Текст книги "Юный техник, 2013 № 02"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 6 страниц)

НАУЧНЫЕ ЗАБАВЫ
Прибор обмана… зрения

Наше зрение не так уж совершенно, его нетрудно и обмануть. Этим, кстати, издавна пользуются иллюзионисты, кинематографисты и телевизионщики, применяя, в частности, стробоскопический эффект.

Стробоскоп (от греческих слов – «кружение», «беспорядочное движение» и  – «смотрю») – это прибор, позволяющий воспроизводить повторяющиеся яркие световые импульсы. Поначалу он был просто игрушкой, сейчас же его часто используют на вечеринках, дискотеках и концертах для получения интересных эффектов при фото– и видеосъемках, ну и, конечно, в научных исследованиях.

Поначалу стробоскоп представлял собой источник света с помещенным перед ним обтюратором – двумя непрозрачными дисками (неподвижным и вращающимся), каждый из которых имел узкие прорези-щели по краям. Когда на обоих дисках прорези совмещались, исследуемый с помощью стробоскопа объект освещался.

Сейчас в стробоскопах используют газоразрядные импульсные лампы, лазеры, а с появлением ярких светодиодов начали использовать и их.

При импульсном освещении зрение сильно подводит.

Например, при вращении колеса повозки или автомобиля на экране может казаться, что оно неподвижно или даже вращается в обратную сторону. Это происходит из-за того, что одинаковые спицы колеса за время съемки одиночного кадра проходят угол, примерно равный или чуть меньший, чем угол между ними.

На стробоскопическом эффекте, например, была основана автоматическая регулировка скорости вращения диска проигрывателей грампластинок на заводе.

При точной настройке изображение ребристой поверхности диска, освещаемое стробоскопом, казалось неподвижным.

Мы с вами можем использовать простейший стробоскоп, сделанный своими руками, для некоторых опытов и даже своего рода фокусов.

В нашем стробоскопе иллюзия движения будет создаваться картинками, «проскакивающими» за быстро вращающимися прорезями. Для изготовления такого устройства и работы с ним нам понадобятся ножницы, зеркало, игольчатая кнопка, экран телевизора, деревянный карандаш с ластиком и раковина с краном на кухне.

Действовать надо, как советует американский преподаватель Майкл Ди Специо. Сделайте ксерокопию рисунка с диском из журнала (или скопируйте изображение любым другим способом на плотную бумагу). Ножницами аккуратно сделайте прорези по краю диска.

Кнопкой проткните диск точно посредине и воткните иголку в бок ластика на карандаше. Диск должен свободно вращаться, а картинка должна располагаться лицом к вам.

Для начала попробуем с помощью нашего стробоскопа остановить движение падающих капель. На кухне приоткройте кран с водой так, чтобы капли с постоянными интервалами падали в раковину. Посмотрите на капли сквозь вращающийся диск и попробуйте «остановить» каплю воды в воздухе.

Другой опыт. Встаньте напротив зеркала и поверните диск рисунком от себя. Посмотрите сквозь прорезь так, чтобы было видно отражение лошадок в зеркале, и начните вращать диск, продолжая смотреть сквозь прорези. Что вы видите? Правильно ли скачет лошадь?

Наконец, опыт третий. Включив телевизор, отойдите от экрана на 2…3 метра. Закрыв один глаз, посмотрите на экран сквозь одну из прорезей на диске. Затем начните вращать диск и продолжайте смотреть.

Сквозь вращающиеся прорези вы должны каждый раз мельком видеть экран. Выглядит ли он так же, как обычно? Как изменение скорости вращения диска влияет на вид изображения?

Объяснение увиденного вами таково.

Движение на экране телевизора или в кино – всего лишь иллюзия. И создается она рядом быстро меняющихся кадров. Кадры на экране меняются 24 раза в секунду. На такой скорости мозг, безусловно, не может различить отдельные кадры, поэтому кажется, что объекты на экране движутся.

Наш стробоскоп «ловит» момент, когда изображение «обновляется». Сквозь щелку можно увидеть частично обновленную картинку на экране, а черные полоски – это фрагменты не полностью обновленного изображения, «пойманные» взглядом сквозь прорези.

