Идея написать эту статью возникла совершенно случайно. Мы с сыном посмотрели фильм Кристофера Нолана «Начало». Не могу сказать, что я фанат этого фильма, по своей идее погружений с одного уровня действительности в другой он мне напомнил книгу «Рукопись найденная в Сарагосе» (фильм тоже по ней есть), но сыну понравился. После просмотра он залез в ящик со старыми игрушками и долго в нем рылся, пока не откопал два волчка. Один из них очень похож на тот, что был в фильме. Запустив несколько раз, он стал спрашивать почему волчок вращается и не падает. Я люблю объяснять наглядно. Это возможно не всегда правильно с научной точки зрения, но гораздо интереснее и лучше для понимания. Поэтому мы отправились в мастерскую, где провели несколько опытов.
Ребенку сложно понять «на пальцах», что такое центр масс, оси вращения и т.п. На счет инерции он уже был знаком. Поэтому я начал с показа простого опыта. Для этого понадобился фанерный круг и заостренная палочка.
Опыты мы обычно проводим по собственной методике – почти весь реквизит изготавливает сын сам. Это дополнительный стимул работать руками и возможность узнать что-то новое. На этот раз нам нужно было просверлить отверстие в центре круга. Если вырезать круг «коронкой», то центр будет автоматически, но у меня круги были целые. Мы использовали самодельный «искатель центра» - инструмент новый для сына.
С помощью него можно нарисовать линию, проходящую через центр круга, а если сделать этих линий 2-3 под разными углами, то их пересечение и будет центром. Далее замеряем штангенциркулем диаметр палочки (с этим инструментом он был уже знаком) и сверлим нужным сверлом отверстие. Вставляем палочку острием вниз и наш простой волчок готов.
Вроде всё просто. На мой вопрос «почему крутится?» я услышал, что диск круглый, палочка острая и вращение быстрое. В какой-то степени он был прав. Если палочка будет тупой, то за счет трения волчок быстро остановится, значит с трением нужно бороться. Если не будет быстро вращаться – не удержит равновесие и упадет, т.е. важна инерция при вращении.
Однако не всё так просто. Я просверлил рядом еще одно отверстие и переставил туда палочку. Волчек вращаться перестал. Острие тоже, скорость вращения задается на старте похожая, а не работает. Тут появляется понятие центра масс.
Я закрепил шило перпендикулярно вертикальной доске. На него повесил круг за центральное отверстие. Круг можно вращать и он остается в покое, т.е. он сбалансирован. Теперь перевешиваем круг на смещенное отверстие. Он всегда проворачивается вниз точно противоположной стороной от смещенного отверстия – баланс нарушился.
Мы высверлили несколько отверстий, чтобы сбалансировать круг снова относительно нового отверстия. Этого оказалось мало и пришлось добавить дополнительный груз с противоположной стороны. Конечно, такая балансировка очень примитивна и не точна, но у нас получилось уравнять стороны относительно оси вращения.
Волчек снова заработал. Так мы узнали, что для устойчивой работы волчка нужно, чтобы центр масс был в точке оси вращения.
Еще одним примером правильного расчета центра масс является волчок, который в 1986 изобрел японский профессор Такао Сакаи. Он сделан из обычной скрепки.
Уникальность этого изобретения, что волчок легко собирается, но при этом есть у него одна особенность – угол отсутствующего сектора должен быть равен в идеале 53.13 градусов. Почему именно такой – есть целые математические объяснения. Я не стану их приводить, так как опыты рассчитаны на детей. Для наглядности я взял большую канцелярскую скрепку, но она имеет более жесткий металл. Получилось несколько кривобоко, но опыт удался.
Причем волчок крутится долго, если ось вращения строго перпендикулярна кругу и ее половинки максимально соосны.
Волчок профессора Сакаи был интересен, но он очень легкий и мы решили сделать тяжелый волчок. Для этого выточили его из ореха диаметром около 10 см.
За счет веса его сложнее раскрутить, но потом он хорошо стабилизируется и вращается очень долго.
Нам понравилось экспериментировать с волчками. Следующим этапом была сборка волчка Томсона, который еще называют Китайский волчок. Его конструкция представляет шар со срезанной крышкой и установленной осью вращения. Главной особенностью такого волчка является форма, когда центр масс смещен ниже геометрического цента шара. По сути это похоже на неваляшку. Как не оттягивай его от вертикального положения, он возвращается обратно. Для сборки мы использовали деревянный шарик и цилиндрическую палочку.
Я немного вырезал внутри шара углубление, чтобы эффект неваляшки был лучше.
После запуска такого волчка он быстро переворачивается на ручку и продолжает вращение на ней. Это забавное зрелище.
Правда волчок не всегда срабатывает с первого раза и желательно запускать на вогнутой поверхности. Иначе волчок норовит постоянно «убегать» со стола.
На этом эксперименты были завершены и мы решили поискать интересные факты.
Волчки популярны во всем мире. На их основе делается детская игрушка "Юла". Почти у всех детей она была. В Нидерландах даже установлен ей памятник.
Многие считаю волчок примитивной игрушкой, рассчитанной на маленьких детей. Однако это не так. В Японии существует популярная игра Бэигома.
В неё играют на слегка провисшей ткани, натянутой на круглую емкость. Суть игры запустить свой волчок, чтобы он выбил остальные. Все просто, но для достижения победы игроки выдумывают различные конструкции волчка и оттачивают технику его запуска. Эту игру любят не только дети, но и взрослые самых разных возрастов.
Вы скажете, что Япония страна хоть и удивительная, но их культуру понять сложно. Тогда вот вам еще один пример. На фото Вольфганг Паули (слева) и Нильс Бор (справа). Оба лауреата Нобелевской премии по физике (1945 В.Паули и 1922 Н.Бор). И что как вы видите они делают? Конечно, с увлечением крутят волчок Томсона!
Если вы заинтересовались статьей, нажмите "палец вверх".
Чтобы проще находить мои статьи, подпишитесь на канал.
Все вопросы и замечания пишите в комментариях.