Наука и техника на службе зрелищ. Гироскоп

Наука и техника приходят в цирк. И хотя прелесть и обаяние циркового искусства было и остается в показе, в демонстрации фи­зических возможностей человека, тем не менее, современное состоя­ние науки и техники так высоко, что оно позволяет им вторгаться во все области человеческой деятельности. Находит свое место наука и на цирковой арене. Только повинуясь законам искусства, наука естественно принимает здесь необычные, яркие, образные формы.

...На манеже огромная, гладкая, сделанная из плексигласа, почти отвесная скала. К скале в альпинистских костюмах с рюкзаками на плечах подходят артисты и плавно начинают подниматься на вер­шину. Они поднимаются без помощи... рук. Они ни за что не привязаны, их ничто не поддерживает.

Нет, это не фокус, не обман зрения, это не иллюзия. Просто мы бегло рассказали об одной из многочисленных возможностей применения замечательных свойств гироскопа к цирковому искус­ству. Но сделаем это подробнее.

Почти в любом доме вы найдете незамысловатую детскую игруш­ку — волчок, юлу. Это и есть простейший вид гироскопа.

Если ударить поперек волчка, «срезая» его ось, то волчок сопротивляется этому насилию, причем ось его начнет укло­няться как будто по направлению, куда ее толкнет удар, но тут же возникает так называемое поворотное ускорение. Все частицы волч­ка, благодаря инерции своего вращения, создают совместно момент гироскопической реакции, в виде которой и выражается основное, полезное свойство гироскопа.

Если гироскоп представляет тяжелый обруч, маховик, который хо­рошо раскручен, то, взяв его за концы оси, на которой он вращает­ся, и пытаясь его повернуть, мы сразу почувствуем его гироскопи­ческий момент: он старается «выкрутиться», и все вбок — по направ­лению, показанному на рис. 1.

После срезающего удара волчок отъедет и покажет одновремен­но два вращения: очень быстрое — вокруг оси и более медленное — будет «молиться», описывая воронку, конус около вершины, уткнув­шейся в опору волчка на полу, мы увидим прецессию гироскопа (рис. 2).

Чем больше момент инерции гироскопа, то есть чем массив­нее гироскоп на своей периферии (где больше линейная скорость), и чем больше его угловая скорость (больше оборотов за минуту), тем меньше, медленнее прецессия при одном и том же моменте си­лы, подействовавшей поперек гироскопа.

Еще в прошлом веке было открыто и доказано французским уче­ным Фуко, что если устранить воздействие на гироскоп моментов внешних сил, то можно после этого попытаться наклонять его в лю­бых направлениях, с любыми ускорениями, и гироскоп будет сохра­нять свое первоначально заданное положение. Но только гораздо позже, когда созрели достаточные для того возможности техники, эта мысль воплотилась в гирокомпас.

Советский ученый и изобретатель Ноздровский еще в 1924 году создал оригинальную схему гироскопа с искусственными прецес­сиями, и она породила самостоятельную отрасль гироскопических приборов, называемых в настоящее время гироскопическими рама­ми. В них удачно сочетается работа гироскопа с системой автома­тического регулирования.

У артистов-альпинистов в заплечных мешках-рюкзаках располо­жены относительно небольшие и нетяжелые пары гиромоторов (ги­роскопические рамы), питаемые через гибкий длинный шнур с по­толка цирка. Нетрудно выполнить и такие гироскопы, которые бу­дут иметь «время полураспада», то есть не менее 50% своего гиро­скопического (восстанавливающего) момента — половину своего вы­бега в течение 20-30 минут и после их раскрутки, после полного от­ключения питавшего их тока.

Артисты с такой техникой, после тренировки непринужденно и стройно будут совершать подъем по гладкой плексигласовой сте­не, установленной под углом к вертикали не более чем на 10 градусов. При проектировании гироскопических приборов обычно стремятся к по­лучению в заданных габаритах максимально большого гироскопиче­ского (восстанавливающего) момента, а так как масса гиромоторов постоянна, то стремятся повысить скорость вращения, не забывая, что последняя ограничивается максимальными центробежными на­пряжениями в теле ротора, допускаемыми его материалом, то есть наиболее прочной сталью.

Если выбрать для реализации гироскопического стабилизатора не специально рассчитанные и уникально выполненные для поставлен­ной задачи два гироскопа (вращающиеся в разные стороны, но с точно одинаковой скоростью), а применять уже существующие ма­логабаритные в гироскопических рамах роторы, диаметром по 6 см, то можно поставить в одной конструкции не одну, а несколько таких пар гироскопов.

