Герман Александрович Голушко

г. Ричмонд Хилл, Онтарио, Канада, holushko@yahoo.com

Февраль 2010 г.

Рисунок 1

Иллюстрация 1. Съёмка сбоку		Иллюстрация 2. Съёмка сверху

По результатам эксперимента сделаны следующие наблюдения:

• Траектория движения груза имеет спиралеобразный характер, где центр спирали соответствует точке состояния покоя.
• Спираль закручена в сторону прецессионного поворота гироскопа.
• На протяжении первых 30 секунд движения радиус спирали волнообразно увеличивается.
• После 30-й секунды радиус спирали волнообразно уменьшается, что связано уменьшением угловой скорости вращения диска гироскопа.

По результатам эксперимента была воссоздана траектория движения светового пятна в декартовых и полярных координатах. Угловая составляющая полярных координат отсчитывалась по часовой стрелке. Скорость видеосъёмки составила 10 кадров в секунду. Координаты светового пятна сняты вручную с каждого кадра видеосъёмки, сделанной сбоку. Точность измерения координат колеблется в пределах 0.2 – 0.5 см. Ориентация оси гироскопа относительно выбранной полярной оси измерялась вручную транспортиром на распечатанных кадрах видеосъёмки, сделанной сверху. Точность измерения ориентации оси гироскопа составляет 3 – 5°. Точность синхронизации видеозаписей составляет 0.02 сек.

График 1 иллюстрирует зависимость длины радиус-вектора r (радиуса спирали) от времени. Точкой отсчета полярных координат выбрана метка на бумаге, соответствующая состоянию покоя.

График 1
Зависимость длины радиус-вектора r (радиуса спирали) от времени

График 2
Зависимость угловой составляющей полярных координат светорого пятна φ от времени

График 3
Зависимость угла ориентации оси гироскопа относительно полярной оси от времени

Рисунок 2

(1)

(2)

(3)

График 4
Зависимость скорости изменения радиуса отклонения и угла между осью гироскопа и нормалью к траектории от времени

График 5
Зависимость периода обращения светового пятна вокруг метки и периода прецессионного поворота гироскопа от временти

Рисунок 3

L – длина нити подвеса, равна 2.24 м

T – период обращения светового пятна вокруг метки

w – угловая скорость обращения светового пятна вокруг метки

γ – угол отклонения нити подвеса

v – линейная скорость груза

r – горизонтальная проекция отклонения груза от точки покоя

h – высота, на которую был поднят груз

m – масса груза, равна 0.098 кг

a – ускорение груза

F – разгонная сила, проекция силы тяги на касательную к траектории

E – кинетическая энергия поступательного движения груза

A – работа по подъёму груза на высоту h

p – линейный импульс груза

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

В проведённом экперименте груз пришёл в движение без явного приложения внешних сил и без использования реактивного отброса вещества. При этом движение не носило характера маятниковых колебаний. Можно утверждать, что данный эксперимент продемонстрировал наличие собственной тяги у гироскопа, подвешенного на нити одним концом оси вращения диска. Подобную тягу предлагается назвать гироскопической тягой, а данный феномен — эффектом Лэйтвейта.

Подвешенный груз (гироскоп, шайба и лазерная указка) двигались по спиралевидной траектории. Центр спирали соответствует точке, в которую проецируется нить подвеса в состоянии покоя. Спираль закручена в сторону прецессионного поворота гироскопа. На протяжении первых 30-ти секунд движения радиус спирали волнообразно увеличивался. После 30-й секунды радиус спирали волнообразно уменьшался, что связано с уменьшением угловой скорости вращения диска гироскопа.

Путём проведения альтернативного эксперимента установлено, что гироскопическая тяга возникает только в условиях прецессии.

В результате эксперимента получены временные зависимости для следующих величин:

• радиус отклонения груза от точки покоя
• угол поворота груза вокруг точки покоя относительно выбранной полярной оси
• угол ориентации оси гироскопа относительно той же полярной оси
• скорость изменения радиуса отклонения
• угол между осью гироскопа и нормалью к траектории
• период обращения светового пятна вокруг метки
• период прецессионного поворота гироскопа

Произведён рассчёт максимальной кинетической энергии груза, работы по поднятию груза, максимального линейного импульса. Для одного участка траектории рассчитаны ускорение и сила разгона как проекция силы тяги на касательную к траектории.

С точки зрения преобразования энергии можно говорить о том, что к 30-й секунде с начала движения кинетическая энергия вращения диска гироскопа перешла в кинетическую энергию поступательного движения груза (46%) и в работу по поднятию груза, она же прирост потенциальной энергии (54%). В отличии от маятниковых колебаний, где кинетическая энергия переходит в потенциальную и наоборот, в проведённом эксперименте наблюдался прирост как потенциальной энергии так и кинетической энергии поступательного движения.

