Флорентий Рабиза

ТЕХНИКА ТВОИМИ РУКАМИ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Мы живем в век могучего расцвета науки и техники. Наши ученые, инженеры, рабочие, труженики полей непрестанно работают на благо любимой Родины. Это они двигают вперед науку и технику, во многом обгоняя капиталистические страны.

Они когда-то, как и вы, учились в школе, тоже увлекались физикой и техникой, мечтали об открытиях и изобретениях. И только впоследствии, накопив большой опыт и знания, многие из них сделали важные открытия и изобретения, которые дают нам власть над атомной энергией, прокладывают путь в Космос, удивляют весь мир как небывалые чудеса науки и техники.

Когда возникает какая-либо новая научная или техническая идея, ее обычно проверяют, производя многочисленные опыты в лабораториях, оборудованных самыми совершенными приборами.

Но не нужно забывать и того, что очень многие крупные открытия и изобретения сделаны в обыкновенной, простой обстановке, на обыкновенных столах, среди книг и самодельных приборов.

Мы с вами тоже займемся опытами. Наша цель — познакомиться на практике с различными областями техники. А поскольку у вас нет ни сложных приборов, ни лабораторного оборудования, то здесь будет рассказано, как поставить простые опыты с помощью имеющихся под рукой материалов и самых несложных инструментов.

Эти опыты можно делать и у себя дома, и в технических кружках, и на пионерских сборах во время бесед о технике.

Пусть их простота не смущает вас. Они помогут вам разобраться в очень сложных явлениях, продумать и проверить многое из того, с чем вы познакомились в учебниках, проверить, как говорится, теорию на практике. Кроме этого, вы научитесь лучше наблюдать и понимать физические явления, которые используются в технике.

А наблюдательность так необходима будущему исследователю и изобретателю! Без наблюдательности, без умения продумать и правильно оценить увиденное не обошлось ни одно открытие или изобретение.

Наблюдательность так же необходима исследователю и изобретателю, как и знания. И если знания можно получить в школе и в специальных учебных заведениях, то наблюдательность нужно развивать, зорко присматриваясь ко всему, что вас окружает.

Вполне возможно, что кое в чем и верны те увлекательные истории, которые биографы так любят рассказывать об известных ученых и изобретателях.

Очень может быть, что изобретение паровой машины действительно началось с того момента, когда наблюдательный человек, неоднократно видя, как пар приподнимает крышку на котелке, чайнике или кастрюльке, задумался над этим явлением.

В самом деле, разве этого было недостаточно, чтобы оценить силу пара?

Может быть, этот наблюдательный человек проделал и ряд опытов, проверяя силу пара: как бы плотно он ни закрывал сосуд с кипящей водой, пар вырывался наружу, подбрасывая и крышку и положенный на нее груз.

А ведь пар известен давно, и очень многие видели, как прыгает крышка у кипящей кастрюли. Но только тот, кто задумался над этим явлением, оценил его, проложил путь к созданию паровой машины.

На этом небольшом примере мы хотели показать, как полезно задумываться над незначительными, на первый взгляд, обыденными явлениями.

Простые опыты по технике, собранные в этой книге, познакомят вас на практике с принципами работы некоторых приборов и машин, с понятием прочности, с вредными и полезными явлениями в технике, с автоматикой и с управлением машинами на расстоянии.

Читая эту книгу и делая приведенные в ней опыты, вы убедитесь, как много значит в технике то, на что мы порой не обращаем внимания и незаслуженно называем пустяком.

Мы надеемся, что опыты увлекут вас и станут началом вашей самостоятельной творческой работы и что со временем вы сделаете не одно ценное изобретение или открытие.

Желаем вам успеха, друзья!

ПЕРВЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОМОЩНИКИ

Рычаги

Когда человек на заре своего существования первый раз взял в руки палку, он сделал ее своим оружием для защиты и нападения. Лишь много времени спустя она стала и орудием труда. На ней очень удобно вдвоем переносить груз. Пользуясь ею, можно легко поднимать и передвигать тяжести.

Обыкновенная палка стала рычагом — самым простым механизмом.

Проделайте такой опыт. Возьмите не очень длинную палку, просуньте ее под ручку чемодана и, пригласив на помощь товарища, приподнимите вдвоем чемодан.

Если чемодан находится точно посередине, то каждый из вас будет нагружен одинаково. Но сдвиньте чемодан к одному из концов палки, и сразу все изменится. Более легким груз покажется тому, кто держит длинный конец. Изменились плечи рычага, изменилось и соотношение сил, которые удерживают груз в поднятом положении.

Руки каждого из вас являются опорой рычага, и если расстояние до груза будет меньшим, то нагрузка на эту точку опоры будет большей.

А теперь проделайте другой опыт. Возьмите небольшую палку и около одного из ее концов сбоку вбейте гвоздь. Наденьте на этот конец утюг (гвоздь нужен для того, чтобы утюг не соскользнул на пол) и положите рычаг на спинку стула. Держа рычаг за свободный конец, двигайте его, то приближая точку опоры к грузу, то удаляя от него.

Вы убедитесь, что, чем больше расстояние от руки до точки опоры, тем легче удержать груз. Тот же результат вы получите, если будете передвигать руку вдоль рычага к точке опоры, оставляя неизменным расстояние от опоры до груза.

Этот опыт можно и видоизменить.

Положите конец палки на спинку стула, отодвинув утюг немного дальше от конца. Держа палку за другой конец и двигая утюг, вы получите такой же результат, что и в первом опыте, когда с товарищем поднимали чемодан.

Рычаги разных видов встречаются в повседневной жизни на каждом шагу: тачку легче везти, если у нее длинные ручки; гвоздь выдернуть легче, если гвоздодер имеет большую длину; гайку завернуть значительно легче ключом с длинной рукояткой.

А вспомните описание строительства египетских пирамид. Какие глыбы камня египтяне передвигали с помощью рычагов!

Но рычаг, облегчая человеку работу, сам не является источником энергии.

Здесь действует один из замечательных законов механики, который упрощенно выглядит так: выигрыш в силе — проигрыш в пути. Иной раз стоит пожертвовать более коротким путем, чтобы выиграть в силе. Работа все равно будет одна и та же, но сделать ее легче потому, что увеличению пути соответствует и увеличение времени. А за больший промежуток времени работу сделать легче — это ясно каждому.

При конструировании машин бывает и наоборот, когда жертвовать приходится силой, чтобы выиграть в пути, выиграть во времени.

Это можно наблюдать на ременных и зубчатых передачах различных машин. Большое колесо, например, делает один оборот, а маленькое, связанное с ним, за это же время успевает сделать несколько оборотов.

Ворот

Вы, наверное, не раз убеждались, что ведро воды, когда вы его достаете из колодца с помощью ворота, кажется гораздо легче, чем когда вы его несете в руке. А ведь ведро одно и то же и воды в нем столько же.

Дело в том, что ворот — это тот же рычаг, только несколько видоизмененный. И здесь действует закон: выигрыш в силе — проигрыш в пути.

Чем длиннее плечо рукоятки по сравнению с радиусом самого вала, тем больше будет и выигрыш в силе. А проигрыш в пути легко подсчитать. Измерьте длину веревки, на которой из колодца поднимается ведро, и сравните ее с длиной окружности, которую описывает рука при вращении ворота, умноженной на количество оборотов рукоятки.

Ворот и его родственница лебедка с давних времен помогали и теперь помогают человеку при перетаскивании, подъеме и опускании тяжелых грузов.

Блоки

Далее в нашей галерее простейших механизмов почетное место занимают блоки.

Один блок — это, по сути дела, обыкновенный равноплечий рычаг с опорой в центре. Он не дает никакого облегчения в работе. Он только изменяет направление движения, что во многих случаях тоже имеет большое значение.

Но людей это не удовлетворяло, и механики додумались сделать так, чтобы и в работе блоков получался выигрыш в силе. Стали применять системы блоков, одну из которых, называемую полиспастом, мы и рассмотрим.

Возьмите толстую проволоку в виде прута, наденьте на нее четыре катушки из-под ниток и укрепите концы прута между неподвижными опорами. Между катушками надо проложить небольшие шайбочки, сделанные или из толстой проволоки, или из кусочков картона. Это нужно для того, чтобы уменьшить трение катушек между собой.

Из другого куска толстой проволоки, четырех катушек и шайбочек соберите подвижную часть полиспаста.

Концы проволоки с нанизанными на нее катушками загните по два раза под прямым углом, затем концы скрутите и сделайте из них крючок для груза. Получится проволочная рамка с катушками и с крючком.

Накиньте на одну из висящих катушек кусок шпагата и, привязав один конец к какому-нибудь грузу, например пресс-папье, потяните за другой. Выигрыша в силе не будет, потому что у вас получился обыкновенный блок. Чтобы как-то замерить усилие, которое вы прикладываете для подъема пресс-папье, к свободному концу веревки привяжите тугую резинку. Когда вы за нее потянете, она удлинится. Замерьте сантиметровой линейкой ее новую длину и сравните с прежней.

Теперь возьмите конец шпагата и привяжите к верхнему пруту, пропустите шпагат под первую катушку нижней, подвижной части полиспаста, перекиньте через первую катушку наверху, потом через вторую катушку подвижной части, и так далее, пока другой конец шпагата с привязанной к нему резинкой не будет перекинут через последнюю верхнюю катушку.

На крючок подвижной части полиспаста подвесьте то же самое пресс-папье. Потяните за резинку и измерьте ее растяжение теперь. Она растянулась значительно меньше, чем раньше. Теоретически выигрыш в силе должен быть восьмикратным. Но в вашем опыте он будет немного меньше из-за трения веревки и из-за несовершенства блоков.

Наклонная плоскость

Поднимите привязанный к резинке (резинка служит, как и раньше, измерителем силы — динамометром) утюг на какую-либо высоту. Заметьте, на сколько при этом растянулась резинка. А затем положите наклонно гладкую доску так, чтобы ее верхний конец был на той же высоте, на какую вы поднимали утюг.

Теперь с помощью той же резинки начните тащить вверх утюг, но уже по наклонной доске. Проделать это будет значительно легче, и ваш «динамометр» — резинка удлинится меньше.

Таким образом, за счет увеличения пути мы можем затратить меньшую силу для подъема груза на одну и ту же высоту. Кстати вспомните, что на крутую гору подниматься значительно труднее, чем на пологую.

К семейству наклонных плоскостей относятся колун для колки дров и винт. А простой автомобильный домкрат (винт, вращаемый длинной рукояткой) есть не что иное, как наклонная плоскость, как бы навернутая на стержень-ворот. В этом легко убедиться. Возьмите лист бумаги, вырежьте из нее прямоугольный треугольник — это наклонная плоскость.

Проведите по его гипотенузе красную черту и наверните его на карандаш, начав с самого маленького катета. Получится винтовая линия.

Когда мы вращаем рукояткой винт домкрата, он вывинчивается из своего корпуса — гайки, поднимая груз, положенный сверху. А ведь с помощью такого несложного приспособления можно одной рукой поднять груженый автомобиль — несколько тонн!

Существуют и другие винты, которые ввинчиваются не в гайку, а в воздух или в воду.

Воздушные винты (пропеллеры) применяются как движители самолетов и вертолетов, а гребные винты приводят в движение и крошечную моторную лодочку, и огромный океанский пароход.

Сделайте игрушку, которая будет летать наподобие вертолета.

Возьмите катушку, вбейте в ее торцовую часть (по обе стороны отверстия) по небольшому гвоздику без шляпок. Затем вырежьте из жести силуэт удлиненной восьмерки, загните в разные стороны его лопасти, проделайте в его середине два отверстия, чтобы в них свободно могли входить вбитые в торец катушки гвоздики без шляпок.

Наденьте катушку с пропеллером на толстый гвоздь, тоже без шляпки, вбитый в торцовую часть палочки, которая будет служить ручкой. Намотайте на катушку веревочку и сильно потяните ее за конец. Жестяной пропеллер взлетит высоко вверх.

Роликовые и шариковые катки

Если на косточки конторских счетов положить тяжелую книгу, то ее можно очень легко передвигать по ним, еле дотрагиваясь пальцем.

На металлургических заводах, на которых прокатывают раскаленные добела тяжелые стальные болванки, чтобы получить из них рельсы и различные виды стальных балок для строительства, широко применяют большие стальные ролики рольганги.

Рольганг — это стальная самодвижущая дорога. Он состоит из расположенных параллельно друг другу роликов, которые приводятся в движение электрическими двигателями.

Вращаясь, ролики легко перемещают нагретую стальную болванку к валкам клети прокатного стана.

Ролики и шарики с давних пор применяют для уменьшения трения при перетаскивании тяжелых предметов. В этом случае трение скольжения заменяется трением качения, которое значительно меньше, но об этом будет специальный разговор в главе с опытами по трению.

О катках мы упомянули для того, чтобы заключить краткий обзор простейших механизмов и приспособлений, которые человек придумал и постепенно совершенствовал для облегчения своего труда.

Все описанные выше простые механизмы и приспособления оказались настолько жизнеспособными, что применяются и в наши дни, а порою в видоизмененной форме встречаются в сложнейших современных машинах и приборах.

ВЕТЕР, ВОДА, СОЛНЦЕ — НЕУТОМИМЫЕ РАБОТНИКИ

Ветряной двигатель

Человек с древнейших времен пользуется энергией ветра. Когда еще не была изобретена паровая машина, наряду с ветряными двигателями, в основном на мельницах, существовали и водяные. Но в мореходстве ветер был совершенно незаменим: только парусные суда, начиная от небольших лодок и шхун и кончая тяжелыми фрегатами, бороздили моря и океаны.

И даже теперь, когда используется очень много разнообразных источников энергии, мы не пренебрегаем и энергией ветра. Огромным количеством ветряков различных конструкций вырабатывается электрический ток, приводятся в действие насосы и мельницы.

Маленькую простую модель ветряка можно сделать за пять минут. Это известная детская игрушка из куска бумаги, булавки и палочки. Разрежьте квадратный кусочек бумаги по его диагоналям, не доходя до центра. Загните поочередно к середине квадрата четыре конца бумаги, проткните их булавкой, укрепите булавку на палочке, и модель готова. Если нет ветра, то достаточно подуть, чтобы ветряк стал быстро вращаться.

Но можно сделать и более совершенную модель ветряного двигателя. Начнем с того, что подберем для его вала ровную круглую палку. На одном из ее концов нужно укрепить крестовину из узких дощечек, а к ним приделать четыре фанерные лопасти, расположив их под некоторым углом к воображаемой плоскости крестовины. Вал должен легко вращаться в проволочных или вырезанных в деревянных дощечках отверстиях — подшипниках. Другой конец вала надо заострить и упереть в неподвижную дощечку — подпятник.

Это нужно для того, чтобы во время вращения вал не сдвигался с места под напором ветра, который будет давить на крылья ветряка.

Когда вы построите модель ветряка, отрегулируете ее, выбрав лучшее расположение лопастей и добившись наименьшего трения в подшипниках, можно подумать и об использовании вращения вала.

Конечно, энергия небольшого ветряка настолько мала, что ее не удастся применить для каких-нибудь хозяйственных целей, но вы можете к ветряку добавить механизм для демонстрации превращения кругового движения в возвратно-поступательное.

Вырежьте из середины вала кусок длиной в несколько сантиметров и соедините его с половинками вала с помощью двух дощечек такой же длины, как и вырезанный кусок. Получится так называемое колено. Серединка вала как бы съехала со своего места.

При этом надо позаботиться, чтобы вал сохранил свою первоначальную прочность, чтобы он остался таким же крепким, каким был раньше.

Вокруг колена оберните 2-миллиметровую проволоку и загните меньший конец несколько раз вокруг большего. Петля должна быть очень свободной. Такая деталь называется шатуном. Прикрепите к его свободному концу с помощью петелек прямой кусок такой же проволоки. Это будет шток. К его концу приделайте деревянный поршенек и поместите его в стеклянной трубке. Получилась модель насоса.

Шток должен двигаться только в вертикальном направлении. Поэтому при сборке просуньте его в расположенные друг над другом и укрепленные на неподвижной подставке две катушки.

Наша работа закончена. Дождитесь подходящего ветра — ветряк начнет вращаться, и шатун будет то поднимать поршень насоса, то опускать его.

Водяной двигатель

Из всех двигателей, широко использующих даровую природную энергию, водяной двигатель совершил самое сказочное развитие — от простых водяных колес мельниц на маленьких речках до мощных турбин гидроэлектростанций на крупнейших реках мира.

Сделайте небольшую модель водяного колеса.

Из четырех не очень широких тонких деревянных дощечек с вырезами в середине соберите восьмиконечную звездочку, если смотреть с торца. Это и будет водяное колесо. Из ровной длинной палочки изготовьте вал и укрепите на нем колесо. Вставьте вал в подшипники и установите колесо на ручейке или в специальном желобе, по которому течет вода. Можно устроить маленький водопад, чтобы на лопасти колеса падала струя воды, вытекающая из какого-нибудь водоема или из водопроводного крана.

Затем укрепите на валу под прямым углом друг к другу и на некотором расстоянии друг от друга две деревянные палочки с лопатообразными концами.

Такое приспособление называется кулачками. Кулачки должны по очереди нажимать на концы расположенных на оси рычагов. Ось должна проходить так, чтобы более короткая часть рычагов находилась со стороны вращающегося вала с кулачками. А на длинных концах рычагов нужно укрепить в виде молоточков толстые палочки с тупыми концами. Это исполнительные органы нашей машины.

При вращении водяного колеса кулачки будут по очереди нажимать на концы рычагов. Длинный конец одного из рычагов при этом будет подниматься, а когда кулачок соскользнет с короткого конца рычага, молоточек опустится и ударится о подложенную под него дощечку.

Удары будут ритмично повторяться все время, пака крутится колесо.

То, что мы с вами соорудили, — совсем не игрушка. Это довольно точная модель настоящей водяной машины, так называемой толчеи. Толчея еще в недавнее время широко применялась в Средней Азии для обмолота риса.

Сделайте еще одну модель — модель современной гидротурбины. Модель будет очень упрощенная, но тем не менее она даст некоторое представление о работе настоящих гигантских турбин наших гидроэлектростанций.

Для модели мы используем перевернутую горлышком вниз бутылку из-под молока, предварительно отрезав у нее дно. Ее надо установить на горлышко, отрезанное от другой такой же бутылки. Стык горлышек необходимо сделать водонепроницаемым с помощью прокладки из воска или пластилина. В самой узкой части разместится турбинная камера. Здесь будет находиться ротор, или рабочее колесо, водяной турбины.

Ротор делается так. Вырежьте из жести кружок, сделайте четыре прорези и загните края. Ротор надо надеть на ось — тонкий, толщиной в 3–4 миллиметра, металлический прут — и закрепить пайкой. Ось удерживается подшипником, установленным сверху, а нижний конец ее находится в подпятнике, помещенном внизу. Подшипник сделайте из катушки от ниток, а подпятник — из такой же катушки со вставленной до половины ее отверстия деревянной палочкой. Но это еще не все.

Надо из воска или пластилина сделать и поместить в узкой части турбинной камеры, над ротором, направляющий аппарат с косыми отверстиями. Эти отверстия создадут нужное направление потоку воды, который, попадая на лопатки ротора турбины, заставит его вращаться. В центре направляющего аппарата установите металлическую трубку, через которую свободно должна проходить ось турбины.