Расчет показывает, что при подъеме артистов почти по верти­кальной стене без помощи рук для стабилизации достаточно 4 пары стандартизированных авиаприборных гироскопа со скоростью вра­щения электрическим током в воздухе до 25 000—30 000 оборотов в минуту, и общий вес конструкции (спрятанной в рюкзаке) только не­много может выйти за пределы 10 кг.

Но из реальной практики быстро вращающихся, особо тщатель­но выполненных, отлично динамически уравновешенных небольших конструкций линейная скорость (на поверхности ротора) допускает­ся до 300 м/сек, в особенности принимая во внимание, что демон­страция потребует не более 15 минут продолжительности полной оборотности гиромоторов.

Аэродинамический коэффициент трения поверхности ротора о воздух зависит от чистоты обработки (микро-геометрии) этой поверх­ности, геометрии ротора и угловой скорости его вращения. Поэтому целесообразно применение довольно высокого вакуума внутри гер­метической гирокамеры.

При вращении гиромоторов в вакууме (не ниже 1 мм ртутного столба) можно до­пустить их угловую скорость до 100 000 обо­ротов в минуту, питая их переменным то­ком повышенной частоты.

Нужно заметить, что может быть достиг­нута полная бесшумность работы гироско­пов и полное их отключение от тока, что, естественно, еще больше увеличит эффект­ность номера.

Но вот «альпинисты» покинули арену, и объявлен новый номер. Высоко, почти под куполом, протянут канат, по которому устойчиво ходит большой красочный шар, а четыре артиста на площадке над шаром
спокойно показывают акробатический этюд, зная, что шар не упадет. Да, шар не упадет: в его легкой конструкции из дюралевых трубок помещено двадцать пар описанных выше малых вакуумных гироскопов, диамет­ром по 6 см, которые дают достаточный гироскопический, восстанавливающий момент.

В относительно хорошем для своего времени проек­те однорельсовой гироскопической железной дороги Петроград — Гатчина (в 1922 г.) Я. Шиловского восстанавливающий гироскопический момент составлял около 35% от максимально возможного, опрокидывающего ва­гон момента. Но надо принять во внимание, что пассажиры в таком однорельсовом вагоне, естественно, со­вершенно безучастны к содействию сохранения равно­весия вагона, и потому последний нуждается в полной автоматичности стабилизации своего равновесия. В са­мом маловероятном случае, когда все четверо артистов расположатся около края площадки над шаром, опрокидывающий момент будет по величине таковым, что
восстанавливающий гироскопический момент от пред­лагаемой автоматической системы роторов составит все же не меньше 36%. Но, кроме того, нужно иметь в виду профессионально отработанное, изощренное чувство равновесия цирковых артистов.

Трос — канат обычной толщины, по которому ходит описанный шар, можно выполнить из чередующихся сваренных, одинаковых по размеру и числу проволок, секций: четные — из «немагнитной» стали (нержавейки), нечетные — из стали с высокой магнитной проницае­мостью (типа трансформаторного или динамного железа). Сверху по­добный трос целесообразно обтянуть тонкой трубкой из фторопласта (белый красивый цвет и, главное, весьма малый коэффициент трения, наряду с довольно высокой теплоустойчивостью).

Меняя частоту тока на центральном пульте за ареной, получим любую скорость плавного перемещения шара по тросу, или ревер­сивность его (обратный ход), либо ритмические знакопеременные по направлению движения — «танец».

Гироскопические стабилизаторы с роторами малого диаметра (еще меньшего, чем те, о которых выше шла речь, но вращающимися в высоком вакууме с еще большей быстротой) могут быть помещены в обычных першах и, тем самым, дать любопытные эффекты. Таким образом, могут быть реализованы ходули-самоступы, то есть самосто­ятельно передвигающиеся, кланяющиеся, танцующие на арене.

Артист, выходя на арену на высоких трубчатых ходулях (вы­полняемых из дерева или лучше из прочной пластмассы), приветст­вует, разговаривает с публикой, а потом спрыгивает, приказывая своим ходулям двигаться, а сам отбегает, после чего внимательно следит за поведением своих ходулей. Так как в ходулях смонти­рованы предварительно «заведенные» гироскопы, расположенные ни­же центра тяжести ходулей (для уменьшения угла при вершине ко­нуса прецессии, то есть, чтобы ходули меньше «молились», раскла­нивались), то они способны и сами, без хозяина, передвигаться по арене. Для этого в нижней части имеется электронно-импульсное устройство с автономным питанием.