Так же мы можем наблюдать капли, как бы зависшие в воздухе. Для этого необходимо, чтобы сквозь каждую прорезь мы видели следующую каплю в том же положении, что и предыдущую. Увеличив скорость вращения диска, можно даже увидеть, будто капли движутся вверх. Для этого надо, чтобы каждая следующая прорезь показывала нам очередную каплю чуть-чуть выше предыдущей.

А еще мы можем использовать наш стробоскоп для показа мультфильма «Скачущая лошадь». Когда вы смотрите сквозь прорези вращающегося диска на отраженных лошадей, то мозг не успевает различить отдельные фигурки, и кажется, что лошадь действительно скачет галопом. А если вращать диск в обратном направлении, то покажется, что она скачет задом наперед.

Кстати…

СТРОБОСКОПИЯ В ФОТОГРАФИИ

Стробоскопы довольно часто используют для получения оригинальных снимков, позволяющих на одном снимке зафиксировать несколько фаз движения. Придумал такой прием американский фотограф, доктор Гарольд Эджертон ( Harold Edgerton, 1903–1990).

Он впервые использовал стробоскоп, будучи студентом Массачусетского технологического института. И открыл, что если освещать вращающееся колесо мгновенными вспышками света, то оно кажется застывшим.

В 1931 году Гарольд Эджертон изобрел быстродействующую электрическую вспышку для фотоаппаратов и затем многие годы совершенствовал ее. Благодаря усовершенствованному оборудованию, он делал фотографии, поразившие воображение современников: «Падение капли молока», «Пуля, пробивающая помидор», «Игрок, тасующий карты», «Прыжок акробата» и многие другие. Не так давно Массачусетский технологический институт организовал выставку «Увидеть невидимое», на которой было представлено 50 фотографий Эджертона.

Некоторые из них представлены на страницах журнала.

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Суперпростой и сверхэкономичный радиоприемник

Эксперименты с «земляной» батареей и однопроводным телеграфом подвигли автора заняться и старой идеей полувековой давности – питанием от «земляной батареи» радиоприемника. В старой публикации инженеров В. Ногина и П. Усова («Радио», 1963, № 10, с. 48–50) был описан приемник на одном германиевом транзисторе, маломощный и недостаточно чувствительный (рис. 1).

Были приведены схемы приемников и на двух, и на трех транзисторах, даже громкоговорящих. Помнится, тогда эта публикация произвела фурор в радиолюбительском мире. Однако все приемники имели одинаковую структуру: детектор плюс усилитель низкой частоты (УНЧ). Поэтому чувствительность этих приемников была низкой. Тогда это было оправдано, поскольку еще не было доступных и экономичных высокочастотных транзисторов.

Теперь они есть, но усиления одного транзистора все равно маловато. Нужно хотя бы два транзистора, чтобы обеспечить достаточно громкий прием при антенне длиной 2…3 м, поднятой, например, на старой удочке. Не исключен прием и на магнитную антенну. Но сначала про питание.

О «земляных» батареях.Выражаясь точнее, это не батареи, а гальванические элементы, в которых электродами служат проводящие пластинки или штыри, а электролитом – влажная земля с содержащимися в ней солями.

Электрический ток вырабатывается за счет химической реакции между электродами и землей.

Объединить обычные земляные элементы в батарею с последовательным соединением, чтобы увеличить напряжение, не удается, поскольку электролит у всех элементов получится общим. Неизбежно короткое замыкание и большой ток между положительными и отрицательными электродами, приводящий к их быстрой электрохимической коррозии. Параллельное соединение допустимо для увеличения снимаемого тока, но все же самое простое – увеличить площадь поверхности электродов.

Материал электродов полностью определяет электродвижущую силу (ЭДС) элемента. В имеющейся литературе рекомендуют использовать пары уголь-цинк, алюминий-медь, медь-цинк…

Они дают ЭДС 0,7–1,3 В в зависимости от состава и влажности грунта. Приводят следующие данные об ЭДС земляных элементов (таблица 1).

Первый, сразу же возникающий вопрос: где взять материал для электродов? Ответ простой – во всяком ненужном хламе! Для медного электрода идеально подходит ручка от туалетных сливных бачков. Это медный стержень, заканчивающийся пластмассовым шариком, за который удобно держать электрод, втыкая в землю. Остается лишь заострить напильником другой конец.