А теперь, когда все сделано, остается лить в модель воду и наблюдать ее работу.

Солнечная энергия

Каменный уголь, нефть и другие виды топлива обязаны накопленной в них энергией солнцу.

Но человек этим не довольствуется, он считает, что солнце можно заставить работать и без каких-либо посредников — прямо брать у него энергию.

Ученые много работают над этой проблемой и добились крупных успехов в создании солнечных котлов.

Чтобы убедиться в том, что солнце, если его лучи умело поймать, способно стать топкой парового котла, проделайте следующий очень простой и наглядный опыт.

В летний солнечный день возьмите большую двояковыпуклую линзу и расположите ее так, чтобы в ее фокусе появилось маленькое, в виде точки, изображение солнца. Если вы направите его на бумажку, она загорится.

А теперь проделайте другой опыт.

В плоскую круглую баночку из-под ваксы налейте воду. Закройте баночку крышкой и залепите края пластилином, чтобы вода не вытекала. Покрасьте крышку черной матовой краской. Затем возьмите глубокое блюдце или небольшую кювету для проявления фотографий, постелите на дно немного ваты, чтобы накопленное тепло не уходило, и положите на нее баночку с водой. Блюдце плотно накройте куском чистого стекла, но оно при этом не должно касаться баночки. Выставьте блюдце, накрытое стеклом, на солнце, подложите что-нибудь под блюдце, чтобы оно стояло наклонно и чтобы солнечные лучи падали на стеклянную крышку под углом 90°.

Лучи солнца проходят сквозь стекло, и принесенное ими тепло как бы застревает под этим стеклом. Вода в баночке сильно нагревается.

На этом принципе устроены большие нагревательные приспособления, которые нагревают воду для нужд сельского хозяйства, для бытовых целей и т. д. На этом же принципе устроены и парники для выращивания растений весной, когда наружный воздух еще недостаточно теплый.

ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ

И сейчас еще порою встречаются горе-изобретатели, которые пытаются создать так называемый вечный двигатель.

Эти люди находятся явно в неладах с физикой. Они не понимают, что энергия никогда и никуда не исчезает и из ничего не возникает. Она лишь переходит из одного вида в другой.

Если взять кусок железной проволоки толщиной в 2–3 миллиметра и начать его быстро сгибать и разгибать, то через несколько мгновений место сгиба сильно нагреется. Механическое трение частичек металла друг о друга перешло в тепло.

При забивании гвоздя шляпка его от ударов молотка становится горячей.

Это мы имели дело с переходом механической энергии в тепловую.

А теперь рассмотрим случай перехода тепловой энергии в механическую.

Укрепите на острой, загнутой проволочке над горящей электрической лампочкой бумажный пропеллер со слегка загнутыми в разные стороны лопастями.

Лампочка нагревает воздух, и он, поднимаясь вверх, вращает нашу крыльчатку.

А если бы нам удалось замерить затраченную и вновь полученную энергию, мы бы убедились, что их количества равны.

На точных лабораторных приборах не раз с успехом доказывалось, что определенному количеству механической энергии соответствует точно такое же количество тепловой энергии, и наоборот.

Существует много разных видов энергии, и всегда, когда один ее вид переходит в другой, действует великий закон — закон сохранения энергии.

БОГАТЫРЬ В НАПЕРСТКЕ

Для того чтобы продемонстрировать могущество пара и показать, как его энергия давит на поршень паровой машины, проделайте такой опыт.

Укрепите на проволочной подставке наперсток. Налейте в него до половины воды и плотно заткните пробкой. Под наперсток подведите горящую свечу и отойдите в сторону. Вода закипит и вышибет пробку.

Поршневая паровая машина работает по тому же принципу, но отличается тем, что для получения пара существует специальный котел. Из котла пар поступает в цилиндр машины, давит на поршень; поршень, двигаясь то в одну, то в другую сторону, совершает возвратно-поступательные движения, приводит с помощью шатунно-кривошипного механизма во вращение вал с насаженным на него маховиком. А уж с вала механическую энергию можно брать для любой работы.

Но в нашей промышленности все больше и больше находит применение другой вид паровой машины — паровая турбина. Паровые турбины более выгодны, чем поршневые машины. В отличие от поршневых машин в турбинах получается только вращательное движение.

Очень упрощенную модель паровой турбины мы сейчас и сделаем.

Паровым котлом для нашей турбины будет служить обыкновенный чайник.

Из круглой палочки изготовьте пробку-втулочку, укрепите в ней резиновую или металлическую тонкую трубку и вставьте втулочку в носик чайника как пробку (в случае надобности можно обмотать место соединения изоляционной лентой). Налейте в чайник воду с таким расчетом, чтобы она не перекрывала отверстия носика внутри чайника..

Котел готов.

Теперь из тонкой жести вырежьте кружок диаметром 5 сантиметров, прорежьте по направлению к центру 20–25 прорезей. До центра не доходите на расстояние 1 сантиметра. Получившиеся секторы поверните плоскогубцами. Их верхние края должны быть почти перпендикулярны к плоскости кружка, Это будет ротор нашей турбинки.

Наденьте ротор на тонкий гвоздь (ось) и закрепите его каплей олова.

Ось укрепите в подшипниках так, чтобы трение было ничтожным.

Конец трубки, идущей от носика чайника, установите около лопаток ротора. Когда чайник закипит, подложите под его крышку сложенный вдвое листок бумаги и нажмите через полотенце на крышку. Из трубки с силой начнет бить струя пара, и ротор будет быстро вращаться.

Выбрать лучшее положение струи пара по отношению к лопаткам ротора можно заранее: возьмите тонкую трубку и, дуя в нее, передвигайте ее под разными углами к лопаткам.

РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ

Двигатель обыкновенного автомобиля отличается от паровой машины тем, что источник энергии — топливо— сгорает не где-то отдельно в топке котла, а прямо в рабочем цилиндре. Такой двигатель называется двигателем внутреннего сгорания. Расширяющиеся в цилиндре газы давят на поршень, а он, как и в поршневой паровой машине, совершая возвратно-поступательное движение, заставляет вращаться вал с маховиком.

На смену поршневым двигателям внутреннего сгорания сейчас идут более выгодные газовые турбины. В газовой турбине, как и в паровой, нет надобности превращать один вид движения (возвратно-поступательное) в другой (вращательное).

Еще более просто устроены реактивные двигатели, в которых нет ни поршней, ни вращающихся турбин. Движется сам двигатель, увлекая за собой самолет или ракету, на которых он установлен.

Принцип реактивного двигателя можно понять, проделав следующий опыт.

Возьмите узкую консервную банку. Внизу, на стенках около дна, сделайте два отверстия с противоположных сторон и вставьте в них согнутые трубки, как показано на рисунке.

Налейте в банку воду, предварительно подвесив банку на суровой нитке. Получится Сегнерово колесо, названное так по имени венгерского физика Сегнера. Под действием давления, направленного противоположно вытеканию струй, банка будет вращаться.

Сделайте еще прибор, в котором реактивная сила создает не вращательное, а поступательное движение. На деревянном поплавке укрепите на стоечках запаянную маленькую металлическую баночку, наполненную водой. Сбоку у нее должно быть отверстие, заткнутое (не очень туго) деревянной пробкой. Под эту баночку подставьте маленькую жестянку со спиртом. Положите поплавок с этим устройством на воду и подожгите спирт. Вода в баночке закипит, вышибет пробку, и прибор устремится в противоположную сторону. Некоторые думают, что реактивное движение происходит в результате отталкивания от воздуха. Но это не так. Как известно, ракета может лететь и в безвоздушном пространстве. Она летит в противоположную «выхлопу» сторону благодаря силе, которая стремится уравновесить давление вырывающихся из двигателя раскаленных газов.

Там, где нет воздуха, воздушный винт бессилен. Если «земные» самолеты могут летать и при помощи обыкновенных, бензиновых двигателей и при помощи реактивных, то на ракетах, которые посылаются в безвоздушное космическое пространство к Луне, Венере и будут посылаться к другим планетам, могут быть установлены только реактивные двигатели.

ПОБЕДИТЕЛЬ ТРАНСМИССИЙ

Еще в недавние времена для приведения в движение станков от вала паровой или какой-либо другой машины применяли трансмиссии — сочетания валов, шкивов, муфт и ремней. Ремни тянулись от пола до потолка. Это было очень неудобно и часто небезопасно. В цехе, бывало, куда ни повернись, везде шумели бесчисленные длинные ремни…

Электрический двигатель все изменил. Он позволил как угодно «дробить» энергию, брать ее в любом месте, любыми порциями. Теперь у каждого станка свой электропривод — в цехах стало чисто, светло и менее шумно. Нажимом кнопки одинаково легко можно заставить вращаться и маленькое точильное колесо и валки мощного прокатного стана.

На каком принципе работает электрический двигатель? Об этом вы узнаете, проделав приведенные здесь опыты. Для этого нам понадобятся сильный подковообразный магнит, батарейка для карманного фонарика и немного медной изолированной проволоки диаметром около 0,3 миллиметра.

Как известно из физики, между полюсами магнита образуются так называемые магнитные силовые линии. Эти линии невидимы, но недаром их называют силовыми. Проходя через железные и стальные предметы, они притягивают их к магниту.

С помощью железных опилок, насыпанных на лист бумаги и поднесенных к полюсам магнита, можно увидеть направление силовых линий от одного полюса к другому. Получается как бы их портрет.

Приступим к опытам.

Возьмите иголку с вдетой в нее ниткой и поднесите к магниту, чтобы она притянулась к нему своим концом. Затем начните тянуть за нитку и, оторвав иголку от магнита, добейтесь, чтобы иголка повисла в воздухе на небольшом расстоянии от магнита.

Иголку удерживают в таком положении две нити. От притяжения к магниту с одной стороны — настоящая обыкновенная нить, а от падения на стол — невидимая магнитная нить (силовая линия).

Попытайтесь «перерезать» магнитную нить куском стекла, картона или расческой из пластмассы. Никакого результата. Иголка даже не дрогнет и будет по-прежнему висеть в воздухе. Но стоит провести между магнитом и кончиком иголки ножом, как магнитная силовая линия окажется «перерезанной» и иголка упадет. Магнитная линия, войдя в нож, изменяет свое направление и до иголки не доходит.

Магнитное поле, как известно, существует не только у магнита. Оно возникает вокруг любого провода, по которому течет электрический ток.

Подвесьте на нитке моточек изолированной проволоки и, присоединив концы проволоки к батарейке от карманного фонаря, поднесите к нему магнит. В зависимости от направления тока в витках проволоки произойдет либо притяжение моточка к магниту, либо отталкивание. В обоих этих случаях наблюдается взаимодействие силовых линий магнита и магнитных линий, созданных в мотке проволоки током батарейки.

А теперь сделаем самую простую модель электрического двигателя, на которой будет показан только принцип его работы.

Оголите медную проволоку и натяните два куска ее между двумя укрепленными карандашами.

На натянутые проволоки (расстояние между ними должно быть 3–4 сантиметра) положите кусочек такой же оголенной медной проволоки с загнутыми концами, чтобы она не соскакивала со своих «рельсов».

Натянутые проволочки-«рельсы» надо расположить немного наклонно внутри подковообразного магнита.

Когда вы подключите их концы к батарейке (возможно, что эти концы придется переставить местами), ток пройдет от одного ее полюса к другому через лежащую на «рельсах» проволочку. Подвижная проволочка начнет скользить по «рельсам», стремясь выйти из поля магнита. Это происходит от взаимодействия магнитного поля самого магнита и магнитного поля, возникающего вокруг проволочки, когда по ней идет ток.

Подобное же явление происходит и в электрическом двигателе. Благодаря взаимодействию магнитного поля неподвижных катушек— статора и магнитного поля обмотки вращающейся части двигателя — ротора, по которой также пропускается электрический ток, ротор начинает быстро вращаться, как бы стремясь убежать от магнитного поля статора.

НЕОБЫЧНАЯ КОЛЛЕКЦИЯ

Громоздкие трансмиссии, как уже говорилось, заменены отдельными электрическими двигателями. Но внутри самих машин механическую энергию необходимо передавать узлам, выполняющим работу, для которой и предназначена машина. Для этого служат валы, шестерни, ременные передачи и так далее. Их модели мы сейчас и построим.

Лучше всего для наглядности сделать стенд, на котором в виде коллекции будут собраны все основные механизмы для передачи движения.

Эту коллекцию вы сможете постепенно пополнять. Как только где-нибудь увидите новое устройство для передачи механической энергии, сразу же его упрощенную модель помещайте на стенд. Это такое же увлекательное занятие, как коллекционирование марок, монет, растений, насекомых и т. п.

Возьмите небольшой кусок фанеры, установите его вертикально, а на нем расположите, укрепив с помощью деревянных подставочек-подшипников, следующие приспособления для передачи энергии (на фанере можно сделать поясняющие надписи и схемы).

Обыкновенный вал

Сделайте из круглой палочки вал и укрепите его в подшипниках. К одному концу вала приделайте ручку.

Вал — самое простое устройство для передачи энергии от двигателя к исполнительному механизму.

Вал с муфтой

Часто бывает нужно, не останавливая двигатель, отключить от него исполнительный механизм. Сделайте такой же вал, как и в предыдущем случае, но укрепите его на четырех подшипниках. В середине, между вторым и третьим подшипниками, вал должен быть разрезан. В разрезе нужно поместить два фанерных кружка. Один кружок прикрепите гвоздиком и клеем к торцу левой половины вала, а другой укрепите на деревянной втулочке на конце второй половины вала. Втулочка может скользить по валу, но не должна проворачиваться на нем. Для этого сделайте вдоль ее сквозного отверстия желобок, а на валу приклейте соответствующий выступ, сделанный из кусочка дерева.

На втулочке вырежьте кольцевой паз, в который должна входить изготовленная из толстой проволоки вилка переключателя. Вилку укрепите на фанерном стенде так, чтобы она находилась над валом. Снабдите переключатель маленькой рукояткой. К фанерным кружкам в тех местах, где они должны соприкасаться, приклейте резиновые кружки, чтобы муфта не пробуксовывала.

У вас получилась так называемая фрикционная муфта, работа которой основана на трении.

Если вы повернете рычаг переключателя так, чтобы фанерные кружки соприкасались, то при вращении за ручку, заменяющую двигатель, весь вал будет вращаться, потому что вследствие большого трения фанерные кружки с наклеенной на них резиной будут как бы представлять собой одно целое. Если вы повернете переключающую рукоятку, диск на правой половине вала отойдет вправо — правая половина вала отключится и вращаться не будет.

Карданный вал

Очень часто приходится передавать вращение под некоторым углом. Например, у автомобилей вращение вала двигателя передается к задним колесам с помощью карданного вала.

Сделайте вал, состоящий из двух половинок, расположенных на четырех подшипниках. Соединяются половинки вала с помощью крестовины, состоящей из двух скрепленных между собой наглухо перекладин — толстых проволочек. Каждая из перекладин крестовины соединена со своей половиной вала через подшипники на дугообразной вилке.

Зубчатая передача

Из фанеры вырежьте лобзиком два зубчатых колеса разных размеров с одинаковыми по величине, но разными по количеству зубьями. Укрепите их на стенде и приделайте к одному из колес ручку. Чтобы колеса не выскакивали из зацепления друг с другом, нужно место зацепления зубьев прижать полоской плексигласа. А если у вас найдется большой кусок плексигласа, можно сделать прозрачную крышку, которая будет и украшать прибор, и прижимать шестеренки к фанерному стенду. Шестерни лучше покрасить в разные цвета.

Ременная передача

Вырежьте из фанеры лобзиком три кружка: два — одинаковых размеров, а один — немного меньшей величины.

Склейте их столярным клеем, поместив меньший кружок между двумя одинаковыми, чтобы их центры совпадали. Положите склеенные кружки под пресс и дайте клею высохнуть.

Затем вырежьте кружки другого размера и проделайте то же самое.

У вас будут два фанерных колеса — шкивы разной величины с желобками по их ободу.

Прикрепите к одному из шкивов такую же ручку, какую вы сделали к зубчатому колесу. Укрепите фанерные шкивы на стенде и соедините их веревочкой. Это будет модель ременной передачи.

Как уже говорилось, этот стенд можно дополнить еще и другими видами механических приспособлений для передачи энергии — например, сделать модели червячной передачи, конических шестерен, приспособления для передачи прерывистого движения (Мальтийский крест), гибкого вала, кулачкового устройства, преобразователя кругового движения в возвратно-поступательное и многих других устройств, взятых прямо из жизни.

РУДА ПРИНИМАЕТ ВАННУ

В старину некоторые машины делали из дерева.

Были такие мастера, что даже часы изготовляли из дерева. Но в наш век больших скоростей, в век мощных двигателей для изготовления машин применяется в основном только металл. Его получают из руды, добываемой в недрах Земли. Но у руды бывает очень много ненужных примесей, и поэтому нет никакого смысла перерабатывать всю добытую руду, в которой ненужных примесей слишком много. Надо заранее от них избавиться. Для этого и существуют различные способы так называемого обогащения руд.

Если руда способна притягиваться к магниту, то ее пропускают в размельченном виде через магнитный сепаратор.

Модель сепаратора можно построить следующим образом. От круглой палки отрежьте три валика длиной по 5–8 сантиметров. По концам каждого валика в центры вбейте по гвоздю. Это будут оси. Нужно добиться, чтобы они были хорошо отцентрированы, то есть соответствовали бы центрам валиков. Укрепите валики в подшипниках.

Затем возьмите полоску материи длиной 30–40 и шириной 5 сантиметров и сшейте ее концы, охватив матерчатой петлей все три валика, чтобы образовался равнобедренный треугольник. Материя должна быть хорошо натянута. В верхнем валике вместо одного из гвоздей укрепите проволочную ручку. Внутри треугольника подвесьте полюсами вниз подковообразный магнит. При этом нужно, чтобы он своими полюсами слегка касался материи.

Смешайте железные опилки с песком, насыпьте их на бумажку и подложите под материю по другую сторону от магнита. Начните вращать ручку верхнего валика. Материя придет в движение, и притянувшиеся к ней железные опилки будут передвигаться, пока не выйдут из-под влияния магнита. Тогда опилки начнут падать в специально подставленную для этого коробочку.

Лист бумаги надо слегка постукивать пальцем, чтобы облегчить железным опилкам возможность подскочить и прилипнуть к материи.

Но, как известно, не все металлы и их руды притягиваются к магниту.

Тогда отделение полезных частичек от ненужных примесей производят с помощью так называемой флотации руд.

Размельченную руду погружают в жидкость, через которую пропускают воздух. Полезные частички вместе с пузырьками воздуха всплывают на поверхность и идут на переработку, а пустая порода остается на дне обогатительного резервуара. Периодически ее собирают и выбрасывают.

Проделайте такой опыт. Положите в стакан виноградину и налейте в него газированную воду или лимонад. Виноградину сейчас же окружат пузырьки углекислого газа, и она всплывет.

ЛИТЕЙНЫЙ ЦЕХ НА СТОЛЕ

Когда из руды получен металл, из него либо отливают болванки-заготовки для дальнейшей обработки на прокатных станах или металлообрабатывающих станках, либо отливают готовые детали, требующие после отливки лишь незначительной обработки.

Многие детали машин отливают из чугуна, бронзы, меди и других металлов.

