Текст книги "Разумные машины (Автоматы)"
Автор книги: Олег Дрожжин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 17 страниц)
Глава третья
ГИРОРОБОТЫ
Всюду волчки
Существует большой класс роботов, главную часть которых составляет вращающийся волчок. Эти роботы имеют очень важное значение.
Едва ли можно найти в наше время такого мальчика, который хотя бы раз в жизни не смастерил себе волчка и не провел бы с ним много увлекательных часов, любуясь поразительной устойчивостью этой игрушки, когда она вращается.
Волчок известен человечеству очень давно, по крайней мере четыре-пять тысяч лет. Его находили в древнеегипетских гробницах возле детских мумий. И, несмотря на это, едва ли сейчас найдется много таких людей, которые знали бы все удивительные свойства волчка и где, кроме игрушечных магазинов, его можно найти.
А между тем с волчком мы встречаемся всюду. Вот мимо нас несутся автомобили. В каждом из них сидит волчок – то маховое колесо, которое насажено на вал мотора и вместе с ним делает две-три тысячи оборотов в минуту. Вот едет велосипедист; каждое колесо его несложной машины – волчок.
Заглянув в зарядный ящик любого артиллерийского орудия, мы найдем волчки и там. Ведь каждый снаряд в полете быстро вращается, делая в минуту около восемнадцати тысяч оборотов. Винтовочная же пуля совершает в минуту до двухсот пятидесяти тысяч оборотов. Это тоже волчок.
Колеса паровозов, вагонов, автомобилей – волчки.
Маховые колеса любого двигателя – паровой машины, дизеля – волчки.
Колеса (роторы) водяных или паровых турбин – волчки; у паровых турбин ротор может делать до тридцати и более тысяч оборотов в минуту.
Волчки находятся внутри атомов. Это электроны, совершающие 50 000 000 000 000 000 000 000 000 (пятьдесят миллионов миллиардов миллиардов) оборотов в секунду вокруг своей оси.
А так как наше тело состоит из огромного числа атомов, в состав которых входят десятки электронов, то оказывается, что мы «наполнены» волчками.
В придачу к этому мы еще и живем на волчке – ведь наша Земля тоже вращается, делая оборот вокруг своей оси за двадцать четыре часа.
Планеты Марс, Юпитер, Сатурн, наконец, само Солнце – волчки, так как все они тоже вращаются: Марс почти с той же скоростью, что и Земля, Юпитер и Сатурн в два с половиной раза быстрее, а Солнце в двадцать пять раз медленнее.
Наконец, доказано, что, по крайней мере, некоторые из звезд тоже вращаются. Следовательно, мы в праве и их считать волчками.
С основным свойством волчка каждый школьник знакомится еще задолго до изучения физики. Это происходит на первых уроках географии, когда ребята получают ответы на вопросы:
– Отчего бывает день и ночь?
– Почему происходят лето и зима, весна и осень?
Учитель к этому уроку приносит глобус, лампу и еще что-то завернутое в газету. Окна закрываются плотными шторами, чтобы было темно. В классе становится таинственно.
Любопытные ребята прежде всего узнают на уроке, что «Земля вращается вокруг своей оси, как волчок» и что «каждое место на Земле то попадает под лучи солнца – и тогда здесь бывает день, то уходит на теневую сторону – и тогда здесь становится темно, наступает ночь». Все это показывается на глобусе.
– Кроме того, – объясняет учитель, – Земля еще движется вокруг Солнца, описывая в пространстве большой круг. Время одного оборота Земли около Солнца мы называем годом. При этом движении земная ось всегда сохраняет одно и то же положение – она постоянно своим северным концом смотрит на Полярную звезду.
У пытливых ребят тут же возникает волнующий вопрос:
– Иван Иванович, а почему земная ось сохраняет свое положение?
– Потому, – продолжает учитель, – что Земля – это большой волчок, а всякий волчок, когда он быстро вертится, стремится сохранять постоянное направление своей оси. Это его основное свойство. Вот посмотрите!
Иван Иванович протягивает руку к свертку, и через пять секунд на столе появляется обыкновенная столовая мелкая тарелка и маленький деревянный волчок.
