Текст книги "Юный техник, 2012 № 11"
Автор книги: Юный техник Журнал
Жанры:
Технические науки
,сообщить о нарушении
Текущая страница: 5 (всего у книги 5 страниц)
ПОЛИГОН
Сколько бензина в литре… воды?
В 1991 году американский инженер Дж. Григгс сделал такую помпу, в которой вода текла с большим затруднением, трение получалось огромным и вода из насоса выходила горячей. При помощи такого насоса Григгс перекачал воду из одного бака в другой и произвел расчеты.
Выяснилось, что каждый киловатт энергии, подведенной к насосу, приносил в бак 1,15 киловатта тепла!
Ученые начали искать объяснения феномена и вместе с Григгсом изучать все тонкости процесса. А бизнесмены занялись своим делом: есть помпа, создающая избыточную энергию, она может дать 15 % избыточного тепла, а если постараться – то даже 60 %! Так почему бы не применить ее для отопления домов? И помпы – их стали называть вихревыми насосами – поступили в продажу.
А дальше началось что-то странное. Одни покупатели отмечали значительную экономию энергии, а другие жаловались, что толку от покупки нет. В чем же дело?
Возможно, разгадку нашли недавно на одном из московских автосервисов. Стоит он на отшибе, отапливать помещение и подогревать воду для мойки автомобилей здесь можно только при помощи электричества. Нужно его немало, и владельцы, заботясь об экономии, приобрели вихревой генератор.
В первый год экономии не получилось, а люди на станции мерзли. Тогда решили добавить к системе отопления бак с обычным электронагревателем, а вихревой генератор использовать как насос, способный к тому же давать тепло. И тут-то начались приятные чудеса.
Во-первых, на станции стало жарко, во-вторых, КПД превысил 100 % – где-то стало появляться избыточное тепло! Но где?
Прошлись по всей цепочке от мотора вихревого генератора до ТЭНа и всех батарей, нагревающих помещение, и вот что заметили. Прежде всего, «чудеса» начинаются лишь тогда, когда в вихревой генератор подается вода с температурой не ниже 65 °C. После него она становится белой, как молоко, и поступает в цепочку батарей.
Обычно температура воды от батареи к батарее снижается примерно на 5 градусов, но, когда включили вихревой генератор и послали в сеть отопления подогретую воду, началось нечто удивительное. Пройдя через первую батарею, вода нисколько не понизила свою температуру. Пройдя через вторую, не остыла, а стала по чему-то еще горячее. Лишь после третьей батареи вода снова остыла до 65 °C и при этом стала прозрачной.
А дальше все пошло как положено: после каждой батареи вода становилась на 5 градусов хллоднее. Более того, если эту воду пропускали по кругу второй раз, излишнего тепла уже не получали. Зато если добавляли свежей, эффект повторялся. Так чем же свежая вода отличается от «отработанной»?
Исследуя воду при помощи рентгеновских лучей, ученые обнаружили, что в ней содержатся упорядоченные структуры, напоминающие структуры кристалла. Наиболее часто среди них встречаются кольцеобразные структуры, состоящие из 6 или 8 молекул. При взбалтывании воды в помпе вихревого генератора эти структуры разрываются и начинают отдавать энергию, которая была затрачена природой на создание этих структур.
Каждый литр воды давал при этом столько же дополнительной энергии, сколько дают при сгорании 15 грамм бензина. Не так уж мало!
На что потом годится вода, прошедшая через вихревой генератор? Она испарится, восстановит за счет энергии Солнца свою структуру и, выпав на землю дождем или снегом, снова попадет в трубы и сможет вновь отдавать запасенную энергию. А чтобы ее извлечь, по-видимому, не обязательно покупать дорогой вихревой генератор. Это можно сделать, прокачивая нагретую до 65 °C воду обычным насосом через небольшое отверстие.
А. ИЛЬИН
ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Генератор прямоугольных импульсов
При налаживании радиолюбительских конструкций бывает очень полезен источник испытательного сигнала. Им можно проверить телефоны или громкоговоритель, найти неисправный каскад, оценить вносимые искажения.
