VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Загадки обыкновенного волчка
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В детстве у меня, как и у большинства детей, была игрушка волчок. Мне очень нравилось раскручивать его и наблюдать за его вращением. Когда я стал старше, я заметил, что если поставить волчок вертикально, он упадет. Но если его раскрутить, то он начинает вращаться и не падает, сохраняя устойчивость. Почему же волчок не падает? В чем причина его устойчивости? Я решил выяснить это.
Цель работы:
изучить свойства вращающегося волчка, объяснить их с научной точки зрения и экспериментально подтвердить;
Объект исследования:
волчок;
Предмет исследования:
свойства вращающегося волчка;
Проблема:
почему не падает вращающийся волчок;
Гипотеза:
знание свойств вращающегося волчка можно использовать в технике;
Задачи:
подобрать и изучить литературу по данной теме (в том числе использовать интернет-ресурсы);
провести опыты с волчками;
проанализировать полученные результаты и сделать выводы;
Методы исследования:
поисковый;
экспериментальный;
анализ;
Актуальность темы:
я считаю выбранную тему интересной и актуальной так, как вращающиеся тела или волчки встречаются повсюду, и знание свойств вращающийся тел необходимо для правильного понимания большинства явлений, совершающихся в природе.
Известный английский ученый Дж. Перри сказал: «Если бы подробному исследованию особенностей вертящегося волчка было уделено больше внимания, то успехи человечества в области прикладной механики и во многих отраслях промышленности были бы гораздо значительнее»
Теоретическая часть
1.Волчок – древняя игрушка
Волчок - это незамысловатая с виду игрушка, которой развлекались дети всех времен и народов. Но она обладает целым рядом удивительных и на первый взгляд необъяснимых свойств! Кроме обычного волчка существует ещё его усложнённый вариант - юла, которая имеет механизм для раскручивания. "Поведение волчка в высшей степени удивительно. Если он не вертится, то сразу опрокидывается и его не удержать в равновесии на кончике. Но это совершенно другой предмет, когда он кружится. Он не только не падает, но и проявляет сопротивление. когда его толкают, и даже принимает все более и более вертикальное положение." - так говорил о волчке Дж. Перри. Волчки были привезены в Японию из Китая и Кореи около 1200 лет назад. Волчок составляет одну из любимейших игр в Японии. Некоторые сделаны очень искусно: они спускаются с горы, танцуют на канате, разлетаются в куски, которые продолжают вертеться. В настоящее время в Японии насчитывается около тысячи разных видов волчков, формы которых могут быть самыми различными - от обыкновенных вертящихся волчков до изделий сложной, причудливой формы. Их размеры колеблются от 0,5 мм до 90 см. В зависимости от того, как они приводятся в движение, различают вертящиеся, трущиеся, управляемые нитью и бросаемые волчки. Некоторые из них во время раскручивания жужжат. Волчок родом из Греции внутри пустой, а на боку есть дырочка – когда крутится, то воет, как волк в лесу. Дрейдл или еврейский волчок - четырехугольный волчок, с которым играют еврейские дети во время праздника Ханука. В дрейдл принято было играть еще со времен греко-сирийского царя Антиоха I в. до н. э. Тромпо — популярная в Латинской Америке игрушка, волчок грушевидной формы, обычно изготавливаемый из древесины. Наконечник, на котором вращается тромпо, часто изготавливают из стали. Запускают игрушку обычно вращением шнура, обёрнутого вокруг неё. В Испании эта игрушка известна под названием пеон, в ряде стран Южной Америки—как рунчо.
В Мексике, Колумбии и Перу, тромпо настолько популярен, что даже проводятся чемпионаты по его запуску. Традиционная забава жителей малазийского острова Пинанг — волчок. Малайцы могут часами сидеть и заворожено наблюдать за тем, как он вращается вокруг своей оси. Однако требуется немалое умение, чтобы правильно раскрутить этот тяжелый маховик, ведь их вес может достигать нескольких килограммов.
