Текст книги "Юный техник, 2009 № 02"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 5 страниц)

ПОЛИГОН
Наблюдаем невидимок

Ученым и инженерам нередко приходится иметь дело с телами едва заметными, а порою и совершенно невидимыми. Так, очень многие микроорганизмы в капле воды практически не видны, а ведь ученым нужно подробно разглядеть их внутреннее строение. Как быть?

Можно применить краску. Микроорганизмы четко окрашиваются, становятся видны детали их строения. Но от краски они «заболевают» и перестают двигаться. И все же выход из положения есть. Взгляните на рисунок, где ярко светятся на черном фоне обычно бледные и едва заметные микроорганизмы. Более того, есть приемы, позволяющие увидеть поток воздуха в воздухе и даже звук выстрела.

При правильном освещении живая клетка становится хорошо видна.

Как это удается? Прежде чем ответить, разберемся в том, что значит быть невидимым.

Все видимые тела отражают, поглощают либо сами испускают свет. Мы видим дым лишь потому, что он поглощает свет. А чистый воздух свет не задерживает, и потому, казалось бы, понятно, почему мы его не видим. Но некоторые сорта стекла так же слабо поглощают свет, как и воздух, но при этом хорошо заметны.

Причина в том, что у стекла коэффициент преломления гораздо выше, чем у воздуха, и оно выдает себя тем, что изменяет направление проходящего через него света.

Август Теплер(1836–1912)

Когда Гриффину – герою романа Уэллса «Человек-невидимка» – пришла в голову мысль стать невидимкой, он сделал свое тело абсолютно прозрачным, да к тому же еще и придал ему такой же коэффициент преломления, как у воздуха. После этого лучи света стали проходить сквозь его тело, не меняя ни интенсивности, ни направления. Казалось бы, увидеть Гриффина стало невозможно. Но это не совсем так.

Коэффициент преломления воздуха зависит от температуры и давления. Если коэффициент преломления тела невидимки будет всегда таким, как у окружающее го воздуха, то оно действительно всегда будет невидимо. Если же нет, то невидимку можно будет видеть. Это нетрудно проверить экспериментально.

Зажгите спичку. От нее вверх поднимается невидимая струйка теплого воздуха. Но, погасив в комнате свет и направив на пламя спички свет одиночного светодиода, использовав, например, брелок для ключей, вы увидите на стене колеблющийся след струек теплого воздуха. Эти струйки воздуха свет не задерживают и не ослабляют. Они лишь его преломляют, работая как собирающие и рассеивающие линзы; там, где воздушная линза собрала свет, видна яркая линия, где рассеяла – темная.

Так что человек-невидимка был бы невидим лишь при комнатной температуре. В холод и жару он бы выглядел как некое марево, вписанное в очертание фигуры обнаженного человека.

Невидимка пока не создан, и многое говорит за то, что сделать его по рецепту Уэллса нельзя. Так что перейдем от вымысла к реальности. Прозрачные микробы в прозрачной воде, прозрачные струи воздуха в прозрачном воздухе – это все оптические неоднородности среды, отличающиеся от нее лишь коэффициентом преломления.

При помощи приборов А. Теплераможно видеть невидимые обычно потоки воздуха и даже звук.

На рисунке слева – начало очереди из автомата с глушителем. Темно-синее облачко – невидимые глазу пороховые газы. Справа – выстрел из пистолета. На приборе отчетливо видны кольца звуковых волн.

В 1867 г. немецкий физик Август Теплер создал прибор, позволяющий видеть самые незначительные оптические неоднородности. Он почти не отличается от проектора и в простейшем случае может состоять из двух линз.

Вот как он работает. Луч света проходит через первую линзу, фокусируется, и изображение лампы попадает на некую преграду (диафрагму), которая близка к нему по размерам и форме. Дальше луч пройти не может, на экране темно. Но если за первой линзой поместить оптически неоднородный предмет, то фокусировка нарушится и часть света пойдет в обход диафрагмы. На экране появится изображение предмета.

Если первую линзу кольцами раскрасить по зонам (например, середина красная, далее зеленая), то на экране появится яркое, контрастное изображение, окрашенное в условные цвета. На рисунке мы даем размеры проектора, рекомендованные известным немецким физиком Р.В. Полем. Он позволяет наблюдать потоки воздуха, диффузию жидкостей, процессы растворения.