Рассмаривая динамику импульса, можно говорить о том, суммарный импульс материальной системы груза в начальный момент движения был равен нулю. (Известно, что суммарный импульс материальных точек вращающегося диска равен нулю, а остальные части груза, такие как корпус гироскопа, шайба и лазерная указка, в начальный момент движения находились в состоянии покоя.) В момент максимального отклонения груза от точки покоя линейный импульс груза составил 0.003146 кг·м/c.

Несомненный интерес для исследователя представляет волнообразный характер изменения радиуса отклонения. На первый взгляд может показаться, что гироскопическая тяга нестабильна. Однако детальный анализ полученных зависимостей показывает, что это не так. Из зависимостей, представленных на Графике 4 видно, что скорость изменения радиуса отклонения хорошо коррелирует со значеним угла между осью гироскопа и нормалью к траектории движения груза. Положительное значение угла соответствует увеличению радиуса отклонения, то есть ускорению груза. Отрицательное значение угла соответствует уменьшению радиуса отклонения, то есть торможению. Из данного наблюдения можно слелать вывод от том, что ускорение и замедление груза обусловлены изменением направления вектора гироскопической тяги. Скалярная же величина тяги плавно уменьшается с падением угловой скорости вращения диска гироскопа.

Изменение направления вектора гироскопической тяги носит периодический характер. График 5 показывает, что причина этого заключается в периодичном характере разницы между уголовой скоростью прецессионого поворота оси гироскопа и угловой скоростью движения груза вокруг точки покоя. Фактически имеет место периодический саморегулируемый процесс с отрицательной обратной связью и звеном запаздывания, который минимизирует разницу упомянутых угловых скоростей. Фазы этого процесса представлены на Рисунке 4.

Рисунок 4

Поскольку гироскоп подвешен на нити и прецессирует свободно, то его угловая скорость не совпадает с угловой скоростью движения груза. При разгоне (Фаза 1) ось гироскопа ориентирована в сторону движения. Груз разгоняется и угловая скорость движения груза увеличивается, в результате чего ось гироскопа начинает “отставать”. Вектор тяги поворачивается в сторону противположную движению, переходя в Фазу 2, а затем и в Фазу 3, и таким образом начинает тормозить груз. В результате торможении угловая скорость движения груза уменьшается, и теперь “отстаёт” груз. Вектор тяги поворачивается в сторону по движению, переходя в Фазу 4, и затем в Фазу 1.

Следует отметить, что в первые 30 секунд движения, когда энергия вращения диска гироскопа была достаточно велика, абсолютное значение угла между осью гироскопа и нормалью к траектории для Фазы 1 в среднем превышало аналогичное значение для Фазы 3, что и обусловило общий разгон груза. Это хорошо видно из Графика 4.

Наличие гироскопичекой тяги можно было бы доказать одним только фактом приращения импульса груза. Однако анализ причин волнообразного характера динамики радиуса отклонения, проведённый автором, является ещё одним и очень наглядным доказательством наличия гироскопичекой тяги

Кроме того, проведённый анализ позволяет сделать вывод о том, что вектор тяги направлен вдоль оси вращения диска гироскопа в сторону от точки крепления, как это показано на Рисунке 5.

Рисунок 5

• Материальная система груза не является замкнутой.
• Сила гироскопической тяги является внешней силой по отношению к грузу.
• Эта внешняя сила индуцируется материальной системой груза.

Несмотря на то, что последние выводы звучат довольно смело, можно привести примеры физических эффектов, в которых можно наблюдать похожее явление: это эффекты Брауна и Серла. В наиболее чистом виде опыты, демонстрирующие эффекты Брауна и Серла, были поставлены и описаны Валерием Делямуре [2][3].

В научно-популярной литературе для подобных явлений часто используется термин “безопорная тяга”. Такой термин представляется некорректным, так как нарушает причинно-следственные связи и закон сохранения импульса. В случае эффектов Лэйтвейта, Брауна и Серла никакой “безопорной тяги” нет, а есть незамкнутая материальная система, к которой приложена внешняя сила, индуцированная этой материальной системой.

Для объяснения физической природы эффекта Лэйтвейта автор предлагает гипотезу, основанную на эфирной теории. В рамках этой теории эфир представляет собой сверхупругую жидкость, обладающую давлением [4]. С случае эффекта Лэйтвейта, перед диском прецессирующего гироскопа образуется область низкого эфирного давления. Гироскоп выдавливается в эту область более высоким давлением эфира, действующим на гироскоп с других сторон. Другими словами, предполагается, что сила гироскопической тяги имеет архимедову природу.

Стоит также заметить, что несомненным достоинством опыта, проведённого автором, является его простота и низкий бюджет. Такой опыт можно легко поставить дома или в школьном кружке.

Фрагмент видеозаписи эксперимента доступен к просмотру на YouTube [5].


Благодарности

Автор выражает благодарность Олегу Гриню, Ирине Лефтеровой, Оксане и Кириллу Голушко за помощь в проведении эксперимента. Автор признателен Кариму Хайдарову за обсуждение проведённого эксперимента и моральную поддержку работы автора.

Скачать файл статьи в формате pdf