Разумные машины

Аншютц свою установку придумал так, чтобы автоматически использовалось еще одно замечательное свойство волчка, которое легко обнаружить на детской двадцатикопеечной игрушке.

Закрутив волчок посильнее, чтобы он «заснул», и взяв в руки столовый нож, легонько толкнем лезвием по верхушке оси в сторону от себя. Мы сразу же заметим, что ось волчка, вместо того чтобы двигаться по направлению удара, отклоняется в сторону — вправо или влево — под прямым углом к направлению удара. Так волчок всегда отвечает на действие силы, стремящейся сдвинуть его ось.

Это отклонение волчка в сторону от направления силы называется прецессией.

Аншютц и использовал прецессию для того, чтобы волчок сам собою устанавливался в меридиане.

Понять действие прецессии в гирокомпасе Аншютца нетрудно. Представим себе для простоты, что дело происходит на экваторе. Расположим аппарат так, чтобы ось волчка, будучи горизонтальной, лежала в направлении экватора. Через несколько минут Земля повернется на некоторый угол.

Если бы волчок был свободен, то его ось, сохраняя в пространстве прежнее направление, изменила бы свое положение относительно горизонтальной плоскости — один ее конец поднялся бы над горизонтом, другой опустился бы. Но волчок не свободен. Поплавок с грузом непрерывно заставляет поднимающийся конец его оси опускаться вниз до совпадения с горизонтальной плоскостью.

Свободный (подвешенный в кардановом подвесе) волчок на экваторе. При вращении Земли в сторону, указанную стрелкой, такой волчок сохраняет направление своей оси без изменения. Под каждым положением волчка указан горизонт. Наблюдателю же, стоящему возле волчка, будет ошибочно казаться, что волчок меняет направление оси в пространстве.

Опыт с волчком, показывающий прецессию. Получив удар вперед (направление А), ось волчка, если он вращается по часовой стрелке, отклоняется вправо. При вращении же против часовой стрелки ось волчка отклоняется влево (направление Б).

Поплавок Аншютца на поверхности океана на экваторе, видимый с южного полюса. Вращение Земли указано стрелкой. При вращении Земли ось волчка стремится сохранить свое начальное положение, отчего один ее конец (на рисунке — правый) все время «хочет» подняться над горизонтом, но груз внизу мешает этому, увлекая правый конец оси вниз. Возникает прецессия — движение оси волчка в сторону.

Волчку это «не нравится», и на действие силы тяжести он отвечает прецессией, отклонением оси в сторону, которое продолжается до тех пор, пока она не совпадет с меридианом. В этом положении ось волчка все время остается в горизонтальном положении, и прецессии не будет.

Подобное же поведение волчка на поплавке будет наблюдаться и вдали от экватора. Но направляющее действие земного вращения будет все слабее по мере приближения к полюсам, где оно становится равным нулю.

Теоретически простая идея гирокомпаса Аншютца потребовала, однако, огромного труда, остроумной изобретательности и значительных средств для практического осуществления. Основным был вопрос о получении очень большой скорости вращения и о непрерывном поддержании ее в течение долгого времени. С этим связан вопрос о сверхпрочном металле для волчка и о конструкции подшипников. При опытах Аншютца бывали такие случаи, когда волчки разрывались на куски от действия огромной центробежной силы.

Общий вид гирокомпаса Аншютца 1912 г.

Первые гирокомпасы Аншютца были несовершенны.

Под влиянием качки корабля они расстраивались и начинали давать неверные показания, с ошибкой, доходившей до пятидесяти градусов. Поэтому гирокомпасы Аншютца сначала не привлекли к себе большого внимания.

В 1911 г. появился гирокомпас и в Америке. Его изобретателем был инженер Эльмер Сперри. В гирокомпасе Сперри, как и у Аншютца, используется для установки оси в меридиане все та же прецессия, но достигается это иным устройством.

Сперри скрепил ось волчка с трубкой в виде латинской буквы U. В эту трубку налита ртуть.

Гирокомпас Сперри (упрощенное изображение). Д — диск волчка; О — ось волчка; Т, T1 — изогнутая трубка с налитой в нее ртутью. Волчок помещен в кардановом подвесе, и его ось поэтому могла бы занимать любое положение в пространстве. Но трубка с ртутью, играющая роль груза в поплавке Аншютца, мешает этому, возвращая ось к горизонтальному положению.

Действие трубки с ртутью на волчок в компасе Сперри.

Оба колена трубки сообщаются друг с другом, поэтому ртуть в них всегда стоит на одном и том же горизонтальном уровне.

Перенесемся снова на экватор. Расположим ось волчка горизонтально в направлении экватора.