Цинк и уголь можно добыть из старых, отслуживших свое гальванических элементов. Стальной пруток найти тоже легко.

Сейчас зима, и втыкать электроды в промерзший грунт непросто. Можно использовать старые гальванические элементы любого типоразмера. Их емкость в бытовой технике редко используется полностью. Например, стрелочные электронные часы останавливаются или их стрелка дергается на месте уже при напряжении элемента питания 1 В.

Плееры, радиоприемники, пульты управления перестают работать при напряжении 0,8… 0,9 В.

В то же время паспортную емкость элемент отдает лишь при глубоком разряде до 0,7 В.

Такие недоразряженные элементы нам вполне подойдут и проработают еще недели и месяцы.

Иногда работоспособность совсем плохих элементов удается восстановить так: аккуратно развальцевать защитный корпус около положительного вывода, вытащить плоскогубчиками центральный угольный стержень, накапать в элемент немного чистой воды и собрать все, как было раньше. В общем, вопрос с питанием решили. Теперь о самом приемнике.

Идеология экономичности.Задумывался ли кто-нибудь: а какую нам надо получить от радиоприемника мощность звуковой частоты? Эксперименты показали, что с хорошей акустической системой (открытый ящик и несколько головок с большими диффузорами и мощными магнитами, например 8ГД-1, 6ГД-1, 4ГД-35) для озвучивания комнаты достаточно 0,2 мВт. Даже при КПД приемника 20 % ему будет достаточно 1 мВт питания, а это 1 В напряжения и 1 мА тока!

Столь экономичных приемников промышленность не выпускает, и здесь необозримое поле деятельности для радиолюбителей.

Почему-то считается нормой делать приемники с 6– или 9-вольтовым питанием, и самые экономичные потребляют 10…20 мА. А это около 100 мВт мощности (0,1 Вт). Нонсенс!

Еще печальнее дело обстоит с аппаратами, работающими на наушники.

Мои высокоомные звучат довольно громко при звуковом напряжении 40 мВ. Их сопротивление 4 кОм. Поделив одно на другое (по закону Ома), получаем ток в наушниках 10 мкА (микроампер, я подчеркиваю). Следовательно, им нужна мощность всего 0,4 мкВт (микроватта!).

Так неужели я должен раскошеливаться и тратить батарейки в угоду бессовестным производителям аппаратуры?

Схема радиоприемника.Итак, зададимся целью сделать приемник, работающий на наушники с напряжением питания 0,7… 1,3 В и минимальным потребляемым током, чтобы он мог работать и от земляного элемента, и от старых, поработавших в бытовой технике сухих элементов. Поневоле мы должны применять самые распространенные кремниевые транзисторы (германиевые, говорят, уже сняты с производства). По счастью, они (кремниевые) открываются при напряжении 0,5 В и нашего напряжения питания им достаточно. Для простоты ограничимся пока двумя транзисторами.

Значительный (относительно!) ток должен потреблять лишь оконечный транзистор, работающий на телефоны. Первый транзистор, усиливающий слабый сигнал, вполне может работать в режиме микротоков, измеряемых единицами или десятками микроампер.

Более того, столь малый коллекторный ток первого транзистора может послужить и током смещения базы второго. Из этих соображений и была составлена схема приемника, показанная на рисунке 2.

Единственный колебательный контур приемника образован катушкой магнитной ферритовой антенны L1 и конденсатором переменной емкости (КПЕ) С1. Контуром мы выделяем сигнал с частотой нужной нам радиостанции.

Выделенный радиочастотный сигнал (РЧ) поступает через конденсатор С2 на базу первого транзистора. Обратите внимание на включение резистора смещения R1. Он подключен не как обычно, с базы транзистора VT1 на общий провод, а параллельно конденсатору С2. Так делали в старинных ламповых радиоприемниках, и в этом есть смысл – резистор в таком включении не шунтирует колебательный контур и не снижает его добротность. Постоянный ток смещения базы проходит теперь через катушку L1, но для нее это не имеет никакого значения ввиду малости как тока, так и сопротивления катушки. По РЧ вход приемника подключен ко всему контуру, без отводов или катушек связи.

