Текст книги "Юный техник, 2005 № 02"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 5 страниц)

ЖУРНАЛ «ЮНЫЙ ТЕХНИК»
_{НАУКА ТЕХНИКА ФАНТАСТИКА САМОДЕЛКИ}
№ 2 февраль 2005

Популярный детский и юношеский журнал.

Выходит один раз в месяц.

Издается с сентября 1956 года.

КУРЬЕР «ЮТ»
Проявление электросилы

Каждый день ученые и инженеры изобретают новые приборы и устройства. Расскажем о некоторых, продемонстрированных на Международной специализированной выставке «Электротехноэкспо-2004», прошедшей в конце прошлого года в Москве.

Полеты на подушке

Знаете, какая подушка самая мягкая? Магнитная! В том я убедился на собственном опыте, прокатившись в вагончике на магнитной подвеске (или на магнитной подушке), который создали преподаватели и студенты Московского авиационного института совместно с сотрудниками Федерального государственного предприятия «Новые транспортные технологии» под руководством доктора технических наук Л.К. Львова. Стоит закрыть глаза – и кажется, будто летишь во сне – настолько бесшумным и мягким было движение небольшого одноместного вагончика.

«Летает» он пока на высоте всего нескольких сантиметров, а длина трассы не превышает десятка метров. Причем перед тем как совершить такой полет, мне пришлось наблюдать, как в специальный холодильник заливают жидкий азот из сосуда Дьюара, а потом ждать еще минут сорок, пока вся система охладится настолько, что в обмотках электромагнитов подвески проявится сверхпроводимость.

Так выглядит вагончик на воздушной подушке.

По словам одного из разработчиков системы, С.М. Конеева, в сверхпроводящих магнитах как раз вся и загвоздка. Вообще-то эффект магнитной левитации, когда магнит повисает над магнитом, известен еще с XIX века. И так называемые высокотемпературные сверхпроводники, с помощью которых инженеры смогли в сотни раз увеличить мощь электромагнитов, были открыты еще в 1986 году Джорджем Беднорзом и Алексом Мюллером, работавшими в Цюрихской лаборатории американской компьютерной фирмы IBM.

Специалисты надеялись вскоре поднять рабочую температуру сверхпроводящих обмоток этих электромагнитов до комнатной. Однако и сейчас сверхпроводимость наступает при температуре на десяток-другой градусов выше абсолютного нуля. Но электротехники рады уж и тому, что охлаждение теперь ведется не дорогостоящим жидким гелием, а более дешевым жидким азотом. Кроме того, в последнее время появились гибкие провода из сверхпроводящих материалов.

Это позволило, в частности, поменять электрические кабели на одной из подстанций Детройта на сверхпроводящие. В итоге 125 кг сверхпроводящего материала заменили 9000 кг меди и позволили утроить передаваемую мощность.

Такие же сверхпроводники уже используются для улучшения качества связи при ретрансляции телефонных переговоров, в научной аппаратуре. На очереди – электродвигатели со сверхпроводящими обмотками. Однако необходимость все время поддерживать сверхнизкую температуру обмоток все же сильно сдерживает широкое применение сверхпроводников. В том числе и развитие транспорта на магнитной подушке. А жаль. Ведь тогда поезда смогут летать над рельсами со скоростями до 900 км/ч.

Для того чтобы получить сверхпроводимость, необходимо залить в охлаждающую систему жидкий азот…

Металлы из газа

Рецепт получения алмазов из графита известен уже довольно давно – нужно подвергнуть графит воздействию высокого давления и температуры. Эксперименты американских исследователей показали недавно, что аналогичная «алхимия» возможна и с азотом. При охлаждении до ~196 °C этот газ превращается в жидкость. А при давлении порядка 10 000 атм становится твердым. И выглядит как обычный лед, только теплый на ощупь. Если же подвергнуть этот инертный газ сжатию под давлением 2 млн. атмосфер, он превращается в… полупроводник. При этом азот остается твердым и после снятия давления. Правда, хранить его при этом приходится при температуре около 170 °C ниже нуля.

