Речь идет об устройстве, известном в физике как маятник Максвелла. Конструкция его очень проста: маховичок с осью, на которую намотана нить. Нередко этот прибор демонстрируют на уроках физики, но почти так же устроена игрушка, существовавшая уже в античные времена. В Англию она попала в XVIII веке в качестве китайской диковинки и стала известна под названием «бандилор», а в Париже появилась в 1791 году как «игрушка из Нормандии». Популярность ее среди французской аристократии была очень высока, и во времена Великой французской революции знать, бежавшая из страны, наряду с фамильными драгоценностями вывозила и свои любимые игрушки, сделанные из слоновой кости, черного дерева, золота и серебра, способствуя их распространению в Европе, в том числе и в России. Кое-где эту игрушку называли «эмигретта».

Мальчик, играющий с йо-йо. Рисунок на греческой вазе (450 г. до н. э.)

Современное название — йо-йо — было придумано и запатентовано примерно в 1930 году американским бизнесменом Д. Дунканом. Он, видимо, исходил из французского слова «игрушка» — «joujou». Этот делец организовал, пожалуй, самое буйное помешательство на игре, которое только видел свет. Только за время 30-дневных соревнований по игре йо-йо в 1931 году в Филадельфии было продано около трех миллионов этих игрушек. И хотя время подобных безумств, похоже, прошло, интерес к йо-йо не угас до сих пор.

Типичное йо-йо классической конструкции имеет вид двух дисков из дерева пли пластмассы диаметром 7—8 сантиметров, соединенных стальной осью толщиной миллиметров пять. На оси закреплен конец тонкого прочного шнурка, на другом его конце — колечко или петля. В современных моделях шнурок сложен пополам и скручен, он не прикреплен к оси, а охватывает ее петлей. Это позволяет делать с такой игрушкой трюки, невозможные с йо-йо старой конструкции,— речь о них пойдет ниже.

Схема устройства классического йо-йо (слева) и современного варианта (справа). Маятник Максвелла отличается тем, что это маховичок из одного диска, подвешенного на двух нитях, наматываемых на два конца оси.

Если взять «классическое» йо-йо, намотать на его ось шнурок, надеть колечко на палец и отпустить игрушку, она не упадет сразу. Шнурок, намотанный на ось, начнет раскручиваться, заставляя вращаться маховик. Теряя высоту, он увеличивает скорость вращения и спуска; часть его потенциальной энергии переходит в кинетическую энергию вращательного движения, часть — в энергию поступательного. Чем тоньше ось игрушки и больше момент ее инерции, тем медленнее нарастает ее скорость. Как только нить размотается полностью, йо-йо мгновенно меняет направление движения, сильно рванув шнур. Продолжая вращаться, оно начинает наматывать на ось шнурок и устремляться по нему вверх. Но первоначальной высоты, с которой маховик начал опускаться, он никогда не достигнет: часть энергии неизбежно тратится на преодоление сил трения.

Чтобы поддержать движение йо-йо, можно «подкачать» энергию в маховик, подтягивая шнурок, когда игрушка идет вниз, и отпуская его, когда он поднимается. Опытные игроки таким способом не только компенсируют потери энергии, но и могут раскрутить маховик до 140 оборотов в секунду — скорости, которую он приобрел бы, опускаясь по шнурку с высоты 25 метров.

Современная модель вверх не пойдет, а, опустившись вниз, будет вращаться в петле на конце шнурка — «спать», быстро теряя скорость. Если для трюка необходимо, чтобы маховик «спал» подольше, нужно «накачать» в него как можно больше энергии.

Чтобы «разбудить» йо-йо, нужно резко дернуть шнур. Петля при этом плотнее охватит ось, трение мгновенно увеличится, и возникшая сила подбросит игрушку вверх. Шнур, ослабив натяжение, успеет 2—3 раза обмотаться вокруг оси, прежде чем натянется снова. Трение при этом возрастет настолько, что ось перестанет проскальзывать и йо-йо, продолжая вращаться, побежит вверх по шнуру и вернется в руку игрока. Все это происходит так быстро, что со стороны кажется, будто игрушку втянула упругая резинка.

Это нехитрое устройство не имело бы столь долгой истории и никогда не вызвало бы такого энтузиазма, если бы не трюки, смахивающие на фокусы, которыми опытный игрок может удивлять зрителей. В них движение игрушки по нити складывается с колебаниями и вращением нити вокруг пальца. Один из примеров такого трюка — «космическая ракета», который очень эффектен и достаточно прост технически.