Такое средство есть – это генератор сигналов звуковой частоты.
Однако создание звукового генератора, вырабатывающего синусоидальный сигнал, дело непростое и довольно кропотливое, особенно в части налаживания. Дело в том, что любой генератор содержит, по крайней мере, два элемента: усилитель и частотнозависимую цепь, определяющую частоту колебаний.
Обычно она включается между выходом и входом усилителя, создавая положительную обратную связь (ПОС). В случае ВЧ-генератора все просто – достаточно усилителя на одном транзисторе и колебательного контура, определяющего частоту. Для диапазона звуковых частот наматывать катушку сложно, да и добротность ее получается низкой. Поэтому для диапазона звуковых частот используют RC-элементы – резисторы и конденсаторы. Они довольно плохо фильтруют основную гармонику колебаний, и потому синусоидальный сигнал оказывается искаженным, например, ограниченным по пикам. Для устранения искажений применяют цепи стабилизации амплитуды, поддерживающие низкий уровень генерируемого сигнала, когда искажения еще незаметны.
Именно создание хорошей стабилизирующей цепи, не искажающей синусоидальный сигнал, и вызывает основные трудности.
Эти проблемы отсутствуют в релаксационных RC-генераторах, где усилительные транзисторы работают в ключевом режиме – они либо открыты, либо закрыты. Амплитуда генерируемого сигнала в таких генераторах очень стабильна и близка к напряжению питания. Но форма колебаний весьма далека от синусоидальной – сигнал получается импульсным, причем длительность импульсов и пауз между ними легко регулируется. Импульсам легко придать вид меандра, когда длительность импульса равна длительности паузы между ними.
Основной и широко распространенный вид релаксационного генератора – симметричный мультивибратор на двух транзисторах, схема которого показана на рисунке 1.
В нем два стандартных усилительных каскада на транзисторах VT1 и VT2 соединены в последовательную цепочку, то есть выход одного каскада соединен со входом другого через разделительные конденсаторы С1 и С2. Они же определяют и частоту генерируемых колебаний F, точнее, их период Т. Напомню, что период и частота связаны простым соотношением F = 1/T. Если схема симметрична и номиналы деталей в обоих каскадах одинаковы, то и выходное напряжение имеет форму меандра.
Работает генератор так: сразу после включения, пока конденсаторы С1 и С2 не заряжены, транзисторы оказываются в «линейном» усилительном режиме, когда резисторами R1 и R2 задается некоторый малый ток базы, он определяет в Вст раз больший ток коллектора, и напряжение на коллекторах несколько меньше напряжения источника питания за счет падения напряжения на резисторах нагрузки R3 и R4.
При этом малейшие изменения коллекторного напряжения (хотя бы из-за тепловых флуктуации) одного транзистора передаются через конденсаторы С1 и С2 в цепь базы другого.
Предположим, что коллекторное напряжение VT1 чуть-чуть понизилось. Это изменение передается через конденсатор С2 в цепь базы VT2 и немного его запирает.
Коллекторное напряжение VT2 возрастает, и это изменение передается конденсатором С1 на базу VT1, он отпирается, его коллекторный ток возрастает, а коллекторное напряжение понижается еще больше. Процесс происходит лавинообразно и очень быстро.
В результате транзистор VT1 оказывается полностью открыт, его коллекторное напряжение будет не более 0.05…0.1 В, a VT2 – полностью заперт, и его коллекторное напряжение равно напряжению питания. Теперь надо ждать, пока перезарядятся конденсаторы С1 и С2 и транзистор VT2 приоткроется током, текущим через резистор смещения R2. Лавинообразный процесс пойдет в обратном направлении и приведет к полному открыванию транзистора VT2 и полному запиранию VT1. Теперь нужно ждать еще полпериода, нужные для перезарядки конденсаторов.
Время перезарядки определяется напряжением питания, током через резисторы R1, R2 и емкостью конденсаторов C1, С2.
