Текст книги "Юный техник, 2005 № 02"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

ПОДРОБНОСТИ ДЛЯ ЛЮБОПЫТНЫХ
Измерители жары и холода

Как измерить температуру? Вопрос этот не так прост, как может показаться на первый взгляд. Даже при болезни в мире все реже применяют айболитовские стеклянные термометры с серебристым столбиком ртути. Что же касается других случаев…

Температура – это движение?

Многие, впрочем, даже не задумываются о том, что они подразумевают, употребляя слово «температура». Жарко на улице, значит, у воздуха температура высокая, холодно – значит низкая.

Для физиков температура тоже не представляет загадки. С их точки зрения температура указывает на скорость теплового движения молекул. Как говорит физик из Йельского университета, доктор Роберт Фолькоп, «это некоторая мера беспорядочного движения молекул и атомов с различными степенями свободы».

Взять, например, молекулы воздуха или воды, которые беспорядочно ударяются друг о друга. При этом они передают друг другу энергию, причем распределение скоростей движения описывается нормальной кривой – колоколообразной линией, пик которой приходится как раз на среднюю температуру молекул. Чем выше температура, тем стремительнее они мечутся. С понижением же температуры движение все медленней, а при абсолютном нуле замирает совсем.

Шкалы градусников

Впрочем, прежде чем мы поговорим подробнее об измерениях температуры в некоторых экстремальных случаях, давайте сначала разберемся в нынешних шкалах температур. Откуда они взялись и почему и по сей день в обиходе сразу три разных шкалы?

Первую шкалу придумал немецкий физик Габриэль Фаренгейт. Он же, кстати, в 1709 году изобрел распространенный поныне спиртовый термометр, а пять лет спустя и всем известный медицинский ртутный градусник. Но если градусниками Фаренгейта многие пользуются и по сей день, то с его шкалой получилась некая неувязка. Точку замерзания воды он почему-то принял за 32 градуса, а точку ее кипения – за 212. Шведский астроном Андерс Цельсий в 1742 году предложил иную, более логичную, шкалу. Точка замерзания воды, по его мнению, равнялась 100 градусам, а точка кипения – нулю. С ним согласились, правда, с существенной поправкой. Коллеги доктора Цельсия перевернули его шкалу, решив, что логичнее считать точку замерзания воды равной 0 °C, а точку кипения – 100 °C. Эта шкала наиболее распространена и по сей день. А вот шкалу Фаренгейта используют лишь в США. И то последнее время там стали привыкать к шкале Цельсия.

И наконец, шотландский химик У. Томсон, известный больше как лорд Кельвин, предложил в 1816 году шкалу абсолютных температур, приняв за ноль ту температуру, при которой прекращается тепловое движение атомов. Это происходит примерно при -273 °C, так что, согласитесь, пересчитывать шкалу Кельвина в шкалу Цельсия не очень-то удобно. Поэтому кельвинами пользуются в основном лишь исследователи сверхнизких температур. Так и сосуществуют по сей день сразу три шкалы температур.

Причем поскольку температура кипения воды меняется при изменении давления, то ныне за основу шкалы Кельвина взята так называемая тройная точка для воды, при которой при неких физических условиях могут мирно сосуществовать лед, вода и пар. Она равна 0,01 °C или 276,16 К.

Последняя поправка к температурному стандарту была принята в 1990 году, когда было уточнено, что вода при нормальном атмосферном давлении закипает на 0,026 градуса ниже стоградусной отметки. Тогда же для калибровки термометров было выбрано еще 17 точно выверенных опорных точек: тройная точка для водорода, точка плавления галлия, точка замерзания меди и т. д.

Такие разные термометры

Разобравшись со шкалами, мы можем поговорить и об измерителях температуры.

Известные термометры, в том числе и знакомый всем ртутный медицинский градусник, основаны на том, что столкновения молекул заставляют газы и жидкости при нагревании расширяться. Вот уже почти триста лет они верой и правдой служат людям. Позднее появились новые термометры. Часть их, например, основана на изменении электрического сопротивления проводников в зависимости от температуры.

