Таким образом, масса юлы вращается вокруг своей оси, а кончик острия описывает круг. Следует подчеркнуть, что стержень не скатывается с опоры благодаря вращению юлы: предполагается, что опора лишена всякой шероховатости, которая может спровоцировать падение.
С другой стороны, если бы мы зафиксировали стержень, круг описывала бы масса юлы, как на рис. 6.12, так, что смогла бы вращаться.
Последний «волшебный» опыт
В предыдущих примерах мы рассматривали юлу мало отклоненную от вертикали. А теперь предположим, что юла лежит горизонтально на высокой подставке таким образом, что только кончик ее острия касается опоры (➙ рис. 6.13.а): то есть юла подвешена над пустотой. Если юла не вращается, само собой разумеется, что вес стремится заставить ее упасть.
Но если юла вращается, вес стремится увлечь ее не вниз, а вдоль горизонтальной плоскости (➙ рис. 6.13.b). Другими словами, юла вращается вокруг своей оси и не падает! Реакции опоры на конце острия достаточно, чтобы удерживать юлу в подвешенном состоянии!
В конце концов, если этот опыт кажется нам таким волшебным, то потому что нам, как когда-то Аристотелю, хочется связать воедино силу и скорость: таким образом, вес, направленный вниз, логично объединить с движением вниз. В действительности сила вызывает ускорение, а оно не всегда направлено в сторону движения (например, «нормальное» ускорение никак не влияет на величину скорости).
Рис. 6.11, без сомнения, дает наилучший наглядный пример ограниченности нашей интуиции.
ПОЧЕМУ ВЕЛОСИПЕД И МОТОЦИКЛ НЕ ПАДАЮТ ПРИ ЕЗДЕ?
Каждый знает, что неподвижный велосипед падает на бок, тогда как едущий велосипед удерживает равновесие. Та же история и с мотоциклом.
Начнем с мотоцикла: поскольку он никогда не бывает идеально вертикален, возникает момент веса, который стремится заставить мотоцикл упасть вправо или влево.
Возьмем колесо и представим, что вес стремится заставить его упасть вправо. Если колесо вращается, гироскопический эффект не дает ему упасть, однако колесо, оставаясь вертикальным, клонится вправо (колесо наклоняется, но в направлении, перпендикулярном интуитивному).
Оно увлекает за собой руль, который поворачивает вправо, то есть мотоцикл совершает поворот направо. Однако центробежная сила направлена за пределы окружности поворота, то есть она направлена влево, в то время как вес тянет мотоцикл вправо. В конечном итоге мотоцикл сможет сохранить равновесие, несмотря на действие веса, благодаря центробежной силе.
Этот довольно сложный феномен, объясняющий равновесие мотоцикла в движении, должен был бы распространяться и на велосипед. Но у велосипеда скорость вращения колес слишком слаба, чтобы гироскопический эффект сыграл значительную роль. Почему же в таком случае велосипед во время движения остается в равновесии?
А все зависит от нахождения центра тяжести руля, чья основная масса сосредоточена впереди вилки колеса. Наклоните стоящий велосипед вправо: руль повернется вправо только под действием собственного веса. Это заменяет гироскопический эффект, и это действует даже при небольших скоростях.
Таким образом, велосипед, наклоняясь вправо, совершает поворот вправо из-за наклона руля: центробежная сила компенсирует действие веса и не дает велосипеду упасть, как и в случае с мотоциклом. Это объясняет равновесие велосипеда в движении.
Вы можете провести эксперимент, поместив что-то тяжелое позади вилки переднего колеса, непосредственно связанной с рулем: велосипед не сможет держать равновесие. Более того, если вы зафиксируете руль, чтобы он не крутился, вы не сможете проехать и двух метров, чтобы не упасть.