Текст
Фон: US Navy/SPL Вверху: NASA/SFL В центре: Peter MenzeVSPL Внизу: GeoH То™<
В полет!
Tony Stone Images
Изобретение самолета - одно из крупнейших достижений
XX века. Источником вдохновения человеку послужили наблюде ния за авиаторами, созданными самой природой, - птицами.
С давних времен человек страстно мечтал научиться взмывать в небо с легкостью и грациозностью птицы. В Древней Греции существовала легенда об Икаре, смастерившем крылья из воска и перьев и взлетевшем в небо.
Великий итальянский художник и изобретатель эпохи Возрождения Леонардо да Винчи тоже был неутомимым поборником идеи механического полета. Он оставил множество рисунков со своими чертежами летательных аппаратов. Но прежде чем тайна полета постепенно начала раскрываться, прошло еще четыреста лет.
Важное открытие
В 1738 году швейцарский математик и врач Даниэль Бернулли открыл, что чем быстрее движение жидкости или газа, тем ниже давление. Например, при встрече с движущимся крылом птицы воздух разделяется на два потока, идущих над
крылом и под ним. Поскольку верхняя поверхность крыла изогнута и, следовательно, длиннее более плоской нижней, воздуху требуется пройти большее расстояние. Поэтому он движется с большей скоростью и быстрее теряет давление над крылом, тем самььм увеличивая давление под крылом и приподнимая его вверх. Это называется подъемной силой.
В XIX веке многие пионеры воздухоплавания использовали этот принцип при создании примитивных планеров. В 1853 году Джордж Кейли, которого часто
О Модель самолета в аэродинамической трубе демонстрирует возникновение турбулентности. Аэродинамические трубы используются для проверки прохождения воздушного потока по моделям новых самолетов. В трубу вводится дым, чтобы сделать воздушный поток видимым.
Q «Красные стрелы», показательная команда британских ВВС, могут поспорить с любой птицей в выполнении акробатических трюков.
называют «отцом аэроплана», построил и испытал первый в мире планер. Затем, в 1890-х гг., американцы братья Райт сконструировали крыло, позволившее сделать полет управляемым.
Если отделить крыло от корпуса (фюзеляжа) самолета и посмотреть на него в сечении, станет видно, что по форме оно напоминает лежащую на боку каплю со сплющенным основанием. Широкая и
изогнутая передняя часть (передняя кромка), более плоская и тонкая задняя часть (задняя кромка) - такая форма называется аэродинамическим профилем. Он демонстрирует закон Бернулли путем создания двух воздушных потоков: над и под крылом.
Образование вихря
Подъемная сила, образующаяся в результате этого действия, увеличивается за счет естественного движения воздуха. Проходя по крылу’ и скатываясь с его задней кромки, воздушный поток образует воронку; как вода, стекающая в сливное отверстие. Такая турбулентность называется начальный вихрь. Он, в свою очередь, образует встречный вихрь. По силе он равен начальному, но вращается в обратном направлении, проходит под крылом и встречается с основным воздушным потоком, движущимся в противоположном направлении. В результате движение основного воздушного потока замедляется.
Встречный вихрь образуется на передней кромке крыла прежде, чем слиться с основным потоком воздуха. В результате нижний поток воздуха замедляется, а верхний ускоряется. Давление на крыло уменьшается, а под крылом повышается, вследствие чего возрастает подъемная сила.
Взлет!
Теперь необходимо было каким-то образом задать самолету' ту скорость, ко-
ПОВЕРХНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ
Движением самолета
в воздухе управляют навесные панели, находящиеся на задних кромках крыльев, стабилизаторах и киле.
Эти три поверхности управления поворачивают самолет в трех осях -в оси крена, тангажа и рыскания. Ими управляет находящийся в кабине пилот при помощи штурвала и педалей, соединенных с рулем направления.
КРЕН ТАНГАЖ
Поворотом штурвала приводятся в действие элероны -закрылки. Один из них опускается, чтобы создать подъемную силу, а другой поднимается, чтобы ее
Нажатием на штурвал приводятся в действие рули высоты на стабилизаторе и изменяется тангаж, т. е. опускается или поднимается нос самолета.
уменьшить.
торая создаст требуемую подъемную силу:
Американцы Уилбур и Орвилл Райт решили эту’ проблему; построив небольшой двигатель с предельно малым весом. Двигатель приводил в действие несколько пропеллеров в форме аэродинамических профилей, установленных в вертикальном положении в передней части самолета. Движение воздуха, создаваемое этим вращением, называется тягой. Тяга образует направленную вперед подъемную силу; отгалкивая воздух: назад и заставляя самолет двигаться вперед. Братья Райт
Руль направления
РЫСКАНИЕ
При помощи руля самолет можно повернуть вправо или влево. Совершая поворот, самолет, как правило, перемещается как по оси крена, так и по оси горизонтальной плоскости.
О Некоторое время после взлета еще видны шасси, на которых самолет разбегается по взлетной полосе. Они убираются внутрь и не выпускаются до окончания полета.
осуществили первый в мире полег на летательном аппарате тяжелее воздуха 17 декабря 1903 года в городе Китти-Хок, штат Северная Каролина. Их «Флайер» находился в воздухе всего 12 секунд и пролетел лишь 36 метров, но тем нс менее удалось успешно продемонстрировать верность принципа, положенного в основу
всего последующего самолетостроения.
Современные двигатели
В 1940-х гг. авиастроители создали турбореактивный двигатель, создающий силу тяги путем компрессии воздуха в серединной камере, где он смешивается с особым видом керосина и поджигается. В результате возгорания образуются выхлопные газы, которые выбрасываются из задней части двигателя и толкают самолет вперед.
Реактивные самолеты достигают более высокой скорости, чем с пропеллерным двигателем, но потребляют слишком много топлива, особенно на более низких скоростях. Поэтому’ был создан компромиссный турбовинтовой двигатель, где реактивная тяга используется для приведения в действие пропеллеров. Более широкое распространение в наши дни получил турбовентиляторный двигатель. В его передней части расположен многолопастный пропеллер, нагнетающий воздух в камеру7 сгорания. Кроме этого, он направляет поток воздуха во-крут основной оболочки двигателя и создает силу7 тяги, толкающую самолет вперед. В задней части двигателя расположены реверсивные устройства, которые при включении направляют поток воздуха вперед, резко гася скорость самолета.
Существует шесть основных движений, выполняемых самолетом в ходе полета: взлет, набор высоты, полет на заданной высоте, поворот, снижение и посадка. Эти движения регулируются конструкцией
КОРОТКИЙ ВЗЛЕТ И ПОСАДКА
При традиционном взлете самолету требуется длинная взлетная полоса, чтобы набрать достаточную скорость еще на земле и создать необходимую подъемную силу. Однако иногда для этого просто нет места.
Метод, разработанный для взлета на небольших пространствах - например, на островах или в городских аэропортах - называется короткий взлет и посадка (КВП). Его принцип -создание дополнительной подъемной силы на низких скоростях.
У «Боинга С-14» закрылки загибаются вниз за задней кромкой крыла. Выхлопы реактивных двигателей, обдувающих крыло, следуют за изгибом закрылков. Дополнительный поток воздуха, направленный вниз, создает большую подъемную силу. Это получило название эффект Коанда.
Альтернативным методом КВП является ротор с изменяемым направлением атаки, такой как, например, на самолете американской компании «Белл» V-22 «Оспрей». На конце крыльев у него расположены винтовые двигатели. Они приводятся в вертикальное положение, чтобы выбрасываемые из них выхлопные газы создавали вертикальную тягу в момент взлета, а потом возвращаются в исходное положение и обеспечивают поступательное движение самолета.
крыльев и стабилизатора, которые также являются аэродинамическими профилями и, соответственно, создают подъемную силу.
При взлете закрылки на задних кромках крыльев поднимаются, чтобы увеличить площадь поверхности и создать большую подъемную силу. На стабилизаторе также поднимаются подобные по своей функции устройства - рули высоты. При этом нос самолета
поднимается вверх, хвостовая часть опускается, и самолет устремляется ввысь. Важно, чтобы самолет перед выполнением этого маневра успел набрать нужную скорость. Закрылки и рули высоты должны подняться точно в тот момент, когда направленная вверх сила подъема равна направленной вниз силе веса самолета, иначе двигатели заглохнут, исчезнет тяга и подъем станет невозможным.
Существуег также проблема аэродинамического сопротивления. Поступательное движение самолета создает сопротивление воздуха, движущегося в противоположном направлении. Такую тормо-
О У «Харриера» четыре вращаемых сопла, которые выдувают воздух из двигателя вниз и тем самым создают вертикальную тягу. После отрыва от земли они возвращаются в исходное положение и обеспечивают горизонтальную тягу.
зящую силу (сопротивление) создает любое движущееся тело, но только самолеты сталкиваются с т. н. искусственно созданным сопротивлением. Часть энергии, образующейся при прохождении воздушного потока по крылу, отводится назад; она пытается «оттащить» самолет в противоположную сторону. Это происходит частично из-за угла наклона крыла и частично вследствие турбулентности.
Дополнительное аэродинамическое сопротивление создается вихрями на конце крыла, когда область высокого давления из-под крыла на задней кромке ча-
© Когда самолет летит на заданной скорости, воздействующие на него силы полностью уравновешивают друг друга. Подъемная сила под крыльями уравновешивает вес самолета, а прямая тяга - аэродинамическое сопротивление.
О В полете легкий самолет использует рули высоты для маневрирования. Они поднимаются при взлете и наборе высоты и опускаются при снижении. При посадке рули поднимаются вновь для создания большей подъемной силы.
стично сливается с областью низкого давления над крылом.
Аэродинамическое сопротивление при наборе высоты после взлета преодолевается за счет опускания закрылков. Самолет выравнивается, продолжая набирать скорость, пока тяга не превысит аэродинамическое сопротивление; тогда закрылки снова поднимаются и самолет набирает требуемую высоту; Самолет готов к полету на заданной высоте, когда силы подъема и притяжения равны, а тяга равна сопротивлению.
Поворот
Поворот самолета совершается при помощи еще одного вида навесных
закрылков (элеронов), а также руля в задней части киля.
Элероны расположены на задней кромке крыльев. Если пилот хочет повернуть самолет влево, он опускает элероны на противоположном крыле, т. е. на правом, что приводит к увеличению на этом крыле подъемной силы. Одновременно поднимается элерон на левом крыле, уменьшая подъемную силу с этой стороны. Когда после этого самолет входит в левый вираж, руль на киле
поворачивается влево одновременно с элеронами и завершает маневр. Пилот поворачивает все эти устройства в противоположную сторону, чтобы выровнять крылья, и возвращает их в исходное положение, когда самолет лег на нужный курс.
При снижении пилот должен вести самолет прямо навстречу ветру, так как встречный поток воздуха облегчает управление. Боковой ветер будет сносить самолет в сторону.
О Благодаря своей конструкции бомбардировщик В-2 «Стеле» почти невозможно обнаружить. Форма и специальное покрытие делают его невидимым для радара.
Мягкая посадка
Чтобы посадить самолет, пилот сбавляет скорость и опускает закрылки, наклоняя нос самолета вперед. Подъемная сила уменьшается, сопротивление увеличивается, и самолет начинает снижение. При подлете к взлетно-посадочной полосе (ВПП) рули высоты на стабилизаторе поднимаются одновременно с предкрылками - еще одним элементом механизации крыла, расположенным на его передней кромке. Это увеличивает поверхность крыла и создает дополнительную подъемную силу. Нос самолета поднимается вверх, а хвостовая часть опускается. Тем самым компенсируется потеря подъемной силы вследствие снижения скорости.
Самолет замедляет ход, и со стороны кажется, что на секунду он как бы зависает над ВПП. Чтобы не заглох двигатель, приводится в действие еще один тип навесных щитков на передней кромке. Эти «воздушные тормоза» - интерцепторы - создают турбулентность, которая повышает аэродинамическое сопротивление и сводит на нет подъемную силу.
Остановка самолета
Самолет выпускает шасси, что еще больше повышает сопротивление. Первыми касаются земли основные шасси, затем опускаются рули высоты на стабилизаторе, нос наклоняется вниз, и передние шасси касаются ВПП. Теперь самолет полностью находится на земле. Двигатели переключаются на реверсивную тягу, и закрылки опускаются, чтобы создать максимальное сопротивление. Включаются тормоза. Самолет плавно останавливается.
© V некоторых реактивных самолетов «раскладные» крылья. Когда требуется создать максимальную подъемную силу, крылья раскрываются полностью. На высоких скоростях это создало бы большое сопротивление, поэтому они прижимаются к фюзеляжу (см. вставку).
Планеры
В1903 г. братья Райт построит первый моторный самолет.
Их вдохновителем был немецкий инженер Отто Лилиенталь, сконструировавший в конце XIX века планер.
Первые планеры построил англичанин Джордж Кейли в середине XIX в. Кейли ставил своей целью создание самолета с двигателем, способного совершать длительные полеты. Но тогда эта задача была невыполнимой из-за слишком большого веса двигателей. Другие изобретатели экспериментировали с созданием тяги, используя пар, сжатый воздух, привод от часового механизма и резиновую катапульту.
Немецкий инженер Отто Лилиенталь пошел другим путем. Он решил в первую очередь улучшить технику планирования, увеличив подъемную
оо Простейший тип микролайта (слева) похож на дельтаплан и снабжен небольшим двигателем, вращающим пропеллер. Такие ЛА нормально летают с крейсерской скоростью около 50 км/час. Микролайт другого класса - «Стрик шэдоу» -развивает крейсерскую скорость 160 км/час при дальности полета около 650 км.
Самодельный микролайт - «Стрик шэдоу»
силу за счет обтекаемой формы крыльев и восходящих воздушных потоков. В 1881 г. Лилиенталь, ухватившись за два обшитых тканью изогнутых крыла, сбежал по склону холма и отдался на волю ветра. Он успешно завершил короткий испытательный
полет и позднее смог летать на рас-
стояния до нескольких сотен метров.
С появлением в начале XX века моторных самолетов мало кто занимался планерами вплоть до 1920-х гг., когда в Германии и СССР начали проводиться соревнования но планерному спорту. С тех пор планеризм стал популярным видом спорта.
Дельтапланы
Современный дельтаплан имеет треугольное крыло, или парус, из легкого алюминиевого каркаса, обтянутого нейлоновой тканью. Пилот-планерист висит на стропах и управляет полетом с помощью ручки управления. При ее
подаче вперед вес тела пилота переносится назад, а носовая часть дельтаплана поднимается. При этом возрастает аэродинамическое сопротивление и, следовательно, снижается скорость. Если потянуть ручку на себя, дельтаплан выравнивается, сопротивление воздуха уменьшается, а скорость увеличивается" Чтобы изменить курс полета, достаточно просто наклонить дельтаплан в нужную сторону'.
Q Конструкция некоторых микролайтов позволяет им достигать мест расположения противника за линией фронта. Непилотируемые радиоуправляемые ЛА можно посылать на такие задания без риска для жизни человека.
Обычно, чтобы подняться в воздух, дельтапланеристы бегут вниз по скло-
ну навстречу ветру. Но поиск подходя-
щего склона и ожидание нужного направления ветра - занятие утомительное, поэтому некоторые спортсмены отдают предпочтение буксировке дельтаплана автомобилем.
Микролайты
Обычные дельтапланы не всем пришлись по вкусу - кое-кто предпочитает иметь планер с двигателем. В результате появились микролайты - разновидность планера с двигателем, подобным мотору газонокосилки, который устанавливается впереди или сзади и вращает пропеллер. Для микролайта характерны крыло, как у дельта
плана, открытая кабина пилота и колесное шасси. Есть здесь и основные
устройства для управления. Полеты в
основном проходят на высоте, не превышающей несколько сотен .метров, при скорости 50 км/час. Однако более совершенные микролайты могут? летать со скоростью 160 км/час.
На мускульной силе
Мечта о самостоятельном полете стала реальностью в 1977 г., когда легкий самолет <• Госс амер кондор», пропеллер которого вращался педалями, пролетел расстояние 1,6 км, что принесло его создателям - Полу Мак-Криди и Питеру Лиссемаиу - денежный приз в размере 50 000 фунтов стерлингов.
Вертолеты
и автожиры
Q По правому борту этого вертолета поток воздуха, огибающего лопасти, усиливается благодаря движению вперед, а по противоположному - ослабевает.
Лопасти изгибаются, препятствуя неравномерному распределению подъемной силы.
О «Сикорски S-76A» с ротором, наклоненным для движения вправо.
ВЕРТОЛЕТ
двигает летательный аппарат вперед, и возникающий при этом поток воздуха заставляет ротор вращаться, как ветряную мельницу. Как и у вертолета, это вращение создает необходимую подъемную силу.
При зависании вертолета подъемная сила равняется его массе. Чтобы вертолет набирал высоту, увеличение подъемной силы достигается путем увеличения угла передней кромки лопастей по отношению к горизонтали, называемого углом атаки. Для одновременного увеличения угла атаки всех лопастей пилот использует рычаг, называемый сборным переключателем шага. При снижении подъемная сила уменьшается путем уменьшения угла атаки.
Около 1500 года Леонардо да Винчи изобразил проект вертолета с винтом, приводимым в движение вручную.
Позднее другие изобретатели разработали летающие модели, оснащенные двигателями.
Для того чтобы удерживаться в воздухе, самолетам необходимо двигаться вперед. Движение крыла сквозь воздух создает силу, противоположную направленной вниз силе притяжения. Верто-
Направление движения
При горизонтальном полете вперед ротор немного наклоняется вперед, чтобы обеспечивать подъемную силу и двигать вертолет по воздуху. Для этого угол атаки каждой
Но первые вертолеты,
представлявшие практический интерес, появились только в 1930-е годы.
леты же могут зависать в воздухе, т. к. подъемная сила создается за счет вращения их «крыльев». Так же, как у самолетов, подъемная сила создается потоком воздуха, огиба-
ющего поверхности крыла.
Эти узкие крылья вертолета называются лопастями. Вращение комплекту лопастей, называемому ротором, сообщается двигателем. А вот у автожира пропеллер
О Движение автожира вперед создает поток воздуха, вращающий ротор. Направление задается при помощи руля.
из лопастей увеличивается, когда они оказываются сзади, и уменьшается - впереди.
Ротор может наклоняться и в других направлениях, заставляя вертолет дви-
гаться назад или в стороны. Пилот управ-
ляет наклоном ротора при помощи рычага циклического шага.
АВТОЖИР
Лопасть позади нагибается вниз
Лопасть ротора
Подъемная сила
Лопасти автожира изгибаются вверх и вниз, уравновешивая подъемную силу.
Поток воздуха
Вестленд/ Аэроспасьяль «Линкс» развивает максимальную скорость в 300 км/ч. Диаметр его основного ротора составляет 12,8 м, а общая длина -15,2 м.
Хвостовое оперение
Задняя платформа
«Оспрей У-22» оснащен двумя наклонными роторами, которые позволяют аппарату зависать, как вертолет, или лететь, как самолет, со скоростью свыше 600 км/ч.
ВЕСТЛЕНД АЭРОСПАСЬЯЛЬ «ЛИНКС»
1. Кресло первого пилота
2. Рычаг циклического шага
3. Педали управления хвостовым ротором
4. Рычаг сборного nef теля шага второго
5. Кресло второго пило!
6. Основная дверь
7. Устройства для захвата колес
8. Прессованная рама
9. Двигатели
«Роллс-Ройс В8.360»
10. Лопасть ротора
11. Выхлопная труба
12. Силовая установка хвостового ротора
Когда висящий вертолет начинает двигаться вперед, он может наклоняться на один бок. Это происходит потому, что за счет потока воздуха навстречу вертолету повышается скорость относительно воздуха лопасти, вращающейся вперед, в то время как скорость лопасти, вращающейся назад, уменьшается. Таким образом, подъемная сила обычно больше с одного борта вертолета и меньше - с другого. Дня преодоления этой проблемы лопасти крепятся на шарнирах, что делает их более гибкими и заставляет слегка изгибаться кверху при вращении вперед. Это приводит к уменьшению подъемной силы и противодействует ее увеличению вследствие повышения скорости лопастей относительно воздуха. В результате вертолет не подвергается нежелательному- наклону.
Стабилизация 1 В полете однороторный вертолет имеет | тенденцию к медленному обращению во- § круг своей вертикальной оси. Это объяс- % няется третьим законом Ньютона: на вся- 1
кое действие есть равное по силе противо-
действие. Иными словами, когда вертолет сообщает силу (действие) ротору, вращая его, ротор в свою очередь будет сообщать противоположно направленную силу (противодействие) вертолету. Поскольку7 вертолет относительно тяжелее, он будет обращаться медленно, однако вращающей
силе все равно необходимо противопоставить другую, компенсирующую силу.
Большинство вертолетов имеют один основной ротор и комплект небольших вертикально расположенных лопастей -противовращательный ротор. Он обеспечивает горизонтальную вращающую си-
О Механизм управления ротором. Вращающаяся плоскость двигается вверх или вниз, задавая угол одновременно всем лопастям при наборе высоты или снижении. Плоскость наклоняется, обеспечивая постоянную смену угла лопастей. Таким образом создается неравномерная подъемная сила, вал ротора наклоняется, и вертолет меняет направление движения.
15. Промежуточная коробка передач
16. Привод хвостового ротора
17. Ступица ротора
18. Демпфер шарнира аэродинамического сопротивления
шага
передач управления
Турбовинтовой
«Алисон»
лу, которая гасит крутящий момент вследствие вращения основного ротора, таким образом стабилизируя вертолет.
Изменение тяги противовращательно-го ротора обеспечивает изменение направления движения. Это достигается изменением угла атаки лопастей, что сни-
жает тягу7 и позволяет вертолету повернуться в направлении, противоположном вращению основного ротора. Увеличение утла и тяги поворачивает вертолет в направлении вращения основного ротора.
Отказ двигателя
В случае отказа двигателя, вертолет гиожно безопасно посадить при помощи процедуры, называемой авторотацией. Пилот опускает сборный переключатель шага, вследствие чего кромка лопастей слегка накреняется вниз. При снижении вертолета воздух, огибающий лопасти, продолжает вращать их в нужном направлении. Когда вертолет приближается к земле, пилот снова приподнимает кромку лопастей для обеспечения подъемной силы, достаточной для замедления снижения перед посадкой.
верхняя головка считывания/записи
Накопитель на гибких магнитных дисках изнутри
цифровые сигналы между компьютером и головками считывания/записи
Chris Lyor
Гибкие диски являются тонкими плас-перемещение тиковыми дисками с маг-
головок нитным покрытием.
Каждый диск находится в защитном пластиковом кожухе (не показан) с вырезом для доступа к поверхности. Данные записываются и считываются электромагнитами (головками считывания/записи).
бидж. Его настолько потрясло разнообразие, которое давали перфокарты, что в 183'2 г. он начал проектировать то, что назвал «аналитической машиной». Это должна была быть первая универсальная автоматическая вычислительная машина. Но механически она была настолько сложна, что создать ее в то время было невозможно. Однако позже она была изготовлена в Лондонском музее наук и успешно работала, как и задумал Бэббидж.
Первым, кто использовал перфокарты для вычислений, был американец Герман Холлерит. Он значительно ускорил работу по сортировке и подсчетам во время переписи населения 1890 г., используя комбинации отверстий, представлявшие определенные ответы на определенные вопросы. Карточки быстро проходили через машины, и комбинации «пробивок» проверялись системой игл во всех возможных вариантах, поскольку отверстие позволяло игле касаться металлического валика и замыкать
хранятся в секторах 40,80 и более дорожек, идущих в том же направлении, что и бороздки записи
электрическую цепь. Возникавшие электрические сигналы приводили в действие устройства, которые обрабатывали и записывали данные. Машины Холлерита стали широко применять в конторском деле и промышленности. В 1896 г. он создал компанию по производству счетных машин, ставшую позже "частью Ай-Би-Эм (IBM) - одной из крупнейших в
Q Модем является устройством, принимающим и передающим компьютерные данные по телефонным линиям. «Модем» - сокращенное название «модулятор-демодулятор». При использовании для передачи данных от компьютера модем модулирует электрические сигналы, преобразуя 0 и 1 в тональные сигналы для телефонной системы. На другом конце линии другой модем используется для демодуляции тональных сигналов, снова преобразуя их в импульсы. Справа: один из первых модемов, называвшийся акустическим. Он принимал и передавал сигналы, используя телефонную трубку.
0 Разработанные с помощью компьютера и нанесенные лазером на клише рисунки используются на банкнотах. Отпеча- = тайные рисунки чрез- | вычайно трудно под-делать. s
мире компаний по производству компьютеров.
ЭВМ
К 1940-м гг. электрические вычислительные машины уже широко использовались. Но настоящий переворот наступил после создания электронных вычислительных машин. Сначала в них использовались электронные лампы в схемах, которые могли выполнять такие операции, как вычисление траекторий полета снарядов и бомб. Данные обычно представлялись на перфокартах или на бумажной ленте в виде конфигураций отверстий. Но для выполнения различных видов вычислений требовалась целая группа специалистов, которые изменяли программу компьютера или ставили ему задачу7, меняя многочисленные соединения в машине. Затем пришла идея хранить программу в ви-
де электрических сигналов в самом компьютере. Стало возможно изменять программу путем подачи нового набора сигналов." Дальнейший прогресс наступил в 19б0-х гг. с заменой ламп на транзисторы, которые могли выполнять аналогичные задачи, но были намного надежнее. Транзисторы также были гораздо меньше и потребляли очень мало энергии.
Тенденции развития в 1970-х гг.
Мировые метеоцентры используют мощные компьютеры для слежения за ураганами и прогнозирования их вероятного движения. Метеоданные загружаются в компьютерную систему, которая составляет карту с прогнозируемым маршрутом. Затем оповещают жителей региона, чтобы они могли укрыться от стихии.
Q Обмен информацией осуществляется по каналам связи (телефонные линии и др.) при посредстве сложного программно-аппаратного комплекса. В нем задействованы спутники, ретранслирующие сигналы на все регионы Земли для как можно более быстрого соединения удаленных участков всемирной паутины (Worldwide Web).
привели от централизованных компьютерных систем к использованию ряда приложений на более дешевой технике. Компактность стала основным требованием, электронные схемы становились все меньше, и родилась технология микропроцессоров. Были разработаны структуры меню, и к началу 1980-х гг. управление с помощью мыши и окон'(Windows) заменило курсор. Достижения в технологии дешёвых интегральных микросхем означали, что возможности компьютерных процессоров и объем памяти постоянно росли. Появился широкий диапазон компьютеров, предлагавших различные приложения - от т. н. мейнфреймов, выполнявших обширные задачи по обработке данных, до миникомпьютеров, обеспечивающих доступ к центральным вычислительным’центрам в том же здании или, с использованием сетевой технологии, для обеспечения связи между офисами в разных городах. К середине 1980-х гг. возможности возросли неизмеримо благодаря внедрению персонального компьютера (ПК) и рабочей станции. К началу 1990-х гг. ПК
Q Создание новых узоров тканей при помощи компьютера экономит модельерам недели работы. В некоторых системах данные, созданные во время проектирования, обеспечивают и управление ткацкими станками при изготовлении.
О Несмотря на защиту, компьютеры НАСА часто подвергаются атакам вирусов - программ, разработанных злоумышленниками («хакерами»). Некоторые вирусы создают на экране смешную картинку, но большинство могут стереть значительное количество хранящейся информации.
были признаны основным источником информации и досуга как дома, так и на работе благодаря встроенным модемам и аудиовизуальным системам. Такие компьютеры называются мультимедийными.
Современные компьютеры Основные компоненты современных компьютеров включают: монитор или другое устройство визуального отображения, клавиатуру, собственно компьютер, мышь, дисковод, устройство чтения компакт-дисков, динамики, микрофон и принтер.
Монитор и принтер являются устройствами вывода. Компьютер посылает к ним сигналы, и вы видите результаты его труда. Дисководы и накопители на магнитной ленте также действуют в качестве устройств вывода. Вместо того чтобы читать документ на экране или распечатать его на бумаге, можно записать его на ленте или диске для того, чтобы использовать позже. Такая запись информации называется сохранением.
Клавиатура является устройством ввода - опа позволяет вам вводить программы и данные с магнитной ленты или диска. Команды и данные хранятся в двоичных кодах в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Это временная электронная память. Компьютер также имеет постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Это постоянная электронная память, которая хранит информацию, необходимую самому компьютеру для работы. Например, часть ПЗУ может содержать детали информации о том, как формировать изображение чисел и букв для отображения на экране. Компьютеры хранят программы и
Q Эта девочка использует компьютер в Лондонском музее естественной истории, чтобы получить информацию об экспонатах, хранящихся в запасниках. Такую же информацию можно получить через Интернет и из других музеев мира.
данные в двоичных кодах, ОЗУ и ПЗУ имеют вид одной или нескольких интегральных схем (ИС). ИС, организующая работу компьютера, называется микропроцессором.
В настоящее время в большинстве наиболее современных компьютеров применяется микропроцессорный чип, называемый «пентиум» (Pentium). Быстродействие процессора измеряется в герцах (Гц). Чем больше их число, тем выше быстродействие процессора. В начале 90-х гг. процессоры работали с частотой от 75 МГц до 200 МГц. В настоящее время частоты, превышающие 1 ГГц, являются совершенно обычными.
Объем памяти компьютера также увеличился, и друтие устройства хранения, такие как устройства чтения компакт-дисков, давно завоевали массовый рынок. Компакт-диски дешевы в производстве. На них записываются энциклопедии, учебники и другая информация. Записываемые компакт-диски позволяют перенести информацию с помощью лазера с компьютера на CD. Появление универсальных цифровых дисков (DVD) также явилось значительным шагом вперед. Эти диски могут хранить в 2,5-3 раза больше информации, чем обычный «компакт».
Все более популярными становятся ноутбуки и карманные компьютеры (палм-топы, или «наладонники»). Они позволяют бизнесменам, находящимся вдали от офиса, вводить в память данные, составлять отчеты, проверять дневник или посылать сообщения. Эти компьютеры так малы, что их можно положить в карман пиджака, но при этом они имеют миниатюрный экран и батарею, способную обеспечить ра-
боту в течение нескольких часов. Их можно подключить к телефонной сети для связи с офисом по Интернету.
Все более популярны цифровые камеры, призванные заменить обычные, работающие с фотопленкой. Цифровая камера использует объектив для фокусировки света на светочувствительные элементы, преобразующие изображение в детализированную массу элементов (пикселов), каждый из которых представляет мельчайшую частичку изображения. Камера хранит изображения в виде данных на компьютерном чипе.
Все эти данные могут быть переданы по Интернету'. Мир все более взаимосвязан благодаря постоянному потоку электронной информации, которой люди обмениваются через компьютеры.
Мультимедиа
диске в виде ряда мельчайших углублений (питов) в алюминиевом слое.
Применяемые сейчас дисководы читают компакт-диски, используя лазер, генерирующий лучи в красной области спектра, но уже изучается возможность использования синих лазеров, которые бы позволили увеличить объем информации, хранящейся на компакт-диске. В настоящее время на компакт-диск можно записать максимум 75 минут видео, а при переходе на синий луч - в три раза больше.
Время, которое требуется компьютеру, чтобы найти информацию на диске, называется временем доступа. Обычно оно измеряется в миллисекундах (мсек). Чем короче время доступа, тем быстрее компьютер отвечает на ваши команды. В на-Z ши дни среднее время доступа для ком-* пакг-диска составляет примерно 200 мсек, f что где-то в десять раз больше, чем для
О Компакт-диски (CD-ROM) - это носители, используемые для больших мультимедийных программ (энциклопедий, сложных игр).
О Ребенок познает музыку, наблюдая, как на экране пальцы перебирают клавиши фортепьяно, и одновременно слушая звучание нот через наушники.
большинства жестких дисков. По мере со-
формация на диске
может считываться,
Благодаря огромному прогрессу в технике персональные компьютеры становятся все мощнее. Они теперь поддерживают звук и считывают информацию с компакт-дисков, а используемые в них быстродействующие чипы позволяют стремительно перемещаться по программе. Так появилась платформа для мультимедиа.
Слово «мультимедиа» в последние годы у всех на языке. В самом элементарном виде, это всего лишь исполь-
зование более одного средства для представления информации. Наиболее простой случай - изображение в книге, более сложный - компьютерная программа, в
которой хранятся звуковые отрывки и
но изменения в нее внести нельзя. Компакт-диски являются распространенным способом представления мультимедийных программ, поскольку на них может
храниться около 650 мегабайтов (мБ) ин-
вершенствования технологии время доступа, конечно, будет уменьшаться.
Информацию можно считывать, как только лазер будет позиционирован над
видеоклипы, а также текст.
Интерактивные средства мультимедиа позволяют пользователям контролировать
формации - приблизительно столько же,
требуемой частью диска. Быстрота, с кото-
способ представления информации. Это означает, что они могуч продвигаться в поисках любой необходимой им информации по своему7 собственному пути.
Диск CD-ROM
Наиболее распространенный метод хранения подобной информации - диск CD-ROM. CD-ROM расшифровывается как «постоянное запоминающее устройство на компакт-диске», а это значит, что ин-
сколько вы могли бы хранить на 500 гибких дисках 3,5".
CD-ROM действует во многом так же, как и звуковой компакт-диск. Собственно, многие дисководы компакт-дисков способны воспроизводить звуковые компакт-диски, хотя обратной совместимости при этом нет. Диск обычно изготовлен из поликарбоната с нанесенным на него слоем из алюминиевого сплава, который, в свою очередь, имеет покрытие из пластмассы, защищающее от пыли и отпечатков пальцев. Информация хранится па
рой информация передается компьютеру,
называется скоростью передачи данных. Она измеряется объемом информации,
которая может считываться за одну секунду. Ранние модели дисководов для компакт-дисков передавали информацию со скоростью приблизительно 150 килобайтов (кБ) в секунду7. Двухскоростные приводы работают вдвое быстрее. Чем выше скорость передачи информации, тем быстрее она отображается на мониторе.
Мультимедийные компьютерные системы обычно оборудованы дисководом для компакт-дисков, стереофонической систе-
Воздушные шары и дирижабли
Первый полет воздушного шара с людьми состоялся в 1783 году, а спустя столетие был создан дирижабль. Сегодня основным воздушным видом транспорта являются самолеты, но воздушные шары и дирижабли все еще используются в авиации.
Идея полета на воздушном шаре возникла в начале ХП1 века, когда английский естествоиспытатель Роджер Бэкон предложил использовать тонкую медную сферу, наполненную огнем или воздухом. Но такой аппарат не смог бы взлететь. Чтобы набрать высоту, воздушный шар должен быть очень легким, а наполняющее его вещество - менее плотным, чем окружающий воздух.
Первый шаг к решению этой проблемы был сделан в 1766 г., когда английский химик Генри Кавендиш получил водород. Дтя изготовления шара с водородным наполнителем требовался прочный и в то же время тонкий и легкий материал. Однако ни один из известных тогда материалов не был способен долго удерживать газ. Нс существовало также технологии быстрого получения водорода для возмещения утечки газа.
Горячий воздух или водород? В 1783 году братья Жозеф и Этьен Монгольфье использовали в качестве наполнителя горячий воздух. Дтя этого они разожгли под открытым основанием шара древесный уголь. Затем, поместив в прикрепленную к шару корзину овцу, утку и петуха, запустили его.
Полет, который состоялся в присутствии короля Франции Людовика XVI, продолжался восемь минут. Поскольку живот-
Q Во время гражданской войны в США
0 В современных шарах воздух нагрева-
ные вернулись на землю невредимыми, следующим должен был полететь человек. Первым это сделал королевский лето-
северяне использовали воздушные шары в целях разведки.
ют при помощи газовых горелок. ВМФ США финансировал работы по усовершенствованию аппаратов, благодаря чему в 1960-е годы воздухоплавание стало одним из видов спорта.
0 Этот воздушный корабль придумал священник Лана ди Терци в 1670 г. Четыре сферы из тонкого металла после удаления из них воздуха должны были взлететь вместе с корзиной. Однако внешнее давление очень легко смяло бы такой металл.
мой звуковоспроизведения с динамиками и звуковой платой. Звуковая плата устанавливается на системную плат}'. Она анализирует содержание звуковых файлов и воспроизводит их через динамики или наушники. Она же позволит вам записывать звук с микрофона или любого другого источника сигнала. После этого компьютер представит звуковые волны в цифровом виде - то есть преобразует их в строку' двоичных чисел, которые он способен распознавать - и сохранит на диске.
Звуковые образы
Большинство звуковых плат могут создавать и воспроизводить два различных типа звуковых файлов - волновые (WAV) и неволновые, или MIDI-файлы. Звук - это, в общем-то, распространяющиеся в воздухе волны, которые заставляют вибрировать барабанную перепонку. В улитке,
КАК ЧИТАЕТСЯ
КОМПАКТ-ДИСК
дит любые цветные изображения при помощи сочетания трех основных цветов -
О Компакт-диски в процессе изготовления. Для обеспечения качества готовой продукции в помещении совершенно не должно быть пыли.
Лазерный луч
Увеличенный фрагмент
внутри ушного лабиринта, эти колебания преобразуются в сигналы, которые мозг интерпретирует как звуки. В волновых файлах сохраняется фактическая волновая картина записываемого звука, но сигналы преобразованы в понятный компьютеру двоичный код. Сначала звуковые волны преобразуются микрофоном в изменяющиеся электрические сигналы, называемые аналоговыми. Затем звуковая плата регистрирует силу этих сигналов несколько раз за определенный промежуток времени. Частота, с которой производится эта регистрация, называется частотой дискретизации. Чтобы точно отобразить первоначальное звучание, компьютер должен обладать частотой дискретизации, равной нескольким тысячам раз в секунду.
Частота дискретизации измеряется в килогерцах (кГц). Самая низкая частота дискретизации, используемая в звуковых платах, обычно равна 11 кГц, иными словами, каждую секунду плата регистрирует
11 000 выборок. С увеличением частоты дискретизации качество звука улучшается. Некоторые звуковые платы производят регистрацию с частотой 44 кГц, однако большинство обеспечивает звук хорошего качества и при частоте дискретизации 22 кГц.
Файлы MIDI, напротив, хранят не сам волновой спектр, а, скорее, команды для воссоздания звуков. Они могут использоваться только для хранения музыки: MIDI расшифровывается как «цифровой интерфейс музыкальных инструментов», и эти файлы содержат информацию для воспроизведения нот. Такие команды отсылаются синтезатору (электронному устройству, способному формировать звуки), и уже он воспроизводит музыку. MIDI файлы особенно полезны в том случае, если есть проблемы с объемом памяти, поскольку они значительно меньше, чем волновые - занимают при той же дли-
Q Поверхность компакт-диска состоит из последовательности углублений (питов). Лазерный луч, направленный на поверхность, отражается от нее, если пита нет, и не отражается, если пит есть. Затем эта последовательность интерпретируется компьютером как двоичный код. При использовании синих лазеров можно будет хранить гораздо больше информации.
тельности воспроизведения менее одного процента размера последних.
Другой фактор, влияющий на качество звука, - это количество битов, доступных для хранения. Бит - наименьшая единица хранимой на компьютере информации. Чем больше битов используется для каждого звука, тем лучше его качество. Звуковые платы обычно являются 8- или 16-битовыми. 16-битовая плата может регистрировать и записывать тончайшие оттенки звука. Если вы используете частоту дискретизации 44 кГц, то вам нужна 16-битовая плата.
Есть специальные пакеты программ, которые позволяют редактировать звук и значительно улучшать его качество.
Визуальное отображение Чтобы полностью насладиться мультимедиа, ваш персональный компьютер должен уметь выводить на экран четкие и красоч
ные изображения. Монитор воспроизво-
красного, синего и зеленого. Три электронных пушки в задней его части обстреливают экран тончайшими пучками электронов. Изображение на экране составлено из тысяч крошечных точек, называемых пикселами. Каждый пиксел, в свою очередь, состоит из группы точек, которые при попадании в них электронного луча светятся красным, синим или зеленым цветом. Из
меняя интенсивность луча, можно получить различные цвета. Чем больше пикселов на экране, тем четче изображение.
Поскольку каждый залп электронов существует мгновения, чтобы поддерживать изображение на мониторе, нужна | постоянная замена электронов новыми. Частотой регенерации измеряют скорость, с которой монитор заменяет вертикальные и горизонтальные строки. Наиболее важно то, как быстро заменяются вертикальные строки. В большинстве мониторов это происходит приблизительно 76 раз в секунду; т. е. они обладают частотой регенерации 76 Гц. Чем выше частота регенерации, тем более устойчиво изображение, выводимое на экран.
Применение мультимедиа Комбинация неподвижных и движущихся изображений, мультипликации, написанных и звучащих слов, музыки и других звуков производит сильное впечатление. Хорошая мультимедийная программа использует все эти средства в их единстве. Уделяя слишком много внимания одному из них (например, видеоизображению), можно испортить общий эффект. Представляя информацию очень привлекательным и простым дтя понимания способом, видео занимает очень много места на пространстве диска, а его загрузка и воспроизведение могут замедлять работу программы.
Крайне важен также легкий доступ к информации на диске. Для указания пути к родственной информации используются гиперссылки: достаточно щелкнуть мышкой на одной из них, как пользователь перейдет к следующему экрану существенной информации. Гиперссылки особенно важны в мультимедиа, поскольку
Richard Megna/Fundamental/Scie
предоставляют пользователю свободу: он может контролировать как объем изучаемого материала, так и скорость усвоения. Хорошо продуманные программы мультимедиа дают пользователю возможность, нажав на кнопку, одним скачком вернуться к экрану с исходной гиперссылкой.
Еще один способ обнаружения инфор
О Осциллограмма показывает форму звукового сигнала, издаваемого гармоникой, на которой воспроизводят одну и ту же ноту. Звуковые файлы, используемые компьютером, бывают двух типов. Волновые файлы хранят фактическую форму звуковой волны в цифровом виде, а файлы MIDI - команды, позволяющие синтезатору воспроизвести первоначальный звук.
© Пример комплекта для автоматизированного видеомонтажа, который используется телевизионными компаниями. На правом экране - уже смонтированные элементы и следующая часть, «подклеиваемая встык». На левом экране видны средства управления микшированием и иными эффектами. Громкоговорители позволяют монтажеру слышать, что записано на сопроводительной звуковой дорожке.