При помощи такого прибора А.Теплер наблюдал звуковые волны.

Подобную установку можно сделать на базе универсального школьного проектора, допускающего передвижение конденсорных линз. Расстояние между первой линзой и лампой должно быть равно фокусному расстоянию линзы; это позволит получить пучок света, близкий к параллельному. При помощи второй линзы добейтесь действительного изображения лампы, а затем перекройте его прямоугольной диафрагмой. Далее поставьте объектив.

Если в промежуток между конденсорными линзами внести, например, горящую свечу, то конвекционные потоки воздуха от ее пламени станут отчетливо видны на экране.

Таким же образом в этом приборе можно использовать столик для горизонтальной диапроекции. Если над ним расположить прямоугольную диафрагму, то, поставив на столик чашку с плоским прозрачным дном, получим миниатюрную волновую ванну, в которой можно показывать те же опыты, что обычно показывают в ваннах, занимающих половину стола.

Теперь несколько слов о наблюдении прозрачных микроорганизмов без их окрашивания. Для этого в столике микроскопа устанавливают «конденсор темного поля», разработанный почти полтора столетия назад немецким оптиком Эрнстом Аббе (1840–1905). По принципу действия он напоминает прибор Теплера.

Напомним, что препарат, который мы рассматриваем под микроскопом, обычно находится в капле воды или масла между двумя стеклами – предметным и покровным. В конденсоре Аббе особая линза направляет свет вдоль поверхности столика микроскопа таким образом, что он испытывает полное внутреннее отражение от верхней поверхности покровного стекла и не попадает в объектив. Поле зрения кажется темным. Если же в жидкости между стеклами оказывается микроорганизм, коэффициент преломления которого отличается от коэффициента преломления воды, то полное внутреннее отражение нарушается. Свет проходит через поверхность стекла, и контуры клетки начинают ярко светиться на темном поле. При этом, кстати, четко отмечается странный и не нашедший пока объяснения эффект: плазма и ядро погибших клеток ярко светятся, тогда как у живых они почти бесцветны.

Схема прибора Теплера:

_{1– источник света; 2– линза с фокусным расстоянием 1 м и диаметром 12 см; 3– прозрачный объект; 4– диафрагма; 5– объектив; 6– экран.}

Если перед объективом проектора поставить диафрагму и на ней получить изображение лампы, то небольшая кювета с прозрачным дном заменит волновую ванну метровой длины.

А. ВАРГИН

Рисунки автора

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Детекторный… для низкоомных наушников

Для начала простейший детекторный приемник – самая подходящая конструкция. Но вот незадача: более или менее громко он работает с высокоомными телефонами (наушниками) с сопротивлением постоянному току 3,6…4,4 кОм.

Такие телефоны еще выпускают, но на прилавке каждого магазина они не лежат, это уж точно. Зато много низкоомных наушников для плееров, проигрывателей компакт-дисков и тому подобных устройств.

Их можно использовать, применив понижающий трансформатор на выходе приемника, как это сделано в трансляционных громкоговорителях. Но найти подходящий трансформатор тоже проблема, от больших и тяжелых «трансов» отказываются даже в блоках питания современной радиоэлектронной аппаратуры, заменяя их полупроводниковыми импульсными инверторами. Может быть, и нам поступить так же? Посмотрим, как работает понижающий импульсный инвертор постоянного тока (рис. 1).

Основа его – транзисторный ключ S1, замыкаемый часто, но на очень короткие промежутки времени (рис. 2, верхний график).

Управление ключом – электронное, от встроенного генератора. Ключ посылает импульсы через индуктивность L1 в нагрузку R _н, но ток через индуктивность быстро изменяться не может (нижний график на рис. 2), поэтому он плавно нарастает в течение импульса, а затем еще более плавно спадает в промежутке между импульсами.

Накопленная в катушке энергия магнитного поля при этом расходуется в нагрузке. Для прохождения тока при разомкнутом ключе служит диод VD1. Пульсации тока в нагрузке тем меньше, чем больше индуктивность катушки L1. Их можно и еще уменьшить, подключив параллельно R _нсглаживающий конденсатор большой емкости, подобно тому, как это сделано на входе инвертора (С1) для уменьшения влияния работы ключа на источник тока.

