Волчок и применение его свойств - Краснов Александр Иванович - Страница 10

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».

На таком же принципе, что и стабилизация судна при качке на море, основано устройство однорельсовой железной дороги.

Огромное количество рельсов необходимо для прокладки железнодорожного пути. Мысль о сокращении подобных расходов возникла давно. Хорошо было бы сократить вдвое количество рельсов, да и колес для вагонов. Решение этого серьезного вопроса возможно с помощью гироскопа.

Однорельсовую железную дорогу предложили примерно в 1909 г. почти одновременно англичане Бреннан, Шарль и русский инженер П. П. Шиловский.

В предложениях Шарля и Шиловского ось гироскопа расположена вертикально, в системе Бреннана — по поперечной оси вагона.

Для пропаганды идеи однорельсовой дороги Шарль и Шиловский построили одноколесный автомобиль. В нем они разъезжали по Лондону, удивляя жителей британской столицы.

Принцип действия гироскопа подобен принципу действия успокоителя качки судна.

Представим себе вагон однорельсовой железной дороги, в котором установлен гироскоп. Ось гироскопа расположена вертикально и находится в подшипниках, помещенных на раме, которая в свою очередь покоится в цапфах, а подшипники рамы закреплены в стене вагона (рис. 41).

Рис. 41. Схема сохранения устойчивости вагона однорельсовой железной дороги. 1 — рама; 2 — прецессионная сила, восстанавливающая равновесие.

Допустим, что ротор гироскопа вращается по часовой стрелке, если смотреть сверху, а вагон, стоявший на месте вертикально, вдруг наклонился вправо. Он в этом случае, естественно, свалился бы на бок, но тут вступает в дело быстро вращающийся гироскоп.

Под действием наклона вагона в гироскопе возникает прецессия, благодаря которой ротор вместе с рамой 1 начинает поворачиваться в цапфах. Верхний конец оси ротора, если смотреть на рис. 41, будет двигаться к нам, а нижний — от нас (рис. 41). Под влиянием гироскопического эффекта, возникающего на концах цапф у стен вагона, возникают усилия, стремящиеся поставить вагон вертикально. Они, противодействуя силе тяжести, восстанавливают равновесие вагона.

Открыв замечательные свойства волчка, этой любопытной «игрушки», человек подчинил себе одно из важнейших явлений природы. Волчок помог улучшить работу многих механизмов, создать большое количество ценнейших приборов и автоматов, обеспечить возможность уверенно совершать полеты на самолете в такую погоду, при которой даже птицы не решаются покинуть свое гнездо.

Будущее использование свойств гироскопа в технике не менее богато, чем прошлое. Устойчивость искусственных спутников Земли, космических станций и межпланетных кораблей, полеты в космическом пространстве невозможны без использования замечательных свойств гироскопа. На использовании их будут созданы многие приборы, механизмы и автоматы, облегчающие труд и повышающие его производительность.

1. Браславский Д. А., Логунов С. С, Пельцер Д. С., Расчет и конструкция авиационных приборов, Оборонгиз, 1954.