мации в мультимедийном приложении связан с использованием встроенных возможностей поиска. Поиск основан на тексте. Даже приложения, которые позволяют вам искать видео или звуковой файлы, находят его по текстовому описанию.
Существует три основных механизма поиска - по ключевому слову, по теме и полнотекстовый. Ключевые слова применяются для представления более общих тем или вопросов. Для определенной порции информации разработчик назначает ключевое слово. Преимущество поиска по ключевым словам заключается в его быстроте, поскольку не нужно рыскать по всему тексту, а ограничиться лить встроенным списком ключевых слов.
Предметный же поиск, в целом, пытается найти совпадения, перебирая заголовки глав или разделов. Опять же, после завершения операции приложение отображает список файлов, в которых появляется интересующая тема.
Полнотекстовой поиск идет заметно медленнее, потому7 осуществляется по всему приложению. По его завершению приложение отобразит список всех статей, которые содержат ссылку7 на предмет поиска.
Мультимедийные приложения не ограничиваются играми и энциклопедиями. Есть очень широкий выбор и друтих при-
О Звуковая плата позволяет компьютеру обрабатывать сложные звуки. Плата должна подключаться в «слот расширения» внутри компьютера.
О Оцифрованное видеоизображение лица молодой женщины. Подобно изображению на компьютерном экране, картинка составлена из сотен отдельных цветных точек. Это означает, что изображение можно редактировать, используя для замены таких точек компьютерную программу.
ложений. Это могут быть методические пособия для бытовых или профессиональных целей: например, существуют диски, объясняющие, как усовершенствовать навыки общения или сделать в доме ремонт. Они находят свое применение в сфере образования при обучении детишек счету или чтению, взрослых - иностранному языку. Есть туристические справочники, предлагающие пользователю перед тем, как отправиться в какой-нибудь город, увидеть и «услышать» его, погрузиться в его атмосферу. Есть диски для любителей готовить, ремонтировать автомобили. Без мультимедиа не обходятся и в офисе, успешно применяя его, например, в области маркетинга.
Мультимедийные ресурсы Наиболее привычным сегодня видом мультимедийных ресурсов является «Всемир
О Веб-сайты, посетить которые можно с компьютера на рабочем месте, дома, в школе, библиотеке или Интернет-кафе, являются сегодня самым мощным мультимедийным ресурсом. С каждым днем появляются новые веб-сайты, словно свежие поступления в непрерывно разрастающемся хранилище информации.
Знаете ли вы?
ная паутина», или Интернет. Пользователь набирает нужный ему Интернет-адрес (начинающийся обычно с букв «www»), чтобы соединить свой компьютер с мультимедийным ресурсом, находящимся на другом компьютере - возможно, за тысячи километров. Подключившись, пользователь может «путешествовать» по предлагаемому ресурсу точно так же, как если бы этот ресурс был загружен в его компьютер с CD-ROM. Единственное ощутимое отличие в том, что время доступа ограничено скоростью, с которой данные могут быть загружены через Интернет.
Многие пользователи конструируют собственные веб-сайты с помощью дизайнерских пакетов мультимедийных программ. Готовый веб-сайт размещают затем на специальном компьютере («хосте», или хозяине), подключенном к Интернету.
В названии «мультимедиа» нет ничего непонятного: «мульти» означает «много», а «медиа» - множественное число латинского слова «среда, носитель», (в данном случае - способ, которым представлена информация). На дисках CD-ROM наиболее широко используются такие средства, как текст, звук, неподвижные изображения, мультипликация и видео. Диски CD-ROM позволяют хранить намного больше информации, чем гибкие диски.
НАУКА И ТЕХНИКА 35
Интернет
MOSAIC
© В Сети можно найти информацию на любой вкус -от научно-технической
литературы до списка предлагаемых товаров. Все, что вам необходимо, - это подключиться к Интернету.
Q Тим Бернерз-Ли, британский ученый-компьютерщик и ведущий разработчик Сети, в 1989 г. был сотрудником «CERN»,
но затем перешел работать в «МТИ».
Интернет - это глобальная компьютерная паутина, дающая возможность взаимного подключения между сетями.
Вначале XXI века Интернет продолжает свое стремительное развитие. Компании и отдельные пользователи широко используют его для практически мгновенной передачи данных в любую точку земного шара, а также для поиска необходимой информации.
Технология, лежащая в основе Интернета, была создана в 1969 г. американскими учеными в рамках оборонного проекта ARPAnet. Их целью было разработать сеть, неуязвимую для ядерного удара - то есть, если бомба разрушит один компонент сети, функциональность остальных не пострадает. Данные передаются паке-I тами с использованием стандартных ме-I тодов связи, известных под названием Интернет-протокол (TCP/IP) - два любых компьютера, объединенных этими протоколами, могут быть связаны в единую систему. При условии правильной адресации пакетов их можно отсылать по Интернету с любого и на любой ПК по любому мар
шруту. Если происходит сбой или отказ какого-либо компонента, движение данных просто обходит поврежденный участок. Именно многообразие технических возможностей и устойчивость сети долж- & ны были сдетать невозможным внедре- J ние в Интернет цензуры, на которой до о сих пор настаивают некоторые политики. 5
В помощь науке
Один из ключевых компонентов Интернета, созданный в середине 80-х годов на средства Национального научного фонда (ННФ) США, дал ученым университетов
всей страны возможность совместно использовать дорогостоящие ресурсы пяти региональных центров суперкомпьютеров, построенных ННФ. В то время пользование Интернетом было ограничено научными и государственными учреждениями. К началу 1990 г. подключение к Сети стало доступным не только для небольших предприятий, но и для частных пользователей. В это же время правительство США выступило с инициативой создания национальной информационной инфраструктуры, и вся эта совокупность факторов вызвала невиданный бум подключений к Сети. Уже в 1995 г. количест-
во пользователей Интернета составило 35 миллионов человек, а к 2002 г. эта цифра увеличилась до 5бО млн. человек.
Интернет - крупнейшая в мире компьютерная сеть. Существует ряд других типов онлайновых систем, в которые можно войти по телефонной линии с использованием модема (модулятор/демодулятор). Модем преобразует читаемые компьютером данные в сигналы, которые передаются и переводятся обратно в цифровой формат на другом конце соединения. Онлайновые системы выполняют в основном те же функции, что и Интернет: электронная
Не Options Navigate Annotate
<| !tome| Reioadl Open,..} .Sava A-s...| Qbne| New Windy
Две страницы из Всемирной сети. Слева - домашняя страничка НАСА справа - Космического центра им. Кеннеди. Изначально Сеть была задумана как глобальная компьютерная сеть для свободного обмена информацией. Однако, похоже, что вскоре за доступ к информации будет взиматься плата. Представленные здесь данные распознаются при помощи просмотровой программы «Мозаика».
© Вид основного сервера Сети в лаборатории CERN, где она была создана и впервые запущена в 1989 г. Сеть представляет собой систему ссылок, объединяющую миллионы хост-компьютеров.
почта, файловые библиотеки и другие архивы информации, электронные конференции и доступ к базам корпоративных данных или периодическим изданиям.
Поскольку создание Интернета финансировалось государством и первыми пользователями были университеты и научные учреждения, информацию в Сети можно получить преимущественно бесплатно. Однако в последние годы ситуация начинает меняться по мере того, как финансирование работы Интернета все больше смещается в сторону частного сектора и разрабатываются новые, более надежные средства защиты. Некоторые компоненты Интернета сегодня оплачиваются из средств, полученных от рекламы.
Помимо электронной почты (e-mail), Usenet и Сети, наиболее распространенными сервисами Интернета являются Telnet и FTP. Каждый из них выполняет разные функции и требует индивидуального программного обеспечения, «клиентских» программ (от вычислительного процесса в режиме «клиент-сервер»), которые нужно установить и запустить на ПК пользователя. Болес крупные коммерческие системы облегчают эту задачу, поставляя полный комплект программных продуктов или средств.
И нтернет-приложения
То, что называется общим термином «Интернет», на самом деле является такой же частью этой системы, как и World-Wide Web, Usenet или электронная почта. Все это в сущности такие же приложения или сервисы, функционирующие в Интерне
те, какими является локальный текстовой процессор. Большинство из этих сервисов работают не только в Интернете - как текстовой процессор для ПК может быть в версии для «Эппл Макинтош». Большинство из них можно подключить к Интернету, но некоторые специально держат закрытыми из соображений безопасности или конфиденциальности подобно тому, как некоторые компании имеют свои замкнутые телефонные сети.
Usenet
Usenet дает возможность обмена новостями между людьми, находящимися в разных точках Земли. В отличие от услуг электронной почты, предоставляемых частными провайдерами, Usenet является государственным сервисом. Он похож на доску- объявлений в людном месте, на которой все желающие могут оставить сообщение. Различие в том, что такие объявления могут быть совершенно разными по тематике, а желающие ответить размещают отклики там, где они видны для всех. Почти в каждой онлайновой сети можно вести многосторонний диалог - электронную конференцию.
Usenet разделен по темам, называемым «группами новостей» или сетевыми конференциями. Их более 10 тысяч. Каждая имеет свое название, которое компьютер может легко распознавать и сортировать. Например, в названии группы «alt.fan.lcttcrman» первая часть «alt» означает- «иерархию». Всего существует восемь основных типов иерархий, в том числе alt, bio, biz, comp, rec и sci, но есть и дру-
David Parker/Science Photo Library
гие, добавляемые в отдельных регионах или сервисах. Остальные фрагменты названий телеконференций Usenet не столь жестко регламентированы правилами.
Многие полагают, что Интернет и Usenet - одно и то же, но на самом деле это не совсем так. Интернет является лишь одним из способов рассылки - или распространения - Usenet по всему миру. Еще один способ - прямая передача данных с одного компьютера на другой посредством телефонного соединения.
I
оо Открывшись в 1994 г., «Киберия» (Cyberia) стала первым Интерет-кафе, где посетители, угощаясь кофе с пирожными, путешествовали по Сети в поисках материалов по неограниченному спектру тем.
В настоящее время количество Интернет-кафе стремительно растет по всему миру.
Сетевые телеконференции Любой подключенный к Интернету пользователь может читать или размещать свою информацию в телеконференциях Usenet. Но иногда информа-
ция, размещенная не в той группе или размещаемая многократно, действует участникам конференции на нервы. Для того чтобы соблюдать правила группы новостей - «Нетикет», - следует ознакомиться с информационным файлом конференции, так называемым FAQ (frequently asked questions - часто задаваемые вопросы).
Есть три способа добраться до этих файлов. Первый: несколько недель подряд читать материалы конференции -файлы FAQ размещаются на них периодически, и уже через две недели вы увидите, что этот файл возникает там как регулярное сообщение. Если у вас мало времени и условия подключения позволяют вам пользоваться FTP, вы увидите, что большинство файлов FAQ телеконференций размещается на постоянном сайте FTP rtfm.mit.edu. Кроме того, на World-Wide Web (см. ниже) можно найти огромное количество сайтов, содержащих такую информацию.
Областью Интернета, в которой в
последние годы наблюдался наиболее динамичный рост, была Всемирная паутина или Сеть («World-Wide Web»). Знакомую нам в нынешнем виде Сеть изобрел Тим Бернерз-Ли, ныне сотрудник Массачусетского технологического института (МТИ). Изобретение основывалось на идее, много лет владевшей умами разработчиков и получившей название «гипертекст». Любой ПК, работающий с Windows, имеет самую простую версию гипертекста: выделенные цветным шрифтом слова, щелчок мышью на которых переносит вас в другой раздел файла Windows Help. Таким же образом устроена и Сеть: «клик» на выделенном слове переправляет вас на страницу или
документ, где содержится информация по искомой теме. Отличие в том, что такой документ не обязательно находится на этом же компьютере. Единственный щелчок мышью может переадресовать вас на компьютер, находящийся в Австралии, потому что нужная вам информация размещена именно на нем.
Знаете ли вы?
В середине 2002 г. количество англоязычных Интернет-пользовате-лей составило 224 млн. человек (40%) из общего числа - 560 млн. человек.
Наиболее динамично развивающийся язык в Интернете - китайский: в 1993 г. не было ни одного сайта на китайском языке, тогда как к середине 2002 г. количество пользователей, использующих китайский язык, составило 60 млн. человек.
84% взрослого населения Японии подключено к Интернету. Это самый высокий показатель в мире.
Предполагается, что к 2004 году 8% всей мировой торговли будет проходить через Интернет.
Самый высокий показатель деловой активности в Интернете принадлежит США - 13% всех торговых сделок заключаются по Сети.
Q Пентагон - центральная нервная система Министерства обороны США.
Именно здесь было положено начало ряду исследований,которые привели к появлению Интернета.
Просмотровые программы Изначально Сеть представляла собой набор информации исключительно в текстовом виде. Вместо перемещения курсора мышью приходилось двигать стрелку, следуя за ссылкой. Этот способ до сих пор сохранился на некоторых онлайновых сервисах, использующих основанные на текстах интерфейсы и подключения к Интернету («шлюзы»).
© Интернет изменил многие аспекты современной жизни. Политические партии и общественные оганизации используют Сеть для пропаганды своих идей, влияния на прохождение дебатов и обращения к мировым лидерам.
Однако в начале 90-х годов группа исследователей Университета штата Иллинойс под руководством студента Марка Андрисена разработала новую программу, значительно облегчившую пользование Сетью. Обозревательная (или «браузерная») программа «Мозаика» выполняла для Сети ту же функцию, которую Windows выполняет для ПК, работающего в DOS; она преобразует текст в картинки
О Международный сетевой центр компании «AT&T» в Бэдминстере, штат Нью-Джерси. Количество экранов дает представление об объеме данных, доступных через информационную супермагистраль.
и использует различные графические элементы для удобства пользования системой. В начале 90-х «Мозаика» стала коммерческим продуктом, и возникла конкуренция - главным образом между такими гигантами, как Cello, WinWeb и Netscape.
Появление обогревательных программ кардинально изменило подход к использованию Сети. Для этого вовсе не требуется технической подготовки, при том, что Сеть может поддерживать все виды данных: от текста и графики до полноформатных видео-аудио клипов и даже радио- и телепрограмм. Возможности Интернета позволяют слушателям в Европе или Африке принимать крохотные любительские радиостанции где-нибудь на Аляске.
Кодирование
Одной из основных технологий, необходимых для передачи через Интернет любой конфиденциальной информации (например, истории болезни, данных кредитной карточки, юридических документов), является кодирование. Существуют способы кодирования, «взломать» которые практически невозможно, но из-за опасности, что ими могут воспользоваться преступники, чтобы скрыть свои махинации, такие технологии не получили широкого распространения.
Настольное издательство
Настольным издательством (англ. DTP от «Desktop publishing ») называют использование персонального компьютера для написания, иллюстрирования и верстки документов, которые затем могут быть напечатаны с очень высоким качеством.
При помощи настольной издательской системы можно создать документ любой сложности, от простых черно-белых листовок до полноцветных журналов и книг. С конца 1980-х гг. настольные издательские системы постепенно начали вытеснять традиционные методы подготовки печатной продукции, основанные на разделении труда между отдельными специалистами и целыми фирмами. Один человек, сидящий за настольным ПК, получил возможность выполнять множество операций - написание и редактирование текста, макетирование и верстку страниц, подготовку документа к печати и цветоделение.
Настольное издательство появилось в
О Настольное издательство началось с желания компьютеризировать традиционное макетирование книг и периодических изданий, но сегодня имеет и массу других применений.
середине 1980-х гг. благодаря четырем прорывам в компьютерных технологиях. Первым - и главным из них - стало создание персонального компьютера Apple Macintosh с графическим интерфейсом, позволяющим видеть на экране монитора шрифт и изображение так, как они появятся на бумаге, и пользоваться «мышкой» для того, чтобы выбрать символ на экране с помощью стрелки-курсора и ввести соответствующую команду.
Вторым достижением был недорогой лазерный принтер Apple LaserWriter, обеспечивавший печать текста и графики с высоким разрешением. Третьим - созда-
0 Aldus/Adobe PageMaker, первый эффективный программный пакет для верстки.
Q В состав базового комплекта настольной издательской системы входят компьютер и принтер вместе с программным обеспечением к ним. Совсем не лишним будет и сканер.
нис компанией Adobe Systems языка PostScript, который позволил отправлять с компьютера на принтер очень точное описание вида распечатываемой страницы. И, наконец, четвертым достижением стала компьютерная верстка документов. Само выражение «настольное издательство» ввел в обращение Пол Брейнерд, глава фирмы Aldus Corporation и один из разработчиков программного пакета PageMaker. Впервые появившись в октябре 1985 года, PageMaker объединил в себе технологии Apple и PostScript, став недорогой системой для оперативного создания высококачественных макетов. Интересно, что компания Aldus была названа в
честь Альда Мапуция (1450-1515), венецианского печатника, заложившего основы многих сторон типографского дела и создавшего красивейшие латинские шрифты. Через 4б0 лет после его смерти один из лучших советских графиков-шрифтовиков Вадим Владимирович Лазурский написал об Альде Мануции и его сподвижниках книгу,х ставшую библиографической редкостью сразу после выхода в свет...
Комплект программ для настольного издательства обычно включает в себя текстовый редактор, программы для обработки растровой (точечной) и векторной (линейной) графики, а также программу верстки. Очень часто в настольных издательствах используется сканер, позволяющий оцифровывать печатные изображения для последующего вкяеива! гия в макет. i
Сканирование
Сканер - это устройство, преобразующее цвет и яркость каждой точки изображения в цифровой код, который затем записывается в файл. Принцип действия сканера основан на преобразовании световой энергии в электрическую. Луч света падает па сканируемое изображение, отражается от него и возвращается обратно в сканер. Там он попадает на линейку светочувствительных приборов с зарядовой связью (ПЗС). В зависимости от количества света, попадающего на ПЗС, изменяется протекающий через него ток Высокочувствительное измерительное устройство определяет изменения и преобразует их по степени яркости в числа. Исходя из каждого числа и определяется степень затемнения отдельного пиксела (англ, «picture elements» означает «элементы изображения») - крошечной точки, составной части изображения на мониторе компьютера.
Получаемое в итоге цифровое изображение называют растровым. После оциф- -S ровки изображение можно изменять при <
00 Обработка иллюстраций
с использованием программного пакета Photoshop.
Photoshop позволяет обрабатывать на настольном компьютере изображения, изменять цвета и формы и зачастую создавать новую иллюстрацию из старой.
помощи программ для обработки фотоизображений. Эти программы имеют набор специальных инструментов и фильтров для редактирования фотографий: пятна и царапины могут быть бесследно удалены, фон изображения - изменен, и даже вся цветовая гамма может быть подкорректирована. Программы для обработки фотоизображений используются и для создания иллюстраций с нуля. Программный пакет для рисования позволяет оперировать геометрическими конструктивами (линиями, заливками и кривыми), а не растровыми изображениями. Оцифрованное и обработанное изображение может затем быть импортировано в макет страницы при помощи программы верстки.
Существует три основные программы верстки: Corel Ventura Publisher, QuarkXPress и уже упоминавшийся выше Adobe PageMaker/Indesing. С помощью одной из этих программ верстальщик в соответствии с требованиями дизайна объеди-
0 Оператор на этой иллюстрации пользуется мышкой, чтобы разместить фотографию в нужном месте страницы (специально отведенном для иллюстрации, т. н. «боксе») и окружить ее текстом.
няет в единый документ файлы различных типов. Программа верстки позволяет задавать количество и размеры страниц, определять вид элементов страницы, выполнять набор текста и устанавливать расположение текста на странице, а также взаимное расположение текста и иллюстраций.
Символ и шрифт
Облик текста в документе определяется шрифтами. Шрифтом называют набор знаков (включая цифры и знаки пунктуации), согласующихся друг с другом по начертанию и размерам. Шрифт может быть составной частью программы верстки, или же его можно купить как дополнительный программный продляет и при необходимости подгружать в программу верстки. В качестве альтернативы имеются еще и шрифтовые картриджи, выполненные в виде сменных блоков к лазерным принтерам и содержащие дополнительные шрифты, записанные в их ПЗУ. Тысячи компьютерных шрифтов создаются шрифтодизайнерскими фирмами, ранее производившими отливку литер для печати с металлических наборных форм.
Вывод на печать
Итак, при сканировании страницы каждая точка распознается и маркируется как черная, белая или цветная, в результате чего получаются растровые изображения. Преобразование компьютерных, т. е. векторных, изображений в растровые производит так называемый растровый имидж-процессор (RIP), используя растровую сетку. На вход растрового процессора поступает набор команд в PostScript, языке описания страниц для принтеров, разработанном фирмой Adobe Systems в середине 1980-х. Изображения на языке PostScript, к примеру, картинки, созданные при помощи программ для рисования, содержат в себе инструкции для выводного PostScript-устройства вместе с растровыми изображениями для их воспроизведения на экране компьютера. Растровые изображения помогают верстальщику получить представление о том, как сверстанная страница с иллюстрацией будет выглядеть в распечатанном виде.
Подготовленные для тиражирования публикации могут быть распечатаны на различных устройствах вывода, в зависимости от ожидаемого конечного результата и требуемого количества отпечатков. В частности, для этого широко используются монохромные лазерные принтеры.
По принципу действия они похожи на копировальные аппараты: в основе его лежит электризация лазерным лучом поверхности специального селенового барабана. К наэлектризованным участкам поверхности барабана, соответствующим изображению, прилипает порошкообразный тонер, который затем термическим способом переносится на поверхность бумаги. Разрешающая способность современных лазерных принтеров составляет от 600 до 2400 dpi (англ, «dots per inch» означает «точек на дюйм).
Полноцветная печать реализуется с помощью нескольких технологий, обеспечивающих разное качество и стоимость
0 Еще одна программа на экране компьютера на выставочном стенде. Мир настольно-издательских систем развивается так быстро, что участие в выставках очень важно для производителей.
Q Портативный компьютер как последнее достижение в данной области. Он позволяет производить ввод и редактирование независимо от вашего местонахождения и обеспечивает большую свободу действий.
отпечатков. Цветные лазерные принтеры позволяют получать самые недорогие копии, однако распечатки выглядят более грубыми, т. к. краски быстро выцветают. К тому же принтеры, использующие принцип термопереноса, работают очень медленно, поскольку им требуется пауза после прохода каждой из четырех (по числу базовый цветов) печатающих головок - ведь воск должен остыть.
Струйные принтеры наносят на бумагу изображение с помощью мельчайших капель жидких чернил. Качество изображения, полученное на «струйниках» с использованием специальной бумаги высокой плотности, может быть превосходным, но отпечаток получается очень дорогой.
Самое высокое качество из всех «настольных» технологий печати обеспечива-
ет' термосублимационный принцип. Полученные на термосублимационных принтерах распечатки очень похожи на фотографии. Цветные точки, из которых состоит напечатанное изображение, в данном случае наносятся на бумагу путем сублимации (перехода из газообразной фазы в твердую) испаренного красителя. Термосублимация обеспечивает очень точную передачу оттенков и полутонов, интенсивные цвета, а поверхность отпечатка становится глянцевой. Единственный недостаток технологии - стоимость отпечатка еще выше, чем у струйных принтеров.
В современном издательском деле струйные и термосублимационные принтеры используются для вывода небольшого количества очень качественных отпечатков -например, фотографий. Если необходимо
О В 1794 г. привязные воздушные шары впервые использовались военными в разведывательных целях. В конце Первой и во время Второй мировой войны аэростаты заграждения применялись, чтобы препятствовать полетам самолетов противника над целями на малых высотах.
О в мае 1937 г. по прибытии в Лейкхерст (штат Нью Джерси, США) загорелся самый большой в мире немецкий дирижабль «Гинденбург».
Из 36 пассажиров и 61 члена экипажа спаслись 61 человек.
писец Жан Пилатр де Розье. 15 октября того же года он на привязанном шаре поднялся на высот}’ около 25 метров.
Первый свободный полет состоялся 21 ноября 1783 года, когда де Розье вместе с маркизом д'Арландом. поднявшись на высоту около 300 метров, пролетели над Парижем 8 километров за 25 минут.
Одновременно с экспериментами братьев Монгольфье с горячим воздухом делались попытки наполнять шары водородом. Спустя десять дней после полета де Розье и д'Арланда Жак Шарль и М. Н. Робер совер-
шили первый полет на воздушном шаре, наполненном водородом. Физик Шарль изучал в то время свойства газов, а семья Роберов разработала метод покрытия шелковой ткани резиновым клеем, что препятствовало угечке водорода. Менее чем за два часа Шарль и Робер покрыли расстояние 43 км между Парижем и Нелем.
Дирижабли
Воздушные шары имели недостаток - они летели туда, куда их нес ветер. Стремление иметь управляемый летательный аппарат привело к изобретению дирижабля.
Первый дирижабль - управляемый аэростат с двигателем - построил француз Анри Жиффар. 24 сентября 1852 года его воздушный корабль объемом 2000 кубических метров газа с паровым двигателем, вращавшим пропеллер, пролетел 27 км со скоростью 9 км/час.
О Первый трансатлантический рейс туда и обратно совершил британский дирижабль R34. Он вылетел из Ист-Форчун (Шотландия) в Нью-Йорк 2 июля 1919 г. и возвратился в Британию 13 июля. Полет продолжался немногим g. более 183 часов. £
189э г. конструк-
цию этого аппарата значительно усовершенствовал венгр Давид Шварц, построив первый дирижабль жесткой конструкции. Внутренний каркас из стальной проволоки позволял сохранять обтекаемую форму корабля, что обеспечивало плавность движения в воздушной среде.
В Германии граф фон Цеппелин усовершенствовал дирижабль. Первый построенный им аппарат с алюминиевым каркасом совершил полет 2 июля 1900 года. К 1930-м годам гигантские дирижабли жесткой конструкции, в которых объем газа превышал 150 000 кубических метров, совершали трансокеанские пассажирские рейсы. Чаще всего эти дирижабли напол-
О Иногда над городом видны медленно проплывающие воздушные шары с красочной рекламой самых различных товаров.
Наука и техника I - В ПОЛИП
см. также
нялись взрывоопасным водородом, поскольку он обеспечивал большую подъемную сил\’. чем безопасный гелий. К тому же. гелий стоил дороже, и приобрести его можно было только в Северной Америке. Из-за серии катастроф, произошедших с дирижаблями, наполненными водородом, а также усиливающейся конкуренции со стороны более тяжелых летательных аппаратов, пассажирские перевозки па дирижаблях прекратились, хотя их про-
должали использовать в военных целях.
Современные тенденции
Сегодня беспилотные шары используются для научных исследований и метеорологических наблюдений, в спорте и рекламе. Несколько дирижаблей перевозят пассажиров. Однако самые многообещающие проекты по использованию дирижаблей-гигантов связаны с транспортировкой крупногабаритных и сверхтяжелых грузов.
Наука и техника 2 - ПЛАНЕРЫ I
напечатать несколько десятков или сотен копий документа, используется лазерные принтеры. И наконец, при больших объемах печати используются типографская офсетная печать, качество которой может быть высочайшим. Чтобы подготовить документ к офсетной печати, используются процессы цветоделения и фотовывода.
Допечатная подготовка
Все печатные процессы включают в себя определенные базовые этапы подготовки документа и иллюстраций к печати. В «докомпьютерные» времена подготовка к печати заключалась в ручном наборе текста из отдельных металлических литер, гравированных или литых. Наборщики располагали их буква за буквой, набирая строки или страницы текста. Букво- и строкоотливной набор доминировал в полиграфическохм деле вплоть до 1960-х годов, после чего его полностью вытеснил фотонабор.
Результатом фотонабора является изображение страниц документа на специальной светочувствительной пленке. В типографии с помощью процесса фототравления эти отпечатки переносятся в виде рельефа на специальные металлические пластины, которые затем устанавливаются в печатный станок.
Как и в цветных принтерах, при полноцветной офсетной печати используют четыре краски - по числу базовых цветов CMYK (голубой, пурпурный, желтый и черный). Соответственно, перед фотонабором образ документа делится на четыре цветовых компонента - выполняется цветоделение. Затем в процессе фотонабора д ля каж-
Q Работа во всемирной компьютерной сети Интернет, где все материалы доступны только в электронном виде. Хотя страницы могут быть интерактивными и предлагать пользователю различные варианты на выбор.
дого цвета выводится отдельная пленка. А по ней вытравливается отдельная пластина офсетной печати.
Электронные публикации
С повсеместным распространением персональных компьютеров родился новый вид настольной издательской деятельности - подготовка электронных публикаций. Это документы, которые предназначены главным образом для просмотра на экране компьютерного монитора, а не для распечатки. Такие
Science Photo Library
О Следующее поколение настольноиздательских систем будет шире использовать более производительные и одновременно компактные средства хранения информации, такие как лазерные компакт-диски и ленточные накопители различных видов.
электронные документы - например, цифровые энциклопедии - часто распространяются на компьютерных дисках CD-ROM или в сети Интернет.
Чаще всего электронные публикации создаются в обычной программе для верстки, а затем с помощью пакета Adobe Acrobat преобразуются в формат PDF (Portable Document Format). Этот формат поддерживается практически всеми компьютерными платформами - от Windows и Macintosh до UNIX и Linux...
К середине 1990-х годов настольные издательские системы стали использовать для создания Web-страниц. Однако специфика используемого в Web-документах гипертекстового формата HTML (Hypertext Markup Language) не позволяет эффективно использовать традиционные программы верстки, ориентированные на бумагу. Для HTML-верстки лучше подходят специализированные Web-редакторы.
Новые средства
Современные компьютерные технологии создают грандиозные возможности. Многие издатели справочной литературы, например, переходят на компакт-диски или Интернст-публикации. Неудивительно - ведь их можно редактировать и дополнять новым материалом намного проще и дешевле! Уже существует понятие «электронная книга», и многие поговаривают о том, что бумажная литература уходит в прошлое...
Виртуальный мир
Виртуальная реальность (ВР) -это технология, которая позволяет внедриться в смоделированный компьютером мир и взаимодействовать с ним.
Сфера применения виртуальной реальности весьма широка - от занимательных диалоговых видеоигр до вспомогательных средств обучения врачей хирургии или летчиков безопасному пилотированию воздушного корабля. Машина способна сгенерировать «мир» размером с нашу вселенную или же столь микроскопичный, как атом или молекула.
Возникновение ВР
Мысль о виртуальной реальности возникла еще в 30-х годах, когда ученые занимались разработкой первого тренажера -имитатора полета. Идея состояла в том. чтобы создать у пилота впечатление, будто он управляет настоящим самолетом. Для еще большего усиления иллюзии па экране имитатора воспроизводились кадры взлетно-посадочных полос.
В 1965 г. американцу Айвэну Сазерленду случайно пришла в голову одна идея, которую он обнародовал в статье под названием «Совершенный дисплей». Сводилась она к тому, чтобы создать, используя два крошечных телевизора - по одному д ля каждого глаза - переносной, или персональный виртуальный мир. Для ее воплощения в
жизнь он также разработал дисплей, укрепляемый на голове. Хотя его изобретение работало и он создал своего рода виртуальный мир, изображения оказались стишком грубы и безыскусны. Другая сложность бы-г- ла связана со шлемом. Он был так тяжел и § громоздок, что приходилось его подвеши-| вать к потолку'. Да и стоил он очень дорого, f Ученые, взявшиеся в последующие годы до-s работать исходну то идею Сазерленда, нема-< ло в этом преуспели. Позднее, в 1985 году; | Майкл Макгриви из НАСА разработал на-| много более дешевый и легкий вариант
| О Ученый экспериментирует с ВР-шлемофо-х ном и перчаткой. Когда он поворачивает голо-J ву или шевелит рукой, компьютер, следуя его S движениям, передает новое изображение на Л два укрепленных в шлемофоне экрана.
О Имитаторы полета в наше время настолько совершенны, что пилот едва ли отличит тренажер от настоящей кабины самолета.
И военные летчики, и пилоты гражданской авиации при обучении пользуются ВР.
шлема, взяв обычный мотоциклетный и приспособив к нему миниатюрные экраны дисплея, а также специальные датчики, которые реагировали на движения головы и были связаны с компьютерами большой мощности и чувствительности.
В том же 1985 году Майрон Крейгер открыл в Музее естествознания штата Коннектикут так называемый «Видеоплейс». В общем, «Видеоплейс» был ничем иным, как рядом помещений, находясь в которых, причем даже в разных, посетители могли посредством интерактивной гра-
Q Аркадная игра стала первой системой виртуальной реальности. Сегодня существует немало игр, в которых вы можете себя почувствовать пилотом болида - или реактивного самолета.
фической системы погрузиться в одно и то же виртуальное пространство, жонглировать в нем различными объектами, вместе танцевать и рисовать.
Последним аппаратным компонентом для полного комплекта виртуальной реальности стала перчатка. Разработали ее прототип в начале 1980-х гг.. но в современном виде виртуальная реальность родилась в 1986 г., после того, как программист Джарон Лениер придумал новый вариант перчатки. Так впервые появился единый комплект, состоящий из ВР-шлема и перчаток. Именно Лениер дал повой технологии название «виртуальная реальность-.
Три типа ВР
Различают три основных формы виртуальной реальности. Первая из них, вероятно, наиболее известна. Комплект для нее состоит из шлема, снабженного маленькими ТВ-экранами и наушниками, и перчатки (в некоторых системах вместо нес используют джойстик, или «волшебную палочку-). Шлем и перчатка связаны с компьютерами. запрограммированными специальными звуками и графикой, которые меняются в зависимости от предназначения системы: если она используется проектировщиками или архитекторами, то < это будут, вероятно, строения или напора- £
мы. Нужные изображения затем воспроизводятся на телеэкранах внутри шлема. Для создания трехмерного эффекта каждый телеэкран расположен под слегка отличным углом. Когда вы надеваете шлем виртуальной реальности, образы на телеэкранах целиком заполнят ваше поле зрения и вы погрузитесь в виртуальный мир. А через наушники вы услышите все те звуки, которые соответствуют видимым образам.
И шлем, и перчатка (или джойстик) оснащены специальными датчиками, которые позволяют компьютеру улавливать все движения головы и рук. Когда вы поворачиваете голову, чтобы осмотреться по сторонам, компьютер изменяет вашу точку обзора - как будто вы фактически находитесь внутри изображения. Все происходит в реальном времени (с той же скоростью и в тот же момент, как если бы происходило в реальном мире). Перчатка позволяет вам «трогать- виртуальные объекты и «брать » их в руки. С ее помощью вы можете даже менять расположение виртуальных объектов.
Камеры и экраны
Во второй разновидности ВР для слежения за изображением пользователя в виртуальном мире, в котором также можно подбирать или перемещать объекты, используются видеокамеры. Обе системы ВР позволяют принимать участие в действиях сразу нескольким людям.
(Q Первый в мире виртуальный тематический парк - «В поисках легенд» - был открыт в английском городе Ноттингеме. Игроки могут подобрать роль, в которой хотят себя попробовать, и стать под знамена воюющих с огромными пауками и прочей нечистью.
Знаете ли вы?
Когда комплект виртуальной реальности станет достаточно компактным и дешевым, чтобы иметь его дома, вы сможете, не выходя на улицу, отправиться за покупками в виртуальный универсам, походить туда-сюда по секциям, наполняя корзинку или тележку товарами, как в настоящем магазине, а для их оплаты просто сообщить реквизиты своей кредитной карточки - купленное доставят прямо вам домой.
Ученые воспользовались электронными сигналами, отправленными на Землю космическим кораблем «Викинг», чтобы сформировать четкое трехмерное изображение Марса. ВР позволит астронавтам, не покидая Земли, «обследовать» поверхность Марса.
Один ученый в США продолжает работать над созданием «виртуфона» (видеотелефона с эффектом виртуальной реальности), по которому вы сможете пообщаться со своими друзьями, находясь вместе с ними в том же самом «почти настоящем» пространстве.
В основе же последнего вида ВР лежит воспроизведение трехмерных изображений на большом изогнутом экране. Такая форма помогает усилить у вас ощущение того, что вы находитесь в виртуальном мире. Дополнительный эффект присутствия создают специальные трехмерные очки.
Вероятно, вам более всего знакома ВР, применяющаяся в видеоиграх в залах игровых автоматов («аркадах») и тематических парках Европы, США и Японии. Теперь есть много ВР-игр, в которых может участвовать одновременно несколько человек.
В 1991 г. на рынке появилась игра под названием «Дактил Найтмэр». В ее виртуальном мире впервые могли одновременно друг друга преследовать и перестреливаться два участника.
Подобные «аркады- явились только началом. По мерс совершенствования технологии ВР начали возникать тематические парки. В таком парке сосуществуют несколько виртуальных миров,- их «жители* могут принять участие в различных играх в жанре «фэнтейр. причем для создания присущей ему атмосферы речь воспроизводится соответствующими эле-
ктрои и ы м 11 и )л оса ми.
«Аркады» и тематические парки - замечательное развлечение, однако об их влиянии на игроков предстоит еще многое узнать. Многие после ВР-игры жалуются на плохое самочувствие - чаще всего на головные боли и головокружение. Доказано также, что у некоторых людей эти игры могут вызывать зависимость, риск возникновения ко торой следует тщательно изучить.
Несмотря па подобные проблемы и причины для беспокойства. ВР имеет много несомненных выгод. Инвалидам она даст возможность принимать участие в обычно недоступных им видах деятельности. В виртуальном мире люди в инвалидных креслах мопт. например, испытывать свободу движений, которой они лишены в мире реальном. Очень немногие могут себе сегодня позволить приобрести системе' ВР. Но благодаря техническому прогрессу легкие шлемы и более мощные компьютеры вскоре принесет ВР в дома среднего человека.
Q Используя виртуальный тренажер, машинист учится реагировать на неожиданные опасности, не ставя при этом под угрозу жизнь пассажиров. На экран проецируется изображение железнодорожного пути.
Применение в САПР Виртуальная реальность широко применяется почти во всех отраслях архитектуры и промышленной эстетики. Уже с середины 1970-х гг. важным средством проектирования являются системы автоматизированного проектирования ((АИР), позволяющие пользователю рисовать на компьютерном экране трехмерные изображения. Однако если у вас нет шлема ВР и перчатки Д1Я вывода этих изображений, погрузиться в свой виртуальный мир вам нс удастся.
Первое письменное свидетельство об использовании виртуальной реальности
ф Прежде чем тратить много денег на реальное строительство, архитекторы и градостроители могут походить по виртуальным торговым или гостиничным комплексам, отыскивая различные недоработки.
в сфере технической эстетики связывается с работами в Университете Северной Каролины ((ЛИА). Тамошние архитекторы создали виртуальное здание и затем «исходили » его вдоль и поперек. Они могли открыва ть двери и окна, проверяя, все ли может работать, и даже расставлять в некоторых помещениях мебель. Осматривая свой дом «изнутри». создатели могли отыскать любые допущенные в нем ошибки и исправить их прежде, чем начинать какие-либо строи тельные работы.
Сперва испытайте
Одно из главных качеств, привлекающих внимание крупного капитала к виртуальной реальности - это то. что она может сэкономить деньги. Разве нс искушает возможность обнаружения конструкторских недоработок на столь ранней стадии (представляете, во что может обойтись постройка здания, которое приходится сносить и возводить заново только потому, что оно было неправильно задумано)! Виртуальная реальность позволяет архитекторам также спроектировать несколько различных вариантов здания, а затем проектировщики и представители общественности могут «побродить1 вокруг. ощутить, как выглядят различные решения, и решить, что им больше всего нравится и что даст наибольший эффект.
Виртуальная реальность открывает огромные возможности. Будущие жители новых городов смечут «прохаживаться»
по виртуальным улицам, торговым и жилым кварталам, паркам задолго до того, как в их основание ляжет первый кирпич. Уже сегодня некоторые агенты по торговле недвижимостью предлагают клиентам виртуальное ознакомление с интересующими их помещениями.
Проектирование
Виртуальная реальность становится огромным подспорьем в авиационной отрасли, позволяя избежать необходимости сооружать несколько различных макетов (моделей в полную величину). Каждый раз, когда инженеры проектируют новый самолет или вертолет, им, чтобы гарантировать его летные качества и безопасность пассажиров и экипажа, приходится создавать образцы. Если с образцом что-то не в порядке, они возвращаются к чертежной доске, вносят изменения, и затем строят другой. Дело это очень дорогостоящее и длительное.
Используя ВР, конструкторы могут проектировать, строить и испытывать свой летательный аппарат в виртуальной среде без того, чтобы им приходилось создавать реальный самолет. Этот метод
nk Morgan/Science Photo Libr
О Этот исследователь отрабатывает глазную операцию. Микроскоп связан с системой ВР и «виртуальным» скальпелем. Скальпель управляется специальным пером, которое подключено к компьютеру.
также дает проектировщику реальную возможность опробовать различные концепции - детально все их рассмотреть, а тогда выбрать самую лучшую. НАСА воспользовалась виртуальной реальностью для разработки проекта вертолета, а компания «Боинг» - при создании последней модели своего самолета.
Врачи, вооружившись возможностями виртуальной реальности, сумели уже побы
124
О Военные (армия, ВМС и ВВС) используют виртуальную реальность для составления оперативных планов. Американские летчики, участвовавшие в военно-воздушных операциях в Афганистане в 2001-02 гг., изучили его ландшафт с помощью систем ВР.
вать внутри человеческого тета. В Университете Северной Каролины метод ВР позволил врачам проникнуть в грудную клетку пациента, больного раком, чтобы удостовериться, что пучок ионизирующего излучения, которым лечили рак, попадет в нужное место. Скоро медики смогут рассматривать и изучать опухоль своими глазами в объемном изображении, а нс на двухмерных снимках и рентгеновских пленках.
см. также
Наука и техника 31 - КОМПЬЮТЕРЫ
ВИРТУАЛЬНЫЕ МИРЫ
Тематические ВР-парки сегодня пользуются исключительным успехом: ежегодно в них бывают тысячи посетителей. Однако использование виртуальной реальности планируют расширить еще дальше. В США действует виртуальный аквариум, известный как «Водный мир Марриота». Здесь вы можете наблюдать за рыбами через широкоугольные иллюминаторы. В Японии же активно строят планы создания аквариума, в котором посетители смогут фактически поплавать вместе с обитателями моря! Есть проект создания виртуального зверинца в британском городе Лестер: с помощью ВР и другой мультимедийной техники посетители сумеют не только узнать об образе жизни и среде обитания животных, но и «побывать в их шкуре».