Если бы волчок был свободен, то его ось, сохраняя неизменным свое направление в пространстве, в результате вращения Земли стала бы менять свое положение относительно горизонта — ее восточный конец начал бы подниматься.

Но волчок не свободен. Вместе с осью меняют свое положение и колена трубки — одно (восточное) поднимается, другое опускается. От этого ртуть начнет перетекать из первого сосуда во второй, который, сделавшись тяжелее, станет тянуть конец оси вниз. На это волчок ответит прецессией — движением в сторону, которое будет продолжаться до совпадения оси с меридианом. Тогда ось волчка, несмотря на вращение Земли, все время будет лежать горизонтально, и прецессии не будет.

Гирокомпас Сперри с самого начала оказался лучше гирокомпаса Аншютца и быстро стал распространяться на военных судах США.

Однако, и Аншютц с каждым годом улучшал свою конструкцию и к 1912 г. добился хороших результатов.

«Чувствительный элемент» гирокомпаса Сперри. В кожухе находится быстро вращающийся волчок.

В это время уже сильно «запахло» большой войной. Пролог ее начался на Балканах в октябре 1912 г. и продолжался почти год в виде трех малых балканских войн. Германия усиленно и спешно готовилась к «большим событиям». Одним из элементов этой подготовки было введение на военных кораблях гирокомпасов Аншютца. Примеру Германии и США последовали Англия, Франция, Италия, Россия. 1 августа 1914 г., к началу мировой войны, все главнейшие военные флоты ввели гирокомпасы у себя на кораблях и подводных лодках. В русском флоте были применены гирокомпасы Сперри. В послевоенное время гирокомпасы подверглись дальнейшим усовершенствованиям, и теперь они являются очень надежно действующими приборами.

В нашем советском флоте применяются гирокомпасы Сперри «марки VIII» и «марки V», которые раньше ввозились из Америки. Теперь мы прекрасно делаем их сами, введя в конструкцию некоторые улучшения.

У гирокомпаса Сперри «марки VIII» волчок, называемый ротором, имеет поперечник в 254 мм, толщину обода — 75 мм и весит около 25 кг. Нормальная скорость вращения ротора — шесть тысяч оборотов в минуту. Для изготовления ротора применяется марганцевая бронза. Ось делается из высокосортной стали. Подшипники шариковые. Ротор заключен в алюминиевую камеру, в одной половине которой расположен статор, создающий вращающееся магнитное поле. Ротор со статором образуют асинхронный электромотор трехфазного тока. К камере прикрепляются сообщающиеся сосуды, содержащие 340 г ртути. Над камерой устанавливается обычная компасная картушка. Все это на кардановом подвесе крепится внутри цилиндрической тумбы, которая называется нактоузом.

Нактоуз имеет застекленную крышку, сквозь которую видна картушка.

Нактоуз с магнитным компасом всегда устанавливается непосредственно перед штурвалом (рулевым колесом), чтобы рулевой мог видеть его картушку.

Нактоуз же с гирокомпасом обычно устанавливается во внутренних, хорошо защищенных помещениях корабля, где видеть его рулевой никак не может. Но этого и не требуется. Направляющая сила, действующая на ось волчка, гораздо больше той, которая влияет на магнитную стрелку. Это позволяет соединять с гирокомпасом ряд приборов различного назначения.

Общий вид гирокомпаса Сперри с нактоузом.

В первую очередь это будут репитеры — вспомогательные компасы, действующие от главного гирокомпаса, который называется «маткой». Репитер представляет собою компасную картушку, соединенную с электромоторчиком, который так устроен и так связан с маткой, что в точности мгновенно повторяет положение картушки основного гирокомпаса.

Компас-репитер, повторяющий все показания компаса-матки.

Таких репитеров можно присоединить к матке сколько угодно. Один из репитеров помещается перед рулевым.

С магнитным же компасом никаких репитеров связать нельзя.

Едва ли следует напоминать о том, что на гирокомпас магнитные силы не действуют и что на него, следовательно, железные и стальные массы корабля никакого влияния не оказывают.

Из всех механических роботов гирокомпас является бесспорно наиболее замечательным и удивительным.

Гирокомпас со всеми принадлежностями для линейного корабля. Гирокомпас-матка (виден посредине, справа от него два репитера (высокие тумбы).

В мировом пространстве вот уже два миллиарда лет носится вокруг Солнца огромный земной шар, в каждые двадцать четыре часа совершающий один оборот вокруг своей оси. Это величественное движение происходит бесшумно, спокойно, без малейших сотрясений, и поэтому ни одно живое существо его не ощущает, даже не подозревает о нем. Более того, человеческий род считал Землю совершенно неподвижной и еще недавно — с исторической точки зрения — посылал на костер тех дерзких мыслителей, которые утверждали, что Земля вертится.

