Великие открытия в физике

При слове "гироскоп" большинству из нас наверняка рисуется известное устройство с быстровращающимся ротором, ось которого закреплена в кольцах карданова подвеса. Конечно, карданов подвес, обеспечивающий ротору полную свободу поворотов вокруг трех взаимно перпендикулярных осей, - находка необычайно остроумная. Но для мореходного гирокомпаса такой подвес не годится: компас должен месяцами указывать строго па север, не сбиваться, ни при штормах, ни при ускорениях и переменах курса судна. Однако точно сбалансировать карданову подвеску ротора невозможно; на гироскоп всегда будут действовать вращательные моменты, под влиянием которых ось ротора будет поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной вектору действующего вращательного момента. Одна из особенностей гироскопа заключается в том, что он интегрирует, накапливает такие толчковые отклонения.

Рис. Гироскоп с тремя степенями свободы

В результате с течением временя ось ротора (а именно она-то и является в гирокомпасе аналогом стрелки магнитного компаса) будет поворачиваться, или, как говорят моряки, "уходить". Недаром гироскописты любят рассказывать анекдот о том, как на заре гирокомпасного дела один такой прибор был установлен на самолете. Когда вылетевший из Берлина самолет приземлился в Голландии, пилот, исходя из показаний гирокомпаса, был уверен, что он прилетел в Швейцарию.

В "Новом Аншютце" кардановых колец нет - гиросфepa диаметром 25см. с двумя гироскопами (двухгироскопная система в отношении качки несравненно устойчивее одногироскопной) свободно плавает в жидкости, трение о которую практически нулевое; снаружи она не касается никаких подпорок, стенок и т.д. К ней даже не подходят электрические провода: они ведь способны передавать какие-то механические усилия и моменты. Естественно, у читателя может возникнуть законный вопрос: от чего же в таком случае "питаются" электродвигатели гироскопов? Найденному решению этой проблемы никак не откажешь в остроумии: у гиросферы имеются выполненные из электропроводного материала "полярные шапки" и "экваториальный пояс". Против этих электродов в жидкости находятся аналогичные, но неподвижные электроды, к которым подключены фазы электропитания. Жидкость, в которой плавает сфера, - это вода, в которую добавлено немного глицерина для придания ей антифризных свойств и кислоты, делающей воду электропроводящей. Таким образом, трехфазный ток "подается" в гиросферу прямо через поддерживающую ее жидкость, а затем уже изнутри (по проводам) разводится к статорным обмоткам гироскопных двигателей. При этом, конечно, приходится смириться с некоторым "перемешиванием" фаз в электропроводной жидкости.

Свободно плавающая в жидкости гиросфера, если бы мы не знали, что она начинена гироскопами, могла бы показаться просто чудом: она упорно и с огромной точностью устанавливается одним из своих диаметров в направлении север-юг (по нанесенным на нее делениям моряки и определяют это направление). Впрочем, это чудо сродни чуду "самопроизвольной" ориентации магнитной стрелки, столь глубоко поразившему Эйнштейна, по его признанию, еще в раннем детстве.

Но как, же гиросфера может плавать в поддерживающей жидкости в полностью погруженном и безразличном состоянии? Для этого ведь, согласно закону Архимеда, должен соблюдаться совершенно точный баланс между ее весом и весом вытесненного раствора. Соблюсти такой баланс очень нелегко, но, даже если он и достигнут, неизбежные в этом случае температурные колебания (а следовательно, и изменения удельных весов) обязательно его нарушат. В результате шар либо вынырнет, либо пойдет ко дну. Кроме того, необходимо еще как-то сцентрировать гиросферу в горизонтальном направлении, не то она приткнется к одной из стенок окружающего сосуда и, таким образом, окажется уязвимой для толчков и ускорений, столь пагубных для точности показаний.

Именно на этом этапе объяснения устройства "Нового Аншютца" нам, наконец, становится понятной приведенная выше фраза Магнуса о конструкторском вкладе Эйнштейна в создание гирокомпаса. Эйнштейн придумал, как осуществить центровку гиросферы в вертикальном и горизонтальном направлениях. Его идея достаточно проста.

Рис. Схема индукционной подвески Эйнштейна

Вблизи дна внутрь гиросферы помещается кольцевая обмотка, подключаемая к одной из фаз поданного в шар переменного тока, сама же гиросфера окружается еще одной полой металлической сферой (с прорезями для наблюдения за делениями шкалы и для уменьшения ее закорачивающего действия по отношению к токам, проходящим через жидкость).

Создаваемое внутренней обмоткой гиросферы переменное магнитное поле наводит в окружающей ее, например алюминиевой, сфере вихревые токи. Согласно закону Ленца, эти токи стремятся воспрепятствовать изменению магнитного потока, которое произошло бы при любом смещении внутренней сферы относительно внешней. При этом происходит автоматическая стабилизация гиросферы. Если она, например, в результате повышения температуры стала тонуть (ведь удельный вес жидкости при нагревании вследствие ее расширения уменьшается), зазор между донными частями сфер сократится, отталкивающие силы возрастут (они обратно пропорциональны квадрату ширины зазора), так что гиросфера по высоте не сместится, а останется на старом месте. Аналогичным образом стабилизируется гиросфера и в горизонтальном направлении.