Теоретики предсказывали, что при давлениях 0,5–1 млн. атмосфер азотные атомы образуют циклические длинные связи, аналогичные тем, что характерны, скажем, для фосфора и мышьяка.

И действительно, при увеличении давления до 1,7 млн. атм прозрачный азот сначала пожелтел, потом покраснел, а затем стал коричневым… Было очевидно, что химические связи между его атомами меняют свою конфигурацию.

«Полупроводниковые чипы из твердого азота делать пока никто не собирается, – говорит профессор Ричард Мартин из Иллинойского университета. – Однако заключенная в нем огромная энергия позволяет надеяться, что он станет отличным горючим для ракет. Но и это, впрочем, пока еще чисто умозрительная гипотеза»…

Пока же подобные эксперименты позволили трансформировать кислород в рубиново-красный металл. Теоретики также предсказывают, что и водород при достаточно высоких давлениях также можно превратить в твердый металл, который будет обладать сверхпроводимостью при комнатной температуре. Но для этого нужны давления больше, чем 3,5 млн. атм.

Эти исследования представляют определенный интерес и для планетологов. Ведь они моделируют в какой-то мере условия, которые имеют место в недрах как нашей планеты, так и других. В частности, есть предположения, что ядро Юпитера состоит из металлического водорода.

Почти вечный двигатель

«Электричество можно получать прямо из топлива, минуя промежуточные циклы», – утверждают сотрудники новосибирского Института теплофизики, разработавшие электрохимический генератор нового поколения.

У существующих генераторов проблема – топливные элементы. Для их получения приходится изготавливать по сложной технологии пористые топливные элементы, используя для этого подчас драгоценные металлы и сплавы.

Михаил Предтеченский, Владимир Накоряков, Андрей Смаль и их коллеги нашли способ избавиться от столь хлопотных операций. По разработанной ими технологии пористость топливных элементов получается как бы сама собой в результате нагрева заготовок. Подробности процесса его создатели пока не сообщают – «ноу-хау», – но утверждают, что теперь стоимость топливных элементов может упасть в 2–3 раза, а в некоторых случаях и на порядок. Насколько это серьезно, можно судить хотя бы по таким показателям: сегодня стоимость электромобиля на базе «Жигулей», в котором используются топливные элементы, снятые с космического самолета «Буран», составляет около 200 тыс. долларов.

Если же подобная технология получит массовое распространение, отпадет надобность в огромных электростанциях, линиях электропередачи, подстанциях и прочем энергетическом хозяйстве. Энергию в необходимых количествах можно будет получать прямо на месте с помощью компактных, дешевых и простых в обслуживании электрохимических генераторов.

Освещение в космосе

Честно говоря, лично мне и в голову не приходило, что для освещения в космосе нужны какие-то особые светильники. Тем не менее, это так. Как пояснил один из их разработчиков, президент Lighting Sciences Inc. Ян Левин, дело в том, что космос – довольно жесткая среда.

Вибрации, огромные перепады температур, постоянные излучения, бомбардировка космической пылью и микрометеоритами – все это требует повышенной надежности работы любой аппаратуры. В особенности, если ей придется работать на внешней поверхности станции. А данные светильники предназначались как раз для этого. Дело в том, что, выходя в открытый космос, астронавты и космонавты обнаружили, что работать им, а уж тем более вести видеосъемки становится невозможно, как только станция попадает в тень Земли. Она же, не забывайте, совершает облет вокруг земного шара примерно за 90 минут.

В общем, специалистам пришлось разработать для МКС особый вид источников света. Всего на поверхности станции сейчас установлено 11 светильников, причем 4 из них предназначены специально для видеосъемки.

Отличие их от земных – прежде всего в экономичности и долговечности. Экономия продиктована тем соображением, что общая мощность источников питания для всех электроприборов на борту не должна превышать 75 кВт.