При этом говорят о «постоянной времени» цепочек R1, С1 и R2, С2, примерно соответствующей периоду колебаний. Действительно, произведение сопротивления в омах на емкость в фарадах дает время в секундах. Для номиналов, указанных на схеме рисунка 1 (360 кОм и 4700 пФ), постоянная времени получается около 1,7 миллисекунды, что говорит о том, что частота мультивибратора будет лежать в звуковом диапазоне порядка сотен герц. Частота повышается при увеличении напряжения питания и уменьшении номиналов R1, С1 и R2, С2.
Описанный генератор весьмн неприхотлив: в нем можно использовать практически любые транзисторы и изменять номиналы элементов в широких пределах. К его выходам можно подключать высокоомные телефоны, чтобы услышать звуковые колебания, или даже громкоговоритель – динамическую головку с понижающим трансформатором, например абонентский трансляционный громкоговоритель. Так можно организовать, например, звуковой генератор для изучения азбуки Морзе. Телеграфный ключ ставят в цепи питания, последовательно с батареей.
Поскольку два противофазных выхода мультивибратора в радиолюбительской практике нужны редко, автор задался целью сконструировать более простой и экономичный генератор, содержащий меньше элементов.
То, что получилось, показано на рисунке 2.
Здесь использованы два транзистора с разными типами проводимости – n-p-n и р-n-р. Открываются они одновременно, коллекторный ток первого транзистора служит током базы второго.
Вместе транзисторы образуют также двухкаскадный усилитель, охваченный ПОС через цепочку R2,C1.
Когда транзисторы запираются, напряжение на коллекторе VT2 (выход 1 В) падает до нуля, это падение передается через цепочку ПОС на базу VT1 и полностью его запирает. Когда конденсатор С1 зарядится до примерно 0,5 В на левой обкладке, транзистор VT1 приоткроется, через него потечет ток, вызывая еще больший ток транзистора VT2; напряжение на выходе начнет расти. Это возрастание передается на базу VT1, вызывая еще большее его открывание. Происходит вышеописанный лавинообразный процесс, полностью отпирающий оба транзистора. Через некоторое время, нужное для перезарядки С1, транзистор VT1 призакроется, поскольку ток через резистор большого номинала R1 недостаточен для его полного открывания, и лавинообразный процесс разовьется в обратном направлении.
Скважность генерируемых импульсов, то есть соотношение длительностей импульса и паузы, регулируется подбором резисторов R1 и R2, а частота колебаний – подбором емкости С1. Устойчивой генерации при выбранном напряжении питания добиваются подбором резистора R5. Им же в некоторых пределах можно регулировать выходное напряжение. Так, например, при указанных на схеме номиналах и напряжении питания 2,5 В (два дисковых щелочных аккумулятора) частота генерации составила 1 кГц, а выходное напряжение – ровно 1 В. Потребляемый от батареи ток получился около 0,2 мА, что говорит об очень высокой экономичности генератора.
Нагрузка генератора R3, R4 выполнена в виде делителя на 10, чтобы можно было снимать и меньшее напряжение сигнала, в данном случае 0,1 В. Еще меньшее напряжение (регулируемое) снимается с движка переменного резистора R4.
Эта регулировка может оказаться полезной, если нужно определить или сравнить чувствительность телефонов, проверить высокочувствительный УНЧ, подав малый сигнал на его вход, и так далее. Если же таких задач не ставится, резистор R4 можно заменить постоянным или сделать еще одно звено делителя (0,01 В), добавив снизу еще резистор номиналом 27 Ом.
Сигнал прямоугольной формы с крутыми фронтами содержит широкий спектр частот – кроме основной частоты F, еще и ее нечетные гармоники 3F, 5F, 7F и так далее, вплоть до радиочастотного диапазона. Поэтому генератором можно проверять не только звуковую аппаратуру, но и радиоприемники. Конечно, амплитуда гармоник убывает с ростом их частоты, но достаточно чувствительный приемник позволяет прослушивать их во всем диапазоне длинных и средних волн.
В. ПОЛЯКОВ, профессор
* * *
Чудо техники – железная дорога
М.: «Техника – молодёжи», 304 с, 420 илл. в тв. перепл.
