение льда.
Усовершенствование Сперри состоит в том, что движение основного гироскопа происходит под действием специальных двигателей, которые в свою очередь управляются автоматически действующим гироскопом. Однако принцип действия активного успокоителя такой же, как и пассивного.
Активный успокоитель оказался более компактным и менее сложным в эксплуатации, чем пассивный. Это позволило применять его не только на малых, но и больших судах.
Активные успокоители устанавливали на ряде военных судов, например на японском крейсере водоизмещением тринадцать тысяч тонн, на итальянском линейном корабле водоизмещением двадцать тысяч тонн, на японском пассажирском пароходе водоизмещением свыше пятнадцати тысяч тонн и на итальянском пароходе «Де Конте ди Савойя» водоизмещением в сорок пять тысяч тонн. Применяют активные успокоители на многих судах и теперь.
Над созданием гироскопического успокоителя судов работали многие. В дореволюционной России государственные деятели не обращали внимания на практическое использование гироскопа. Академик А. Н. Крылов в своих воспоминаниях писал, например: «Если бы Морское министерство не пожалело ассигновать 90 000 рублей на установку и испытания гироскопа-успокоителя на яхте „Стрела“, мы были бы в том деле впереди Сперри».