Мы ясно видим, что выходное напряжение U _выхинвертора может быть во много раз меньше, чем входное U _вх. Не совсем очевидно, что ток в нагрузке будет во столько же раз больше, но это легко понять, учтя, что во время импульса инвертор потребляет сравнительно большой ток от источника.

После импульса этот ток сохраняется индуктивностью и продолжает поступать в нагрузку, а от источника не потребляется ничего. В среднем потребляемый ток получается малым, а в нагрузке – большим.

Попробуем же применить инвертор в детекторном приемнике. Где взять генератор импульсов для управления ключом? Ведь частота следования импульсов должна быть очень высокой, обязательно выше звукового диапазона (выше 20…30 кГц), иначе мы ничего не услышим, кроме писка самого инвертора. Вы не поверите, но оказывается, что такой импульсный генератор в приемнике уже есть! И частота следования импульсов равна несущей частоте принимаемой радиостанции. Чтобы в этом убедиться, давайте рассмотрим подробнее работу самого детектора и обратимся к схеме простейшего детекторного приемника (рис. 3).

Когда на детекторный диод VD1 поступает положительная полуволна напряжения с контура, образованного емкостью антенны и индуктивностью катушки L1, диод открывается и заряжает блокировочный конденсатор С1. Синусоидальная форма ВЧ-сигнала в контуре U _анти форма напряжения на конденсаторе U _с1показаны на верхнем графике рисунка 4.

Затем конденсатор С1 относительно медленно разряжается через резистор нагрузки R _н(высокоомный, заметьте).

Следующая положительная полуволна ВЧ-напряжения снова открывает диод, но лишь на своей вершине. Таким образом, диод открыт лишь короткую часть периода ВЧ-колебаний и ток через него носит характер коротких импульсов.

Надо полагать, что читатель немного знаком с процессом детектирования амплитудно модулированных (АМ) колебаний и понимает, что если амплитуда ВЧ-сигнала растет в такт со звуковым напряжением, то увеличивается и среднее напряжение на конденсаторе С1, а если уменьшается, то и напряжение падает. Тогда вместе с постоянной составляющей напряжения в нагрузке выделятся и колебания звуковых частот.

Итак, у нас есть импульсы тока через диод, вполне подходящие для понижающего инвертора. Но как их выделить и использовать для управления транзисторным ключом? Оказалось, это несложно!

Мы используем в качестве диода переход эмиттер – база самого ключевого транзистора. В этом и состоит главная «изюминка» предлагаемого здесь приемника. Полная его практическая схема показана на рисунке 5.

АМ-сигнал с контура С _антL1 подан на эмиттер транзистора VT1, а в цепи базы включена нагрузка – высокоомный резистор R1, шунтированный блокировочным конденсатором малой емкости С1. Расход энергии сигнала в этой цепи невелик, но ток через переход эмиттер-база носит характер коротких импульсов. Во время импульса тока транзистор открывается и основной ток (более 90 %) поступает в накопительную индуктивность – дроссель L2, а через него – в телефоны, точно так же, как в инверторе.

Катушка L1 взята от магнитной антенны (МА) любого транзисторного приемника. Если емкость нашей внешней антенны невелика, можно обе катушки, ДВ– и СВ-диапазонов, имеющиеся в МА, соединить последовательно.

Настройка на радиостанции ведется выдвиганием ферритового стержня той же МА. Дроссель L2 – фабричный, индуктивностью от 300 мкГн и более.

Телефоны подберите по максимальной громкости приема (если есть выбор), некоторые имеют совсем малую отдачу. Два стереотелефона лучше соединить последовательно, для этого используйте только «горячие» выводы разъема XS1, а «земляной» вывод оставьте свободным. Транзистор лучше выбрать германиевый, высокочастотный. Подойдут также ГТ313, КТ363, КТ3109 или устаревшие П403, П423, ГТ308. Испытайте транзисторы, какие найдете, и выберите лучший.

Вместо диода Д18 подойдет любой высокочастотный германиевый.

С наружной антенной длиной всего около 10 м и низкоомными наушниками сначала был испытан приемник по схеме (рис. 3). Детектор сильно шунтировал контур, поэтому избирательности не было никакой, несколько станций принимались одновременно, а звук был очень тихим.

