Текст книги "Юный техник, 2011 № 07"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 5 страниц)

ПОЛИГОН
Живущие на волчке

Всем известно, что наша планета, словно огромный волчок или юла, вращается вокруг своей оси, обеспечивая нам суточную смену дня и ночи. Но при этом, как говорят ученые, ось Земли еще и колеблется, качается из стороны в сторону. Как это происходит и к чему приводит, мы с вами и постараемся наглядно представить при помощи несложного оборудования и серии опытов.

Если у вас есть покупная юла, проведите опыты с ней. Если нет, простейший волчок можно сделать за несколько минут своими руками. Начертите циркулем и вырежьте ножницами из картона толщиной 2–3 мм кружок диаметром 5–6 см, проделайте шилом в центре его отверстие. Вставьте в него круглую палочку или даже спичку с обломленной головкой и заостренным концом.

Ваш волчок готов.

Запустите его, и вы увидите, что волчок при вращении покачивается. При этом верхний конец его оси описывает в пространстве конус. Это движение оси вокруг вертикали, проходящей через точку опоры волчка, называется прецессией.

Примерно так же и земная ось – вернее, та воображаемая линия, вокруг которой вращается наша планета, – тоже описывает прецессию. Причем верхняя «половина» земной оси описывает конус, вершина которого в центре Земли. И нижняя половина земной оси делает то же самое. Таким образом, по сути дела, земная ось описывает два конуса, обращенных вершинами друг к другу.

Заметьте: ось волчка, запущенного на столе, описывает конус прецессии из-за того, что земное притяжение стремится опрокинуть волчок, что и происходит, как только он прекратит свое вращение. А что вызывает прецессию земной оси? Ведь Земля летит свободно в мировом пространстве. Солнце крепко держит ее на орбите силой притяжения.

Если раскрутить на веревке помещенный в сетку мячик, он сам по себе крутиться вокруг собственной оси не будет. И прецессии никакой мы у него не заметим. Так в чем же причина образования прецессии у Земли? Эту загадку разгадал знаменитый английский физик Исаак Ньютон.

Для того чтобы познакомиться с этой причиной, известный популяризатор науки Флорентий Владимирович Рабиза еще тридцать с лишним лет тому назад советовал сделать следующее.

Выпилите из фанеры толщиной 4–5 мм диск диаметром примерно 30 см. Просверлите в центре его отверстие диаметром около 3 мм. Пропустите в отверстие петлю из сложенного вдвое шпагата. Просуньте с нижней стороны диска в веревочную петлю скрепку или палочку с таким расчетом, чтобы диск мог повиснуть на скрученном шпагате горизонтально.

Далее вырежьте из ватмана или тонкого картона полоску 60 см длиной и 2,5 см шириной. Склейте концы полоски, чтобы образовалось кольцо диаметром 18–19 см. Проделайте в середине полоски два отверстия, расположенные одно напротив другого по диаметру кольца. Пропустите в эти отверстия скрученные концы шпагата, на котором подвешен диск.

Одно отверстие сделайте в месте склейки полоски. Второе отверстие в полоске должно быть несколько побольше, чтобы шпагат проходил сквозь него свободно, без задержки. Наденьте картонное кольцо на шпагат так, чтобы склеенная часть кольца соприкасалась с фанерным диском. Приклейте картонное кольцо к фанере. Этот фанерный диск нужно подвесить строго горизонтально и так, чтобы бумажное кольцо оставалось круглым. При этом верхний край картонного кольца должен свободно перемещаться по шпагату вверх-вниз. Над кольцом на шпагате закрепите маленький хомутик из черной бумаги. Он должен сидеть плотно, но так, чтобы в случае необходимости его можно было передвинуть вверх-вниз по шпагату.

Теперь приступим к опыту.

Вставьте пониже верхней точки подвеса вашего прибора между веревками еще одну круглую палочку и хорошо закрутите диск с картонным кольцом. Когда вы его отпустите, он начнет быстро вертеться в обратную сторону на раскручивающихся веревках. Когда диск хорошо раскрутится, станет видно, что картонное кольцо немного сплющилось.