Завертев волчок, учитель опускает его на тарелку. Волчок сначала бегает из стороны в сторону, покачивается, его ось описывает конус. Это движение оси называется прецессионным.
Очень скоро конус становится все уже, и вот, наконец, ось застыла совсем неподвижно. Кажется, что волчок даже и не вертится. Французы в этом случае говорят, что «волчок спит».
Вдруг быстрым и отрывистым движением тарелки Иван Иванович подбрасывает волчок на полметра вверх. Волчок не кувыркается. Сохраняя прежнее положение, он ловко становится на свою ножку и продолжает вертеться, как ни в чем не бывало.
Но оставим урок географии.
Основное свойство волчка прекрасно используют жонглеры, подбрасывая и ловя вращающиеся ножи или с удивительной ловкостью удерживая на конце трости тарелочку, которая при этом быстро вертится. Тем же свойством волчка пользуется велосипедист, так как колеса велосипеда делаются устойчивыми только при вращении.
И артиллерийский снаряд получает устойчивость в полете только оттого, что вертится. Не будь вращения, снаряд в полете кувыркался бы. От этого дальность полета заметно уменьшилась бы, и в цель он ударял бы не своей остроконечной головкой, а боком или дном.
Основное свойство волчка – стремление сохранить неизменное положение оси – было использовано около восьмидесяти с лишним лет назад французским физиком Леоном Фуко для замечательного опыта, глубоко поразившего современников.
«Покажите нам вращение земли»
Давно уже было известно, еще с 1543 г., когда в Нюрнберге вышла из печати книга Коперника «Об обращении небесных шаров», что Земля, как и другие планеты, движется вокруг Солнца и в то же время вращается вокруг своей оси, хотя нам кажется, что Земля стоит неподвижно, а Солнце и планеты вращаются вокруг Земли. Так именно, доверяя своим глазам, люди и думали в прежние века. Так учила и библия.
Правильное учение Коперника было встречено современниками враждебно. В особенности яростно нападали представители католической церкви, так как новое учение подрывало авторитет библии и поэтому было для них не выгодно.
Дело доходило до того, что сторонников учения Коперника сажали под замок (Галилей, 1633 г.) и даже сжигали живыми на кострах (Джордано Бруно, 1600 г.).
Борьба против учения Коперника была одним из проявлений классовой борьбы феодализма против нового, нарождающегося класса – буржуазии. В этой борьбе феодализм в конце концов потерпел поражение. Смертельный удар во Франции ему был нанесен Великой буржуазной революцией 1789 г.
С этого времени школьники и стали получать правильный ответ на вопрос о причинах смены дня и ночи и чередовании времен года.
– А все-таки, что бы там ни говорили в школах, трудно поверить, что вот эта твердая земля под моими ногами вертится вместе со обоими горами и океанами, – говорили, разводя руками, жирные французские лавочники еще в 1850 г.
– Вы нам покажите земное вращение так, чтобы мы его собственными глазами могли увидеть и руками потрогать. Вот тогда поверим!
Впрочем, так думали не только лавочники или адвокаты, купцы или художники. Сами научные работники тоже хотели получить более осязательное доказательство вращения Земли, чем одни только астрономические наблюдения, понятные немногим.
Первое такое доказательство и было представлено Леоном Фуко в январе 1851 г. в виде опыта с маятником в Пантеоне.
Этот величественный храм, строившийся архитектором Суфло в течение двадцати лет и законченный в 1790 г., предполагалось посвятить «святой» Женевьеве, которую католики считали покровительницей Парижа. Но учредительное собрание, созданное в первые дни Великой французской революции, особым постановлением 4 апреля 1791 г. превратило его в усыпальницу (место погребения) великих людей и назвало Пантеоном. На фронтоне была сделана надпись:
ВЕЛИКИМ ЛЮДЯМ – ПРИЗНАТЕЛЬНАЯ РОДИНА..
Первым нашел там упокоение Мирабо, потом, 10 июля 1791 г., с большим торжеством с деревенского кладбища были перенесены останки Вольтера, а в 1794 г. – Руссо. Но прошло 15 лет, и при Наполеоне Пантеон был превращен снова в церковь «святой» Женевьевы – в нем стали хоронить генералов. Надпись с фронтона была удалена.