При переходе к схеме (рис. 5) громкость значительно возросла, а настройка на станции стала «острой», то есть радикально улучшилась избирательность. Количественных измерений не было проведено, и я надеюсь, что найдутся радиолюбители-энтузиасты, которые их проведут.

Сообщайте о результатах!

В. ПОЛЯКОВ, профессор

ЧИТАТЕЛЬСКИЙ КЛУБ

Вопрос – ответ

Говорят, в свое время в нашей стране было построено несколько самых крупных в мире атомных подлодок класса «Акула». А что с ними стало сегодня? Неужто «распилили», как многие другие корабли нашего флота?

Виктор Степанцов,

г. Севастополь

К счастью, все не столь печально. Например, стратегическая атомная подводная лодка «Дмитрий Донской», построенная в 1982 году, в 2002 году была модернизирована на оборонной судоверфи «Севмаш» в Северодвинске и сейчас завершила программу испытаний. На борту подводного крейсера установлено много новых систем, которые потребовали тщательной отработки на морском полигоне.

Всего на «Севмаше» было построено 6 таких многокорпусных подлодок-катамаранов, длиной 175 и шириной 22,8 м с водоизмещением до 49 тыс. т и экипажем 175 человек каждая. Часть из них продолжает службу и поныне.

Так, на «Дмитрии Донском» сегодня испытывается новый ракетный комплекс для пусков межконтинентальных баллистических твердотопливных ракет типа «Булава» с головной частью, способной разделяться на 10 боевых блоков. Этими ракетами планируется оснастить новое поколение стратегических подлодок класса «Борей». Первая из них – «Юрий Долгорукий» – была спущена на воду в 2007 году.

Как известно, американцы собираются поставить на прикол свои «шаттлы». А на чем тогда они будут летать в космос?

Андрей Коромыслов,

г. Калуга

Некоторое время американские астронавты и наши космонавты будут пользоваться испытанными «Союзами». А затем и мы и американцы собираемся перейти на корабли нового поколения. У нас это «Клипер», у американцев – «Орион».

Однако в обеих странах разработка новых кораблей подвигается не так уж быстро. Руководство НАСА из-за финансовых и технических проблем уже отказалось от планов создать новый космический корабль к 2013 году.

На свете множество разных музеев. Интересно, а есть ли где-нибудь музей компьютеров?

Наталья Канавина,

СанкттПетербург

Недавно в предместье Парижа, в бизнес-городке Дефанс, открылся музей информатики. Его экспозиция размещена на последнем этаже здания-арки «Арш де Дефанс». Здесь можно увидеть, к примеру, «древний» жесткий диск компьютера, в 200 раз уступающий по емкости диску современного ноутбука, но который, тем не менее, весил… более 1000 кг и занимал целую комнату.

По соседству размещен первый американский суперкомпьютер «Крей», созданный в 1980 году. Он весил полторы тонны, стоил 15 млн. долларов, а по быстродействию его сегодня превосходит самый заурядный персональный компьютер.

Один из первых портативных компьютеров – « Tava Flyer» – представляет собой большой серый чемодан с небольшим экраном. Родилось это «чудо техники» в 1986 году и было снабжено современной клавиатурой и двумя считывающими устройствами для дискет. Жесткого диска у этого компьютера не было.

Отдельные залы музея посвящены истории разработки принципов Интернета, созданию его первых сетей, первым попыткам использовать ЭВМ для компьютерной графики. Немало в музее и уникальных документов – в частности докладная записка военного ведомства Великобритании 1956 года. В ней на 13 страницах рассказывается о первых компьютерах страны и их использовании. Компьютеров во всей Европе тогда было едва ли больше десятка.

В нашей стране отдел информатики и вычислительной техники есть в московском Политехническом музее.

ДАВНЫМ-ДАВНО

В 1687 г. великий ученый Исаак Ньютон теоретически показал, что ядро, выпущенное из пушки, установленной на горе, при достаточно большой скорости может стать спутником Земли.

Вскоре после этого французские монахи Мерсен и Пти поставили эксперимент. Направив ствол пушки вертикально, они произвели выстрел. Ядро не вернулось. Оставалось предположить, что теперь оно будет вечно летать вокруг Земли. Два столетия спустя этот эксперимент повторили, но в этот раз ядро нашлось примерно в километре от места выстрела. Тем не менее в 1870 году французский писатель Ж. Верн в романе «Вокруг Луны», опираясь на расчеты, описал полет к Луне снаряда, выпущенного из пушки.