Попытаемся и мы отлить какой-нибудь предмет. Только мы будем отливать не из металла, а из пластмассы для искусственных зубов — из акрилата — АКР-7 (его можно достать в аптеке). И отливать будем не совсем так, как это делается в промышленности.

«Отольем» для первого раза обыкновенную катушку из-под ниток.

При отливке какой-либо детали сначала изготовляют ее модель из дерева. Но для нашей отливки модель делать не нужно, воспользуемся пустой катушкой.

Начнем с формы. Возьмите коробочку из-под спичек и заполните ее тестом, приготовленным из размешанного в воде гипса. Ножом разровняйте поверхность гипса и, положив на нее смазанную тонким слоем масла или вазелина катушку, аккуратно вдавите ее наполовину в гипс и дайте ему затвердеть.

Проделайте то же самое и с другой коробочкой: наполните ее так же гипсом и вдавите в него вторую, свободную половину катушки, перевернув первую коробочку. Чтобы гипсовые поверхности двух коробочек не слиплись, между ними надо проложить тонкую промасленную бумажку с вырезом по форме катушки или смазать затвердевшую в первой коробочке поверхность гипса вазелином.

Когда гипс затвердеет и во второй коробочке, сделайте на коробочках метки, разнимите половинки формы и удалите оставшуюся в одной из половинок катушку.

Разведите порошок АКР-7 растворителем-мономером (он продается вместе с порошком) до тестообразного вида и, набив этим «тестом» обе половинки формы, соедините их по меткам и туго свяжите веревочкой.

Положите форму с «литьем» в кастрюлю с водой и поставьте ее на огонь. Пусть вода покипит минут сорок.

После этого разнимите аккуратно форму. У вас в руках будет пластмассовая катушка. В местах разъема формы на катушке получился «прилив», но его можно легко срезать ножом. У вашей новой катушки один недостаток — нет сквозного отверстия.

При отливке металлических изделий небольшого размера в подобных случаях отверстие сверлят на станке. Если нужно отлить большую деталь, в литейную форму, приготовленную из формовочной глины, вставляют глиняный стержень по форме будущего отверстия. А когда отливка готова, глину удаляют.

Подобным способом можно «отливать» разные мелкие предметы, например шахматную фигуру для замены потерянной. Когда фигура будет «отлита» и обработана, ее надо покрасить в соответствующий цвет и покрыть нитролаком. После этого вы и сами не отличите ее от других фигур.

ТАЙНА ПРОЧНОСТИ

Существует увлекательная наука, изучающая сопротивление материалов.

Увлекательная она потому, что раскрывает перед изучающими ее тайну прочности домов, башен, мостов, железнодорожных линий, различных машин, грандиозных плотин, туннелей, арок, самолетов, кораблей, подводных лодок и многого другого — всего не перечислишь.

Конечно, эта наука применяется не во всех случаях жизни. Например, когда строят небольшой пешеходный мостик, вряд ли кто делает его точный расчет. Берут материалы — балки и настил, достаточно прочные «на глаз», способные выдержать тех нескольких человек, которые могут одновременно пройти по такому мостику.

Другое дело, когда строится железнодорожный мост. Здесь надо подсчитать все возможные нагрузки, учесть все силы, какие могут действовать на готовый мост, вплоть до бокового давления ветра.

Но не только при постройке грандиозных сооружений нужно делать расчеты на прочность. Хорошо ли было бы, например, если поднятый за ручку стеклянный кувшин, наполненный водой, вдруг оторвался от ручки и разбился на мелкие куски?

Значит, при изготовлении кувшина надо было задуматься: а какой же толщины сделать ему ручку, чтобы получилось прочно, красиво и чтобы материал лишний не потратить.

Наука о сопротивлении материалов изучает все виды изгибов, поломок, разрывов, то есть все виды деформации, которые могут произойти с различными материалами, изучает способы расчетов, не допускающих появления этих деформаций.

На простых опытах мы познакомимся с теми случаями, когда прочность недостаточна и материалы не выдерживают нагрузок.

Но, прежде чем приступить к опытам, познакомимся с тем, что такое прочность.

Прочностью различных строительных материалов и деталей машин называют их способность противостоять воздействующим на них силам. Эта способность зависит и от того, хрупкий или эластичный взят материал, и от того, какой он толщины, длины, формы.

Все сложные деформации, то есть изменения первоначальной формы и размеров различных деталей, можно свести к некоторым простейшим видам деформаций.

Проделаем несколько опытов, которые помогут нам познакомиться с этими деформациями.

Растяжение

Сила в этом случае действует на деталь наружу, стремясь растянуть и разорвать ее. Например, когда вы едете в трамвае и держитесь за подвешенную ручку, она испытывает растяжение.

Палочка из пластилина, изображающая в нашем опыте балку с круглым сечением, при растяжении начинает утончаться и затем в наиболее тонком месте разрывается.

Сжатие

При сжатии сила направлена внутрь тела. Она стремится сдавить, смять его. Кубик, сделанный из пластилина, не выдержав чрезмерной нагрузки, расплющивается.

Срезывание

Когда действуют силы, стремящиеся переместить в разные стороны соседние участки тела, происходит деформация, называемая срезыванием или скалыванием.

Соедините заклепкой из пластилина или хлебного мякиша две линейки или дощечки с одинаковыми круглыми отверстиями. Затем сдвиньте линейки в разные стороны, и вы увидите, что пластилиновая заклепка срезана в том месте, где линейки соприкасались друг с другом.

Поперечный изгиб

Эта деформация может возникнуть у так называемых балок — деталей, имеющих длину значительно большую, чем их сечение. Сила в этом случае действует перпендикулярно к продольной оси балки.

Спичка в наших опытах будет миниатюрной балкой. Укрепленная на двух опорах, она при нажатии на ее середину ломается в месте нажима.

Спичка, закрепленная у одного своего конца, под действием силы ломается в месте крепления.

Излом происходит всегда в том месте, где больше так называемый изгибающий момент — произведение силы на плечо (расстояние от точки приложения силы до места крепления балки).

Продольный изгиб

При продольном изгибе сила действует вдоль оси балки, как и при сжатии.

Эту деформацию можно проследить, например, нажимая на линейку, поставленную вертикально. Пока сила незначительна, линейка выдерживает сжатие, а затем теряет устойчивость, сразу выгибается и может сломаться.

Кручение

Валы во время работы и болты, когда затягивают на них гайки, испытывают скручивающее усилие. Силы, вращающие детали, стремятся повернуть одно поперечное сечение относительно другого в параллельной плоскости.

Зажмите один конец пластилинового валика и вращайте его за другой. Вы убедитесь, что частицы валика, стремясь передвинуться под действием вращающей силы, не выдерживают дальнейшего перенапряжения, отрываются друг от друга, и валик ломается.

Когда конструируют машины, всегда учитывают, как направлены силы, действующие на их отдельные детали. Высчитывают величину этих сил и берут детали таких размеров, чтобы они могли выдержать все приложенные к ним нагрузки.

МЕТАЛЛ «УСТАЕТ»

На первый взгляд кажется странным, как это металл может вдруг устать. Но на самом деле это слово очень метко выражает то, что происходит с некоторыми деталями машин. Они во время работы подвергаются либо быстрой смене сжатия и растяжения, либо быстрым изгибам в разные стороны.

Вам часто приходилось, не имея под рукой нужных инструментов, ломать проволоку или забитый наполовину гвоздь, быстро сгибая их то в одну, то в другую сторону.

Выражаясь техническим языком, вы подвергали проволоку или гвоздь знакопеременной нагрузке, если считать, что сгибание в одну сторону — это «плюс», а сгибание в другую сторону — «минус».

Частицы металла в месте, наиболее подвергающемся такой быстрой смене нагрузок, расходятся, образуются «усталостные трещины», и затем происходит полное разрушение — разрыв.

В месте излома даже невооруженным глазом хорошо видно, что поверхность неровная, зернистая, видны крупинки металла.

Конструкторы хорошо знают, что металл может «уставать», и при конструировании машин либо стараются избежать таких знакопеременных нагрузок, либо, когда избежать этого никак нельзя, делают детали повышенной прочности.

НЕПРОЧНОЕ СТАНОВИТСЯ ПРОЧНЫМ

Не всегда прочность зависит только от материала и его размеров.

Конечно, толстую палку труднее сломать, чем тонкую, но есть еще одна причина, влияющая на прочность, — это форма. От формы деталей или сооружений часто зависит их прочность.

Сейчас на опытах мы рассмотрим случаи, когда сами по себе непрочные материалы становятся очень прочными, если им придать нужную форму.

Вырежьте из писчей бумаги две полоски длиной 15 и шириной 3 сантиметра и положите их рядом на две книги, лежащие на расстоянии примерно 10 сантиметров друг от друга.

Середины бумажных полосок прогнутся от собственной тяжести. А уж о том, чтобы положить на них какой-нибудь груз, например коробку спичек, и говорить не приходится. Но стоит согнуть эти полоски по их длине пополам, как они сразу приобретут жесткость. Положите их рядом уголком вверх на те же книги. Теперь на них можно класть коробку спичек, и они почти не прогнутся.

Оказывается, прочность на изгиб зависит не только от самого материала, но и от формы, которую придали этому материалу.

Строя какое-либо сооружение, например мост, можно взять заведомо прочные стальные балки толщиной с бревно. Такие стальные «бревна», конечно, способны выдержать очень большие нагрузки. Но ведь это будет неразумная трата материала. И материал будет стоить дорого, и работать с такими массивными стальными балками трудно.

Поэтому творческая мысль конструкторов пошла по другому пути. Балкам стали придавать такую форму сечения, при которой они были бы и легкими и прочными.

Стальные балки в настоящее время изготовляют самых разнообразных сечений; или, как говорят, профилей. Существуют балки с сечением, имеющим форму уголка.

Строители их так и называют «уголки». Сечение тавровых балок похоже на букву «Т». У двутавровых балок сечение напоминает ту же букву «Т», но с дополнительной перекладиной внизу. Она в результате этого больше похожа на очень широкую букву «Н», но уж так повелось называть ее «двутавром». Существуют еще и другие виды профилей, и в зависимости от их сечения они применяются в тех или других случаях.

Из профильной стали строят каркасы заводов и домов, мосты, основания водонапорных башен, опоры для линий электропередач и т. п.

Да и в быту необходимо иметь легкие и прочные конструкции. Ну, возьмем, например, обыкновенный зонтик. У него прочные легкие спицы, удерживающие зонт в раскрытом виде. А посмотрите на их сечение, и вы увидите, что оно имеет U-образную форму. Этой форме спицы обязаны своей легкостью и прочностью.

Рассмотрим еще случаи, когда непрочное становится прочным.

Песок и бумага в своем обыкновенном виде очень непрочные материалы. Песок рассыпается, бумага рвется. Но если склеить из бумаги в два слоя цилиндр и насыпать в него сухой песок, то получится довольно крепкий столбик, способный выдержать значительное давление. Давление на песок распределяется равномерно по стенкам цилиндра. Этот принцип используется иногда и в строительстве.

Материал, из которого сделана коробка спичек, — хрупкая, тонкая деревянная пластинка. А в склеенном виде спичечная коробка способна выдержать большую нагрузку.

Поставьте вертикально четыре пустые спичечные коробки, оставив только их наружную часть. На них положите небольшую доску так, чтобы она своими углами опиралась на все стоящие коробки. На эту доску можно поставить четырехлетнего ребенка — подставка выдержит. Оказывается, спичечная коробка способна выдержать на себе нагрузку в две тысячи раз большую, чем ее собственный вес.

Узкая полоска бумаги, которая не может выдержать даже собственной тяжести, становится довольно прочной, если ее согнуть дугой и закрепить концы между книгами. Тогда на выпуклую часть бумажной арки можно даже положить несколько спичек. Нагрузка в основном передается в стороны вдоль самой бумажки, изгиб при этом заменяется сжатием ее волокон, а сжатие материалы выдерживают значительно легче.

Этим объясняется прочность полукруглых арок, прочность куриных яиц, радиоламп, телевизионных трубок. Экраны телевизионных трубок специально делают не плоскими, а выпуклыми, чтобы они легко противостояли действующему на них сильному атмосферному давлению. Ведь внутри телевизионные трубки, а также и радиолампы почти пустые, и если бы давление на стекло не распределялось благодаря выпуклостям в основном вдоль стекла, то они были бы раздавлены атмосферным давлением, как только бы из них выкачали воздух.

А теперь, когда вы убедились, что прочность зависит не только от материала, но и от формы, которая ему придается, вы можете из кусков бумаги, согнутых в виде уголка разных размеров, склеить легкие прочные модели мостов, подъемных кранов, башен и т. п.

При изготовлении подобных моделей обрезайте концы бумажных уголков так, чтобы отдельные куски можно было подогнать друг к другу. Чаще всего срезы нужно делать косые.

В качестве клея используйте расплавленный стеарин, набирая его из горящей свечи стеклянной капельницей (пипеткой), подогретой над пламенем. Стеарин, после того как вы его капнете в нужное место, моментально застывает, скрепляя детали модели.

Процесс изготовления моделей из бумаги напоминает увлекательную работу электросварщиков, создающих красивые, ажурные стальные конструкции на строительстве.

МОГУЧАЯ СИЛА СЛАБЫХ КОЛЕБАНИЙ

Бывали случаи, когда вновь установленные машины начинали вибрировать, вибрация все возрастала, превращалась в мощные колебания, приводившие к разрушению фундамента, на котором стояли эти машины.

Сейчас подобные происшествия исключены. Существуют специальные приборы для наблюдения за работой только что пущенной машины. Приборы зорко следят, нет ли вибрации, не угрожает ли она катастрофой.

Но не всякие колебания опасны. Опасны те колебания, которые приводят к так называемому резонансу.

В далеком прошлом известно много случаев разрушения мостов, зданий, фундаментов машин в результате резонанса.

Чтобы понять, от чего зависит резонанс, проделайте такой опыт.

Из нитки и хлебного мякиша или воска сделайте маятник. Начните его раскачивать легкими толчками пальца. Если вы будете эти толчки производить ритмично в такт колебаниям маятника, то его можно раскачать очень быстро. Нужно только, чтобы толчки совпадали с движениями маятника.

Еще один пример, когда легкими, слабыми толчками можно раскачать большой маятник, — это раскачивание качелей.

Но если мы хотим затормозить и остановить качели, то наши толчки надо делать невпопад с их движением. Тогда качели быстро затормозятся.

Для того чтобы два маятника настроить в резонанс, надо сделать их одинаковой величины.

Подвесьте к натянутой горизонтально веревочке два одинаковых маятника, сделанных, как и в предыдущем опыте, из ниток и шариков из хлебного мякиша или воска.

Качните один из маятников. Через несколько секунд начнет раскачиваться и другой, сначала слабо, а затем все сильнее и сильнее. Колебания от первого маятника через веревочную «перекладину» передаются второму, и он, будучи одинакового размера с первым, тоже начнет раскачиваться.

Но стоит сделать один маятник короче другого, условие резонанса нарушается, второй маятник будет «равнодушно» висеть и даже не сдвинется с места, сколько бы ни качался первый.

Вибрация, колебания — нежелательные явления в технике, когда они появляются непрошеными гостями. Если они не всегда приводят к быстрому разрушению сооружений и машин, то, действуя постепенно, все-таки значительно ускоряют их износ. Однако инженеры в настоящее время стали использовать вибрацию для некоторых видов работ, заставили ее приносить пользу.

Например, вибрация применяется для уплотнения еще не затвердевшего бетона, для транспортировки бетона самотеком по трубам, расположенным наклонно: без вибраторов бетон застревал бы в трубах.

Рассмотрим интересное применение вибрации при забивке в грунт свай и железных балок особой формы — шпунтов.

Раньше сваи и шпунты забивали в землю ударами мощных копров, или, как их называют, «баб».

Новый способ состоит в том, что небольшое специальное устройство заставляет вибрировать поставленную вертикально длинную шпунтину. Вибрация передается через нее грунту, и его частицы становятся настолько податливыми, что стальная балка постепенно погружается в землю уже под давлением собственного веса. Этот способ забивки шпунтов более дешев и производителен, чем какой-либо иной.

А теперь проделайте опыт, который покажет, что частички земли при вибрации становятся очень податливыми, похожими на частицы жидкости.

Положите на дно чашки шарик, сделанный из пробки. Диаметр шарика может быть 1–1,5 сантиметра. Затем насыпьте в чашку какую-нибудь крупу, например рис, и положите на ее поверхность металлический шарик (от шарикового подшипника) такого же примерно размера, что и пробковый шарик.

Быстро встряхивая чашку, заставляя ее вибрировать, наблюдайте, что произойдет с шариками.

Вы увидите через некоторое время, что металлический шарик погрузился в крупу, «утонул» и, как вы потом убедитесь, дошел до самого дна чашки. А пробковый шарик, наоборот, «всплыл» на поверхность крупы. Произошло то, что обычно происходит, когда мы имеем дело с жидкостью: более тяжелое тело утонуло, более легкое — всплыло.

ВРЕД И ПОЛЬЗА ТРЕНИЯ

Кажется, как хорошо было бы без трения! Не нужно было бы тратить огромные средства и энергию на преодоление этой вредной силы.

С трением ведется жестокая борьба, его стараются уничтожить всевозможными способами: конструкторы придумывают новые подшипники, новые способы смазки, химики создают новые сорта смазочных масел. На эту борьбу тратится очень много средств, но полностью уничтожить трение не удается.

И, несмотря на самую энергичную борьбу с трением, мы должны радоваться, что оно все-таки существует.

Трудно представить себе жизнь, если бы трение совсем отсутствовало.

Мы бы не смогли ни ходить, ни ездить. Автомобильные муфты сцепления, основанные на трении, пробуксовывали бы, тормоза перестали бы тормозить. Приводные ремни стали бы проскальзывать, детали разбегались бы при малейшем наклоне. Ничего нельзя было бы взять в руки. Короче говоря, при отсутствии трения появилось бы очень много неприятностей.

Как известно, трение делят на два вида: трение скольжения и трение качения.

Трение качения значительно меньше (при равных условиях) трения скольжения. Поэтому в технике стремятся трение скольжения заменить трением качения, заменить скользящие подшипники шариковыми Или роликовыми.

Проделаем два опыта, из которых будет ясна разница между этими видами трения.

Поставьте на стол утюг и, привязав к нему резинку, потяните за нее. Когда утюг сдвинется с места и начнет скользить по столу, измерьте длину растянутой резинки.

Затем положите под утюг несколько круглых карандашей. Теперь утюг сдвинуть с места будет гораздо легче, чем в предыдущем случае. Утюг легко покатится на карандашах, которые в данном случае являются роликовыми подшипниками.

Растяжение резинки будет значительно меньшим, потому что усилие на передвижение утюга, поставленного на карандаши-катки, будет небольшим.

Сравнив величины растяжения резинок, можно определить, во сколько раз в данном случае трение качения меньше трения скольжения. Но и в скользящих подшипниках трение скольжения частично заменяется трением качения. Мельчайшие частички масла, подобно шарикам, отделяют одну трущуюся поверхность от другой. И чем лучше обеспечивается смазка, тем меньше будет сила трения, тем меньшие усилия надо затратить на ее преодоление.

ВАЖНЕЙШИЙ ЗАКОН МЕХАНИКИ

С инерцией мы встречаемся на каждом шагу. Резко ли остановится автобус, и мы падаем на впереди стоящих; едем ли на велосипеде, перестав крутить педали; бросаем ли мяч — во всех этих и подобных им случаях проявляется инерция, то есть свойство тел сохранять величину и направление своей скорости.