В России есть зимняя народная игра в волчок. Чтобы привести волчок в движение, его ставили на ладонь левой руки, указательным пальцем правой руки быстро раскручивали вправо и во вращающемся положении бросали на лёд. Затем его гоняли небольшим кнутом. Устраивались состязания: чей волчок, вращаясь, дольше простоит, чей дольше прокрутится по непротоптанному снегу, кто дальше прогонит свой волчок одним ударом кнута, у кого он перепрыгнет через канаву, или через бревно и т. д. Раскапывая древние поселения, ученые - археологи находили волчки, которыми забавлялись дети египтян четыре, а то и пять тысячелетий назад. Вот какая, оказывается, это древняя игрушка — волчок!
2. Волчки повсюду
Раньше я никогда об это не задумывался, но оказывается, что волчки можно встретить повсюду, буквально на каждом шагу. Ведь всякий быстро вращающийся предмет - это самый настоящий волчок. Например, колеса быстро едущего автомобиля или поезда - волчки. Я даже не подозревал, что мой велосипед катится на двух волчках. Но это именно так. Примеров привести можно много. Когда в небе летит вертолёт, видно, что над ним вращается огромный винт. Он держит машину в воздухе. Вертолётный винт – ещё один волчок. Пуля летит с огромной скоростью вперёд и при этом стремительно вращается, делая в одну секунду около пяти тысяч оборотов. Пуля один из самых быстроходных волчков. Почти в каждой машине, если заглянуть внутрь, можно отыскать вращающиеся колёса, маховики, шестерёнки, а значит - волчки. Вращаются и Солнце, и Луна, и планеты, в том числе - наша Земля. Все они - волчки гигантских размеров. Значит, мы даже живём на волчке!
На уроке естествознания я узнал, что всё, что вокруг нас, камни, вещи, деревья, вода, состоит из атомов. В атомах есть электроны, вращающиеся с большой скоростью. Мы и сами состоим из множества атомов. Из этого можно сделать вывод, что волчки не только нас окружают со всех сторон, но также находятся внутри нас.
3. Почему не падает волчок?
Если поставить волчок вертикально, он тут же падает набок. Если его с силой раскрутить, волчок начинает вращаться и не падает. И чем быстрее скорость его вращения, тем устойчивее его положение. Даже, если при этом волчок толкнуть, он вернется в вертикальное положение и, по-прежнему, будет держаться прямо. Когда скорость вращения становится недостаточно большой, ось волчка начинает отклоняться от вертикали и, в конце концов, волчок прекращает вращаться . Происходит это потому, что на волчок действует ряд сил, стремящихся его повалить - трение о поверхность, сопротивление воздуха, собственный вес.
Почему же не падает волчок? Как это можно объяснить с точки зрения физики? Оказывается, все предметы обладают одним общим свойством- инертностью. Что это за свойство? Если какой-то предмет движется, то его не сразу удается остановить. Например - автомобиль. Даже если со всей силы нажать на тормоз, машина не остановится сразу, а по инерции проедет немного вперед. Думаю, многие замечали, что при резком торможении автобуса или автомобиля, пассажиры наклоняются вперед или даже падают. Это действует сила инерции. У вращающегося волчка она проявляется тогда, когда его пытаются наклонить или свалить. Именно силы инерции придают ему такую необыкновенную устойчивость. Благодаря этому свойству волчок стал широко применяться в технике.
4. Прецессия волчка
Если понаблюдать за волчком, можно увидеть, что ось его колеблется, описывает конус. Это движение ученые называют прецессией. Происходит она вот отчего. Сделать волчок абсолютно точно невозможно. Какая-то сторона всё равно получается чуть тяжелее. При запуске поставить волчок совершенно ровно, прямо также не удаётся. Вот сила тяжести и вызывает колебания волчка. Прецессия была открыта более двух тысяч лет назад древнегреческим астрономом Гиппархом. Он изучал расположение звёзд на небе и неожиданно обнаружил, что земной шар колеблется вроде волчка. Объяснить причину этого Гиппарх не мог. Но только много времени спустя английский учёный Исаак Ньютон понял, в чём тут дело. Земной шар чуть сплюснут. А поскольку Земля - гигантский волчок, вот ось его и ходит по конусу.