И вот теперь изобретательная человеческая мысль создала такое механическое «существо», для которого вопрос о том, вращается ли Земля, становится праздным, наивным, даже глупым, так как оно отлично «чувствует» вращение Земли в каждое мгновение своей «жизни». И не только чувствует, но еще обязательно само располагается по меридиану. Если что-либо его выведет из этого положения, оно начинает «беспокоиться» и вертеться до тех пор, пока опять не совпадет с меридианом. Находиться в меридиане для него «высшее блаженство». Это механическое «существо» — гирокомпас, прошедший долгий путь от опытов Леона Фуко до последних работ многих сотен исследователей в различных странах земного шара.

Три механических помощника штурмана

Изобретение робота-компаса привело к появлению ряда других роботов, тесно связанных с ним и имеющих большое значение в мореходном деле. К ним в первую очередь относится курсограф — аппарат, непрерывно записывающий на бумажной ленте курс корабля, то есть направление, по которому он плывет. Курс математически определяют углом между северным направлением меридиана места наблюдения и направлением движения корабля.

Курсограф по внешности представляет собою небольшой металлический ящик, укрепляемый на стенке штурманской рубки. В верхней части крышки курсографа находится круглый прорез, края которого разделены на градусы. Вверху стоит нуль. Счет градусов идет по движению часовой стрелки. Внутри прореза помещается стрелка в виде кораблика. Эта стрелка показывает курс корабля в каждый момент его движения. В нижней части крышки курсографа имеется окно, через которое видна широкая полоса бумаги, разграфленная на клетки.

Внешний вид курсографа. Вверху в круглом отверстии виден диск со стрелкой в виде кораблика. Внизу в окне — движущаяся лента бумаги, на которой два пера записывают курс корабля. Правое перо отмечает градусы курса.

Курсограф со снятой крышкой. Видно внутреннее устройство: диск с корабликом, движущаяся лента бумаги, самопишущие перья и другие части.

На поперечных линиях указаны градусы, на продольных — часы и минуты. Бумага приводится в медленное движение часовым механизмом. Над бумагой помещены два пера с чернилами. Каждое из них чертит на бумаге непрерывную линию. Правая линия и представляет курс корабля в градусах.

Курсограф работает автоматически. Это робот. Внутри его коробки скрыт электромоторчик-репитер такого же типа, как и у компасов-репитеров. Этот моторчик электрически связан с гирокомпасом и в точности воспроизводит его показания с помощью стрелки-кораблика и самопишущих перьев.

Кормовые (задние) весла на древнегреческом корабле, служившие для управления им.

Управление рулем на корабле XVI века. 1 — верхняя палуба; 2 — ворот, свободно скользящий в шаровом шарнире, 3 — шар, служащий универсальным шарниром для ворота, 4 — руль; 5 — румпель; 6 — стопор; 7 — бимс, поддерживающий румпель; 8 — железный шкворень; 9 — железная палуба; 10 — батарейная палуба.

Гирокомпас позволил также полностью автоматизировать управление кораблем, идущим по прямой линии, точнее — с неизменным курсом.

Мысль об использовании волчка для управления корабельным рулем возникла давно, еще в конце прошлого века, когда Обри применил гироскоп Фуко для мин Уайтхеда. Но тогда осуществить ее нельзя было из-за того, что волчок гироскопа, сохраняя положение своей оси в пространстве, непрерывно меняет его относительно Земли. В торпедах, движение которых продолжается лишь несколько десятков секунд, перемещение оси волчка почти незаметно — оно лишь незначительно сказывается на направлении пути торпеды. Не то получается на корабле, идущем по заданному курсу многие часы, а иногда и несколько суток. Здесь гироскоп ничего поделать не может.

Спаренные штурвалы, применявшиеся для управления рулем на больших судах в начале XIX века.

Лишь изобретение гирокомпаса дало техническую возможность для превращения волчка в рулевого. Такой механизм был сконструирован за последние пятнадцать лет и получил название гирорулевого. Это высшее достижение техники в деле управления кораблем, завершающее развитие рулевого дела на протяжении по крайней мере пяти тысяч лет.

Самый древний способ поворачивать корабль в ту или другую сторону состоял в действии веслами, расположенными в кормовой части. Такие рулевые весла применяли, например, египтяне еще за полторы тысячи лет до начала нашего летоисчисления.

Около тысячи лет тому назад был изобретен корабельный руль. Управление рулем на средневековых парусниках было делом тяжелым и требовало иногда усилий нескольких человек.

Руль английского океанского парохода «Беренджерия». Вес руля — 55 тонн. Для починки руль был снят с парохода и на специальной прицепной тележке, которую тащил мощный тягач, был отправлен из Саутгемптона в Дарлингтон. По железной дороге его нельзя было перевезти — не было подходящей платформы.