А задумались ли вы, почему краны у водопровода и различного рода задвижки на трубах, по которым с большой скоростью передвигаются жидкости, устроены так, что они закрываются очень плавно, постепенно?

Это сделано неспроста.

Если резко преградить путь жидкости, движущейся по трубе, последует резкий гидравлический удар, в результате которого может не только сломаться кран, но и лопнуть труба.

Первый закон динамики, сформулированный великим английским ученым Ньютоном, гласит: «Всякое тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока приложенные силы не вызовут изменения этого состояния».

Проделаем опыты для иллюстрирования этого закона.

Известный в свое время жонглер М. Кара рассказывал, как ему приходилось не только на арене цирка, но и в жизни использовать умение выдергивать скатерть из-под посуды, находящейся на столе. В этом цирковом номере особенно эффектно используется первый закон Ньютона.

Подобный опыт легко проделать с монетой, лежащей на кусочке гладкого картона, положенного на стакан. Если щелкнуть пальцем по картону, он получит ускорение и слетит со стакана, а монета, еще не успевшая получить ускорение, упадет в стакан.

Когда мы выбиваем палкой пыль из ковра, мы придаем ускорение ковру, а пыль остается на месте. Получается так, что ковер выходит из пыли, а не пыль из ковра.

Палочка, положенная на две висящие бумажные петли, переломится от резкого удара посередине, а бумажные петли при этом не успеют разорваться, так как концы палочки не успели сдвинуться, остались на месте.

Подвесьте на нитке кружок от конфорки, а к нему привяжите снизу еще одну такую же нитку. Дерните ее резко и со всей силой. Оборвется нижняя нитка, а не верхняя, как следовало бы ожидать. Тяжелый чугунный кружок не успел сдвинуться с места. Если потянуть за нитку медленно, обрывается верхняя нитка.

Опустите в стакан с водой стеклянную трубку диаметром около сантиметра, заткнув пальцем верхний конец трубки. Сжатый воздух не позволит воде войти в трубку повыше. Резко отнимите палец — вода в трубке подскочит по инерции выше уровня в стакане, а затем опустится до того же уровня.

Инерция используется очень широко.

Мы разберем здесь несколько случаев ее применения.

Существует, например, прибор акселерометр. Он показывает, какая у самолета скорость, отмечает все его повороты. Когда самолет ускоряет свое движение или замедляет его, прибор отмечает и это. Действие его основано на инерции.

Акселерометр устроен довольно сложно, но мы с вами сделаем его упрощенную модель, чтобы понять принцип его работы. Наша модель будет показывать то ускорение, которое к ней может быть приложено.

Из четырех гладких дощечек сделайте небольшую рамку. Внутри ее на самодельных пружинках (их можно изготовить, навивая медную проволоку на какой-либо круглый стержень) подвесьте шарик или маленький цилиндр из дерева или металла. Наверху этого шарика или цилиндра укрепите стерженек против сделанной для него в рамке прорези. Вдоль прорези нанесите деления, например через 1 сантиметр.

Затем сделайте из полоски толстой бумаги два хомутика вокруг верхней стороны рамки, по обе стороны от торчащего стерженька. Хомутики должны легко передвигаться по дощечке.

Прибор готов.

Поставьте его на гладкий стол. Быстро двиньте рамку по столу вдоль оси пружин. Шарик с помощью укрепленного на нем стерженька сдвинет бумажный хомутик. Величина этого передвижения пропорциональна приложенному к прибору ускорению.

Настоящий акселерометр, как мы уже говорили, устроен значительно сложнее. Шарик в нем перемещается в разных плоскостях. При этом он воздействует на другие устройства, которые и дают пилоту нужные сведения.

Используется инерция и для подъема воды в водоподъемной установке «гидротаран». Принцип его работы ясен из такого опыта.

Возьмите длинную резиновую трубку в палец толщиной. Опустите один ее конец в ведро с водой, поставленное на возвышение, а на другом конце, отступя от края на 10–20 сантиметров, сделайте отверстие и вставьте в него короткую стеклянную трубочку (например, такую, какими пишут шрифты, или стеклянную трубочку от пипетки).

Засосите ртом воду, закрыв пальцем отверстие стеклянной трубки, чтобы вода потекла из ведра по принципу сифона. Быстро закрывайте и открывайте пальцем конец резиновой трубки. При этом из стеклянной трубочки вода будет бить фонтаном в несколько раз выше самой трубочки.

Вода, когда вы преграждаете ей путь, по инерции устремляется в отверстие в стеклянной трубке и вырывается наружу.

ЕЩЕ ОДНА ВРЕДНАЯ И ПОЛЕЗНАЯ СИЛА

При рассматривании трения и колебательных движений мы видели, что одно и то же явление может и причинять огромный вред и приносить большую пользу. Вот почему необходимо хорошо изучить эти явления и уметь правильно их использовать.

Сейчас мы поговорим еще об одной силе, и вредной и полезной, — о так называемой центробежной силе. Если привязать к веревке какой-нибудь небольшой груз, например гайку, и начать ее вращать, то гайка натянет веревку и будет описывать правильную окружность. Чем быстрее вращается гайка, тем сильнее будет натягиваться веревка. Гайка как бы стремится улететь по прямой линии, перпендикулярной к веревке, но веревка ее не пускает и заставляет все время описывать окружность. Сила, которая натягивает веревку, называется центробежной.

Опыт можно разнообразить. Налейте в маленькое ведерко воду до краев и, сначала осторожно раскачав его взад и вперед, начинайте быстро вращать вокруг своего плеча. Вода, прижатая центробежной силой ко дну ведерка, не будет выливаться даже тогда, когда ведерко находится кверху дном.

Нельзя пренебрегать центробежной силой при конструировании машин.

Сколько бывало случаев, когда огромные маховики при быстром вращении разрывались на части. Куски металла разлетались под влиянием центробежной силы в разные стороны, разрушая все на своем пути. А происходило это только потому, что инженеры или были неопытны, или забывали о прочности. При расчетах не учитывали возникновения центробежной силы, которая, как известно, зависит от скорости вращения. Чем больше скорость вращения, тем больше и сила, которая стремится в данном случае разорвать маховик.

Прежде чем перейти к опытам с центробежной силой, сделайте несложный прибор. Возьмите тяжелый диск с отверстием посередине (можно его сделать из конфорки от плиты, зажатой между фанерными кружками), проденьте в отверстие сложенную вдвое веревку, завязав ее узлом, чтобы диск висел, опираясь на этот узел. Верхние концы веревки привяжите к какой-нибудь перекладине. Затем вставьте вверху между веревками круглую палочку и вращайте диск в одну сторону — веревки скрутятся. Если теперь вы отпустите диск и будете с силой нажимать на вставленную между веревками палочку, то диск придет в быстрое вращение.

Проделайте следующие опыты, основанные на действии центробежной силы.

Подвесьте под диском на небольшой веревке не очень тяжелое кольцо. При быстром вращении диска кольцо, также вращаясь, займет горизонтальное положение и ось вращения будет проходить через его центр. Кольцо как бы само выбрало себе незримую свободную ось и «удобно» расположилось вокруг нее. Для успешного проведения этого опыта надо подыскать подходящее по размеру и массе кольцо и подобрать подходящую скорость его вращения.

Затем вместо кольца подвесьте к диску какой-нибудь продолговатый предмет, например отвертку. Отвертка, вращаясь, расположится горизонтально.

Укрепите на диске бумажный круг и, приведя диск в не очень быстрое вращение, капните около его центра каплю чернил.

Капля нарисует на поверхности диска кривую полоску — результат сложного движения капли по кругу вместе с диском и движения от центра к краю вследствие действия центробежной силы.

Центробежная сила широко применяется в промышленности. Например, ее используют при литье труб. Если длинную цилиндрическую форму быстро вращать вокруг ее продольной оси и одновременно лить в нее расплавленный металл, то он под действием центробежной силы равномерно распределится по стенке формы. Металл застынет, и труба готова.

Издавна для регулирования скорости паровых машин пользовались центробежными регуляторами.

Центробежная сила применяется в различных центрифугах — аппаратах с быстро вращающимся цилиндром— для отделения тяжелых частиц жидкости от легких. Например, молочный сепаратор отделяет сливки от молока. Центрифуги высушивают белье. Вода, как более тяжелая по удельному весу, чем ткань белья, при быстром вращении центрифуги отжимается к стенкам и через отверстия в них выходит наружу. Центрифуги применяются для очистки сахара при его производстве. Всех применений центробежной силы и не перечтешь.

В заключение проделайте опыт, иллюстрирующий принцип работы молочного сепаратора. Возьмите бутылку из бесцветного стекла и налейте в нее до половины воды. Привяжите к горлышку две веревки, расположив их по обе его стороны.

Закрутите веревки, вращая бутылку вокруг ее вертикальной оси. Всыпьте в горлышко щепотку измельченной пробки.

Когда бутылка начнет вращаться на раскручивающихся веревках (а для быстроты вращения можно давить палочкой сверху на место скрутки), мы увидим следующую картину: кусочки пробки собрались в центре поверхности воды. Вода, как более тяжелая, чем пробка, отжимается центробежной силой к стенкам бутылки, а пробка остается посередине.

ВОЛЧОК В ТЕХНИКЕ

В технике широко применяются маховики.

Когда мы имеем дело с паровой машиной или двигателем внутреннего сгорания, маховик совершенно необходим. Возвратно-поступательное движение поршня нужно превратить в равномерное вращение вала. Это делает маховик. Когда его вращают, он запасает (аккумулирует) энергию, а когда сила, вращающая маховик, перестает действовать, он отдает запасенную энергию. Таким образом, маховик сглаживает все толчки, и машина работает равномерно.

Для турбин маховик не нужен — сама турбина является маховиком.

Кинетическая энергия, энергия движения маховика бывает очень большой, она зависит от его размеров и скорости вращения. Даже такой небольшой, легкий, ажурный маховик, как колесо перевернутого велосипеда, если оно сильно раскручено, обладает большой кинетической энергией, и его трудно остановить сразу. Но каждый маховик является еще и волчком. А волчок — это очень интересный прибор, и о нем стоит поговорить подробнее. Вращающийся волчок обладает удивительной устойчивостью.

Проделайте такой опыт. Выньте из вилки велосипеда переднее колесо вместе с осью. Держите ось за концы и попросите кого-нибудь сильно раскрутить колесо. Попробуйте теперь повернуть ось в сторону. Колесо вместе с осью будет сопротивляться вашему намерению изменить направление его оси.

Сделайте волчок из картонного, деревянного или жестяного кружка и спички в качестве оси. Запустите его на столе и наблюдайте за его поведением. Почему волчок не падает? Здесь проявляется закон инерции вращающегося тела. Если бы отсутствовало трение о воздух и стол, то поставленный прямо волчок вращался бы вечно. Когда же волчок вращается наклонно, на него действует, кроме силы трения о стол и трения о воздух, также и сила земного тяготения, которая стремится его опрокинуть.

Ось волчка в результате этого совершает конусообразные движения.

Устойчивость волчка широко используется в технике. Например, гирокомпас, основанный на принципе волчка, гораздо надежнее магнитного, зависящего от окружающих его стальных предметов.

Проделайте опыт, который покажет, как ось вращающегося волчка стремится сохранить свое направление.

Возьмите картонный или жестяной кружок диаметром 15–20 сантиметров, пробейте в его центре маленькое отверстие и проденьте в него шпагат. Завяжите на продетом конце узелок. Другой конец закрепите так, чтобы можно было качать кружок на шпагате, как маятник. Если раскачать его, то кружок будет болтаться как попало.

А теперь проделайте следующее: прежде чем качнуть маятник, раскрутите кружок вокруг бечевки, используя ее как ось вращения. Теперь при качании маятника с вращающимся вокруг своей оси кружком вы увидите совсем другую картину. Кружок будет перемещаться в пространстве, сохраняя постоянный угол наклона к горизонту. Его незримая ось вращения все время сохраняет постоянство своего направления, хотя сам шпагат и изменяет свое положение по отношению к кружку.

Еще один опыт наглядно показывает, как быстрое вращение какого-нибудь тела вокруг своей оси позволяет этому телу сохранять устойчивость в полете. Кто из вас не бросал камешки, чтобы они по нескольку раз отскакивали от воды. Эту игру называют «блинчики». Когда вы берете в руку плоский, желательно округленной формы, камешек и бросаете его наклонно к поверхности пруда или реки, чтобы он несколько раз отскочил от воды, то во время броска указательным пальцем вы ему сообщаете вращение, сами не подозревая об этом.

Теперь уже летит не просто камешек, а волчок.

Он не кувыркается, летит строго по заданному направлению. И когда он своей плоскостью ударяется о воду, то подскакивает, летит дальше, опять ударяется и снова подскакивает, и так далее, пока не исчерпается запас энергии, который вы сообщили ему своей рукой.

Свойство оси вращающегося волчка сохранять постоянство своего направления широко используется в так называемых автопилотах, применяемых в авиации. Летчик устанавливает определенный режим полета, и автопилот, основной частью которого является вращающийся волчок, строго следит за выполнением этого режима. Малейшие отклонения от курса он сейчас же устраняет с помощью рулей.

ПОЧЕМУ КРЫШИ ИНОГДА ЛЕТАЮТ

Для того чтобы закончить рассказ о явлениях природы, которые порой причиняют большие неприятности, но, будучи хорошо изучены, применяются на пользу человеку, расскажем еще об одном явлении.

Ветер подхватывает сухие листья и несет их высоко над землей. А когда бывает сильная буря, ветер даже срывает крыши с домов и поднимает в воздух такие предметы, которые никогда для летания не предназначались.

Неприятности бывают и на воде. Многие из вас слышали или читали о жалобах речных лоцманов на коварные мели, которые почему-то так и «притягивают» к себе пароходы. Происходит это даже в тихую погоду, когда река течет спокойно.

И движение струй воздуха, и движение струй воды имеют много общего.

Физик Даниил Бернулли, член Петербургской академии наук, вывел знаменитое уравнение, из которого видно, что если скорость потока жидкости или газа на каком-либо участке возрастает, то на этом участке давление уменьшается, если сравнивать его с давлением окружающей среды.

Мы проделаем серию опытов и убедимся, что это так. Нам станет понятно, почему крыша «подсосалась» к мчащимся с огромной скоростью струям воздуха и почему корабль вдруг «потянуло» на мель.

Возьмите две бумажные полоски, поместите их на расстоянии 1–2 сантиметров друг от друга и подуйте между ними. Полоски бумаги сблизятся.

Подуйте в трубку с загнутым кверху концом. Легкий шарик будет «танцевать» над кончиком трубки.

Возьмите пульверизатор и дуйте в его короткую трубку. Вода или одеколон поднимутся по вертикальной трубке вверх и в виде мелких брызг разлетятся веером.

И, наконец, сделайте небольшой прибор, состоящий из картонного кружка с отверстием посередине и прикрепленной к нему воском трубки.

Подуйте в трубку. Бумажка, приложенная к картонному кружку, не только не отскочит, но, наоборот, прижмется к нему еще сильнее.

Во всех этих опытах в струе давление по сравнению с окружающим воздухом понижалось. А наружное давление сближало бумажные полоски, удерживало шарик на воздушной струе, поднимало воду или одеколон в пульверизаторе, прижимало бумажку к картонному диску.

Уравнение Бернулли объясняет и полет самолета. Если плохо укрепленная крыша дома может подняться в воздух, когда над ней мчится мощный воздушный поток, то вполне естественно было заставить крылья самолета перемещаться по отношению к неподвижному воздуху. При этом возникает сила, которая поднимает и крылья и корпус самолета с пассажирами и грузом.

А теперь рассмотрим, почему мель «притягивает» пароход на реке. В течении, которое проходит между пароходом и мелью, давление понижено, и поэтому наружное давление, действуя на пароход, направляет его на мель.

ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ, ИССЛЕДОВАНИЙ, ПРОВЕРКИ

При заводах, фабриках, в научно-исследовательских институтах всегда есть лаборатории. В них тщательно изучают и проверяют продукцию, которую выпускает или собирается выпускать предприятие. Например, на электроламповом заводе проверяют, как долго может гореть лампочка, как она переносит сотрясения, перегрузки тока, сколько она потребляет электрической энергии. Все это нужно знать, чтобы выпускать лампочки еще лучшего качества.

Когда повар варит суп, он пробует, достаточно ли в нем соли, хорош ли суп на вкус, не надо ли в него еще чего-либо положить.

Нечто подобное происходит и при варке стали. На предприятиях, где варят сталь, существуют так называемые экспресс-лаборатории, которые по взятым пробам быстро определяют, правилен ли состав стали, не надо ли в нее добавить, пока не поздно, те вещества, которые делают ее тверже или, наоборот, мягче, в зависимости от будущего назначения.

Заводские лаборатории следят за тем, чтобы устранить все недостатки, какие могут быть обнаружены в производимых вещах.

Мы познакомимся с приборами, которые служат для различных измерений, необходимых в процессе производства. Познакомимся также и с некоторыми приборами, нужными для изучения уже готовых изделий.

Конечно, познакомиться сразу со всем, что есть на производстве, невозможно, поэтому рассмотрим только некоторые приборы, сделаем их модели и уясним принцип их работы.

Измерение размеров

Когда рабочий обрабатывает какую-нибудь деталь, ему обязательно надо ее измерять; если это круглая деталь, то, кроме других размеров, нужно знать диаметр. Ведь деталь должна точно соответствовать чертежу.

Есть несколько способов измерения круглых деталей в зависимости от их размеров. Мы рассмотрим только некоторые приборы. Они могут пригодиться вам при изготовлении моделей и в проведении опытов.

Для измерения больших диаметров существует прибор, называемый кронциркулем. Кронциркули применяют разных размеров в зависимости от измеряемых деталей. Это металлический циркуль с кривыми ножками. Его легко сделать из толстой 2—3-миллиметровой проволоки. Надо изогнуть два куска проволоки и заострить концы. Другие концы, которые должны быть соединены вместе, нужно с помощью плоскогубцев и тисков навернуть на толстый гвоздь. Затем надо обрезать ножовкой или напильником лишнюю часть гвоздя и расклепать его оставшуюся часть. Обе половинки должны туго раздвигаться, а острые концы находиться друг против друга. В сжатом состоянии концы кронциркуля должны соприкасаться. Измерив деталь кронциркулем и приложив его к линейке, легко узнать результат.

Сравнительно небольшие детали измеряются штангенциркулем. У него ножки прямые и расположены параллельно, прямо на металлической линейке. Одна ножка закреплена неподвижно на конце, а другая передвигается вдоль линейки и сразу показывает размер измеряемой детали.

Для измерения очень тонких деталей, имеющих доли миллиметра, применяют микрометр — винт с круговой шкалой. Изготовить его довольно сложно. Если вам понадобится измерить диаметр тонкой проволоки, то сделать это нужно так. Намотайте проволоку на круглый карандаш плотно — виток к витку. Затем измерьте расстояние между первым витком и последним, разделите эту величину на число витков, и вы получите диаметр проволоки. Чем больше будет витков и чем плотнее намотана проволока, тем точнее будет результат измерения.

