Как Аншютц и Сперри превратили волчок в компас
Первый подлинный гирокомпас появился в 1908 г. в Германии, которая в ту эпоху стремительно развивала свой торговый и военный флот, мечтая о завоевании новых колоний и о мировом господстве. Создателем гирокомпаса был физик Аншютц, долго изучавший работы над волчком Леона Фуко, Вильяма Томсона, Феппеля и др.
Идея устройства гирокомпаса Аншютца очень проста. Волчок с горизонтальной осью установлен на поплавке, к которому внизу для устойчивости прикреплен груз. Поплавок свободно плавает на поверхности жидкости. Если волчок привести в очень быстрое вращение, достигающее пяти и более тысяч оборотов в минуту, то такой аппарат тонко «чувствует» направление географического меридиана и сам собою устанавливается так, что один конец оси волчка направляется точно к северу, другой к югу.
Волчковый компас (гирокомпас). Аншютца (упрощенное изображение). В сосуде с водой плавает пробковый поплавок П, к которому внизу на стерженьке прикреплен тяжелый груз Г. На поплавке сверху на двух стойках установлен волчок с горизонтальной осью. Поплавок с волчком может поворачиваться вправо или влево на любой угол — груз этому не мешает. Но лишь только волчок «пожелает» наклонить свою ось вверх или вниз, как груз этому начнет мешать, возвращая ось к горизонтальному положению.
Что же заставляет волчок располагаться по меридиану? Сама Земля.
Аншютц свою установку придумал так, чтобы автоматически использовалось еще одно замечательное свойство волчка, которое легко обнаружить на детской двадцатикопеечной игрушке.
Закрутив волчок посильнее, чтобы он «заснул», и взяв в руки столовый нож, легонько толкнем лезвием по верхушке оси в сторону от себя. Мы сразу же заметим, что ось волчка, вместо того чтобы двигаться по направлению удара, отклоняется в сторону — вправо или влево — под прямым углом к направлению удара. Так волчок всегда отвечает на действие силы, стремящейся сдвинуть его ось.
Это отклонение волчка в сторону от направления силы называется прецессией.
Аншютц и использовал прецессию для того, чтобы волчок сам собою устанавливался в меридиане.
Понять действие прецессии в гирокомпасе Аншютца нетрудно. Представим себе для простоты, что дело происходит на экваторе. Расположим аппарат так, чтобы ось волчка, будучи горизонтальной, лежала в направлении экватора. Через несколько минут Земля повернется на некоторый угол.
Если бы волчок был свободен, то его ось, сохраняя в пространстве прежнее направление, изменила бы свое положение относительно горизонтальной плоскости — один ее конец поднялся бы над горизонтом, другой опустился бы. Но волчок не свободен. Поплавок с грузом непрерывно заставляет поднимающийся конец его оси опускаться вниз до совпадения с горизонтальной плоскостью.
Свободный (подвешенный в кардановом подвесе) волчок на экваторе. При вращении Земли в сторону, указанную стрелкой, такой волчок сохраняет направление своей оси без изменения. Под каждым положением волчка указан горизонт. Наблюдателю же, стоящему возле волчка, будет ошибочно казаться, что волчок меняет направление оси в пространстве.
Опыт с волчком, показывающий прецессию. Получив удар вперед (направление А), ось волчка, если он вращается по часовой стрелке, отклоняется вправо. При вращении же против часовой стрелки ось волчка отклоняется влево (направление Б).
Поплавок Аншютца на поверхности океана на экваторе, видимый с южного полюса. Вращение Земли указано стрелкой. При вращении Земли ось волчка стремится сохранить свое начальное положение, отчего один ее конец (на рисунке — правый) все время «хочет» подняться над горизонтом, но груз внизу мешает этому, увлекая правый конец оси вниз. Возникает прецессия — движение оси волчка в сторону.
Волчку это «не нравится», и на действие силы тяжести он отвечает прецессией, отклонением оси в сторону, которое продолжается до тех пор, пока она не совпадет с меридианом. В этом положении ось волчка все время остается в горизонтальном положении, и прецессии не будет.
Подобное же поведение волчка на поплавке будет наблюдаться и вдали от экватора. Но направляющее действие земного вращения будет все слабее по мере приближения к полюсам, где оно становится равным нулю.