Виртуальное тело
Некий убийца, казненный в США на электрическом стуле, завещал свое тело науке. Его труп препарировали на сверхтонкие срезы, которые потом пригодились при создании виртуального тела для медицинских исследований; скоро все студенты-медики вместо реальных пациентов смогут обучаться на виртуальных телах.
Виртуальная реальность помогает наглядно представить неизведанное или невидимое. Возможно, в результате ВР-опе-раторы сумеют с помощью робота выполнять ремонт в космическом пространстве. Так. например, методика под названием «виртуальное кукловождение» построена на том, что квалифицированный оператор управляет роботом, который подражает всем движениям своего «кукловода».
Эти автоматы уже находят применение в опасных, но крайне важных операциях.
Наука и техника 54 - МУЛЬТИМЕДИА |
Отопление
[
Мы ощущаем холод, когда температура нашей кожи немного понижается, и заболеваем, когда температура тела поднимается выше 37°C.
В связи с этим в большинстве случаев обогрев необходим нам и для комфорта, и для здоровья.
Многие дома обогревают за счет сжигания в печах дерева, угля, кокса или других видов твердого топлива. До XX века это был обычный способ отопления. Затем, когда в развитых странах получили распространение нефть, газ и электричество, они стали широко применяться для отопления из-за их удобства и дешевизны.
Теплопередача
От объекта тепло может передаваться посредством излучения, проводимости и конвекции, или их комбинациями.
Тепло в виде излучения - это форма электромагнитного излучения, как свет или радиоволны. Оно может проходить через воздух и даже космос. Некоторые среды, тот же воздух, поглощают небольшое количество лучевой энергии, пропуская основную ее часть. Другие - либо отражают излучение, либо поглощают его. Соотношение поглощенного и отраженного излучения зависит от цвета, состава и структуры материала. Темные и грубые поверхности поглощают излу
чаемое тепло в больших количествах, чем светлые и полированные, которые отражают большую его часть.
Проводимость тепла от одного объекта к другому происходит при их непосредственном контакте - тепло переходит от горячего предмета к холодному. Например, при глажении белья тепло передается от утюга к материи.
Конвекция - передача тепла посредством циркуляции, она характерна для жидкости и газа. Например, воздух, нагретый радиатором, образует конвективные потоки в помещении. Нагреваясь, воздух расширяется, его плотность уменьшается, и он поднимается вверх. Холодный, более
О Римский гипокауст - это первая система центрального отопления. Топка под домом нагревала каменный пол и стены. Над топкой располагался котел, нагревающий воду для мытья.
тяжелый воздух занимает его место и нагревается радиатором. В верхних слоях он постепенно охлаждается, отдавая свое тепло, и опускается вниз. В результате происходит постоянная циркуляция конвективных течений воздуха.
Разные отопительные приспособления передают тепло различными способами.
При сгорании твердого топлива в каминах тепло излучается в помещение. Некоторые из устройств обогревают котел,
ф Типичная домашняя система центрального отопления.
Нефть, газ или твердое топливо сгорает, нагревая воду в котле. Горячая вода (показана красным) проходит через радиаторы, которые нагреваются и излучают тепло в помещения, после чего охлажденная вода (синий) возвращается обратно в котел. Вода из котла также циркулирует через теплообменник, нагревающий холодную воду, затем она поступает в систему горячего водоснабжения.
расположенный сзади, для нагрева воды. В воде тепло передается конвекцией.
Газовые обогреватели обычно имеют элементы накала, излучающие тепло. У некоторых электрических обогревателей есть элементы накаливания с отражателями, расположенными за ними. Другой тип электрических обогревателей работает за счет конвекции. Отверстия дают возможность воздуху проходить через нагревательные элементы и создавать в помещении конвективные потоки.
Выбросы
Сжигание топлива в нагревателях ведет к образованию вредных газов и копоти. Для отведения дыма строят дымоход с трубой. При использовании некоторых
маленьких газовых или масляных нагревателей для удаления дыма достаточно простого проветривания помещения.
Электрические нагреватели не выделяют дыма и не требуют вентиляции. В них тепло образуется при прохождении электрического тока через проволочный нагре-вательный элемент. Это не означает, что электричество менее вредно для окружающей среды. Его часто получают на тепловых электростанциях (ТЭС) путем сжигания угля, газа или нефти. Таким образом, основное отличие электричества состоит в том, что вредные выбросы происходят при его производстве, а не потреблении.
Так как электрические нагреватели не дымят, они очень удобны и просты в эксплуатации. В некоторых домах дня отопления используют полы с подогревом, в которых напольные керамические плиты нагреваются электрическими проволочными элементами в ночное время, когда нагрузка в электросети минимальна, и затем медленно отдают тепло в течение дня. Однако более распространенными являются нагреватели, использующие теплоудерживающие блоки для обогрева помещений в течение дня.
Скрытое электрическое отопление является современной разработкой, но самой
0 В отдельных микрорайонах города существуют свои системы отопления.
Это крупные системы центрального отопления. Горячая вода из котельной подается насосами ко многим
зданиям в районе для отопления и горячего водоснабжения. На этой схеме котлы на
греваются за счет сгорания угля. Горячая вода с температурой 149°С под давлением выходит из котельной и распределяется по стальным трубам диаметром 20 см, которые уложены в трубопроводы и покрыты изоляцией из стекловолокна для снижения потери тепла.
126
идее сотни лет. Также не нов принцип центрального отопления, при котором один источник тепла обогревает несколько зданий. Оба этих принципа были использованы в древнеримском гипокаустс - первой системе центрального отопления.
Центральное отопление
В гипокаусте дрова сгорали в полости под каменным полом. Дым и горячий воздух циркулировали под полом, поднимались вверх через полости в стенах и выводились через расположенные наверху отверстия. Кроме отопления топка также нагревала воду для мытья. Подобно им, современные системы центрального отопления служат для отопления и нагрева воды. Вода является неотъемлемой час
КОТЕЛЬНОЙ
см. также
Планета Земля 70 - ЭНЕРГИЯ
тью таких систем. Обычно газ, нефть или уголь сжигают, нагревая воду, которая затем проходит через радиаторы, расположенные в каждой комнате. Радиаторы имеют большую площадь поверхности для увеличения количества излучаемого тепла. Посте прохождения системы радиаторов вода снова нагревается.
Вода из котла также проходит через медный змеевик внутри бака. Змеевик действует как теплообменник, передавая тепло воде, подаваемой в краны.
Крупные системы центрального отопления обеспечивают отопление и горячее водоснабжение для зданий целого микрорайона. Некоторые системы имеют свои собственные котельные, другие используют избыток тепла от электростанций.
Освещение
Люди научились использовать огонь для освещения около 500 000 лет назад. С течением веков конструкция светильников все более усложнялась, и сегодня одним щелчком рубильника можно залить светом целые улицы и дома.
выдолбленные из мела и песчаника С примитивные лампы датируются учеными примерно 80 000 г. до н. э., а в Ираке были найдены керамические светильники возрастом около 10 000 лет.
Библия свидетельствует, что изготовленные из того же животного жира свечи горели в храме Соломона еще в X веке до н. э. С тех пор без них не обходилось ни одно богослужение, но широкое применение в быту они нашли только в эпоху средневековья.
Лампы Аргана
Век современного освещения начался с изобретения масляных ламп, которые в 1784 г. приобрели свою наиболее совершенную форму стараниями швейцарца Ами Аргана. Его лампа была снабжена трубчатым фитилем; воздух всасывался с боков сквозь середину трубки, обеспечивая яркое и почти бездымное пламя. Позднее в лампе Аргана начали использовать керосин, что еще более повысило качество пламени. На керосине по сей день работают лампы типа «летучая мышь».
Q Неоновые огни Лас-Вегаса (США). Газ неон широко используется в рекламе благодаря своей электропроводности (он способен создавать большие светящиеся поверхности) и светоотдаче.
О Заслуга создания простейшей лампы накаливания в равной мере принадлежит англичанину Джозефу Суону (1878) и американцу Томасу Эдисону (1879). Но изобретение современной электролампы всегда -и, возможно, несправедливо -будут связывать с именем американца.
Успех газа
В 1798 г. шотландец Уильям Мердок начал использовать каменноугольный газ для освещения пещеры неподалеку от его дома в Корнуэлле. Спустя 12 лет он устроил газовое освещение своего дома в Редруте, а затем попытался создать газовую осветительную систему на заводе под Бирмингемом. В 1807 г. лондонская Пэлл-Мэлл стала первой в мире улицей с газовым освещением. Несмотря на трудности с удалением сажи, к 1830 г. улицы крупных городов Европы и Северной Америки уже освещались газовыми фонарями.
Первые газовые светильники давали довольно слабое пламя, и только после появления в 1885 году сетчатой лампы Вельсбаха газ начали широко применять
39
Элементы лампы накаливания, т. е. всем известной электрической лампочки. Вольфрамовая спираль нагревается электрическим током. Количество и цвет излучаемого света зависят от рабочей температуры спирали. Самый яркий свет излучается при температуре нагрева 2700°С.
О На этом снимке, сделанном с замедленной выдержкой, по городским улицам текут огни автомобильных фар. На первых автомобилях устанавливались карбидные фонари, в которых от реакции карбида кальция с водой образовывался горючий газ ацетилен. В современных автомобилях используются вольфрамовые галогенные фары, излучающие яркий белый свет. Они легки, компактны, экономны и работают от автомобильного аккумулятора.
для внутреннего освещения. Над форсункой, в которой угольный газ смешивался с воздухом, Вельсбах закрепил калильную сетку. Когда газ зажигали, сетка ярко накалялась, излучая теплый белый свет. Конструкция оказалась настолько удачной, что до конца 1930-х годов газ оставался серьезным конкурентом электричества.
Век электричества
Самые первые электролампы - угольные дуговые - были созданы Хэмфри Дэви в 1809 году'. Два угольных стержня подключались к клеммам огромной батареи. В точке соприкосновения эти стержни раскалялись добела. Когда их разводили на расстояние около 10 см, между’ ними вспыхивала ослепительно белая световая дуга.
Однако практическое применение эти лампы нашли только в 1831 году, с появлением генераторов. В 1850-е годы дуговые лампы начали использовать для вре-
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛЮ- 1 Включение переменного тока
МИНЕСЦЕНТНОЙ ЛАМПЫ
В корпусе люминесцентной лампы возникает разряд, и вызванное им ультрафиолетовое излучение заставляет фосфорное покрытие внутренних стенок лампы «флуоресцировать», т. е. поглощать ультрафиолетовую энергию и излучать видимый свет различных цветов.
2. Катод излучает поток электронов одним из трех собов
менного освещения улиц в Лондоне. Париже, Берлине и Нью-Йорке, а в 1862 год)7 первая стационарная дуговая лампа была установлена на маяке Дандженесс.
Первые электролампы
В 1878 году Джозеф Суон поместил в герметичную стеклянную колбу тонкую нить обугленной целлюлозы, нагрел ее, чтобы удалить газы из угля, а затем откачал из колбы воздух для создания вакуума.
Через год после Суона американец Томас Алва Эдисон изготовил лампу' с тонкой нитью из карбонизированного бамбука, а в 1882 году построил в Нью-Йорке первую электростанцию, которая снабжала энергией 10 000 ламп. Так началось бурное развитие века электричества.
Электролампы наших дней В колбах современных электроламп светится вольфрамовая спираль. Электрический ток. проходя через спираль, нагревает ее примерно до 2700°С, заставляя излучать яркий белый свет.
Излучаемый лампой свет измеряется в люменах. Соотношение между количеством света и потребляемого электричества называется световой эффективностью. Световая эффективность лампы с вольфрамовой спиралью равна примерно 12 люмен/ватг. Иными словами, это низкоэффективный источник света. Большая часть излучения спирали находится в невидимом инфракрасном, или тепловом, спектре. Другая проблема состоит в том, что атомы вольфрама испаряются с поверхности спирали, осаждаясь на внутренней поверхности колбы. Колба постепенно чернеет, и количество излучаемого света уменьшается. В конце концов, вольфрам испаряется настолько, что спираль перегорает, и лампа гаснет.
Чтобы замедлить испарение спирали, колбы ламп заполняют аргоном и азотом, но предотвратить этот процесс пол-
О От сильного теплового излучения мощных ламп, необходимых для подводных съемок, обычное стекло растрескалось бы. Вместо него применяется жаропрочное кварцевое стекло, аккуратно вырезанное лазерным лучом.
оо Мощные прожекторы - металлога-
неоновых огней, сверкающих почти во
ностью невозможно. Чем выше температура спирали, тем быстрее испарение, но и тем ярче излучаемый свет. Производителям удалось добиться некоторого компромисса, и современные лампы выпускаются с ресурсом примерно 1000 часов, но и в излучаемом ими спектре больше
желтого цвета, чем в солнечном.
Галогены
Другим способом замедлить испарение спирали стало использование вольфрамо-во-галогенных ламп. В колбу лампы вводится галоген - йод или бром. Они образуют с вольфрамом неустойчивое химическое соединение, которое осаждается на спирали, а не на стенках колбы.
Однако йод и бром тоже оказывают химическое воздействие на стекло, поэтому колбу приходится делать из дорогостоящего кварца. Вольфрамово-галогенные лампы допускают высокие температуры накала и без ущерба для долговечности излучают более яркий белый свет, близкий к естественному спектру.
Газоразрядные лампы применяются с начала 1930-х годов. Первые лампы вместо откачанного воздуха заполнялись небольшим количеством неона. Высокое напряжение подавалось на электроды, размещенные в обоих концах трубки.
Между электродами возникал электрический разряд, и лампа начинала излучать красноватое свечение. Эти трубки можно было изгибать, образуя различные формы или буквы, и они вскоре стали применяться в рекламе. Так началась эра
лоидные лампы высокого давления в герметичных стеклянных рефлекторах - применяются для освещения не только стадионов, но и промышленных комплексов, строительных площадок и т. д. Металлогалоидные лампы, излучающие яркий белый свет, широко используются и для внутреннего освещения - например, в больших залах.
всех городских центрах.
Эксперименты с другими газами открыли широкий спектр разных цветов. Натриевые лампы низкого давления излучают желтый свет и используются для освещения улиц. На первых порах их эффективность не превышала 70, но сейчас она выросла до 200 люмен/ватт.
Зеленый свет
Нашлось применение и ртутным лампам с эффективностью около 45 люмен/ватт. Правда, в их зеленоватом, хотя и нс монохромном, свете предметы и люди кажутся немного призрачно-плоскими.
К концу71930-х годов лампы стали покрывать фосфорным люминофором, который дополнил ртутный спектр недостающим красным оттенком. Это были первые шаги люминесцентного освещения. Большинство офисных помещений освещаются ртутными газоразрядными лампами с небольшой примесью аргона. Давление паров сохраняется низким, чтобы излучалось больше ультрафиолетового, нежели видимого света. Внутренняя поверхность трубки покрыта фосфором. Ультрафиолетовое излучение возбуждает люминофор, и тот начинает флуоресцировать, т. е. по-
Корабли и лодки
В прошлом большинство кораблей и лодок строили из дерева, и так было до 90-х годов XVTII в., когда появились первые корабли из железа. Через 100 лет их стали строить из стали.
Примерно 200 лет назад появилась идея построить корабль из железа. Многие люди опасались, что такое судно потонет, поскольку железо намного тяжелее дерева. В действительности способность судна удерживаться на плаву зависит от соотношения его массы и объема. Неважно, сколько весит судно; имея большой объем, оно будет плавать.
Водоизмещение
Если предмет поместить в воду7, он вытеснит определенный объем воды. Эта вода удерживалась на месте выталкивающей силой, создаваемой окружающей водой. Та же выталкивающая сила будет действовать на предмет, помещенный в воду7, и, следовательно, уменьшать кажущуюся массу предмета на величину, равную массе вытесненной воды.
Предмет, постепенно погружающийся в воду, будет испытывать постоянно растущую выталкивающую силу7 Даже если железный брус полностью погружен, выталкивающая сила будет недостаточной, чтобы поддержать его на плаву. Но если той же массе железа придать форму большего объема, она будет вытеснять значительно большее количество воды. При
погружении в воду7 лодка, в конце концов, достигнет уровня, когда будет вытеснять столько воды, что образующаяся выталкивающая сила будет поддерживать ее на плаву. Это количество воды, вытесненное плавающим судном, называют его водоизмещением.
Грузоподъемность
Теперь положим на лодку груз. Он толкает лодку вниз в воду до тех пор, пока корпус не вытеснит достаточное дополнительное количество воды, чтобы обеспечить дополнительную выталкивающую силу, необходимую для поддержания лодки на плаву. Но если груз будет слишком тяжелым, лодка никогда не достигнет точки, в которой сможет вытеснить достаточное количество воды, чтобы держаться на плаву, и потонет. По-
Q Современное по-лупогруженное грузовое судно. Цистерны наполняют водой, погружая судно так, чтобы над поверхностью находились только носовая и кормовая надстройки. Груз (в данном случае другой корабль) «заплывает» на борт. Воду из цистерн откачивают. Всплывая, корабль поднимает и груз.
О «Босанка» - универсальный сухогруз. Такие корабли перево- 2 зят одновременно грузы нескольких видов, в | то время как навалочники - обычно насып- о нои груз одного типа.
О Грузовая марка на борту корабля показывает максимально допустимую осадку в водах той или иной плотности. Буквы указывают воды различной температуры и солености, цифры -осадку в футах.
О Контейнеровозы перевозят груз в трюме или на палубе. Когда корабль прибывает в место назначения, контейнеры перегружают на железнодорожные платформы. Использование стандартных контейнеров сокращает время погрузки-выгрузки.
О Ученые работают с лазерным лучом, который генерируется алюмоиттриевым гранатом в реакции с пластинками металла неодима.
О Хирурги используют эндоскоп в ходе операции. Луч лазера, проходящий по гибким оптическим волокнам, разрезает больной орган вместо обычного скальпеля.
глощать ультрафиолетовые лучи, издавая вместо них видимый свет. С помощью различных фосфорных смесей можно добиться почти любого цвета свечения.
Немного красного
В середине 19б0-х годов в покрытие ртутных ламп высокого давления стали добавлять редкоземельное соединение ванадат иттрия. Издаваемое им красное свечение позволило восполнить недостаток красного _j цвета в спектре ртутных ламп. Они были го- > раздо компактнее люминесцентных ламп и | при соответствующей компоновке легко 7 подключались к обычной электроарматуре. | Они потребляют вчетверо меньше энергии, |
чем лампы накаливания, излучая намного меньше тепла, а примеси определенных металлов - таллия, диспрозия, индия и натрия - в ртутных парах высокого давления улучшают цветопередачу: Металлогалоидные лампы эффективностью 80-85 люмен /ватт излучают белый свет, близкий к естественному спекфу. 1000-ватгные металлогалоидные лампы в герметичных рефлек-
торах из прессованного стекла применяются для освещения стадионов и пришли на смену устаревшим дуговым лампам при освещении съемок на открытом воздухе.
Одним из способов улучшения цветопередачи является повышение давления паров в натриевых лампах. Однако при высоком давлении стеклянный баллон лампы может нс выдержать химической атаки ионизированного натрия, образующегося при температурах выше 700°С. Было найдено несколько вариантов решения этой проблемы. Можно применять алюминиево-керамические или кварцевые лампы,
О Волоконная оптика - предвестник эпохи систем почти мгновенных телекоммуникаций.
По тонким оптическим кабелям можно передавать со скоростью света огромные объемы информации.
О Звук и свет.
На концертах Жана-Мишеля Жарра гигантские лазеры, подключенные к акустической системе, создают пляску света в такт музыке.
либо покрывать их внутреннюю поверхность порошковым напылением.
Производители разрабатывают ксеноновые газоразрядные лампы, дающие полихромный свет, почти идентичный естественному7 солнечному спектру. Однако будущее, по-видимому, принадлежит электролюминесценции - явлению, заставляющему светиться поверхности стен и потолков.
Волоконная оптика
Ведутся разработки и в других направлениях светотехники. В промышленности применяются лампы с особым спектром свечения, вызывающим определенные химические реакции. Под лучами инфракрасных ламп ускоряется высыхание окрашенных поверхностей, а в медицине нашли применение и ультрафиолетовые, и инфракрасные лампы. В организм больного вводятся эндоскопы с подсветкой, сводящие к минимуму хирургическое вмешательство и позволяющие видеть операционное поле без крупных разрезов. Волоконно-оптические световоды освещают места, в которых обычной лампой пользоваться нельзя. Более того, эндоскоп с волоконным проводником, на кончике которого сверкает тончайший лазерный луч, способен врачевать внуфенние органы. С помощью лазеров лечат многие недуги - останавливают кровотечение желудочных язв, удаляют поврежденные участки головного мозга, отключают болевые центры и выжигают раковые клетки на шейке матки.
Смертоносные лазеры Конструкторы пытаются превратить лазеры в эффективное разрушительное
оружие, нс довольствуясь тем, что они уже используются в системах наведения и информационных сетях. Скажем, бомбы с лазерным наведением намного точнее попадают в цель, чем при визуальной наводке, да и ракеты, наводящиеся рассеянным лазерным лучом, способны поразить цель с высочайшей точностью. Значение этих видов вооружений хорошо показала война в Персидском заливе. Однако для лазеров, способных непосредственно уничтожать военные цели, требуется неизмеримо больше энергии, чем может себе позволить любое государство.
Современная кухня
О Наряду с прекрасным дизайном современные кухни имеют множество различных приспособлений. Справа от газовой плиты расположена духовка с рашпером наверху. Все поверхности имеют покрытие из твердых, легко чистящихся материалов - керамики, «нержавейки» и стекла.
Вы все еще можете приобрести отдельно стоящую плиту, но в большинстве кухонь в наши дни используются раздельные плита и встраиваемая духовка. Над плитой располагается вытяжка, а духовка встроена справа на уровне глаз, рядом с также встроенным холодильником.
Современное кухонное оборудование настолько удобно, что большинство людей не представляют себе жизни без него.
Еще недавно холодильник считался роскошью, а сейчас он есть практически в каждой семье. Так же обстоит дело и с другими кухонными устройствами и приспособлениями, которые постоянно совершенствуются, а их ассортимент стремительно расширяется.
1/отя основные приемы кулина-рии за последние столетия жшпрактически не изменились, кухонное оборудование постоянно совершенствуется и обновляется.
Удобство, экономия времени и сил - вот основные приоритеты при разработке кухонного оборудования. В наши дни большое значение приобретают также такие факторы, как экономичность и безвредность для окружающей среды.
В развитых странах большие изме
нения в оборудовании кухонь произошли в XIX веке, поскольку кухонные плиты, работающие на твёрдом топливе, стали альтернативой приготовлению пищи на открытом огне. В конце XIX столетия уже широко использовались газовые плиты. В наши дни все еще существуют плиты, работающие на угле, дровах или жидком топливе, но большинство современных домашних кухонных плит -газовые или электрические.
В основном кухонные плиты пред
ставляют собой цельную конструкцию - стоящую отдельно или встроенную. Кухонная плита состоит из собственно плиты, одной или двух духовок и гриля. На плите располагаются газовые или электрические конфорки. В большинстве электрических плит используется термостойкое стекло с расположенными под ним нагревательными элементами. Самыми дорогими нагревательными элементами являются галогенные лампы, которые обеспечивают нагрев до
Mary Evans Picture Librar
сделаны из теилоотражающего стекла, что предотвращает ожоги при контакте.
заданной температуры за считанные секунды. Некоторые производители выпускают комбинированные плиты - например, с двумя галогенными и двумя газовыми конфорками.
Духовки
Самые современные кухни оборудуются раздельными духовками и плитами. Это даст больше "свободы при проектировании и разработке дизайна кухонь. К тому же, некоторые предпочитают пользоваться газовыми плитами и электрическими духовками.
Температура в духовке устанавливается и поддерживается при помощи термостата, который после нагрева духовки до заданной температуры автоматически регулирует подачу газа или электричества. В духовках, оборудованных вентилятором, температура распределяется равномерно, в то время как в духовках без вентилятора температура в средней части ниже, чем в верхней, и выше, чем внизу.
Существуют также многофункциональные духовки, которые обеспечивают приготовление пищи различными способами. Распространенной комбинацией функций является наличие гриля, вентилятора и режима размораживания. Существуют и другие комбинированные модели. Они могут быть такого же размера, как стандартные микроволновые печи или обычные встроенные духовки, и позволяют готовить пища' либо микроволновым методом, либо обычным конвективным, либо их комбинацией.
Для безопасной работы дверцы большинства современных духовок
00 Современный электрический миксер (справа). Обычный кухонный миксер (внизу) появился в 1930-х гг., когда было налажено массовое производство небольших электромоторов. Домашняя работа рассматривалась уже как профессия, а кухонные принадлежности и оборудование стали орудиями труда домохозяек.
О В 1936 г. идеалом английской домохозяйки была плита «Ага». Она работала на дровах и угле, имела несколько духовых шкафов и просторный рабочий верх -жарочный настил для пяти-шести единиц посуды.
Микроволновые печи
Нагревательные элементы обычных электрических духовок нагреваются за счет прохождения через них электрического тока. Микроволновые печи используют нагревательный эффект радиоволн в микроволновом диапазоне между СВЧ - телевизионным -сигналом и инфракрасной частью спектра. Микроволны не несут тепло в явном виде. Они заставляют быстро двигаться молекулы воды в пище, что
00 В микроволновой печи (внизу) электромагнитные волны излучаются магнетроном (справа). Электроны, испускаемые катодом, вращаются вокруг анода под воздействием магнитного и электрического полей. При этом в полости анода возникают электромагнитные волны, которые распространяются внутри печи. Молекулы воды в пище (А) ориентируются (В и С) по направлению поля микроволн. Возникающие при этом движении силы трения обеспечивают тепло для термообработки пищи.
Philips Whirlpool
приводит к выделению тепла за счет возникающих сил трения. Нечто подобное происходит, когда вы потираете руки и они становятся теплее.
В микроволновых печах волны генерируются устройством, называемым магнетроном, и распространяются внутрь печи. Ее внутренняя поверхность сделана из металла, поэтому микроволны не выходят за пределы печи, а отражаются от стенок, попадая па готовящуюся пищу вновь и вновь. Микроволны, поглощаемые молекулами воды в пище, могут проникать на глубину около 5 см. "Поэтому внутренняя часть большого куска
мяса готовится уже за счет тепла, поступающего от внешних слоев.
Контроль времени очень важен при приготовлении пищи, и даже недорогие электроплиты сегодня имеют встроенные часы. В самых последних моделях есть таймер, автоматически задающий время начала и окончания приготовления того или иного блюда, и датчик, показывающий температуру внутри духовки.
Холодильники и морозильные камеры
Принцип действия холодильника основан на том, что вещества поглоща
ют тепло при переходе из жидкого состояния в газообразное и выделяют его при обратном переходе.
В холодильниках вещество, называемое хладагентом, проходит в жидком виде через испаритель, который представляет собой трубчатый змеевик, расположенный внутри морозильной камеры. На входе в испаритель давление жидкости резко уменьшается, и она испаряется, поглощая тепло и охлаждая камеру. После этого газ попадает в конденсатор на внешней стороне холодильника (тоже зигзагообразную трубку). Здесь газ конденсируется в жидкость, выделяет тепло и поступает обратно в испаритель. Таким образом, холодильник - это тепловой насос, который перекачивает тепло из внутренней части холодильника наружу"
В обычных домашних холодильниках для обеспечения циркуляции хладагента используется компрессор, работающий от электромотора. Вплоть до начала 1990-х годов в качестве хладагента использовали вещества, называемые фреонами (хлорф-торутлероды). Однако было установлено, что эти соединения разрушают озоновый слой атмосферы, поэтому их заменили другими, безопасными для окружающей среды газами.
Испаритель является самой холодной частью холодильника. Часто он расположен в отделении, используемом для получения льда или хранения замороженных продуктов. Температура в холодильнике всегда должна быть между 0°С и 5°С. Более высокая температура способствует росту бактерий, портящих продукты. Современные холодильники сами контролируют свою температуру и выбирают наиболее экономичный режим для ее поддержания. Это
оооо
новкой более низкой температуры, чем обычная температура хранения. Многие модели имеют несколько отделений, некоторые из которых поддерживают температуру ниже -35°С.
О V этой встраиваемой плиты рабочая поверхность сделана из стеклокерамики, которая закрывает и предохраняет галогенные и теплоизлучающие нагревательные диски.
Q На кухне космонавтов имеются лотки с упаковками сухой пищи, закрепленными липкой лентой, чтобы не разлетались по кабине в состоянии невесомости.
Теплоизоляция
Хорошая теплоизоляция является необходимым условием нормальной работы холодильников и морозильных камер. В противном случае наружное
очень важно, поскольку холодильники потребляют значительное количество электроэнергии.
Морозильные камеры используются для длительного хранения замороженных продуктов. Их рабочая температура составляет -18°С. Они также должны обеспечивать быстрое замораживание свежих продуктов для сохранения их вкусовых и питательных свойств. Это достигается уста-
/iff*.
00 Задняя стенка холодильника (слева) и схема работы холодильного компрессора (крайний слева). Компрессор работает от электромотора, обеспечивая движение хладагента по контуру. Жидкость поступает в трубы морозильного отделения, где расширяется и переходит в газообразное состояние. В результате происходит поглощение тепла и охлаждение камеры. Образующийся газ сжимается и переходит в жидкость в конденсаторе. Современный холодильник(внизу) с устройством для приготовления льда и автоматом для охлажденных напитков.
тепло будет поступать внутрь и повышать температуру в камере. Плохая теплоизоляция приводит к дополнительным затратам энергии для удаления избыточного тепла. Современные холодильники оборудованы изоляционным слое.м из полиуретана в несколько сан-тимефов толщиной, что эквивалентно 5 метрам бетона. Такая изоляция позволяет при отсутствии электричества поддерживать в холодильнике низкую температуру в течение 24 часов.
Большинство производителей предлагают широкий ассортимент как отдельных, так и встраиваемых холодильников и морозильных камер.
НАУКА И ТЕХНИКА 41
Пищевые технологии
Этапы консервирования горошка.
Перед тем как передать его на хранение до момента обработки, сухой горох вымачивали в воде (слева вверху).
На конвейере (справа вверху) горох перебирают и удаляют негодные горошины. Затем банки заполняют горохом и рассолом (слева).
й После закатывания 2 банки проваривают (справа).
Свежие запасы многих пищевых продуктов поступают в определенное время года. Пищевые технологии обеспечивают разные способы их консервирования, благодаря чему они не исчезают с нашего стола круглый год.
Содержащие влагу’ пищевые продукты - мясо, рыба и фрукты -быстро портятся в тепле. Поэтому первобытным людям приходилось ежедневно добывать свежую пищу, хотя некоторые виды провизии (например, зерно) могли храниться долгое время без потери качества.
Чаще всего причиной порчи пищи являются ферменты, бактерии и грибки. Ферменты - это белки, способные вызвать химические реакции в органических тканях. Например, если разрезать яблоко и оставить его на воздухе, оно вскоре покроется коричневым'налетом в результате окисления амино
кислоты тирозина ферментом фенола-зой. Оба эти вещества входят в состав данного фрукта. Молоко скисает по вине молочнокислых бактерий. Большинству людей такое молоко не по вкусу, по оно сохраняет’ питательные свойства и остается безвредным. Но есть и патогенные бактерии, вырабатывающие токсины (яды) и вызывающие серьезные пищевые отравления у людей.
Известная патогенная бактерия Clostridium botulinum вызывает ботулизм - смертельно опасное отравление. Поскольку эта бактерия сохраняет активность в анаэробных (безвоздушных) условиях, она поражает и консервированные продукты.
Плесени - грибки, живущие па растениях и животных. Часть из них может разлагать продукты питания. Так, Byssochlamys fulva поражает стенки клеток фруктов. Другие плесени намеренно вводят в пищевые продукты (например, в сыр «рокфор») для ускорения созревания и придания особого вкуса. Еще одна группа - дрожжи -приносят как вред, так и пользу.
Консервирование
При низких температурах замедляются химико-биологические процессы, вызывающие порчу пищевых продуктов. Поэтому они дольше сохраняют свежесть, если хранятся в холоде или в замороженном виде.
Продукты, которые предстоит хранить при более высоких температурах, часто вначале подвергают термообработке, чтобы обезвредить ферменты и уничтожить бактерии и грибки. От бактерий и грибков можно избавиться и облучая пищу гамма-лучами.
Другой способ консервирования продуктов - уменьшение содержания в них воды, бода нужна как для жизнедеятельности микроорганизмов, так и для многих вызывающих порчу продуктов химических реакций. Некоторые продукты питания хранят в концентрированных растворах уксуса, соли или сахара, препятствующих росту7 вредных микроорганизмов. В ряд продуктов добавляют химические вещества - консерванты. Они за-
медляют скорость порчи продуктов, но изменяют их вкус.
Холодильная обработка
Охлажденные продукты хранят при температуре 0-8°С (последняя цифра более типична для бытовых холодильников). Например, такие фрукты, как яблоки и груши, можно хранить в течение года при температуре 1,5-3’С.
Консервирование мяса требует охлаждения и замораживания. Как правило, говяжью тушу весом 170 кг охлаждают до 12°С в течение 25 часов,
0 Цыплят (1) оглушают (2) и перерезают им горла (3). Обескровленные тушки ошпаривают (4), чтобы ослабить оперение. Ощипываются крупные и мелкие перья (5-6), удаляются лапки, внутренности и головы (7-9). Потом тушки охлаждают, сушат, связывают и упаковывают (10-12). И, наконец, их замораживают (13).
О Стерилизация молока перед упаковкой.
ОБЛУЧЕНИЕ
Некоторые виды пищевых продуктов консервируют, облучая их гамма-лучами. Конвейер доставляет продукты в зону облучения (слева), где они стерилизуются, не становясь радиоактивными. В результате замедляется процесс порчи, что позволяет продлить срок годности. Вот, например, ягоды клубники одного урожая: необработанные (слева внизу) и обработанные (справа внизу). Спустя несколько дней их состояние сильно отличается.
используя воздух с температурой -ГС, циркулирующий со скоростью 2 м/сек. Затем переходят к дальнейшему охлаждению и замораживанию в воздухе с температурой -10°С. Обычно это делается не позднее шести дней после убоя скота.
Замораживание говядины иногда ускоряют, разрезав ее на части и обдувая интенсивным потоком воздуха. Четвертины говяжьей туши можно заморозить до -20°С за 21 час, поместив их в скороморозильный туннельный аппарат, где воздух с температурой
-40°С циркулирует со скоростью 5 м/сек.
Горох и друтие мелкие продукты можно замораживать в т. н. псевдоожиженном слое. Холодный воздух (-23°С) подается снизу' через сетчатый конвейер из нержавеющей стали, горошины повисают в холодном воздухе и ведут себя как жидкость. Так можно заморозить горох всего за три минуты. Некоторые продукты предварительно охлаждают перед замораживанием погружением в жидкий азот температурой ниже -19б°С.
Тепловая обработка Существуют три основных метода высокотемпературной обработки пищевых продуктов: пастеризация, стерилизация в автоклаве и ультравысо-котемпературная обработка.
Пастеризация - относительно мягкий процесс, при котором пищевые продукты нагреваются обычно до температуры не выше 100°С. При этом уничтожаются все выделяющие токсины патогенные микробы, но друтие организмы остаются. Поэтому данный метод гарантирует безопасность продуктов при условии, что в них не было токсинов до обработки и что никакие друтие патогенные организмы не могли туда проникнуть. Но в конце концов сохранившиеся после пастеризации организмы вызовут порчу пищевых продуктов, и у них появится неприятный привкус.
В ходе стерилизации (намного более жестком способе тепловой обработки) гибнут почти все микроорганизмы, находящиеся в пищевых продуктах, и последние становятся практически стерильными. Продукты обычно помещают в герметичную тару, а затем нагревают паром под высоким давлением в автоклаве. При этом микроорганизмы погибают достаточно быстро, но требуется определенное время, чтобы вся пища внутри тары достигла нужной температуры. Диапазон температур стерилизации -100-127°С, а сам процесс длится от 10 до 90 минут в зависимости от вида пищевых продуктов и размера тары.
Ультравысокотемпературная (УВТ) обработка проходит при 140°С. В таких условиях стерилизация молока занимает всего три секунды. Преимущество УВТ обработки перед традиционной стерилизацией состоит в том, что при этом меньше страдает качество молока. Так, потери витамина С уменьшаются с 60% до примерно 10%.
' <
б' -; £> i»~ £-
Q После убоя щетину на свиных тушах удаляют паяльными лампами. Другой способ ее снятия - опустить всю тушу в чан с водой, нагретой до температуры 60°С, что ослабит щетину. Потом ее можно легко удалить с помощью машинки.
00 Туши замораживаются
в интенсивном потоке воздуха до температуры 0°С, затем распиливаются вдоль хребта и нутруются с помощью цепных пил. После взвешивания туш электронные щупы помогают определить содержание в них мяса и сала.
Обезвоживание
Обезвоживание (сушка) одни микроорганизмы в пищевых продуктах убивает, а другим не дает их портить. Перед употреблением большая часть сушеных продуктов проходит регидратацию (восстановление влагосо-держания), чтобы больше походить па свежую продукцию. Другие продукты такого типа (например, синеные фрукты) едят в сушеном виде.
Многие овощи сушат, используя метод псевдоожиженного слоя. Например, горох часто обрабатывают таким способом, так как он требует меньше времени, чем традиционные методы сушки. Вначале горошины протыкают иглами на вращающемся барабане, чтобы они впоследствии легче впитывали воду, когда придет время варки. Затем наступает первый этап сушки с использованием семи псевдоожиженных слоев. Как и при замораживании, горошины «висят» в потоке воздуха, интенсивно поступающего снизу через дырчатую ленту конвейера. В этом случае воздух нагревается от 40°С в первом слое до 55°С - в последнем. К моменту завершения конечного этапа флюидизации (псевдоожижения) содержание влаги в горохе падает с 80% до 50% по массе.
Жидкий азот, охлажденный до температуры ниже -196°С, используется для сверхбыстрого замораживания некоторых пищевых продуктов. Продукты подаются ленточным конвейером в теплоизолированную камеру, охлаждаемую жидким азотом в ходе испарения. Продукты движутся вокруг контейнера к его вершине по длинной спирали. Охлажденные продукты покидают контейнер по спускному лотку. Вентиляторы заставляют пары азота циркулировать внутри контейнера и выходить через выпускное окно.
В ходе сублимационной сушки пищевые продукты замораживают при температуре-18°С и ниже, а затем помещают в вакуум-камеру с давлением 0,0025 бар. В таких условиях лед, образовавшийся из влаги в продуктах, превращается в водяной пар, который улетучивается и конденсируется в виде льда на охлаждаемых трубах.
При низкой температуре сушки качество продуктов почти не страдает, а сами они становятся очень пористы
ми и легко впитывают воду при регидратации перед употреблением. К сожалению, сублимационная сушка очень дорого стоит и поэтому используется только для деликатесных продуктов.
Распылительная сушка часто служит для приготовления порошкообразных продуктов. Свежий продукт распыляется в сушильной камере, откуда полностью удаляют влагу; При этом его с помощью насоса пропускают через высоконапорное сопло или прогоняют че-
ф Свежеприготовленный хрустящий картофель. Картофель загружают в машину для чистки и мойки, а потом сортируют по размеру, проверяют на наличие дефектов и нарезают.
После промывки нарезанные ломтики сушат и затем кипятят в масле.
Q Изотермы сорбции показывают соотношение между вла-госодержанием и активностью воды -фактор, определяющий скорость порчи продуктов.
рез распылитель - быстро вращающийся диск с лопатками. В результате продукт измельчается. Чтобы получить сукой томатный порошок, томатную пасту подают насосом на распылитель и дальше - в сушильную камеру, куда поступает горячий воздух (80°С). Сухой томатный порошок оседает на стенках камеры. Растворимый кофе тоже получают методом распылительной сушки. Сначала кофе варят из обжаренных и молотых зерен, а затехм распыляют в камере, куда подается горячий воздух. После испарения воды остается кофе в виде тонкого порошка.
Жидкости
Один вид сушки происходит в присутствии жидкости. Высококонцентрированный раствор сахара впитывает воду из клеток любых находящихся в пище микроорганизмов, эффективно их обезвоживая и исключая какую-либо их активность. Таким образом, сахар действует как консервант и в этом качестве чаще всего используется в джемах. Не обходится без него и консервирование фруктов.
Кое-какие пищевые продукты, включая рыбные консервы и консервированный горошек, иногда маринуют в рассоле, а лук и некоторые друтие продукты - в уксусе. И соль, и уксусная кислота дезактивируют микроорганизмы.
Ферменты Бактерии Грибки Кислород Вода Контроль величинь рн Ионный баланс
Варка уничтожает при t >80‘С большинстве уничтожает частично уничтожав
Упаковывание в атмосфере инертного газа и под вакуумок препятствует росту подавляет удаляет или исключает
Консервирование или розлив в бутылки уничтожает уничтожает частично уничтожав удаляет и исключает
Охлаждение замедляет подавляет
Замораживание тормозит реакцию убивает 50-80% подавляет удаляет
Обезвоживание (сушка) уничтожает подавляет подавляет удаляет
Копчение подавляет подавляет подавляет частично заменяет СО, няет’
Засол/маринование инактивирует инактивируе подавляет снижает изме-
Облучение уничтожает уничтожав
0 Эта таблица демонстрирует влияние методов консервирования на организмы и другие вещества, способные вызвать порчу пищевых продуктов.
цвета и вкуса.
© Переработка сырья позволяет получить множество пищевых продуктов. Химические вещества добавляют
для консервирования, а также изменения
Спиртные напитки
Виноделие, пивоварение и винокурение - древние ремесла, ставшие крупными отраслями индустрии, где полет фантазии виноделов и пивоваров выверяется строгими законами химии.
Виноделие зародилось более 10 тысяч лет назад в Восточном Средиземноморье и оттуда постепенно распространилось на запад. В настенных росписях древних египтян изображены сцены изготовления вина и нехитрые устройства для его перегонки в более крепкие напитки. 6000 лет назад египтяне уже умели варить пиво, а в Европе технология пивоварения стала известна около 5000 лет назад.