Это оказалось возможным, поскольку транзистор VT1 работает в режиме микротоков, а его входное сопротивление увеличивается с уменьшением тока, и он также слабо шунтирует контур.

Если же вы захотите увеличить избирательность приемника (возникнет необходимость отстройки от мощной мешающей станции), сделайте отвод примерно от середины катушки и общую точку R1, С2 соедините с ним. Верхний по схеме вывод катушки будет соединен только с КПЕ.

Коллекторный ток транзистора VT1 служит током смещения базы транзистора VT2 они соединены непосредственно. Второй усилительный каскад нагружен на телефоны и получает питание от гальванического (или земляного) элемента.

Эмиттер транзистора VT1 подключен к коллектору VT2 через развязывающую цепочку R2, СЗ.

Ее роль в этой схеме очень важна – цепочка пропускает постоянный ток для питания транзистора VT1, но срезает все звуковые и радиочастоты – они замыкаются на общий провод конденсатором большой емкости СЗ.

В результате и по РЧ, и по ЗЧ эмиттер транзистора VT1 оказывается соединенным с общим проводом, как положено в усилителе с общим эмиттером. Одновременно осуществляется стабилизация режима обоих транзисторов по постоянному току.

Действует она так: пусть по каким-то причинам (повышение температуры, например) ток первого транзистора VT1 возрос. Вслед за ним возрастает и ток транзистора VT2. Падение напряжения на телефонах увеличивается, а напряжение питания транзистора VT1, соответственно, уменьшается, что и приводит к уменьшению его тока. Здесь действует 100 % ООС по постоянному току.

Где здесь детектор? Его нет, функции детектирования выполняют оба транзистора, поскольку работают при малых токах, на нижнем сгибе переходной характеристики, причем их детектирующие эффекты складываются.

Положительные полуволны РЧ-напряжения на входе запирают оба транзистора, и их усиление падает, а отрицательные полуволны открывают транзистор VT1, а вслед за ним и VT2, их усиление растет и общий ток увеличивается. Поэтому чем больше РЧ-напряжение на входе, тем больше и ток через телефоны, что и требуется для детектирования.

Но нам совсем не нужно, чтобы РЧ-ток попадал в шнур телефонов – возможна паразитная связь с антенной и самовозбуждение приемника. Это предотвращает блокировочный конденсатор С4. Его емкостное сопротивление мало для РЧ-тока, и он замыкается на общий провод. А для звуковых частот его сопротивление велико, и ток 3Ч поступает в телефоны.

С высокоомными телефонами приемник показал очень неплохие результаты громкий и чистый прием местных станций на магнитную антенну при потребляемом токе всего 0,15 мА.

Для диапазона средних волн катушка антенны должна содержать 50…70 витков провода ПЭЛШО 0,25…0,3, однако лучше использовать литцендрат (какой найдете). Для длинных волн число витков надо увеличить до 250…300 и использовать более тонкий провод.

Если на магнитную антенну ничего не удается принять – подсоедините к верхнему по схеме выводу катушки L1 антенну – отрезок любого провода длиной 2…3 м. Удачи в экспериментах!

В. ПОЛЯКОВ, профессор

ЧИТАТЕЛЬСКИЙ КЛУБ

Вопрос – ответ

Управление человеческой памятью – один из излюбленных приемов у сценаристов научно фантастических фильмов. А на самом деле разве можно стирать в памяти человека одни события и вписывать другие?

Станислав Киселев,

г. Москва

Недавно ученые Университета Упсалы (Швеция) заявили, что, благодаря их открытию, можно будет лечить излишне тревожных и депрессивных людей, пишет газета Daily Mail.

По словам шведских специалистов, из человеческой памяти и в самом деле можно удалить вновь образованные воспоминания.

Когда человек узнает какую-либо информацию, то сначала сведения откладываются в краткосрочной памяти. И только если полученная информация покажется нам очень важной, она будет переведена в долговременную память, закодирована, благодаря образованию особых белков, в головном мозге.

До тех пор пока сведения о недавнем событии не успели перейти в долговременную память, их можно стереть, приняв лекарство, состав которого шведские медики не сообщают.