После Наполеона верховная власть перешла в руки Людовика XVIII, которому хотелось уничтожить все, что дала Франции Великая революция. Не ограничиваясь восстановлением прежних порядков, он в своей ненависти к революции пошел дальше.
Однажды темной ночью, когда лил осенний дождь, под оводами Пантеона появились, крадучись, как воры в чужом доме, вооруженные люди. Вскрыв гробы Вольтера и Руссо, они собрали в мешки останки великих людей и потом, чтобы никто не видел, выбросили их в какую-то яму с нечистотами у берега Сены. Это было сделано по повелению короля.
В революцию 1830 г. прежнее назначение Пантеона было восстановлено, но никто выдающийся или невыдающийся там не был похоронен.
Так как Пантеон был самым высоким зданием Парижа того времени, то поэтому Фуко его и выбрал.
Посмотреть на опыт в Пантеон собрался весь цвет парижского общества. Здесь были: пятидесятилетний Виктор Гюго, поэт и романист, гордость Франции; Дюма и Шеврель, выдающиеся химики, члены Академии наук; тридцатилетний Пастер, недавно сделавший в Академии первый доклад о своих работах; двадцатитрехлетний Жюль Верн, начинающий пробовать свои силы в литературе, и многие другие.
Опыт с маятником в парижском Пантеоне в 1851 г. Этим опытом физик Фуко наглядно показал, что Земля вращается вокруг своей оси.
Присутствующие увидели длинную тонкую стальную проволоку, прикрепленную к самой вершине купола. Нижний конец проволоки доходил почти до пола. На нем висел тяжелый медный шар с острием внизу. На полу были насыпаны два валика из песка.
Маятник медленно качался, доходя то до одного, то до другого валика. Шар маятника оставлял на них бороздку.
Вместе с маятником поворачивались из стороны в сторону и глаза зрителей. Через пять минут все ясно увидели, что верхушки валиков были разрушены маятником на протяжении четырех сантиметров. Видно было, что маятник непрерывно меняет направление качаний по отношению к стенам Пантеона.
Почему? Ведь плоскость колебаний маятника должна оставаться неизменной, потому что колебания совершаются под действием одной только силы тяжести и направлены вертикально вниз (к центру Земли), а никак не в сторону. Единственное объяснение такого странного поведения маятника могло состоять только в том, что оно вызывается вращением Земли. В действительности не маятник меняет направление колебаний относительно стен, а стены, двигаясь вместе с Землей, поворачиваются относительно маятника.
Все это Леоном Фуко было разъяснено присутствующим в Пантеоне, и они поняли, что действительно видят вращение Земли.
После Пантеона опыт Фуко с маятником в течение года совершил триумфальный марш по всему земному шару. Его повторяли в Берлине и Нью-Йорке, в Лондоне и Сиднее, в Петербурге и Буэнос-Айресе – всюду, во всех странах света, как на северном, так и на южном полушарии[2]2
В настоящее время опыт Фуко с маятником производится ежедневно в Ленинграде в бывшем Исаакиевском соборе, превращенном в антирелигиозный музей.
[Закрыть]. Имя Фуко, которому в то время было только тридцать два года, приобрело мировую известность.
Гироскоп
Казалось бы, что дальше в области доказательства вращения Земли идти некуда. Однако, сам Фуко не был удовлетворен опытом в Пантеоне.
Он знал, что маятник одинаково хорошо качается с севера на юг, с востока на запад или в ином любом направлении. Эти колебания не дают никакой возможности определить, где находится север и где восток. И у Фуко возникла мысль произвести такой новый опыт, который позволил бы обнаружить не только вращение Земли, но и определить положение земной оси.
После недолгих размышлений он решил, что сделать это ему поможет волчок.
В конце августа 1852 г. в распоряжении Фуко уже был замечательный новый прибор, им самим изобретенный и великолепно выполненный по его указанию в мастерской Румкорфа – того самого, который за год перед тем изобрел индукционный аппарат, получивший название «катушки Румкорфа».
