Физика: Парадоксальная механика в вопросах и ответах - Нурбей Гулиа

Рассмотрим вращающийся маховик, нижняя плоскость которого находится вблизи плоскости чаши весов (рис. 34). Опыт проводится в воздухе, поэтому в щели между маховиком и чашей весов, а также над маховиком образуется разрежение, так как воздух отгоняется наружу как в центробежном насосе. Воздух, отгоняемый наружу верхней плоскостью вращающегося маховика, создает разрежение, «втягивающее» маховик вверх. Внешняя сила давления воздуха снизу на чашу весов (так как давление воздуха здесь выше, чем у верхнего торца маховика) нарушает равновесие весов, якобы уменьшая массу килограммового маховика на десятки граммов.

Рис. 34. Почему вращающийся в воздухе маховик весит меньше неподвижного: 1 – маховик; 2 – чаша весов.

Весьма точные опыты по взвешиванию вращающегося маховика гироскопа проводились и в вакууме, где было также обнаружено уменьшение веса маховика, но уже всего на миллиграммы [11, с.144].

Тщательная проверка этого парадокса в Институте Механики РАН показала, что объясняется он вполне «земными» причинами. Прежде всего, вибрация, которой неизбежно сопровождается вращение маховика, оказывает влияние на чувствительные элементы весов – их призмы. При этом сопротивление в призмах то уменьшается, то растет в зависимости от направления ускорений при вибрации. В результате при ходе коромысла весов в сторону маховика призмы из-за дополнительной нагрузки более затрублены в показаниях, чем при обратном ходе, когда они разгружены. Поэтому чаша весов с неподвижными гирями при вибрациях перевешивает «активную» вибрирующую чашу.

Такими образом, нет оснований полагать, что вращающийся маховик будет иметь массу меньше неподвижного.

5.13. Вопрос. Можно ли сдвинуть ось вращения Земли, ускорить или замедлить ее вращение, находясь на ней самой?

Ответ. Вопрос этот несколько похож на вопрос 5.10 потому, что его можно сформулировать и так: «Можно ли внутренними моментами изменить значение кинетического момента Земли?»

Согласно законам механики этого, конечно, сделать нельзя. Но если дополнительные устройства, необходимые для этого, не считать принадлежащими самой Земле, то принципиально можно и замедлить и убыстрить вращение Земли, как и сместить на определенный угол ось ее вращения.

В действительности каждый наш шаг, движение каждой молекулы уже изменяют упомянутые параметры вращения Земли на ничтожно малые значения, если, конечно, считать нас самих или эту молекулу, не входящими в «состав» Земли. Речь идет о том, как не будучи ограниченными в технических и финансовых возможностях, изменить упомянутые параметры в ощутимых пределах.

Для увеличения или уменьшения частоты вращения Земли, иначе говоря, для изменения продолжительности суток можно в районе полюса, удобнее в районе Южного географического полюса, так как там суша, установить соосно самой Земле громадный маховик с приводом его вращения в ту или другую сторону. Сам привод, например огромный электродвигатель, естественно, закреплен на Земле, а маховик посажен на его вал (рис. 35). Раскручивая маховик в сторону вращения Земли, мы реактивным моментом, передающимся Земле корпусом двигателя, замедляем угловую скорость планеты. Разгоняя маховик в противоположную сторону, мы увеличиваем угловую скорость вращения Земли. Однако в любом случае кинетический момент системы «Земля – маховик» останется постоянным. Заметим, что существует похожий способ ориентирования космических аппаратов, и маховичные устройства для этого называются гиродинами.

Рис. 35. Маховик в недрах Антарктиды, вращающийся соосно Земле.

Если разместить столь же крупный маховик в районе экватора (рис. 36) и раскрутить его, то вектор его кинетического момента, складываясь с вектором кинетического момента Земли, образует новое направление суммарного вектора, который изменит положение оси вращения Земли. Вот мы и сумели обойтись без жюль-верновской стрельбы из сверхпушки, которая, как оказалось, мало чем смогла бы помочь в изменении положения земной оси.

Рис. 36. Схема расположения маховика на Земле для поворота оси Земли.

5.14. Вопрос. Можно ли, находясь на самой Земле, использовать энергию вращения Земли?

Ответ. О том, что это можно сделать, находясь на Луне, уже было сказано. Луна постоянно отнимает от энергии вращения Земли огромные величины. Но можно ли сделать это, находясь на самой Земле?