Как завязываются железнодорожные узлы, где находится самая высокогорная железная дорога, почему у танк-паровоза нет пушки, как сода заставит двигаться локомотив, может ли поезд ехать без колёс, кто такой тормозильщик, как «Дикая утка» оказалась самой быстрой птицей, какие «овечки» бегали по железным дорогам и почему именно они водили бронепоезда, какой локомотив был самым мощным – ответы на эти и многие другие вопросы вы найдёте в предлагаемой вам книге. И хотя она адресована школьникам, ее с интересом прочитают все, кто неравнодушен к железнодорожному транспорту.
Заказ на сайте «Техника – молодежи»:
www.tmmag.ru ; technicamolodezhi.ru Тел.: 8-495-234-16-78
ЧИТАТЕЛЬСКИЙ КЛУБ
Вопрос – ответ
Моему дедушке из всех спортивных игр доступны только настольные. Больше всего он любит домино. В домино он наш дворовый чемпион! Скажите, а кто изобрел домино? И как эта игра получила свое «имя»?
Виктор Колесников,
г. Орел
Увы, ответить точно на первый вопрос мы не можем. Потому что изобретателями домино одни знатоки считают Индию, а другие – Древнюю Грецию.
Есть разногласия и касательно названия, однако самой вероятной является следующая версия. В Средневековье игра в домино разрешалась в католических монастырях и религиозных общинах, поскольку не считалась азартной. Всякое же дело в монастырях начиналось с прославления имени Божия, и, когда игрок выставлял первую кость, он произносил: «Веnedicamus Domino», то есть «восхвалим Господа», или «Domino gratias», то есть «благодарение Господу».
Отсюда и получилось в сокращении – «домино».
В последнее время в обществе стали большее внимание уделять математикам – то один, то другой получают солидные премии и медали за решение той или иной задачи. Только все это, как правило, люди солидного возраста. Неужто среди наших современников нет нового Эвариста Галуа?
Алексей Карасев,
г, Новосибирск
Эварист Галуа, как известно, погиб на дуэли в 21 год, сформулировав условия задачи, над которой математики бьются и поныне. Он, конечно, своего рода феномен, но не уникум. Совсем недавно немецкий школьник Шаурийя Рай решил сразу две серьезные математические задачи, участвуя в конкурсе Дрезденского университета.
Сам конкурс завершился в марте 2012 года, однако еще несколько месяцев понадобилось профессиональным математикам, чтобы проверить решение 16-летнего школьника и убедиться в его правильности.
Шаурийя Рай решил две известные задачи классической механики. Первая заключается в вычислении полета частицы в поле силы тяжести, в среде, сопротивляющейся согласно законам ньютоновской жидкости (это модель реальной жидкости, обладающая некоторыми характерными математическими свойствами). Вторая задача описывает отражение частицы от стены с неупругим соударением по Герцу.
До последнего времени при решении задач такого рода ученые довольствовались численным моделированием. Раю же удалось обнаружить аналитические решения – то есть решить систему дифференциальных уравнений. По словам специалистов, новые решения, найденные Раем, попадут в будущие учебники по классической механике.
Ныне все реже можно увидеть в транспорте человека с книжкой или журналом в руках, все больше появляется электронных «читалок». Не значит ли все это, что книгам в их привычном бумажном виде приходит конец?
Ирина Колесникова,
г. Магнитогорск
Когда на одной из книжных ярмарок подобный вопрос задали одному английскому книгоиздателю, он остроумно ответил, что за судьбу бумажных книг можно не волноваться, по крайней мере, до той поры, пока взрослые не перестанут использовать книжки в качестве подставок под горячие чайники, а школьники – драться учебниками.
И хотя в каждой шутке есть доля шутки, издатель все-таки прав. В свое время говорили, что кино погубит театр. Потом, что кино окончательно спасует перед телевидением, а газеты – перед радио и Интернетом…
Однако проходит время, а книги, журналы и газеты все продолжают выходить.