Основной частью прибора Фуко был массивный волчок с утолщенными краями, отлитый из бронзы. С помощью двух подвижно соединенных друг с другом колец, образующих карданов подвес, волчок так был прикреплен к подставке, что его ось могла принимать любое положение в пространстве; при этом сам волчок находился в безразличном равновесии.
Для опытов с новым прибором Фуко перебрался в подвал своего дома, чтобы исключить влияние сотрясения пола от проезжающих ломовых телег. Подставка с волчком была установлена на массивном столе. Тут же поблескивал латунными боками микроскоп, направленный на особую метку наружного кольца.
Сняв волчок с подставки, Фуко закрепил его в машине для запуска и изо всех сил принялся вертеть ее ручку. Разогнав волчок как можно сильнее, Фуко поместил его обратно на подставку и, приложив глаз к микроскопу, стал следить за меткой на наружном кольце.
Гироскоп Фуко. В середине прибора виден диск волчка с утолщенными краями. На горизонтальной оси волчка насажена шестеренка (зубчатое колесо), которая служит для запуска волчка на специальной машине. Ось волчка проходит через горизонтальное кольцо, которое само лежит на ножевидных выступах в гнездах внешнего вертикального кольца. Оба кольца вместе образуют карданов подвес. На тонкой стальной проволоке карданов подвес прикреплен к стойке с тремя ножками. Справа от прибора стоит микроскоп, направленный на метку на наружном кольце. Стрелка, прикрепленная к наружному кольцу внизу, тоже отмечает вращение Земли.
Через несколько секунд Фуко обнаружил, что метка перемещается в поле зрения микроскопа. На любого другого человека это скромное движение не произвело бы ни малейшего впечатления – в нем не было величественности извержения вулканов или громовых раскатов бушующей грозы, или шума морского прибоя. Но Фуко в этом движении черточки на круге увидел нечто более грандиозное, чем любое явление природы, разыгрывающееся на поверхности Земли: он увидел движение самого земного шара вокруг его оси.
В этом убеждали простейшие рассуждения. Ось вращающегося волчка стремится сохранять в пространстве неизменное положение. Карданов подвес позволяет ей это делать наилучшим образом. Но оказывается, что по отношению к микроскопу, неподвижно стоящему на столе, по отношению к полу, к стенам подвала, а следовательно, и к самой Земле направление оси волчка непрерывно изменяется (именно об этом говорит движение метки). Ясно, что это может происходить, как и в опыте с маятником, только в результате вращательного движения земного шара.
– Я увидел вращение Земли под микроскопом! – сказал Фуко в докладе Академии наук, который он сделал в сентябре того же 1852 г. о своих последних работах с волчком.
Свой прибор Фуко назвал «гироскопом», что в переводе с греческого значит «указатель вращения». Этим названием он подчеркивал, что прибор обнаруживает вращение Земли. Но теперь гироскопом называют всякий волчок, укрепленный на кардановом подвесе, независимо от его назначения.
Машина Фуко для запуска волчка. Вращение от рукоятки рядом зубчатых колес передается волчку, который виден вверху. Зубчатые колеса подобраны так, чтобы медленное вращение рукоятки преобразовывалось в очень быстрое вращение волчка. Запущенный волчок руками снимают с машины и помещают в карданов подвес гироскопа.
Дальнейшие опыты с гироскопом обнаружили, что он обладает еще двумя свойствами, отсутствующими у маятника и имеющими очень важное значение. Закрепляя кольца так, чтобы ось волчка могла двигаться только горизонтально, Фуко заметил, что в этом случае ось начинает медленно колебаться около меридиана, отклоняясь вправо и влево на одинаковый угол.
Закрепляя же кольца так, чтобы ось волчка могла двигаться только в вертикальном направлении, в плоскости меридиана, Фуко заметил, что при этом ось волчка колеблется около линии, параллельной земной оси, отклоняясь вверх и вниз на одинаковый угол.
Первое свойство гироскопа позволяет определять направление меридиана, а с ним вместе и точку севера, второе – дает средство определять направление земной оси, а следовательно, и широту места наблюдения.
