Всем хорошо знакома детская игрушка юла — вращающийся волчок. Стоит его быстро раскрутить, как он приобретает удивительную устойчивость и не падает набок. Больше того, он даже будет оказывать сопротивление попыткам изменить положение оси его вращения. Эти свойства волчка используют в так называемых гироскопических игрушках.

На первом рисунке представлена игрушка английского изобретателя Р. Кларка. Из картона вырежьте два диска. С помощью клея соедините их переходной втулкой из ластика — получится что-то очень похожее на магнитофонную катушку. Остается в центре катушки просверлить сквозное отверстие, чтобы в него туго входил корпус шариковой ручки. И еще на верхнем диске надо пробить несколько отверстий. Игрушка готова.

Поставьте волчок Кларка на лист плотной бумаги и сильно раскрутите его. Волчок будет долго вращаться — на бумаге останется лишь точка. А теперь вставьте в ближайшее от оси вращения отверстие свинцовую заклепку. Снова раскрутите волчок. Теперь он, вращаясь, станет перемещаться — на бумаге появятся спирали. Переставьте заклепку в другое отверстие, и шарик нарисует новую кривую, непохожую на первую.

Объяснить поведение волчка нетрудно. Помимо сил инерции, на вращающуюся игрушку оказывает влияние центробежная сила, величина которой зависит от массы свинцовой заклепки, угловой скорости вращения волчка, расстояния от заклепки до оси вращения.

Игрушку, которую вы видите на рисунке 2, запатентовал американский изобретатель Р. Грейг. Корпус игрушки, если его так можно вообще назвать, представляет собой круглый воздушный шарик. Но это не означает, что применение шарика упрощает конструкцию волчка. Хотя в надутом состоянии оболочка и образует достаточно прочный корпус игрушки, но масса его явно недостаточна, чтобы при вращении создавать большой момент инерции. Грейг сместил центр тяжести игрушки вниз, то есть установил шарик на тяжелую коническую опору. Она состоит всего из двух деталей: сильного постоянного магнита цилиндрической формы и стальной заостренной книзу ножки. Магнит сквозь горловину вставлен внутрь шарика и через оболочку прижимает к себе ножку.

Чтобы заставить такой волчок вращаться, нужно сделать заводной механизм. Он состоит из полой ручки, внутри которой вращается ось, на которой посажены бобина с прочной нитью и зубчатое колесо. К наружному концу привязано кольцо. Второе зубчатое колесо, аналогично опорной ножке, удерживается на оболочке шарика магнитом. Заводной механизм используется только в момент запуска волчка и в его вращении не участвует.

В принципе игрушка Грейга мало чем отличалась бы от обыкновенной юлы, если бы не одна хитрость. Изобретатель наклеил изнутри прямо на оболочку шарика несколько небольших латунных дисков. Что это дало, понять нетрудно. На вращающиеся диски действует центробежная сила. Она стремится отбросить их от оси. Но этому препятствует сила упругости резиновой оболочки шарика. В начальный момент, когда частота вращения наибольшая, оболочка шарика немного деформируется, на ней появляются выпуклые места, которые по мере торможения волчка постепенно уменьшаются.

Остается добавить: чтобы эффективнее работал заводной механизм, его необходимо дополнить храповиком и возвратной пружиной.

Игрушка К. Лопатина представлена на рисунке 3. Это тоже волчок. Самое необычное в нем то, что ему вовсе не надо опираться на что-то твердое. Если раскрутить игрушку, она полетит. Подъемную силу, уравновешивающую силу тяжести, создает трехлопастный ротор, искусно упрятанный автором внутри цилиндрического корпуса.

Основные детали волчка Лопатина: круглая деревянная палочка, цилиндрический каркас из упругой стальной проволоки, обтянутый тонкой материей, и ротор, изготовленный из дубового или букового шпона.

Сделать такую игрушку нетрудно. Гораздо труднее научиться ею пользоваться. Техника запуска сводится к следующему. Палочку зажимают между ладонями и резким движением рук в горизонтальном направлении раскручивают игрушку. В начальный момент она взлетает невысоко, а потом медленно, парашютируя, опускается вниз. Так вот задача играющего — не дать упасть игрушке на землю. А это произойдет только в том случае, если частота вращения не будет уменьшаться. Вот для чего изобретатель придумал плеточку с несколькими короткими шнурками. Надо ударять этими шнурками по боковой цилиндрической поверхности волчка и тем самым подпитывать его энергией.

Интересный эффект можно получить, если установить небольшой грузик подальше от оси вращения, например, где-нибудь на проволочном каркасе. В этом случае вращающийся волчок будет еще и перемещаться в сторону, причем по сложной траектории.

Идея игрушки, которой мы завершаем рассказ о гироскопических игрушках, появилась у изобретателя М. Голубева, когда он смотрел программу «Автородео-81». В эту программу входили такие известные трюки, как езда автомобилей на двух колесах, развороты на 360 и 720°, прыжки через несколько стоящих автомашин. Вот и захотел Голубев смастерить себе модель автомобиля, которая тоже могла бы ездить не на четырех, а на двух колесах. Посмотрите на рисунок 4. Двигатель модели — маховик. Если его раскрутить, то через несколько шестеренок он будет крутить задние колеса. При взгляде на рисунок может сложиться впечатление, будто нового Голубев ничего не придумал, ведь точно такой же привод установлен на инерционных игрушках. Но это не так. Две вроде бы незаметные поначалу особенности отличают привод Голубева от уже известных. Прежде всего обратим внимание на маховик. Он выглядит очень массивным, а значит, энергии он накапливает гораздо больше. И еще, вращается маховик относительно не горизонтальной, а вертикальной оси. Вот эти две особенности и позволяют модели ехать не на четырех, а на двух колесах. Раскрутив маховик, модель пускается по ровному участку трассы. Но вот переднее, а затем заднее колеса с правой стороны наезжают на подъемный мостик. Модель накреняется под углом 45°. Мостик кончается, а она так и продолжает ехать вперед, опираясь лишь на два колеса. Силы инерции уравновешивают силу тяжести, и пока их разность имеет положительную величину, игрушка будет ехать в неустойчивом положении на двух колесах. При замедлении наступает момент, когда силы сравняются. Начиная с этого момента модель очень медленно начинает опускаться.