Что же касается долговечности, то это на Земле сменить электролампочку проще простого. На орбите для этого приходится надевать скафандр и совершать многочасовую прогулку за борт. Причем в толстых перчатках даже заменить одну лампу другой не так просто. Поэтому все светильники имеют по две лампы. Если перегорит основная, тут же автоматически включается резервная. А на борту, на контрольном пульте, загорается специальный сигнал, показывающий, что одна лампочка уже неисправна. Так что, выходя в очередной раз в открытый космос, космонавты могут заменить ее.

Кроме того, сами люминесцентные светильники имеют специальные покрытия, защищающие от перегрева, коронного разряда и утечки ртути внутри колбы в случае ее разгерметизации. Все электрические изоляторы рассчитаны на повышенное пробойное напряжение, а в конструкции самих светильников полностью исключена пластмасса, быстро выходящая из строя в лучах солнечной радиации, а сами они способны выдержать даже сильный механический удар.

Все эти свойства были тщательно проверены на Земле перед тем, как 8 апреля 2002 года светильники отвез на МКС очередной «челнок». А 16 апреля астронавт Джерри Росс, выйдя в очередной раз в открытый космос, закрепил их в соответствующих местах на поверхности станции. С той поры они там и работают.

С. НИКОЛАЕВ, спецкор «ЮТ»

ИНФОРМАЦИЯ

ОЧЕРЕДНОЙ ЭТАП ЭКСПЕРИМЕНТА«Плазменный кристалл» завершил экипаж МКС. Космонавты Геннадий Падалка и Майкл Финк в течение трех дней проводили эксперимент, воздействуя на плазменные частицы прямыми солнечными лучами в условиях микрогравитации, которые невозможно создать на Земле. Диск с видеозаписью наблюдений космонавты уложили в спускаемый аппарат «Союза ТМА-4», на котором они и вернулись на Землю 24 октября 2004 года. Сейчас, как сообщил заместитель директора Института теплофизики экстремальных состояний РАН Олег Петров, ведется анализ полученных результатов и намечаются новые стадии эксперимента.

НА ПОРОГЕ СОЗДАНИЯ 118-го элемента таблицы Менделеева стоят российские ученые. Более того, элемент уже фактически обнаружен, и сейчас ученые Дубны готовятся повторить эксперимент с учетом стандартных требований по признанию этого научного результата в качестве открытия международным сообществом.

ВЕЛОСИПЕД, НА КОТОРОМ НЕ НАДО КРУТИТЬ ПЕДАЛИ, изобрел житель Набережных Челнов Федор Сычев. Изобретение обошлось ему в стоимость нескольких старых велосипедов и в несколько рулонов бумаги для чертежей. На своем велосипеде изобретатель не крутит педали, а только давит на них сверху вниз, используя тяжесть собственного тела. В итоге без особых трудов на новом велосипеде можно развивать скорость до 30 км/ч, возить довольно значительные грузы на дачу.

КАПСУЛУ ДЛЯ «ЧЕРНОГО ЯЩИКА»придумал москвич Б.А. Адамович. Он предлагает заключать контейнеры с самописцами в дополнительную оболочку, заполненную водой. При ударе о землю жидкость амортизирует удар. А если возникнет пожар, вода закипает, и струя пара выносит содержимое оболочки на сотню метров в сторону, обеспечивая сохранность самописца от огня. Подобная система может быть использована и для перевозки различными видами транспорта других ценных предметов и документов, которые не должны пострадать при аварии.

ДОМ СТРОЯТ ИЗНУТРИ. Именно такой особенностью отличается технология строительства жилых домов из монолитного железобетона, разработанная АО «Жилстрой» с участием ряда других организаций. Здания теперь возводятся в два этапа. На первом из них путем бетонирования с помощью туннельной опалубки по принципу «снизу вверх» возводятся все внутренние стены и перекрытия. А затем уже – со специальных подмостей – делают наружные стены, процесс возведения которых движется «сверху вниз».