Этот опыт иллюстрирует, почему наша планета – вовсе не идеальный шар. Радиус Земли, проведенный от ее полюса до центра, отличается от «экваториального радиуса» на 21,383 км. А по расчетам Исаака Ньютона эта разница составляла 24 километра.

Ньютон полагал, что «раздувание» Земли у экватора произошло, когда она находилась в размягченном состоянии, постепенно превращаясь из жидкого огненного шара в твердую планету.

А вот почему она крутится вокруг собственной оси и ее ось наклонена к плоскости эклиптики (плоскости вращения вокруг Солнца) под углом 66 33,5’, у ученых есть несколько объяснений. Так, согласно одной из гипотез, импульс вращения вокруг собственной оси Земля, как и другие планеты, получила в процессе формирования Солнечной системы из некоего плазменно-пылевого облака. Наклон же оси наша планета получила в результате соударения с другим небесным телом, например, с Луной.

Сейчас же, поскольку из-за облачного покрова Земля неравномерно прогревается днем и остывает ночью, из-за землетрясений, океанических течений и иных причин она все время смещает свой центр тяжести, то и вращение ее вокруг собственной оси идет не совсем равномерно. Кроме того, имея дисбаланс вращения, наша планета и качается, словно волчок, из стороны в сторону. Наконец, на Землю действует своим притяжением и Луна.

Кстати…

НЕЗАМЕТНЫЕ СКОРОСТИ

Итак, мы с вами живем на гигантском волчке. Но мы не замечаем той огромной скорости, с которой Земля несется по своей орбите вокруг Солнца. Не замечаем мы и скорости, с которой Земля вращается вокруг своей оси.

Между тем, Земля несется вокруг Солнца со скоростью 29,765 км/с, или около 108 000 км/ч. Для сравнения: лучшие самолеты развивают скорость порядка 3000 км/ч, а искусственные спутники Земли – порядка 8 км/с.

Вращение же Земли вокруг своей оси приводит к тому, что жители экваториального пояса, сами того не замечая, мчатся со скоростью 1674 км/ч!

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Индикатор радиоактивности

После аварии на японской атомной электростанции «Фукусима» индикаторы радиации (дозиметры) исчезли у нас из продажи или очень сильно подорожали, поскольку возникли подозрения, что из Японии могут поступать автозапчасти, морепродукты и другие товары, несущие следы радиации. В то же время, ничего сложного в индикаторе радиоактивности нет, и сделать его может каждый, кто умеет держать в руках паяльник.

Сначала несколько слов о радиоактивном распаде и вредных излучениях, которые его сопровождают. Радиоактивные излучения (радиацию) делят на три основных вида: α, β, и γ. Альфа-частицы (ядра гелия) самые медленные и тяжелые – их задерживает даже тонкий лист бумаги. Бета-частицы (электроны) легче, быстрее и имеют уже значительную проникающую способность. Гамма-кванты (порции электромагнитного излучения) летят со скоростью света и обнаруживаются на расстояниях многих метров от радиоактивного источника. Есть и множество других частиц, наблюдаемых при радиоактивном распаде и несущих опасность разной степени.

Обнаружить радиацию можно различными способами – по засветке фотопленки или фотобумаги, по световым вспышкам от пролетающих частиц на сцинтилляционном экране, но удобнее всего – с помощью счетчиков частиц, создающих электрический импульс при попадании в него частицы. Распространенные счетчики Гейгера – Мюллера состоят из герметизированной трубочки (катод) с протянутой по оси проволочкой (анод). Пространство внутри заполнено газом при низком давлении, чтобы легче происходил электрический пробой. Напряжение на счетчике (обычно 300–500 В) подбирают так, чтобы самостоятельного разряда не было и ток через счетчик отсутствовал. Но при попадании частицы она ионизирует газ, и между катодом и анодом возникает лавина электронов и ионов – генерируется импульс тока. Специально подобранный состав газа способствует прекращению разряда (самогашение), и через доли миллисекунды счетчик возвращается в исходное состояние.

