В предыдущей статье я писал про эффект Джанибекова и как может произойти "куворок" Земли. Данную теорию доказывает еще один опыт Томсана.
Китайский волчок (волчок Томсона) - это игрушка, по форме напоминающая усеченный шар, по центру среза которого расположена ось. Если этот волчок сильно раскрутить, установив его на ровной поверхности, то можно наблюдать эффект, казалось бы, нарушающий законы физики. Ускоряясь, волчок, вопреки всем ожиданиям, опрокидывается набок и продолжает переворачиваться дальше, пока не встанет на ось, на которой будет затем продолжать вращаться. Это очевидное нарушение законов классической механики. Переворачиваясь, волчок совершает работу по подъёму своего центра масс.
"Какая физическая причина такого поведения волчка?" - вот вопрос, который интересовал даже самых маститых учёных 20 века.
Все попытки дать математическое обоснование на основе законов классической механики не были достаточно убедительными. Приходилось объяснять движение волчка с помощью разных дополнительных предположений о влиянии трения.
Однако, всё, оказывается, проще - волчок переворачивается под действием тех же сил, что и "гайка Джанибекова". Трение не вызывает переворот! Оно может лишь замедлять вращение, постепенно забирая энергию у волчка.
На орбите Земли и на её поверхности физические законы одни и те же. Разница лишь в том, что на поверхности Земли действует ещё и заметная сила притяжения. Надолго в воздухе не зависнешь... Поэтому волчок Томсона не мог показать то, что показала "гайка Джанибекова" - он переворачивался всего один-два раза, затем терял силу своего вращения и останавливался. Но именно эта игрушка заставляла учёных искать причины своего странного движения. И когда был обнаружен "эффект Джанибекова", про китайский волчок вспомнили и увидели, что эти явления очень похожи.
Возьмём и мы модель китайского волчка, и попробуем найти объяснение "эффекту Джанибекова".
Жёлтая точка - центр масс.
Красная линия - ось вращения волчка.
Синяя линия обозначает плоскость, перпендикулярную оси вращения волчка и проходящую через центр масс. Эта плоскость разделяет волчок на две половины -сферическую (нижнюю) и срезанную (верхнюю).
Назовём эту плоскость - ПЦМ (плоскость центра масс).
Светло-голубые кружки - символическое обозначение кинетической энергии вращения. Верхний кружок - энергия накопленного момента инерции той половины волчка, которая расположена выше ПЦМ. Нижний кружок - энергия той половины, которая расположена ниже ПЦМ. Автор провёл грубую количественную оценку разницы в кинетической энергии верхней и нижней половинок волчка Томсона (в варианте пластмассовой игрушки) - получилось около 3%.
Почему они разные? Это связано с тем, что форма двух половинок - разная, соответственно, и моменты инерции будут разными. Мы учитываем, что материал игрушки - однородный, поэтому момент инерции зависит только от формы объекта и направления оси вращения.
Итак, что мы видим на представленной выше схеме?
Мы видим некоторую энергетическую асимметрию относительно центра масс. Энергетическая "гантель" с разными по мощности "грузиками" на концах (на схеме - светло-голубые кружки) явно будет создавать некоторую НЕСБАЛАНСИРОВАННОСТЬ.
Но природа не терпит дисгармонии! Асимметрия "гантели" в одном направлении по оси вращения после переворота компенсируется асимметрией в другом направлении вдоль той же оси. То есть баланс достигается периодическим изменением состояния во времени - вращающееся тело помещает более мощный "грузик" энергетической "гантели" то по одну, то по другую сторону от центра масс.
Такой эффект появляется только у тех вращающихся тел, у которых есть разница между моментами инерции двух частей - условно "верхней" и "нижней", разделённых плоскостью, проходящей через центр масс и перпендикулярной оси вращения.
В следующий статье мы рассмотрим при чем тут "кувырок" и всемирный потоп.
Продолжение следует...
В статье использованы материалы с сайта https://www.tart-aria.info/sdvig-polyusov-chast-1-fizika-protsessa/
Если понравилась статья, палец вверх, поделись с друзьями. Подписывайтесь на канал, впереди много еще интересного..