Этот способ возведения наружных стен имеет ряд преимуществ по сравнению с обычным. Ведь после того как возведен центральный остов здания, все остальные работы – кладка наружных, отделка, монтаж оборудования – выполняются под крышей. При этом более удобные и безопасные условия труда позволяют повысить производительность и качество работ. Так что не случайно эта технология представлена на соискание премии Правительства России.

СОЗДАНО В РОССИИ
Самолет «Иркут» летает без пилота

Последнее время специалисты все чаще говорят о беспилотной авиации. Но если большинство из них полагает, что прежде всего самолеты без пилотов пригодятся военным, то специалисты корпорации «Иркут» из г. Иркутска рассуждают иначе.

Самолет-амфибия Бе-200 местного авиазавода уже прославился во всем мире своими способностями по части тушения лесных пожаров. Однако в ходе его испытаний выяснилась такая вещь. Для того чтобы мощная техника была эффективна, чтобы потери в лесном хозяйстве были минимальными, необходима хорошая авиаразведка. Использовать же для разведки тяжелый самолет, способный за одну заправку топливом сбросить на очаг пожара до 350 т воды, весьма нерентабельно.

И тогда в дополнение к Бе-200 специалисты «Иркута» решили разработать ДПЛА – дистанционно пилотируемый летательный аппарат, пилот которого следит за его полетом с земли и по мере надобности подправляет его курс.

Хорошая технологическая база научно-производственного комплекса «Иркут» позволила его сотрудникам создать аппарат вполне мирового уровня. Управлять им можно как с земли на удалении до 200 км, так и с борта базового Бе-200. А поступающую с борта ДПЛА информацию одновременно могут принимать как региональные центры МЧС, так и самолеты, вертолеты МЧС, находящиеся непосредственно в зоне бедствия.

Легкий самолет способен барражировать над заранее определенной территорией в течение 14 часов на высоте до 6000 м. При этом обнаружить очаг пожара ему не помешают ни дым, ни ночная мгла, ни низкая облачность. Телекамера ДПЛА имеет разрешение порядка 0,5 м, а инфракрасная камера позволяет обнаруживать даже скрытые очаги возгорания (например, подземные торфяные пожары).

Наземная станция управления может работать одновременно с двумя патрулирующими аппаратами, в то время как третий находится в резерве в готовности к немедленному взлету. В зависимости от полетного задания аппарат автоматически проходит по запланированному маршруту или действует по командам с земли. В это время бортовой компьютер так управляет ДПЛА, чтобы наблюдатели на земле видели именно интересующий их район. Оператор непосредственно вмешивается в управление лишь при его взлете и посадке. Да и то это ненадолго – по словам одного из разработчиков, Николая Павлова, специалисты корпорации «Иркут» создают сейчас автопилот, который позволит автоматизировать весь полет.

Для взлета и посадки новому ДПЛА подходит любой ровный участок длиной 300 м и шириной 10 м. В принципе, возможны взлет и приземление на обычное шоссе.

Владимир БЕЛОВ

Действия ДПЛА в составе мобильной группы машин, предназначенных для ликвидации лесного пожара.

ДПЛА « Иркут» демонстрировался на последнем авиасалоне МКС-2003 в Жуковском.

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ
Привет от Эйнштейна дошел к нам через 100 лет

В 1905 году в немецком научном журнале «Анналы физики» была опубликована статья никому тогда не известного Альберта Эйнштейна, молодого сотрудника патентного бюро в Берне (Швейцария). Она называлась «К электродинамике движущихся тел». Текст ее, на первый взгляд, примечателен только тем, что в нем, вопреки обычаю, не было ни одной ссылки на работы предшественников. Тем не менее содержание публикации оказалось столь революционным, что спустя много лет Библиотека Конгресса США не пожалела за 30-страничную рукопись 6 млн. долларов!

Электродинамикой занимались, конечно, и до Эйнштейна. Скажем, еще в 1820 году датский физик X. Эрстед обнаружил, что течение электрического тока воздействует на магнитную стрелку – так было установлено взаимодействие электрических и магнитных полей. А в 1831 году знаменитый английский физик М.Фарадей открыл закон электромагнитной индукции и еще ряд других явлений. Наконец, в 1873 году завершил формулировку своих знаменитых уравнений Дж. Максвелл.