Еще один способ измерения температур основан на использовании жидкокристаллических пленок. Существуют в природе вещества, изменяющие свой цвет при повышении или понижении температуры. Стоит приложить пленку, содержащую в своем составе подобные соединения, к телу или иному нагретому предмету, и по ее цвету сразу видно, какова температура. Таким образом удается заметить изменения температуры с точностью до 0,01 °C.

Используются ныне и пирометры – приборы, оценивающие инфракрасное излучение нагреваемых тел. Этот способ удобен тем, что позволяет измерять температуру на расстоянии.

Современные пирометры, например, способны определить не только температуру внутри раскаленной доменной печи, но и на поверхности или даже в недрах далеких звезд. Удалось, наконец, в последние годы разработать приборы для измерения температуры ультраохлажденных атомов вблизи температуры абсолютного нуля, а также температуры в триллионы градусов, получаемые при термоядерных реакциях.

Один из термометров нового типа состоит из двух кусочков металла, укрепленных на кремниевой пластинке и разделенных тонкой полоской изолятора. По странным законам квантовой механики электроны способны время от времени тоннелировать, то есть проникать сквозь слой изолятора с одной полоски на другую. Причем при повышении температуры количество таких переходов увеличивается.

Возрастает и издаваемый при этом электрический шум, который улавливается чувствительными приемниками и пересчитывается затем в показания температуры.

Профессор К. Шолькопф и его коллеги из Йельского университета предлагают к использованию термометр, основанный на измерении Электрических шумов, аналогичных статическим разрядам, которые иногда можно услышать в радиоприемниках при близких грозовых разрядах в атмосфере. Впрочем, ученые самокритично указывают, что сама по себе идея далеко не нова. Именно по радиошуму астрономы еще четверть века тому назад не только обнаружили реликтовый фон, оставшийся после Большого Взрыва, но и измерили температуру космической среды. Она оказалась лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. Однако до сих пор никому не удавалось толком откалибровать показания таких термометров. Новшество профессора и его коллег заключается в том, что им удалось разработать методику калибровки, а также использовать новый способ на практике для измерения сверхнизких температур.

Где градусник в организме?

Впрочем, все известные способы измерения температуры оказываются бесполезными, когда, например, физики проводят эксперименты с атомами, охлажденными до миллиардных долей градусов выше нуля.

«Никакой градусник не удается охладить до такой температуры, которую мы достигаем в своих экспериментах, – говорит доктор Уильям Филлипс, получивший в 1997 году Нобелевскую премию за разработку методов лазерного охлаждения. – Но ведь температуру при таких экспериментах нужно как-то измерять?..»

При ультранизких температурах физики вынуждены опять-таки регистрировать температуру как производную скорости теплового движения атомов. Освещая атомы и следы их движения в специальных камерах лазерной вспышкой, они замеряют скорость передвижения атомов до по этому показателю затем вычисляют температуру.

И это лишь один пример. А вот другой. Как быть, если нужно измерить температуру в недрах или хотя бы на поверхности отдаленного небесного тела? Первая сложность – как доставить термометр к такому объекту?

Сложность вторая: а есть ли вообще градусники, способные измерять температуру в миллионы градусов?.. Астрономы в таких случаях опять-таки идут окольным путем, используют свойства нагретой материи давать излучение. Его спектр анализируют, определяют по нему температуру и ряд других параметров.

Наконец, последние годы биологи задались вопросом, каким образом живые существа измеряют и регулируют температуру собственного тела?.

В 1999 году профессор клеточной и молекулярной биологии из Калифорнийского университета в Сан-Франциско Дэвид Джулиус и его коллеги смогли впервые идентифицировать протеин, служащий нервным клеткам своеобразным термометром. При температурах выше этот протеин, пронизывающий клеточные стенки, открывает поры в клеточной мембране, пропускающие кальциевые, калиевые и натриевые ионы. Они, в свою очередь, возбуждают нервные клетки, а те посылают болевые сигналы в мозг. И человек понимает, что он заболел…

«Многие млекопитающие, не говоря уж о людях, весьма четко ощущают некий температурный порог выше которого тепловые ощущения становятся болезненными, – говорит профессор Джулиус. – Этот механизм, кстати, позволяет нам не получать обширных ожогов, схватив, например, раскаленную кочергу».