На фотографии показан широко используемый в бытовых дозиметрах счетчик СБМ-20. Он чувствителен к бета– и гамма-излучению. Количество импульсов, регистрируемых им за 40 секунд примерно равно интенсивности радиации в микрорентгенах в час (мкР/ч). Естественный и совершенно безопасный фон радиации составляет обычно 12–16 мкР/ч.

Работу счетчика рассмотрим на примере очень простого самодельного индикатора, схема которого показана на рисунке 1.

Он состоит из двух отдельных блоков, собранных в небольших пластмассовых коробочках: сетевого выпрямителя (на схеме слева) и собственно индикатора (справа).

Для приведения индикатора в рабочее состояние блоки соединяют разъемом XI, а вилку блока питания включают на короткое время в сетевую розетку. При этом конденсатор СЗ заряжается до напряжения около 600 В и в дальнейшем служит источником питания для счетчика. Вынув вилку блока питания из розетки, отсоединяют блок питания от индикатора, а к контактам 2 и 3 разъема подключают высокоомные телефоны. Щелчок в телефонах указывает на пролет частицы через счетчик.

Время работы индикатора после одной зарядки зависит от тока утечки конденсатора СЗ (он должен быть хорошего качества) и, конечно, от интенсивности радиации. Оно может достигать десятков минут и более. Об истощении заряда свидетельствует прекращение редких щелчков от естественного фона. Номиналы деталей некритичны и могут значительно отличаться от приведенных.

Резистор R1 лучше выбрать с рассеиваемой мощностью 1–2 Вт, конденсаторы – бумажные или керамические, на напряжение не менее указанного. Счетчик В1 может быть любым, какой удастся достать. Низкоомные телефоны можно подключить через малогабаритный понижающий трансформатор примерно 20:1 (от транзисторного приемника, сетевого адаптера, трансляционной радиоточки и т. д.).

Особо следует позаботиться о конструкции, исключающей прикосновение руками к контактам разъема XI в целях безопасности.

Еще один удобный вариант питания индикатора был описан в старом учебнике по гражданской обороне: вместо сети переменного тока можно использовать карманный фонарик с механическим приводом (жучок). Его генератор вырабатывает переменный ток, поэтому вместо лампочки подключаем вторичную (низковольтную) обмотку упомянутого трансформатора, а с первичной обмотки снимаем практически «сетевое» напряжение, которое подаем на блок питания индикатора (рис. 1).

Несколько сложнее, но гораздо удобнее индикатор с питанием от батареи. Обычно выбирают 9-вольтовую «Крону», «Корунд» или их импортный аналог. Нужен преобразователь 9/400 В, но он может быть совсем маломощным, поскольку ток, потребляемый счетчиком, чрезвычайно мал. Схема индикатора дана на рисунке 2.

Из активных элементов в нем всего лишь одна микросхема DD1 и один транзистор VT1 – самые распространенные и дешевые. На элементах DD1.1 и DD1.2 собран генератор на частоту около 1 кГц. Его сигнал прямоугольной формы дифференцируется цепочкой C2R3, и короткие импульсы открывают транзистор VT1, работающий в ключевом режиме. Импульсы его коллекторного тока, проходя по первичной (здесь – низковольтной) обмотке трансформатора Тр1, наводят в его вторичной обмотке довольно высокое импульсное напряжение, около 100 В. Диод VD1 защищает коллектор транзистора от обратных выбросов напряжения, возникающих на индуктивной нагрузке – трансформаторе Тр1. Они не столько опасны для транзистора, сколько приводят к ненужным потерям энергии и снижают экономичность преобразователя.