– Представим себе, – говорил Фуко в докладе, – что человечество живет в пещерах внутри Земли, что оно лишено возможности видеть небо со всеми его светилами. Тогда гироскоп с его удивительными свойствами позволил бы даже этим пещерным людям не только обнаружить вращение Земли и измерить его угловую скорость, но и определить направление меридиана, узнать, где находится север, а следовательно, и остальные точки горизонта, наконец, найти широту своего места. Гироскоп по своим свойствам похож на магнитную стрелку с той, однако, разницей, что магнитная стрелка указывает на магнитный полюс, а гироскоп на географический, то есть на истинный.
– Я полагаю, – заключил свою речь Фуко, – что гироскоп можно будет применять вместо магнитного компаса, сделав в нем некоторые дальнейшие усовершенствования. Но это дело будущего.
– Ну, это едва ли потребуется! – заметил с места один из академиков. – Современные магнитные компасы устроены идеально и в замене не нуждаются.
Капризное изобретение Генри Уайтхеда
В том самом 1868 г., когда умер Фуко, некоторым правительствам западноевропейских государств было сделано письменное предложение купить новое военное изобретение чрезвычайной важности, позволяющее топить корабли противника на значительном расстоянии.
Правительства отнеслись к этому предложению с величайшим вниманием, и, менее чем через десять лет, начиная с русско-турецкой войны 1877 г., новое орудие человеко– истребления вошло в боевую практику. Особенно блестящие результаты были получены французами в колониальной войне с Китаем 1884–1885 гг. Очевидцы говорили, что китайские корабли, пораженные новым оружием, шли на дно, как разбитые горшки.
Одна из американских подводных лодок 1864 г. На нижнем рисунке показан разрез лодки, как он виден сверху; на среднем – разрез сбоку, на верхнем – внешний вид лодки, справа – поперечный разрез. 1 – руль направления; 2 – люк, через который команда спускается в лодку или выходит из нее; 3 – заряд пороха, прикрепленный к лодке на шесте (шестовая мина); 4 – горизонтальные рули (для спуска или подъема); 5 – место поперечного разреза лодки; 6 – помпы (насосы) для выкачивания воды из цистерны; 7 – штурвал вертикального руля; 8 – рычаг горизонтальных рулей; 9 – коленчатый вал гребного винта, приводимый в движение людьми; 10 – носовая и кормовая цистерны. Такие лодки в Америке назывались «Давидами».
Изобретателем этого боевого средства был английский инженер Генри Уайтхед. Если Фуко, производя свои блестящие опыты в различных областях физики, наивно думал, что работает для блага человечества, то мистера Уайтхеда нельзя было упрекнуть в таком «легкомыслии».
Мистер Уайтхед был директором английского военного завода в венгерском городе Фиуме, очень удобно расположенном в глубине залива северной части Адриатического моря.
Дела завода шли прекрасно, и директор понимал, что нет более выгодного для капиталиста занятия, как работать на войну.
С 1861 по 1865 г. он с увлечением следил по газетам за войной южных и северных штатов Америки. Его не интересовали цели этой войны. С равнодушной улыбкой он читал рабовладельческую программу южан, которые на весь мир заявили:
«В основу нового союзного правительства (южных штатов) положена та великая истина, что негры не равны белым, что рабство является естественным, нормальным состоянием негров. Организованное нами правительство есть первое в истории мира, которое основано на этой великой физической, философской и нравственной истине».
Но когда в газетах описывались действия «Давидов» – так называли южане первые свои маленькие, еще очень несовершенные подводные лодки, – инженер Уайтхед весь превращался во внимание. В особенности взволновало его потопление маленьким «Давидом» большого корабля «Хаузатоник» 17 февраля 1864 г. Сама подводная лодка при этом погибла со всей командой.
Взрыв шестовой мины в подводной части военного корабля «Хаузатоник».
Этот случай навел Уайтхеда на размышление. Он задался вопросом: нельзя ли сделать так, чтобы подводная лодка с зарядом пороха сама, без людей, подходила к противнику?
Постепенно в голове Уайтхеда сложилась конструкция автоматической подводной лодки. Недоставало только подходящей движущей силы, но и она скоро была найдена.