Из чего делают вино
Вино получают в результате брожения, при котором дрожжи превращают сахар в этиловый спирт. Натуральное вино делают из винограда. Виноград - идеальное сырье для виноделия, т. к. содержит все необходимые компоненты - воду; сахар и микроэлементы, придающие вину неповторимый вкус и аромат. Виноград даже содержит собственные дрожжи, которые тончайшим налетом покрывают кожицу каждой ягоды. Такой же восковой налет присутствует и на кожице других плодов, например, сливы.
Дрожжи - это микроорганизмы, содержащие особые вещества, ферменты (энзимы). В процессе сбраживания под воздействием энзимов сахар в виноградном соке превращается в спирт и углекислый газ. Поскольку в винограде имеются собственные дрожжи, вино может перебродить само по себе, если измельченные ягоды поместить в специальный резервуар.
Виноделие
За многие века технология виноделия была доведена до совершенства. Сегодня каждый этап приготовления вина тщательно контролируется, чтобы добиться неизменно высокого качества и букета, присущего данной марке. Разные винодельческие регионы отличаются друг от друга природными условиями. К примеру, климат и тип почвы определяют подбор выращиваемых сортов винограда. От климата зависят также скорость роста и содержание сахара в ягодах. На разных сортах живут различные дрожжевые грибки, что тоже влияет на вкус и аромат готового продукта. Как результат, многим винам присущ свой особый, тончайший букет, по которому опытные дегустаторы определяют регион их происхождения.
Виноград выращивают преимущественно на каменистых известняковых почвах в широтах между 30" и 50" к северу и югу
© Виноградник в Бургундии, на востоке Франции. Здесь
родина превосходных
О Шампанское бродит в бутылке и приобретает игристость, насыщаясь углекислым газом. Идеальные условия для этого созданы в винных подвалах.
от экватора. Гроздья созревают осенью. Собранные ягоды измельчают, посте чего выжимают сок в давильне и оставляют его бродить в резервуаре. И белые, и темные сорта винограда дают светлый сок, используемый для изготовления белых вин. Красное вино делают из сока черного винограда, в котором на время брожения оставляют кожицу. Красный пигмент кожицы постепенно растворяется в соке, £ придавая ему темную окраску.
Сладкое или сухое?
Если брожение остановить до того, как весь сахар превратится в спирт, то вино получится сладким. В сухом вине весь сахар сбраживается в спирт.
Большинство вин - «тихие» (нс игристые), но некоторые содержат незначительное количество углекислоты, придающей им игристость. Например, шампанское становится игристым благодаря добавлению в виноматериал сахара и дрожжей на этапе розлива. В результате процесс брожения продолжается в бутылке, и образовавшаяся при этом углекислота насыщает напиток. Некоторые вина газируются искусственно (сатурация).
Q На одном из начальных этапов пивоварения ячменный солод затирается с горячей водой в специальном ферментере, где содержащийся в зернах крахмал превращается в сахар.
ПЛАВУЧЕСТЬ
выталкивающая сила равна массе вытесненной воды
оо Красная часть корпуса (выше) при полной погрузке находится под
этому одной из важнейших эксплуатационных характеристик судна является дедвейт (полная грузоподъемность судна) - масса груза (полезный груз, судовые запасы, экипаж), принимаемая судном.
Во время волнения корабли подвергаются сильным механическим напряжениям. Это вызвано тем, что выталкивающая сила, действующая на какую-либо часть корпуса, зависит от высоты волн в этой точке. На гребне волны водоизмещение будет наибольшим, и выталкивающая сила здесь также наибольшая. В подошве (нижней точке) волны выталкивающая сила будет наименьшей.
Гребень и подошва
Хуже всего кораблю приходится, когда он идет против волн, длина которых (а это расстояние мещду гребнями) равна его собственной. Когда под носом и кормой находятся гребни, а по центру корпуса - подошва, выталкивающая сила на концах судна значительно больше, чем по центру, и его средняя часть прогибается. Затем вершина волны оказывается по центру, а подошвы - на концах судна, и проседают корма и нос.
Кроме прогибов и перегибов, на корпус корабля действуют и другие дополнительные нагрузки - удары волн, скручивающие моменты, давление воды' (возрастая с глубиной, оно
оказывает наибольшее воздействие на корабли с большой осадкой). Конструкция корпуса должна быть рассчитана так, чтобы выдерживать все эти напряжения.
Остойчивость
Остойчивость судна зависит от взаимного положения трех воображаемых точек - центра тяжести, центра водоизмещения и метацентра. Вес корабля можно считать силой, направленной вниз и проходящей через точку, называемую центром тяжести, а плавучесть - силой, направленной вверх и проходящей через точку, называемую центром водоизмещения. Когда корабль поднимается, центр водоизмещения находится непосредственно под центром тяжести, причем обе эти точки находятся на осевой линии -воображаемой линии, проходящей через середину корабля.
Если под воздействием ветра или волны корабль кренится на один борт, центр тяжести не меняет своего положения, но центр водоизмещения отклоняется от осевой линии в сторону более низкого борта корабля. Затем вес корабля, направленный вниз, и сила плавучести, направленная вверх, принуждают корабль вернуться в вертикальное положение. Когда корабль дает крен, вертикальная линия, по которой действует сила плавучести, пересекает исходную осевую
линию в точке, называемой метацентром. Пока она находится выше центра тяжести, корабль устойчив и возвращается в вертикальное положение после исчезновения силы, вызвавшей крен. Но если две эти точки совпадают, силы плавучести и тяжести направлены противоположно. Поэтому сила, возвращающая корабль в вертикальное положение, отсутствует, и опасный крен сохранится.
Качка
Когда метацентр находится ниже центра тяжести, корабль неустойчив. Если он даст крен, силы тяжести и плавучести будут стремиться перевернуть корабль, и он может перевернуться. Для правильно построенного корабля - это исключительный случай, но к нему могут привести такие нештатные условия, как перегрузка.
При бортовой (поперечной) качке судно под влиянием волн, идущих сбоку, поочередно кренится то на один, то на другой борт. Существуют разнообразные устройства, называемые успокоителями качки, которые могут уменьшить амплитуду^ разма-хов корабля с 25-28° до 5-6° и даже 3°. (Амплитудой качки называют угол, па который судно из нормального положения кренится на какой-либо борт; размахом качки - крен с одного борта на противоположный; полным размахом качки - крен из нормаль-
of Youngs Brev
ПИВОВАРЕНИЕ
побочный продукт -удобрения, (отход ы хмеля)
а'?*’
дрожжевс (отработа дрожжи) |
солод (проросший ячмень) высушивается в печи
в брод котлах
Q Для получения пива ячменные зерна осолаживаются и размалываются, после чего варятся с шишками хмеля и сахаром. Дрожжи преобразуют сахар в спирт. Отстоявшееся пиво разливают в бочки, бутылки и банки.
Дрожжи прекращают свое действие при высокой концентрации спирта. Поэтому существует определенный предел крепости напитков, произведенных путем естественного брожения. Обычно он не превышает 14%. но точная цифра зависит от типа дрожжей.
Такие крепленые вина, как херес и портвейн, содержат от 16 до 24% спирта. Это достигается путем брожения и добавлением этилового спирта.
Винокурение
Крепкие спиртные напитки изготавливаются путем перегонки, или дистилляции. Полученный в результате брожения слабый спиртовой раствор нагревается до температуры, превышающей точку кипения спирта (78,4 "С). Спирт испаряется, а вода остается в сосуде. Пары спирта собирают и охлаждают; полученный конденсат представляет собой концентрированный спиртовой раствор.
Спиртные напитки могут сохранять аромат изначального сырья, но после перегонки их нередко ароматизируют. Для получения спиртных напитков используется местное сырье. Например, знаменитую мексиканскую текилу делают из определенного сорта кактуса.
Пивоварение
Пиво, как и вино, приготавливается пулом брожения. Однако в этом случае сырьем обычно выступает ячмень, шишки хмеля, вода и дрожжи. Необходимый для брожения сахар получают из ячменя, который подвергается процессу солодо-ращения. Ячменные зерна на несколько дней замачивают в воде, пока они не прорастут. Проросший ячмень вырабатывает особое вещество - мальтазу.
Готовый высушенный солод размалывают или дробят и затирают (смешивают) с горячей водой. На этом этапе мальтаза преобразует содержащийся в зернах крахмал в сахар. Затем отфильтрованную сладкую жидкость, или сусло, перекачивают в медные котлы, где она кипятится вместе с шишками хмеля и добавочной порцией сахара. Хмель придает пиву горьковатый вкус и действует как консервант.
После кипячения сусло процеживается и охлаждается. Затем в него добавляют пивные дрожжи, чтобы вызвать брожение, которое длится около недели. Эль до подачи на стол дополнительно подвергается медленному брожению в бочке, чтобы образовавшаяся углекислота слегка насытила его газом. Почти все сорта пива после бро-^ жения подвергаются дополнительному га-^ зированию. Лишь некоторым позволяют^ бродить в бутылках, как шампанскому. =
Q Дистиллятор для перегонки ячменного виски. Из ячменных зерен готовят брагу, которую после брожения подвергают перегонке в крепкий спиртной напиток.
Водоснабжение
Когда-то люди довольствовались водой, которую они находили в реках, озерах, ручьях и колодцах. Но с развитием промышленности и ростом населения появилась необходимость
гораздо тщательнее управлять водоснабжением, чтобы избежать вреда для здоровья и ущерба для окружающей среды.
Любой населенный пункт нуждается в подаче чистой пресной воды для питья, приготовления пищи, мытья и стирки. Обычно воду берут из рек, озер или подземных источников и подвергают ее обработке, чтобы сделать пригодной для питья. Для удаления естественных и антропогенных загрязняющих веществ применяются различные виды обработки, при этом используемые процессы определяются уровнем и характером загрязнения.
В типичной системе водоснабжения вода из загрязненной ре-
водохранилища
5 Водоочистная станция
6 Установка для хлорирования
7 Скважина для забора подземных вод
8 Буферное водохранилище
9 Распределительные трубы
Q Круговорот воды в природе. Вода испаряется из морей, рек и растений, а потом выпадает в виде дождя, града или снега.
Система подачи воды, из которой видно, как обрабатывается речная вода перед подачей потребителям.
КЛЮЧ К СХЕМЕ
1 Заборная фильтровальная насосная станция на реке
2 Водохранилище
3 Башенный водозабор водохранилища
4 Башенный водовыпуск
ки сначала проходит через сетку с крупными ячейками для освобождения от плавающего мусора, рыб и растений. После этого она закачивается в резервуар, где хранится в течение нескольких недель. За это время многие крупные загрязняющие частицы
Q Бурение артезианской скважины в Иране с помощью буровой установки. Естественное давление выталкивает воду из глубин.
О Памятник древнего мира: римский акведук в Сеговии (Испания). По нему до сих пор подается вода из реки Рио-Фрио в старый город -на расстояние 820 м.
Q Многоступенчатая опреснительная станция в Абу-Даби.
За сутки она позволяет получить из соленой воды более 9 млн. л пресной.
оседают на дно. Кроме того, постепенно уменьшается содержание вредных бактерий, по мере того как расходуются вещества, которые в реке служили для них пищей. После отстоя для уничтожения оставшихся бактерий добавляется хлор и другие химические вещества. В некоторых странах вместо хлора используют озон, а на небольших водоочистительных станциях воду7 иногда стерилизуют, подвергая ее действию мощного ультрафиолетового излучения. После этого вода проходит через сетку с мелкими ячейками для удаления мелких растений и других частиц.
Коагуляция
Оставшиеся мельчайшие частицы типа мертвых бактерий и крупинок нерастворимых минералов, из-за которых вода может
казаться мутной или слегка подкрашенной, удаляются в специальных баках с помощью процессов коагуляции и флокуляции. Добавление сульфата алюминия или сульфата железа заставляет частицы коагулировать (собираться вместе), в результате чего бак примерно до половины заполняется хлопьеобразной массой. Эта масса называется флокулированным осадком или просто хлопьями. Из верхней части бака отводится чистая вода, которая опять проходит через фильтры для дальнейшей очистки. Эти фильтры образованы слоями песка, лежащими на основании из гравия или антрацита (разновидности угля).
Аэрация
После фильтрации воду обычно аэрируют, чтобы увеличить содержание растворенного в ней кислорода. Это придает воде более свежий вкус, а также понижает ее кислотность за счет удаления растворенного углекислого газа. Существует несколько видов аэраторов. В струйном аэраторе вода нагнетается через мелкие сопла в воздушное пространство. Каскад-
@ При быстром опреснении давление над горячей морской водой снижается, что приводит к мгновенному высвобождению пресной воды в виде пара.
ный аэратор включает ряд ступенек, по которым стекает вода.
Никакая фильтрация не позволяет удалить вещества, растворенные в воде. Это главным образом соли кальция и в меньшей степени соли магния. Этими солями, растворенными из отложений в грунте, определяется жесткость воды.
В местности с особенно жесткой водой для удаления некоторых из растворенных солей иногда используют химическую обработку, и только после этого вода поступает в трубы. Ио обычно потребителям. если они видят в этом необходимость, приходится устанавливать для этих целей собственное оборудование.
Перед распределением по трубам вода опять стерилизуется с помощью хлора или озона. После обработки большая часть хлора удаляется с помощью сернистого ангидрида, но небольшое его количество оставляется для борьбы с дальнейшим загрязнением бактериями.
Опреснение
В тех частях земного шара, где запасы
пресной воды невелики, используют морскую воду, удаляя из нее соль. Этот процесс, называемый опреснением, может осуществляться самыми разными способами. Часто соленую воду7 кипятят, вода поднимается в виде пара, а соль остается внизу. После этого пар охлаждается и, конденсируясь, превращается в чистую воду.
Очистка сточных вод
Большая часть сточных вод поступает по трубопроводу на специальные станции, на которых отделяют твердые вещества, а воду очищают и возвращают в реки.
На протяжении более чем двух последних столетий рост населения и развитие промышленности существенно увеличили количество производимых отходов.
В некоторых городах существуют отдельные канализационные системы для дождевой воды и для сточных вод. Дождевая вода направляется по трубопроводам в реки, и только сточные воды идут на очистку. Однако сегодня чаще всего предпочитают канализационные системы лишь с частичным разделением. Одна сеть канализационных трубопроводов транспортирует дождевую воду из уличных ливнестоков, а другая принимает стоки с крыш, вместе с бытовыми и промышленными сточными вода
ми. Преимущество такой системы заключается в том, что вода с крыш позволяет разбавить сточные воды и промыть трубы, предотвращая накопление в них твердых веществ сточных вод.
Неочищенные сточные воды В большинстве городов перед сбросом сточных вод производится их очистка, чтобы извлечь или разрушить вредное содержимое. Однако во многих прибрежных городах неочищенные сточные воды все еще сбрасывают через трубопроводы непосредственно в море. Иногда твердые вещества измельчают, чтобы ускорить их рассеяние. В идеальных условиях морская вода быстро разбавляет сточные воды, позволяя морским организмам переработать отходы и сделать их безвредными. Но дующий в сторону суши ветер или приливы могуч препятствовать рассеянию, и сточные воды иногда прибиваются к берегу. Медленное рассеивание и ядовитые" примеси наносят вред морской экологии, в результате чего погибают его обитатели.
Очистка сточных вод
Обычно процесс очистки состоит из двух этапов, называемых первичной и вторичной очисткой. Первичная включает в себя удаление твердых частиц из жидкости. Во время вторичной очистки большая часть оставшихся в жидкости примесей удаляется путем ускорения биологического разложения.
Крупные твердые частицы отсеиваются сетчатыми фильтрами, которые имеют отверстия, или щели, размером около 2,5 см. При прохождении воды через открытые каналы, называемые пескоуловителями, присутствующий в ней песок осаждается. Небольшие плавающие твердые предметы вылавливают в специальных круглых резервуарах. Сточные воды "поступают в них снизу, а вращающиеся лопасти снимают пену и плавающие частички с поверхности. Очищенные сточные воды, или сток, переливаются через края резервуаров и попадают в наружный коллекторный канал.
ОЧИСТКА СТОЧНЫХ вод
44
Q Три способа удаления дождевой воды с открытой территории в реку: открытыми каналами, керамическими трубами, проложенными в траншеях, или отверстиями, проделанными кротовым плугом.
ПОЛЕВОЙ ДРЕНАЖ
0 Для опорожнения сточных колодцев (подземных резервуаров для хранения сточных вод) используются автоцистерны. Сточные колодцы используются в местах, где нет канализационных коллекторов.
Q Сточные воды перемешивают лопастями с электроприводом. Это способствует растворению кислорода из воздуха в жидкости.
Отстаивание и осадок Мелкие взвешенные частички можно удалять с помощью сита с отверстиями размером около 2 мм. Однако вместо этого часто используют отстаивание, при котором сточные воды оставляют в резервуарах (отстойниках) примерно на три часа, чтобы взвешенные твердые вещества могли опуститься на дно. Иногда используют дополнительный процесс - осаждение. В сточные воды добавляют химикаты (такие как сульфат железа), содействующие образованию комков, которые быстрее опускаются на дно.
Осадок, удаляемый путем первичной очистки, можно сушить и стерилизовать химическим способом, но обычно его подвергают биологической обработке. Необработанный осадок смешивают с обработанным, содержащим микроорганизмы. Они размножаются в нем, питаясь им и превращая агрессивные органические соединения в бо
лее простые вещества. Этот процесс, называемый перевариванием, высвобождает метан и друтие горючие газы. Их можно собирать и продавать, или сжигать, чтобы нагревать осадок и ускорять переваривание. Кроме того, эти газы можно использовать в качестве топлива для местной электростанции.
Вторичная очистка
После удаления осадка сточные воды подвергают биологической обработке. В этом случае микроорганизмы способствуют соединению большей части органического вещества в сточных водах с кислородом из воздуха, в результате чего образуются безвредные со-
единения. Это можно сделать двумя способами. При так называемом процессе фильтрации сточные воды Вступают в реакцию со слоем микроорганизмов, обычно находящимся сверху7 па гравийной подстилке или на пористом материале, таком как кокс. Эти материалы характеризуются относительно большой площадью поверхности, на которой может образоваться слой, поэтому повышают эффективность процесса. Такую подстилку толщиной около двух метров можно
Q Лондонская канализация викторианской эпохи была достижением своего времени, но сейчас устарела. Интенсивное движение наверху вызывает постоянное повреждение систем, которых не хватает, чтобы справиться с возрастающим объемом сточных вод.
периодически пропитывать сточными водами, но чаще используется непрерывное разбрызгивание.
В более распространенном процессе реактивации осадок, содержащий необходимые микроорганизмы, смешивают со сточными водами в присутствии воздуха. Воздух либо вдувается через тысячи отверстий в резервуаре, либо жидкость перемешивается таким образом, чтобы воздух на поверхности распространялся по всей жидкости.
Через 4-10 часов процесс аэрации (насыщения воздухом) заканчивается.
Сброс очищенных вод
В обоих способах реактивации осадка вредные твердые вещества, образую- I щиеся вследствие аэрации, осаждают- । ся в конечных отстойниках. В результате такой обработки сточные воды становятся достаточно чистыми, и их можно сбрасывать в реку без риска нанести вред окружающей среде.
Утилизация отходов
О Сплющенные кузовы автомобилей ожидают вывоза на переплавку в специальных печах для получения новой партии стали.
Ежегодно выбрасываются миллиарды тонн мусора, который можно использовать повторно или сжигать для получения тепла.
Хотя мусор - это полезный источник вторсырья и энергии, его сбор стоит дорого, учитывая затрачиваемый ручной труд. В развитых странах бытовой мусор и производственные отходы обычно собирают в мешки или баки, которые вывозятся раз в неделю мусоровозами. Кое-где имеется пневматическая система удаления бытовых отходов непосредственно по трубам, ведущим на местный завод по переработке мусора. Еще один метод предусматривает накопление бытовых отходов в подземном бункере, находящемся под каждым зданием, откуда их периодически вывозят автоцистерной с насосом.
Дорого обходится и сортировка материалов для утилизации, поэтому поощря-
ется выполнение этой работы самими
Q Изделия из чугуна и стали можно продать местному скупщику металлолома. Такие предметы часто отделяют от остального мусора с помощью мощного электромагнита.
ф Во многих районах Великобритании по-прежнему можно встретить старьевщиков, собирающих металлические предметы и другие ненужные материалы, которые они затем продают как утильсырье.
0 В обычных мусоровозах отходы трамбуются и выталкиваются в раздвижной отсек, где они находятся под постоянным давлением.
0 Сортировка отходов с помощью барабанного сита. Тяжелые материалы (например, металлы) идут на переработку, а остальное превращается в компост.
Q Мусоровоз доставляет твердые отходы на завод по производству топлива на острове Уайт.
зят на пункт сбора утильсырья сами, или платят местным службам за подобную услугу. Некоторые крупные металлические изделия могут заинтересовать местного
жильцами. В некоторых районах местные власти просят граждан связывать и складывать макулатуру в кипы, а в людных местах установлены специальные контейнеры для пустых бутылок.
Возвратные бутылки
Некоторые напитки продаются в бутылках, за которые взимается небольшой залог, возвращаемый при сдаче пустой тары. Так стимулируется возврат покупателями пустой стеклотары, которую затем изготовитель забирает из магазинов для повторного использования. Таким образом достигается существенная экономия производства, но появляются дополнительные расходы, связанные со сбором, очисткой и стерилизацией утильсырья.
В современных мусоровозах мусор обычно загружается в приемный отсек в задней части кузова, где он сгребается и уплотняется. Но эта система, как правило, не
годится для громоздких предметов, таких J как старые кухонные плиты, холодильники □ или мебель. Такие вещи хозяева или отво- 5
скупщика металлолома, и хозяин получит деньги за наиболее ценные из них.
Ряд отраслей промышленности производит большие количества отходов, которые либо перевозятся прямо на предприятия, использующие их в своем производстве, либо перерабатываются. Так, шлак, являющийся отходом угольной промышленности, используется в строи-
Захоронение мешков с асбестом, который ранее широко применялся как теплоизоляционный материал. Но попадание его волокон в дыхательные пути очень опасно для здоровья.
О Метод санитарной свалки используется для упорядочения отвалов в графстве Эссекс (Англия). Для ускорения разложения мусор пересыпают слоями грунта.
О При гниении мусора под землей выделяется горючий газ - метан, излишки которого сжигают.
тельстве в качестве материала для фундаментов, а из определенного вида тряпичного утиля можно получать высококачественную бумагу.
Захоронение отходов Канализационные системы впервые стали использовать более 5000 лет назад, а технологии упорядоченного удаления и захоронения отходов появились относительно недавно. Первобытные люди просто меняли место стоянки, когда смрад от мусорных куч становился невыносимым. А жители постоянных поселений сжига-
ли все, что горит, а остальной мусор вывозили на свалки или захоронения.
В Англии каждый домовладелец отвечал за вывоз мусора вплоть до принятия в 1875 г. Закона о здравоохранении, которым устанавливалась система регулярного сбора и удаления мусора в жилых районах.
Самый простой способ удаления собранного мусора - сваливать его на пустыре. Но большие свалки портят пейзаж и загрязняют атмосферу. Вдобавок, многие районы испытывают дефицит земельных участков. Поэтому отдается предпочтение методу т. н. «санитарной свалки». Отходы измельчаются, трамбуются и укладываются слоями, между которыми насыпается грунт. Жи-
О Пункты сбора металлических банок (вверху) помогают сократить расходы на их сортировку. Алюминиевые банки (слева) легче перерабатывать, чем стальные, содержащие также олово и свинец.
вущие в почве организмы ускоряют разложение, а благодаря уплотнению исключается образование углублений при падении тяжелых предметов. Кроме того, уменьшение объема мусора при уплотнении во многом облегчает задачу его захоронения.
В Англии таким методом уничтожается примерно 9% отходов. Иногда он используется для упорядочения грунта, вынутого при разработке шахт или карьеров. На месте некоторых отвалов разбиты парки, а в США даже были насыпаны несколько искусственных холмов для горнолыжников.
Применяются два основных метода >, уменьшения объемов мусора: измельчение J и сжигание. Измельчение - это механичес- о кий процесс дробления и резки отходов. f Отдельные измельчительныс машины спо- 8 собны перерабатывать до 70 т мусора в час. S
Сжигание
Сжигание в специальной установке при температуре 750-1000 "С является наибо- х
О Контейнер для пустых бутылок (вверху) экономит средства на их переработку, т. к. уменьшается количество стекла, извлекаемого из разнородных отходов. Инженер службы контроля качества (слева) осматривает готовый для переработки стеклобой. После очистки, измельчения и плавки из него будут изготовлены новые бутылки.
Q Для решения проблемы сбора мусора в космосе ученые разработали автономную установку для удаления орбитального мусора (AVYOM), в которой собранный мусор хранится в специальном отсеке.
При вхождении на высокой скорости в плотные слои атмосферы Земли в результате возникающего там сильного трения AVVOM полностью сгорает вместе с содержимым.
лее эффективным способом уменьшения объема мусора. Кое-где местные власти используют мусоросжигатели для теплоснабжения: нагреваемая в этих установках вода подается в батареи отопления соседних домов. Однако не все тепло, получаемое при сжигании мусора, используется для данной цели - часть его расходуется на сушку поступающих отходов, прежде чем они подаются в основную камеру мусоросжигателя. Зола, образующаяся по мере сжигания мусора, осыпается вниз через решетку7 и удаляется.
Главным недостатком сжигания является образование значительного количества копоти и дыма. Поэтому7 необходимо применять различные методы очистки выхлопных газов мусоросжигательных установок, чтобы свести к минимуму загрязнение воздуха.
Раздельный сбор отходов
Большое количество макулатуры, металлов, пластмасс и стекла используется для вторичной переработки. Значительная часть таких материалов собирается отдельно в жилых и промышленных районах. Но и в обычном мусоре содержатся ценные материалы, которые можно извлечь на разных этапах переработки до захоронения.
Высушенные отходы подвергаются безвоздушному нагреву для получения ряда полезных веществ, включая окись углерода, метан, водород, древесный
ф Отходы полиэтилена, образующиеся на заводах пластмассовых изделий, вначале превращают в гранулы, которые затем загружаются в машину для изготовления новых изделий.
Q Этот экструдер на заводе пластмасс используется для производства тонких труб из гранул переработанного полиэтилена.
Выдувание труб через формовочное устройство (справа) производится горячим воздухом, Ь который применяется о также для их формов- £ ки и сушки. Полиэти- £ леновые трубы вначале складывают- g ся в виде плоского ° пакета, а затем скатываются в рулон. 4
уголь, различные масла и деготь. Установленные над конвейером мощные магниты извлекают из мусора черные (содержащие железо) металлы. Применяются разные методы отделения стекла, алюминия и других цветных металлов в зависимости от их физических свойств.
Многие сортировочные машины отделяют материалы по их плотности. Например, в сепараторе с наклонной пластиной более плотные материалы измельченных отходов соскальзывают в нижнюю часть вертикального конвейера, а материалы меныпей плотности транспортируются наверх. В мусоросжигателях стекло и металлы расплавляются и стекают вниз, где их и собирают.
Стекло можно сортировать на цветное и бесцветное. Для этого осколки стеклянной смеси пропускают через сильное
магнитное поле. Осколки бесцветного стекла остаются на месте, а цветные отклоняются магнитным полем и отделяются от общей массы. Затем их можно разделить ио цвету: осколки, проходя через световые лучи, меняют цвет, что фиксируется фотоэлектрическими устройствами. После этого происходит автоматический сбор стекла каждого цвета отдельно.
Металлы
В основном из отходов извлекают такие металлы, как железо и алюминий, а также в небольших количествах свинец, медь и ртуть. Учитывая высокую стоимость золота и платины, переработка больших объемов металлолома для извлечения относительно небольшого количества этих драгоценных металлов считается экономически выгодной.
см. также
0 Трубы системы горячего водоснабжения прокладываются для подсоединения к теплоэлектроцентрали в Шеффилде (Англия). В процессе сжигания бытовых отходов в мусоросжигателе нагревается вода, которая используется для отопления зданий в центре города.
Получение бумаги из отходов является дорогостоящим процессом, но позволяет уберечь от вырубки многие деревья.
Наука и техника 44 - ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
Наука п техника -|6 - ЗАГРЯЗНЕНИЕ
диопелщ
голубой пробле-
Максимальная скорость спасательного катера может достигать 18 узлов
(33 км/ч). На высоких скоростях уменьшившееся лобовое сопротивление поднимает катер из воды (слева), вследствие чего сопротивление корпуса падает еще больше и скорость катера
рулевая рубка
О Силу плавучес-
сосредоточенной
ной вверх через
ния (В), а вес корабля - сосредо-
через центр тяжести (G).
О Когда судно кренится, сила плавучести (В) смещается
О Спасательный катер класса «Арун» -один из самых крупных, быстроходных и маневренных. Его максимальная скорость 18,5 узла (34 км/ч), он имеет достаточно топлива, чтобы идти на полной скорости до места аварии, находящегося на удалении 230 км, и вернуться обратно на базу.
действия пересекает осевую линию в метацентре (М). Если судно
и плавучесть устраняют крен. Если нет, судно
О Самоспрямляю-щаяся система «Окли». Балластная цистерна в корпусе заполнена водой. Слева - пустая спрямляющая цистерна (А). Если судно переворачивается, вода из балластной цистерны заполняет спрямляющую цистерну (В). Переворачивание прекращается или судно возвращается из опрокинутого положения (С) в нормальное (D).
ного положения на какой-либо борт, затем через нормальное положение на противоположный борт и, наконец, возвращение в исходное прямое положение; периодом качки называют время в секундах, затрачиваемое судном на полный размах).
При килевой (продольной) качке
корабль то поднимается, всплывая на гребень волны, то опускается с него на подошву. Смешанная качка часто возникает в ситуациях, когда сильные волны, идущие с разных направлений, сталкиваются, образуя жестокую толчею, которая может привести к гибели даже крупные океанские суда.
Атомы и молекулы
Все вещества состоят из крошечных частиц - атомов. Атомы соединяются в молекулы, крупнейшие из которых имеют сложное строение, состоящее из тысяч атомов.
О том, что все сущее состоит из частиц, знали еще древние греки. Около 420 г. до н. э. философ Демокрит поддержал гипотезу, что материя состоит из крошечных, неделимых частиц. По-гречески atomos означает «неделимый», поэтому эти частицы назвали атомами.
Другие философы придерживались иной точки зрения, и в IV веке до н. э. Аристотель высказался в поддержку мнения, согласно которому материя состоит из различных сочетаний так называемых четырех стихий - земли, воздуха, огня и воды. Эта идея получила широкое распространение и легла в основу алхимии -примитивной формы химии, господствовавшей в науке до XVII века.
Одной из главных задач алхимии было создание «эликсира жизни» - снадобья, которое позволило бы человеку жить вечно.
О Английский химик Джон Дальтон разработал первую научную теорию атомного строения материи. Дальтон вел журнал суточных наблюдений за погодой. Так он стал изучать атмосферные явления и свойства газов, что, в свою очередь, привело его к созданию атомистики.
------ Водород
------ Кислород
Углерод
Q Глюкоза -это сахар, содержащийся в сладких фруктах. Формула молекулы глюкозы - С6Н12О6. Это значит.
ГЛЮКОЗА
что в ней присутствуют 6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода.
Расположение этих
Другая заключалась в создании богатств путем превращения обычных металлов в золото. Многие алхимики утверждали, что решили эти задачи, однако никто из них так и не добился реального успеха.
Переворот в науке
Некоторые ученые продолжали придерживаться мнения, что материя состоит из атомов, но только в начале XIX века были получены экспериментальные данные, подтверждающие эту теорию. Английский химик и писатель Джон Дальтон проводил опыты с газами и изучал пути их соединения. Так, он обнаружил, что кислород и водород, образуя воду, всегда соединяются в одних и тех же пропорциях по массе. Другие ученые также сталкивались с подобными данными, но именно Дальтон впервые осознал их значение. Он сделал вывод, что
СН2ОН
н Л----\ к
|/н \|
|-ч он н 5
он\!он н он
О При подаче высокого напряжения на электроды, помещенные в разреженный газ, последний начинает проводить ток и светиться. Получаемые в испускаемом свете «узоры» зависят от атомного строения электродов.
Эти узоры помогают ученым изучать строение атомов и молекул.
вещества состоят из атомов, и что все атомы простого вещества имеют одинаковую массу. При соединении простых веществ количества соединяющихся атомов находятся в определенной неизменной пропорции. Атомистика Дальтона объясняла, почему вещества соединяются в неизменной массовой пропорции, а также явилась основой дтя детального изучения материи.
Вещества состоят из атомов, а из чего состоят атомы? Первые ключи к разгадке этой тайны появились в конце XIX века, когда исследователи изучали прохожде-
О Эрнест Резерфорд, основоположник ядерной физики. Он пришел к заключению, что у атомов имеется ядро с положительным зарядом, вокруг которого вращаются электроны.
нис электричества через разрядные трубки, содержащие разреженный воздух. Иногда стенки трубки излучали зеленый свет при подаче высокого напряжения на две металлические пластины - электроды. Свечение возникало при попадании невидимых лучей от отрицательного электрода, или катода, на стенки трубки.
В 1890-х годах английский физик Дж. Томсон доказал, что эти катодные лучи (как их тогда называли) - не что иное, как потоки отрицательно заряженных частиц. Предполагалось, что эти частицы исходят из атомов, хотя их расположение вьгугри атомов оставалось неясным. Томсон высказал предположение, что атом может быть похож на
рождественский пудинг, в котором большая, но легкая по массе положительно заряженная сфера усеяна многочисленными отрицательно заряженными частицами (электронами). Однако различные опыты по изучению строения атома доказали, что это -безусловно ошибочная теория.
Строение атома
В 1911 году Эрнест Резерфорд, британский физик, уроженец Новой Зеландии, работавший вместе с Томсоном, предложил строение атома, реально объясняющее его поведение во время экспериментов. Резерфорд предположил, что центр (или ядро) атома имеет положительный заряд и относительно большую массу, а вокруг ядра вращаются крайне легкие и отрицательно заряженные электроны.
Однако Резерфорд не осознавал, что обычно в ядре атома находятся как положительно заряженные, так и нейтральные частицы. Существование положительно заряженных частиц было признано в 1920 г., и они получили название протоны. В 1932 г. английский физик Джеймс Чэдвик открыл незаряженные частицы и назвал их нейтронами. В результате картина строения атома была завершена и с тех пор является основой нашего понимания материи.
Элементы
Любое вещество, в котором все атомы имеют одинаковое количество протонов, называется элементом. Число протонов в каждом атоме - атомный номер элемента.
Существуют 92 природных элемента, их атомы имеют от 1 до 92 протонов. Кроме того, некоторые другие элементы с еще большим числом протонов в атоме можно получить с помощью устройства под названием ускоритель элементарных частиц. К природным элементам относятся железо, ртуть и водород.
Во многих веществах атомы объединяются в группы, называемые молекулами. Так, газ водород состоит из молекул, каждая из которых содержит два атома водорода. Часто, однако, молекулы вещества состоят из атомов более одного элемента. Такие вещества называются соединениями. Например, вода является соединением, где каждая молекула состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Во многих молекулах насчитывается гораздо большее количество атомов. Некоторые белковые молекулы представляют собой сложные соединения из нескольких тысяч атомов.
О Нуклеиновые кислоты представляют собой большие молекулы, содержащие генетический код, благодаря которому организмы наследуют определенные свойства. Спиральные цепочки на этой диаграмме -это цепочки нуклеотидов, скрепленные связями между соединениями аденина (А) и тимина (Т), а также между гуанином (G) и цитозином (С).
О Этот узор создан разрядом электронов с заряженного листа пластмассы.
О V атома водорода (слева внизу) один протон. Ядро гелия (в центре) содержит два протона и два нейтрона, а ядро лития-7 (справа) - три протона и четыре нейтрона.
Электронные К-, L- и М-оболочки атома
Молекула хлорида натрия (соли)
Q Датский физик Нильс Бор изучал природу атомов и содержащуюся в них энергию. Во время Второй мировой войны он был консультантом при разработке атомной бомбы в США.
Атом натрия
Переданные электроны в М-оболочке
Два электрона заполняют К-оболочку
ты роны
18 электронов заполняют М-оболочку
Восемь электронов заполняют L-оболочку
Некоторые природные элементы встречаются только в соединениях. Так, натрий - это металл, настолько легко соединяющийся с другими веществами, что его нельзя обнаружить в чистом виде. Он
широко известен в сочетании с хлором в
О Поваренная соль (хлорид натрия) состоит из атомов натрия и хлора.
Каждый атом натрия отдает один электрон каждому атому хлора;
в результате эти атомы получают, соответственно, положительный и отрицательный заряд (верхняя схема)
и удерживаются вместе электростатическим зарядом между ними.
Кристаллы соли имеют форму куба, - т. е. равное число атомов натрия и хлора располагается в правильном порядке на равном расстоянии друг от друга во всех трех плоскостях (рисунок вверху).
виде хлорида натрия - поваренной соли.
Связи
Атомы в молекулах связываются различными тлями, при этом они разделяют между собой электроны или обмениваются ими. Двумя простыми видами химической связи являются ковалентная и ионная.
Ковалентная связь возникает, когда атомы имеют общие электроны. Так, молекула водородного газа состоит из двух атомов водорода, связанных ковалентной связью. Единственный электрон каждого атома водорода вращается вокруг ядер обоих атомов, связывая их воедино.
В случае ионной связи один атом передает электроны другому атому. В результате возникает электрическая сила, связывающая атомы воедино. Как правило,
количество положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов в атоме одинаково. Их положительные и отрицательные заряды уравновешивают друг друга, и поэтому атом не имеет общего заряда. Однако в атоме, отдающем электроны, создается избыток положительного заряда, а атом, получающий электроны, приобретает общий отрицательный заряд. Такие заряженные атомы называются ионами. Ионы противоположных зарядов притягиваются друг к другу, и именно это электрическое притяжение удерживает атомы вместе при ионной связи. Например, молекула поваренной соли формируется
О При разрушительном взрыве атомной бомбы высвобождается огромное количество энергии в результате расщепления ядер атомов урана или плутония.
О Соединяясь, два атома водорода и один атом кислорода образуют молекулу воды. Атомы водорода и атом кислорода имеют общие электроны, благодаря чему они связаны друг с другом. Это пример так называемой ковалентной связи.
О
Нейтрон
Ядро атома урана-235
ДЕЛЕНИЕ ЯДРА
с помощью ионной связи, когда атом натрия передает электрон атому хлора.
Все атомы одного вещества имеют одинаковое количество протонов, но различное количество нейтронов. Так, в углероде ядро большинства атомов содержит шесть нейтронов, но примерно в каждом сотом из них имеется семь нейтронов. Эти различные тины атомов одного и того же элемента называются изотопами. Все изотопы данного элемента обладают одинаковыми химическими свойствами - все они соединяются с другими веществами и образуют одни и те же химические соединения. Но отдельные физические свойства изотонов
различаются - например, они имеют разные точки замерзания или кипения.
Говоря о конкретном изотопе того или
РАСТРОВЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
Сфокуси-рованный поток электронов
Отсюда выстреливаются электроны
Несфокусированный поток электронов
Электромагнитные «линзы»
да. Его атом содержит шесть протонов и шесть нейтронов. Более редкий природный изотоп, в ядре каждого атома которого находится лишний нейтрон, называется углерод-13.
Атомный вес
Протон и нейтрон имеют почти одинаковую массу, которая более чем в 1800 раз
О Ядерное деление -это расщепление ядра. В ядерном реакторе ядра атомов урана-235 становятся неустойчивыми при бомбардировке их нейтронами. Затем они расщепляются и высвобождают огромные количества тепловой энергии.
Q Ядерный реактор в Алабаме, США поврежденный пожаром в 1975 г. Многие люди боятся, что при таких авариях будет происходить выброс вредного излучения в атмосферу.
иного элемента, ученые называют его массовое чисто. Например, углерод-12 -это обычный природный изотоп утлеро-
превышает массу электрона. Поэтому когда речь идет о массе атома, как правило, не будет ошибкой ссылаться на его
массовое число.
Атомный вес элемента, или его относительная атомная масса, обычно представ-
ляет собой среднюю массу смеси изотопов, встречающихся в природе. Молекулярный вес вещества, или его относительная молекулярная масса, - это сумма атомных весов всех атомов в одной моле-куше данного вещества.
Многосложный атом
С тех пор экспериментировавшие с ускорителями ученые открыли сотни других видов частиц в атомах. Но, к счастью, простая модель атома достаточна дня того, чтобы объяснить большую часть свойств материи.
45° конечная коническая «линза»
предметный «столик»
о
камера
образца L
Е
О В растровом электронном микроскопе тонкий пучок электронов регулируется электромагнитными «линзами». Электроны проносятся с большой скоростью взад и вперед по поверхности изучаемого образца и обеспечивают кратность увеличения до 100 миллионов раз.
О Электронный микроскоп с 3500-кратным увеличением позволил обнаружить эти два макрофага в легком человека. Обычно круглой формы, здесь они вытянуты и поглощают потенциально вредные частицы, такие как бактерии.
Состояния вещества
3омерзание (затвердевание) -это переход жидкого или расплавленного вещества в твердое состояние. Кипение это переход жидкости в газообразное состояние или пар. Это касается всех веществ, а не только воды.
принимают форму твердого тета, жидкости или газа. Эти формы известны как состояния вещества. В целом, при постоянной температуре размеры и форма твердого тела не изменяются. Жидкость, растекаясь, меняет форму, но ее объем остается неизменным. А у газа постоянными не являются ни объем, ни форма. Газ расширяется или сжимается, чтобы заполнить объем или форму занимаемого им сосуда.
Почти вся материя состоит из атомов,
О Антарктида - континент, покрытый толщей льда объемом почти 30 миллионов куб. км. Лишь иногда в разгар лета температура здесь поднимается выше точки замерзания, да и то только вдоль береговой линии.
которые группируются в молекулы. Молекулы находятся в постоянном движении, и именно энергия их движения (кинетическая энергия) определяет состояние вещества - твердое, жидкое или газообразное. В твердом тете у молекул <мало кинетической энергии, они колеблются вокруг фиксированных точек. Поэтому твердое тело сохраняет свою форму. Молекулы жидкости обладают достаточной энергией, чтобы преодолеть сил)’ взаимного притяжения. Они могут перемещаться и, таким образом, изменять форму жидкости. Молекулы газа обладают большой кинетической энергией и практически свободны в своем движении.