Измерение веса

Лабораторные весы отличаются высокой точностью. Это коромысловые весы: на одну чашечку кладется гиря, на другую — взвешиваемый предмет. Сделать самим такие весы нетрудно, нужно только позаботиться о том, чтобы коромысло опиралось на какое-нибудь острие, например острую грань треугольной призмочки, выточенной напильником из кусочка стали. Гирьки надо сделать из кусочков жести, обрезая их ножницами и подгоняя вес по эталону, то есть настоящей гирьке, взятой как образец.

Измерение температуры

Температуру обычно измеряют термометром, который наверняка есть и у вас дома. До изучения физики вы уже знали, что при нагревании ртуть расширяется и показывает измеряемую температуру. Термометр хорошо выполняет свои обязанности, когда измеряется температура воздуха, воды, тела.

А что делать, если нужно измерить температуру в тысячу градусов? Обыкновенный, стеклянный термометр для этого не годится — он расплавится.

Для измерения высоких температур применяют специальные термометры. Существуют, например, термопары. Они основаны на следующем принципе. Если взять две пластинки из разнородных металлов, например медную и железную, концы их спаять, то при нагреве этого спая и охлаждении свободных концов по пластинкам потечет электрический ток. Чем выше температура нагрева спая, тем большей величины идет ток. На шкале прибора, измеряющего ток, проходящий по пластинкам, нанесены деления в градусах. Термопара может измерять очень высокую температуру.

Но бывают такие температуры, когда и термопара не выдержит, может расплавиться, несмотря на защитный кожух из тугоплавких материалов. Тогда применяют оптический пирометр — термометр для измерения температуры раскаленных тел. Чтобы понять, как он работает, проделайте такой опыт.

Возьмите лист белой бумаги и на его середине сделайте масляное пятно: потрите бумагу пальцем, смазанным маслом. Если этот листок осветить сзади свечой, вы увидите на темном фоне светлое пятно. Если же вы поставите свечу перед листком, то увидите на светлом фоне темное пятно. Однако можно осветить листок сзади и спереди так, что никакого пятна не будет видно — листок будет казаться совершенно чистым.

Теперь представьте себе, что вы смотрите на раскаленную металлическую балку через трубку, в которую вставлена маленькая электрическая лампочка.

Специальное устройство (небольшой реостат) позволяет регулировать накал лампочки. Вы увидите на фоне раскаленной балки яркий волосок лампочки.

Если накал лампочки уменьшить, то волосок, хотя он и светится, будет выделяться темным силуэтом на фоне раскаленного металла.

Изменяя степень накала волоска лампочки, можно добиться, что он не будет виден. Это будет соответствовать такому положению, когда фон и волосок светятся одинаково. А каждой определенной температуре нагретого тела соответствует и определенная яркость свечения. Чем сильнее нагрет металл, тем ярче он светится.

Если мы знаем температуру нити лампочки при разной степени ее накала, то легко можем узнать и температуру фона. Для этого нужно так отрегулировать накал нити, чтобы она перестала быть видимой, то есть слилась с раскаленным фоном. Это значит, что раскаленный металл имеет ту же температуру, что и нить. Число градусов определяется по шкале, совмещенной с устройством регулировки накала лампочки.

Измерение давления

Давление жидкостей и газов измеряется манометрами. Они бывают жидкостные и механические.

Чтобы сделать модель жидкостного манометра, возьмите небольшую стеклянную трубку и, осторожно нагревая ее среднюю часть над пламенем свечи, медленно согните в виде латинской буквы U. При этом одна сторона должна получиться немного длиннее другой.

Затем укрепите трубку на вертикальной дощечке при помощи жестяных скобок. Налейте в нее подкрашенной воды и на короткое колено наденьте резиновую трубку. Вдоль длинного колена на дощечке нанесите произвольные деления. В настоящих манометрах деления соответствуют килограммам, приходящимся на поверхность в 1 кв. сантиметр. Давление в 1 килограмм на 1 кв. сантиметр соответствует 1 атмосфере.

Модель манометра готова. Если вы подуете в резиновую трубку (но не очень сильно), то увидите, что в другом колене вода поднимается. Чем больше давление воздуха, тем выше поднимается вода.

Модель механического манометра можно изготовить из небольшой воронки. Натяните на воронку (желательно стеклянную или пластмассовую) тонкую резину от старой волейбольной камеры, резиновой перчатки или воздушного шарика и укрепите ее на подставке. На суженную часть воронки наденьте длинную резиновую трубку с маленькой грушей, укрепленной на конце. Место соединения груши и трубки нужно обмотать изоляционной лентой, чтобы не проходил воздух.

Над резиновой перепонкой укрепите на тонкой оси рычаг с шариком на коротком конце. Шарик должен перетягивать свой конец и касаться середины натянутой резины. Другой, длинный конец рычага сделайте в виде стрелки. Он должен передвигаться вдоль дугообразной шкалы с делениями. Деления тоже будут произвольные. Когда манометр никакого давления не показывает, стрелка должна стоять на нуле.

Если вы нажмете на грушу, давление воздуха в ней возрастет, резиновая перепонка приподнимется, и стрелка пойдет по шкале вниз. Когда вы освободите грушу, стрелка вернется на свое прежнее место — к нулю.

Этот манометр в дальнейшем нам еще понадобится: мы из него сделаем пневматическое реле.

Измерение уровня

Самый простой способ измерения уровня в закрытом резервуаре — это водомерное стекло. Стеклянная трубка вставляется в металлическую согнутую под прямым углом трубку, ввинченную в нижнюю часть резервуара. По принципу сообщающихся сосудов в стеклянной трубке жидкость всегда будет находиться на том же уровне, что и в резервуаре.

Но существуют и другие способы измерения уровней. Здесь мы рассмотрим один из них.

Если на дно большой бочки с водой поместить слегка надутый и присоединенный к резиновой трубке воздушный шарик, а второй конец трубки присоединить к самодельному манометру, то его стрелка сдвинется с нуля. Давление воды всегда зависит только от высоты столба жидкости в резервуаре. Поэтому можно проградуировать шкалу прибора, отливая воду из бочки и замеряя с помощью сантиметровой линейки высоту водяного столба. Конечно, точность здесь будет зависеть от чувствительности прибора.

В промышленности подобный способ измерения уровня жидкостей применяется тогда, когда приходится иметь дело с очень большими резервуарами. Следует, однако, помнить, что при малых количествах жидкости, когда ее давление ничтожно, прибор не дает точного показания.

Измерение количества

На многих заводах и фабриках по одним трубам течет вода, нефть или какая-нибудь другая жидкость, необходимая для производства, по другим идет пар, воздух или газ.

Во всех этих случаях нужно точно знать, какое количество вещества прошло по данной трубе за определенное время.

На небольшом приборе мы постараемся понять, как происходит измерение количества проходящего воздуха.

Количество проходящего потока воздуха через какое-то определенное сечение зависит от скорости потока. Если размер отверстия известен и известна скорость воздуха, прибор сам будет отсчитывать объем, проходящий за единицу времени.

Итак, необходимо узнать только скорость. А скорость потока, как известно, связана с давлением. Если подуть в трубку пульверизатора, то в ней создастся разрежение и жидкость поднимется по вертикальной трубке. Этот опыт нам уже знаком.

Теперь сделайте такой прибор. Возьмите две металлические трубки диаметром 3 сантиметра и длиной 5—10 сантиметров. Проложите между трубками жестяной кружок с отверстием диаметром 1 сантиметр и пропаяйте место соединения трубок и кружка, чтобы получилась одна целая перегороженная трубка. Жестяной кружок с отверстием посередине будем называть диафрагмой.

На расстоянии 1 сантиметра по обе стороны диафрагмы проделайте в трубке по отверстию и вставьте в них концы U-образного манометра, но изготовленного с одинаковыми коленами. Места соединений надо замазать пластилином, чтобы не проходил воздух. Если вы подуете в один конец трубки, то вода в манометре обязательно передвинется. В ближнем колене она опустится, а в дальнем — поднимется.

В промышленных установках в манометр наливают ртуть. На ней плавает поплавок, соединенный с рычагом, который сразу записывает на бумажной ленте или бумажном диске количество проходящих по трубе жидкости или газа.

Измерение электротока

Когда электрический ток проходит по проволоке, он ее нагревает. Чем больше ток, тем сильнее нагревается проволока.

Можно сделать несложный тепловой амперметр — прибор для измерения величины тока.

Укрепите горизонтально между двумя вбитыми в деревянную дощечку гвоздями тонкую медную проволоку. К ее средней части прикрепите сверху конец рычажка, а снизу — пружинку, которая должна оттягивать проволоку вниз. Если присоединить к концам проволоки три батарейки от карманного фонаря, соединенные последовательно, то проволока нагреется, удлинится, пружинка оттянет ее немного вниз, а длинный конец рычажка передвинется по шкале. Если бы на ней стояли правильные деления в единицах измерения тока, то мы бы узнали, какой величины ток идет по проволоке в данный момент.

Изучение напряжений

Для того чтобы узнать, как распределяются напряжения на отдельных участках детали, к которой приложена нагрузка, существует очень наглядный способ. Изучаемую деталь (например, крюк) изготовляют из прозрачной пластмассы и, нагрузив ее, рассматривают через специальный прибор, в котором освещение производится не обычным светом, а поляризованным. Что это за свет, будет рассказано дальше.

Глядя в прибор, вы ясно видите прозрачный крюк и в нем цветные полосы. Они располагаются в толще пластмассы соответственно тому, как распределено в частицах крюка напряжение от груза. Линии напряжения можно сфотографировать и затем изучать. Ясно видно, какая часть крюка подвержена большей опасности сломаться.

Модель подобного прибора мы с вами сейчас изготовим, только свет у нас будет не настолько сильный, чтобы увидеть все, что можно увидеть с помощью настоящего прибора.

Свет представляет собой электромагнитные волны. Волны эти поперечные и распространяются подобно волнам, идущим по воде, причем колебания волн происходят не в одной плоскости, а в разных направлениях.

Если луч света отразится от какой-либо поверхности, он приобретает особое свойство — становится поляризованным. Волны, которые образуют поляризованный луч, расположены только в одной плоскости, подобно тому как располагаются волны у веревки, если привязать один ее конец, а другой двигать вверх и вниз. По веревке бежит волна, расположенная в одной плоскости. Через вертикальную щель такие веревочные волны пройдут легко, а вот если щель повернуть на 90°, то волны погасятся и через щель не пройдут.

Похожее явление происходит и со светом. Если поляризованный луч света заставить отразиться второй раз, но уже от другой поверхности, расположенной перпендикулярно первой, то луч света исчезнет совсем. Будет темно.

Вот такой поляризованный свет мы сейчас и получим. Прибор для его наблюдения можно сделать за 10 минут. Для этого надо иметь две банки из-под кофе (они картонные, и в них удобно вырезать отверстия) и два кусочка стекла размером 6X9 сантиметров.

В банках вырежьте прямоугольные отверстия и вставьте в них наклонно стёкла, предварительно закоптив их на свече.

Поставьте банки одна на другую отверстиями друг к другу. Перед нижней банкой укрепите лист бумаги и осветите его электролампочкой. Свет, пройдя через прямоугольное отверстие нижней банки, отражается от черного зеркала, идет вверх, отражается от второго, верхнего черного зеркала и попадает в наши глаза. Мы видим светлый прямоугольник нижней банки. Теперь, внимательно следя за его изображением, начинайте поворачивать верхнюю банку. Освещенный прямоугольник постепенно будет темнеть, пока совсем не исчезнет.

А теперь положите между круглыми отверстиями банок два прозрачных стекла, зажав между ними смятый кусочек белого целлофана. Глядя в прибор, вы увидите, что целлофан цветной. Там, где целлофан сложен вдвое, будет один цвет, где он сложен втрое, вчетверо и т. д., будут другие цвета.

Поляризованный свет, проходя через неоднородной толщины слои, по-разному преломляется и приобретает окраску, которая может еще меняться при повороте верхней банки по отношению к нижней.

Поляризованный свет широко применяется не только для исследовательских работ. Если в фары автомобилей вставить стекла, пропускающие только поляризованный свет, который будет гаситься специально изготовленным стеклом для кабины водителя, то при встрече машин ночью шоферы не будут ослепляться светом.

Изучение обтекания

Вы, конечно, слышали об аэродинамической трубе. В большой трубе, через которую с огромной скоростью прогоняют воздух, устанавливают модель самолета или его деталь — например, крыло. По их поведению в воздушном потоке судят об аэродинамических качествах будущего самолета.

Иногда бывает так. Конструктор рассчитал самолет, а когда сделал по своим расчетам модель и стал испытывать ее в трубе, оказалось, что модель ведет себя не так, как он предполагал. И тогда производятся новые расчеты, новые поиски правильного решения.

Мы будем оперировать не с воздухом, а с водяными видимыми струями.

Возьмите гладкую доску, поместите в тазу с небольшим наклоном. Вода должна вытекать из распылителя лейки. Для того чтобы получились равномерные струи, надо вбить в доску на расстоянии 1 миллиметра друг от друга ряд гвоздей. Вода, проходя через такой «частокол», разбивается на струи. С этим прибором можно проделать много интересных опытов.

Вы можете сделать из дерева несколько предметов, например: клиновидный брусок, цилиндр, прямоугольник, треугольник, модель крыла самолета, различные обтекаемые и необтекаемые предметы — и увидеть, как струи обходят препятствие на своем пути, как они сжимаются и расширяются.

Меняя наклон доски и напор воды, изменяя скорость потока, можно получить очень наглядное представление о том, какая форма более обтекаемая, а следовательно, меньше тормозится воздухом или водой.

Изучение вихрей

При конструировании самолетов и судов очень важно изучить не только обтекание, но и вихревые явления, которые сопутствуют движению самолета в воздухе, а судна — по воде.

Некоторые вихревые явления используются и в промышленности. Так, например, гигантские водяные воронки, созданные искусственно, могут служить для переправки лесосплавного материала под плотинами гидроэлектростанций.

Излишки воды, скопившейся в водохранилище перед плотиной, обычно спускают через специальные окна в плотине. Но бревна в этих окнах могут застрять. Чтобы этого не случилось, делают специальное отверстие внизу плотины и ставят перегородки, создающие водоворот. Бревна, скопившись около водоворота, по одному ныряют в воронку и выходят по другую сторону плотины.

Вихревые явления часто встречаются в природе. Они бывают очень разнообразны. Это и смерчи — мощные вращающиеся потоки воздуха, увлекающие с собой воду или песок и производящие опустошения на своем пути. Это и водовороты, опасные для жизни неосторожных купальщиков.

Несколько опытов по созданию искусственного вихревого движения можно проделать без сложного оборудования.

Возьмите небольшую деревянную коробку и вырежьте в ее дне ровное круглое отверстие. А ту сторону коробки, где должна быть крышка, заклейте плотной рисовальной бумагой, предварительно намочив ее. Когда бумага высохнет, она будет натянута, как кожа на барабане.

Поставьте коробку на боковую грань и наполните ее дымом. Для этого положите в середину коробки консервную банку с тлеющей ватой.

Щелкая пальцем по натянутой бумаге, вы создадите серию красивых дымовых колец, вылетающих одно за другим. Механизм возникновения колец очень прост. При каждом щелчке пальцем внутри коробки создается повышенное давление. Дым резко вырывается из отверстия. У краев отверстия вследствие торможения потока дыма образуется кольцевое разреженное пространство. Туда устремляются оторвавшиеся от основного потока частицы дыма, образуя вихревое кольцо. Энергия вихревого кольца настолько велика, что кольцо гасит спичку, расположенную на значительном расстоянии от места его возникновения.

Создать искусственный смерч трудно, зато легко получить как бы его негативную модель. Этой моделью будет служить водяная воронка.

Здесь все наоборот: среда, образующая смерч, и сам вихревой столб как бы поменялись веществами, из которых они состоят.

И образуется воронка не снизу вверх, как у природного смерча, а, наоборот, сверху вниз, увлекая с собой в пучину плавающие на поверхности воды предметы.

Для этого опыта возьмите большую прозрачную бутылку, отрезав у нее предварительно дно. Для уменьшения диаметра горлышка вставьте в него короткую резиновую трубку. Зажмите пальцем трубку, налейте в бутылку воду и отнимите палец— вода спокойно будет выливаться из бутылки. Если же, перед тем как открыть отверстие, вы быстро помешаете палочкой воду, придав ей вращательное движение, то, открыв трубку, увидите красивую длинную воронку, уходящую узким концом в горлышко бутылки. Бросьте в воду маленькие кусочки спичек — они стремительно нырнут в воронку и выскочат через трубку наружу.

Наблюдение быстрых движений

Если нужно произвести наблюдение за быстро-вращающимся валом, то пользуются прибором, который называется стробоскопом.

Чтобы понять действие этого прибора, начнем с кино.

Движущееся изображение на экране, как известно, складывается из быстро сменяющих друг друга (24 раза в секунду) неподвижных изображений. В те мгновения, когда лента передвигается на один кадр, объектив киноаппарата закрыт специальной заслонкой— обтюратором. Однако наши глаза не успевают заметить этого, и мы видим на экране четкое движущееся изображение.

Проделайте во время киносеанса такой опыт. Быстро проведите перед глазами вытянутой рукой с раздвинутыми пальцами. Вам покажется, что силуэт руки движется скачками.

Почему это происходит? Вы видите движущуюся руку в момент, когда обтюратор пропускает на экран свет. Когда же наступает на мгновение темнота, рука хотя и продолжает двигаться, но не будет видна. При следующей вспышке света вы видите руку уже на новом месте и т. д. В те промежутки времени, когда рука движется в темноте, она выпадает из наблюдения и вам кажется, что рука движется не плавно, а скачкообразно.

Напряжение в электросети имеет частоту 50 периодов в секунду. Электрическая лампочка вследствие этого 100 раз в секунду загорается и гаснет. И, хотя ее волосок не успевает полностью охладиться, все же небольшое ослабление света происходит. В этом легко убедиться на опыте.

Сделайте из толстого белого картона кружок диаметром 4 сантиметра. Нарисуйте на нем черной тушью четыре одинаковых сектора, чередуя их с такими же по размен рам белыми секторами. Проткните центр кружка спичкой — получится волчок.

Запустите его при электрическом свете. В определенный момент, когда волчок несколько замедлит свое вращение, на поверхности его диска появятся темные секторы, вращающиеся в ту же сторону, что и волчок. Далее вращение секторов постепенно замедляется, затем после мгновенной остановки изображение секторов начинает вращаться все быстрее и быстрее, но в обратную сторону.

Это явление объясняется так: если за одну сотую долю секунды, когда свет немного ослаб, диск волчка повернулся точно на четверть оборота, то в следующий момент, когда свет загорается ярче, мы увидим рисунок секторов без изменений, точно в таком же положении, как и накануне затемнения. Так как секторы нарисованы совершенно одинаковые, никто не заметит, что каждый черный сектор передвинулся на место такого же черного соседнего сектора. Поэтому у нас создается впечатление, что диск стоит на месте. Но если диск волчка за момент затемнения поворачивается не на четверть оборота, а немного больше или меньше, то происходит постепенное набегание лишних или вычитание недостающих долей круга, и нам будет казаться, что секторы вертятся либо по ходу вращения волчка, либо против его вращения.

Эти три случая и показаны на схеме, где цифрами 1, 2, 3, 4 обозначены спицы «колеса», сплошной стрелкой — его вращение, пунктирной — кажущееся вращение спиц.