Толкнем волчок, вращающийся против часовой стрелки в направлении, показанном на рисунке. (см. Приложение 1, рис.1) Под воздействием приложенной силы он наклонится влево. Точка А при этом двигается вниз, а точка В вверх. Обе точки согласно закону инерции окажут сопротивление толчку, пытаясь вернуться в исходное положение. В результате возникнет прецессионная сила, направленная перпендикулярно направлению толчка. (см. Приложение 1, рис.2) Волчок отвернет влево под углом 90 градусов по отношению к приложенной к нему силе. Если вращение происходило бы по часовой стрелке, он вернулся бы вправо под таким же углом. Если бы волчок не вращался, то под действием силы тяжести, он сразу же упал бы на поверхность, на которой он находится. Но, вращаясь, он не падает, а аналогично другим вращающимся телам получает момент количества движение (угловой момент). Величина этого момента зависит от массы волчка и скорости вращения. Возникает вращающая сила, которая заставляет ось волчка при вращении сохранять угол наклона относительно вертикали. Со временем скорость вращения волчка снижается и его движение начинает замедляться. Верхняя его точка постепенно отклоняется от первоначального положения в стороны. Ее движение проходит по расходящейся спирали. Это и есть прецессия волчка.
Свойство вращающегося волчка сохранять постоянство направления оси, сопротивление любому усилию изменить это направление и другие свойства, человек сумел применить в ряде полезных приборов. Рассмотрим подробнее один из таких приборов.
5.Гироскоп
Гироскоп- это устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором оно установлено, относительно инерциальной системы отсчета.
Гироскопы представляют собой вращающиеся с высокой частотой твердые тела. Простейший пример гироскопа - юла (волчок).
Гироскопический прибор – это техническое устройство, в котором в качестве основного элемента используется быстро вращающийся ротор, закрепленный таким образом, чтобы его ось вращения поворачивалась. Гироскопические приборы широко используются для решения навигационных задач либо в системах ручного и автоматического управления движением различных объектов.
а) история создания гироскопов
Термин «гироскоп» впервые был использован Жаном Фуко, французским физиком, механиком и астрономом, в 1852 году в докладе во Французской академии Наук. Доклад Жана Бернара Леона Фуко был посвящен способам экспериментального обнаружения вращения Земли в инерциальном пространстве. До изобретения гироскопа люди использовали различные методы определения направления в пространстве. Вначале люди начали ориентироваться визуально по удаленным предметам, в частности, по Солнцу. Уже в древности появились первые приборы, основанные на гравитации: отвес и уровень. В средние века в Китае был изобретен компас, использующий магнетизм земли. В Древней Греции были созданы астролябия и другие приборы, основанные на измерениях относительно положения звезд. Первые прототипы современного гироскопа начали появляться в начале 19-го века. Так, устройство, которое можно назвать гироскопом, изобрёл Иоганн Боненбергер, который в 1817 году опубликовал описание своего изобретения. А французский математик Пуассон, уже в 1813 году, упоминает Иоганна Боненбергера как изобретателя подобного устройства. Главной частью гироскопа Боненбергера был вращающийся массивный шар в кардановом подвесе. В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон придумал гироскоп с вращающимся диском. В 1852 году французский учёный Жан Фуко усовершенствовал подобное устройство, и дал ему название «гироскоп». Именно Жан Фуко придумал название «гироскоп». Можно отметить, что Фуко, как и Боненбергер, использовал в гироскопе карданов подвес.
Главным свойством карданова подвеса является то, что если в него закрепить вращающееся тело, то оно будет сохранять направление оси вращения независимо от ориентации самого подвеса. Это свойство нашло применение в гироскопах и гироскопических приборах.
б) начало использования гироскопа
В первых гироскопах скорость вращения быстро снижалась из-за силы трения. Во второй половине 19-го века было предложено для разгона и поддержания скорости вращения гироскопа использовать электродвигатель. Преимуществом гироскопа и гироскопических приборов перед другими более древними приборами, использовавшимися при измерениях, явилось то, что он правильно работает в сложных условиях. Например, плохая видимость, различные колебания, тряска, и электромагнитные воздействия.
