Еще про ракеты – гироскоп!
Я начал про ракеты. Помимо системы считывания сигнала и управления в ракете есть важнейший элемент, который позволяет получаемый о координатах или скорости сигнал сравнивать с «нужным», для чего надо определять свое местоположение. Это гироскоп. Да что там ракета! Вот геймеры вертят и трясут айпады при игре, и самолеты и вояки на экране послушно изменяют курс. Откуда айпад знает, что мы его наклонили? Алиса подсказывает?
Гироскоп изобрел Иоанн Боненбергер, но впервые как прибор для определения направления в пространстве его использовал великий Фуко, тот самый Фуко, который с помощью обычного маятника доказал, что Земля вертится. ( Что касается маятника. Фуко подвесил на длинной-предлинной веревке тяжелую гирю, раскачал и стал смотреть – через некоторое время маятник стал поворачиваться сам собой! Изменять направление качки! Ну, как там у карикатуриста Жан Эффеля, моя любимая картинка – Ангелочек в раю (книжка «Юность Адама», одни картинки, ужасно смешная) отмечает на дереве, насколько подрос Адам – и оказывается, что черточки становятся все ниже. А умный Боженька говорит: «Это не Адам уменьшается – это дерево растет». Я эту фразу часто в жизни использую, когда вижу, что путают причину и следствие).
Так вот, Жан Бернал Леон Фуко понял значимость этого прибора: если раскрутить тяжелый шар, закрепленный в «кардановом подвесе», то есть системе подшипников, и раскрутить со всей дури, то шар начнет «сопротивляться» попыткам сбить его с пути праведного, и будет сохранять положение своей оси вращения, как сказано в одном уважаемом источнике «относительно далеких звезд».
Ну то есть как бы мы не вертели «карданов подвес», основная идея которого – там нет жестких соединений с вращающимся посередке шаром (или диском), все на подшипниках, поэтому если шар (диск) не «захочет» поворачиваться – то и не будет.
Ну, а вот ПОЧЕМУ гироскоп при вращении сохраняет направление оси в пространстве – это товарищи ученые даже не мычат и не блеют. Просто молчат. Посчитать, что куда и как повернется, с какой скоростью и массой вращать, куда давить, чтобы повернулся – это могут. А почему гироскоп в принципе сохраняет направление оси в пространстве – по-моему, просто не знают. Возникает вот гироскопический эффект и все тут.
Мы все сталкивались с этим эффектом в другом простейшем приборе – велосипеде. Все знают, на очень медленной скорости велосипед неустойчив. А когда колеса быстро вертятся, то даже боковой удар не всегда сбивает его с курса. (Уж я-то знаю, мы в детстве на даче придумали игру «велосипедные бои» - задача была на большой площадке сбить как можно больше противников. Каждый за себя, банда на велосипедах – таранить можно, руками хватать нельзя. Ахрененно развивает умение маневрировать на велике. Так вот, лучший прием – обгоняя соперника параллельно ему вильнуть и ударить задним колесом по его переднему – ну это на всякий случай, вдруг кому пригодится). Велики чинили сами, восьмерки выпрямляли – только в путь. Весело было. Другой вариант гироскопа – волчок. Все видели. Не падает, если раскрутить! Если по вращающемуся волчку слегка стукнуть, его штырек начинает одновременно вращаться по кругу (прецессировать) и мелко дрожать (нутировать). В свое время, узнав эти термины, я придумал фразу «…и медленно прецессируя он удалился…» - и она мне очень нравилась. Наша Земля, поскольку вращается как волчок, тоже прецессирует и нутирует. За счет прецессии (медленного вращения оси с углом примерно 23 градуса) наша Земля описывает осью конус один раз за 26 тысяч лет, и другие звезды становятся «полярными» - ну а нутации влияют на много разной фигни, что происходит на Земле – от землетрясений и цунами до направлений ветра, и эти «дрожания» тоже имеют период примерно в 19 лет.
Но я отвлекся.
Так вот, гироскоп – важнейший элемент почти любого современного инструмента, потому что любой современный инструмент так или иначе должен или уметь определять свое положение в пространстве, либо определять свои координаты. И, конечно, ему могут эти координаты передать со спутника – ну а спутник-то как определяет, где он летит?
Что придумали ученые, доценты с кандидатами. Если у нас есть такая замысловатая штуковина, которая может, вися в кардановом подвесе, все время «смотреть» в одну и ту же точку своей осью вращения, то давайте, поставим такой прибор в ракету, подводную лодку, другой движущийся объект. Раскрутим от души и будем поддерживать вращение. Теперь, куда бы ни поплыла лодка, куда бы ни полетела ракета, как бы они не вертелись в полете, не болтало их штормами, есть наш гироскоп, который всегда, скажем, будет «смотреть» на Полярную Звезду. Это позволяет всегда, зная нашу скорость и ее изменения (для этого есть другой прибор, акселерометр), посчитать, где мы находимся!
Это офигенски важно, если вы не хотите налететь на коралловый риф, или не попасть по своему союзнику вместо врага ракетой.
Кстати о журналюгах – я немного понимаю товарища Рейтмана, который их недолюбливает. Читал я одну статейку про пирамиды, гироскопы и их якобы воздействие на пространство и сознание, дочитал до слов: «гироскоп в самолете – это массивный вращающийся груз…» - стошнило и перестал читать дальше.
