Относительно чего остается неподвижной ось вращения гироскопа?

Она остается неподвижной относительно плоскости вращения ротора, если речь о механическом гироскопе. А любое вращающееся тело сопротивляется отклонению от плоскости, в которой оно начало вращаться — можно условно сказать, что гироскоп «стремится» сохранить ее неподвижной. Если понятнее не стало, предлагаем более подробное объяснение.

В основе гироскопического эффекта — инерция, то есть свойство любого тела при отсутствии внешних сил сохранять свою скорость и направление движения. Более того, чем массивнее и быстрее объект, тем сильнее он сопротивляется изменению этих параметров. Итоговые скорость и направление движения вычисляются суммой векторов, что важно помнить.

Для вращающегося тела ситуация похожая, только есть одна важная модификация. Представим вращающийся диск (ротор гироскопа) не монолитным, а состоящим из привязанных к оси вращения шариков. Каждый из них стремится продолжить свое прямолинейное движение — то есть, улететь дальше по касательной к окружности. Но им не дает привязь, так что они остаются частью нашего диска. Каждый условный шарик в роторе уравновешен таким же на противоположной стороне.

Откуда же берется стабильность волчка или ротора гироскопа? Вспомним про сложение векторов и представим, что происходит, когда на наш диск с одной стороны начнет действовать некая сила. Для простоты, пусть она будет перпендикулярна плоскости вращения и направлена условно вниз. В месте воздействия шарик получит дополнительную скорость, вектор которой направлен уже не под прямым углом к плоскости вращения — не забываем про инерцию и сложение векторов. К тому же, ротор монолитен и на противоположной стороне от потревоженного шарика есть еще один, инерцию которого тоже нужно учитывать.

Причем раз шарик жестко закреплен на оси, бесконечно он отклоняться от первоначальной плоскости не сможет. Связь с осью вращения формирует центростремительную силу, которую тоже необходимо учитывать в сумме векторов. И действует она постоянно, в отличие от внешнего возмущения. Когда шар пройдет путь в четверть окружности+ отклонение достигнет максимума, а затем снова начнет снижаться. Проще говоря, получится новая плоскость вращения.

Наконец, финальный элемент гироскопа — та самая ось. Представим, что она у нас не воображаемая, а настоящая и «волчок» ею опирается на что-нибудь. Теперь при любом воздействии на ротор плоскость вращения отклоняется, центр масс всей конструкции смещается относительно опоры и… Гироскоп не падает, потому что прецессирует.

Как мы помним, отклонение плоскости вращения происходит не в точке приложения силы, а через 90 градусов — четверть окружности. Следовательно, гироскоп, пока его ротор вращается, постоянно «убегает» от той стороны, куда его пытались наклонить. Это и называется прецессией. Самое красивое в гироскопическом эффекте то, что при экспериментах с ним вовсе необязательно самому прикладывать какие-либо силы. Достаточно сильно раскрученный гироскоп (или просто с очень хорошими подшипниками) покажет даже вращение Земли, ведь это будет тоже смещением его оси относительно плоскости вращения.

Понятнее всего гироскопический эффект, конечно, при его визуализации. Рекомендуем следующие видео (некоторые на английском языке, но анимации будет достаточно):