Переход жидкость - газ
Не все молекулы жидкости двигаются с одинаковой скоростью. Некоторые из них движутся так быстро, что способны проникнуть через поверхность в воздух и превратиться в газ, или пар. Если, например, вы оставите открытый стакан с водой в теплом помещении на несколько дней, уровень воды будет постепенно понижаться, пока стакан полностью не опустеет. Этот процесс испарения, происходящий на поверхности жидкости, не нужно путать с кипением, при котором превращение
расплавленный чугун затвердевает. Lf или застывает, при температуре око- ло 1535°С, а его состояние при более низких температурах правильно называют застывшим. Поэтому термин «застывание» не обязательно связан с понятием «холод».
Точки замерзания (затвердевания) и кипения вещества зависят от давления. Даже когда речь идет о воде, термины «замерзание» и «кипение» не всегда употребляются в своем обычном значении. Например, вода закипит при комнатной температуре, если резко снизить давление воздуха. Поэтому «кипящий» не всегда означает «горячий».
Даже при нормальном давлении воздуха многие вещества кипят при очень низких температурах. Их мы обычно называем газами. Так, воздух состоит в основном из двух газов - азота и кислорода. Их обычное газообразное состояние объясняется тем, что они закипают при температурах намного ниже пуля: -19б"С (азот) и -183flC (кислород). Поэтому даже в самых холодных уголках Земли температура выше их точек кипения, и, следовательно, они остаются газами.
Состояния вещества
Чтобы понять, что такое затвердевание и кипение, нужно знать, почему7 вещества
Расплавленный чугун заливают в изложницу в литейном цеху. Когда он остывает до температуры примерно 1535°С, он застывает. При нагревании чугуна до этой же температуры он плавится.
A Shell Phioogfaph
О Самонадувной спасательный плот спас жизнь многим морякам. Он вмещает 20 человек и запасы пищи, воды, медикаментов и рыболовных снастей.
О Автоматизированные системы управления (АСУ) на танкерах сократили численность экипажа до 25-35 человек. Значи-
тельно меньшее судно с ручным управлением требует более многочисленной команды.
Резонанс
Двигаясь с определенной скоростью через волны определенной длины, корабль будет встречать волны с интервалами, равными периоду его килевой качки. Подобно тому, как детские качели раскачиваются с помощью небольших толчков в точно рассчитанные интервалы, корабль вскоре начнет сильно раскачиваться вперед и назад. Это тоже пример эффекта резонанса. Чтобы свести килевую качку к минимуму, инженеры проводят волновые испытания на масштабных моделях кораблей.
Для того чтобы двигаться по мор-
ской воде, корабль должен преодолевать различные силы сопротивления. Эти силы включают в себя сопротивление трения, волновое сопротивление, сопротивление формы, вихревое сопротивление и сопротивление,
вызванное дополнительными приспособлениями на борту судна - такими как руль и винт.
Сопротивление
Кроме сопротивления трения, вызванного трением между корпусом и водой, корабль испытывает волновое сопротивление (вызвано волнами, созданными кораблем при
его движении вперед), сопротивление формы (направленная назад сила, создаваемая областью низкого
© Корабли иногда испытывают прогибы, способные разломить их на две части. Это происходит, когда волны действуют на корпус с неравной силой, направленной вверх.
давления, образующейся в воде позади корабля при его поступательном движении) и вихревое сопротивление (вызвано круговыми течениями, создаваемыми в воде корпусом).
Конструкторы строят масштаб- | ную модель судна и вычисляют I полное сопротивление корабля. Исходя из этой расчетной величины, определяют мощность, необходимую для движения корабля по воде - в зависимости от его размера и осадки. Всегда требуется более высокая действительная мощность двигателя, чем та, что была вычисле-
на. так как никакая энергетическая установка не может иметь 100% КПД.
Q Первые полностью автоматизированные суда со вспомогательным парусным вооружением имеют две жесткие мачты. При неблагоприятном ветре паруса, которыми управляет компьютер, складываются.
(Q Гребной винт в направляющей насадке имеет кольцо вокруг лопастей. Он более эффективен по сравнению с открытым винтом, так как уменьшает расход топлива и, следовательно, сокра-щает общие эксплуата- 4 ционные расходы. о
см. также
Наука и техника 4 - СУДА НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ И ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ
О Иглу -традиционное куполообразное жилище эскимосов Канады,сложенное из блоков спрессованного снега. Если температура поднимется выше
точки замерзания воды, этот «дом» растает.
Q Когда вода в пруду или озере охлаждается ниже +4 °C, она расширяется и становится менее плотной. Это означает, что холодная вода поднимается к поверхности. При дальнейшем снижении температуры на поверхности воды образуется слой льда.
Переход жидкость -твердое вещество
Можно заставить жидкость перейти в твердое состояние, забрав у нее тепло. Для этого достаточно поместить ее в более холодную среду. При потере тепла молекулы жидкости замедляют свое движение и, в конце концов, уже не могут перемещаться, а просто колеблются вокруг фиксированных точек. С наступлением этой фазы жидкость отвердевает, т. е. превращается в твердое вещество. Например, вода замерзает при температуре 0"С.
Большинство веществ кристаллизуются при переходе из жидкого состояния в твердое. Так, NaCl (поваренная соль) образует кристаллы кубической формы.
Нагреваясь, твердые вещества могут снова перейти в жидкое состояние, так как при этом увеличивается скорость движения их молекул.
При нагревании твердого вещества с целью превращения в жидкость его температура растет за счет поглощения тепла. Но. достигнув точки плавления, температура вещества остается постоянной. хотя процесс поглощения тепла продолжается. Тепло, используемое для превращения твердого вещества в жидкость, не увеличивается после достижения точки плавления и называется скры-
в пар происходит во всей массе жидкости.
Поскольку’ состояние вещества зависит от интенсивности движения его молекул, оно может меняться при изменении кинетической энергии молекул. Мы часто изменяем состояние вещества, подвергая его воздействию тепла (одной из форм энергии). Когда, например, мы кипятим воду, она превращается в газ - нар, - гак как тепло заставляет все молекулы двигаться настолько быстро, что силы их взаимного притяжения уже недостаточно, чтобы удерживать их вместе. В итоге молекулы улетучиваются в виде пара, вода «кипит». Обычно это происходит при температуре 100"С.
Переход газ - жидкость
Пар снова превращается в воду при определенной потере тепла. Это явление можно наблюдать при продолжительном кипении воды в чайнике. Холодные поверхности в помещении покрываются влагой, так как часть образовавшегося пара отдает им тепло при контакте. В результате молекулы пара замедляют движение, и он превращается в воду. Говорят, что пар конденсировался в жидкое состояние, а явление называют «конденсацией».
Мы ошибочно считаем паром белые клубы у носика чайника, но настоящий пар нельзя увидеть. Видимые клубы состоят из крошечных капелек воды, образующихся при конденсации пара, когда на выходе из чайника он сталкивается с относительно холодным окружающим воздухом.
Q Вес человека передается на лед через узкие лезвия коньков. Мгновенно возросшее при этом давление приводит к образованию пленки воды, по которой легко скользят коньки.
той теплотой плавления. Лишь после того, как все твердое вещество перейдет в жидкое состояние, его температура вновь начинает расти.
Парообразование
Если продолжать нагревать жидкость, ее температура будет расти до достижения точки кипения, после чего остается неизменной, так как превращение жидкости в газ требует большого количества тепла. Тепло, используемое для перехода жидкости в газообразное состояние, называется теплотой парообразования. Как только все вещество превратится в пар, его температура будет опять расти.
При охлаждении газа сто температура вначале падает. Затем, после достижения точки кипения вещества, газ отдает свою теплоту парообразования и переходит в жидкое состояние при той же температу-ре. Только когда весь газ превратится
в жидкость, температура вещества начинает падать.
При дальнейшем охлаждении температура снижается до точки замерзания жид-
кости, после чего она отдает свою скрытую теплоту7 плавления и переходит в твердое состояние при той же температуре. Когда отвердевает вся жидкость, температура вещества вновь начинает падать.
Давление
Хотя считается, что вода замерзает при 0"С, а закипает при 100"С, это верно лишь в условиях нормального атмосферного давления. С изменением давления меняется и температура перехода вещества из одного агрегатного состояния в друтос. Например, при повышении давления
£ Q Замораживание ~ происходит за счет ~ поглощения скрытой ст теплоты хладагентом, = когда он превращается ± из жидкости в газ.
* О Для сжигания
> ракетного топлива £ космическим кораблям необходим кислород. Его хранят при температуре ниже точки кипения, чтобы он оставался жидким.
уменыиается температура таяния льда или замерзания воды. Вот почему7 так легко скользить на коньках по льду катка или замерзшего озера. Вес тела человека
через узкие лезвия коньков с огромной силой давит на лед. В результате снижается точка таяния льда, а его температура становится недостаточно низкой, чтобы он оставался в твердом состоянии, и лед под коньками мгновенно превращается в воду. Когда прекращается давление на воду, она вновь быстро превращается в лед.
С изменением давления также меняется и температура кипения воды. Например, при низком давлении молекулам легче улетучиваться в воздух, и вода закипает при температуре ниже обычной.
Иногда альпинисты жалуются, что не
могут заварить хороший чай высоко в горах. Это происходит потому, что чем выше вы поднимаетесь в горы, тем меньше толщина слоя воздуха над вами. При этом давление падает, и вода закипает при температуре, слишком низкой для извлечения всех вкусовых веществ из листьев чая. Дальнейшее нагревание ускорит процесс кипения, но не повысит температуру воды.
Обратный эффект наблюдается при кипячении воды в скороварке. Пар, образующийся при кипении воды, не имеет выхода из этого герметичного сосуда, и давление внутри него увеличивается. При этом температура кипения воды повышается, и вода остается в жидком состоянии, пока не нагреется до температуры выше ее обычной точки кипения.
Принцип влияния давления на жидкости и газы используется в холодильниках.
ф Снежинки образуются при замерзании облаков. Снег имеет кристал-
Q Тела умерших можно хранить в жидком азоте при низкой температуре
лическую структуру с шестью лучами, но форма каждой снежинки уникальна.
на тот случай, если в будущем будет найден способ
оживления.
В некоторых из них жидкость с низкой температурой кипения сначала превращается в пар за счет уменьшения давления. Это происходит в трубах, проходящих через морозильную камеру. Превращаясь в пар, хладагент поглощает скрытое тепло внутренней части холодильника и его содержимого, тем самым охлаждая их. Затем пар сжимается и превращается обратно в жидкость. При этом хладагент отдает свое скрытое тепло, выводимое наружу через трубки, расположенные на задней стенке холодильника.
Примеси
Иногда для определения неизвестных продуктов химических реакций и опытов используются их точки замерзания и кипения. Но такой метод применим только i для чистых веществ, так как присутствие ? примесей снижает температуру замерза- § ния и повышает температуру кипения. | Так, добавление поваренной соли к воде 'g снижает точку ее замерзания. Вот почему £ зимой дороги посыпают солью. Соленая
вода замерзает при температуре -8“С и ниже, поэтому пока температура нс упадет как минимум до этой точки, замерзания не происходит.
Льдосоляная смесь порой применяется в качестве «охлаждающей смеси» для низкотемпературных опытов. Когда лед тает, он поглощает скрытое тепло, требуемое для превращения, из окружающей его среды, тем самым охлаждая ее. При этом поглощается столько тепла, что темпера-
тура может упасть ниже -15"С.
Почему лед плавает Большинство веществ расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Например, ртуть в градуснике поднимается по узкой трубке и показывает повышение температуры. Поскольку ртуть замерзает при -39"С, она не годится для термометров, используемых в суровых температурных условиях.
Вода также расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Однако в диапазоне охлаждения от примерно 4"С до 0"С она расширяется.
ф Многие вещества кристаллизуются при отвердевании. Здесь показаны кристаллы новачекита (слева) и белого кварца в топазе (справа).
О Точка замерзания ртути -39°С, поэтому при комнатной температуре ртуть представляет собой жидкость.
Здесь она показана в виде капелек взвеси в масле.
Q Газ для бутановых горелок воздушных шаров хранится под давлением в жидком виде. При контакте с воздухом давление жидкости падает, и она закипает, превращаясь в газ, который сжигается для нагрева воздуха в оболочке шара.
Зимой могут лопнуть водопроводные трубы, если вода в них замерзла, и образовались большие массы льда. Давления льда на стенки трубы бывает достаточно для их разрыва.
Расширение воды
Так как вода расширяется при охлаждении, плотность льда (твердой формы воды) меньше, чем у воды в жидком состоянии. Другими словами, данный
ф Подобные автомобили
с паровыми двигателями получают энергию за счет сжигания топлива, например, угля.
При этом вода нагревается до кипения и превращается в пар. Пар создает огромное давление в цилиндрах, заставляя поршни приводить в движение машину.
объем льда весит меньше, чем тот же объем воды. Поэтому лед формируется на поверхности прудов и озер.
В районе Северного и Южного полюсов Земли вода замерзает и образует айсберги. Некоторые из этих плавающих ледяных гор имеют внушительные размеры. В 1956 г. в южной части Тихого океана был обнаружен крупнейший из известных человеку айсбергов. Площадь сто поверхности превышала 31 000 кв. км.
Основы химии
| [ Редкие (инертные) тазы
1-й период
Кобальт
Платина
3-й период
Золото
Галлий
Неодим
Питий
Натрий
Ниобий
Аргон Актиний Серебро Алюминий
Нептуний
Кислород
Европий 3>лор Железо
Америций Мышьяк
Фермий Франций Галлий
Криптон Пантан
’одни
’утений
Тулий Уран Ванадий Вольфрам Ксенон
Барий Бериллий Висмут Берклий Бром Углерод
Никель
Нобелий
Германий Водород Гелий
Гафний
Гольмий Йод Индий Иридий Калий
Цезий Медь Диспрозий Эрбий Эйнштейний
Марганец
Молибден
Празеодим
5-й период
Гадолиний
Пютеций
Иттрий
Селен
5т
Стронций Тантал
сурьма
Скандий
Кремнии
Самарий
Иттербий
Цирконий
Периодическая таблица химических элементов
Лоуренсий Менделевий Магний
Ас
Ад
At
Ва
Be
Вт
Cd Кадмий Cs Ва Се Рг
Се Церий
Ст
Калифорнии
Кюрий 7-й период
Химия изучает превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и (или) строения. Все известные ей вещества состоят из трех основных компонентов - протонов, нейтронов и электронов.
Природа вещества в целом оставалась тайной до XVII века. Повинен в этом был греческий философ IV века до н. э. Эмпедокл, учивший, что все сущее состоит из воды, земли, огня и воздуха, соединяющихся в вещах в разных пропорциях. Теория «четырех элементов» надолго увела ученых в сторону от понимания истинной природы вещей. Так, если вещество изменялось при нагревании на огне, считалось, что с веществом соединилась какая-то часть огня.
В 1661 году слово «элемент» приобрело новое значение. Ирландский ученый Роберт Бойль пришел к выводу, что сущест-
Фосфор Протактиний Свинец Палладий Прометий Полоний
Плутоний
, 2-й период
Радии
Рубидий
Рений
| | Неметаллы
| Металлы переходного ряда
| | Водород
| Лантаноиды и актиноиды
2 ] Элементы с металлическими и неметаллическими свойствам!'
Ь| О Периодическая таблица.
Над символом каждого элемента стоит его атомный номер. V всех элементов одного периода одинаковое число электронных оболочек.
Торий
Тербий Гехнеций
Теллур
вует множество простых веществ, которые, соединяясь, могут образовывать более сложные. Бойль назвал их элементами, определив элемент как вещество, которое нельзя разложить на более простые составляющие химическим путем.
Теория Бойля положила начало настоящей охоте за новыми элементами. За последующие 100 лет было идентифицировано 27 элементов и был достигнут серьезный прогресс в понимании различных типов реакций.
Ключевую роль в этом процессе сьпрал француз Антуан Лавуазье, которого часто называют отцом современной химии. Он установил, что продукт сгорания вещест-
ва весит больше, чем само вещество, а значит, оно образует химическое соединение с чем-то, что присутствует в воздухе. Когда в 1774 г. английский химик Джозеф Пристли открыл кислород, Лавуазье понял, что это и есть тот газ, который соединяется с веществами при их сгорании.
К началу XIX века стало ясно, ч то многие элементы обладают сходными свойствами. Назрела потребность разбить известные элементы на группы. Поскольку'ученые знали, что все вещества состоят из атомов и атомы различных элементов имеют различный вес, логично было выстроить элементы в порядке возрастания их атомного веса. В 1863 г. английский химик Джон Ныолспдс
Q Химические свойства элемента зависят от числа электронов и «вакантных мест» во внешней оболочке атома. Гелий химически инертен - его внешняя оболочка заполнена.
показал, что в такой последовательности вещества со сходными свойствами будут встречаться через регулярные промежутки, а именно через восемь. Например, третий по счету элемент, литий, по своим свойствам напоминал 11-й (натрий) и 19-й (калий). Ньюленде представил эту последовательность в виде таблицы из семи колонок. По горизонтали элементы располагались в порядке возрастания атомного веса, и каждый восьмой элемент начинал новую труп-
НАУКА И ТЕХНИКА
ну. Однако эта простая система нс подходила для всех известных тогда элементов, а потом}' работа Ньюлендса не была но достоинству оценена в свое время.
Периодический закон Прорыв в классификации элементов был достигнут в 1869 году, когда российским химик Дмитрий Менделеев представил свою таблицу' Как и его предшественники, Менделеев поместил элементы в порядке возрастания их атомного веса, так что элементы со схожими характеристиками расположились в одном ряду. Длина рядов была различной. Таблиц}7 Менделеева отличало важное новшество. Чтобы элементы стали каждый в своей колонке, он в некоторых местах - там, где, по его убеждению, должны были со временем появиться еще не открытые элементы - оставил пустоты. По том}’, какие уже имеющиеся элементы заполняли ту или иную колонку, Менделеев предсказал свойства недостающих.
Некоторые из пустот заполнились быстро: в 1875 год}’ был открыт галлий, затем скандий (1879) и германий (1886). То, что их физико-химические свойства были предсказаны Менделеевым, подтвердило правильность его теории, не только связавшей воедино массу сведений об уже известных веществах, но и указывавшей п}ти открытия новых.
Порядок расположения Менделеев так сформулировал свой периодический закон: «Свойства элемен-
| тов, а потом}’ и свойства образуемых f ими простых и сложных тел. стоят в пе-риодической зависимости от их атом-- ного веса».
Несмотря на свою колоссальную пользу. его периодическая таблица имела ряд недостатков. Так, некоторые нары элементов - например, никель и кобальт -находились явно не на своем месте. Некоторые группы из трех элементов с подобными свойствами пришлось втиснуть в одну клеточку, чтобы последующие заняли свое положение. Было ясно, что классификацию элементов нельзя основывать только на их атомном весе. А если так. то на чем еще?
атомы
водорода
атом кислорода
I
атомы
0 Немецкий алхимик Хенниг Бранд открыл белый фосфор в 1669 г. Испаряя мочу, он неожиданно для себя получил вещество, излучавшее холодный белый свет.
О Химик проверяет состав одной из фракций нефти после первичной перегонки.
О Атомы, имеющие общие электроны, соединены ковалентной связью. Примеры - молекулы воды (слева) и метана (внизу).
КОВАЛЕНТНЫЕ
СВЯЗИ
атом углерода и его электронные орбитали
атомы водорода
О Набор катализаторов - веществ, повышающих скорость химических реакций, но к завершению реакции не претерпевающих долговременных химических изменений.
Строение атома
Часть ответа на этот вопрос была найдена в начале XX века, когда ученые проникли в тайны строения атома. Было установлено. что в сто состав наряду с относительно тяжелыми протонами и ней тронами входят сверхлегкие частицы, получившие название электронов. С расположением элементов в порядке возрастания числа протонов в их атомах таблица приобрела более совершенный вид.
Число протонов в ядре атома условились считать атомным номером элемента, и периодический закон получил новую формулировку: «Элементы, располо-
0 При ионной связи переход электрона от одного атома к другому создает электрические заряды противоположного знака. Между ними возникают силы притяжения. Такие связи характерны для элементов, стоящих в таблице далеко друг от друга.
49
НАУКА И ТЕХНИКА
женные в порядке возрастания их атомных номеров, обнаруживают периодическое повторение свойств».
Число протонов в атоме равно числу его электронов. Химические свойства элемента определяются количеством электронов во внешней орбите. Вот почему периодическая таблица, основанная на количестве протонов в атоме, стала намного точнее.
0 Кислород и азот получают ректификацией воздуха. Азот, с его более низкой точкой кипения, улетучивается первым. Остается практически чистый кислород.
Q При комнатной температуре вода, состоящая из кислорода и водорода, является жидкостью благодаря силам притяжения - т. н. водородным связям - между ее молекулами.
ИОННАЯ СВЯЗЬ
натрий
натрий отдает электрон
ВОДОРОДНАЯ
СВЯЗЬ
молекулы воды притягиваются друг к другу водородными связями
хлорид натрия
Когда Менделеев работал над своим законом. было известно около 60 элементов. Сегодня идентифицированы все 92 элемента, встречающиеся в естественном виде, и создан ряд искусственных. Элемент с атомным номером 101 был получен искусственным путем в 1955 году учеными Калифорнийского университета в Соединенных Штатах и назван менделевием в честь выдающегося российского первооткрывателя.
Элементы и соединения
Некоторые из 92 естественных элементов встречаются в природе чаще, чем другие. Так, кора Земли примерно на 46,6% состоит из кислорода, 27,72% - кремния, 8,13%- алюминия, 5% - железа. 3.63% кальция, 2,83% - натрия. 2,59% - калия, 2,09% - магния и 1% - прочих элементов.
Большинство естественных веществ являются соединениями - химическими комбинациями двух или более элементов, Крайне мало элементов встречается в свободном, или несвязанном, виде, -а Железо, например, распространено в ви- § де различных окислов - соединений = с кислородом. I
По своим свойствам соединения могут s резко отличаться от образовавших их элементов. Соединение хлорид натрия, хорошо известное нам в повседневной жизни как относительно безвредная поваренная соль, состоит из удушливо-ядовитого газа хлора и натрия - высокоактивного металла, который при взаимодействии с водой горит и плавится!
Электронная конфигурация
Свойства элементов, включая способы, которыми они образуют соединения, определяются структурой их атомов. В центре атома находится ядро из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. По орбитам вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны. Число электронов обычно равно числу протонов, так что их равные, но противоположные по знаку заряды уравновешивают друг друга, и атом считается электрически нейтральным.
Электроны в атоме обращаются вокруг ядра группами и на определенном удалении от пего. Области, в которых движутся электроны, называются электронными оболочками. Упрощенно их можно представить как поверхности видимых сфер, центром которых является ядро. В зависимости от количества электронов атомы имеют от одной до семи оболочек. Оболочки обычно обозначаются латинскими буквами - от К (ближайшая к ядру)до Q.
Для каждой оболочки существует максимальное число электронов, которые могут ее заполнить (емкость электронной оболочки). При нумерации оболочек от ядра емкость каждой из них равна 2п!. где п - порядковый номер оболочки. Поэтому первые четыре оболочки могут содержать до 2. 8. 18 и 32 электронов.
В образовании химических связей участвуют только электроны внешней оболочки, называемые валентными (их количество не превышает восьми).
0 Каждое из этих химических соединений состоит из двух или более элементов, показанных в правой стороне рисунка. Вещества состоят из молекул, а молекулы - из атомов.
Q Химия - это не только лабораторные опыты. Пожалуй, самые наглядные химические реакции происходят во время фейерверка: для окрашивания пламени в порох добавлены различные вещества.
Связи
Химическая связь - это взаимодействие между атомами, в результате которого образуется стройная многоатомная система. В несколько упрощенной формулировке, зто взаимное притяжение атомов, приводящее к образованию молекул. Например. каждая молекула водорода состоит из двух атомов водорода, а молекулы соединений образованы атомами разных элементов. Созданием или разрушением химических связей сопровождается любое химическое превращение веществ. Существует несколько типов химических связей. При ковалентной связи пара электронов становится общей для двух атомов и вращается вокруг обоих ядер.
При образовании химической связи атомы высвобождают энергию, часто в виде тепла. Именно этот процесс наблюдается при сгорании угля и нефти. Образующиеся соединения более устойчивы, чем элементы, из которых они состоят. Для того, чтобы разорвать связи и разделить атомы, потерянное количество энергии необходимо возместить.
Некоторые элементы образуют соединения только при нагревании, и тем нс менее в ходе реакции все равно выделяется тепло. Например, черный окисел меди образуется при нагревании меди и кислорода. Чтобы получить из него металлическую медь, окисел необходимо нагреть вновь.
Органическая химия
Многие соединения углерода были впервые обнаружены в живых организмах, поэтому наука, изучающая их, получила название органической химии.
1860 г. французский ученый ВС Пьер Бертло (1827-1907) опуб-Л ликовал методику лабораторного синтеза органических соединений.
Органические соединения разделяются на две основные группы - алифатические и ароматические соединения. К первым относят жирные вещества, содержащие открытые цепи углеродных атомов. Ароматические
О Модель молекулы P-D-глюкозы. Черным цветом обозначены атомы углерода, красным - атомы кислорода, синим - атомы водорода. Глюкоза является моносахаридом - простейшей формой сахара. Все сахара - это алифатические органические соединения, называемые углеводами и состоящие только из атомов углерода, кислорода и водорода.
Некоторые виды обычных полимеров. Основные материалы для производства полимеров синтезируют из углеводородов, получаемых из угля, нефти, природного газа, дерева и хлопка при участии различных неорганических соединений. Например, эпоксидные смолы производят из нефти, но в технологическом процессе участвуют также воздух, соль и вода. Полиэфиры тоже делают из нефти, однако в этом случае используют дополнительно воздух, соль и известь. Искусственный каучук получают из углеводородов угля, природного газа или нефти в сочетании с воздухом, известью, солью, серой и водой.
00 Дистилляция спирта в XV в. (вверху) и сегодня (справа). Все алкогольные напитки содержат этанол, получаемый при ферментативном окислении сахара из фруктов или зерна. Дистилляция применяется для очистки спирта.
масла и специи относятся к ароматическим соединениям, состоящим из колец углеродных атомов.
Алифатические соединения Алифатические соединения включают в себя алифатические углеводороды, состоящие из атомов углерода и водорода. Эти соединения называют алканами, алкенами и алкинами.
Другую группу алифатических углеводородов составляют соединения атомов углерода, водорода и кислорода. Это спирты, альдегиды, кетоны, углеводы и алифатические карбоновые кислоты. Алифатическая группа часто имеет более сложный состав, включающий такие дополнительные элементы, как азот, сера и фосфор. Примером этих соединений являются аминокислоты и белки, присутствующие в живых организмах.
' К алканам, известным как парафины, относятся такие газы, как метан и этан. Метан - это основной компонент природного газа, а этан используется при синтезе различных органических соединений.
Важнейшим алкеном является этилен, который применяется для синтеза этиленгликоля (антифриз) и таких полимеров, как полистирол, поливинилхлорид (ПВХ) и полиэтилен.
Из алкинов наиболее известен ацетилен, используемый в кислородно-ацетиленовой сварке и резке мегаллов.
Спирты включают в себя этанол (или этиловый спирт) и метанол (метиловый спирт). Этанол используется при изготовлении спиртных напитков, а метанол в качестве растворителя.
При окислении спиртов образуются альдегиды и кетоны. Последующим окислением этих соединений получают карбоновые кислоты. Простейшим альдегидом является формальдегид, водный раствор которого называется
Q Образование нейлона при соединении двух растворов, один из которых содержит гексаметилендиамин, а другой -адипиновую кислоту. Готовый нейлон убирают, и на его месте образуется новый.
формалином и используется для хранения биологических образцов благодаря своему' бактерицидному7 действию. Также формальдегид применяется при производстве некоторых видов полимеров. Наиболее известным кетоном является растворитель ацетон.
Углеводы включают в себя сахара, крахмалы и растительную клетчатку. Углевод целлюлоза - основной «стройматериал» стенок растительных клеток, и, следовательно, главный компонент древесины и хлопка. Целлюлоза также применяется для производства полимеров - например, целлофана.
Ароматические соединения
Ароматические соединения широко применяются при производстве полимеров, а также в фармацевтической и лакокрасочной промышленности. Основой этих соединений является бензол, получаемый из угольной смолы и нефти. Хлористый бензол образуется при взаимодействии хлора и бензола и используется в качестве растворителя в фармацевтической промышленности.
Толуол, получаемый из бензола в ходе процесса под названием алкилирование, является растворителем для смол, резины и полимеров. На его основе производят также взрывчатое вещество тринитротолуол (ТНТ).
Нитробензол получают нитрованием бензола. Его используют для синтеза анилина, применяемого в производстве полимеров, лакокрасочной и фармацевтической промышленности.
Q Пойман с поличным. Эти монеты были помечены бесцветным соединением родамин В, которое, реагируя с потом человека, переходит в красную форму родамин FB.
168
см. также
Наука и техника 144 - УГЛЕРОД, НЕОРГАНИЧЕСКИЕ И ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ
Электричество
и магнетизм
Q Машина Уимсхерста -один из первых генераторов - производила статическое электричество за счет трения между вращающимся стеклянным диском и неподвижным металлическим.
В старину электрические явления в виде молнии и грома вызывали у людей жуткий страх. Позднее мы научились использовать электричество для своих нужд. А магнетизм, некогда не более чем диковинное явление, сегодня играет одну из важнейших ролей в гигантских генераторах, обеспечивающих нас энергией.
№ екоторые ткани сильно электризу-ются, когда пошитую из них одежду
снимают через голову. Иногда заряд бывает настолько мощный, что можно услышать треск электрических искр, а в темном помещении - даже увидеть их. Эти искры представляют собой молнию в миниатюре и, подобно последней, возникают в результате резкого электрического разряда. Во время грозы наэлектризованное облако разряжается, при этом выделя-
Q Удар молнии возникает, когда нарушается изоляция воздуха под воздействием огромных электрических напряжений. Воздух вдруг стано-I вится проводником электричества от высоко заряженного облака до поверхности Земли.
Telegraph Colour
5 0 Современные парки аттракционов расходуют очень много электричества для освещения
и приведения машин в движение. Передвижные аттракционы обычно имеют собственные генераторы для производства электроэнергии.
ется огромное количество энергии в виде света и тепла. Свег воспринимается нами как вспышки молнии, а тепловой поток вызывает внезапное, взрывоподобное расширение окружающего воздуха - и мы слышим раскаты грома.
Все окружающие нас объекты содержат миллионы электрических зарядов, состоящих из частиц, находящихся внутри атомов - основы всей материи. Центральная часть, или ядро, большинства атомов включает два вида частиц: нейтроны и протоны. Нейтроны не имеют электрического заряда, в то время как протоны несут в себе положительный заряд. Вокрут ядра вращаются еще одни частицы - электро- f ны. имеющие отрицательный заряд. Как “ правило, каждый атом имеет одинаковое S.
Подводные лодки
О Подлодка-ракетоносец «Вэнгард» (первая лодка ВМС Великобритании одноименного класса), вооруженная МБР «Трайдент», прибывает на базу подводных лодок Клайд в Фаслейне, Шотландия.
Так выглядит тесный кубрик субмарины ВМС США «Алабама». Эта атомная подводная лодка вооружена ракетами «Трайдент». Экипажи такого типа лодок обычно находятся 70 дней на боевом дежурстве в море.
Первые субмарины представляли собой подводные гребные суда с корпусом из дерева и кожи. Современные атомные подлодки - мощный вид военной техники; они могут проплыть более 500 000 км, израсходовав всего 5 кг топлива.
янь первые подводную лодку приме-иСпили против вражеского судна в швя 1776 г. в Америке во время войны за независимость (1775-83). Сверхмалая субмарина «Черепаха» предприняла попытку заминировать британский фрегат «Игл» в Нью-Йоркской бухте. План провалился, но «Черепаха» смогла подобраться незамеченной к кораблю неприятеля, тем самым доказав, что подводные лодки можно использовать в ходе войны. Эта подлодка двигалась за счет вращения гребного винта с помощью педалей.
Поиск подходящей энергосиловой установки для подводных лодок оказался нелегкой задачей. К началу 1830-х гг. были разработа-
= количество протонов и электронов, чьи | равные по величине, но противополож-2 ные заряды уравновешивают друг друга. В ъ результате мы не ощущаем никакого заря-s' да, а вещество считается незаряженным.
Однако, если мы каким-либо образом нарушим это равновесие, то данный объект будет обладать общим положительным или отрицательным зарядом в зависимости от того, каких частиц в нем останется больше - протонов или электронов.
Электричество и трение Различные материалы иногда электризуются при трении друг о друга, поскольку' при этом происходит переход электронов из одного материала в другой. Например, если вы пользуетесь пластмассовой расческой, электроны волос переходят на нее. В результате расческа оказывается отрицательно заряженной, а волосы имеют положительный заряд, так как теперь в них больше протонов, чем электронов. Заряженные объекты притягивают незаряженные, и поэтому к расческе пристают небольшие кусочки бумаги.
Притяжение и отталкивание Заряженные объекты либо притягивают, либо отталкивают друг друга. Если они имеют противоположные заряды, то меж
ф Испытание высоковольтного изолятора. Напряжение в верхней части изолятора постепенно повышается, пока не будет нарушена изоляция окружающего воздуха, в результате чего возникают гигантские искровые разряды.
0 Конденсаторы хранят заряд на металлической пластине.
Переменные конденсаторы (вверху справа) используются для радиосигналов. Малые конденсаторы такого
типа применяются в радиоприемниках (в центре справа).
ду ними действует сила притяжения. Но если у них одноименные заряды, то тогда имеет место сила отталкивания.
Считается, что объект, наэлектризованный за счет трения, обладает статическим электричеством, поскольку заряд может оставаться внутри него почти бесконечно. Такой объект останется заряженным до тех пор. пока в нем не будет восстановлен баланс положительных и отрицательных частиц. Это достигается путем предоставления возможности «перетекания» заряженных частиц из данного объекта или в него. Например, объект, получивший отрицательный заряд ввиду' передачи ему’ дополнительного количества электронов можно разрядить, если позволить лишним электронам вновь покинуть его. А положительно заряженный объект в результате потери некоторого количества электронов можно разрядить, дав возможность недостающим электронам вернуться назад. Любое подобное движение заряженных частиц называется электрическим током.
Проводники
Вещества, позволяющие току7 проходить через них, называются проводниками. Металлы и графит, а также обычная разновидность углерода являются хорошими проводниками электричества. К мате
риалам, которые обычно нс проводят электричество, относятся янтарь, нефть, воск, стекло, бумага и пластмасса. Такие материалы называются диэлектриками.
В XVIII веке многие ученые проводили опыты с электричеством, используя машины, обеспечивающие трение одного материала о другой для получения мощного электрического заряда. Однако такой заряд быстро исчезал в результате внезапного выброса тока при подсоединении проводника к оборудованию. Го
раздо более пригодным для многих опытов был бы источник, способный производить достаточно стабильный ток в течение более длительного периода времени. В 1790-е годы итальянский ученый Алессандро Вольта нашел нужное решение - он изобрел гальванический элемент и батарею.
Элементы и цепи
Гальванический элемент преобразует химическую энергию в электричество. Эти элементы часто соединяют друг с другом
00 Металлы - хорошие проводники электричества благодаря свободному перемещению электронов. Если на металл не подано напряжение, электроны двигаются хаотично (см. вверху). Если же напряжение подано (см. внизу), отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительно заряженному концу. Этот поток является электрическим током.
© ® © © ф © ©I
© ®*®~© © т© ф
Ч-• Ч-« 4-• Ч-• «-• Ч—
0 Магнитное поле (крайнее слева) - это область, где присутствует магнетизм. Поле магнита можно показать в виде силовых линий между его полюсами. Магниты (в центре) притягиваются друг к другу, если совместить их противоположные полюса, и взаимно отталкиваются при попытке совместить одноименные полюса.
или группируют для получения более мощного источника электроэнергии в точках подключения, или полюсах. Такие соединения называются батареи. Однако единичные элементы также часто именуют батареями. Цепь состоит из источника электричества (такого как батарея) и пути тока, по которому ток может протекать от одного полюса источника к другому. Электроток представляет собой поток электронов; его можно сравнить с потоком воды, движущимся по трубе. Чтобы заставить воду течь по трубе, необходимо создать давление, то же самое нужно сделать с электронами, чтобы заставить их протекать по проводу. Такое электрическое давление, или напряжение, создаваемое, например, батареей, измеряется в вольтах, а образуемый при этом ток - в амперах. Поток воды, получаемый при определенном давлении, зависит от вида используемой трубы. Например, длинная и узкая труба будет оказывать сопротивление потоку воды внутри нее. А длинный и тонкий провод будет оказывать большее сопротивление электротоку, чем короткий и толстый провод из того же материала.
Сопротивление
Единицей измерения электрического сопротивления является ом. Поскольку медь имеет относительно низкое сопротивление и, следовательно, является хорошим проводником электричества, она широко применяется в кабелях. Еще лучшим проводником является серебро, но оно слишком дорогостояще для широкого применения. В некоторых цепях используются
элементы, которые намеренно изготовлены с высоким сопротивлением. Такие устройства - резисторы - часто используются для ограничения протекания тока на отдельных участках электронных схем.
Магнетизм
Считается, что греческий философ Фалес Милетский первым изучал странное притяжение магнитным железняком обычного железа. Это происходило около 600 года до н. э., и прошли века, прежде чем магнетизм нашел практическое применение в виде магнитного компаса. Вероятно, в Китае приблизительно к 200 году н. э. уже имелся несовершенный образец магнитного компаса, однако в Европе он появился не ранее 1200 г.
На протяжении многих столетий никто не мог разгадать тайну, почему кусок природного магнитного железняка (если он мог свободно перемещаться) всегда
Q Ребристые стеклянные изоляторы на 400 кВ ЛЭП отделяют провода от опор. Провисающие петли проводов соединяют главные участки линии электропередачи.
0 Малая часть разнообразных резисторов, используемых в электронных схемах. Сопротивление некоторых из них обозначается полосками цветовой кодировки.
Два из показанных резисторов являются высокомощными и имеют металлические ушки для крепления к металлическому корпусу. Этот корпус служит отводом для тепла, создаваемого в резисторах, и таким образом предотвращает их перегорание.
указывал одно и то же направление. Сегодня нам известно, что железо и другие магнитные материалы состоят из крошечных намагниченных частиц, называемых доменами. Обычно они располагаются в различных направлениях, а металл не проявляет в целом никаких магнитных свойств. Если же домены выстраиваются таким образом, что все они направлены в одну сторону, то металл намагничивается и притягивает другие куски железа.
Два полюса
Все магниты такого рода имеют одну общую черту: их намагниченность сконцентрирована па двух участках, которые называются северный и южный полюсы магнита. Они получили такое название в связи с тем, что, когда магнит может свободно вращаться (в подвешенном или плавучем состоянии), эти части магнита поворачиваются в на-
О Вверху: Железные опилки показывают магнитные силовые линии внутри проволочной катушки, по которой проходит ток, и вокруг нее. Внизу: В настоящем электромагните внутри обмотки находится железный сердечник для увеличения магнитной силы.
правлении Северного и Южного полюсов Земли, которая сама по себе является гигантским магнитом. В этом заключается принцип действия магнитного компаса. Оба полюса магнита притягивают ненамагничеипое железо. Но если приблизить два магнита, северный полюс одного из них будет притягивать южный полюс другого. Другими словами, разноименные полюса притягиваются. И наоборот - два северных полюса будут отталкивать друг друга так же, как и два южных. Поэтому говорят, что
By Courtesy of the National Portrait Gallery, London
см. также
одноименные полюса взаимно отталкиваются. В таком случае, однако, может показаться странным, что северный полюс магнита склонен поворачиваться в сторону Северного полюса Земли. Это происходит потому, что магнитный север (магнитный полюс вблизи области, которую мы называем Северным полюсом) фактически является южным магнитным полюсом.
Между электричеством и магнетизмом существует тесная связь, но об этом стало известно лишь в 1819 году, когда датский профессор физики Ханс Эрстед продемонстрировал своим студентам некоторые свойства электричества.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ДИНАМО-МАШИНЫ
Катушка
Индуцированный в цепи ток
Индуцированное в катушке напряжение можно измерить с помощью вольтметра
Открытие Эрстеда
Эрстед подсосдини.4 провод к полюсам батареи, чтобы показать, что он надевается при прохождении через него сильного электрического тока. Однако произошло нечто совершенно неожиданное. Когда он подсоединил провод к батарее, стрелка находившегося рядом компаса отклонилась и больше не указывала на север. Эрстед понял, что проходящий через провод электроток создавал магнетизм, воздействующий на компас. Так он открыл одно из важнейших явлений в науке - электромагнетизм.
Электромагнетизм
Ток, проходящий через провод, создает относительно слабый магнетизм. Но вскоре ученые нашли способ усиления этого явления. Более выраженные магнитные свойства можно было получить, сделав проволочную обмотку' в форме катушки и намотав ее вокруг железного стержня. Такое устройство называется электромагнитом.
Двигатели и генераторы
Если провод, находящийся вблизи постоянного магнита, подсоединить к батарее, он может переместиться под действием создаваемого магнетизма. В 1821 г. английский ученый Майкл Фара-
00 Майкл Фарадей (слева) сделал важные открытия, касающиеся связи между электричеством и магнетизмом. В его дисковой динамо-машине - простейшем генераторе (справа) - электричество индуцировалось в медном диске при его вращении между полюсами электромагнита.
Наука и техника 52 - ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
дей построил простую машину, в которой токонесущий провод двигался вокруг постоянного магнита.
Эрстед показал, что электричество может создавать магнетизм, а Фарадей сообразил, что можно использовать магнетизм для получения электричества. Он впервые продемонстрировал это в 1831 г., когда получил электричество, перемещая стержневой магнит внутри проволочной катушки. Он также показал, что результат остается неизменным независимо от того, двигался ли магнит или катушка. Этот принцип применяется в современных генераторах. снабжающих электроэнергией наши дома, магазины, офисы и заводы.
0 При движении магнита внутри катушки на ней индуцируется напряжение.
Это напряжение вызывает движение тока, если концы катушки соединены между собой или подсоединены к проводнику.
В данном случае катушка подключена к вольтметру. Проходя через него, ток заставляет отклоняться стрелку прибора и указывать величину
Паука и техника 53 - ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ I
Электрические машины
Производство электроэнергии является достаточно легким процессом, а электродвигатели могут служить для различных целей - от бурения скважин до обеспечения движения поездов.