При дневном освещении, при свете керосиновой лампы или при освещении от источника постоянного тока описанного явления не произойдет.

Проделав этот же опыт при лампе дневного света, можно получить особенно хороший результат. В такой лампе происходит полное погасание, потому что не сказывается сглаживающее влияние раскаленного волоска.

Проделайте еще один опыт. Изготовьте из толстого картона диск диаметром 20–22 сантиметра, прорежьте в нем на равных расстояниях 12 отверстий в виде вытянутых от края диска к его центру трапеций. Размер этих трапеций должен быть примерно такой: высота — 5 сантиметров, ширина оснований — 2 и 1 сантиметр. Насадите диск на граненый карандаш и, быстро вращая его, смотрите сквозь его прорези на запущенный волчок с четырьмя нарисованными секторами.

Регулируя скорость вращения большого диска, можно добиться, что нарисованные секторы будут либо стоять неподвижно, либо вращаться в ту или другую сторону.

Обтюратор перед съемочным киноаппаратом, подобно диску в только что проделанном опыте, искажает характер вращения колес со спицами.

Для того чтобы измерить скорость вращения вала, на него надевают диск с черными секторами и освещают прерывистым светом. Зная частоту вспышек света, вычисляют скорость вала.

АЗБУКА АВТОМАТИКИ

Сейчас автоматы широко применяются не только в промышленности, но и в быту.

Вы можете, опустив монету в аппарат, поговорить с товарищем по телефону-автомату, можете позавтракать в закусочной, где завтрак отпускается автоматически из стеклянного шкафа, а кофе наливается в подставленный стакан из специального крана.

На станциях метро вы можете получить билет у автомата, опустив в него соответствующее количество монет. Автоматы продают спички, тетради, карандаши.

Можно даже сфотографироваться у механического фотографа и получить через несколько минут готовые фотографии.

А на заводах сейчас автоматизация производства все больше и больше вытесняет ручной труд. Рабочий только следит за работой станков-автоматов и регулирует их в случае непредвиденной разладки.

Существуют уже автоматические линии, цехи-автоматы и даже заводы-автоматы, на которых деталь переходит от одного автомата к другому до тех пор, пока не будет совершенно готова.

Сложные автоматы, удивляющие необычной четкостью работы, часто называют «умными машинами». «Умными» они становятся только в результате творческой работы их создателей — конструкторов.

Но если внимательно рассмотреть автоматы, то оказывается, что даже самые сложные из них состоят из простых элементов. Каждая их деталь выполняет очень несложную работу. Работа отдельных деталей автомата сводится в основном к тому, что они либо включают какую-то электрическую цепь, либо ее выключают, либо посылают электрический ток, либо его задерживают, либо поворачивают деталь на определенный угол, либо передвигают ее, подставляя под сверло или фрезу, и т. д.

Мы познакомимся с отдельными элементами, из которых складываются автоматические устройства, а затем сделаем несколько простейших автоматов.

Первое, с чего мы начнем изучать отдельные детали автоматов, — это реле.

Реле — очень простой по устройству прибор. Его назначение — автоматически, под действием различных внешних воздействий, замыкать или размыкать электрическую цепь.

Какие воздействия сказываются на реле? Их может быть много. Это или давление, или температура, или изменение положения какого-либо предмета, подъем или опускание жидкости, звуковые колебания, вспышка света и т. д. Но чаще всего для воздействия на реле используется электрический ток.

Пневматическое реле

Изготовим сначала пневматическое реле — реле, которое работает от изменения давления газа или жидкости.

Вы уже сделали модель механического манометра.

Усовершенствуйте ее. Над натянутой на воронку резиновой перепонкой укрепите на стоечке вместо рычажка со стрелкой два контакта, сделанные из латунных полосок шириной 0,5 сантиметра и длиной 4–5 сантиметров. К одной из пластинок припаяйте медный контакт — кусочек толстой медной проволоки. Его надо обточить напильником, чтобы он имел вид конуса.

Между нижней пластинкой с напаянным контактом и резиновой перепонкой проложите кружок, отрезанный от бутылочной пробки.

К контактам подведите два провода. Один провод присоедините к электрической лампочке от карманного фонаря, а другой — к полюсу батарейки. Второй полюс батарейки присоедините ко второму контакту лампочки.

Надо хорошо оформить пневматическое реле, укрепить его детали на установленной вертикально гладкой доске, покрашенной масляной краской. Для лампочки следует сделать из толстой проволоки патрончик, а для второго контакта укрепите латунную закругленную пластинку, в которую он будет упираться.

Если нажать грушу, давление воздуха внутри воронки возрастет, резиновая перепонка поднимется и нажмет на контакт. Электрическая цепь замкнется, и лампочка загорится. При ослаблении давления воздуха контакты разомкнутся. Применив длинную трубку, можно приводить в действие реле на расстоянии, даже из соседней комнаты.

Вместо электрической лампочки может быть установлен маленький электрический двигатель, который сейчас выпускается для юных техников. Он работает от батарейки для карманного фонаря.

Пневматические реле применяются в промышленности там, где нужно ограничить давление воды, пара, воздуха или, наоборот, дать тревожный сигнал о необходимости увеличить давление.

Тепловое реле

Иначе оно называется термореле. Под влиянием определенной температуры оно способно выключить электрическую цепь или, наоборот, включить ее, дать сигнал о повышении температуры или привести в действие механизм для ее изменения. В некоторых случаях это реле играет роль регулятора, который, периодически включая и выключая электрическую цепь, предохраняет какой-нибудь нагревательный прибор от перегрева.

Для изготовления такого реле возьмите полоску алюминия длиной 10 и шириной 1 сантиметр, вырезанную из негодной кастрюли, и такую же полоску жести. Сложите их вместе и по средней линии, проведенной вдоль полосок, склепайте заклепками, изготовленными из толстой медной проволоки. Заклепки расположите на расстоянии 1,5 сантиметра друг от друга. Получится так называемая биметаллическая пластинка.

Один конец этой пластинки (с той стороны, где жесть) надо припаять оловом к стерженьку из кусочка толстой медной проволоки, установленному на деревянной дощечке. К этому же концу надо припаять провод. Около другого конца пластинки (с той стороны, где жесть) укрепите на расстоянии 2–3 миллиметров второй медный стерженек. Это будет неподвижный контакт. К нему тоже припаяйте кусок провода. Затем оба провода соедините через батарейку для карманного фонаря с электрической лампочкой.

Если поднести к биметаллической пластинке горящую спичку, пластинка нагреется и изогнется. Железо и алюминий при нагревании расширяются неодинаково: алюминиевая пластинка удлинится больше, и поэтому алюминиевая сторона при нагревании всегда будет выпуклой. Конец пластинки дойдет до неподвижного контакта и замкнет электрическую цепь. Как говорят, реле сработало. Лампочка будет гореть.

Когда пластинка остынет, электрическая цепь разомкнется.

Жидкостное реле

Иначе его можно назвать «сигнализатор уровня». Для того чтобы вода не перелилась через край резервуара, делают устройство, которое дает сигнал о том, что сосуд наполнился. Конечно, можно, кроме сигнала, еще включить приспособление, которое прекратит доступ воды в сосуд, но мы ограничимся сигнализацией.

На краю сосуда — например, литровой банки — установите жестяную скобу с ушками, в которых на оси укрепите рычаг, сделанный из миллиметровой медной проволоки. На том конце рычага, который обращен внутрь сосуда, укрепите большую пробку — поплавок.

Под наружным концом рычага укрепите металлическую пластинку с конусообразным контактом. Один провод присоедините к неподвижному контакту, другой— припаяйте к оси рычажка. Остальную проводку сделайте, как и в предыдущих реле. Когда вы будете наливать в банку воду и она дойдет до определенного уровня, пробковый поплавок поднимется, наружный конец рычага замкнет контакт, и электрическая лампочка загорится.

Электромагнитное реле

Намотайте на пустую катушку от ниток медную изолированную проволоку диаметром 0,3–0,5 миллиметра. Наматывать проволоку надо по возможности виток к витку, ровными рядами. Сначала намотайте один ряд, затем другой и т. д. Затем витки могут ложиться и не совсем ровно, немного перехлестываться. Нужно намотать как можно больше проволоки. Концы проводов надо закрепить. Они должны затем присоединяться к батарее от карманного фонаря.

Укрепите катушку вертикально на деревянной подставке на высоте 1–2 сантиметров. В катушку, прежде чем ее укрепить, надо вставить небольшой гвоздь шляпкой вниз. Наверху на катушке укрепите медную пластинку с припаянной к ней медной проволочкой. Шляпка гвоздя должна лежать на такой же медной пластинке, установленной на деревянной подставке. К ней тоже должна быть припаяна проволочка. Еще одну проволочку нужно припаять к гвоздю около его шляпки.

Это очень примитивное реле, оно просто в изготовлении, и поэтому, прежде чем делать более сложное, сделайте его.

Две пары контактов реле могут работать в двух электрических цепях. Та пара контактов, которая образуется шляпкой гвоздя, упирающейся в медную пластинку, называется нормально замкнутой. Они будут размыкаться, когда по катушке реле пойдет ток и гвоздь втянется внутрь катушки. Другая пара контактов, которая состоит из верхней пластинки и гвоздя, называется нормально разомкнутой. Они замкнутся, когда реле сработает, то есть когда гвоздь при прохождении через обмотку электрического тока втянется и острым концом упрется в верхнюю пластинку.

Сделайте теперь две самостоятельные электрические цепи и подключите их к каждой паре контактов отдельно. В этих цепях одна лампочка будет гореть (потому что ток идет через нормально замкнутые контакты), а другая гореть не будет (ее цепь разомкнута верхними контактами).

Когда по обмотке реле пройдет электрический ток (для этого лучше использовать другую батарейку), гвоздь втянется — одна лампочка погаснет, а другая загорится.

Электромагнитные реле самых различных конструкций применяются во многих отраслях промышленности.

Транспортировочные приспособления

Для передвижения изделия в автомате могут применяться различные механические устройства.

Для передвижения отдельных деталей может быть использовано движущееся полотно — конвейер. Между двумя валиками нужно натянуть сшитую из материи ленту шириной 4–5 сантиметров и длиной примерно 30 сантиметров. К одному из валиков нужно приделать ручку. При вращении валика конвейер может перемещать какие-либо предметы из одного конца в другой.

Для перемещения сыпучих или тестообразных тел может быть использован механизм, похожий на винт обыкновенной мясорубки. Такой винтовой валик называется винтом Архимеда. При его вращении мясо передвигается от загрузочного отверстия к режущему приспособлению мясорубки.

Существуют пневматические приспособления для захватывания детали специальными присосками.

Когда деталь прилипнет к присоскам, удерживаемая наружным атмосферным давлением, рычажное устройство переносит ее, а затем, когда это нужно, присасывающее устройство выключают, и деталь отпускается.

Простой опыт покажет, как даже небольшое разрежение удерживает сравнительно тяжелый предмет.

Наполните рюмку до краев водой, накройте ее листком промокательной бумаги, а сверху положите стеклянную пластинку. Прижмите пластинку к рюмке и переверните все вместе вверх дном. Через некоторое время промокательная бумага впитает часть воды, и в рюмке над водой образуется пустое пространство. Рюмка крепко присосется к пластинке. Оторвать ее от пластинки удастся, только применив некоторое усилие.

Небольшие перемещения детали или материала для ее изготовления осуществляются с помощью поворотного устройства карусельного типа. Диск, на котором расположены детали, поворачивается на определенный угол, подставляя деталь под тот или иной инструмент. Когда очередная операция завершена, диск поворачивается еще немного и т. д. Пройдя все операции, деталь может быть снята с поворотного диска.

Для передвижения различных изделий используются всевозможные рычажные устройства, толкатели, захватывающие приспособления и т. д. А часто бывает и так, что изделия сами себя транспортируют, скользя по гладкой поверхности и подталкивая друг друга.

Концевые выключатели

Перейдем теперь к приспособлениям, которые дают возможность машине самой реагировать как на данные ей распоряжения, так и на всякие случайности и непредвиденные обстоятельства. Для этого существуют так называемые концевые выключатели. Один из подобных выключателей мы рассматривали, когда говорили о жидкостном реле — сигнализаторе уровня.

Но обычно, когда говорят о концевых выключателях, имеют в виду контактные устройства, приводимые в действие либо частью машины, либо изготовляемой деталью.

Предположим, деталь дошла до определенного места и должна идти обратно или по другому направлению. Она нажала контакт, включила другой конвейер и отправилась в нужном направлении. То же может происходить, когда нужно оградить действие какого-нибудь механизма, чтобы он не переходил заданный предел. Во всех подобных случаях делается контактное приспособление, с помощью которого происходит либо остановка этого механизма, либо поворот его в другую сторону.

Регулятор

Существует еще одно очень важное устройство, необходимое для успешной работы автоматов, — регулятор. Задача регулятора следить, чтобы соблюдался заданный машине режим. Если вопрос идет о температуре печи, термический регулятор строго следит, чтобы температура была не выше и не ниже определенных пределов. Если это регулятор давления, например воздуха, то с помощью пневматического реле он регулирует величину давления.

Мы разберем на практике работу одного из стариннейших регуляторов скорости — центробежного регулятора. Под действием центробежной силы грузики, укрепленные шарнирно, расходятся в стороны. Верхний шарнир опускается вдоль оси и, нажимая на специальное приспособление, связанное с рычагом, уменьшает, например, доступ пара в рабочий цилиндр паровой машины. Скорость вращения снижается, грузики под действием пружины возвращаются в прежнее положение, и доступ пара в цилиндры увеличивается. Таким образом, малейшее отклонение скорости от заданной автоматически устраняется и скорость держится на одном уровне.

Чтобы проследить это на опыте, сделайте волчок из картонного кружка и тонкой деревянной палочки. Из тонкого картона вырежьте узкую полоску, сделайте из нее кольцо, проделайте в нем два отверстия и наденьте кольцо на ось волчка. По бокам к картонному кольцу прикрепите два пластилиновых шарика, а низ кольца прикрепите к диску волчка. Если вы запустите этот волчок, то под действием центробежной силы шарики разойдутся, картонное кольцо растянется в стороны и его верх опустится вдоль оси волчка. Чем больше скорость, тем сильнее сожмется картонное кольцо.

Клапаны

Клапаны применяются во многих машинах и приборах. Они широко используются в двигателях внутреннего сгорания, в различных водоподъемных устройствах, насосах для жидкостей и газов, в паровых машинах и т. д.

Счетчики

Прежде чем рассказать, как это делается, напомним, что, когда вы хотите послушать какую-то музыку, вы выбираете граммофонную пластинку, ставите ее на диск патефона, включаете его и слушаете музыку. Вы, ставя пластинку, даете задание патефону, задаете ему нужную программу. При желании можно заменить пластинку — патефон проиграет и другую.

Для выполнения автоматом определенной программы устанавливают специальные диски-шайбы. Диски, вращаясь, нажимают на поставленные против них рычаги, которые либо сами выполняют нужную работу, либо подготавливают другие механизмы для выполнения этой работы, например, замыкают контакты, включают какие-то двигатели, исполнительные механизмы и т. п.

Обычно каждый диск «заведует» одной определенной несложной работой: например, один диск пододвигает заготовку на рабочее место, другой в это же время включает сверло, третий пододвигает сверло к заготовке, сверлит отверстие и отодвигает сверло обратно. Первые два диска затем выключают сверло и отодвигают деталь. Каждый диск делает свое дело.

Для того чтобы это пояснить на примере, вырежьте из фанеры маленький диск в виде эллипса.

Насадите его на ось, пропустив ее не через середину эллипса, а несколько сбоку, как показано на рисунке.

Около диска установите рычаг, который должен одним из своих концов касаться диска. У этого конца установите пружину, она все время будет прижимать рычаг к диску.

Фанерный диск, вращаясь, постепенно поднимает конец рычага, затем опускает его. Можно вырезать и поставить на место эллипсообразного диска другой, который по-иному будет воздействовать на рычаг. Например, постепенно поднимет его и резко опустит.

Можно вырезать диски самой разнообразной формы, и все они по-разному будут передвигать рычаг.

Рычаг даже может во время вращения диска стоять на месте и только в определенный момент поворота диска совершать резкое движение вверх и вниз.

Здесь вам предоставляется возможность на практике убедиться, какие задания можно дать рычагу. Ведь все движения рычага могут передаваться исполнительным механизмам или приборам, которые ими управляют (реле для запуска двигателей, муфты сцепления и т. п.).

На одном валу может находиться одновременно несколько дисков, и каждый из них будет иметь свою программу работы.

Значит, меняя диски, мы можем изменять программу работы машины. На некоторых швейных машинах можно задавать программу работы, заменяя специальные шайбы. Поставил одну шайбу — шов идет нормальный, поставил другую — шов идет «елочкой», поставил третью — шов идет зигзагами и т. д. Как видите, программирующее устройство может оказаться у вас дома, под рукой.

Для программирования часто пользуются системой переключателей. Например, диспетчер задает поезду программу движения по определенным путям, нажав соответствующие кнопки и тем самым включив нужные стрелки и светофоры. Водитель машины, переключив рычаг скоростей, задает машине определенную скорость движения.

Но существует и более сложное программирующее устройство. В машину вставляют чертеж определенной детали, а через некоторое время из нее выходит готовая деталь. Как это происходит? Существует «электрический глаз» — фотоэлемент, он «осматривает» последовательно каждый квадратный миллиметр чертежа и реагирует на его светлые и черные места. Каждый раз подается импульс тока, и исполнительные органы, например резцы, в эти моменты вгрызаются в металл, и заготовка постепенно превращается в готовую деталь, согласно заложенному чертежу.

Язык автоматов

В заключение расскажем еще об одном способе «разговора» с машинами. Можно давать распоряжение машине в письменном виде.

«Письмо» пишется на карточке или на бумажной ленте. И пишется оно особым способом — с помощью отверстий.

Раньше существовали механические пианино — пианолы. Вы могли, совершенно не умея играть на пианино, даже не имея никакого представления о музыке, исполнять такие произведения, которые под силу только виртуозу.

Осуществлялось это с помощью программного устройства.

Программа задавалась бумажной ленте шириной около 30 сантиметров. Она наматывалась на катушку диаметром 10 сантиметров.

Бумажная лента вся была покрыта отверстиями. Конечно, отверстия располагались не как попало, а в строго определенных местах. Это была запись звуков в виде отверстий.

Лента вставлялась в специальное гнездо и могла перематываться на другой валик. На ее пути находилась металлическая планка со множеством отверстий, расположенных в один ряд. Отверстий было ровно столько, сколько клавиш на пианино.

Стоило вам начать нажимать ногами по очереди на специальные педали, как сейчас же приходил в действие компрессор. Он гнал сжатый воздух через пластинку с отверстиями, а лента начинала двигаться. В зависимости от того, какое отверстие ленты совпадало с отверстием планки, извлекался звук соответствующей высоты. Как вы знаете, в рояле и пианино звук получается от удара молоточка по струнам. Все молоточки в пианоле связаны с устройством, которое с помощью сжатого воздуха заставляло их в нужный момент ударять по струнам.

Вы только вставляете валик в специальное гнездо да нажимаете ногами на педали, а за вас фактически играет тот музыкант, который исполнял данную вещь во время записи.