Впервые на практике гироскопический прибор был применён в 1880-х годах австрийским инженером Л.Обри для стабилизации курса торпеды.
Следующее применение гироскопа в технике также относится к морскому делу. Гироскоп использовали при разработке морского указателя курса - гирокомпаса. Прототип современного гирокомпаса первым создал Герман Аншютц-Кэмпфе (запатентован в 1908), вскоре подобный прибор построил американский инженер Э. Сперри (запатентован в 1911).
В гирокомпасе вращающееся колесо (ротор) устанавливается в кардановом подвесе, представляющем собой универсальную шарнирную опору, в которой закрепленное тело может свободно вращаться одновременно в нескольких плоскостях. Причем направление оси вращения тела останется неизменным, независимо от того, как меняется расположение самого подвеса. Такой подвес очень удобно использовать там, где есть качка. Ведь предмет, закрепленный в ней, будет сохранять вертикальное положение несмотря ни на что.
Впервые успокоитель качки применил инженер Отто Шлик на пароходе «Сильвиана», построенном в 1905г. Пароход очень сильно раскачивался на волнах, пассажиры стали избегать его, покупали билеты на другие корабли.
Тогда Отто Шлик предложил установить внутри парохода огромный волчок, который нужно было постоянно раскручивать с помощью двигателя. Волчок будет стремиться сохранить свое положение, а вместе с ним и пароход будет держаться прямо. После установки волчка Шлика пароход шел спокойно, даже при сильном волнении на море.
В 20-м веке гироскопы стали широко использоваться на самолетах, вертолетах, ракетах, подводных лодках, вместо компаса или совместно с ним.
в) гироскопы, использование гироскопов
Свойства гироскопа используются в приборах-гироскопах, основной частью которых является быстро вращающийся ротор, который имеет несколько степеней свободы (осей возможного вращения). (см. Приложение рис. 3)
Чаще всего используются гироскопы, помещенные в карданов подвес. Такие гироскопы имеют 3 степени свободы. Гироскопы, у которых центр масс совпадает с центром подвеса О называются астатическими, если нет- статическими гироскопами.
Для обеспечения вращения ротора гироскопа с высокой скоростью применяются специальные гиромоторы. Для управление гироскопом и снятия с него информации используются датчики угла и датчики момента.
Гироскопы используются в виде компонентов как в системах навигации (авиагоризонт, гирокомпас и т.п.), так и в системах ориентации и стабилизации различных аппаратов, например космических. В современном мире гироскоп нашёл широкое применение во всех направлениях: любой самолёт или вертолёт оборудован несколькими гироскопами, подводные лодки и космические станции оборудованы гирокомпасами, гиростабилизаторы помогают авианосцам избежать нежелательной качки.
Также гироскоп нашел применение в сфере развлечений, вспомним йо-йо или популярный в последнее время спиннер, различные игровые приставки, 3D- игры.
Современные технологии позволяют вместить гироскоп в интегральную микросхему размером 2 * 2 мм, чем и воспользовалась компания Apple, установив на айфон 4 микрогироскоп.
Или, к примеру, знаменитый Segway. Два колеса скутера расположены параллельно друг другу, благодаря технологии Dynamic Stabilization Segway автоматически, с частотой 100 раз в секунду, определяет нарушение балансировки при изменении положения корпуса ездока. Для этой цели используется система гироскопических датчиков наклона. Их сигналы поступают на микропроцессоры, которые вырабатывают управляющие двигателями воздействия. Каждое колесо приводится во вращение своим электродвигателем, реагирующим на изменения равновесия. При наклоне ездока вперёд Segway начинает катиться вперёд, и чем больше наклон, тем быстрее. При отклонении корпуса назад, самокат замедляет движение, останавливается или катится задним ходом. При наклоне влево или вправо, электродвигатель соответствующего колеса замедляется или начинает вращение в обратном направлении – самокат поворачивается в нужную сторону. Благодаря этому, Segway не нужны ни руль, ни тормоза.
г) развитие гироскопических приборов
Постоянно растущие требования к точности гиро-приборов заставили ученых и инженеров многих стран мира не только усовершенствовать классические гироскопы с вращающимся ротором, но и искать новые идеи, которые решат проблему создания чувствительных датчиков для измерения и отображения параметров углового движения объекта.