Материя состоит из атомов, которые, в свою очередь, складываются из электрически заряженных частиц - протонов и электронов. Еще древние греки знали, что если потереть янтарь кусочком ткани, он будет притягивать легкие предметы, но не понимали причину происходящего. На самом деле в результате трения возникало электричество.
Обычно в любом веществе находится равное количество отрицательно и положительно заряженных частиц. Поэтому их электрические заряды уравновешены, а вещество нейтрально. Однако в результате трения некоторые электроны перемещаются с одного материала на другой. Как следствие, нарушается равновесие зарядов: материал, притянувший электроны, становится отрицательно заряженным, а материал, отдавший их - положительно заряженным.
Заряженные предметы
Термины «электрон» и «электричество» произошли от греческого слова elektron, означающего «янтарь». Хотя греки сделали важный шаг в направлении крупного открытия, первая машина, способная вырабатывать электричество, была изобретена лишь ок. 1650 г. в Германии. Отто фон Герике создал простую машину, включавшую большой шар из серы. При касании рукой шара, насаженного на вал и вращаемого с помощью ручки, тот заряжался в результате трения. К XIX в.
М Ток, индуцированный в роторе короткозамкнутого электродвигателя, намагничивает его и заставляет поворачиваться вместе с окружающим его вращающимся полем.
Q Облака -естественные генераторы электричества.
В результате внутреннего трения облака могут наэлектризовываться. В итоге изоляция воздуха может нарушиться, что приведет к электрическому разряду, направленному к земле в виде гигантских искр -молний.
были изобретены многие подобные фрикционные генераторы.
В основе работы другого типа генератора лежал принцип электростатической индукции - процесса, при котором предмет заряжается от находящегося поблизости другого заряженного предмета. Такие асинхронные генераторы накапливают индуцированные заряды для получения высокого напряжения. Подобная машина, изобретенная Джеймсом Уимсхерстом в 1883 г., по-прежнему используется в лабораторных опытах для получения напряжения до 50 000 вольт, а иногда и выше.
Мощные электромашины
В 1931 г. Ван-де-Грааф изобрел электростатический генератор широкого практического применения. Движущаяся лента из диэлектрика передает на металлический шар заряд, постепенно увеличивающийся до нескольких миллионов вольт. Генератор Ван-де-Граафа используется при испытаниях изоляторов и другого оборудования, рассчитанного на высокие напряжения, а также в ядерных исследованиях, при этом высокое напряжение служит для разгона заряженных субатомных частиц.
Хотя фрикционные и асинхронные машины могли создавать высокое напряжение, они не годились для выработки сильного постоянного тока. Данная проблема была решена в конце 1790-х гг., когда итальянский ученый Алессандро Вольта изобрел первую батарею. Впоследствии она была усовершенствована, что позволило, начиная с конца XIX в., использовать электричество для освещения.
О В машине Уимхерста металлические пластины на вращающихся стеклянных дисках заряжаются электростатической индукцией, что в итоге приводит к искрению.
Хотя батареи являются удобным и многоцелевым источником электроэнергии, они постепенно разряжаются и нуждаются в замене или подзарядке. Эксперимен-
ты, проведенные в начале XIX в., привели к созданию современных генераторов.
Эрстед и Ампер
В 1819 г. датский профессор Ханс Эрстед сделал открытие: текущий по проводу электрический ток заставлял отклоняться стрелку магнитного компаса. Так Эрстед открыл явление электро-
ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
положение максимального вращения поля вокруг двигателя с притяжением ротора
00 Двигатель постоянного тока (слева) изменяет направление тока ротора для поддержания его вращения. Синхронный двигатель создает вращающееся магнитное поле, за которым следует ротор - как один магнит следует за другим.
магнетизма - магнетизма, создаваемого электричеством. В 1821 г. французский ученый Андре Ампер продемонстрировал связанное с этим механическое взаимодействие токов: при пропускании электрического тока через провод, находящийся рядом с мощным магнитом, наблюдалось перемещение провода, - и установил закон этого взаимодействия. Этот принцип лежит в основе электрического двигателя: преобразование электрической энергии в механическую.
Опыты хАмпера были чрезвычайно интересны. но не имели практического применения. Провод просто немного сдвигался при появлении тока. Но в том же
О У линейного, как и у асинхронного, двигателя статор открыт и вытянут в линию. Здесь вместо вращения ротора металлическая пластина перемещается вдоль этой линии непосредственно над магнитным полем.
году английский ученый Майкл Фарадей создал машину, которая с помощью электричества обеспечивала длительное движение. Нижний конец подвешенного провода помещался в сосуд с ртутью, в центре которого находился стержневой магнит. При подключении батареи между верхним концом провода и ртутью провод начинал вращаться вокруг магнита.
Электромагнитная индукция Открытое Фарадеем явление электромагнитной индукции, названное им «электрическим вращением», легло в основу принципа работы современных электродвигателей. Первый электродвигатель, нашедший практическое применение, был изобретен в 1837 г. американским инженером Томасом Давенпортом. Он использовал два таких двигателя: для работы сверлильного и деревообрабатывающего станков.
Изучив электричество как движущую силу, Фарадей начал искать пути преобразования механической энергии в электрическую. В 1831 г. он показал, что перемещение стержневого магнита возле проволочной катушки вызывало прохождение электротока через подключенный к ней измерительный прибор. При этом сила тока была намного выше, чем в случае одинарного провода.
Электроснабжение
Фарадей первы.м использовал электромагнитный эффект для производства электричества. К концу 1870-х гг. появились мощные генераторы, а в 1881 г. заработала первая электростанция в Годалмингс (Англия). Она же стала и первой в мире гидроэлектростанцией, так как генератор приводился в движение водяной мельницей.
У электрических двигателей и генераторов много общего, и некоторые машины могут выполнять функции обоих. В простом электродвигателе проволочная катушка крепится на валу, что позволяет ей свободно вращаться между’ полюсами подковообразного постоянного магнита. Катушка играет роль электромагнита, намагничиваясь при прохождении через нее электрического тока. Находящийся внутри катушки железный сердечник усиливает создаваемый магнитный эффект.
Двигатели постоянного тока Электрический ток от батареи или другого источника, движущийся только в од-нОхМ направлении, называется постоянным током. Если батарея подключена к
0 Генераторы переменного тока на гидроэлектростанциях работают
от гидроприводных турбин. Показанные здесь турбины установлены
на одной из ГЭС в Шотландии.
проволоки такого электромагнита называются обмоткой возбуждения.
Двигатели переменного тока Переменный ток периодически меняет направление, обычно 50 или 60 раз в секунду. Некоторые двигатели переменного тока имеют ротор, на который ток подается через коллектор, как в двигателях постоянного тока. Но у многих двигателей этого типа вообще нет соединений с ротором. Их действие основано на принципе индукции. Проходящий через статор переменный ток создаст вращающееся магнитное поле, как было бы в случае вращения постоянного магнита. Это движущееся поле заставляет ток течь в направлении обмоток ротора, намагничивая его. В результате ротор вращается, так как его полюсы вынуждает двигаться по кругу’ вращающееся вокруг ротора магнитное поле.
Часто ротор состоит из медных или алюминиевых стержней, концы которых соединяют два металлических кольца. Ротор в сборе похож на клетку, и такие машины называют двигателями с «беличьей клеткой», или короткозамкнутыми двигателями.
катушке простого электродвигателя, катушка намагничивается, при этом на противоположных ее концах возникают два полюса - отрицательный и положительный. Поскольку противоположные полюсы взаимно притягиваются, северный и южный полюсы катушки стремятся, соответственно, к южному и северному полюсам постоянного магнита. Эти силы притяжения заставляют катушку' вращаться вокруг своей оси, и вскоре ее полюсы располагаются у противоположных полюсов постоянного магнита.
Однако в этот момент автоматическое переключающее устройство (коллектор) направляет ток в противоположную сторону. Коллектор простого электродвигателя постоянного тока состоит из медного кольца, разрезанного пополам и крепящегося (с прокладкой из диэлектрика) на оси ротора. Концы катушки подключаются к двум половинкам кольца. Ток проходит через катушку и попадает на пару угольных контактов - щеток, касающихся противоположных сторон коллектора.
При вращении ротора каждая щетка поочередно взаимодействует с обеими сторонами катушки.
Автоматическая коммутация Благодаря автоматической коммутации магнитные полюсы катушки изменяются на противоположные при достижении полюсов постоянного магнита. Теперь они уже не разноименные, а одноименные полюсы по отношению к ближайшим полюсам магнита. Так как одноименные полюсы взаимно отталкиваются, катушка продолжает вращаться, а ее полюсы притягиваются к соответствующим полюсам на другой стороне магнита.
Вращающаяся часть электрической машины называется ротором (или якорем), а неподвижная - статором. В простом электродвигателе постоянного тока блок катушки служит ротором, а постоянный магнит - статором.
В некоторых двигателях для создания магнитного поля вместо постоянного магнита служит электромагнит. Витки
Синхронные двигатели
В индукционных (асинхронных) двигателях ротор вращается медленнее, чем движущееся вокруг него магнитное поле. В синхронных двигателях ротор поворачивается одновременно с полем. В простых синхронных двигателях ротор состоит из одного или нескольких постоянных магнитов. Их полюсы притягиваются к разноименным полюсам вращающегося магнитного поля, поэтому они вращаются с одинаковой скоростью. Иногда вместо постоянных магнитов в роторах используются электромагниты, но принцип работы остается неизменным. В другом типе синхронных двигателей используются скачки переменного тока для создания магнитного поля, которое пошагово вращает ротор с зубчатым колесом.
Большинство электродвигателей создают вращательное движение. Но у некоторых из них обмотки статора открыты и расположены на одной линии, благодаря чему создается магнитное поле, движущееся линейно вместе с проводниковым
© Фарадей использовал подобный прибор, чтобы показать, что при перемещении магнита возле катушки возникает электрический ток.
Q На большинстве электростанций используются паровые турбины для работы генераторов переменного тока. Тепло, необходимое для превращения воды в пар, можно получать с помощью ядерной реакции или путем сжигания топлива.
У станционного генератора переменного тока (справа) три отдельных обмотки статора, в которых вырабатывается электричество. Переменный ток в каждой обмотке достигает пиковой величины в разное время. На схемах внизу показано, как меняется напряжение в одной катушке во время полного оборота ротора (360 °). Автомобильный генератор (справа внизу) соединен с двигателем ремнем,
материалом. Такие двигатели называются линейными асинхронными. Они используются для открывания раздвижных дверей, транспортировки багажа в аэропортах, в скоростных поездах.
Генераторы
Если ротор простого электродвигателя постоянного тока вращать вручную, двигатель будет работать как генератор. В катушке возникает' переменное напряжение, достигающее пиковых величин, когда ее полюсы проходят полюсы постоянного магнита. Затем напряжение падает до нуля и меняет свое направление, достигая максимума, когда полюсы катушки проходят противоположные полюсы постоянного магнита. Можно подключиться к катушке, соединив концы двух сплошных медных колец (называемых контактными кольцами), находящихся на оси ротора. Угольные щетки трутся об эти кольца и снимают переменное напряжение, в результате чего при подключении к электрической цепи
возникает переменный ток. Такой генератор относится к генераторам переменного тока, т. е. электрическим машинам, вырабатывающим переменный ток.
Динамо-машины
Если же используется коллектор (как в электродвигателе постоянного тока), он постоянно будет изменять соединения между’ катушкой и щетками, что препятствует переменам напряжения в катушке. В результате, вместо переменного тока по щеткам будет протекать пульсирующий постоянный ток. Генераторы, вырабатывающие постоянный ток таким образом, называются динамо-машинами.
В большинстве динамо-машин для создания необходимого магнитного поля используется не постоянный, а электромагнит. Однако сердечник электромагнита немного намагничен, и силы его поля достаточно, чтобы машина начала вырабатывать электричество при включении. Затем часть выработанного тока прохо
дит через обмотку электромагнита для усиления его магнитного поля и увеличения объема электроэнергии.
Некоторые генераторы переменного тока (например, автомобильные) вырабатывают постоянный ток благодаря встроенным выпрямителям - устройствам, допускающим течение тока только в одном направлении.
В большинстве генераторов переменного тока - от служащих для подзарядки аккумуляторов автомобилей до гигантских машин, вырабатывающих электричество для питающей сети - катушки имеются и на роторе, и па статоре, причем именно ротор создает магнитное поле. Относительно слабый ток проходит через обмотки возбуждения на роторе по щеткам и контактным кольцам, а более сильный вырабатываемый ток отбирается непосредственно со статора. Это позволяет избежать потерь мощности и искрения, возможных при отборе сильного вырабатываемого тока с ротора посредством колец и щеток.
Электроснабжение
сжигая уголь, нефть, природный газ, ядерное топливо или преобразуя энергию Солнца, ветра или потока воды. А электричество легко можно превратить в другие формы энергии - тепло и свет.
Первые системы коммунального электроснабжения были введены в эксплуатацию в конце XIX века. Они обеспечивали подачу электроэнергии с разным напряжением в виде постоянного или переменного тока. В случае переменного тока не под держивалась стандартная частота, с которой ток меняет свое направле
ние. С ростом использования электричества стали очевидны преимущества стандартизации напряжения.
После принятия эталона напряжения были проложены кабельные сети для передачи этой энергии в другие районы. Такая общенациональная энергосистема позволила повысить надежность электроснабжения.
О Турбины работающей на угле ТЭС. Уголь сжигается для превращения воды в пар, поступающий по большим трубам на турбины, которые затем вращают генераторы (голубого цвета).
Автоматические выключатели на подстанциях в США Если молния ударяет в кабель линии электропередач (ЛЭП), эти прерыватели отключают сеть электроснабжения в целях безопасности.
Стандарты
Для распределения электроэнергии применяется переменный ток, поскольку его напряжение легко изменить с помощью такого простого, надежного и эффективного устройства, как трансформатор.
Простейший электрический трансформатор состоит из двух обмоток (первичной и вторичной) на одном железном сердечнике. При подаче переменного напряжения на первичную обмотку в сердечнике возникает переменное магнитное поле. В результате во вторичной обмотке создается переменное напряжение, величина которого зависит от числа витков в обмотках. Если количество витков во вторичной обмотке вдвое меньше, чем в первичной, то величина вторичного напряжения будет в два раза меньше напряжения в первичной цепи. Трансформаторы, уменьшающие напряжение таким образом, называются понижающими.
Понижающие трансформаторы
В бытовой электросети стран Европы стандартное напряжение от 220 до 250 вольт, а в некоторых других (например, США) - 110 вольт. Частота переменного тока обычно составляет 50 или 60 герц, или циклов в секунду. Для многих бытовых
электроприборов нужны понижающие трансформаторы, чтобы снизить сетевое напряжение до величины. необходимой для работы их внутренних цепей.
Повышающие трансформаторы
У повышающих трансформаторов число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной, поэтому вторичное напряжение выше. Такие трансформаторы используются для увеличения выходной мощности генератора электростанции с десятков тысяч до сотен тысяч вольт.
Потери мощности
Силовые кабели - хорошие проводники благодаря малому электрическому сопротивлению. Низкое сопротивление имеет большое значение, т. к. потери мощности в кабеле равны FR (I - сила тока, a R - сопротивление).
Другой способ снизить потери -поддерживать минимально возмож-
О Диспетчерский пункт общенациональной энергосистемы Англии, где производится круглосуточный контроль энергоснабжения. Электроэнергию можно при необходимости перераспределять с учетом колебаний ее потребления во всей стране.
Сеть кабелей на опорах служит для передачи электроэнергии от электростанций к потребителям. В городах используют подземные кабели для местных сетей электроснабжения меньшего напряжения.
ную величин}7 тока. Электроэнергию можно передавать по кабелям при низком напряжении и большой силе тока, или наоборот. При высоком напряжении и малой величине тока сокращаются потери мощности.
Трехфазное электропитание Генераторы электростанций имеют три обмотки, где индуцируется переменное напряжение. При вращении генератора напряжение достигает пика поочередно в каждой обмотке. Такие три цепи называются фазами.
Если бы напряжение в трех цепях изменялось синхронно, между ними не было бы никакой разности напряжений. Однако, в результате сдвига по фазе на треть цикла, между любой нарой фазовых проводов возникает разность напряжения в 415 вольт. Трехфазный ток подается на заводы, оборудование которых имеет мощные электродвигатели, работающие от трехфазных источников тока напряжением 415 вольт.
Батареи
и топливные элементы
ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
Для портативных электронных устройств необходимы различные типы миниатюрных элементов питания и батареек. Аккумуляторы требуются для запуска двигателей автомобилей и для питания портативных устройств.
Батареи состоят из нескольки-х элементов питания, соединенных вместе для получения более высокого электрического напряжения. Некоторые ошибочно называют элемент питания батареей.
Толчком к изобретению химических источников тока послужила обычная лягушка. В 1786 г. итальянский физиолог Луиджи Гальвани обнаружил, что вскрытые лягушки дергаются при прикосновении скальпеля. Затем совершенно случайно он определил, что лягушечьи лапки могут двигаться просто при соприкосновении с металлом!
Ясность в этот вопрос в 1790 г. внес его соотечественник, физик Алессандро Вольта. Ножки лягушки дергаются вследствие того, что жидкость внутри них реагирует при контакте с двумя металлами: латунью и железом. В этом случае образу
ется простой элемент (химический источник тока), напряжения которого достаточно, чтобы вызвать сокращение мышцы лягушки.
Вслед за этим Вольта сконструировал элемент (впоследствие названный его именем), расположив кусочек мокрой бумаги между’ пластинами цинка и меди. Элемент Вольта был очень слабым, но вслед за ним
00 В сухом элементе электроны движутся от анода (цинкового корпуса) к катоду (графитовому стержню).
Q Свинцово-кислотный автомобильный аккумулятор состоит из шести перезаряжаемых двухвольтовых элементов, соединенных последовательно и дающих напряжение 12 В. Каждый элемент состоит из свинцового анода и катода из двуокиси свинца, погруженных в электролит из слабого раствора серной кислоты.
Q В водороднокислородном топливном элементе газы пропускают через пористые никелевые электроды, где в результате реакции образуется вода и электроны, движущиеся по цепи.
Электролит (раствор гидроокиси калия)
О Инструменты, питающиеся от батареек, более удобны, чем работающие от сети. Электрическая отвертка питается от никелькадмиевых аккумуляторов. Для зарядки она вставляется в зарядное устройство, подключаемое к сети.
О Подлодка «Мичиган» - атомная субмарина класса «Огайо», способная нести МБР «Трайдент». Здесь показано строительство такой лодки для ВМС США
Q Капитан атомной подлодки «Конкерор» класса «Черчилль» (ВМС Великобритании) осматривает поверхность моря с помощью перископа.
ны приемлемые корабельные электродвигатели. Однако у них быстро разряжались их батареи.
К началу 1860-х гг. появились аккумуляторные батареи (аккумуляторы), способные перезаряжаться с помощью динамо-машин. Но для вращения самой динамо-машины также требовался тот или иной двигатель.
Поиски двигателя
Для обычного парового двигателя требовалось большое количество воздуха для сжигания топлива, а также дымоход для отвода дыма и выхлопных газов. Такой двигатель мог работать, когда лодка находилась на поверхности, по перед погружением команда должна была наглухо закрыть дымоход и загасить котлы. Это приводило к неприемлемой задержке, так как подлодке необходимо быстро погружаться, чтобы избежать встречи с неприятелем. Кроме того, остаточное тепло котлов вызывало недопустимое повышение температуры внутри погруженной лодки.
Казалось, решением проблемы могли стать бензиновые двигатели, хотя у них был серьезный недостаток: их летучее топливо выделяло
взрывоопасные газы. Несмотря на это, к началу 1900-х гг. на многих подлодках ВМС были установлены именно такие двигатели.
Дизельные двигатели
В итоге на сметгу бензиновым двигателям подводных лодок пришли дизельные. Сначала для надводного плавания использовался непосредственный привод от дизельных двигателей подлодки, позже - дизель-электрический привод (как под водой, так и на ее поверхности). Вращаемые дизельными двигателями генераторы одновременно приводили лодку в движение | и заряжали аккумуляторы.
В 1943 г. немцы изобрели шнор- 1 хель - трубку, состоящую из двух кана- £ лов: для всасывания свежего воздуха и f для отвода выхлопных газов под воду. При выдвинутом над водой шнорхеле = двигатели подлодки, находящейся нс-посредственно у поверхности воды, работали на перезарядку аккумуляторов. Благодаря этому7 такие субмарины было очень трудно обнаружить.
Первая атомная субмарина «Наутилус», появившаяся на вооружении ВМС США в 1955 г., произвела революцию в строительстве подводных
ПОДЛОДКА-РАКЕТОНОСЕЦ, ВООРУЖЕННАЯ МБР «ТРАЙДЕНТ»
Информация о конструкции атомных подводных лодок, вооруженных МБР «Трайдент», имеет гриф «Совершенно секретно». Представленная здесь схема основывается на внешних параметрах и знании новейших технологий. Допуски сделаны для размеров системы «Трайдент-1 С-4».
Гребной винт
Шахта кормового спасательного люка
Пусковая шахта для баллистических ракет
Горизонтальный руль
Вертикальный руль
Сигнальная
О Автомобиль «Синклер С5» может двигаться с помощью педалей или электромотора, но энергии его кислотно-свинцо-вого аккумулятора недостаточно для длительных путешествий.
Q Водитель ритма сердца работает на пяти ртутных элементах длительного действия. Он создает электрические импульсы для работы сердечной мышцы.
ученый разработал вполне практичные элементы и батареи. Одна из них состояла из цилиндра, сделанного из цинковых и медных пластин с бумажным сепаратором, пропитанным раствором соли. Эта батарея получила название вольтова столба.
Принцип действия
Со времени открытия Вольта было изобретено много подобных элементов питания.
Для электродов и растворов электролитов использовались различные вещества и материалы. Все эти элементы действуют за
счет преобразования химической энергии в электрическую. Электролит состоит из ионов (заряженных частиц), которые движутся к электродам. Один электрод притягивает отрицательно заряженные ионы (анионы), другой - положительно заряженные катионы. Когда электрическая цепь между электродами замыкается, электроны в элементе начинают двигаться от отрицательного к положительному полюсу; образуя электрический ток.
Типы элементов питания
Первичные элементы выходят из строя, когда химические вещества внутри прореагировали между собой и нс могут больше давать необходимый ток. Вторичные
элементы можно перезаряжать. Электричество от подходящего зарядного устройства, обычно питающегося от сети, пропускают через «подсевший» элемент, тем самым восстанавливая химические реагенты в элементе до первоначального состояния. Электрический заряд, поступающий в элемент, сохраняется в виде химической энергии, которая накапливается (аккумулируется) в нем. Поэтому батареи вторич-
ных элементов называют аккумуляторами, их используют в автомобилях, бытовых и других электрических устройствах.
Химия элементов питания
Самый распространенный гальванический элемент основан на изобретении, сделанном французским ученым Жоржем Лекланшс в I860 г. Он состоит из цинкового корпуса (отрицательный электрод) и диоксида марганца с добавлением графитового стержня (положительный электрод). Хотя этот элемент называется «сухим», его электролит является густой пастой хлорида аммония. Во время его работы на графите выделяется водород, который необходимо удалить, так как он понижает эффективность элемента. Для этого используют вещество, называемое деполяризатором, - в данном случае дву
окись марганца. Перезаряжаемые батареи в большинстве своем состоят из кислот-но-свинцовых элементов, изобретенных в I860 г. Гастоном Планте. В них электроды из свинца и его двуокиси погружены в слабый раствор серной кислоты. В процессе работы оба электрода покрываются сульфатом свинца. При зарядке они превращаются соответственно в свинец и его, двуокись. Перезаряжаемые никель-кадми-
евые элементы имеют электроды из гидроксидов никеля и кадмия, погруженные в раствор гидроксида калия. Такие эле-
менты могуч заменять первичные сухие, а также используются в некоторых типах фонариков, инструментов и друтих беспроводных бытовых устройствах.
Q Электронные и электрические системы космического корабля могут работать за счет солнечной энергии, которая преобразуется - в электрическую при помощи солнечных г батарей.
5 О Большая матрица из солнечных элементов о при ярком солнечном свете дает достаточно izi энергии для движения автомобиля.
Энергия Солнца
Солнце - лишь одна из миллиардов звезд, но оно - источник энергии для всего живого и для самой Земли,
О Когда-то считали, что Солнце горит, но мы знаем теперь, что излучаемая им энергия выделяется в результате ядерных реакций, при которых водород преобразуется в гелий. Это пример процесса, называемого ядерным синтезом.
О Солнечная печь в Монлуи (французские Пиренеи). Следящие за солнцем зеркала отражают свет на полированную поверхность параболического отражателя. Он направляет энергию на печь, которая может разогреться до температуры 3000°С.
Ископаемое топливо расходуется такими темпами, что его запасы истощатся где-то во второй половине следующего столетия. Атомные электростанции. когда-то считавшиеся хорошей альтернативой, оказались опасными, что было продемонстрировано аварией в Чернобыле (СССР) в 1986 г. Из всех альтернативных источников энергия солнца является самой чистой и безопасной.
Солнечное излучение
Около 30% солнечного излучения отражается атмосферой Земли, а еще 20% поглощается. В результате, лишь 50% его достигает поверхности нашей планеты, но это эквивалентно всей энергии, вырабатываемой примерно 170 миллионами самых мощных электростанций мира.
Многие лесные пожары возникают в жару по вине солнечного света, сфокусированного капельками утренней росы. Еще в 400 г. до н. э. греки научились использовать энергию Солнца для разжигания костра с помощью наполненного водой стеклянного шара. К 200 г. до н. э. похожий способ с использованием вогнутых зеркал для
фокусировки солнечных лучей стали применять и в Китае.
В современной бытовой солнечной печи сфокусированные лучи разогревают пищу. Вместо вогнутого зеркала в некоторых печах используют ряд плоских отражателей, установленных под углом и направленных на место размещения пищи.
Солнечное отопление
Все дома частично обогреваются Солнцем, но есть проекты, позволяющие максимально использовать этот даровой источник энергии и таким образом значительно снизить плату' за отопление. В таких домах установлены большие окна на стороне, освещаемой полуденным солнцем, и намного меныпис окна на противоположной, более прохладной стороне. В некоторых домах жалюзи из теплоизолирующих материалов закрываются на ночь, что позволяет сохранить большую часть тепла, накопленного за день. Это -пассивная солнечная технология.
Солнечная энергия может также использоваться Для водяного отопления домов. Лучи Солнца нагревают воду внутри плоских коллекторных панелей, поглощающих (в
ПРЯМОЕ СОЛНЕЧНОЕ ОТОПЛЕНИЕ
отличие от радиаторов отопления) излучение для нагрева воды. Эти панели обычно устанавливают на крыше дома иод углом, чтобы улавливать максимальное количество прямых солнечных луней. Холодная вода протекает через панели и нагревается поглощенным ими солнечным светом.
Солнечные элементы Солнечные элементы - это электронные устройства, где за счет фотоэлектрического эффекта свет преобразуется в электроэнергию. Каждый элемент производит немного энергии, поэтому для обеспечения электроснабжения в достаточном объеме необходимы батареи таких соединенных друг с другом элементов. Элемент состоит из тонкого слоя полупроводникового материала, обычно кремния. В некоторых солнечных элементах применяют другой полупроводник - арсенид галлия. Они менее эффективны, чем кремниевые, но могут работать при гораздо более высоких температурах, благодаря чему их можно применять на спутниках, подвергающихся мощному воздействию лучей Солнца в космосе. На энергии солнечных элементов работают большинство искусственных спутников: она также используется в некоторых электронных калькуляторах и часах.
В 1981 г. легкий самолет «Солар чэллен-джер> пересек Ла-Манш, используя солнечный свет как единственный источник энергии. Крылья самолета были покрыты солнечными элементами, производящими энергию для управления электроприводом воздушного винта. В штате Флорида. США, телефон-автомат работал от батареи солнечных элементов, установленной на крыше будки.
Электричество в районах В некоторых отдаленных районах большие батареи солнечных элементов обеспечивают большую часть бытовой электроэнергии, которая используется для зарядки батарей, работающих ночью.
Солнечные элементы очень надежны. После установки они практически не нуждаются в уходе и могут годами работать без обслуживания. В Великобритании есть маяки, работающие в автоматическом режиме от солнечных элементов. Батареи таких элементов используются также в ряде автоматических метеостанций, расположенных вдоль побережья и в морс.
Электроэнергия, получаемая от солнечных элементов, зависит не от тепла, а
от света. Благодаря этому посадочный радиомаяк .мощностью ЗбО кВт может работать на солнечной энергии в условиях мерзлоты на Аляске. Начиная с 1960-х годов, батареи фотоэлектрических элементов используются для производства электроэнергии для спутников связи. Новейшие батареи такого типа будут установлены на борту космической станции США «Фридом», планируемой к запуску на орбиту в начале века. В заоблачной вышине эта станция с помощью восьми панелей крыльевого типа будет преобразовывать солнечный свет в 75 кВт электроэнергии.
Солнечный модуль, состоящий из ряда кремниевых фотоэлектрических элементов, последовательно соединенных друг с другом для увеличения напряжения, получаемого при попадании на них солнечного света. Стандартный модуль этого типа вырабатывает максимум 2 ампера при напряжении 17 вольт, а получаемая мощность равна 34 ватта.
© При прямом солнечном отоплении лучи нагревают помещение. Чем больше площадь попадания света, тем больше улавливается энергии.
Q Работающий на энергии Солнца автомобиль «Санрейсер» победил во всемирных гонках 1987 г., пройдя 3138 км со скоростью 67 км/ч.
Проект использования солнечной энергии, предложенный американским инженером Питером Глейзером, может обеспечить нас энергией из космоса. По замыслу автора, должны быть запущены 40 солнечных орбитальных электростанций (СОЭ), оснащенных огромными батареями солнечных элементов. Полущенная энергия будет преобразовываться в пучки микроволн, посылаемых на приемные станции на Земле. Там микроволны будут преобразованы обратно в электричество.
К сожалению, птицы и неметаллические самолеты просто сгорят при попадании на них мощных пучков микроволновой энергии, посылаемых СОЭ.
О В XXI веке СОЭ могут помочь удовлетворить наши энергетические потребности. Огромные батареи солнечных элементов будут преобразовывать солнечный свет в электричество.
Полученная энергия будет направляться на Землю в виде пучков микроволн.
ВР Solar Systems/Marshall
186
см. также
Наука и техника 51 - ЭЛЕКТРИЧЕСТВО II МАГНЕТИЗМ
ЭНЕРГИЯ ВЕТРА И ВОЛН I
Энергия ветра и волн
Многие реки создают постоянный и достаточно мощный ток воды, чтобы вращать турбины гидроэлектростанций. Полезной энергией обладают также ветер, волны и приливы - но «добыть » ее несколько сложнее.
Крыльчатые ветряные мельницы строили в Персии (нынешнем Иране) еще в VI веке нашей эры. В отличие от тех, что впоследствии получили распространение на Западе, их крылья вращались вокруг вертикального вала на горизонтальных подпорках. Жернова в основании вала перемалывали зерно в муку. Первое упоминание о ветряной мельнице в Европе относится к местности в графстве Саффолк, Англия.
Со временем придумали, как использовать мельницы и для других задач - например, поднимать мешки с зерном. Изобретательные голландцы научились с их помощью осушать земли. Ветряк передавал движение водяному колесу, которое вычерпывало воду или гнало ее по каналу с поля. Но у ветряных мельниц был большой недостаток: когда ветер утихал, они останавливались.
Ветряные насосы
В отдаленных районах многих стран (например, ЮАР и Австралии) ветря- ° ные насосы идеально справляются с I водоснабжением там, где нет центра- 1 лизоваппых источников элсктроэнер- 5 гии. Установка высотой около 10м с ветроколесом до 4 м в поперечнике с 18-20 стальными лопастями может подавать с глубины 40 м до 7000 л воды в час. Вертикальный поворотный ветрянок (виндроза) удерживает вегроколе-со лицом к ветру, а при слишком сильном ветре отворачивает его в сторону, чтобы не повредить механизм.
Ветрогенераторы
В наши дни многие выступают за широкое внедрение ветроэнергетики,
0 Ветроэнергетика не загрязняет ни воздух, ни воду. Но чтобы сравняться по выработке с дымящей ТЭЦ, ветротурбин нужно очень много. Их противники считают, что «ветряные фермы» портят ландшафт.
Q Водяные насосы качают воду из скважин. Вращение лопастей преобразуется в возвратно-поступательное движение поршня.
ф В отличие от большинства других, эта ВЭУ с вертикальной осью вращения не требует переориентировки при смене ветра.
поскольку это экологически чистый процесс, не требующий топлива. Ветродвигатели, соединенные с электрогенераторами, работают сегодня повсюду - от Северной Америки до Крыма. Ротор диаметром 50 м может генерировать 1 мегаватт (1 млн. ватт) электроэнергии, так что теоретически тысяча таких установок заменяет одну обычную крупную электростанцию. В некоторых странах построены целые поля ветротурбин, но у них сразу появились противники, утверждавшие, что «ветряные фермы» (англ, wind farms) уродуют ландшафт. Тем не менее, суммарная установленная мощность ВЭС (ветроэлектростанций) в мире на начало XXI века составила более 4 тыс. мегаватт (МВт), в ряде стран они вносят ощутимый вклад в национальный энергобаланс, а небольшие ветроэнергоустановки (ВЭУ) остаются дешевым и удобным источником энергии для малых потребителей.
Водяное колесо
В древности (по крайней мере с начала нашей эры) водяное колесо использовалось для обмола зерна. Но приблизительно через 1000 лет человек стал использовать энергию текущей воды для других целей, и именно тогда на берегах рек зародилось то, что впоследствии стало называться промышленным производством.
Ведь приводом можно соединить водяное колесо с другими механизмами - скажем, кузнечными мехами, пилой или молотом. Вплоть до внедрения в конце XVIII века надежных паровых машин чугунные заводы, бумажные и ткацкие мануфактуры «работали на воде». И хотя сегодня водяное колесо можно встретить разве что в качестве музейного экспоната,
00 Слева: ряд особых поплавков (английский термин -«кивающие утки») поглощает энергию волн для последующего преобразования в электричество. Преобразование происходит по-разному.
В некоторых установках движение поплавков приводит в действие насос, а тот нагнетает воду в турбину, вращающую генератор. «Утка Солтера» (справа), названная в честь изобретателя, английского инженера Стивена Солтера, преобразует колебания волн во вращательное движение. «Болтаясь» на волнах, подвижная часть поплавка все время колеблется вперед-назад вокруг своей погруженной оси. Динамо-машина преобразует механическую энергию (на такте как «вперед», так и «назад») в электрическую.
Демонстрационная модель показывает, что почти вся энергия волны поглощается поплавком - за ним наблюдается «полный штиль».
его «внучка» гидротурбина трудится на всех ГЭС, приводя в движение сверхмощные гидрогенераторы.
Сила прилива
Силу прилива тоже можно использовать для вращения турбин. Однако мест, где это экономически целесообразно, немного - отдача слишком мала. Даже в устье реки Ране (Франция), где разница между высотой прилива и отлива равна 14 м (!), построенная в 1966 году приливная станция работает со средней мощностью 100 МВт - т. е. всего лишь 1/10 от мощности заурядной ТЭЦ. И все же, поскольку запасы приливной энергии планеты значительно больше гидроэнергии рек, можно ожидать, что, несмотря на техничес-
О Берег моря - красноречивое свидетельство силы волн. Их размеренные удары год за годом разбивают самые твердые скалы.
Эффективное использование этого возобновляемого источника энергии - дело будущего.
кие проблемы, ПЭС займут достойное место в мировой энергетике.
Сила волн
Еще один источник электроэнергии -волны. Огромные океанские волны несут с собой колоссальную энергию, но эффективного и экономичного способа обуздать ее пока нет. В одном из проектов длинный ряд поплавков, качаясь на волнах, передает это движение насосу, нагнетающему воду в турбину. Турбина вращает генератор. Генератор вырабатывает ток.
Другой тип экспериментальных установок - одна из них была испытана у берегов Шотландии с мощностью 180 кВт - работает по принципу колеблющегося водного столба. В погруженной камере с открытым дном стоит столб воды, а над ним -столб воздуха. При прохождении волны водяной столб поднимается и опускается, нагнетая воздух в соединенную с генератором турбину, а затем всасывая его обратно.
Ископаемое ТОПЛИВО
Ископаемые топлива - это преобразованные остатки растений и животных, живших миллионы лет назад. Уголь образовался из деревьев и других растений, а нефть и природный газ -из водорослей и животных.
Вероятно, первым из ископаемых топлив люди стали использовать торф - очень мягкий, не полностью образовавшийся уголь, залегающий у поверхности в умеренных поясах Земли. Природный торф содержит до 90% воды, поэтому', чтобы стать топливом, он подлежит сушке. Сгорая в каминах, торф дает много тепла, но при этом сильно коптит.
Продукты переработки торфа Хорошо высушенный торф дает многочисленные побочные продукты. Так, торфяной газ может служить топливом для двигателей внутреннего сгорания и печей различного типа. Его главный недостаток - длительный и сложный процесс очистки.
В процессе извлечения газа из торфа также получают много ценных органических соединений, включая такие вещества, как спирты и фенолы. Они используются в качестве сырья при производстве различной продукции, в том числе пластмасс, лекарств, красок и воска.
Из измельченного торфа делают прочную оберточную бумагу, а химическая обработка под давлением превращает его в твердый волокнистый материал, пригодный для изготовления мебели и покрытий пола.
Уголь
На протяжении многих эпох торф сначала превращался в мягкий, обычно бурый уголь (лигнит), а затем в более твердый битуминозный утоль черного цвета. Для "образования из него антрацита (самого твердого из всех видов угля) требуются миллионы лет.
Хотя выходы пластов утля на поверхность известны с доисторической эпохи, он относительно недавно нашел применение в качестве топлива. Многие тысячелетия люди считали утоль просто черным камнем. Есть свидетельства того, что еще бритты топили очаги углем, а у них этот обычай переняли древние римляне. Однако первое письменное упоминание об утле встречается в англосаксонской хронике X в.
Веками росла популярность легко добываемого мягкого утля как бытового топлива. Спрос на утоль резко возрос после промышленной революции
О Складские резервуары для сжиженного природного газа. Сжижение газа позволяет во много раз уменьшить его объем и упрощает его хранение и транспортировку в больших количествах. Некоторые страны экспортируют жидкий природный газ в герметизированных трюмах специальных танкеров.
Q Когда-то уголь считали бесполезным черным камнем.
А сегодня это -ценное топливо и источник получения многих ключевых веществ, используемых в промышленности.
лодок. Кусочка урана размером с мячик для гольфа в атомном реакторе хватало, чтобы эта лодка плавала в течение двух с лишним лет, покрыв расстояние более 110 000 км без пополнения запасов топлива.
Атомная энергия
Реактор атомной подводной лодки вырабатывает тепло в процессе реакций ядерного деления. В ходе этого процесса ядра атомов расщепляются, высвобождая огромные количества тепловой энергии. Охлаждающая жидкость «отбирает> тепло у реактора и передает его воде в котле. Вода кипит и образует пар, поступающий па главные турбины и на турбины, подключенные к электрогенераторам. Тепло превращает воду в пар, проворачивающий турбины, а те, в свою очередь, вращают гребные винты.
Подводные лодки ПЛО
Атомные подводные лодки стоят очень дорого, и только ВМС самых богатых стран могут их себе позволить. Такие лодки делятся на два типа. Атомные противолодочные субмарины служат для выслеживания и уничтожения кораблей и подлодок противника. Они оснащены чувствительными гидролокаторами для обнаружения уникального «шумового автографа» - звуков, позволяющих определить вражеское судно. Опытные гидроакустики могут'распознать многие суда по производимому ими шуму; во многом зависящему от скорости вращения гребного винта и количества его лопастей.
Российские атомные подлодки класса «Альфа» могут погружаться на глубину 700 м и развивать скорость до 75 км/час.
Подлодки-ракетоносцы
Самые большие атомные подводные лодки - это субмарины, вооруженные баллистическими ракетами дальнего действия с ядерными боеголовками. Эти подлодки могут запускать ракеты из подводного положения и поражать цели, находящиеся от них па расстоянии нескольких тысяч км. Подлодки-ракетоносцы есть у США, России, Великобритании, Франции и Китая. Их способность при необходимости месяцами находиться под водой и таким образом избегать обнаружения обеспечивает им защиту от ядерного нападения - большое преимущество перед пусковыми установками на суше. Если противник начнет ядерную атаку, подлодки такого типа могут ответить раз-рушительным контрударом. Это делает их эффективным средством устрашения. Самая большая в мире подлодка-ракетоносец - российская субмарина класса «Тайфун» длиной 170 м.
Жизнь под водой
Принцип погружения у’ всех подводных лодок (и атомных, и дизель-элек-трических) один и тот же. При подготовке подлодки к погружению водой заполняются ее большие балластные цистерны до достижения нулевой плавучести - т. е. когда плотность лодки в среднем равна плотности окружающей ее воды. Другими словами, она не плавает и не тонет, а просто «висит» в воде. Чтобы лодка опустилась, ее направляют вниз с помощью горизонтальных рулей. Эти устройства действуют как рули направления, но они управляют вертикальным, а не боковым движением лодки.
При необходимости ненадолго подняться на поверхность подлодке достаточно отклонить вверх горизонтальные рули. Для возврата лодки на поверхность на более длительное вре-
О Через открытые крышки люков видны пусковые шахты ракет этой атомной подлодки класса «Огайо». В каждой из восьми шахт размещены четыре МБР «Трайдент-1 С-4».
мя обычно сжатым воздухом вытесняют воду' из ее балластных цистерн.
Кислород на борту- подлодки получают путем расщепления морской воды электрическим током на водород и кислород. Нечистоты собираются в специальные емкости, откуда время от времени откачиваются в море.
Питьевую воду получают путем дистилляции морской. Соленая вода доводится до кипения, а образующийся пар охлаждается и превращается в пресную, которую затем собирают в отдельную емкость.
Навигация
Первые перископы (смотровые трубки) субмарин имели очень простую конструкцию и проецировали перевернутое изображение моря на экран из матового стекла.