Йо-йо с силой бросают к земле и рывком возвращают назад. За мгновение до того, как игрушка придет в руку игрока, колечко шнурка сбрасывают с пальца, и йо-йо взлетает вертикально вверх. Высота его подъема зависит от накопленной маховичком энергии и, следовательно, определяется скоростью броска вниз. Этот трюк можно делать и с «классическим» йо-йо, но особенно он выразителен с игрушкой современной конструкции: когда «спящее» йо-йо неожиданно «просыпается», устремляясь высоко вверх, оно производит впечатление стартующей ракеты.

Для трюка «вокруг света» необходимо современное йо-йо. В самом простом варианте его запускают «спать» и в этом состоянии раскручивают вокруг руки в вертикальной плоскости: это символизирует спутник на околоземной орбите. «Просыпаясь», игрушка возвращается в руку игрока — идет на посадку.

«Облет планеты» — фокус посложнее. Он проводится с «классическим» йо-йо, которое бросают к земле так, чтобы оно вернулось с небольшой скоростью. Рука игрока по-прежнему имитирует планету, а йо-йо — космический корабль. Нужно изобразить, что корабль, приблизившись к планете, переходит на круговую орбиту вокруг нее, а потом снова уходит в пространство. Для этого игрок должен сделать несколько быстрых движений рукой вокруг приближающегося йо-йо, а затем энергично рвануть нить. Возникшая сила заставит маховичок переменить направление вращения, и игрушка, замерев на мгновение, станет удаляться с возрастающей скоростью, чтобы вернуться при следующем обороте.

Подобных трюков — посложнее и попроще — можно придумать немало. Но, осваивая их, следует помнить, что маховик может вращаться не только вокруг своей оси, но и вокруг нити, особенно если она скручена, как в йо-йо современной конструкции. Большая скорость вращения маховичка стабилизирует его положение в пространстве за счет гироскопического эффекта, но когда йо-йо, поднявшись по нити, останавливается, даже легкого усилия со стороны перекрутившейся нити бывает достаточно, чтобы развернуть его градусов на 30.

Кроме того, ось вращающегося маховичка может прецессировать — описывать в пространстве коническую поверхность. Возникает прецессия за счет того, что шнурок, наматываясь на ось беспорядочным образом, трется о края маховика, массы половинок маховичка неодинаковы, или эксцентричны, и «бьют» при вращении.

Чтобы игрушка была свободна от этих недостатков, она, во-первых, должна быть хорошо уравновешена и сделана достаточно аккуратно, а во-вторых, она может вместо нити иметь гибкую ленту с шарниром, прикрепляющим ее к кольцу для пальца и позволяющим ленте поворачиваться относительно этого кольца.

Вообще йо-йо различных видов существует великое множество. У одного из них маховичок, закрепленный на неподвижной оси, раскручивается опускающимся грузом, у другого он вообще не скреплен с нитью, а свободно катается по ней (такая конструкция называется «летающий верблюд», или «диаболо» — двойной мяч, и нередко демонстрируется в цирке), у третьего одна половинка маховичка жестко скреплена с осью, а вторая свободно вращается на ней (это приводит к очень сложному движению игрушки за счет сильной прецессии) и так далее — энтузиасты, занимающиеся йо-йо, насчитывают порядка сотни вариантов его устройства.

Весьма разнообразны к применяемые материалы. В древности они были нередко драгоценными: слоновая кость, серебро, золото, венецианское стекло. В наше время это металлы, дерево, разные пластмассы, комбинированные конструкции, например, маховички из тяжелого дерева, а ось металлическая. Некоторые «фанатики» йо-йо утверждают, что определенные сорта дерева, примененные для оси, дают более длительное вращение. Это утверждение нуждается в строгой проверке, по идее, более гладкая металлическая ось должна давать меньшее трение со шнурком, но сторонники древесины ссылаются на ее особые эластичные качества. Пластмассовая ось, как правило, не годится: многие полимеры, включая тефлон, подплавляются в полосе контакта со шнурком (при трении выделяется тепло), особенно в йо-йо современной конструкции.

Простота йо-йо позволяет каждому сделать свою, персональную конструкцию с учетом собственных возможностей, умения и вкуса. Задумав подобную самоделку, следует помнить, что в любом ее варианте сохраняются общие механические принципы: чем ось игрушки тоньше, а диаметр маховичка и его масса больше, тем медленнее она будет опускаться, тем больше энергии запасет и тем слабее будет удар, когда йо-йо дойдет до конца нити. Тонкая ось необходима, особенно в игрушке современной конструкции, способной «спать». Но вместе с тем она должна быть прочной, чтобы выдержать ударные нагрузки, достигающие силы в несколько килограммов, и не очень скользкой, чтобы «спящее» йо-йо безотказно «просыпалось».

Видимо, некоторые читатели смогут предложить необычные трюки с йо-йо, оригинальные варианты конструкции или захотят поделиться своим способом изготовления этой простой, но интересной игрушки. Такие комментарии будут приняты с благодарностью.