Здесь мы рассмотрели программное устройство, работающее с помощью сжатого воздуха, но чаще осуществляют программирование с помощью электричества. На карточке или ленте, как мы говорили, есть отверстия. Когда вставляют такие карточки или ленты в машину, она как бы читает слова языка отверстий и выполняет задание.

Чтобы это понять, проделаем такой опыт.

Возьмите кусочек толстой рисовальной бумаги, вырежьте на ней через одинаковые промежутки несколько круглых отверстий диаметром с копейку.

На доске укрепите две латунные пластинки с выпуклыми концами. Пластинки должны этими выпуклостями плотно касаться друг друга, чтобы контакт был надежным. К пластинкам присоедините через батарейку реле или электрическую лампочку. По реле идет ток, и оно замыкает свои контакты, а если присоединена лампочка, то она горит. Вставьте между контактными пластинками кусочек заготовленной бумаги с отверстиями. Цепь разомкнется, и реле выключится, а лампочка погаснет.

Теперь протащите бумагу через контактные пластинки. Отверстия, вырезанные на ней, проходят через место соприкосновения контактов. Каждый раз, когда контакты проскакивают в отверстие, цепь замыкается — будет срабатывать реле или зажигаться лампочка.

Расположение отверстий на ленте может быть самым разнообразным, и машины, «читая» язык отверстий, могут выполнять порученную им работу.

На здании редакции газеты «Известия» в Москве установлен транспарант, по которому бегут светящиеся слова реклам. Такие рекламы осуществляются обычно с помощью длинной бумажной ленты, на которой буквы нанесены в виде пробитых отверстий.

Лента движется через контактное устройство, и от каждой пары контактов провода идут к определенней группе лампочек большого транспаранта. Лента движется в аппарате небольшого размера, а контакты, проскакивая в отверстия букв, замыкаются и зажигают соответствующие лампочки. Создается впечатление, что светящиеся буквы движутся; на самом деле это движется бумажная лента, переключающая лампочки, которые стоят неподвижно и лишь загораются в нужный момент.

АВТОМАТЫ — СВОИМИ РУКАМИ

«Чаша Тантала»

Мы с вами познакомились с отдельными элементами автоматов. Чтобы лучше понять принципы работы автоматов, сделаем несколько простых моделей автоматических устройств.

Предположим, нужно построить аппарат, который через определенное время должен выдавать точно отмеренную порцию воды.

Возьмите бутылку с отрезанным дном или ламповое стекло. Сделайте из пластилина или воска пробку и залепите ею горлышко бутылки или узкую часть лампового стекла. Затем палочкой проделайте в пробке отверстие и вставьте в него резиновую трубку, какие обычно употребляются для электропроводки. Согните дугой резиновую трубку внутри сосуда, а конец доведите до самой пробки. Нужно проследить, чтобы в месте изгиба трубка не зажималась. Подвесьте изготовленный сосуд на веревке к какой-нибудь перекладине и начните лить в него воду.

Как только вода дойдет до верха сосуда, трубка заполнится водой и начнет действовать как сифон. Вода из нее будет вытекать до тех пор, пока не опорожнится весь сосуд. Нужно так отрегулировать струю, наполняющую сосуд, чтобы она текла слабее струи, которая из него вытекает. Тогда прибор через определенные промежутки времени будет наполняться, а затем опорожняться. Каждый раз будет вытекать определенная порция воды.

Этот автомат известен очень давно. Его назвали «чашей Тантала». Почему же он так называется и кто такой Тантал?

Тантал никогда ничего не изобретал. Есть греческий миф о лидийском царе Тантале, которого Зевс осудил на вечные муки. В подземном царстве он очень страдал от жажды, и его страдания усиливались оттого, что он стоял по горло в воде, но напиться не мог. Как только он открывал рот, окружающая его вода исчезала. Потом снова вода прибывала, но, как только Тантал пытался напиться, она пропадала.

«Чашу Тантала» можно усовершенствовать, превратить в реле времени.

Что такое реле времени? Бывает нужно, чтобы какой-то аппарат начал работать не сразу, как только в него поступил сигнал о включении, а спустя некоторое время. Нужно, как говорят, сделать выдержку во времени.

Вот мы и превратим «чашу Тантала» в реле времени. Изменением величины петли резиновой трубки можно добиться, что вытекание воды будет происходить через точно заданное время.

Можно даже сдвоить такие сосуды. В этом случае вода из первого сосуда будет переливаться в расположенный под ним второй сосуд. Второй сосуд начнет действовать тогда, когда первый сосуд опорожнится либо полностью (если сосуды и трубки одинаковые), либо частично.

На сосудах можно укрепить контактное устройство, которое мы делали для сигнализатора уровня. Контакты могут либо замыкать какую-нибудь цепь, либо разрывать ее.

Можно сделать разные комбинации замыканий и размыканий с различной выдержкой времени. Этот прибор действует автоматически по программе, которая ему задана. Важно только, чтобы не изменились условия его работы: например, чтобы струи воды были постоянными.

Пульс-пара

Электрический прибор, который может через определенные промежутки времени включать и разрывать электрическую цепь, можно осуществить с помощью двух реле, соединенных по схеме, называемой «пульс-пара».

Где может применяться такая схема? Предположим, надо установить бакен для обозначения мели или установить несколько бакенов для указания глубокого русла реки, где могут плыть суда.

Совсем необязательно, чтобы фонари на бакенах горели непрерывно; вполне достаточно, если они будут мигать. А если бакены находятся в таких местах, к которым трудно подъехать, или по каким-либо причинам не имеет смысла держать в данном районе специального человека — бакенщика, — тогда устанавливают на бакене батарею с фонарем, который будет работать и ночью и днем не выключаясь. В целях экономии батареи паузу между зажиганиями лампочки выбирают подлиннее. Меняют батареи один раз в несколько месяцев, и фонари на бакенах работают без перебоя. Это бывает гораздо выгоднее, чем оплачивать специального бакенщика, который каждый вечер зажигал бы, а утром гасил фонари.

Пульс-пара дает возможность осуществить такую установку.

Нужно сделать два электромагнитных реле, одно из которых должно срабатывать с небольшим замедлением, то есть его контакты должны замыкаться не мгновенно, а чуть медленнее контактов другого реле.

Замедление должно быть очень небольшое, в долю секунды, и осуществить его можно с помощью слабой, тоненькой резинки, которая будет чуть притормаживать якорь-гвоздь, когда он втягивается в катушку.

У замедленного реле должны работать нормально разомкнутые контакты, то есть верхний контакт и упирающийся в него якорь-гвоздь.

На схеме показано, как нужно осуществить все соединения.

Когда мы нажмем пусковую кнопку Кн и пустим ток в обмотку замедленного реле 1, его контакты замкнутся и подадут ток в обмотку реле 2. Контакты этого реле разомкнутся и разорвут цепь питания реле 1. Контакты реле 1 тоже разомкнутся, и реле 2, лишившись тока, отпустит свои контакты.

Контакты реле 2 при этом замкнутся и включат цепь питания реле 1. И все начинается сначала. Так реле будут включать и выключать друг друга, пока нажата пусковая кнопка.

К свободным контактам одного из реле можно подсоединить электрическую цепь, состоящую из батареи и лампочки, и лампочка будет периодически вспыхивать и гаснуть.

РАССТОЯНИЕ, ПРЕВРАЩЕННОЕ В НУЛЬ

В нашей стране особенно большое внимание уделяется механизации и автоматизации производства.

В семилетием плане развития народного хозяйства поставлены даже такие задачи, как переход от автоматизации отдельных машин к полностью автоматизированным цехам и заводам.

Почему же так важно, чтобы больше было автоматов и автоматических заводов?

Автоматы отлично выполняют заданную программу, они работают быстро, хорошо и очень облегчают труд человека. А то, что они производят, стоит значительно дешевле, чем при ручном труде.

Но все-таки полностью всю работу на предприятии доверять автоматам нельзя. Без руководства со стороны человека не могут обойтись даже самые совершенные машины. Руководить этими хитроумными аппаратами и механизмами все же должен человек.

У нас человек является полноправным хозяином и повелителем машин. Все сильнее растет его власть над техникой. Один человек порой может управлять множеством машин и механизмов, работающих автоматически и на большом иногда расстоянии друг от друга. Сложные мощные машины можно привести в действие или остановить слабым нажатием на кнопку. И сами машины немедленно докладывают языком цветных электрических лампочек или звуковых сигналов о том, работают они или остановились, обеспечены ли они всем необходимым для нормальной работы или нет. А в случае какой-либо поломки приборы сообщают о случившемся, указывая точно место, где это произошло.

Для того чтобы можно было управлять на расстоянии машинами-автоматами, составляющими иногда целые предприятия, существует специальная отрасль техники — телемеханика. Телемеханика — это механика на расстоянии. Она занимается управлением, контролем, измерением различных величин. Но все это делается на расстоянии, превышающем иногда десятки и сотни километров. Телемеханика как бы уничтожает расстояние.

Где же применяется телемеханика и когда она бывает особенно нужна?

Мы покажем это на небольшом примере. Из него вы увидите, что телемеханику можно применить только там, где производство автоматизировано. В самом деле, нельзя же представить себе, что мы на расстоянии будем управлять старыми деревянными ветряными мельницами.

Представьте себе, что из реки в определенных местах нужно качать воду в оросительные каналы. Предположим, что таких насосных станций несколько, например 10, и расположены они в 3–5 километрах друг от друга.

Что представляет собой каждая насосная станция? Ее основное оборудование — двигатель внутреннего сгорания и насос. На каждой такой насосной станции должен быть человек, а если станция работает круглые сутки, то два-три человека. Люди там должны жить оторвано от населенных пунктов, потому что место, откуда надо брать воду для орошения, не всегда расположено около населенного пункта. Чаще всего насосные станции располагаются вдалеке от городов и поселков. Привезут на машине продукты и почту раза два в неделю, а в остальное время никто туда и не заглянет.

Первое, что появляется на этих станциях из области механизации, — это телефонная связь, а иногда и мотоцикл. Затем на смену двигателю внутреннего сгорания, для которого надо привозить горючее, да еще издалека, ставится электрический двигатель. Управление упрощается. Нажал кнопку, двигатель заработал, и насос качает воду. Приборы показывают, нормально ли работает двигатель, — хорошо ли качает насос.

И вот уже напрашивается мысль: а что, если включать кнопку для пуска и остановки двигателя не здесь, на самой станции, а где-то в другом месте, например в ближайшем городе или поселке? Если там оборудовать специальный, как его называют, диспетчерский пункт, то с него можно успешно управлять работой всех десяти, а если надо, то и большего количества насосных станций.

От каждой станции на диспетчерский пункт идут свои провода.

Перед дежурным диспетчером расположены на щите схемы станций и цветные сигнальные лампочки.

Вот, например, видно, что вторая насосная станция не работает. Около ее схемы на щите горит зеленая лампочка. Согласно требованию старшего агронома необходимо оросить определенный район, а для этого нужно пустить в ход насосную станцию № 2.

Диспетчер нажимает кнопку 2, ток идет по проводам на станцию, там срабатывает сигнальное реле, которое приводит в действие более мощное реле, а оно включает электрический двигатель.

Насос качает воду. На щите у диспетчера зеленая лампочка погасла и зажглась красная.

Кроме этого, диспетчер видит на специальном приборе, который не только показывает, но и записывает, какое количество воды поступает по трубе в оросительный канал. Помните, мы с вами уже рассматривали прибор, измеряющий количество жидкости или газа, проходящего по трубе? Так вот подобный прибор стоит около насоса, измеряет количество воды, которую насос подает в оросительный канал, и сообщает эти сведения диспетчеру.

На щите у диспетчера есть еще и другие приборы. Они показывают величину тока, идущего через двигатель и количество оборотов двигателя.

Все станции как бы собраны в одном месте, на щите, и диспетчер следит по приборам за их работой. В случае какой-либо неполадки на ту станцию, где эта неполадка произошла, посылается аварийная машина, чтобы можно было быстро произвести на месте нужный ремонт.

Все насосные станции заперты на замок. В них никого нет, и только реле порою щелкают в тишине, включая или останавливая двигатель по команде диспетчера.

Через определенные промежутки времени, примерно раз в неделю, а может быть, и реже, дежурный техник объезжает все станции и проверяет, в каком состоянии находятся механизмы, не надо ли чего заменить, как обстоит дело со смазкой, нет ли каких-нибудь признаков, что может произойти поломка. После проверки помещение запирается, и техник едет к следующей станции.

Это один из самых простых примеров применения телемеханики. Всех случаев, где она применяется и может применяться, не перечислишь, но еще об одной важной отрасли ее применения необходимо рассказать. Это применение телемеханики в энергосистемах.

В них без телемеханики не обойтись. Электрические станции дают свою энергию в общую высоковольтную линию, а из этой линии ее берут так называемые потребители— заводы, фабрики, жилые дома городов и поселков. Благодаря электрической энергии работают машины, горят лампочки. Но всю энергию надо очень умело распределять, чтобы всем ее хватило, да и чтобы неиспользованная энергия не оставалась.

За этим и следят диспетчеры энергетических систем. Перед ними на специальных светящихся схемах изображена вся энергетическая система. На схеме видно, откуда поступает электроэнергия и кто ее потребляет.

Телемеханика дает возможность диспетчеру быстро принимать решения, быстро откликаться на все, что происходит в линиях. Хорошо, когда все идет нормально, но бывают и аварии и поломки, а заводы должны работать, лампочки должны гореть… Диспетчер приводит в действие запасные машины, отключает неисправный участок, принимает меры, чтобы туда выехала бригада для ликвидации неисправности. Диспетчер — это главный хозяин на производстве. Он командует, распределяет энергию, устраняет недостатки. И ему очень облегчают работу автоматические приборы и телемеханика.

Телемеханических систем существует много. Но в основном к ним предъявляются такие требования: надежность и дешевизна. Эти требования предъявляются не только к системам телеуправления, но и к любым машинам, к любым приборам. Они должны быть как можно более дешевыми и как можно более надежными в работе.

Созданы специальные приборы и схемы их соединения, дающие возможность по небольшому количеству проводов передавать сигналы управления, получать обратно сигналы о выполнении той или иной работы и производить различные измерения на расстоянии.

При больших расстояниях до телеуправляемых объектов очень важно, чтобы в целях экономии было как можно меньше проводов.

В самом деле, предположим, что нужно управлять десятью механизмами, расположенными в одном месте. Тогда в случае многопроводной линии нужно самое малое одиннадцать проводов: по одному к каждому механизму и один провод обратный, общий.

При большом расстоянии такая линия будет стоить дорого. В случае же малопроводной линии достаточно иметь только два провода и приборы, которые обеспечивают управление по двум проводам.

Мы сделаем модель прибора, на которой продемонстрируем один из способов телеуправления несколькими объектами по двум проводам.

Для простоты возьмем не десять объектов, а только два, и этого будет достаточно, чтобы хорошо понять сущность телемеханики.

Представьте себе два одинаковых прибора, в которых по контактам непрерывно с одинаковой скоростью бегают пружинящие пластинки-щетки, вращающиеся от специальных электродвигателей. Если соединить проводом, идущим от батареи, обе щетки, к другому проводу через маленькие рубильники присоединить на первом приборе все контакты, расположенные по кругу, а на втором приборе — электромагнитные реле, то при равномерном вращении щеток мы по своему усмотрению можем включать любые реле.

Эти специальные приборы в дальнейшем будем называть переключателями или шаговыми распределителями.

В реальных условиях переключатели приводятся в движение не электрическими двигателями. У двигателей есть недостаток. Стоит только одному двигателю отстать от другого, как нарушится совпадение положения щеток. Одна щетка будет отставать от другой, и тогда команду будет воспринимать не то реле, которому она предназначена, а соседнее. Для устранения этого недостатка применяются другие способы передвижения щеток. Об одном из таких способов будет рассказано дальше.

Электромагнитное реле

Вы уже делали электромагнитные реле. Их можно использовать как исполнительные реле. А сейчас изготовьте более надежные реле для пульс-пары и для восприятия сигналов — будем их называть сигнальными реле. Всего надо изготовить еще шесть реле.

Возьмите пустую катушку из-под ниток и намотайте на нее как можно больше медной изолированной проволоки диаметром около 0,3 миллиметра. Наматывать следует аккуратно, ряд за рядом, но не обязательно так строго, как были намотаны нитки. Когда вы закончите намотку, закрепите нитками конец проволоки, чтобы она не разматывалась.

Возьмите железный гвоздь толщиной 4–5 миллиметров и сделайте из него букву «П». На одну из палочек этой буквы свободно должна надеваться катушка. Ножовкой или напильником отрежьте лишнюю часть гвоздя, выходящую над катушкой, оставив кончик не более 5 миллиметров. Другую часть гвоздя, находящуюся вне катушки, сделайте на 4 миллиметра длиннее. Это вы изготовили сердечник будущего реле.

Перевернув П-образный сердечник, укрепите его вертикально на деревянной дощечке с помощью скобки, сделанной из тонкого гвоздя, и закрепите оловом место их соединения, чтобы сердечник держался устойчиво. К длинной части сердечника надо припаять согнутую Г-образную узкую полоску жести (от консервной банки) шириной 5–6 миллиметров. Это якорь реле. Теперь наденьте на более короткую часть сердечника катушку, отогнув предварительно якорь. Затем верните его на место. Нужно, чтобы он на несколько миллиметров не доходил до короткой части сердечника. Реле почти готово. Осталось сделать контакты.

Один кусочек провода диаметром 0,3 миллиметра надо припаять к сердечнику, а другой — к тонкой медной пластинке, которую нужно укрепить на торцовой части катушки и подвести под конец якоря реле.

Все концы проводов (их четыре) надо вывести к зажимам, укрепленным на дощечке. Можно ограничиться даже вбитыми маленькими гвоздиками, а дальнейшие соединения осуществлять скручиванием зачищенных концов и пайкой.

Теперь осталось отрегулировать реле. Батарейка от карманного фонаря будет источником тока. Присоедините один конец провода катушки к полюсу батарейки и касайтесь другого полюса вторым концом. Надо добиться, чтобы жестяной якорек реле, притягиваемый сердечником, касался при этом медного контакта.

При отключении батарейки якорь благодаря своей упругости должен отходить вверх.

Лампочка, присоединенная к другой батарейке через провода, идущие от контактов, при включениях и выключениях реле должна загораться или гаснуть.

Три новых реле должны иметь нормально разомкнутые контакты, а три — нормально замкнутые. Нормально замкнутые контакты сделайте, расположив неподвижный контакт не под якорем, а над ним.

Пульс-пару сделайте из одного реле с нормально замкнутыми и одного реле с нормально разомкнутыми контактами.

Одно из реле пульс-пары должно срабатывать с некоторым замедлением. Для этого нужно к сгибу якоря припаять еще одну узенькую жестяную полоску (ее подберите опытным путем). Тогда вследствие увеличения упругости места сгиба якоря реле будет срабатывать немного медленнее.

Чтобы пульс-пара во время своей работы включала и выключала еще одну электрическую цепь, к реле с нормально замкнутыми контактами приделайте под якорь еще один контакт. При размыкании одного контакта другой при этом будет замыкаться и включать нужную электрическую цепь.

Шаговый распределитель

Для дальнейшей вашей работы необходимо изготовить два шаговых распределителя. С их помощью вы сможете, пользуясь минимальным количеством проводов, управлять несколькими приборами или механизмами.