Позже появился ряд более сложных устройств, позволяющих штурманам подробно изучать небо, поверхность моря и морское дно. Среди них перископный секстан (для опре-
деления угловых высот солнца, луны и звезд), радиолокационное дальномерное оборудование, телесистемы ночного видения и эхолоты. Сегодня инерциальная навигационная система - сложное устройство, включающее гироскопы - обеспечивает очень точную прокладку7 курса подлодок. Внесение поправок осуществляется
Боевая рубка (стабилизатор)
эенний корпус__Офицерские жилые помещения
0 Озеро Питч-Лейк на о. Тринидад (Вест-Индия) - источник природного битума. Этот гус-
Q Сырье для изготовления некоторых ключевых видов пластмассы получают
Авиакомпании -крупные потребители легких топлив. Основой реактивных
той маслянистый материал используют как дорожное покрытие.
топлив служит бензин прямой пере-I гонки или керосин.
из нефти. Так, бензол используют для производства нейлона.
0 Свечи в основном делают из твердого парафина (побочного продукта переработки нефти) методом отливки
XVIII в. Он служил топливом для паровых двигателей и ценился как источник кокса (твердой, пористой формы углерода), используемого не только
как топливо, но и для выплавки стали.
Продукты перегонки угля
Кокс образуется в результате процесса, называемого коксованием угля. При этом происходит нагревание угля без доступа кислорода, чтобы удалить из него газ и смолу. Производство кокса помогло обнару-
жить, что топливом может служить и выделяемый при этом газ. Да и угольная смола содержит более
200 соединений, многие из которых необходимы для производства жиров, мыла, красок, лекарств, растворителей, пластмасс, взрывчатых
веществ и инсектицидов.
Нефть и природный газ Нефть, скапливающуюся в пористых породах под землей, называют сырой или неочищенной. Как правило, поверх нефти образуется слой природного газа. Иногда нефть просачивается сквозь горные породы на земную
поверхность, где часть ее испаряется, оставляя маслянистый полутвердый осадок типа битума.
До середины XIX в. нефть оставалась практически невостребованной. Сначала из нее получали только масла для освещения и обогрева домов. Но в 1890-е гг. нефть стала важным источником топлива для автомобильных двигателей внутреннего сгорания.
Такие вещества, как мазут и парафиновое масло (керосин), отделяются от нефти в ходе т. н. фракционной перегонки. Этот метод предусматривает нагревание нефти, а
также сепарацию и охлаждение образующихся паров для конденсации их в жидкость. Полученные продукты (дистилляты) служат сырьем для производства химикатов, пластмасс, моющих средств, искусственного каучука, анестезирующих средств, инсектицидов, взрывчатых веществ, воска, красителей, косме-
тики, пищевых консервантов, искусственного шелка, клеев, медикаментов и красок.
Добыча нефти
0 Эксплуатационная | платформа «Клеймор» в Северном море. На схеме показана структура таких устройств.
Башня с часами «Биг Бэн» английского парламента в Лондоне показана для сравнения.
Стальное опорное основание платформы закреплено на глубине 110 м с помощью свай, забитых в дно на глубину 46 м.
Опорная рама распределяет вес модулей на основание и морское дно.
Q Сжигание попутного газа. Для безопасности это делают на удалении от эксплуатационной зоны.
буровое оборудование
эксплуатационное оборудование
опорная рама палубы
Месторождения нефти широко распространены в земной коре - как океанической, так и материковой. Из этой темной смеси жидких углеводородов и примесей производят различные виды топлива и многие потребительские товары.
В процессе переработки из нефти получают битум, дизельное топливо, смазочные масла, керосин и бензин, а также анестетики, жевательную резинку, пищевые консерванты, мастики для пола, пластики и друтие материалы.
Слово «нефть» восходит корнями к аккадскому «напатум», что означает «вспыхивать» или «воспламенять».
Нефть образовалась из останков мелких растений и животных, отложившихся на дне морей и озер миллионы лет назад. Они частично были переработаны бактериями, а затем захоронены под толстыми слоями осадочных пород, таких как глина, которые с течением времени все больше уплотнялись. Давление и образуемое им тепло превратили органическое вещество в нефть и газ (в основном метан). В процессе дальнейшего сжатия
они просачивались через поры и трещины в породах и откладывались в пустотах и осадочных породах между слоями водонепроницаемых пород.
Основная часть самых богатых нефтяных залежей находится под толстым слоем породы, к которым можно добраться только с помощью широкомасштабного и дорогостоящего бурения. Еще в 320 г. до н. э. китайцы добывали нефть из неглубоких скважин.
В августе 1859 г. Эдвин Дрейк пробурил скважину глубиной около 30 метров в штате Пенсильвания (США), положив начало развитию современной нефтяной промышленности.
Разведка
Разведка нефти включает, прежде всего, поиск участка, где земная кора содержит водонепроницаемую породу с нижележащим осадочным слоем. Осадочный слой, состоящий из песка, песчаника, известняка или доломита, играет роль коллектора нефти.
Разведка начинается с оценки существующих геологических условий, исследования верхних пластов. Окаменелости и взаимное расположение слоев помогают датировать и идентифицировать породы, а более точный возраст определяют при помощи радиоактивного метода. Если проведенное исследование поверхностных горизонтов указывает на то, что снизу может быть нефть, то геологи начинают изучать нижние, до нескольких километров глубиной, слои данного участка. Используются такие геофизические методы разведки, как магнитометрическая, гравиметрическая и сейсмическая съемка.
Магнитометрическая съемка Напряженность магнитного поля Земли меняется в зависимости от геологической структуры земной коры. Осадочные
О Природный газ сжигается на нефтяном месторождении в Абу-Даби перед началом добычи нефти.
СБРОС
СОЛЯНОЙ КУПОЛ
СНГ: 57
Канада: 5
США: 23
Тропик Рака
Европа: 18,3 Азиатско-
_ . Тихоокеанский
6™“"" регион: 44,4
Восток:
660,8
Африка: 62,2
Экватор
Латинская
Америка: 129
Тропик Козерога
ЗАПАСЫ НЕФТИ (в тысячах миллионов баррелей)
О Нефть и газ находят в водопроницаемых породах, окруженных водонепроницаемыми слоями. Типичный коллектор нефти представляет собой антиклиналь (выпуклую складку) (1), где слой водопроницаемой породы окружен водонепроницаемым слоем.
В сбросе (вертикальном или наклонном смещении блоков) (2) слой водонепроницаемой породы блокирует водопроницаемый. Нефть и газ могут
скапливаться в соляном куполе (3), где восходящая пробка соли образовала изгиб пластов.
О Ближний Восток обладает свыше 60% разведанных мировых запасов нефти.
породы являются практически немагнитными, по породы нижележащих слоев -магнитные. Это приводит к небольшим колебаниям магнитного поля.
Измерения напряженности магнитного поля используются для определения месторасположения и мощности бассейнов осадконакопления. Преимущество магнитометрической съемки заключается в том, что при ее использовании любой участок суши и даже породы под морской толщей могут быть обследованы быстро и без больших затрат.
Напряженность магнитного поля Земли измеряется прибором, называемым магнитометром. Он обычно свисает с са-
0 «Сейлин» (по-гэльски «пчела») - революционное эксплуатационное судно. Подобно пчеле, облетающей цветы для сбора нектара, судно делает остановки у старых скважин и добывает небольшие объемы нефти -до 16 000 баррелей в день.
молета. но иногда его устанавливают и в хвосте. Данные магнитометрической съемки постоянно регистрируются, пока исследовательский самолет летит на одной и той же высоте.
Гравиметрическая съемка
Сила гравиметрического ноля Земли, подобно магнитному, меняется в зависимости от состава и структуры слоев. Поэтому точные измерения силы тяжести могут помочь определить бассейны осадконакопления. Основные породы, расположенные ниже, являются более плотными и. таким образом, величина силы тяжести выше, чем вышележащих осадочных слоев. Величины силы тяжести измеряются с помощью гравиметра. Он может транспортироваться по воздуху, по суше и ио морю. На море прибор необходимо устанавливать на устойчивой платформе для обеспечения точных показаний.
Сейсмическая разведка
При сейсмической разведке для определения типа пород измеряются проходящие через них ударные и низкочастотные звуковые волны. Термин «сейсмический» происходит от греческого слова «seismos» - «землетрясение». Приборы для регистрации колебаний земной коры использовались еще в Древнем Китае, в е 132 г. н. э. В конце XIX века было обнару-I жено. что колебания почвы могут гасить-f ся слоями плотной породы нод ней. Это f привело к использованию искусственно й создаваемых волн для изучения слоев.
Ученые-геофизики проводят сейсморазведку. вызывая ударные волны взрывами. падающими грузами или же акустические волны мощными генераторами. Они распространяются вниз через твердые породы. но часть энергии отражается от границ между различными типами породы.
Сейсмоприемники, расположенные па участке, представляющем интерес, регистрируют отраженные волны. Компьютер определяет состав и структуру породы на основе силы и скорости волн.
Разведочные скважины
После того как найден перспективный участок, единственной возможностью определить, присутствует ли там достаточное количество нефти для начала промышленной добычи, является бурение разведочных скважин. Иногда буровые скважины достигают глубины 8 км. Буровое долото соединено с «колонной» бурильных труб длиной 9 м каждая и диаметром около 13 см. Башня, называемая вышкой. используется для подъема труб на поверхность. В основании вышки расположен стол бурового ротора, через который опускается колонна. В это время все устройство вращается. К колонне присоединяются дополнительные трубы, пока нс будет достигнута требуемая глубина. Однако буровое долото иногда тупится. Чтобы сто заменить, извлекают всю колонну из скважины и снова устанавливают на место после замены долота. На выполнение всей операции может уйти целый день.
В первых скважинах бурение в коллекторах высокого давления приводило к образованию фонтана - резкого выброса нефти или газа, с которым трудно было справиться и который мог воспламениться. Однако в настоящее время этого не происходит, поскольку скважина уплотнена тяжелой колонной специально приготовленного «бурового раствора». Насосом он подается вниз по бурильным трубам через отверстие в долоте и снова выводится на поверхность по пространству вокруг труб. Это пространство существует, поскольку грубы меньшего диаметра, чем буровое долото. Буровой раствор так-
ос Подобно многим портам, Валдес (вверху) на Аляске не может принимать огромные танкеры. Поэтому используется морская погрузка. Танкеры швартуются к большому бую (справа) и подсоединяются к нефтепроводу, ведущему на сушу. Затем нефть перекачивается на борт.
же помогает смазывать долото и предотвращает его чрезмерный перегрев.
Буровой раствор, возвращающийся па поверхность, выносит с собой материал, выбуренный из породы. Эта выбуренная порода отделяется и анализируется. При появлении нефти исследуется ее качество, а также измеряется се дебит (объем поступления в единицу времени). Если подтверждается хорошее качество нефти. то в устье скважины устанавливается оборудование для эксплуатации.
Добыча
Нефть может быть поднята па поверхность различными способами. Иногда давление окружающей воды или газа выталкивает нефть в скважину и на
поверхность. При отсутствии достаточного естественного давления нефть откачивают па поверхность насосами.
Количество газа, находящегося в нефти. часто слишком незначительно, чтобы его было выгодно собирать и продавать, поэтому он сжигается в устье скважины. Иногда газ используется как топливо для приведения в действие оборудования пли же повторно закачивается в породу для поддержания давления и сохранения дебита нефти. Часто для этого также используется вода.
После добычи нефть транспортируется танкерами или перекачивается по нефтепроводам до нефтеперерабатывающих заводов. Там смесь сырой нефти разделяется па различные компоненты - фракции.
О Танкеры -большие, тяжелые и трудноуправляемые суда. Танкер, идущий со скоростью всего 25 км/ч, пройдет еще | несколько км перед T полной остановкой S или сменой - направления, т Поэтому изменения .J в его курсе следует 2г планировать заблаговременно.
Морская добыча
Морские эксплуатационные платформы установлены в различных частях света. Бурение в море более опасно и дорогостояще. чем на суше. Основные принципы тс же. но всех работников приходится доставлять на платформу, где в течение месяцев, когда люди находятся в морс, необходимо обеспечить проживание, питание. досуг, прачечные, медицинские и другие услуги.
Ранее морское бурение осуществлялось с приспособленных судов, но оказалось, что их сложно надежно поставить на якорь во время непогоды. Основная часть морских буровых работ осуществляется со специально сконструированных платформ. Для сооружения типовой морской эксплуатационной платформы требуется около двух лет.
На мелководье (до 30 метров глубиной). используются стационарные платформы, прикрепленные ко дну. На больших глубинах (до 90 метров) используются платформы на колоннах. После буксировки до постоянного местонахождения колоппы выдвигаются вниз, пока не достигнут морского дна. Затем платформа поднимается вверх па достаточное расстояние над водой.
Полупогружные платформы, пригодные для самых больших глубин, поддерживаются на колоннах, прикрепленных к
Добыча
Впервые газ для освещения применили в Древнем Китае -за много веков до того, как его стали использовать для этой и других целей во всем мире.
В 1618 г. французский химик Жан Тардье продемонстрировал, как светит лампа на газе, полученном путем нагревания угля. Однако его оборудование оказалось слишком опасным для практического применения, и широкомасштабная добыча газа началась лишь в конце XVIII в.
Первым удачным примером использования угольного газа стала в 1765 г. система освещения конторских помещений каменноугольной шахты в Кумберленде, Англия. Газ получали при сгорании угольного пласта. Следующий важный шаг был сделан в 1792 г., когда английский
О Внутренний вид реформинг-установки, преобразующей природный газ в коммунальный для оборудования, первоначально работавшего на другом виде газа. Установка применяется для получения и других углеводородов.
О До создания трубопроводных газораспределительных систем некоторые пользователи владели собственными газгольдерами. Газ доставлялся на специальных повозках либо производился на оборудовании потребителя.
0 Сжигание угольного газа из трубопровода на лондонской улице в связи с переходом на природный газ. Для нормальной работы переоборудованных газовых приборов необходимо было вначале полностью удалить угольный газ из системы.
О Природный газ доставляется на Британские острова с буровых платформ Северного моря. На приемных терминалах он очищается от примесей и одоризируется, чтобы по запаху можно было быстро обнаружить утечку.
О Британские газопроводы высокого давления регулярно проверяются «умным ершом».
-К Перемещаясь по трубопроводу под давлением
(3 газа, это устройство находит в его стенках
5 трещины и другие дефекты,производит замеры S и фиксирует их данные.
инженер Уильям Мэрдок получил газ, нагревая уголь в реторте.
Газоснабжение
Современную систему газоснабжения создал английский предприниматель Ф. Уинсор, совсем не разбиравшийся в добыче газа. Он понял, что разумнее продавать сам газ, а не оборудование для его добычи. Уинсор решил создать централизованное промышленное производство и поставлять газ по сети трубопроводов. В 1812 г. он основал компанию, которая уже через год обеспечила в Лондоне газовое освещение улиц. Этот опыт быстро подхватили в других странах.
После централизованного газового освещения пришло время и других применений газа. Первые газовые плиты появились в 1840 г. Три года спустя одна американская компания
Q Газ хранится в резервуарах для обеспечения равномерного снабжения в периоды повышенного потребления. Газ закачивается в открытый снизу и погруженный в воду резервуар, помещенный в стальной каркас.
положила начало промышленной добыче природного газа. Сегодня большинство потребителей пользуются природным газом, но в некоторых регионах газ получают из угля и нефти.
Угольный газ
Угольный газ состоит приблизительно на 50% из углерода и на 30% из метана, а также азота, окиси углерода и небольших количеств углеводородов, углекислого газа и кислорода. Его получают нагреванием битуминозного угля до температуры 1350°С без доступа воздуха. Размягчаясь, уголь выделяет находящийся в нем газ.
Газ содержи'!' также аммиак и сероводороды. Деготь и ненужные газы удаляются в процессе очистки. Твердым остатком после выделения газа является кокс, который тоже используется в качестве топлива.
При использовании технологии фирмы «Лурги» уголь под действием пара и кислорода при высоком давлении превращается в генераторный газ. Этот газ, состоящий преимущественно из азота, окиси углерода и водорода, используется в качестве топлива в промышленности.
Нефтяной газ
Первоначально нефтяной (масляный) газ получали из сырой нефти, однако впоследствии были разработаны методы его производства из других видов нефтяного сырья. Нефтяной газ представляет собой смесь углеводородов, в том числе метана, ацетилена и бензола. Он содержит немного примесей и иногда смешивается с угольным газом.
Природный газ
Многие страны располагают промышленными запасами природного газа, часто залегающими вместе с нефтяными месторождениями. Он является основным газообразным энергоносителем в США с начала 1940-х гг. В настоящее время основным источником газа для Великобритании и других стран Северной Европы являются месторождения Северного моря.
В состав природного газа входит главным образом метан, а также этан и незначительные по объему примеси пропана, бутана и азота. Природный газ обладает гораздо более высокой теплотворностью, чем угольный, т. е. при сгорании выделяет намного больше тепла, чем такой же объем угольного.
Кроме обогрева и освещения многие виды газа и т. и. газовых субпродуктов (или попутных продуктов) используются в качестве сырья для производства удобрений, растворителей, пластмасс и других продуктов нефтехимии.
Процесс фирмы «Коппере» обеспечивает получение синтетического природного газа из угольной пыли. Уголь превращается в газ в
Получение синтез-газа (процесс фирмы «Коппере»)
результате нагревания
до высокой температуры в присутствии кислорода и пара. Полученный газ охлаждается и очищается от пыли. После этого методом каталитической конверсии его преобразуют в заменитель природного газа. Синтез-газом заменяют природный при перебоях в снабжении.
196
см. также
Синтети природ, газ
Газопромывочная колонне
Паука и техника 58 - ИСКОПАЕМОЕ ТОПЛИВО Наука и техника 59 - ДОБЫЧА НЕФТИ I
Сопротивление
материалов
Когда-то строители возводили несущие конструкции наугад, что порой имело катастрофические последствия. Сегодня знание сопротивления материалов позволяет строить экономичные и надежные сооружения.
Y небоскреба и сплетенной пауком паутины много общего. В обоих случаях создается каркас из очень прочных материалов, обеспечивающий прочность всего сооружения. Каркас небоскреба состоит из стальных балок, а паутина плетется из еще более прочного материала - шелка. Это означает, что паучья нить может выдержать больший вес. чем стальная нить той же толщины.
Нагрузка
Подвешенный на проволоке груз создает направленную вниз силу относительно площади ее поперечного сечения. Величина приложенной силы, разделенная на площадь ее приложения, называется нагрузкой.
Больший груз создает большую направленную вниз силу, поэтому нагрузка па проволоку того же сечения будет больше. Величина нагрузки также будет большей, если равный груз подвешен на более тонкой проволоке, так как создаваемая им сила действует на меньшую площадь поперечного сечения. При сравнении сопротивления материалов важно знать, какую нагрузку они могут выдержать до момента остаточной деформации или разрыва.
Существует три вида напряжений.
© Веревки и канаты из пластика могут выдержать гораздо более высокие нагрузки, чем те, которые сплетены из натуральных волокон.
Q Фотография кристалла диоксида марганца в поляризованном свете. Цвета показывают напряжения в материале, вызванные воздействием внешней силы.
испытываемых материалами. Растягивающее усилие растягивает материал и возникает, например, при подвешивании к нему груза. Напряжение сжатия сдавливает материал (ножки стола под весом находящихся на нем предметов). Напряжение сдвига воздействует на материал и изгибает его (трамплин для прыжков в воду под весом стоящего на нем человека).
Относительная деформация Это равномерная деформация, или изменение размеров материала под воздействием нагрузки. Предположим, что проволока длиной 4000 см растягивается на 2 см при подвешивании к ней груза. В этом случае относительная деформация представляет собой пропорциональное изменение длины и составляет 2:4000 = 0,0005.
Е
Скорость полета «Конкорда» может в два раза превышать скорость звука. При этом самолет испытывает большие нагрузки. Создаваемое воздухом трение сильно нагревает его наружную поверхность, и в результате ее расширения напряжение возрастает еще больше. Без знания сопротивления материалов создать такой самолет невозможно.
Упругость
Если постепенно увеличивать нагрузку на материал, начиная с нуля, то вначале возникшее напряжение растет пропорционально. Если убрать груз, материал вернется к своим первоначальным размерам. Это явление называется упругостью. Но если продолжать нагружать проволоку; то она, при достижении определенной величины нагрузки, уже не будет возвращаться к исходным размерам. Эта величина называется пределом упругости проволоки. В этом случае проволока подвергается действию пластической деформации и будет теперь постоянно удлиняться с увеличением нагрузки.
Дальнейшее увеличение нагрузки в ко-
печном итоге приведет к разрыву материала. Пластичные материалы (например, медь) перед разрывом сильно деформируются, а хрупкие (скажем, чугун) при постепенном увеличении нагрузки в какой-то момент рвутся совершенно внезапно.
Бетон
Не всегда материалы одинаково хорошо выдерживают разные виды напряжений. Например, бетон имеет большую прочность на сжатие, но относительно малую прочность на растяжение. Поэтому бетон часто армируют стальными стержнями для увеличения его прочности на разрыв.
Предварительно напряженный бетон -это улучшенный вид железобетона. Вначале стальные арматурные стержни подвергают растяжению, а затем заливают бетоном. После схватывания бетона
Электронный блок измерения
Нижний захват образца, крепящийся на подвижной траверсе с электроприводом
нагрузки, подключенный
к верхнему захвату образца
Верхний захват образца (неподвижный)
Образец
О Устройство для определения прочности образца на растяжение или сжатие.
Q при разрушении детали важно знать, чем оно было вызвано. Данную трубу исследовали под микроскопом, чтобы выявить причину ее разрыва.
материалам, способным выдерживать большие сжимающие нагрузки. Стекловолокно в сочетании с паутинным шелком обладает намного большей прочностью на разрыв, чем лучшие сорта стали. Но, к сожалению, малейшая поверхностная царапина приводит к образованию трещины даже при относительно малых нагрузках. Поэтому, чтобы использовать преимущества стекловолокна, его добавляют к эпоксидной и полиэфирной смоле, которая защищает волокна от царапин и сохраняет их высокую прочность на разрыв.
Углерод и керамика
Для этой цели используются волокна и других материалов, включая углерод (в виде графита), а также многие виды прочных, жестких керамических материалов, таких как карбид кремния, карбид бора и окись алюминия. Но нс все материалы такого рода получают искусственным путем. Например, древесина - природный композиционный материал, состоящий из прочных гибких волокон целлюлозы, связываемых более твердым и хрупким веществом - лигнином.
стержни уже не йенытывают растягивающего напряжения и стремятся восстановить свою начальную длину. Но это невозможно, так как они прочно вмурованы в бетон и вызывают в нем огромное сжимающее напряжение. При использовании данного материала, любые усилия, стремящиеся разорвать бетон, должны сначала преодолеть силы сжатия в стальных стержнях. Вот почему предварительно напряженный бетон обладает большой прочностью на разрыв и сжатие.
Для упрочения некоторых видов бетона применяют метод последующего напряжения с натяжением арматуры. Стальные стержни вставляют в отверстия в монолитных бетонных блоках и подвергают их растяжению. Как и в предыдуще*м случае, стержни создают в бетоне сильное сжимающее напряжение и придают ему большую прочность на разрыв.
Композиционные материалы Такие материалы состоят из двух и более различных материалов, при этом конечный продукт обладает лучшими свойствами, чем любой из его компонентов. Во многих случаях таким путем добиваются повышения прочности. Примером композиционного материала может служить железобетон. На более низко.м уровне, тонкие волокна различных материалов с высокой прочностью на разрыв добавляют к
I О Этот самолет, выполняя заход на посадку, упал на дорожную насыпь и разбился.
Хотя конструкция самолета способна выдержать нагрузки гораздо большие, чем при нормальных условиях полета, она не рассчитана на столкновение с землей, иначе вес самолета был бы настолько большим, что не позволил бы ему подняться в воздух.
лишь раз в несколько дней с помощью спутниковой навигационной системы «Навсат».
Подлодки имеют компьютерную систему управления торпедами: когда торпеда достигает района нахождения цели, управление переходит к запрограммированным устройствам, обеспечивающим самонаведение па звук винта, намагниченность корпуса судна и другие подводные возмущения.
Запуск крылатых ракет может производиться из надводного или подводного положения лодки. Эти ракеты летят чуть выше волн, вне зоны обзора РЛС, и способны поражать надводные цели па расстоянии до 400 км. Основное оружие подлодок-ракетоносцев - оснащенные ядерны-ми боеголовками межконтинентальные баллистические ракеты (МБР) класса «Поларис», «Посейдон» и «Трайдент» с дальностью полета соответственно 4500,4800 и 7200 км.
Аварии
Самое серьезное, что может произойти на подлодке - повреждение се корпуса. Этого боятся все подводники. Корпус лодки разделен на водонепроницаемые отсеки, чтобы вода могла проникнуть только в поврежденные участки. Но при затоплении слишком большого числа отсеков лодка пойдет на дно. Другой риск связан с возможностью возникновения пожара в машинном отделении.
Если поврежденная подводная лодка не может всплыть, но ее корпус сохранил прочность и герметичность, а сама она лежит на морском дне на небольшой глубине, экипаж может воспользоваться спасательными люками.
см. также
Наука и техника 6 - КОРАБЛИ И ЛОДКИ
Но если подлодка любого типа затонет на больших океанских глубинах, ее экипаж не может покинуть ее описанным выше способом, поскольку организм человека не способен выдержать давление водных толщ. Единственное средство спасения в таких случаях - миниатюрная субмарина типа батискафа. Такие спасательные аппараты есть на судах ВМС США и Великобритании. Одна из
Q Операторы гидроакустической и радиолокационной аппаратуры за работой на борту подлодки «Вэнгард» (ВМС Великобритании).
британских карликовых субмарин такого рода (LR5) просто спускается па воду с борта надводного судна, а затем направляется к терпящей бедствие подлодке. Переходная камера в виде металлического раструба надежно крепится к аварийному люку подводной лодки, и этим путем члены экипажа переходят на спускаемый аппарат, который и доставляет их на поверхность.
© В августе 2000 года мир облетело трагическое сообщение о гибели 118 членов экипажа российской атомной подводной лодки «Курск», затонувшей в Баренцевом море. После сложнейшей операции по подъему лодку доставили в док
7. ВМС России Росляково £ для подготовки А к утилизации.
Наука и техника 55 - ЯДЕР11АЯ ЭНЕРГИЯ |
кристаллов таких металлов присутству-
ют многочисленные дефекты - дислокации. Одни кристаллы могут иметь лишний атом, а в других одного атома может не хватать. Такие дислокации образуются при остывании и кристаллизации расплавленного металла. Они могут также формироваться, когда металл подвергается механическому напряжению, и он деформируется при меньшем напряжении. Напряжения выше предела упругости заставляют атомные плоскости скользить поверх друт друта. Чем больше дислокаций, тем легче, не разрушая металл, придавать ему’ нужную форму путем ковки, прокатки или протяжки (растяжки).
-5 При деформировании металла дисло-§
= О Для равного изгиба этих четырех полос 5 одного размера, но разных материалов, нужно 2 приложить нагрузку разной величины.
The Image Bank
кации в нем перемещаются вдоль границ плоскостей скользящих атомов. Если препятствовать движению дислокаций, металл станет тверже и прочнее.
Кристаллическая структура Существует несколько способов препятствования такому перемещению. Один из них заключается в контролировании процесса затвердевания при изготовлении с тем, чтобы получить металл, состоящий из относительно большого количества малых кристаллов. Чем больше кристаллов, тем больше границ раздела между7 ними, препятствующих перемещению дислокаций в металле. Другой способ блокирования движения дислокаций связан с добавлением атомов другого металла. Вот почему7 сплав из двух и более металлов тверже и прочнее, чем отдельно взятые металлы, из которых он состоит.
Можно также с помощью напряжений создать такое количество дислокаций в металле, при котором они сами будут мешать друт другу перемещаться. Такого механического упрочения (называемого также «наклеп») можно добиться и с помощью напряжений, возникающих в процессе обычной металлообработки.
Усталость металла
Усталость металла может возникнуть, если металлическую деталь подвергнуть определенной нагрузке в течение длительного периода времени, или в случае многочисленных изменений силы напряжения. Дислокации перемещаются в напряженную зону и препятствуют движению друг друга. В результате металл становится хрупким, и образуется трещина, которая может распространиться по всей толщине детали вплоть до ее конечного разлома. Во избежание несчастных случаев, узлы и детали самолетов регулярно проверяют на усталость при помощи т. п. неразрушающего контроля.
Структура материалов
Прочность материала зависит от его внутренней структуры - расположения в нем атомов или молекул. Все твердые металлы и большинство других твердых материалов имеют кристаллическую структуру, в которой атомы и молекулы расположены в правильном порядке. Расположение этих частиц и связи между ними определяют прочность материала. Например, резина состоит из цепочек молекул. В процессе вулканизации сера соединяется с цепочками молекул резины, располагая их рядом друг с другом. Происходит так называемое «химическое сшивание», в результате чего резина становится прочнее.
Дислокация
Когда металл подвергается напряжению без превышения его предела упругости, он растягивается, так как атомы немного «раздвигаются». При снятии напряжения атомы металла занимают свои изначальные позиции, вследствие чего металл сжимается. Если напряжение выше предела упругости, некоторые металлы сохраняют новую форму после его снятия. Это происходит потому, что в структуре
О Для обработки стальных изделий, на шлифовальных станках устанавливаются высокоскоростные абразивные круги, получаемые путем спекания крупиц очень твердых материалов (например, глинозема) с использованием связующего вещества.
© Бурение керна для изучения различных пластов горных пород. Торец бурового долота сделан из алмаза -очень твердой формы углерода. Твердость алмаза обеспечивается его кристаллической структурой с высоким сопротивлением деформации.
Полимеры и пластмассы
I
Множество предметов, когда-то делавшихся из дерева, металла или других материалов, сейчас производят из пластмассы. У всех пластмасс есть общая черта -процессы формования из них изделий протекают под воздействием температуры и/или давления.
Большинство пластмасс являются соединениями, называемыми полимерами - веществами, состоящими из молекул, соединенных в цепи. Многие полимеры, такие как полиэтилен и нейлон, - синтетические (искусственные) ма-
териалы. Другие встречаются в природе. Например, целлюлоза - это полимер, составляющий основу древесины. Длинная цепочка целлюлозы состоит из молекул, содержащих шесть атомов углерода, десять - водорода и пять - кислорода. Большинство полимеров - органические (углеродсодержащие) материалы, но есть и неорганические, такие как асбест.
Первые полимеры
В 1862 г. английский химик Александер Паркс представил полимер на основе нитрата целлюлозы, названный впоследствии паркезииом. Он получил этот материал, изменив при помощи кислоты структуру целлюлозы, и применил касторовое масло для смягчения материала.
Двумя годами позже, в 186-1 г., эту проблему решил американец Джон Уэсли
КАЛАНДРИРОВАНИЕ
© Формование пластмасс методом экструзии. Гранулы полимера проходят через нагреваемый цилиндр и продавливаются через фильеру. Так получают изделия в виде стержней, трубок, лент, листов и других специальных форм.
ЛИТЬЕ I
Хайетт. В качестве смягчающего агента он применил вместо касторового камфорное масло и показал, что в таком виде процесс годится для производства. Хай-етт назвал новый продукт целлулоидом.
Синтетические полимеры
Первый полностью синтетический полимер был получен в Бельгии Лео Бакеландом в 1908 г. Вместо видоизменения природных полимеров он синтезировал новый при помощи взаимодействия фенола с формальдегидом. Названный бакелитом, он широко применялся для изготовления декоративных деталей и в электротехнике,
Структура полимеров Процесс полимеризации был объяснен в 1920 году немецким химиком Германом Штаудипгсром. описавшим, как молекулы соединяю тся в цепочки - из сотен тысяч атомов. Работа Штаудипгера дала тол-' чок развитию промышленности пластмасс. и в начале 1930-х развернулось производство многих важных полимеров.
Полимеры образуются при соединении друг с другом молекул-мономеров.
Q Литье под давлением состоит во вдавливании полимера в матрицу. Пластиковые бутылки делают методом пневмоформования. Расплавленная пластиковая трубка выдавливается в матрицу потоком воздуха или пара. При прессовании изделие получают в нагретой пресс-форме.
О Лист пластмассы (слева) получается после прохождения материала через каландр - систему нагретых валов. Он может быть упрочен < стекловолокном <3 (дальний слева).
ПРЕССОВАНИЕ
Например, при получении полиэтилена молекулы этилена, каждая из которых состоит из двух углеродных и четырех водородных атомов, образуют цепочку со структурой — (CIHCH)— Полная цепочка полиэтилена содержит до 25 000 молекул СН2.
Образование полимера из мономеров возможно под действием физических факторов. таких как температура, давление или механическое перемешивание. В других случаях полимеризация протекает с участием катализатора - вещества, которое инициирует реакцию, но само при этом остается без изменений. Некоторые полимеры включают разные мономеры. Они называются сополимерами.
V Пластмассовая гайка на стальном болте демонстрирует преимущество полимера перед сталью - она не корродирует и в отдельных случаях может заменить металл.
Прямая полимеризация
При осадочной полимеризации предварительно растворенные в специальном составе мономеры соединяются, образуя нерастворимый полимер, который выпа- 5 дает из раствора в виде твердого осадка. 7
Полимеризация в растворе состоит в том. что мономер, растворенный в специ- <2 алыюм составе, образует полимер, также растворимый в данном растворителе.
В суспензионной полимеризации мономер в виде крошечных частиц находится в воде. Эмульсионная полимеризация предполагает использование синтетического моющего средства, называемого эмульгатором (веществом, облегчающим получение эмульсии), для диспергирования (рассеивания) мономера в воде. Д’1я процесса блочной полимеризации нс используется ни вода, ни растворитель, здесь присутствуют только мономер и, если необходимо, катализатор.
Padl fSneitey
Материалы, полученные методом прямой полимеризации, включают в себя полиэтилен низкой плотности (блочная полимеризация), полипропилен высокой плотности (осадочная), полихлорвинил (эмульсионная или суспензионная) и полистирол (блочная).
Поликонденсация
Многие полимеры получают методом поликонденсации. Два мономера, каждый из которых содержит в молекуле более одной реакционной группы, соединяются с выделением малой молекулы, например, воды. Нейлон получают при взаимодействии кислоты с амином, продуктом замещения атомов водорода в аммиаке.
С процессом поликонденсации тесно связана полимеризация перегруппировки. Она также включает в себя реакции между мономерами, содержащими в молекуле более одной реакционной группы. Но в данном случае нс происходит выделения малых молекул. Свое название этот тип полимеризации получил
О Этилен получают из нефти и используют для производства полиэтилена. В процессе полимеризации образуются длинные цепочки полиэтилена, каждая из которых состоит примерно из 25 000 звеньев, содержащих один атом углерода и два атома водорода.
Наука „техник, 61 - СОПРОТИВЛЕШ IF. МАТЕИ [АЛОВ Наука и техника 63 - ТКАНИ |
0 Гибкая пластиковая трубка, сжимающаяся при нагревании, применяется для изоляции кабелей и трубных соединений.Этот полимер называется полиолефином. Для предотвращения размягчения при нагревании ее бомбардируют электронами. Когда трубку нагревают горячим воздухом до температуры выше 120°С, она усаживается и плотно сжимает трубу или кабель.
потому, что при реакции между- мономерами происходит перераспределение атомов и химических связей, соединяющих цепи. Так получают полиуретановые полимеры.
Группы полимеров Синтетические полимеры можно разделить на три отдельных класса - термопластичные, термоустойчивые и эластомеры.
Термопласты, такие как полистирол и поливинилхлорид (ПВХ). могут многократно размягчаться при нагревании. Это происходит потому, что цепочки молекул в них подвижны относительно друт друга. Подвижность растет с увеличением температуры. В термостойких полимерах (бакелит и эпоксидные смолы) поперечные связи между цепочками тормозят данный процесс, поэтому они при нагревании не размягчаются.
Эластомеры включают в себя резиноподобные полимеры, а также натуральные и синтетические резины. Для получения необходимого количества связей между молекулярными цепочками эти материалы подвергают специальной обработке. В результате они приобретают эластичность, то есть способность растягиваться. а после снятия нагрузки приоб-. ретать первоначальную форму.
Ткани
Когда обнаружилось, что из шерсти и льна можно прясть нитки, люди научились ткать полотно. Древнейшие образцы льняной ткани имеют возраст 7000 лет. Первые искусственные волокна появились лишь в конце XIX века.
Сегодня для производства тканей используется большое разнообразие натуральных и искусственных волокон. Натуральные волокна получают из различных растений и шерсти животных.
Овечья шерсть является основным источником волокон животного происхождения и состоит из кератина (вид белка). Все волокна животного происхождения имеют сходную структуру. Ткани делают из мохера (шерсти ангорской козы), кашемира (шерсти кашмирской козы), шерсти обыкновенной козы, верблюда, ламы, лошади и кролика.
Шелк получают из коконов тутового шелкопряда - гусеницы бабочки Bombyx топ. Шелкопряд выделяет жидкий белок - фиброиноген, - мгновенно затвердевающий на воздухе и превращающийся в фиброин. Каждый шелкопряд выпускает непрерывную нить фиброина длиной до нескольких километров и обматывается нею. Шелковую нить получают, разматывая собранные коконы.
Растительные волокна
Растительные волокна состоят из различных видов целлюлозы - материала стенок растительных клеток. Важнейшим источником их получения является хлопок. Его длинные трубчатые клетки образуют волокна. В семенных коробочках хлопчатника находятся пушистые комочки, состоящие из тысяч волокон. Из них получают хлопчатобумажную пряжу.
Льняное волокно, широко используемое для производства одежной ткани, получают из стеблей льна-долгунца. Пеньковые и джутовые волокна идут на изготовление мешковины и канатов, а из волокон листьев сизаля делают шпагат.
Искусственные волокна Вискоза (или искусственный шелк) стала первым искусственным волокном для производства тканей. Этот материал начали выпускать в конце XIX века, когда были разработаны основные технологические процессы производства вискозы, применяемые и по сей день. Сначала растительный материал (древесная масса) проходит химическую обработку, в результате которой получают вытяжку’ целлюлозы. Затем из полученного раствора выделяют чистую твердую целлюлозу, из которой производят вискозные волокна.
О Нити из искусственных волокон получают с помощью кольцепрядильной машины, а затем они наматываются на мотовила.
Q В простом ткацком станке галево ремизки разделяет нити основы на две группы, поднимая одну и опуская другую. Уточина подается из челнока в пространство между этими двумя группами нитей. Уток плотно входит в переплетение с помощью берда. Вальки используются для изменения расположения нитей основы, и челнок проходит обратно между ними.
ОСНОВНЫЕ ПЕРЕПЛЕТЕНИЯ ТКАНИ
Полотняное переплетение с одинаковой плотностью
О Станок для изготовления колготок из найлона-6 (капрона). Цифра показывает тип полиамида, который использовался для получения нейлона.
Из древесной массы получают еще два искусственных волокна - ацетилцеллюлозу и триацетилцеллюлозу.
Существует много видов нейлона, представляющих собой искусственные полиамиды - более простые виды натуральных полиамидов (вид белка).
Нейлоновое волокно получают, расплавляя и пропуская небольшие куски химического продукта (полимера) через колпачок с микроотверстиями - фильеру. Полученные длинные нити нейлона
О Акрил получают из раствора, содержащего полимер. Раствор выдавливается через мундштук в коагуляционную ванну, а затем из готового твердого вещества получают акриловое волокно.
О Изготовление негниющих канатов из полипропиленового волокна.
Искусственные волокна, такие как полипропилен, полиэфир и полиэтилен, заменяют натуральные волокна при производстве канатов, веревок и шпагата.
Q) Поперечные сечения разных видов волокон при рассмотрении под микроскопом. Так, хлопковые волокна - это длинные одинарные клетки, а более короткие волокна льна состоят из групп клеток.
охлаждаются и затвердевают, после чего их них вытягивают нить.
Самыми популярными среди искусственных волокон являются полиэфирные. Акрил широко применяется для изготовления одежды, ковров и искусственного меха. Многие модакриловые ткани обладают огнестойкостью. Непромокаемые ткани получают, нанося прозрачный водоотталкивающий полимер на хлопчатобумажную основу.
Ткани
Есть три основных вида тканей: трикотажные, тканые и нетканые. Для получения первых двух из волокон вначале прядут нити, а затем их переплетают.
Тканые полотна изготавливают на ткацких станках. Продольные нити полотна называются нитями основы, а поперечные - уточинами. Различные переплетения нитей основы и уточин определяют фактуру ткани. Рисунок ткани получают, вплетая нити разных цветов.
Трикотаж получают путем образования из пряжи петель и их взаимного переплетения. При серийном производстве трикотажное полотно изготавливают на вязальных машинах, оснащенных рядами язычковых игл. У некоторых машин число таких игл доходит до 2500, что позволяет получать более 3 млн. петель в минуту.
Нетканые материалы получают из
сплошного слоя волокон (холста). Волокна соединяются воедино за счет обработки их клейкой смолой. После застывания смолы, пропитанные нею волокна подвергают термофиксации (нагреву) для придания им прочности. Волокна некоторых тканей соединяют, прокатывая ткань между горячими металлическими валиками. При плавлении волокон между ними образуется прочная связь, сохраняющаяся и после остывания. Применяют также метод сшивания волокон.
Комбинированные ткани состоят из двух и более материалов и обладают свойствами их отдельных компонентов.
Рисунки
Большинство рисутзков наносится машиной. Обычно ткань пропускается между металлическими красящими валками, на которых выгравирован нужный рисунок.
При трафаретном способе нанесения рисунка, краситель наносится на ткань через сеть отверстий. Материал, при помощи которого наносится трафаретный рисунок, называется ситовым.
При переводном печатании рисунок наносится краской на бумагу. Затем ткань с наложенной бумагой пропускаются через горячий пресс (температура + 200"С), при этом влага испаряется, и краска отпечатывается на ткани.
l Стекло и керамика
Расплавленные породы, выходя из недр Земли на поверхность, иногда образуют стекловидную массу. А обожженная солнцем глина превращается в твердую керамику. Эти естественные процессы легли в основу технологий изготовления различных стеклянных и керамических изделий.
Неизвестно, когда зародилось стеклоделие, но оно уже было распространено среди цивилизаций Восточного Средиземноморья ок. 3000 г. до и. э.