Мы видим, что переменное электромагнитное поле эйнштейновской обмотки центрирует и поддерживает гиросферу, оно принимает на себя ту часть ее веса, которая не скомпенсирована архимедовой выталкивающей силой. Недаром эту обмотку конструкторы назвали обмоткой "электромагнитного дутья": подобно тому, как воздушная подушка создается воздухом, нагнетаемым вентилятором, так и электромагнитное поддерживание можно образно представить себе "выдуванием" обмоткой магнитных силовых линий.

В различных отраслях современной техники все более широкое применение находят сейчас исключающие трение и касание способы подвески, при которых подвешиваемый объект парит, или, как теперь часто говорят, левитирует. Существуют магнитные, электростатические подвески; большое внимание привлекает в наши дни сверхпроводящая магнитная подвеска (ее действие основано на том, что сверхпроводник "не пускает в себя" магнитное поле), которую уже в недалеком будущем планируется использовать в системах скоростного наземного транспорта.

Странно было бы, если бы современная техника обошла стороной подвеску на вихревых токах. И действительно, такая подвеска - ее теперь принято называть индукционной электромагнитной - используется. Все шире применяют сейчас так называемую бестигельную плавку металлов и полупроводников, основанную на том, что переплавляемую массу удерживает переменное электромагнитное поле находящейся под ней катушки (индуктора), по которой проходит переменный ток высокой частоты. Это же переменное магнитное поле, наводя мощные вихревые токи, расплавляет вещество. Таким способом получают высокочистые (ведь плавка идет в вакууме и раскаленный тигель - обычный источник загрязнений - отсутствует) кремний, германий, алюминий, олово, а также такие тугоплавкие металлы и сплавы, тигли, для плавки которых создать невозможно.

С проникновением левитации в технику возник и интерес к систематизации соответствующих устройств, к сбору имеющейся по этому вопросу литературы (пока еще не слишком обширной). В 1964г. в Англии в серии библиографических обзоров по узлам приборов и устройств вышел один специально посвященный магнитным и электрическим подвескам, в котором собрана, видимо, вся имевшаяся на то время информация по подобным системам, начиная с доклада, прочитанного в 1839г. в Кембридже С. Ирншоу, "О природе молекулярных сил, управляющих состоянием светоносного эфира", - доклада, в котором была сформулирована знаменитая теорема Ирншоу о невозможности стационарной подвески тел в постоянном электрическом или магнитном поле.

Что же говорит нам этот солидный библиографический обзор относительно истории индукционной электромагнитной подвески? Кого следует считать ее изобретателем? Ответа на последний вопрос обзор не дает. Дело в том, что впервые такая подвеска была описана в поступившей 2 февраля 1922 г. в Германское патентное ведомство заявке, исходившей, как это часто бывает, не от частного лица, а от фирмы. Однако название этой фирмы представляет для нас немалый интерес - это известная нам нильская фирма "Аншютц и Књ".

У нас нет никаких оснований сомневаться в достоверности сообщенных Магнусом сведений об участии Эйнштейна в создании "Нового Аншютца", а это значит, что великого теоретика, творца "обеих относительностей" без всяких натяжек можно считать изобретателем индукционной электромагнитной подвески.

Думается, что в гироскопических устройствах Аншютца перепробовано и воплощено немало конструкторских идей Эйнштейна (ведь не зря же он так часто и в течение многих лет посещал Киль!). Было бы, конечно, интересно узнать, в чем еще выразилось его участие. Но проходит время, свидетелей его работы в Киле, видимо, не осталось, и восстановить ход событий становится все труднее.

В тяжелые для Германии 20-е годы с их безудержной инфляцией и нестабильностью Эйнштейн был заинтересован в работах по гироскопическим приборам еще и просто из материальных соображений. Представляется, однако, несомненным, что он получал удовольствие от этой деятельности. Идей, причем самых оригинальных, у него всегда было предостаточно, а возможностей для их реализации Аншютц мог предоставить больше, чем кто-либо другой. Пламенный энтузиаст гироскопа располагал достаточными денежными средствами, прекрасным оборудованием и высококвалифицированными инженерами, чтобы попытаться осуществить совершенно неожиданные и нешаблонные конструктивные решения.

Вывод: В этом реферате я рассмотрел выдающиеся и малозаметные открытия таких великих физиков как: Архимед, Демокрит, Аристотель, Птолемей, Галилей, Кеплер, Декарт, Ньютон, а также двух великих гениев Леонардо да Винчи и Альберта Эйнштейна, оценить вклад, которых в развитие физики невозможно.