Поместим на полюсе Земли платформу и плашмя положим на нее неподвижный маховик в опорах – подшипниках (рис. 37). Угловые скорости маховика и Земли будут совпадать. Затем каким-нибудь мощным манипулятором ухватим маховик за опоры и перевернем его на другую сторону.

Рис. 37. Маховик на платформе на полюсе Земли.

Угловая скорость маховика по величине сохранится, но направлена она будет уже в другую сторону. Платформа будет вращаться в сторону, противоположную вращению Земли, и ее относительная угловая скорость будет равна удвоенной угловой скорости Земли.

Включаем генератор и отбираем энергию, пока угловые скорости Земли и платформы не совпадут. После этого опять поворачиваем маховик, как блин на сковороде, и опять «снимаем» разность угловых скоростей генератором. И будем поступать так, пока Земля не перестанет вращаться!

Неужели действительно таким образом можно использовать энергию вращения Земли? Ответ на этот вопрос можно получить из следующего опыта.

Встанем на скамью Жуковского, держа в руках за неподвижную ось переднее колесо велосипеда, желательно побольше диаметром и помассивнее (рис. 38). Прижимая колесо к себе шиной, раскрутимся на скамье до угловой скорости, которую легко сможем выдержать не падая. Затем, отодвинув колесо от себя, перевернем его за ось на 180 градусов на другую сторону. Колесо будет вращаться в подшипниках на оси с той же угловой скоростью, что и раньше, только в другую сторону. Затормозим колесо, прижав его к себе шиной, тем самым отобрав у него кинетическую энергию вращения. Теперь опять перевернем это колесо, опять же тормозя его и отбирая кинетическую энергию.

Рис. 38. Опыт, имитирующий отбор энергии от вращающейся Земли.

Этим опытом мы смоделируем предполагаемое использование энергии вращения Земли с помощью переворачиваемого маховика. Обратим внимание на то, что угловая скорость скамьи Жуковского, имитирующей Землю, не уменьшается (не учитывая, конечно, потери в подшипниках на собственное вращение), несмотря на то, что после каждого переворота колеса мы тормозим его, отбирая кинетическую энергию.

Интересно, какое объяснение дадут этому «неправдоподобному» опыту сами ученики. Можно только добавить, что будем считать упомянутый мощный манипулятор, который, как руками, сможет подхватить маховик за подшипники и перевернуть его, технически исполнимым.

Объяснение этого парадокса заключается в том, что, переворачивая маховик, мы вызываем гироскопический момент, разгоняющий Землю. Вновь «скрепляя» Землю с маховиком после его переворота, мы Землю тормозим. Поэтому скорость вращения Земли при переворачивании маховика никак не изменится. А энергия, затраченная на «переворот» маховика, перейдет в тепло при его соприкосновении с Землей.

Так что энергии от вращения Земли, находясь на ней самой, получить нельзя.

Список использованной и рекомендуемой литературы

1. Аппель П. Теоретическая механика. – М.: Физматгиз, 1960.

2. Асламазов Л. Г., Варламов А. А. Удивительная физика. – М.: Добросвет, 2002.

3. Бронштэн В. А. Гипотезы о звездах и Вселенной. – М.: Наука, 1974.

4. Выгодский М. Я. Галилей и инквизиция. – М-Л.: Гостехтеориздат,1934.

5. Галилей Галилео. Беседы и математические доказательства... – М-Л.: Гостехтеориздат, 1934.

6. Галилей Галилео. Избранные труды. – М.: Наука, 1964.

7. Гарднер М. Теория относительности для миллионов. – М.: Атомиздат, 1979.

8. Герц Г. Принципы механики, изложенные в новой связи. – М.: АН СССР, 1959.

9. Григорьев В. К, Мякишев Г. Л. Силы в природе. – М.: Наука, 1977.

10. Григорьян А. Т. Механика от античности до наших дней. – М.: Наука, 1974.

11. Гулиа Н. В. Инерция. – М.: Наука, 1982.

12. Гулиа Н. В. Накопители энергии. – М.: Наука, 1980.

13. Гулиа Н. В. Удивительная физика. О чем умолчали учебники. – М.:НЦЭНАС, 2003.

14. Гюйгенс X. О центробежной силе. Три мемуара по механике. – М.: АН СССР, 1951.

15. Даламбер Ж. Л. Динамика. Трактат. – М-Л.: Гостехтеориздат, 1950.

16. Декарт Р. Избранные произведения. – М.: АН СССР, 1950.

17. Ишлинскии А. Ю. Механика относительного движения и силы инерции. – М.: Наука, 1981.

18. Калашников Н. П., Смондырев М. А. Основы физики. Т.1. -М.: Дрофа, 2003.