Кстати, при исследованиях неожиданно выяснилось, что те же протеины, что реагируют на температуру, похоже реагируют и на вещества вроде перца. Так что не случайно маленькие дети говорят о перце или горчице, что они горячие…

Сейчас установлено также, что в организме существуй ют еще несколько протеинов, каждый из которых настроен на определенные границы тепла и холода. Таким образом за каждый интервал температур отвечает свой биологический датчик. Тому же профессору Джулиусу недавно, например, удалось выделить протеин, который подает сигнал в мозг лишь в том случае, если температура окружающей среды ниже 60 °C.

Кстати, на основе аналогичных прототипов исследователи намерены создать и органические биочипы, способные реагировать на температуру.

К. ПРЯНИЧНИКОВ

СЕКРЕТЫ СТАРЫХ МАСТЕРОВ
Витамин для стали

Давным-давно мастера выяснили странную вещь. Нож, откованный из свежевыплавленного куска стали, получался плохим, быстро тупился. Правда, чисто опытным путем кузнецы все-таки научились делать мечи и сабли, остававшиеся острыми как бритва даже после удара о стальной шлем врага. Но они не знали причин своего успеха. Ведь им приходилось привлекать для этого совершенно не ясные по своей сути явления природы. Нередко свои действия кузнецы облекали в форму магических ритуалов, чем и заслужили даже славу колдунов.

Вот как, например, по рассказу одного старого русского офицера, долгое время жившего в доме дагестанского кузнеца и наблюдавшего его работу, делались кинжалы и шашки.

Кузнец покупал моток стальной проволоки и разрубал его на две части. Одну из них он вешал на солнце, «чтобы напиталась живой силой его лучей». Другую – закапывал в землю у себя в коровнике, где она получала силу от матери-земли. Через полгода обе половинки свивали в один жгут, нагревали в горне и начинали ковать (рис. 1).

Примерно через неделю ковки получалась плотная, вполне однородная пластина, на поверхности которой от проволоки оставался лишь едва различимый узор в виде змеек. Путем ковки и последующей обточки на камне ей придавали форму лезвия. Затем, вжигая золото, покрывали узорами и письменами. После этого – закалка, окончательная шлифовка и полировка. На изготовление одного кинжала уходило более месяца. Еще дольше, до года, делали сабли и шашки. Изделия получались замечательные. Шашку можно было, не опасаясь сломать, изогнуть в кольцо, после чего она со свистом выпрямлялась, оставаясь прямой как стрела. Сказать, что такая шашка была острой как бритва, значит, ничего не сказать. Остроту ее заточки горцы измеряли, бросая на лезвие женский платок. Он, опускаясь на землю, распадался на две части. Такие ножи, сабли и шашки не теряли свой остроты при ударе о твердый предмет. Однако они были дороги, очень трудоемки и, по сути, являлись произведениями искусства. Между тем численность армий во всех странах непрерывно росла. Вооружить миллионы солдат подобным оружием было невозможно.

Практичные англичане еще в начале XIX века поставили производство холодного оружия на поток. Делали быстро, много и дешево. Конечно, оружие не имело столь высокого качества, как оружие мастеров Востока, но для сражений годилось.

У английских мастеров тоже был некий секрет производства, не находивший научного объяснения. Англичане применяли металл, долго (10–20 лет) пролежавший на воздухе. Только из него получалось оружие, способное стойко «держать жало». Но такого металла явно не хватало. Создавать огромные склады, где бы под открытым небом десятилетиями лежали заготовки, слишком дорого.

В 80-е годы XIX века английские оружейники облюбовали старинный железный мост, металл которого годился для изготовления оружия великолепного качества. Мост разобрали и вместо него построили новый.

Примерно в это самое время выяснили, что высокую прочность металлу сообщает не просто время выдержки, а медленное проникновение азота в его поверхностный слой. А раз так, то этот процесс можно произвести в искусственных условиях и гораздо быстрее. Стальные детали помещали в специальные ящики и раскладывали на сетке из никелевой проволоки (рис. 2).