Выпрямитель с шестикратным умножением (VD2 – VD7, СЗ – С8) выдает постоянное, около -400 В напряжение, подаваемое на катод счетчика через токоограничивающий резистор R4. Отрицательные импульсы с анода счетчика, вызванные радиацией, переключают элемент DD1.3. С его выхода (вывод 10) сигналы растягиваются по длительности до долей секунды цепочкой VD2, R6 и С9 и поступают на один вход элемента DD1.4. Другой его вход соединен с генератором частоты 1 кГц.

В результате на выходе элемента получаются не короткие щелчки, неприятные на слух, а звуковые сигналы с музыкальным тоном, возбуждающие звукоизлучатель Гр. Одновременно зажигается и светодиод HL1, обеспечивая визуальную индикацию.

При естественном фоне радиации слышны лишь редкие «попискивания» раз в несколько секунд, сопровождаемые вспышками светодиода, что свидетельствует о нормальной работе индикатора. При возрастании радиации сигналы становятся чаще, а при явной опасности звуковой сигнал становится непрерывным, а светодиод горит постоянно.

Был использован единственный, бывший в наличии гамма-счетчик СИ13Г. Он в стеклянном баллоне и имеет габариты почти вдвое меньшие, чем счетчик СБМ-20, соответственно, и меньшую чувствительность. Зато весь индикатор с миниатюрным громкоговорителем и батареей «Крона» разместился в коробочке размерами всего 80x55x20 мм.

Трансформатор Тр1 самодельный, он намотан на миниатюрном Ш-образном ферритовом сердечнике Ш4x8, первичная обмотка содержит 100 витков провода ПЭЛ 0,1, вторичная – 1200 витков провода ПЭЛ 0,06. Намотка ведется внавал, между обмотками прокладывают 1–2 слоя папиросной бумаги.

Собственно, число витков вторичной обмотки в авторском варианте определилось только тем, сколько провода уместилось в окне сердечника. Поэтому и пришлось сделать шестикратное умножение в выпрямителе. Если применить трансформатор больших габаритов и с большим коэффициентом трансформации, можно обойтись и меньшей кратностью умножения, а то и вообще обойтись одним диодом и одним конденсатором. Но диоды тогда нужны со значительно большим допустимым обратным напряжением. Тип остальных деталей индикатора особого значения не имеет, и определяет лишь габариты конструкции.

Громкоговоритель имеет сопротивление 50 Ом, вместо него подойдет любой наушник с сопротивлением 30 Ом и выше. Они «пищат» достаточно громко. С успехом можно использовать и пьезокерамические звукоизлучатели, например, ЗП-1, ЗП-5 и т. д.

В. ПОЛЯКОВ, профессор

ЧИТАТЕЛЬСКИЙ КЛУБ

Вопрос – ответ

Во многих регионах нашей страны качество питьевой воды оставляет желать лучшего. Кроме того, все больше специалистов говорит о том, что хлорирование воды не лучший способ ее обеззараживания. А что могут предложить специалисты вместо хлора?

Екатерина Калашникова,

г. Воронеж

Все большее количество специалистов отдает предпочтение озонированию питьевой воды. Уже доказано, что при обработке ее молекулами О₃ болезнетворные микробы гибнут примерно так же, как и при обработке воды серебром. Однако оба способа достаточно дороги, а потому специалисты продолжают искать новые – эффективные и дешевые – способы очистки воды.

Неожиданное открытие сделали недавно экологи Бразилии. Они установили, что грязная вода весьма эффективно очищается… кожурой от бананов. Причем бразильцы разработали даже два варианта технологии. В одном случае высушенную и измельченную кожуру просто высыпали в чан с водой, загрязненной тяжелыми металлами – медью и свинцом. Анализ показал, что уже через 10 минут значительная часть вредных примесей была впитана кожурой.

Во втором случае из прессованной банановой кожуры сделали мембранные фильтры, которые очищают воду прямо по пути ее следования по водопроводу.

Конечно, у нас – не бразильский климат и бананы не растут повсеместно. Но наши исследователи полагают, что подобные эксперименты стоит провести также с кожурой яблок, скорлупой орехов и т. д. Ведь оболочка каждого плода служит одной и той же цели – она должна не пропускать внутрь плода вредные вещества. Что как раз нам и нужно.

