Spinner – siły żyroskopowe w zasięgu ręki

Miał być następny odcinek o kwantologii, ale dziś wydanie specjalne.

Piękny, czerwcowy dzień chylił się już ku zachodowi, gdy żona poinformowała mnie, że na według TV Republika, spinner naszego dziecka jest dziełem szatana. Zawsze mówię, że na Facebooka nie należy wchodzić częściej niż raz na kilka dni. Trudniej wtedy trafić na nieistotne i zaśmiecające uwagę informacje udostępnione przez znajomych. Na przykład na rewelacje o szatańskości spinnerów.

Co to za zabawka? Przyznam się, że sam nie miałem pojęcia cóż to może być, dopóki nie zostałem zmuszony przez swojego syna do wysupłania 25 złotych za sztukę (na pewno są tańsze) i zakupu płaskiego, symetrycznego „czegoś” z zamontowanym w środku łożyskiem. Dzięki łożysku zabawka kręci się długo i… to jej jedyna funkcja.

Zabawka ta daje niezwykłą okazję do zaobserwowania tzw. sił żyroskopowych. Ale od początku. Wielkość fizyczna odpowiadająca „ilości ruchu obrotowego” to tzw. moment pędu. Tych co nie wiedzą z czym się to je, odsyłam do notki „Doświadczenie z telefonem”. W dość umowny sposób określa się kierunek momentu pędu – ale jeśli oś obrotu jest jednocześnie osią symetrii przedmiotu, to ona jest właśnie tym kierunkiem. Tak jest w przypadku naszych spinnerów. Kiedy płaszczyzna obrotów się się zmienia, zmieni się również kierunek momentu pędu. A moment pędu może zmienić się tylko wtedy, gdy zadziała moment sił. To odpowiednik II zasady dynamiki dla ruchu obrotowego – moment sił zmienia moment pędu.

Gdy rozpędzimy zabawkę – trzymając ją w środku palcem wskazującym i kciukiem – i będziemy zmieniać płaszczyznę obrotu, poczujemy siłę reakcji zabawki. Zmieniając kierunek momentu pędu działamy takimi siłami, by ułożyły się w odpowiedni moment sił. Zabawka zgodnie z III zasadą dynamiki działa z siłami przeciwnymi do naszych, które poczujemy „w palcach”.

Dzieje się tak nie tylko w przypadku zabawki. Wszelkie wirniki silników, których pojazdy zmieniają kierunek również poddawane są siłom żyroskopowym. I o ile łożysko spinnera nie jest przy takiej okazji widocznie niszczone, to dla wirnika w samolocie, może to być poważny problem inżynieryjny.

Skoro już trochę poćwiczyłeś, pora na kolejne eksperymenty, do których potrzeba będzie trochę plasteliny i spinner o dwóch ramionach. Ten batmanowy ze zdjęcia się nada.

Powyżej napisałem, że dla obiektu symetrycznego oś obrotu jest tożsama z kierunkiem momentu pędu. Spróbujmy więc zaburzyć tę symetrię. Proponuję nakleić nieco plasteliny (im więcej tym lepiej, choć za dużo nie da rady, bo nie zmieści się między palcami). Dołączenie jednakowych kawałków po obu stronach, spowoduje, że środek ciężkości będzie zachowany, ale moment pędu nie będzie już prostopadły do płaszczyzny ruchu – tu znów po szczegóły odsyłam do notki „Doświadczenie z telefonem”. Ta przerywana linia to oś obrotu, widok „w z boku”:

Po zakręceniu poczujesz delikatne huśtanie. No właśnie – ponieważ kierunek momentu pędu jest nieco inny od osi obrotu, to przez cały czas się zmienia. Jak już wspomniałem wiąże się to z ciągłym dokładaniem odpowiedniego momentu sił. Siły reakcji dają właśnie wrażenia huśtania.

Proces odwrotny do naszego eksperymentu – czyli takie dociążanie koła, by jego moment pędu pokrywał się z osią ruchu, nazywa się wyważaniem i chyba każdy kierowca go widział. Przy zmianie opon :)

Możemy poczuć jeszcze jedno zjawisko: siłę dośrodkową. W tym celu oklejamy spinnera jak na rysunku:

Po zakręceniu, nieco podobnie, choć mocniej niż w poprzednim przypadku, poczujemy „bicie”. Akurat moment pędu nie zmienia kierunku, więc to nie on jest odpowiedzialny za odczuwaną siłę. Winny zamieszaniu jest różny rozkład mas. Ponieważ ruch jest po okręgu, a masy są różne po obu stronach pojawia się niezrównoważona siła dośrodkowa. Ściślej: żeby zachować oś obrotów, musimy nieco ciągnąć zabawkę w stronę „od doklejonej plasteliny”. To uczucie jakbyśmy musieli przeciwstawiać się „biciu”.

Zachęcam do samodzielnych eksperymentów.

* * *

Co do szatańskości: Łatwo naśmiewać się z obsesji amerykańskich pastorów o skrajnych poglądach, które to obsesje są czasami przenoszone na nasz grunt. Któż z nas nie pamięta homoseksualnych Teletubisiów czy okultystycznego Pottera. Więc całkiem poważnie – jeśli ktoś pisze: Popularna zabawka ma ukrywać cyfry 666, czyli „liczbę bestii”, która jest symbolem diabła. Cyfry te dostrzec można, kiedy zabawka wiruje w ręku dziecka, to według mnie powinien się zastanowić przede wszystkim nad samym sobą. Dlaczego? Może mała analogia, przyznaję dość daleka: Kilka lat temu kupiłem sobie drukarkę laserową. Wcześniej oczywiście szukałem w internecie odpowiednich informacji. Już po kupnie, przez dwa tygodnie reklamy na najrozmaitszych stronach informowały mnie o możliwości zakupu laserówki. W podobnej sytuacji był kiedyś jeden z dziennikarzy, który dziwił się reklamom serwisów randkowych na oglądanych przez siebie stronach www.