Теоретически простая идея гирокомпаса Аншютца потребовала, однако, огромного труда, остроумной изобретательности и значительных средств для практического осуществления. Основным был вопрос о получении очень большой скорости вращения и о непрерывном поддержании ее в течение долгого времени. С этим связан вопрос о сверхпрочном металле для волчка и о конструкции подшипников. При опытах Аншютца бывали такие случаи, когда волчки разрывались на куски от действия огромной центробежной силы.
Общий вид гирокомпаса Аншютца 1912 г.
Первые гирокомпасы Аншютца были несовершенны.
Под влиянием качки корабля они расстраивались и начинали давать неверные показания, с ошибкой, доходившей до пятидесяти градусов. Поэтому гирокомпасы Аншютца сначала не привлекли к себе большого внимания.
В 1911 г. появился гирокомпас и в Америке. Его изобретателем был инженер Эльмер Сперри. В гирокомпасе Сперри, как и у Аншютца, используется для установки оси в меридиане все та же прецессия, но достигается это иным устройством.
Сперри скрепил ось волчка с трубкой в виде латинской буквы U. В эту трубку налита ртуть.
Гирокомпас Сперри (упрощенное изображение). Д — диск волчка; О — ось волчка; Т, T1 — изогнутая трубка с налитой в нее ртутью. Волчок помещен в кардановом подвесе, и его ось поэтому могла бы занимать любое положение в пространстве. Но трубка с ртутью, играющая роль груза в поплавке Аншютца, мешает этому, возвращая ось к горизонтальному положению.
Действие трубки с ртутью на волчок в компасе Сперри.
Оба колена трубки сообщаются друг с другом, поэтому ртуть в них всегда стоит на одном и том же горизонтальном уровне.
Перенесемся снова на экватор. Расположим ось волчка горизонтально в направлении экватора.
Если бы волчок был свободен, то его ось, сохраняя неизменным свое направление в пространстве, в результате вращения Земли стала бы менять свое положение относительно горизонта — ее восточный конец начал бы подниматься.
Но волчок не свободен. Вместе с осью меняют свое положение и колена трубки — одно (восточное) поднимается, другое опускается. От этого ртуть начнет перетекать из первого сосуда во второй, который, сделавшись тяжелее, станет тянуть конец оси вниз. На это волчок ответит прецессией — движением в сторону, которое будет продолжаться до совпадения оси с меридианом. Тогда ось волчка, несмотря на вращение Земли, все время будет лежать горизонтально, и прецессии не будет.
Гирокомпас Сперри с самого начала оказался лучше гирокомпаса Аншютца и быстро стал распространяться на военных судах США.
Однако, и Аншютц с каждым годом улучшал свою конструкцию и к 1912 г. добился хороших результатов.
«Чувствительный элемент» гирокомпаса Сперри. В кожухе находится быстро вращающийся волчок.
В это время уже сильно «запахло» большой войной. Пролог ее начался на Балканах в октябре 1912 г. и продолжался почти год в виде трех малых балканских войн. Германия усиленно и спешно готовилась к «большим событиям». Одним из элементов этой подготовки было введение на военных кораблях гирокомпасов Аншютца. Примеру Германии и США последовали Англия, Франция, Италия, Россия. 1 августа 1914 г., к началу мировой войны, все главнейшие военные флоты ввели гирокомпасы у себя на кораблях и подводных лодках. В русском флоте были применены гирокомпасы Сперри. В послевоенное время гирокомпасы подверглись дальнейшим усовершенствованиям, и теперь они являются очень надежно действующими приборами.
В нашем советском флоте применяются гирокомпасы Сперри «марки VIII» и «марки V», которые раньше ввозились из Америки. Теперь мы прекрасно делаем их сами, введя в конструкцию некоторые улучшения.
У гирокомпаса Сперри «марки VIII» волчок, называемый ротором, имеет поперечник в 254 мм, толщину обода — 75 мм и весит около 25 кг. Нормальная скорость вращения ротора — шесть тысяч оборотов в минуту. Для изготовления ротора применяется марганцевая бронза. Ось делается из высокосортной стали. Подшипники шариковые. Ротор заключен в алюминиевую камеру, в одной половине которой расположен статор, создающий вращающееся магнитное поле. Ротор со статором образуют асинхронный электромотор трехфазного тока. К камере прикрепляются сообщающиеся сосуды, содержащие 340 г ртути. Над камерой устанавливается обычная компасная картушка. Все это на кардановом подвесе крепится внутри цилиндрической тумбы, которая называется нактоузом.