Однако все они, как и другие ученые, старались рассматривать явления как бы в «замороженном», квазистатическом виде, чтобы легче было их описывать математическими уравнениями. Эйнштейн пошел дальше и попытался представить, что происходит, когда электрические и магнитные поля взаимодействуют между собой именно в движении. Выполняются при этом классические законы?..

Самое интересное, что при этом ученый не ставил долгими неделями, а то и месяцами хитроумных опытов. Все эксперименты он провел мысленно, а потом описал их ход и результаты уравнениями. Оттолкнулся он от известных опытов Галилея, который велел бросать камни разного веса с вершины наклонной Пизанской башни и с удивлением отметил, что все предметы, не зависимо от массы, достигают земли одновременно.

Строго говоря, Галилей заблуждался. Если учесть сопротивление воздуха, то можно выяснить: разные объекты летят неодинаково. Так что в данном случае был прав Аристотель, некогда утверждавший: более тяжелые предметы летят быстрее легких. Но, на счастье Галилея, он этого не заметил, а потому на основе неправильно поставленного эксперимента сформулировал правильный вывод. А именно: заявил, что масса предмета (сопротивляемость перемещению) и его вес (сила притяжения Земли) хотя и являются совершенно различными свойствами тела, но почему-то имеют одинаковую численную величину!

Это, если вдуматься, крайне загадочное обстоятельство никто не мог объяснить долгое время. И даже сегодня объяснения все еще далеки от идеала. Эйнштейн тоже не стал вникать в суть явления, а просто посчитал его за аксиому. И пошел дальше, поставив довольно простой мысленный эксперимент.

Представим себе лифт с человеком, висящий в шахте, рассуждал ученый. Человек начинает ронять разные предметы на пол лифта и убеждается в их одновременном падении. Теперь вознесем лифт в космическое пространство и придадим ему ускорение с помощью ракеты, увлекающей его вверх. Человек опять роняет предметы и видит, что они, как и в предыдущем случае, падают одновременно. Таким образом, он не имеет никакой возможности выяснить, продолжает ли лифт висеть в шахте неподвижно или плавно движется вверх с ускорением силы тяжести!

Вывод отсюда таков, считает Эйнштейн, что гравитационное притяжение и движение вверх с соответствующим ускорением суть один и тот же процесс! В этом, кстати, и заключается знаменитый принцип эквивалентности в физике.

Однако Эйнштейн не успокоился и на этом. Он решил несколько усложнить ситуацию с лифтом. «Повесим на его внутренней боковой стенке фонарь, отбрасывающий узкий луч света на противоположную стенку, – продолжил он свои рассуждения. – Пока лифт неподвижен, луч фонаря идет по прямой до противоположной стенки. Но когда лифт увлекается ракетой вверх в космос, луч фонаря пересекает кабину и попадает на противоположную стенку несколько ниже, чем в первый раз! И это неудивительно, поскольку, пока луч пересекает кабину лифта, тот успеет сдвинуться вверх»…

Однако пассажир лифта вряд ли сможет верно истолковать происходящее. Поскольку он, как уже говорилось выше, не в силах определить, двигается лифт или стоит на месте, то, даже заметив, что «зайчик» от луча пополз вниз, должен прийти к странному выводу. Он решит, что луч света почему-то искривился!

А если так, продолжал свои рассуждения Эйнштейн, значит, в природе могут существовать условия, когда законы геометрической оптики окажутся нарушены. Угол падения будет не равен углу отражения, параллельные прямые где-то пересекутся…

В общем, свойства окружающего нас пространства-времени, решил Эйнштейн, весьма относительны. В зависимости от тех или иных конкретных условий, классические законы в них могут искажаться.

Какое-то время на рассуждения Эйнштейна смотрели как на своеобразную забаву теоретика. Ситуация мало изменилась и к 1916 году, когда на основании своих предыдущих мысленных экспериментов Альберт Эйнштейн разработал сначала специальную, а потом и общую теорию относительности.