В настоящее время известно более ста различных явлений и физических принципов, которые позволяют решать гироскопические задачи. В США, ЕС, Японии, России выданы тысячи патентов и авторских свидетельств на соответствующие открытия и изобретения.
На сегодняшний день созданы достаточно надежные и точные гироскопические системы, которые удовлетворяют большой круг потребителей. Современные гироскопические приборы работают и обеспечивают высокую точность измерений в любом месте- под землей, под водой, в космосе.
Практическая часть
Опыты с волчками
Для того, чтобы экспериментально подтвердить свойства вращающегося волчка, я провел ряд опытов. Для опытов я взял юлу и волчок, который я сделал сам из пробки от бутылки и зубочистки.
Опыт №1.
Условие:возьмем волчок (юлу) и попытаемся поставить его вертикально. Он падает. Теперь раскрутим его, волчок держится прямо. Теперь слегка ударим по нему деревянной палочкой.
Результат: волчок слегка покачнулся и снова принял вертикальное положение. Вывод: этот опыт доказывает, что вращающийся волчок сохраняет постоянство направления оси и сопротивляется усилию изменить это направление.
Опыт №2.
Условие:поставим волчок на книгу, посильнее раскрутим его и резким движение подбросим его вверх.
Результат: Даже в воздухе волчок сохранил свое положение, он не перевернулся, не опрокинулся, а приземлился на книгу и продолжил вращаться.
Вывод: этот опыт еще раз подтверждает два основных свойства волчка, о которых я писал выше.
Опыт №3.
Условие: возьмем два волчка. Один тяжёлый, другой легкий. Первый раскрутим посильнее, второй чуть слабее. Теперь толкнем оба волчка деревянной палочкой.
Результат: Первый волчок продолжает вращаться, второй волчок постепенно замедляется и падает.
Вывод: чем быстрее скорость вращения и чем тяжелее волчок, тем устойчивее его положение.
7. Заключение
Изучая материал по данной теме, я выяснил, почему не падает вращающийся волчок. Согласно закону инерции, открытому Ньютоном, все тела, находящиеся в движении, стремятся сохранить направление движения и величину скорости. Соответственно, подчиняется этому закону и вращающийся волчок. Сила инерции препятствует падению волчка, пытаясь сохранить первоначальный характер движения. Конечно, сила тяжести пытается свалить волчок, но чем быстрее он вращается, тем труднее преодолеть силу инерции. Я узнал, что вращающийся волчок сохраняет постоянство направления оси и сопротивляется усилию изменить это направление. Это и есть два основных свойства волчка. Зная эти свойства, человек использует их в технике, в ряде полезных приборов, таких как гироскоп. Таким образом, моя гипотеза о том, что знание свойств вращающегося волчка можно использовать в технике, подтвердилась.
8. Вывод
Когда-то волчок был просто детской игрушкой, потом стал научным прибором, стал служить на море и на суше, наконец, поднялся за облака, а теперь уже и в космос летает. Все- таки удивительная это штука- волчок! Я думаю, что еще не все загадки волчка разгаданы. Возможно, в будущем, я смогу их разгадать, и знания, которые я получил, выполнив данный проект, мне помогут.
Список использованной литературы
1 Перельман Я.И. Занимательная физика. В 2-х книгах. Книга 2/ Я.И.Перельман- Москва: Издательство «Наука»- 1983.- 159с
2. Перри Дж. Вращающийся волчок.- Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотичная динамика», 2001,112с
3. Черненко Г.Т., Где вертятся волчки?/ Г.Т.Черненко - М: Малыш-1991.-24с
Интернет-ресурсы:
1.http://ency.info/materiya-i-dvigenie/mekhanika/332-svojstva-volchka-i-ikh-primenenie-v-nauke-i-tekhnike
2. http://class-fizika.ru/8_voltsh7.html
3. http://class-fizika.ru/8_voltsh0.html
4. http://www.i-kiss.ru/rubrika/giroskopy
Приложение
Рисунок 1
Рисунок 2
Рисунок 3