Затем ящики ставили в электропечь. В каждый из них через отверстия непрерывно продували аммиак. При температуре около 700 °C аммиак медленно отдавал свой азот поверхностному слою металла. Процесс длился от двух до девяноста часов. В последнем случае азотом успевал пропитаться слой толщиною до 0,8 мм. Здесь он частично вступал в соединение с атомами железа, а часть его оставалась в состоянии твердого раствора. Именно ионы азота в железе и придают металлу особую прочность. Увеличение же содержания азотистых соединений делает его хрупким.

Тут прервем наш рассказ и поговорим о прочности материалов вообще. Часто думают, что она вызвана силами молекулярного притяжения. Это верно, но лишь отчасти. Расчеты показывают, что если бы это было так, то все материалы были бы в тысячи раз прочнее, чем мы наблюдаем. Оказывается, во всех материалах действует еще и процесс образования дефектов кристаллической решетки. На них собираются и концентрируются в очень малом объеме любые силы, приложенные к материалу. С этих-то мест – их называют местами концентрации напряжения – и начинается разрушение.

Попробуйте намотать на руки и разорвать на две части обычный полиэтиленовый пакет. Это нелегко! Однако стоит проткнуть его ножом, и он мгновенно разорвется по дырке.

Однажды ученые определили предел прочности кристалла каменной соли на разрыв. Получилось 200 кг на квадратный миллиметр – как у очень хорошей стали! Почему же мы обычно такой прочности у соли не наблюдаем? Причина проста. Все дело в дефектах структуры.

Все виды упрочняющей обработки любых материалов, по крайней мере, частично сводятся к устранению существующих в них дефектов. Их прекрасно «залечивают» растворенные в железе ионы азота. Но нитраты, соединения азота с железом, хоть они и сами по себе очень прочны, способны создавать новые дефекты. Потому процесс азотирования хорош в меру. И хотя азотированию поддаются многие сорта стали, у тех, что содержат алюминий, оно происходит особенно успешно: образуется твердый слой, который царапает стекло и может быть обработан только алмазом. Когда дагестанский кузнец закапывал проволоку в пропитанную мочой животных землю скотного сарая, он тем самым создавал условия для образования на ней азотно-аммиачных соединений. Напомним, что эту проволоку скручивали с проволокой, висевшей на солнце. После многократного разогрева и ковки азотистые соединения разлагались, и в заготовке кинжала возникал твердый раствор азота, придававший металлу упругость и твердость.

Сегодня производство холодного оружия отошло далеко на задний план, а азотирование широчайшим образом применяется во всех отраслях техники. Азотированную поверхность имеют рабочие поверхности измерительных инструментов, например, штангенциркулей или микрометров. Азотируют также трущиеся участки поверхности осей и валов. Особенно этот процесс важен для шестерен. Азотированная поверхность не только снижает их износ, но и уменьшает силу трения зубцов шестерней. Механизмы становятся гораздо надежней и экономичней.

Не избежали применения азотирования и металлорежущие инструменты – фрезы, резцы, сверла. Но здесь условия работы поверхностного слоя особенно тяжелы.

На кромке резца токарного станка напряжение достигает предела прочности материала, температура может приближаться к 1000 °C. Плотность проходящего через нее потока энергии не ниже, чем у лазера противоракетной обороны. Для защиты кромки резца от разрушения на нее напаивают пластинки сверхтвердого вольфрамового сплава. Но это не самое хорошее решение. Такой сплав очень тверд, стоек к износу и в то же время хрупок. Поэтому твердосплавную пластину приходится делать достаточно толстой. Кроме того, вольфрамовый сплав плохо проводит тепло и сильно нагревается при работе. Из-за этого ухудшается качество обработки поверхности детали. Поэтому додумались слой сверхтвердого, сверхстойкого к износу материала наносить на подложку из твердой, как стекло, азотированной стали.

Однако для этого азот нужно внедрять в поверхность будущего резца строго там, где нужно, и в строго определенных количествах. Старинный процесс азотирования в железных ящиках этого сделать не позволяет.

Вот как эту задачу стали решать ученые из МГТУ СТАНКИН под руководством доцента Е.А.Чекаловой. Заготовку резца помещают в камеру со смесью азота и аргона вблизи катода из напыляемого металла ( Ti; Сr; Zr) (рис. 3).