В 1775 году Парижская академия наук объявила, что не будет больше рассматривать проекты вечных двигателей. Более 100 лет не принимает подобные заявки и патентное ведомство США. А 25 октября по радио сказали, что в Центре международной дискуссии Сколкова прошло обсуждение темы вечного двигателя. Значит, в этой отрасли знания что-то изменилось?

Олег Короткое,

г. Новосибирск

В классическом виде вечный двигатель – гипотетическое устройство, производящее полезной работы больше, чем сообщаемая ему энергия – так и остался под запретом первого и второго начал термодинамики. Однако в ходе обсуждения было отмечено, что в настоящее время есть немало разработок, которые многие изобретатели и эксперты прошлого могли бы причислить к категории «вечных двигателей».

Никого, например, не удивляют наручные часы, которые не надо заводить или менять в них батарейки – они работают от тепла человеческого тела.

Современные биотехнологии также позволяют создавать установки, которые получают энергию, казалось бы, «ниоткуда» – из воздуха, сточных вод, света…

В дискуссии принял участие Жорес Алферов– единственный нобелевский лауреат по физике, постоянно проживающий на территории России.

Присутствовали в Сколкове британцы Брайан Сполдинг и Джеффри Хьюитт, канадец Клемент Боуман, американец Леонард Кох, российские академики Евгений Велихов, Борис Каторгин и Филипп Рутберг.

Но дальше дискуссий саммит так и не продвинулся.

Говорят, на спутнике Сатурна – Титане обнаружили озеро. Но как оно может там быть, если на спутнике очень холодно? А если озеро прячется по до льдом, то как его обнаружили?

Всеволод Крайнев

г. Томен

Да, на Титане есть озера. Но в отличие от Земли они состоят не из воды, а из метана. Например, недавно изучив снимки, поступившие с борта автоматической межпланетной станциии НАСА «Кассини», ученые обнаружили очередное метановое озеро у экватора Титана – крупнейшего спутника Сатурна. Ранее считалось, что озера сосредоточены исключительно в приполярных областях.

Площадь обнаруженного озера составляет порядка 2,4 тыс. кв. км. «Это открытие было совершенно неожиданным, – отмечает руководитель исследования, ученый из Университета штата Аризона Кейтлин Гриффит. – Существование озер в сухих тропиках, в отличие от приполярных районов, объяснить трудно. Любая жидкость, попадающая на Титан в тропических районах, быстро испаряется и в конечном итоге переносится к полюсам, где образуются большие озера».

Сейчас электронный калькулятор есть в распоряжении почти каждого школьника, программы для вычислений установлены в ноутбуках и в смартфонах… Но зачем тогда в начальных классах людей продолжают мучить устным счетом и таблицей умножения?

Лариса Кипарисова,

г. Сочи

Устному счету стоит учиться хотя бы потому, что он ум в порядок приводит, говаривал еще Михайло Ломоносов. В наши дни к его высказыванию можно добавить, что с помощью устного счета есть возможность прославиться и даже подзаработать.

Двое немецких школьников недавно стали победителями чемпионата мира среди детей и юношей по решению математических примеров в уме.

Участники проходившего в Германии турнира должны были складывать шестизначные числа» извлекать корни, долить и перемножать дроби. В чемпионате принимали участие 35 человек из восьми стран. Каждому из них за два часа нужно было выполнить в уме несколько сотен вычислений, условия которых были изложены на 45 страницах задания.

Точнее всех оказались 12-летний Мартин Дреес из Кадольцбурга и 17-летний Андреас Бергер из Йены. Бергер является уже трехкратным чемпионом мира. На этот раз ему удалось правильно решить 80 процентов примеров, а также установить рекорд по скорости извлечения квадратного корня. Он сумел вычислить корень числа 7 533 198 436 всего за 14 секунд. Именно столько времени ему потребовалось, чтобы дать правильный ответ: 86 794.

«В математике нет ничего проще извлечения корней», – прокомментировал свой успех трехкратный чемпион, посетовав, что в следующем турнире по возрасту не сможет участвовать.

Одним из организаторов чемпионата мира среди несовершеннолетних является восьмикратный чемпион мира по устному счету среди взрослых Герт Миттринг. Он также установил ряд рекордов Гиннесса в этой области, например, извлек корень 13-й степени из 100-значного числа за 13,3 секунды.