Бумага, кстати, оказывается пока и более надежным, долговечным носителем, чем память компьютера или диск. Рукописи, как известно, даже не горят. Если, конечно, их специально не бросают в костры…
ДАВНЫМ-ДАВНО
Нам кажется, что они появились вместе с письмами в конвертах. Но нет, первые открытые письма – открытки – были введены в обращение в России в 1872 г. И были они, в отличие от современных, без красочного изображения, а печатали их на сероватой бумаге.
Поначалу было три вида открыток: черные, которые можно было отправлять как внутри города, так и в другие населенные пункты; коричневые внутригородские и зеленые – иногородние. На одной стороне открытки писали адрес и наклеивали марку, на второй помещали само сообщение. Причем тут же имелась печатная пометка: «Почтовое управление за содержание письма не отвечает».
Официальная история открытки начинается с 1869 года, когда австро-венгерское правительство приняло предложение Эммануила Германа, профессора экономики Венской военной академии, о создании «корреспондентской карточки». Отправка таких писем позволяла экономить на бумаге и конвертах, пересылка их стоила дешевле, да и цензорам было легче проверять содержание.
В 1871 г. к Австро-Венгрии присоединись почтовые ведомства Англии, Швейцарии, Люксембурга, Бельгии, Дании и Голландии. А дальше почтовые открытки распространились по всему миру.
В наши дни наиболее популярны поздравительные открытки. Но и более простые, без картинок, продолжают использовать в виде различных извещений и повесток. Так, в 2011 г. Почта России доставила адресатам более 125 млн. простых почтовых карточек.
Кстати, ныне исполнилось 154 года со дня введения в России первой почтовой марки.
20 октября 1857 г. царь Александр II утвердил три отпечатанных двухцветных образца номиналами в 10, 20 и 30 копеек. 9 ноября император «высочайше повелеть соизволил намывать их почтовыми марками».
С 1 (13) января 1858 г. началось официальное применение марок на всей территории России, кроме Кавказа, Закавказья и Сибири, где их ввели два месяца спустя.
ПРИЗ НОМЕРА
Наши традиционные три вопроса:
1. В некоторых современных смартфонах используют систему подавления внешних шумов, облегчающую разговор. А можно ли подавить шумы полностью?
2. Может ли элементарная частица лететь быстрее света?
3. Можно ли уберечься от заболевания гриппом?
ПРАВИЛЬНЫЕ ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ
«ЮТ» № 7 – 2012 г.
1. У воды молекулы водорода прочно связаны с молекулами кислорода. Именно потому, кстати, энергия сгорания водорода, полученного о результате электролиза, не покрывает затрат на его высвобождение.
2. Сфера – самая прочная замкнутая поверхность, поскольку нагрузки распределяются на ней равномерно.
3. Пух – это птичье перо с мягким стержнем и слабым развитием опахала. Легкость пуха объясняется его «конструкцией», выработанной природой в течение веков.
* * *
К сожалению, в этот раз никто из участников конкурса не сумел правильно ответить на все три вопроса.
* * *
А почему?
Бывает ли, что улитке становится мал ее домик? Давно ли появилось ювелирное искусство? Какие секреты таит обыкновенная смородина? 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 древний немецкий город Ахен, который когда-то был столицей империи Карла Великого.
Разумеется, будут в номере вести «Со всего света», «100 тысяч «почему?», встреча с Настенькой и Данилой, «Игротека» и другие наши рубрики.
ЛЕВША
В рубрике «Музей на столе» вы узнаете о современных российских самоходных установках и о том, какая мощь кроется под романтическими названиями «Гвоздика» и «Акация», а по опубликованным разверткам вы сможете выклеить две модели для вашего «Музея на столе».
Любители театрализованных военно-исторических баталий узнают, какими деталями дополнить шлем и латы римского легионера и как изготовить похожие на настоящие элементы одежды и обуви из простых материалов.
Электронщики продолжат строить робот, а Владимир Красноухов представит вам новые головоломки.
И конечно же, «Левша» даст несколько полезных советов.
* * *