Между катодом и деталью создают высокое напряжение. Возникает дуговой разряд. Он создает облачко плазмы, состоящее из ионов и электронов. Вначале аргоном очищают и разогревают поверхность детали. Затем под действием электрического поля ионы азота начинают внедряться в ее поверхность. Примерно за 30–40 минут успевает образоваться твердый раствор азота в железе, но на возникновение вредных азотистых соединений времени не хватает. Таким образом возникает прочная азотированная поверхность, способная выдерживать значительное напряжение, возникающее при резании. Износостойкость его оставляет желать лучшего, но это ученых не беспокоит. На поверхность заготовки можно нанести слой, стойкий к износу. Он может быть очень тонким, ведь все действующее на него напряжение передается азотированному слою стали.

Поэтому совершенно не обязательно покрывать сталь слоем вольфрама. Годятся и гораздо более стойкие к износу карбиды титана и других металлов. Благодаря тому, что износоустойчивый слой очень тонок, он не успевает нагреться. Все тепло уходит. Качество обработки поверхности получается отличным. Таким образом ничтожное количество веществ, внедренных в кромку резца, словно витамины, облагораживает и продлевает его жизнь. Нет сомнения, что такая технология способна продлить и сроки службы валов, подшипников, зубчатых колес.

А.ИЛЬИН

Рисунки автора

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

МОРСКИЕ ЕЖИ ПОДАРЯТ ЛЮДЯМ НОВЫЕ ЗУБЫ?Ученые из научного института Вайцманна (Израиль), изучив строение иголок морского ежа, пришли к выводу, что по аналогичной технологии можно выращивать зубы людям взамен утерянных. Дело в том, что морские ежи оказались обладателями своеобразных сумок из живых клеток, в которых карбонат кальция (кальцит) принимает нужную форму, затем кристаллизуется. Как только исследователи детально разузнают, как это происходит, человечество сможет навсегда отказаться от привычных приемов стоматологии.

ПЕРЕУЧЕТ АРГОНА.Специалисты южнокорейского Института стандартов уточнили содержание аргона в атмосфере. Его оказалось на 2 процента больше, чем считалось ранее по результатам измерений, которые проводились в 1969 году. Новые данные важны для прецизионных измерений массы атмосферы. Ведь аргон – один из самых тяжелых газов, ее составляющих. Поэтому средняя плотность воздуха, оказывается, выше примерно на одну сотую процента. Стало быть, настолько же больше стала и сила Архимеда, воздействующая со стороны атмосферы на окружающие нас предметы и нас самих. В итоге, скажем, килограмм железа должен теперь весить на 15 микрограммов меньше, чем считалось прежде.

КУПИ РАКЕТУ!В Японии создана ракета для розничной продажи частным лицам. Аппарат, сконструированный специалистами Университета Хоккайдо, весит 10,5 кг и имеет длину 1,6 м. По утверждению создателей, ракета многоразового действия с помощью двигателя на жидком кислороде поднимается на высоту в 1 км за первые 3 секунды полета. На борту она может нести полезный груз – например, видеокамеру массой около 500 г. По словам разработчиков, подобные ракеты послужат своеобразным дополнением к тем радиоуправляемым самолетам, кораблям и прочим моделям, которые продаются сейчас во всем мире. Правда, стоит новая «игрушка» около 19 тыс. долларов. Кроме того, каждый покупатель должен будет в обязательном порядке пройти двухдневное обучение основам безопасного запуска ракеты.

СЪЕДОБНАЯ… УПАКОВКА.Одним из главных проклятий современной цивилизации многие ученые считают пластиковую упаковку. Она не разлагается многие десятилетия, захламляя свалки. Поэтому калифорнийский Центр исследования сельского хозяйства (ARS) разработал биоразлагаемую упаковку из зерновых культур и картофеля. По сравнению с пластиком у нее масса преимуществ: она легка в производстве, в нее можно добавлять витамины и полезные вещества, чтобы скормить затем скоту. Наконец, она дешевле пластиковой: в связи с ростом цен на нефть полимеры также дорожают – тонна полистирола ныне стоит на 200 евро дороже.