Ходули опираются на гибкую дужку сводом вверх, подобно сто­пе человека, а от нее отходит железный сердечник (поршень), вдви­нутый во внутрь ходули. Вокруг сердечника имеются витки соленои­да (катушки), подсоединенного на выход электронно-импульсного устройства (спрятанного выше — в трубке ходули). Верхний (внут­ренний) конец сердечника упирается в сильную пружину, которая отжимает сердечник наружу—вниз. Когда соленоид оживляется током, то сердечник срабатывает, то есть быстро втягивается, поджимая пружину, а потом он ее сразу отпускает, и ходуля подпрыгивает не­много вверх, но не падает, так как этому противодействует гироскопический, восстанавливающий момент и так как сердечник накло­нен своей осью слегка вперед. Такой совместный прыжок ходулей произойдет, если обе ходули получат сигнал срабатывания от арти­ста на одинаковой частоте. Но можно заставить ходули передвигать­ся по очереди, как ноги цапли. С этой целью нужна разночастотная подача сигналов. Сигналы для срабатывания шагающего устройства подает артист на расстоянии, Нажимая на кнопки, с помощью про­стого приемного контура, как это делается в управляемых на рас­стояниях моделях судов, самолетов и иных радиоуправляемых кон­струкциях и снарядах. Так можно заставить ходули, усиливая вы­нужденную прецессию гироскопов, не только ходить, но и кланяться.

Последняя (и самая сложная по выполнению) демонстрация с при­менением гироскопов, на описании которых хотелось бы остано­виться в этой статье,— это одноколесный гироавтомобиль, вернее, круглая платформа, которая затем подымается в воздух над ареной в виде красочного ковра-самолета.

Из изложенного выше должно быть ясно, что не только проекти­рование, но и изготовление красочного фаэтона в виде большой круг­лой и низкой корзины, выкатывающейся на арену и катящейся на ней с одной опорой в центре — «курьей ножной», не представляет принципиально особо трудных задач.

В современной авиации известны летающие конструкции без вин­тов, подымающиеся прямо с земли, без разбега. Это — летающий стенд, платформа, создающие подъемную силу за счет отбрасывания вниз струи воздуха. Однако для арены эти летательные аппараты неприемлемы, так как выбрасывают очень горячие отработанные газы.

Но можно использовать давно известную направленную иониза­цию воздуха при обычном давлении в местах поверхности с боль­шой кривизной, где резко возрастает при заряде изолированного тела напряженность электрического поля и начинается поэтому эмиссия — «истечение электронов», дающее поток заряженных ио­нов (эффект Франклина).

Если упомянутый круглый гироскопический одноколесный эки­паж в форме громадной шляпки красивого гриба выполнить с ниж­ней поверхностью в виде редкой щетки, где каждая щетинка — ост­рый нонус вершиной вниз и с округленной галтелью — основанием, плавно сливающимся с поверхностью, на которой он «вырос», и тща­тельно электрически изолировать всю нижнюю поверхность, то, при­ложив к ней высокое напряжение, можно достичь заметной реакции для подъема. Остается только усилить эту реакцию до и чуть боль­ше уравновешивания тяжести «ковра-самолета», чтобы он плавно всплыл над ареной, удерживаясь горизонтально благодаря стабилизирующему действию автоматизированной гироскопической рамы. Дополнительную реакцию для достижения подъема удается достичь всасыванием воздуха через отверстия по верхнему борту гриба и вы­бросом его через отверстия в средней части нижней поверхности. Всплыв над ареной, как тритон, гриб будет плавно и ритмич­но прецессировать. Поэтому, посадив по самому краю его на тон­кое электрическое, по орбите слегка наклоненное к горизонту про­волочное кольцо гироскоп — в виде шара, можно заставить этот яр­ко люминесцирующий и звучащий «спутник» обходить по проволоч­ному кольцу свою «Землю».

Предложенными демонстрациями, естественно, не ограничиваются возможности использования замечательных свойств гироскопа на арене. В нашей статье мы хотели обратить внимание творческих работников цирка лишь на некоторые из них.

Инженер М. ГОЛДОВСКИЙ

Журнал « Советский цирк» май 1958 год