Гироскоп в самолете или ракете, во-первых, уже давно может работать и на других принципах – со времен Фуко придумали и колебательные, и световые, и т.д. гироскопы, но не будем все перечислять. А во-вторых, те гироскопы, которые я лично видел в ракетах – это ООООЧЕНЬ тонкие «стаканчики», почти невесомые, раскрученные до умопомрачительных скоростей (скажем, порядка несколько десятков тысяч оборотов в минуту!). Ведь требования к нему очень высоки – он должен в течение всего полета (заплыва) сохранять направление с точностью нескольких угловых секунд, а угловая секунда, на минуточку (скаламбуркнул), это примерно 1 поделить на 1 296 000 – чуть больше одной миллионной доли круга!
Понятно, что тут тяжелым диском или шаром, который использовал Фуко, не обойтись, и ученые проделали колоссальную работу для создания современных гироскопов. Знаю не понаслышке, поскольку папа занимался одно время секретными разработками гироскопов на основе жидкой ртути. Берется железный стакан, туда наливается ртуть, стакан завинчивается сверху – получается закрытый цилиндр, внутри заполненный ртутью. Ртуть внутри раскручивается, а снаружи не видно. И если взять такой «стакан» в руки, он вдруг начинает «беситься», потому что мы прикладываем к нему снаружи определенную силу – а он старается сохранить положение в пространстве, и тут возникают разные эффекты, моменты, крутящие и вертящие (кориолисовы) – и стакан буквально начинает «колбасить», его невозможно удержать в руках. Они, товарищи военные, так шутили надо новичками. Но ртуть раскручивали не очень быстро, потому что если раскрутить очень быстро, то колбасить начнет не-по-децки и может просто убить летающим по комнате тяжеленным цилиндром с тяжеленной ртутью.
Я, зная про такую шутку, понимал, что если гироскоп «сорвет» с осей при полной раскрутке, он производит эффект разорвавшейся гранаты – и спросил в Бауманке, когда мы проходили лабы по гироскопам препода, были ли такие случаи? Он помолчал, потом задумчиво сказал: да, было дело. Ночью оставленный гироскоп сорвался с осей… - И что? – нетерпеливо спросил пытливый я. – Разгромил всю лабораторию, пробил стену и улетел в другое помещение. Там успокоился…
Итак, маятник, велосипед, гироскоп, волчок – все эти «приборы» так или иначе связаны с удивительным явлением, которое есть в нашем мире – при вращении (а маятник ведь тоже как бы вращается вокруг точки подвеса) – сохранять направление движения.
Кстати, мало кто знает, что «быстрота» качания маятника зависит только от длины веревки, на котрой он висит. Больше ни от чего. Не буду приводить формулу, но если вам надо отмерять секунды, а под рукой нет секундомера, возьмите веревку длиной 30 см, подвесьте тяжеленькое что-нибудь и раскачайте. Будет качаться с периодом почти точно секунда. Галилей не знал этого и измерял время по пульсу.
Но пытливый читатель спросит – неужели в айпадах и мобилах тоже стоят вращающиеся гироскопы, чтобы они понимали, когда их вертят? Нет, конечно. Гироскопы и акселерометры, которые внутри наших приборов, придумал встраивать туда Стив Джобс, насколько я знаю. Он прочитал шикарную лекцию про гироскопы, их устройство и пользу для прибора. Но встроить движок, вращающуюся фигню и т.д. в мобилу или айпад, конечно, сложновато, поэтому гироскоп работает там на других принципах. Есть такие кристаллы, которые реагируют на нажатие, тряску и т.д. При этом они вырабатывают ток. Поэтому можно положить микроскопический кристаллик, присоединить к нему проводки, и по току (я немного упрощаю, конечно, но по сути так и есть) узнавать, смещали ли прибор, поворачивали ли, и насколько.
Акселерометр – это прибор, который измеряет ускорение. Если его поставить в машине, то когда мы просто едем, не топим на газ и не тормозим «в пол», акселерометр будет «молчать», но будет реагировать на любое ИЗМЕНЕНИЕ скорости. Это тоже очень полезно. Простейший акселерометр может сделать любой на кухне. Возьмите картонную трубку из-под каких-нибудь чипсов, посередине круглых крышек с обоих сторон прицепите длинную пружинку (от двери, хихи), а в середине пружинки подвесьте гирьку. Теперь, если коробка будет в покое или двигаться без ускорения – гирька будет висеть в серединке и не дергаться. А вот если резко коробку вдоль оси дернуть вперед или назад, или равномерно двигать, а потом остановить – всем понятно, что гирька дернется внутри к той или иной крышке, сжимая пружинку с одной стороны и растягивая с другой. Все. По движению гирьки мы можем судить о том, есть ли ускорение или нет!
Если вы думаете, что я тут много понаписал, дык таки нет! Как вам, например, такая идея: наливаем ртуть (это жидкий металл, значит, проводит ток – и опасен для здоровья очень) в шарик, внутрь шарика. По стенке шарика датчики очень маленькие (проводки, например, в стенку вмонтированы и выходят наружу к измерительному прибору. Ртути наливаем половинку шарика. Теперь где ртуть покрывает контакты, есть ток, а где ртути нет – нет тока. Повернем шарик. Ртуть «отступит» от одной стороны, которая приподнимется вверх, и «зальет» другую сторону, которая опустится. Значит, одни контакты разъединятся, а другие соединятся – и измеряя ток, можно понять, куда и как вертят шарик! В общем, можно часами рассказывать про то, как хитрые ученые измеряют положение, скорость и ускорение объектов в пространстве – но надо и совесть иметь. Поэтому Шахерезада прекращает дозволенные речи… до следующих лекций.