ДАВНЫМ-ДАВНО

Название гидромассажной ванны Jacuzzi слышали многие. Но знаете ли вы, откуда оно взялось? А как была изобретена сама ванна?..

Оказывается, и то и другое непосредственно связано с семейством итальянских эмигрантов Джакузи. Семеро братьев, носящих эту фамилию, в 1903 году эмигрировали из итальянской провинции Фриули в американский штат Калифорния. Кандидо – самый младший из братьев – в то время еще учился в школе. Тем не менее, вскоре по примеру старших братьев он стал заниматься изобретательством.

Первое, что придумали братья Джакузи в США, был авиационный пропеллер нового типа. Затем к нему добавили легкий почтовый самолет. А поскольку авиации требовались разного рода насосы, пневматические и гидравлические устройства, то братья стали заниматься и их разработкой.

Все шло хорошо. Но в 1943 году маленький сын Кандидо Джакузи заболел ревматизмом. Чтобы уменьшить боль, мальчика водили к физиотерапевтам, лечили в клинике, используя массаж. И тогда Кандидо придумал: один из насосов своей фирмы он пристроил к домашней ванне. В итоге тот стал подавать в воду струю воздуха. При этом образовывалась газоводная смесь, которая отлично массировала тело.

Вскоре весть о новом устройстве разнеслась среди людей с разными формами заболеваний. С середины XX века гидромассажные ванны стали постепенно распространяться по всему миру. Сначала их продавали как лечебное оборудование в аптеках и в специализированных магазинах.

В 1968 году братья добавили в ванну сразу несколько форсунок и организовали специализированное предприятие по массовому производству новых ванн, получивших название «Джакузи». Их стали ставить не только в клиниках, но и в спортивно-оздоровительных центрах, отелях и частных домах.

ПРИЗ НОМЕРА!

Наши традиционные три вопроса:

1. Сколько цветов должен различать робот, которому поручено отбирать спелые помидоры?

2. Какой вид радиоактивного излучения опаснее всего для человека? Почему?

3. Представьте, что наша планета стала вращаться быстрее. Изменится ли вес предметов на ней?

ПРАВИЛЬНЫЕ ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ

«ЮТ» № 2 – 2011 г.

1. Лучше всего, если снаряды для электромагнитной пушки будут изготовлены из магнитного сплава. Однако в алюминии ЭДС тоже наводится, хотя и меньшей силы.

2. Жидкость в стволе дерева движется вверх за счет капиллярного эффекта, а также корневого давления.

3. Современные корабли стараются делать как можно менее высокими, чтобы их было труднее заметить радарами и при визуальном наблюдении. Кроме того, в такие корабли труднее попасть ракетами, снарядами или авиабомбами.

* * *

Поздравляем с победой 7-классника Ивана ГАЙТУРА из г. Томска.

Близки были к победе Влад Кобелев из г. Богданович Свердловской обл., Владимир Филинов из с. Уакит Республики Бурятия и В. Котельников из п. Новопавловка Забайкальского края.

* * *

_{А почему? Как астрономы открыли двойные звезды? За что мы чтим имя Пьера де Кубертена? Каким был самый первый утюг? 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 красивый старинный город Чески-Крумлов на берегу Влтавы.}

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

 _{ЛЕВША Каким должен быть современный танк, вы узнаете в «Левше», а по опубликованным в журнале разверткам сможете выклеить бумажную модель танка «Черный орел».}

_{Любители электроники познакомятся с конструкцией охранного устройства, сообщающего на ваш мобильный телефон о визите незваных «гостей» во время вашего отсутствия.}

_{Моделисты летающих аппаратов узнают, как изготовить действующую модель дирижабля с дистанционным инфракрасным управлением, а известный в России и за рубежом разработчик Владимир…}

_{… остаток текста при сканировании прикрыли «заплаткой»…}

* * *