Известный французский физик Поль Ланжевен как-то даже заявил, что рассуждения Эйнштейна в принципе способна понять едва ли дюжина людей во всем мире.

Однако в 1919 году, во время полного солнечного затмения, астрономам удалось зарегистрировать траекторию луча от дальней звезды, проходившего около поверхности Солнца. И они заметили, что луч… искривился. Стало быть, Эйнштейн прав: в природе могут существовать условия, приводящие к искажению законов геометрической оптики!

С той поры время от времени экспериментаторы продолжают ставить разные опыты в подтверждение этой теории. Не так давно, например, обнаружено хоть и незначительное, но все-таки изменение орбит двух маленьких искусственных спутников Земли.

Почему это событие всполошило физиков? Ведь изменение орбиты, к примеру, регулярно происходит с МКС – каждые сутки высота ее орбиты падает в среднем на 12 км вследствие торможения о верхние слои атмосферы. Однако в том-то и дело, что данные спутники типа LAGEОS (лазерные геодинамические сателлиты) были специально выведены на орбиту высотой 5900 км, где никакая атмосфера на них воздействовать не может. Тем не менее, орбиты спутников, как выяснилось, смещаются каждый год на 2 м. Причем у обоих одинаково, так что случайное воздействие исключено. Заметить столь небольшие изменения удалось благодаря тому, что поверхность спутников LAGEОS покрыта особыми зеркалами – ретрорефлекторами, которые способны возвращать лазерные лучи обратно на Землю, в то самое место, откуда они были посланы. Измеряя время, которое затрачивает каждый луч на возвращение от спутника, позицию последнего можно определить с точностью до нескольких миллиметров.

И вот Игнацио Чьюфолини из итальянского Университета Лечче и Эррикос Павлис из американского Университета Мэриленда в течение 11 лет собирали данные об изменениях орбиты. Всего ими было проведено около 100 млн. измерений, прежде чем они объявили о замеченном ими эффекте.

Объяснение же ему, ссылаясь опять-таки на Эйнштейна, они придумали такое. Всем известно, что, когда в атмосфере возникает смерч – этакий воздушный волчок, – он вовлекает во вращение и окружающие его частицы воздуха и пыли, даже мелкие и легкие предметы. А что происходит, когда вращается такое огромное и массивное небесное тело, как наша Земля? Она не только вовлекает во вращение всю атмосферу, но и околоземное пространство-время, в какой-то мере искажая, искривляя его. Вот эти-то искажения и влияют на движение спутников. В точности так, как это предсказывал Эйнштейн.

На том можно бы поставить точку. Однако далеко не все пока согласны с выводами итальянского и американского исследователей. Скептики справедливо указывают, что погрешность сделанных ими измерений достигает 10 %, а при такой точности немудрено и выдать желаемое за действительное. Поэтому полученные данные должны быть перепроверены. Для этого в апреле 2004 года в космос был запущен «Гравитационный зонд Б». Этот аппарат имеет на борту четыре прецизионных гироскопа (охлажденные почти до абсолютного нуля идеальные кварцевые сферы). Ось вращения таких гироскопов должна постоянно находиться в одном и том же направлении. Однако, если общая теория относительности справедлива, искривление пространства-времени массой Земли приведет к отклонению осей гироскопов примерно на 42 угловые миллисекунды в год.

Первые данные с «Гравитационного зонда Б» ожидаются в начале 2006 года. Пока исследователи выжидают, когда встревоженные вибрациями запуска гироскопы окончательно успокоятся. А вообще, как рассуждают специалисты, особенно зримо данный эффект должен проявить себя вблизи вращающейся черной дыры. Так что в будущем, кто знает, дело может дойти до запуска исследовательского зонда и в сторону этого загадочного объекта.

Вот какую сумятицу внес Альберт Эйнштейн в умы ученых. И сто лет спустя они все еще не могут успокоиться…

С.НИКОЛАЕВ