Как-то, перелистывая только что полученный номер лондонского журнала «Текнолоджист» («Технолог») – это было в начале лета 1864 г., – Уайтхед обратил внимание на статью о своеобразной железной дороге, построенной в Лондоне инженером Раммелем. Вагоны этой дороги приводились в движение сжатым воздухом.
Уайтхед радостно стукнул кулаком по столу:
– Сжатый воздух! Как я не догадался об этом раньше! Теперь все найдено!
Уайтхед был неплохим инженером и очень скоро – в течение всего четырех месяцев – построил первую свою самодвижущуюся мину.
Это был длинный цилиндр, заостренный по концам, как карандаш. Сзади виднелись гребной винт и вертикальный руль, как у обычных кораблей. По бокам торчали еще две плоскости, как плавники рыбы, – горизонтальные рули. В носовой части аппарата помещался груз песка, заменяющий боевой заряд пороха. Потом следовали резервуар с воздухом, сжатым до двадцати пяти атмосфер, и воздушный мотор, вал которого мог делать до двухсот оборотов в минуту. Был еще особый прибор – регулятор глубины, действовавший на горизонтальные рули.
Одна из первых торпед Уайтхеда. После испытания ее поднимают на корабль.
Опыты с этой крохотной подводной лодкой, длиною всего в 2 м, начались в конце 1864 г. и проводились в строжайшем секрете.
Спущенная с лодки в воду, мина Уайтхеда нырнула и пошла под водой, оставляя на гладкой поверхности залива пенистый след от пузырьков непрерывно вытекающего отработавшего воздуха. Через несколько секунд цилиндр вынырнул из воды, чтобы в следующее мгновение опять погрузиться. Такое появление на поверхности моря повторялось через каждые десять – двенадцать секунд.
– Вишь ты, ныряет, как молодой дельфин, – заметил один из наблюдавших.
– М-м… – промычал Уайтхед, посасывая сигару.
Было очевидно, что регулятор глубины работал плохо. Не лучше, обстояло дело и с рулем направления, который был поставлен так, чтобы мина шла по прямой линии. Но пенистый след искривился широкой дугой вправо. Следовательно, в намеченную цель она не попала бы.
Через три минуты движение мины прекратилось, и она, как мертвая рыба, всплыла на поверхности моря, пройдя – около 600 м. Это давало скорость 12 км в час – невиданную для подводных лодок с людьми в качестве двигателя.
Уайтхед нашел результаты испытания ободряющими. Но для него было ясно, что в таком виде самодвижущаяся мина еще не может служить боевым оружием. Для этого ее нужно было «научить» двигаться строго по прямой линии, не отклоняясь ни вправо, ни влево, и хорошо сохранять глубину. Не мешало бы также увеличить и скорость движения.
На протяжении следующих трех лет работы Уайтхед добился более высокого давления воздуха в резервуаре. Потом за первым поместил второй винт, вращающийся в обратную сторону. От этого скорость мины увеличилась до 45 км в час – величина, очень значительная для того времени. Был улучшен также регулятор глубины, и мина перестала прыгать, как дельфин, хотя линия ее движения все еще была волнистой в вертикальном направлении.
Хуже всего обстояло дело с сохранением курса (направления) движения. Как ни старался Уайтхед устанавливать руль по возможности точно, ничего не выходило – мина упрямо сворачивала в сторону.
Следя за пенистыми дугами на поверхности моря, сдержанный Уайтхед выходил из себя. Швырнув в воду не докуренную сигару, он как-то процедил сквозь зубы:
– Проклятая машина! Ей не хватает разума. Туда нужно было бы посадить гнома с компасом, чтобы он непрерывно управлял рулем. Вот тогда бы она пошла по прямой.
Но и в таком виде самодвижущаяся мина с зарядом в 35 кг пироксилина была уже боевым оружием, и Уайтхед предложил ее в 1868 г. нескольким правительствам.
Самодвижущиеся мины, или, как их называют еще иначе, торпеды, нашли спрос. Их изготовлением занялись завод в Фиуме и завод той же компании в Англии. Сам Уайтхед из служащего превратился в совладельца предприятия, доходы которого за короткий срок выросли в два с лишним раза.
