Глазами физика

Ежегодно на моих лекциях по электричеству и магнетизму проходит любопытный конкурс двигателей. (Впервые за несколько лет до меня его провели мои коллеги и друзья профессора Вит Бурза и Виктор Вайскопф.) Каждый студент получает конверт с простыми исходными материалами: два метра медного провода с изоляцией, две канцелярские скрепки, две чертежные кнопки, два магнита и небольшой брусок дерева. От студентов требуется принести батарейку типа AA с электрическим потенциалом в 1,5 вольта. Они могут использовать любой инструмент, пилить дерево и сверлить отверстия, но двигатель должен быть собран только из материалов, находящихся в конверте (клейкая лента и клей запрещены). Из этих простых ингредиентов студентам нужно построить двигатель, который будет работать быстрее других (то есть совершать наибольшее число оборотов в минуту). Скрепки предназначены для того, чтобы стать опорами для вращающейся катушки; провод необходим, чтобы сделать саму катушку; а магниты надо расположить так, чтобы обеспечить в катушке крутящий момент при прохождении по ней тока от аккумулятора.

Теперь предположим, что вы решили принять участие в конкурсе. Вы подключаете аккумулятор к своей катушке, и та начинает вращаться по часовой стрелке. Все идет нормально. Но, к вашему большому удивлению, катушка вскоре останавливается. Причина в том, что после каждого полуоборота крутящий момент, прилагаемый к ней, меняет направление на обратное. Реверсирование крутящего момента будет препятствовать вращению по часовой стрелке; катушка может даже какое-то короткое время вращаться против часовой стрелки. Очевидно, это не то, чего мы хотим добиться от своего двигателя. Нам нужно получить непрерывное вращение только в одном направлении (будь то по часовой стрелке или против нее). Эту проблему можно решить путем изменения направления тока, проходящего через катушку, на обратное после каждого полуоборота. Тогда крутящий момент будет прилагаться к катушке всегда в одном и том же направлении и, следовательно, она будет вращаться только в одном направлении.

Мастеря двигатели, студентам нужно решить неизбежную проблему реверсии крутящего момента, и мало кому из них удается собрать так называемый коммутатор – устройство, разворачивающее ток в обратную сторону после каждого полуоборота. Впрочем, это действительно довольно сложно. К счастью, есть одно очень умное и простое решение задачи, не требующее изменения направления тока. Если сделать так, чтобы ток (и, следовательно, крутящий момент) после каждого полуоборота стремился к нулю, крутящий момент в катушке в течение половины каждого оборота вообще отсутствует, а в течение другой половины каждого оборота всегда направлен в одну и ту же сторону. В результате катушка продолжает вращаться.

Я набавляю по очку за каждые сто оборотов в минуту, которые делает собранный конкурсантом двигатель, – и так максимум до двадцати очков. Студенты обожают этот проект, а поскольку речь идет о студентах Массачусетского технологического института, за много лет, которые я преподаю, они придумали несколько поистине удивительных конструкций.

Должен сказать, почти всем студентам без особого труда удается собрать двигатель, делающий около 400 оборотов в минуту. Как же они заставляют катушку вращаться в одном и том же направлении? Прежде всего, так как проволока полностью изолирована, надо соскрести изоляцию с одного конца катушки так, чтобы она всегда контактировала с одной из сторон аккумулятора – какой конец выбирает студент, не имеет значения. Со вторым концом провода дело обстоит значительно сложнее. Необходимо сделать так, чтобы ток через катушку шел только половину оборота – иными словами, найти способ разорвать цепь на полпути. Поэтому конкурсанты соскребают со второго конца провода половину изоляции. Это означает, что лишь половина окружности проволоки не изолирована. В те периоды, когда ток прекращается (каждую половину оборота), катушка продолжает вращаться даже без крутящего момента, прилагаемого к ней (трения недостаточно, чтобы остановить ее на половине оборота). Конечно, чтобы определить, как именно надо соскоблить изоляцию и какая именно половина провода должна быть голой, требуется немного поэкспериментировать – но как я уже сказал, почти всем ребятам удается получить результат в 400 оборотов в минуту. Это удавалось и мне – но у меня никак не получалось достичь значительно лучшего показателя.

А потом мои же студенты объяснили мне, в чем проблема. Как только катушка начинает делать более нескольких сотен оборотов в минуту, она начинает вибрировать на своих опорах (скрепках), часто разрывая цепь и, следовательно, прерывая крутящий момент. В итоге самые проницательные студенты выяснили, как заставить два куска проволоки удерживать концы катушки на скрепках на обоих концах, одновременно позволяя ей вращаться с небольшим трением. И это в общем-то пустяковое усовершенствование позволило им – хотите верьте, хотите нет – достичь 4 тысяч оборотов в минуту!