Волчок (игрушка)

Волчо́к, юла́ — игрушка (и не только), которая, в общем случае, во время вращения сохраняет устойчивость на одной точке опоры.

Быстро вращающийся волчок не падает (закон сохранения момента импульса препятствует падению), но постепенно из-за трения угловая скорость собственного вращения уменьшается. Когда скорость вращения становится недостаточно большой, ось волчка начинает спиралеобразно отклоняться от вертикали (прецессировать), и в конце концов волчок прекращает вращение и падает.

Волчок — это простейший пример гироскопа, являющегося важнейшим элементом целого ряда навигационных приборов.

Источник: Википедия

Упоминания в литературе

К одному из шариков кольца привяжите прочную нитку. Незапущенный волчок будет, конечно, висеть вертикально, но, как только вы его запустите, он сможет вертеться в том положении, какое вы ему дадите, например как показано на рис. 9, В. Такая устойчивость направления оси вращения применяется во многих случаях. Например, в стволе ружей делают винтовые нарезки, чтобы заставить пулю быстро вращаться вокруг своей оси. Пуля во время полета сохраняет свою ось параллельной тому направлению, которое было у оси при вращении пули в стволе. Поэтому пуля летит всегда острым концом вперед.

Бруно Донат, Физика в играх, 2011

Итак, мы уже знаем, какая причина мешает волчку опрокинуться, несмотря на то, что он находится, казалось бы, в неустойчивом положении. Это хорошо знакомая нам инерция – основное свойство материи, состоящее в том, что всякая материальная частица стремится сохранять неизменным направление своего движения. Мы не будем рассматривать здесь всех движений волчка, которые возникают при действии на него посторонней силы. Это потребовало бы очень подробных объяснений, которые, пожалуй, покажутся скучными большинству читателей. Мы хотели лишь разъяснить причину основного стремления всякого вращающегося тела – сохранять неизменным направление оси вращения. Этим свойством объясняется целый ряд явлений, с которыми мы сталкиваемся в обыденной жизни. Самый искусный велосипедист ни минуты не усидел бы на своем стальном коне, если бы быстро вращающиеся колёса не стремились сохранять горизонтальность своих осей: ведь колёса – те же волчки, только оси их не вертикальны, а горизонтальны. И вот почему так трудно ехать на велосипеде медленно: колёса перестают быть волчками. Ребенок, катящий свой обруч, бессознательно пользуется тем же свойством вращающихся тел: пока обруч находится в быстром вращении, он не падает. Игра с диаболо[18] целиком основана на том же принципе: сначала мы с помощью бечевки приводим двойной конус диаболо в быстрое вращательное движете и затем кидаем его высоко вверх; но, летя вверх и падая затем вниз, вращающийся диаболо не перестает сохранять горизонтальность оси вращения – вот почему его так легко поймать на вытянутую бечевку, снова подкинуть, вновь поймать и т. д. Если бы диаболо не вращался, все это было бы неисполнимо даже для самого искусного жонглера.

Яков Перельман, Занимательная физика. Книга 2, 1916

Хорошее следствие состоит в том, что после некоторой первоначальной неразберихи молекулы газа начинают вращаться преимущественно в одной плоскости. Первоначально каждая молекула обладает определенным моментом импульса относительно центра тяжести облака. В отличие от волчка газовое облако не имеет жесткой структуры, поэтому скорости и направления движения молекул в нем, вероятно, меняются в широких пределах. Вряд ли все эти величины точно компенсируют друг друга, так что первоначально облако обладает ненулевым суммарным моментом импульса. Из этого следует, что суммарный момент импульса системы обладает каким-то вполне конкретным направлением и имеет вполне конкретную величину. Закон сохранения гласит, что, поскольку газовое облако развивается под действием гравитации, его суммарный момент импульса не меняется. Следовательно, направление оси остается постоянным, жестко зафиксированным в момент формирования облака. И величина момента импульса – общее количество вращения, если так можно выразиться, – тоже остается постоянной. Что в этой системе может меняться, так это распределение газовых молекул. Каждая молекула газа гравитационно притягивает все остальные молекулы, и первоначально хаотичное шарообразное газовое облако стягивается и образует плоский диск, вращающийся вокруг оси, как тарелка на шесте в цирке.

Иэн Стюарт, Математика космоса: Как современная наука расшифровывает Вселенную, 2016

«Волчок» подойдет тем, кто предпочитает самого простого в изготовлении змея. Каркас состоит только из двух планок. Надо покрыть его бумагой, приделать уздечку и хвост – и змей готов для полета. Однако управлять таким воздушным змеем не так-то просто, т. к. он не обладает достаточной стабильностью. Стабильность означает способность змея в случае изменения направления ветра и отклонения от заданного положения самостоятельно возвращаться к этому положению. Стабильность воздушного змея зависит от его типа и конструкции. «Волчок» обладает свойством утрачивать стабильность при перемене направления ветра. Но эта его особенность может послужить и дополнительной причиной для выбора подобной модели змея, потому что, запуская его, оператор (т. е. человек, управляющий змеем) повышает таким образом свое мастерство.

Гарольд Риджуэй, Как сделать и запустить воздушного змея, 2001

Что такое занос, можно узнать, резко нажав на тормоз при движении на крутом повороте. Заднюю часть автомобиля начнет заносить, и, вращаясь подобно волчку, вы покинете проезжую часть, обретя «покой» в кювете. Занос может возникнуть при торможении не только на повороте, но и на прямом участке дороги. Он также возникает на скользкой дороге при резком нажатии на «газ» или педаль сцепления (подробнее см. урок 12).

Александр Пинт, Езжу без аварий, 1991