Любопытная деталь: у его снаряда имелось 15 маленьких пушек. Сила отдачи их выстрелов служила для корректировки его полета. Словом, пушки играли роль ракетных двигателей. Так зарождалась идея о возможности движения ракеты в космическом пространстве.

В 1957 г. Советский Союз запустил первый искусственный спутник Земли с помощью ракеты. Но ракеты были очень дороги, и идея использовать пушки не покидала умы специалистов.

В 1967 г. канадский инженер Джеральд Бюлль создал пушку, пославшую снаряд на высоту 180 км со скоростью 2000 м/с. Оставалось лишь заменить этот снаряд двухступенчатой ракетой, и она могла стать спутником. Это обещало снижение затрат на вывод грузов на орбиту в сотни раз. Однако финансирование работ было прекращено. О том, как история развивалась дальше, вы узнаете из статьи «Из пушки – на Луну!» в одном из ближайших номеров журнала.

ПРИЗ НОМЕРА!

Наши традиционные три вопроса:

1. Какой фонарик «дальнобойнее» – с параболическим или с гиперболическим отражателем? Почему?

2. Почему на ракетовозах и других вездеходах все колеса одинарные, а не сдвоенные, как задние колеса на грузовиках? Ведь, казалось бы, сцепление с грунтом у сдвоенного колеса выше, а удельное давление на грунт меньше.

3. Будет ли человек-невидимка невидимым на Луне?

ПРАВИЛЬНЫЕ ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ

«ЮТ» № 9 – 2008 г.

1. Режим полета для вертолета примерно в полтора раза экономичнее, чем режим зависания на месте. Дело в том, что в полете дополнительная подъемная сила создается плоской нижней частью фюзеляжа и дополнительными плоскостями, которые есть у многих вертолетов.

2. Существуют, по крайней мере, три способа создания невесомости в земных условиях. Во-первых, есть самолеты-лаборатории, во время полета которых по особой баллистической траектории кратковременно создается эффект невесомости. Во-вторых, космонавты тренируются в гидробассейнах, где вес человека уравновешивает вода. В-третьих, невесомость возникает, скажем, в кабине лифта, падающее го с ускорением свободного падения.

3. Земледельцы обычно сажают картофель клубнями, поскольку в этом случае выше всхожесть и урожайность. К разведению семенами, как и черенками, прибегают в случаях, когда нужно побыстрее размножить, например, новый сорт картофеля или избавить старый от некоторых заболеваний клубней.

* * *

Приз номера – иллюстрированную энциклопедию «Техника» – получит Антон СМОРКАЛОВ, 8-классник из г. Томска.

Близки были к победе 8-классница Анастасия НИКИТСКАЯиз г. Прохладный и 4-классник Алексей КИРИЛЛОВиз г. Сергиев Посад.

* * *

_{А почему?Куда движутся песчаные дюны? Чем знаменит остров, на котором жил Робинзон Крузо? Давно ли предсказание погоды стало наукой метеорологией? Какие налоги платили древние греки и римляне? На эти и многие другие вопросы ответит очередной выпуск «А почему?».}

_{Школьник Тим и всезнайка из компьютера Бит продолжают свое путешествие в мир памятных дат. А читателей журнала приглашаем заглянуть в московский музей, где экспонаты – это настоящие паровозы и другая железнодорожная техника.}

_{Разумеется, будут в номере вести «Со всего света», «100 тысяч «почему?», встреча с Настенькой и Данилой, «Игротека» и другие наши рубрики.}

_{ЛЕВША– Зенитный ракетный комплекс «Оса» предназначен для уничтожения вертолетов, самолетов и крылатых ракет противника. Отличается скоростью наведения и точностью поражения целей. Технические данные установки ЗРК «Оса» и развертки ее модели вы найдете в журнале и сможете пополнить свой «Музей на столе».}

_{– Любители механики по нашим рекомендациям построят действующую модель судна на воздушной подушке, а электронщики соберут схему следящего устройства для микроробота, движущегося заданным курсом.}

 _{– Владимир Красноухов подготовил очередную головоломку, и, как всегда, на страницах журнала вы найдете несколько полезных советов.} 

* * *