Сделайте простейшие шаговые распределители. Они не будут настолько совершенны, чтобы само-контролироваться, но с их помощью вы сможете проследить, как работают более сложные устройства.

Шаговый распределитель состоит из электромагнита, якоря с собачкой, храпового колеса, щетки и диска с контактами.

В книге С. Д. Клементьева «Телеавтоматика» (Учпедгиз, 1955 г.) достаточно подробно описано, как сделать электромагнит и храповик.

Мы позволим себе привести здесь выдержку из этой книги.

«Берут стальной болтик длиной около 35 миллиметров. На длине 30 миллиметров от головки болтик обвертывают жестью так, чтобы его диаметр получился не менее 8 миллиметров. Это будет сердечник электромагнита. На него наматывают два-три слоя бумаги. Под головку приклеивают круглую щеку диаметром в 20 миллиметров, а внизу — квадратную щеку со стороной 20 миллиметров. На получившийся каркас аккуратно наматывают около 800 витков изолированного провода диаметром 0,25—0,30 миллиметра.

Сердечник вставляют в отверстие ярма электромагнита. Ярмо можно согнуть из десяти сжатых в тисках и пропаянных по ребрам полосок отожженной жести.

Якорь также можно спаять из нескольких слоев жести. С одной стороны припаивают к нему стальную проволочную спираль-подшипник, а с другой — П-образную проволоку — ось собачки. Собачку сгибают из жести. К этому же концу якоря сверху припаивают свернутую из струны пружинку, которая будет прижимать собачку к храповому колесу. С ярмом якорь соединяется посредством П-образной проволоки, а чтобы он не двигался из стороны в сторону, по обе стороны его надевают по нескольку проволочных колец. К ярму и якорю припаивают концы спиральной пружинки. Эта пружинка после выключения тока из обмотки электромагнита возвращает якорь обратно, до упорного регулировочного винта.

Корпус нужно сделать из полоски латуни шириной 30 миллиметров. На нижней стенке корпуса просверливают отверстия для крепления электромагнита, а на верхней стенке — для регулировочного винта. Под отверстие для регулировочного винта припаивают гайку. Вторая гайка на регулировочном винте нужна для его закрепления.

Храповик делают так. Проводят циркулем на кусочке плотной бумаги окружность радиусом около 50 миллиметров и делят ее на 24 части, затем проводят радиусы и окружности будущего храповика: наружную— диаметром 19 миллиметров и внутреннюю — диаметром 17 миллиметров. Затем карандашом прочерчивают косые зубцы. Чертеж храповика аккуратно обрезают ножницами и наклеивают на ровный кусочек жести. Осторожно пропиливают зубцы маленьким напильником. В центре храповика нужно просверлить отверстие для оси.

Стойки подшипника оси храповика выгибают из жести и припаивают к ним медные проволочные спирали. В них будет вращаться ось храпового колеса.

После этого собирают в корпусе электромагнит с ярмом и якорем, припаивают одну из стоек с подшипником, надевают на ось храповое колесо и замечают его место: храповик должен оказаться как раз под серединой собачки якоря. Когда отмечено место, храповик припаивают к оси. Если храповик не „бьет“, можно припаять стойку со вторым подшипником».

Затем к оси храповика нужно припаять латунную пластинку, изогнутую таким образом, чтобы она пружинила, касаясь укрепленного перед ней вертикально диска, вырезанного из фанеры, с расположенными по окружности шестью латунными контактами.

Когда от пульс-пары, описанной выше, будет поступать электрический импульс в электромагнит, якорь будет притягиваться, собачка — нажимать на зуб храпового колеса и латунная щетка передвигаться по диску распределителя.

Если вы на храповике сделали 24 зуба, тогда щетка будет замыкать очередной контакт после четырех передвижений по фанерному диску.

В качестве датчика импульсов для передвижения щеток шагового распределителя можно использовать и ручную кнопку.

Включатели

На деревянной дощечке укрепите винтами на некотором расстоянии друг от друга две полоски жести с приделанными к концам деревянными ручками. Эти полоски должны легко поворачиваться вокруг винтов, которыми они прикреплены к дощечке. Около тех концов, где у полосок жести приделаны ручки, прикрепите винтами согнутые из жести неподвижные контакты включателей. Эти рубильники в схемах будут называться Руб 1, Руб 2 и т. д. Нужно так подогнать детали включателей, чтобы они легко замыкались и размыкались, обеспечивая надежный контакт.

Сигнальные лампочки

На этой же деревянной дощечке рядом с каждым включателем укрепите по одной электрической лампочке от карманного фонаря и подведите к ним кусочки изолированной проволоки со свободными концами для дальнейших соединений. Способ крепления лампочек показан на рисунке.

Модель телеуправления

Установите на некотором расстоянии друг от друга два маленьких электрических двигателя, работающих от карманной батарейки. На их оси наденьте велосипедные ниппельные резиновые трубочки. К ним должны прижиматься склеенные из фанеры диски диаметром около 25 сантиметров. В центре каждого диска укрепите контакт, который надо соединить с осью. К диску должна прижиматься контактная пластинка, укрепленная на подставке. При вращении фанерный диск должен периодически замыкать свои контакты. Эти контакты у обоих электрических двигателей будем называть в дальнейшем К1 и К2.

А теперь мы осуществим сначала так называемую многопроводную схему. Соедините проводами рубильник Руб 1, реле Р1, лампочку Л1 и контакт К1, а также Руб 2, Р2, Л2 и К2 с батареей. Контакты реле Р1 и Р2 нужно включить в цепь питания первого и второго двигателя.

Включите рубильник Руб 1, сработает реле Р1 и включит первый двигатель. Его маленький вал начнет вращаться, и контакт К1 будет периодически замыкать цепь лампочки Л1, и она будет мигать, сообщая, что двигатель работает. При включении Руб 2 второй двигатель начнет работать, сообщив об этом сигнальной лампочкой Л2.

Установку нужно смонтировать так, чтобы рубильники с лампочками были в одном месте, а двигатели и реле — на некотором расстоянии или даже в другой комнате.

Недостаток этой схемы — обилие проводов. А при большом количестве управляемых объектов может оказаться, что для управления сложными промышленными установками понадобятся сотни тысяч метров дорогостоящих проводов.

Это экономически невыгодно.

И вот возникает необходимость передавать на большие расстояния команду и получать ответ о ее выполнении или производить какие-либо измерения по малому числу проводов. Для этого применяется специальное устройство.

На рисунке изображена так называемая малопроводная схема (реле и их контакты на ней обозначены одинаково).

Выше мы уже познакомились с шаговыми распределителями. Надо иметь два таких распределителя: один на командном, другой на приемном пунктах. Приводятся они в движение с помощью описанной ранее пульс-пары или, если вы ее еще не сделали, с помощью кнопки. Нажимая на кнопку Кн, мы посылаем электрический импульс в электромагниты Э1 и Э2, которые передвигают щетки шаговых распределителей Ш1 и Ш2. Кнопка нажимается при передаче команды или когда вы хотите проверить, работают ли ваши механизмы. Кнопка снабжена пружинкой и при отнятии пальца должна размыкаться.

При передвижении рубильников Руб 1 и Руб 2 вправо срабатывают соответствующие реле на управляемых объектах. Их контакты замыкают цепи исполнительных реле Ир1 и Ир2, которые включают маленькие электродвигатели и замыкают цепи для питания исполнительных реле от отдельных батареек. Это нужно для того, чтобы реле не отпустили свои якоря раньше времени. Для остановки электродвигателей нужно обесточить исполнительные реле. Чтобы это произошло, поверните рубильники влево и переведите щетки шаговых распределителей на соответствующие контакты (нижние контакты шаговых распределителей). Сработают реле 1в и затем 2в. Они разомкнут свои нормально замкнутые контакты 1в и 2в.

Обращаем внимание на то, что надежность работы этих схем зависит от тщательности соединений.

На примере очень простых моделей мы познакомили вас с принципом передачи команд и проверкой их выполнения на расстоянии. В жизни это выглядит значительно сложнее, и работают установки с точными приборами контроля гораздо надежнее. Они обеспечивают возможность точной и быстрой проверки производственных процессов.

Вы можете сделать действующие модели и других устройств, проявив при этом свою смекалку.

* * *

На простых моделях и опытах с ними вы познакомились с некоторыми машинами и приборами, с принципами их работы. Конечно, это очень немногое из того, что вам еще предстоит узнать.

Но, если вы проделали все, что здесь описано, вы сможете кое-что придумать и сами, кое-что усовершенствовать, и это будут ваши первые шаги в изобретательстве.

Советуем все приборы, модели, которые вы сделаете, отнести в школу и хранить как пособия при изучении соответствующих разделов физики и для иллюстрирования докладов на занятиях технического кружка или на пионерских сборах.

А в заключение, как это часто бывает, когда после серьезного доклада или лекции показывают веселую кинокартину, давайте немного развлечемся. Вашему вниманию предлагается увлекательный театр объемных теней. Создать его нетрудно, а удовольствие он доставит и вам и всем, кому вы его покажете.

ТЕАТР ОБЪЕМНЫХ ТЕНЕЙ

В 20-х годах во многих наших городах показывали аттракцион «Чудеса теней». Афиши на улицах обещали что-то совершенно необыкновенное. И это подтвердилось. Необычное началось еще у кассы: к каждому билету выдавали очки — картонные рамки с разноцветными целлулоидными пленками вместо стекол. Красная пленка для левого глаза, зеленая — для правого.

Зрители с нетерпением дожидались окончания кинокартины, после которой должно было показываться загадочное представление. Погас свет, и голос из темноты предложил всем надеть очки.

Ярко из-за кулис осветился экран. На сияющем полотне появилась тень— силуэт человека. Сначала она показалась обыкновенной. Тень как тень. Но, присмотревшись, зрители увидели, что она не совсем обыкновенная, а какая-то выпуклая, объемная и что находится она не на полотне экрана, а немного впереди него.

Силуэт оказался отличным жонглером. Но не его искусство поразило зрителей. Поразило их то, что черный силуэт, жонглируя, все дальше и дальше отходил от экрана. Вот он, огромный, черный, стоит среди зрителей, а в воздухе под потолком стремительно носятся черные тарелки, бутылки, шары… Каждому из зрителей кажется, что он видит жонглера совсем близко впереди себя.

Поработав некоторое время, силуэт жонглера медленно возвратился из зала на экран. Вот он почти слился с ярко освещенным полотном, раскланялся и ушел под бурные аплодисменты публики.

На смену жонглеру появилась девушка, вернее, ее тень. Она, поиграв мячами, решила немного пошутить — стала бросать мячи в публику. Мячи летели с экрана прямо в зал, и каждому зрителю невольно хотелось подставить руки, чтобы их поймать. Однако, не долетев до зрителей, мячи вдруг исчезали в воздухе.

Много веселых сцен было разыграно «волшебными» тенями. В зале то и дело раздавались взрывы смеха, возгласы восторга и удивления.

В заключение на экране появился паук. Постепенно он отделился от экрана, повис в воздухе и стал приближаться к зрителям, все увеличиваясь и увеличиваясь в размерах. Вот уже гигантский черный паук висит над головами изумленных зрителей, медленно шевеля своими огромными ножищами.

Но стоило только вам снять очки, как все «волшебство» мигом исчезало. Экран по-прежнему ярко освещен, а на нем две тени паука — красная и зеленая, немного заходящие одна на другую. Вы спешите снова надеть очки, и сказочный паук опять висит в воздухе.

Этот аттракцион всегда пользовался заслуженным успехом.

В чем же секрет «чудесных теней»?

Все предметы, которые нас окружают, мы видим объемными и размещенными в пространстве. Одно из условий объемного видения заключается в том, что наши глаза расположены на некотором расстоянии друг от друга. Поэтому каждый наш глаз видит предмет не только спереди, но и немного сбоку. Левый глаз видит больше левую сторону предмета, а правый — правую. И, кроме того, изображения в каждом глазу немного сдвинуты по отношению к фону — предметам, находящимся позади. А в зрительных центрах нашего мозга оба изображения, по-разному перекрывающие фон, сливаются в одно целое, объемное представление о предмете.

Если сфотографировать какой-нибудь предмет аппаратом с двумя объективами, расположенными на таком же расстоянии друг от друга, как и наши глаза, то при рассматривании снимков в специальном приборе — стереоскопе каждый глаз будет видеть только то изображение, которое сфотографировано соответствующим объективом. Эти два разные изображения тоже сливаются в одно целое, и мы видим предмет рельефным.

Существует и другой способ получения объемного впечатления при рассматривании плоского изображения. Делаются два стереоскопических снимка: один для левого, другой для правого глаза. Затем снимки печатают с некоторым сдвигом на бумагу, причем оба отпечатка должны быть окрашены в разные цвета, например красный и зелено-голубой. Если рассматривать полученное изображение через цветные очки таких же цветов, как и отпечатки, каждый глаз увидит только то изображение, которое ему предназначено, и стереоскопический эффект получается без всякого прибора. Такой способ стереоскопической печати называется анаглифическим.

Как же создается стереоскопический эффект в «Чудесах теней»?

Рассмотрим это на примере.

На рисунке показан один из эпизодов этого аттракциона — висящий в воздухе паук. Зрителям, смотрящим через очки-светофильтры, кажется, что паук ползет прямо на них. На схеме показано, почему это происходит.

За экраном стоят два фонаря со светофильтрами: один — с красным, другой — с зеленым (желательно зелено-голубым). Пучки красного и зеленого света, складываясь, освещают экран желтоватым, почти белым светом. Если на пути этих световых пучков поставить какой-либо предмет, например мяч, то на экране появятся две тени: одна красная, другая зеленая. Там же, где цветные тени накладываются, куда не попадает свет ни от одного фонаря, будет темное место.

Посмотрим теперь на экран через цветные очки-светофильтры. Левый глаз смотрит через красную пленку и видит только правую, зеленую тень. Но вследствие того, что красная пленка поглощает зеленые лучи, зеленая тень кажется черной. Правый глаз смотрит через зеленую пленку и видит левую, красную тень, которая по этой же причине получается черной. На пересечении конусов, идущих от цветных теней через очки в глаза, наше сознание сливает оба изображения в одно — в черную «мнимую тень». Кажется, что она не на экране, а впереди него.

И если теперь мяч придвинуть к фонарям, то цветные тени на экране станут крупнее, расстояние между ними увеличится, а место пересечения конусов приблизится к нашим глазам; кажется, что мнимая тень придвинулась к нам. Когда же, наоборот, предмет удаляется от фонарей к экрану, создается впечатление, что мнимая тень от нас отодвинулась.

Для осуществления аттракциона в больших масштабах применяли мощные фонари со светофильтрами. Можно осуществить «Чудеса теней» и в маленьком масштабе в школе и дома, использовав для фонарей электрические лампочки мощностью по 80 ватт.

Сделайте сначала два фонаря. Для этого возьмите большие жестяные банки из-под консервов или краски. На рисунке даны ориентировочные размеры в миллиметрах. Банки должны быть чистыми— их дно будет служить отражателем. Сбоку надо прорезать отверстие для электрического патрона и сделать еще два отверстия для укрепления банки на кронштейне из толстой проволоки, чтобы ее можно было наклонять.

Для изготовления светофильтров вырежьте из тонкого картона несколько квадратов и сделайте в них круглые отверстия немного меньше диаметра фонарей. К одному такому квадрату прикрепите нитками кружок красного целлофана, а затем с обеих сторон к этому квадрату приклейте столярным клеем по два квадрата и положите под пресс.

Так же изготовьте зеленый светофильтр. Целлофан должен быть жароупорным, негорючим. Такой целлофан применяют для осветительных приборов в театрах. Вместо целлофана можно применить и цветные стекла, только они не должны быть очень «густыми», темными.

Для того чтобы можно было надеть светофильтры на фонари, нужно сделать ободки из картона шириной в несколько сантиметров. Укрепите ободки на светофильтрах с помощью маленьких картонных уголков и столярного клея, а сверху приклейте еще один квадрат из тонкого картона. Помните, что фонари будут сильно нагреваться, поэтому более мощные лампочки применять не следует. В случае необходимости применить более мощные лампочки на фонарях надо пробить сбоку добавочные отверстия для лучшего охлаждения. Очки изготовьте из двух полосок картона, вклеив между ними кусочки того же целлофана.

Экраном будет служить большой лист бумаги, укрепленный вертикально на столе, или натянутая на раму простыня. Простыню, хорошо натянув, можно повесить и в дверном проеме. Фонари установите в зависимости от размеров экрана на расстоянии 1–3 метров от него. Расстояние между центрами фонарей должно быть 25–30 сантиметров.

Можно придумать интересные представления, показать кукольный теневой театр, инсценировать басни, организовать в школе теневую газету. У театра объемных теней много возможностей, и от вас зависит, как их использовать.

Content

Флорентий Рабиза
ТЕХНИКА ТВОИМИ РУКАМИ

ПРЕДИСЛОВИЕ

ПЕРВЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОМОЩНИКИ

Рычаги

Ворот

Блоки

Наклонная плоскость

Роликовые и шариковые катки

ВЕТЕР, ВОДА, СОЛНЦЕ — НЕУТОМИМЫЕ РАБОТНИКИ

Ветряной двигатель

Водяной двигатель

Солнечная энергия

ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ

БОГАТЫРЬ В НАПЕРСТКЕ

РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ

ПОБЕДИТЕЛЬ ТРАНСМИССИЙ

НЕОБЫЧНАЯ КОЛЛЕКЦИЯ

Обыкновенный вал

Вал с муфтой

Карданный вал

Зубчатая передача

Ременная передача

РУДА ПРИНИМАЕТ ВАННУ

ЛИТЕЙНЫЙ ЦЕХ НА СТОЛЕ

ТАЙНА ПРОЧНОСТИ

Растяжение

Сжатие

Срезывание

Поперечный изгиб

Продольный изгиб

Кручение

МЕТАЛЛ «УСТАЕТ»

НЕПРОЧНОЕ СТАНОВИТСЯ ПРОЧНЫМ

МОГУЧАЯ СИЛА СЛАБЫХ КОЛЕБАНИЙ

ВРЕД И ПОЛЬЗА ТРЕНИЯ

ВАЖНЕЙШИЙ ЗАКОН МЕХАНИКИ

ЕЩЕ ОДНА ВРЕДНАЯ И ПОЛЕЗНАЯ СИЛА

ВОЛЧОК В ТЕХНИКЕ

ПОЧЕМУ КРЫШИ ИНОГДА ЛЕТАЮТ

ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ, ИССЛЕДОВАНИЙ, ПРОВЕРКИ

Измерение размеров

Измерение веса

Измерение температуры

Измерение давления

Измерение уровня

Измерение количества

Измерение электротока

Изучение напряжений

Изучение обтекания

Изучение вихрей

Наблюдение быстрых движений

АЗБУКА АВТОМАТИКИ

Пневматическое реле

Тепловое реле

Жидкостное реле

Электромагнитное реле

Транспортировочные приспособления

Концевые выключатели

Регулятор

Клапаны

Счетчики

Язык автоматов

АВТОМАТЫ — СВОИМИ РУКАМИ

«Чаша Тантала»

Пульс-пара

РАССТОЯНИЕ, ПРЕВРАЩЕННОЕ В НУЛЬ

Электромагнитное реле

Шаговый распределитель

Включатели

Сигнальные лампочки

Модель телеуправления

ТЕАТР ОБЪЕМНЫХ ТЕНЕЙ