Примерно в 1500 г. до н. э. египтяне делали бутылки и вазы, расплавляя стекло, вытягивая из него нити и накручивая
0 В машинах для производства бутылок раскаленная докрасна стекломасса делится на порции, заливается в формы и выдувается.
Q Выдувной процесс производства бутылок. Стекломасса под давлением воздуха проходит через форму и образует горлышко бутылки. Через горлышко выдувается баночка, или пулька, вначале в черновой, а потом в чистовой форме.
ПРОИЗВОДСТВО БУТЫЛОК
баночка (пулька)
готовая
бутылка
их на формовочный стержень из глины и песка. Иногда вместо этого стержень окунали в стекломассу.
Структура стекла Изготовление стеклянных изделий претерпело большие изменения ок. 100 г. до н. э. с внедрением нового метода - выдувания. Одним концом железной трубки набирали стекломассу а через другой выдували ее. Иногда стекло выдувалось в специальную форму для придания нужных очертаний.
При комнатной температуре стекло во многих отношениях ведет себя как твердое вещество, хотя фактически представляет собой т. н. «сверхохлажденную жидкость». Это значит, что при температуре ниже точки затвердевания стекло сохраняет некоторые свойства жидкости. Так, подобно обычным жидкостям, стекло обладает текучестью, хотя скорость его течения крайне мала. Подтверждением этому могут служить окопные стекла в старых домах: они утолщены внизу в связи с постепенным стеканием части стекла.
Q При испытании на безопасность лобового стекла автомобиля имитируется удар об него головы человека.
При этом стекло рассыпается на мелкие округленные гранулы, что уменьшает риск серьезных порезов и повреждений глаз в случае аварии.
Стекло и стекломасса
Будет ли стекло жидким или твердым материалом при комнатной температуре, зависит от скорости остывания стекломассы. При медленном остывании смесь превращается в твердое непрозрачное вещество с кристаллической структурой. При более быстром охлаждении образуется прозрачный материал, известный нам как стекло.
Смесь для изготовления обычного бутылочного стекла включает: 50% песка (главным образом кремнезема, или диоксида кремния), 16% кальцинированной соды (карбоната натрия), 12% известняка (карбоната кальция), 18% стеклобоя (битого стекла) и 4% других компонентов. Она нагревается в печи до 1500"С, и образующая-
ся раскаленная докрасна стекломасса подается в машину для производства бутылок порциями, называемыми «каплями». Химический состав стекла следующий: 72% кремнезема, 15% окиси натрия, 10% окиси кальция и 3% прочих веществ. Это - натри-ево-калы щево-силикатное стекло.
Листовое стекло
Листовое стекло по составу подобно бутылочному, но в нем па 0,5-3,5% больше окиси магния. Раньше листовое стекло получали, выдувая раскаленный докрасна шарик стекла и вращая его, пока он не превращался в плоский диск с толстым сгустком (шаром) в центре. Позже появился метод получения вытянутого пузыря, его рассечения и расплющивания в лист.
Начиная с 1913 г., стекломассу пропускали между вытяжными валками и получали листовое стекло с рифленой поверхностью. Более качественное зеркальное (или витринное) стекло вначале изготавливали методом литья с последующей шлифовкой и полировкой поверхности. При произ-
водстве флоат-стсюта (технология внедрена в 1959) стекломасса затвердевает на слое расплавленного олова для получения листа с гладкой поверхностью.
0 Чтобы сделать стеклянный сосуд вручную, капля стекломассы вначале набирается на конец полой металлической стеклодувной трубки (слева вверху), а затем начинается первый этап выдувания (вверху).
(Q Иногда большие сооружения делают из стеклянных панелей. Одним из первых примеров такой конструкции была крыша вокзала Сент-Панкрас в Лондоне, построенного в 1868-74 гг.
Специальное стекло
Большая часть стеклянной продукции изготавливается на высокоскоростных автоматических машинах. Но изделия из искрящегося свинцового хрусталя все еще делают вручную мастера высокой квалификации. В этом стекле окись калия заменяет окись натрия и добавляется окись свинца.
/Via производства оптического стекла высокого качества добавляют окиси бария, свинца, цинка и титана. Жаростойкое, или боросиликатное, стекло получают, добавляя в смесь окись бора. У этого стекла высокая £ стойкость и к химической коррозии, поэто-S му оно широко применяется в лабораториях.
Керамические изделия вначале обжигаются в печи для фиксации их формы.
После глазурования они подвергаются т. н. поливному обжигу для получения глянцевого непористого покрытия.
Роспись лучше наносить до глазурования - если это сделать позже, понадобится дополнительный обжиг, чтобы краски слились с глазурью.
Керамика
Керамическая промышленность прошла путь от изготовления глиняных кирпичей воздушной сушки до производства различных строительных изделий, термостойких материалов, украшений, столовой посуды и сантехнического оборудования.
Кирпичи и плитку можно делать из сырой глины, но такие изделия, как столовая посуда, изготавливаются из очищенной и перемешанной глиняной массы. Этот материал легко формуется, ио, подвергшись обжигу в печи при температуре от 600 до 16ОО"С, становится твердым, прочным и химически стойким. На этом процесс производства кирпича и плитки завершается, а более сложные изделия подвергаются дальнейшему обжигу для нанесения непористой глазури и декорирования.
Красители, краски и лаки
С древних времен люди использовали красители, чтобы украсить себя, свою одежду и дана. В наши дни краски выполняют две функции одновременно: как правило, это и декоративная отделка, и защитное покрытие.
Тестирование образцов красок, используемых для покраски автомобилей «Роллс-Ройс». Аппарат имитирует воздействие света и атмосферы.
До середины XIX века применялись натуральные красители, полученные из таких растений, как ваида (синий), индиго (синий), марена (красный), сафлор красильный (красный) и куркума (желтый).
Синтетические красители
Первым синтетическим красителем было пурпурно-голубое вещество, полученное британским химиком Уильямом Перкином в 1856 г. Он проводил эксперименты с анилином, извлеченным из угольного дегтя, для получения синтетической формы хинина. От-
Q Полимерные краски широко используются в производстве автомобилей, так как они создают прочное глянцевое покрытие.
О Смешивание пигментов для получения губной помады с новым оттенком.
О Искусственные волокна после окрашивания поступают в сушилку, где частицы красителя соединяются с волокнами при температуре 80°С.
крытый им краситель послужил толчком для синтеза других красителей из продуктов угольного дегтя. Они представляют собой соли органических оснований и получили название основных красителей. Основные красители хорошо окрашивают шерсть, но легко смываются водой с растительных волокон. Эта проблема была решена путем первичной обработки волокон хи-мическими веществами - протравами.
1 Кислые красители соединяются хи-| мически с белками волокон шерсти, j образуя очень стойкую окраску. Пря-& мые красители образуют нерастворимые соединения с целлюлозой, что делает их эффективными для окрашивания растительных волокон.
Неорганические красители применяются путем обработки волокон двумя различными растворами. Растворы реагируют друг с другом с образованием нерастворимых окрашенных соединений внутри волокон. Дисперсные красители пригодны для ацетатных и других искусственных волокон и используются в виде суспензии мелких частиц красителя в воде. Последующее нагревание до 80°С приводит к образованию их связей с волокнами. Кубовые красители используются для окрашивания растительных волокон.
Краски и лаки
Краска состоит из суспензии одного или нескольких мелкодисперсных пигментов (красящих веществ) в жидкости, называемой растворителем, связующим агентом или средой, и, Связующее используется для нанесе-£ ния краски на поверхность и образо-
ПРОИЗВОДСТВО ГЛЯНЦЕВЫХ КРАСОК
добавление красителя и
удаление осадка примесей
бак для хранения
контрольный
образец партии
добавление растворителя
О Часть электромотора погружается в бак с полиэфирным лаком. Для получения защитной пленки наносится два слоя, которые предохраняют от влаги, загрязнений и коррозии. Для затвердевания лака обмотку мотора помещают в печь при температуре 150°С на восемь часов.
О Глянцевая эмаль выходит из валковой краскотерки, которая перетирает краску для удаления комков и обеспечивает тщательное перемешивание пигмента со средой.
вапия пленки, удерживающей частицы вместе при высыхании. Натуральные пигменты: охры (жслтый/оран-жевый и красный грунт, содержащий оксид железа) и умбра (коричневый пигмент, включающий оксиды железа и марганца).
Выпускаемые пигменты для красок включают цвета от угольно-черного (вид сажи) до белого - оксиды свин-
ца, цинка и титана.
Связующее
Среда, используемая в краске, определяет ее физические свойства. Например, эмульсионные краски представляют собой эмульсию пигмента в воде. Вода, таким образом, может применяться в качестве растворителя.
Глянцевые краски, или эмали, обычно делают с использованием синтетических полимеров. Из синтетических сред полиуретаны дают очень проч
’«г Основные стадии производства глянцевых красок. Льняное масло и алкидный полимер смешиваются для получения среды, которая после разбавляется уайт-спиритом и отстаивается в баке около пяти месяцев. Затем твердые примеси удаляются фильтрованием. Перед смешиванием добавляют пигмент и растворитель. Затем при помощи стальных шариков краска перемалывается для удаления комков, перемешивается, и добавляются растворитель и краситель для получения необходимого цвета и консистенции перед тестированием.
ное теплозащитное покрытие. Етянце-вые краски часто содержат в качестве растворителя скипидар или уайт-спирит, а также сухие масла из льняного семени или соевых бобов. Они реагируют с кислородом воздуха с образованием твердой окисной пленки. В краски также добавляют вещества, ускоряющие процесс сушки, и диспергирующие агенты, предотвращающие осаждение пигмента.
Лаки являются прозрачными защит
ными или декоративными покрытиями, обычно без пигментов. Водные лаки представляют собой эмульсию полимера и масла в воде. Масляные лаки изготавливаются из натуральных или синтетических полимеров, растворенных в масле. Спиртовые лаки представляют собой масла или полимеры в растворителях, которые испаряются на воздухе. Как и в красках, здесь применяются разбавители для регулирования консистенции лака.
Адгезивы
Клеящие составы включают в себя различные соединения -от природных клеящих веществ, используемых в быту, до синтетических материалов, применяемых для соединения таких массивных конструкций,
как самолеты и мосты.
^выклеивание основано на явлении = адгезии - прочного прилипания Wei (сцепления) клеящей пленки к склеиваемым материалам. Отсюда научный термин «адгезив». Прочность склеивания определяется также коге-
О Приклеивание коврового покрытия к бетонному полу.
Q Верхняя и нижняя части кузова автомобиля сделаны из стеклоткани и склеены при помощи эпоксидной смолы.
Швы затем шлифуются, и получается водонепроницаемое и очень прочное соединение.
О Арка этого пешеходного моста изготовлена из деревянных секций, соединенных при помощи резорцин-формальдегидного клея. Этот вид термостойкого клея используется также для склеивания резины и кожи.
зией - прочностью самой клеящей пленки. Для склеивания необходимо также хорошее смачивание соединяемых поверхностей и их плотное прилипание друг к другу.
Основные термины
Термин «адгезив» обычно применим к любому типу связующих агентов, но иногда им обозначают только смолы и синтетические клеящие составы. Составы из белков животного или расти-тельного происхождения называют « клеями, однако в обиходе этим терми- f ном обозначают все клеящие вещества. |
Все клеящие составы представляют “ собой густые клейкие жидкости, за- °, стывающие с образованием твердого или почти твердого геля. Клеи на основе термопластов плавятся при контакте с нагретыми материалами, которые необходимо склеить, а затем
остывают и затвердевают. Болыпин-
О Машина для изготовления почтовых конвертов. В качестве самоклеящегося покрытия используют чувствительный к давлению эластомер, который наносится на
клапан конверта рядом роликов.
ство клеев на основе термопластов можно расплавить повторно.
Клеи на основе термостойких полимеров представляют собой смолы, полученные в результате химической реакции двух компонентов, смешанных перед использованием. Они застывают с образованием твердой смолы, которая не плавится при нагревании.
Другие клеи растворяются в растворителях - таких, как вода, бензол или толуол. После их нанесения на поверхность склеиваемых материалов растворитель испаряется и образуется клеевое соединение.
’ Растворы веществ, называемых эластомерами, применяются для контактного склеивания. На соединяемые поверхности наносят раствор эластомера и дают ему высохнуть. В результате образуется напоминающий резину поверхностный слой. Затем поверхности прижимают друг
к другу, и они соединяются.
Природные клеи
Клей животного происхождения -желатин - является производным белка коллагена, который содержится в костях и тканях. Однако соединения на его основе весьма чувствительны к влаге и в воде легко расходятся.
Более устойчивый к действию влаги казеиновый клей впервые использовали в Древнем Египте. Его получали из молочного белка казеина.
Другим примером натурального клея .может служить крахмал. Паста из крахмала или мужи и воды (клейстер) - простейший из клеев (и довольно слабый), но его широко используют в быту7.
К натуральным клеям относят также водорастворимые полимеры, например, гуммиарабик (вязкая прозрачная масса, выделяемая различными видами акаций).
Высокопрочный спла
Акрилонитриловое волокно
П<у1иурета,
©О Современные спортивные лыжи -это высокотехнологичное изделие со сложной структурой. Они состоят из металлических, полимерных и волоконных слоев, склеенных вместе с большой точностью (внизу).
Высокопрочный литой пластик
7 Берец - термопластичный полиамид
2 Союзка - акрилат-этилен/винил-ацетат (ЭВА), натуральная резина
3 Носок - термопластичный ЭВА
4 Задинка - термопластичный ЭВА
5 Подошва - раствор неопрен-уретана или термопластичный полиэфир-полиамид
6 Перейменная часть подошвы — термопластичный полиамид
7 Накладка - раствор полиуретана
8 Каблук - акрилат или натуральный каучук
О Пазы в раме огнеупорной двери заполнены клеевым уплотнителем, который при нагревании набухает, предотвращая проникновение дыма и горючих газов сквозь щели.
Синтетические клеи
Большинство синтетических адгезивов или клеев составляют термопласты, термостойкие смолы или эластомеры. Наиболее важным типом термопластичных адгезивов являются клеи на основе поливиниловых полимеров. Нитрат и ацетат целлюлозы - это термопласты, применяемые в виде быстро сохнущих растворов в качестве клеев общего назначения.
О Различные виды клея сегодня широко применяются в обувном производстве, поскольку клееная обувь намного дешевле, чем шитая.
О Нить с покрытием из термопластичного клея для изготовления одноразовых хирургических костюмов. Для соединения нити с материалом используют нагревание под давлением.
Термостойкие адгезивы (например, эпоксидные смолы) прочнее термопластов, но не обладают их упругостью. Эпоксидные смолы готовят’сме-шиванисм двух компонентов (собственно смолы и отвердителя) непосредственно перед использованием.
Адгезивы со сложной структурой состоят из специальных видов термостойких смол (для прочности) и термопластов или эластомеров (для упругости и гибкости). Новое поколение адгезивов - «супср-клеи» - сделаны на основе цианоакрилатов и практически за секунды склеивают почти все что угодно. В том числе и пальцы!
Моющие средства
Первое мыло, самое простое моющее средство, было получено на Ближнем Востоке более 5000 лет назад.
Поначалу оно использовалось главным образом для стирки и обработки язв и ран.
И только с I века н. э. человек стал мыться с мылом.
Моющими средствами называются натуральные и синтетические вещества с очищающим действием, в особенности мыло и стиральные порошки, применяемые в быту, промышленности и сфере обслуживания.
Мыло получают в результате химического взаимодействия жира и щелочи. Скорее всего, оно было открыто по чистой случайности, когда над костром жарили мясо, и жир стек на золу, обладающую щелочными свойствами.
Производство мыла имеет давнюю историю, а вот первое синтетическое моющее средство появилось только в 1916 году. Изобретение немецкого химика Фрица Гюнтера предназначалось для промышленного использования; бытовые синтетические моющие средства, более-менее безвредные для рук, стали выпускать в 1933 году. С тех пор был разработан целый ряд синтетических моющих средств (СМС) узкого назначения, а их производство стало важной отраслью химической промышленности.
Молекулы жидкости удерживаются вместе силами притяжения. Эти силы тя1гут верхние молекулы внутрь, и поверхность
ежегодное потребление мыла выросло с 90 000 до более чем 300 000 тонн.
жидкости изгибается. Этот эффект, называемый поверхностным натяжением, хорошо виден на примере почти сферической капли воды, выскальзывающей из крана.
Именно из-за поверхностного натяжения вода сама по себе не обладает достаточным чистящим действием. Вступая в контакт с пятном, молекулы воды притягиваются друг к другу вместо того, чтобы захватывать частицы грязи. Другими словами, они не смачивают грязь.
О Реклама мыла (1903). За предыдущие полвека
0 Лабораторное испытание жидкости для мытья посуды. Обычно такие
средства содержат анионные
и неионогенные
ПАВ и дают
устойчивую пену.
Активные вещества
Мыло и синтетические моющие средства содержат вещества, повышающие смачивающие свойства воды за счет уменьшения силы поверхностного натяжения. Эти вещества называются поверхностноактивными (ПАВ), поскольку действуют на поверхности жидкости (имеются в виду все границы, не только верхняя).
Молекулы ПАВ можно представить в виде головастиков. Головами они «цеп-
ляются» за воду, а хвостиками - за жир. Когда ПАВ смешивают с водой, его молекулы на поверхности обращены «головами» вниз, а их «хвостики» торчат из воды. «Раздробив» таким образом поверхность воды, эти молекулы значительно уменьшают эффект поверхностного натяжения, тем самым помогая воде проникать в ткань. Этими же хвостиками молекулы ПАВ захватывают попадающиеся им частицы жира.
Если жир крепко пристал к ткани, для его удаления понадобится не только действие ПАВ, ио и крепкая встряска. Крошечные капельки жира, покрытого ПАВ, рассеиваются в воде, образуя эмульсию.
ПАВ делятся на катионные, анионные и неионогенные. Молекулы катионных ПАВ в растворе образуют положительно заряженные ионы, анионных - отрицательно заряженные, а молекулы неионогенных ПАВ ионов не образуют.
Во всех видах мыла ПАВ - анионные, в то время как синтетические моющие
О Серные горелки, в которых сера превращается в исходные материалы для получения поверхностно-активных веществ.
ляющие белок ферменты, помогающие отстирывать пятна веществ с белковой основой - например, пятна крови или яйца.
СМС
Жидкие синтетические моющие средства получают, добавляя к растворенной смеси гидротроп - вещество, которое предотвращает расслоение из-за разной плотности компонентов.
Синтетические моющие средства входят также в состав необходимых в домашнем хозяйстве чистящих порошков и паст. Обычно чистящие порошки содержат анионное ПАВ, тонкоизмельченный минерал (например, полевой шпат) и хлор! 1 ы й отбеливатель.
0 Молекула ПАВ (1) напоминает головастика. Силы поверхностного натяжения формируют каплю воды (2). ПАВ уменьшает натяжение, и капля растекается (3).
Моющее средство удаляет грязь, разбивая ее на покрытые ПАВ капли (4). Другие виды грязи притягивают молекулы ПАВ «головой вперед» и покрываются двумя слоями таких молекул, соединившихся хвостиками (5).
средства содержат анионные, катионные или неиногенные ПАВ (или комбинацию двух или трех типов).
Мыло
Мыло получают при реакции жиров (например, кокосового или пальмового масла) со щелочью - каустической содой (гидроксидом натрия) или каустическим пота-шем (гидроксидом калия). Данный химический процесс называется омылением.
На современном мыловаренном заводе непрерывного действия исходные материалы смешиваются и под давлением нагреваются до 130 "С. В результате реакции образуются мыло и глицерин. После отделения глицерина расплавленное мыло проходит дальнейшую обработку;
Твердые сорта получают, высушивая ленту расплавленного мыла, добавляя красители и отдушки и прессуя готовую массу в куски. Туалетное мыло делается из более высококачественных жиров; после сушки его нагревают для уменьшения содержания влаги.
Мыльные хлопья производят следующим образом: мылу дают затвердеть на внешней стороне барабана и соскребают его. Чтобы получить мыльный порошок, расплавленное мыло смешивают с добавками, улучшающими его очищающее действие, внешний вид и текстуру обрабатываемой смачиваемой ткани. Смесь затем высушивают горячим воздухом.
Такие же добавки используются в синтетических моющих средствах.
Многие синтетические моющие средства производятся сегодня как в жидком виде, так и в порошке. Порошки, содержащие 20-25% ПАВ, также получают высушиванием полужидкой смеси. Некоторые стиральные порошки содержат расщеп-
бак для бак для па-олеума рафиков
фосфаты, сульфат натрия силикаты, карбокиметил, целлюлоза, красители
расфасовка и упаковка
сульфонатор/ охладитель
выход воздуха и мелкого
порошка
О Моющее средство получается смешиванием всех компонентов, кроме отдушки и отбеливателя, в полужидкую массу, которую высушивают до состояния порошка.
После этого добавляются отдушка и отбеливатель.
воздух
Для промышленных целей производятся различные специальные средства. К примеру, смеси из неионогенных и катионных ПАВ применяются в пищевой промышленности для мытья и чистки оборудования в соответствии с самыми жесткими санитарно-гигиеническими требованиями.
Железо и сталь
футеровка
бункер
Основными рудами являются гематит, магнетит (магнитный железняк), лимонит.
формы, где затвердевает.
полученного
в домнах, поступает
Q Расплавленный чугун выливается в желоб. Отсюда он
©О Железная руда превращается в железо в доменных печах. Печь загружается сверху смесью железной руды, кокса и известняка. Потоки горячего воздуха, проходя по печи снизу вверх, активизируют протекание химических реакций. Чугун и шлак отдельно удаляются из нижней части печи.
Наиболее широко используемые металлы - это железо и его основной сплав, сталь. Обычная, дешевая в производстве сталь имеет удивительную прочность, поэтому из нее создают каркасы небоскребов и других массивных сооружений.
елезо - наиболее распространенный в земной коре (в процентах от ее массы) металл
сидерит, таконит и железный колчедан.
Добывают руды карьерным способом. Железо из них получают, нагревая вместе с коксом, содержащим углерод. Чтобы облегчить удаление кремнийсодержащих примесей, таких как песок и глина, к смеси руды с коксом добавляется известняк. Вещества, используемые для удаления примесей, называются флюсами.
Ранее из смеси руды, кокса и известняка формировали засыпку, или шихту, которая затем за!ружалась в верхнюю часть домны. Домна - высокая стальная башня, облицованная изнутри огнеупорными кирпичами.
Но в современных технологиях смесь железной руды, кокса и известняка сначала обжигается, при этом получается материал, именуемый агломерат. При спекании удаляются такие примеси, как вода, двуокись углерода и мышьяк, поэтому агломерат имеет относительно высокое содержание железа. Для получения шихты, предназначенной для загрузки в печь, некоторое количество руды смешивают с агломератом.
Химические реакции
Когда засыпанная в доменную печь шихта падает вниз, она смешивается с предва
рительно прогретым до температуры ~М00"С воздухом, вдуваемым в домну снизу. При этом происходит целый ряд химических реакций.
Кокс (углерод) сгорает в кислороде, образуя окись углерода (угарный газ). Известняк (карбонат кальция) разлагается на негашеную известь (оксид кальция) и двуокись углерода (углекислый газ). Диоксид углерода реагирует с углеродом - получается оксид углерода. А негашеная известь вступает в реакцию с глиной и песком, конечным продуктом которой является вещество, называемое расплавленным
0 Эйфелева башня, Париж, во время строительства в 1880-х гг. Она состоит из кованых деталей, изготовленных из чугуна.
Q Сырье для производства железа на выходе из агломерационной машины; для удаления примесей перед подачей в доменную печь его измельчили и подвергли обжигу.
шлаком, состоящим главным образом из алюмосиликата и силиката кальция. Если в смеси присутствует сера, то после се соединения с негашеной известью в шлаке содержится сульфид кальция.
Часть окиси углерода реагирует с железной рудой, удаляя из нес кислород, при этом образуется двуокись углерода и железо. Реакция такого вида, в которой из соединения удаляется кислород, называется восстановительной.
Выбросы доменной печи Отходящие газы доменной печи содержат примерно 25% окиси углерода, что делает их пригодными для использования в виде низкокачественного топливного газа. Они отводятся из верхней части печи, смешиваются с более качественным топливным газом и сжигаются в установке, подогревающей воздух доменного дутья. Образовавшийся шлак плавает на поверхности расплавленного железа. Через регулярные интервалы времени в верхнюю часть печи загружается новая шихта, а шлак и железо отдельно удаляются из нижней части печи. Из больших печей каждые шесть часов выпускается
примерно 2000 тонн железа, которое отливается в большие слитки, называемые чушками, или в расплавленном виде подается в сталеплавильные агрегаты. Этот процесс протекает непрерывно.
Виды железа
Железо из доменной печи содержит различные примеси, включая углерод, серу, фосфор и кремний. Наличие примесей зависит от состава используемой руды и от содержания известняка в шихте.
Иногда используют небольшие количества известняка, чтобы полущить шлак с низкой температурой плавления. Это значит, что печь может работать при пониженной температуре, тем самым увеличивая эффективность производства с точки зрения энергоемкости. Полущенное железо является чугуном, имеющим низкое содержание кремния и высокое содержание серы в виде сульфида железа или, если руда имела высокое содержание марганца, в виде сульфида марганца. Углерод присутствует в форме карбида железа.
Чугунные отливки твердые, хрупкие и трудно обрабатываются. Поверхность разлома у такого металла светлая.
По этой причине его называют также белым чугуном. Чтобы получить ковкие виды чугуна, металл часто подвергают тепловой обработке. Полученные в результате этого сорта менее хрупкие.
Если для производства шлака с высокой температурой плавления повышается содержание известняка в шихте, то полущенный хрупкий мегалл называется серым чугуном. Он имеет относительно высокое содержание кремния - от 2 до 4%, углерод в нем присутствует в виде пластинок, придающих поверхности излома металла тусклый вид (отсюда название). Он широко используется для литья деталей станков и машин. Иногда для понижения хрупкости к серому’ чугуну добавляют кальций, магний или церий, и тогда он вполне заменяет мягкую сталь в деталях машин.
Сталь - это сплав железа с углеродом, но производится она не простым добавлением углерода к железу, поскольку ста-
Q Производство стали кислородно-конвертерным способом с использованием расплавленного чугуна из доменной печи и холодного стального лома. Добавление стального лома помогает избежать перегрева.
кислородная фурма
КИСЛОРОДНЫЙ КОНВЕРТЕР
расплавленный металл
©О В кислородных конвертерах для удаления примесей на шихту из расплавленного чугуна и стального лома через фурму подается струя кислорода. Реакция дает большое количество тепла, поддерживая содержимое конвертера в расплавленном состоянии.
ли его требуется совсем немного (гораздо меньше, чем есть в чугуне). Большинство видов стали содержат менее 1,7% углерода, а чаще всего - примерно 0,2-0,3%.
Производство стали Производство стали включает в себя удаление из чугуна примесей, а затем добавку строго определенных количеств углерода и других металлов, таких как хром, марганец, никель и ванадий. Углерод придает стали способность закаляться при соответствующей тепловой обработке, а металлы добавляются для усиления самых разных ее свойств, включая закалку, легкость обработки, устойчивость к коррозии и жаропрочность.
Первый успешный способ производст
ва стали в промышленных объемах был разработан еще в середине XIX века в Англии Генри Бессемером. Он назвал свою сталеплавильную печь конвертером. Его конвертер состоял из большого чугунного цилиндра, облицованного изнури огнеупорными кирпичами. Конвертер Бессемера устанавливался на паре шарниров таким образом, что его можно было при необходимости поворачивать из горизонтального в вертикальное положение.
Повернутый в горизонтальное положение конвертер загружался расплавленным чугуном и определенным количеством известняка. Затем он поворачивался в вертикальное положение, и через перфорированное днище продувался мощный поток сжатого воздуха. Кислород вызывал
НАУКА И ТЕХНИКА 68
превращение небольшого количества железа и почти всех примесей в их оксиды. Углерод полностью удалялся в виде газообразного оксида углерода. А окислы примесей, таких как кремний и марганец, в смеси с известняком образовывали шлак.
После продувки воздуха через конвертер в него добавлялись тщательно отмеренные количества шпигеля (сплав мар-ганец-железо-углерод), ферросилиция (сплав железо-кремний) и алюминия. Они удаляли из металла весь оставшийся кислород и оксид железа. Для улучшения качеств стали допускалось наличие в ней некоторого остаточного количества марганца. Наконец, добавлялся кокс или антрацит, чтобы довести содержание утлерода до необходимого уровня.
Мартеновский процесс
Вскоре после внедрения бессемеровского процесса Уильям и Чарлз Сименсы изобрели альтернативный способ производства стали, называемый во многих странах мартеновским по имени франзузско-го металлурга Пьера Мартена. Братья Сименсы стали сжигать над шихтой из чугуна и известняка коксовый газ, поскольку в бессемеровском процессе при прохождении сжатого воздуха через расплавленный чугун терялась большая часть тепла.
Поэтому они использовали тепло, получаемое от отходящих газов, для предварительного нагрева коксового газа и воздуха, в котором он сгорал. Это настолько повысило температуру печи, что стало легко плавить твердые стальные отходы, добавленные в расплавленный чугун. В результате, была значительно снижена стоимость производства.
Плавка чугуна и стального лома вместе с известняком приводила к удалению большинства примесей и образованию плавающего на поверхности шлака. Остающиеся примеси удалялись обработкой веществами, обогащенными кислородом.
В другом типе электропечи, используемой в наши дни, металл нагревается током, индуцируемым непосредственно в нем катушкой расположенной снаружи печи. Индукционные печи удобны для работы с партиями материалов от 120 кг до примерно 400 тонн. В настоящее время
О Заливка расплавленного металла в мартеновскую печь на стальной лом и известняк.
сталь производится в основном кислородно-конвертерным способом.
Кислородный конвертер Из-за того, что мартеновское производство занимает много времени, оно требует большого количества топлива. По этой причине в большинстве случаев в массовом производстве используется кислородно-конвертерный процесс. Кроме преимущества в быстроте, он чрезвычайно экономичен, потому что здесь используется практически любое топливо. Расплавленный чугун заливается в большой конвертер, облицованный огнеупорным кирпичом. В конвертер опускается труба с водяным охлаждением, называемая фурмой, до тех пор, пока ее конец не окажется непосредственно над расплавленным металлом. Затем через фурму продувается кислород. Он активно реагирует с углеродом чугуна, что дает более чем достаточное количество тешюты, чтобы поддерживать залитый металл в расплавленном состоянии.
В действительности, для предотвращения повышения температуры стали значительно выше ее температуры плавле
ния (равной примерно 1600 "С) необходимо даже добавлять некоторое количество стального лома. Флюсы добавляются по мере надобности.
При продувке кислорода выделяется большое количество окиси углерода и других газов. Они удаляются вентиляторами через вытяжной колпак, расположенный над конвертером. Окись углерода используется в качестве топливного газа на других стадиях процесса или сжигается. Перед выбросом отводимого газа в атмосферу из него удаляются все другие газы. В конце процесса из конвертера выпускается сталь, а затем удаляется шлак.
Сталь сразу же можно разливать в литейные формы, производя литые детали. Но большую ее часть отливают в слитки, которые затем подвергают прокатке или ковке, чтобы получить листы, полосы или заготовки другой формы. Типичные размеры слитков - от 50 кг до 30 тонн, в соответствии со способом, которым будет обрабатываться эта сталь.
При непрерывной разливке расплавленная сталь из конвертера или печи постоянно выливается в водоохлаждаемуто
форму. При этом из нижней части печи поступает непрерывная полоса твердого металла, она автоматически выравнивается, а затем газовым резаком разрезается на отрезки удобной длины.
Марки стали Нержавеющую сталь обычно производят _ в электродуговой печи. Этот сплав содержит 18% хрома и 8% никеля, которые добавляются к расплавленному железу. Типичным продуктом, получаемым в элект-роиндукционной печи, является быстрорежущая сталь, используемая для производства металлообрабатывающих сверл. Она производится путем легирования железа вольфрамом и другими металлами. Одна из марок такой стали содержит 20% вольфрама и 10% кобальта.
Хотя большинство сортов стали после такой печи уже приобретают свою конечную структуру, некоторые из них для соответствия специальному назначению нуждаются в дальнейшей обработке. Такие сорта используются, например, в аэрокосмической и нефтехимической промышленности, в атомной энергети-
Цветные металлы
Металлы, в состав которых не входит железо, называются цветными. В этой группе около 70 элементов - от алюминия, самого распространенного в земной коре металла, до искусственных элементов, таких как плутоний.
Большинство металлов имеют характерный блеск, хотя у некоторых из них он не проявляется из-за коррозии. При комнатной температуре почти все металлы находятся в твердом состоянии. Металлы являются хорошими проводниками тепла и электричества.
Алюминий
Алюминий - самый распространенный в земной коре металл. Он легко вступает в реакции и поэтому' никогда не встречается в свободном виде. Глинозем содержит около 25% алюминия в виде соединений с кремнием и кислородом, называемых алюмосиликатами. Однако выделение алюминия из глинозема обходится очень дорого.
Основной рудой для производства алюминия являются бокситы, которые содержат гидратированный алюминий - оксид алюминия, соединенный с водой. Крупные месторождения бокситов находятся в Австралии, Ямайке, Гвинее и России.
Алюминий получают из бокситов по-
О Кристаллическая киноварь (сульфид ртути) - источник ртути.
Q Кениец промывает речной песок в надежде найти хоть несколько крупинок золота.
О Статуя Эроса была торжественно открыта в Лондоне в 1893 г. Она отлита из алюминия -редкого и дорогого в то время металла.
Шахтеры часто используют взрывчатку для разрушения породы, содержащей руду. Заряд подрывают с безопасного расстояния.
средством электролиза, используя электричество для разделения химического соединения. В традиционном процессе безводная окись алюминия, полученная из боксита, растворяется в расплавленном криолите (натрий-алюминий-фторид). Электрический ток проходит через расплав, разделяя окись алюминия на кислород и алюминий. Этот процесс протекает при температуре около 1000°С.
Применение алюминия
На воздухе алюминий сразу подвергается коррозии, покрываясь тонкой, но очень прочной пленкой оксида, которая защищает' его от дальнейшего окисления. Благодаря этому алюминий широко используется для изготовления различных предметов -от кухонной фольги и посуды до оконных рам и отделочных панелей для зданий.
Его плотность примерно в три раза меньше плотности стали. Поэтому этот
легкий металл и его сплавы применяются в производстве самолетов.
Несмотря на то, что электропроводность алюминия меньше, чем меди, его применение в электротехнике растет. Для прохождения одинаковой силы тока алюминиевый провод должен быть толще медного. Однако он дешевле, и к тому же вес алюминия в этом случае составляет половину веса меди, в связи с чем алюминий используют в линиях электропередач, что требует меньшего количества опор. Алюминий также применяют для покрытия стекла и изготовления зеркал и алюминиевой краски, используемой в качестве защитного слоя для других металлов.
Медь
Поскольку в некоторых месторождениях медь встречается в свободном виде, она стала одним из первых металлов, нашедших практическое применение. Важней-
Q Вагонетка везет оловянную руду на шахте в Корнуолле (Англия). Корнуоллское олово добывалось еще за 500 лет до н. э. и продавалось древним цивилизациям Средиземноморья.
шими из минералов меди являются: халькозин, или медный блеск (сульфид меди); халькопирит, или медный колчедан (сульфид железа и меди); куприт (оксид меди); малахит и азурит (основные карбонаты меди). Основные запасы медных руд сосредоточены в США, России, Китае, Замбии, Чили и Канаде.
Способ добычи зависит от руды. Если в руде присутствует свободная медь, ее измельчают и смешивают с водой. Медь тяжелее других компонентов и осаждается.
Обычно руды, содержащие сульфид меди, включают и сульфид железа. Нагревание руды с кремнием приводит к образованию шлака из силиката железа, который легко удаляется. Нагревание в присутствии воздуха приводит к превращению сульфида меди в ее оксид с образованием газообразной двуокиси серы как побочного продукта. Дальнейшее нагревание сульфида с оксидом ведет к образованию меди и двуокиси серы. Расплавленная черновая медь поступает в формы, где при застывании из нее выделяются пузырьки двуокиси серы, образуя характерную «пузырьковую» поверхность. По этой причине металл называют пузырьковой медью. Она содержит примерно 3% примесей.
Пропуская воздух через расплав пузырьковой меди, некоторые примеси переводят в их окислы, образующие шлак. После удаления шлака в расплавленную медь погружают сырую древесину, которая удаляет кислород из окислов меди с выделением пара и других газов, т. е. восстанавливает окислы меди до меди.
Полученная медь с чистотой более 99% используется для изготовления газовых и водопроводных труб, кровельных материалов, кухонной утвари и различных декоративных изделий. Поскольку медь обладает высокой теплопроводностью, она широко применяется в котельных и других устройствах, используемых для передачи тепла.
Но в этой меди все еще присутствуют
Q Процесс плавки (справа) цинка и свинца из сульфидов.
Сульфиды нагревают для получения оксидов металлов.
Сера удаляется в виде двуокиси и используется для получения серной кислоты. Куски окислов смешиваются с коксом и восстанавливаются в воздуходувной печи с образованием паров цинка и жидкого свинца. Цинк конденсируется и поступает в формы (крайние справа).
NRSC Farnborough
примеси, такие как мышьяк, висмут, свинец, олово, железо, серебро и золото. Несмотря па незначительное содержание, они сильно повышают ее электрическое сопротивление. В связи с этим «пузырьковую медь» подвергают рафинированию (очистке) посредством электролиза. Процесс протекает в кислом растворе сульфата меди. При прохождении тока между двумя медными электродами, погруженными в раствор, чистая медь переходит с положительного электрода на отрицательный. При этом примеси из положительного электрода либо растворяются, либо осаждаются на дно электролизера.
Цинк
Впервые цинк использовали для производства латуни - сплава меди и цинка. Латунь впервые была получена около 1000 лет до н. э. на северо-востоке Турции, а позднее - персами и римлянами. Этот сплав образуется при нагревании меди с древесным углем и каламитом (карбонатом цинка). Углерод восстанавливает карбонат до цинка с образованием сплава с медью. При этом избыток цинка испаряется. Технология выделения цинка из руд была разработана в Азии, и цинк впервые был завезен на Запад в XVII веке.
Основной минерал цинка - сфалерит, или цинковая обманка (сульфид цинка).
Крупные месторождения его обнаружены в Северной Америке, России, Австралии, Перу, Японии и Польше.
Цинк можно выделить из руды путем электролиза. Однако в большинстве процессов руду нагревают в присутствии воздуха для превращения сульфида цинка в оксид, затем добавляют уголь для восстановления оксида до металлического цинка, который удаляется в виде паров, конденсируется и застывает.
Применение цинка
Пятая часть всего производимого в мире цинка идет на изготовление латуни.
Столько же цинка используется для ан-
тикоррозионного покрытия изделий из железа и стали. Этот процесс называется гальванизацией и протекает либо при погружении железных или стальных деталей в ванну с расплавленным цинком, либо путем электролитического осаждения цинка на поверхность изделий.
Подобно алюминию, антикоррозионные защитные свойства цинка обусловлены образованием на воздухе предохранительного поверхностного слоя окис-лов. Листовой цинк используется в качестве кровельного материала, для изготовления печатных форм. Сплавы цинка применяются для литья деталей машин.
Свинец
Свинец был известен еще в Древнем Египте, однако впервые этот металл использовали римляне для изготовления водопроводных труб. Основным его источником является галенит, или свинцовый блеск (сульфид свинца). Для получения металла сульфид обычно нагревают в присутствии воздуха с образованием оксида свинца, который затем восстанавливается до свинца при нагревании в печи с коксом. После удаляются примеси мышьяка, олова, сурьмы, меди и серебра.
Прежде свинец использовали в основном в системах водопровода и канализации и в качестве кровельного материала. Однако современные легкие материалы практически вытеснили его. Наибольшее количество свинца сейчас идет на изготовление автомобильных аккумуляторов, в химической промышленности его используют в качестве кислотоупорного материала. Из свинца делают оболочку электрических кабелей, защитные экраны ядерных станций и исследовательских лабораторий, припои, свинцовые бронзы, а также сплавы с оловом, сурьмой, медью и т. д.
Олово
Олово является одним из самых дорогих цветных металлов. Это связано с тем, что основная руда - касситерит (оксид олова) - содержится в месторождениях в очень низкой концентрации. Одна тонна породы должна быть переработана для получения 200 г руды. После соответствующего обогащения руду нагревают в печах с антрацитом, в результате чего из нее удаляется кислород в виде двуокиси углерода и образуется металлическое
ф Свинец предохраняет людей от радиации на атомных станциях и в лабораториях. Здесь блоки изготовлены из свинцовых кирпичей с окнами из свинцового стекла.
Q В этом ядерном реакторе выделяется энергия при преобразовании плутония, находящегося в топливных таблетках, в металлический уран.
олово. Впервые олово было использовано для получения бронзы. Сегодня наиболее важной областью его применения являются защитные покрытия стальных листов, которые называются жестью. Жесть широко используется для изготовления консервных банок и припоев.
Никель
Основным источником никеля являются его сульфиды, которые обычно находят в смеси с другими минералами. После разделения никелевая руда обжигается в присутствии кислорода для получения оксида никеля, затем он восстанавливается при температуре э50°С в генераторном газе (смесь водорода и двуокиси углерода) до металлического никеля.
Наиболее важной областью применения никеля являются сплавы, особенно нержавеющие стали. Многие монеты делают из сплава меди и никеля. Порошок чистого никеля применяется в качестве катализатора. Чистый никель иногда электрохимически наносят на железо и бронзу как антикоррозионное покрытие.
Золото химически очень инертно и поэтому встречается в природе в свободном виде. Его основные месторождения расположены в Южной Африке, Северной Аме-
0 Бочки с оксидом урана доставлены на фабрику для получения урана, который используется в качестве топлива в некоторых ядерных реакторах. Ядерная энергия имеет огромный потенциал, но легко становится смертоносной.
рикс, России и Австралии. Золото там встречается в кварцевых горных породах и в песках из этих пород. Но в каждой тонне песка может быть не более 30 г золота.
Добыча золота
Большую часть золота получают путем измельчения и извлечения металла из золотосодержащей породы. Частицы золота могут быть извлечены механически или химически при помощи ртути или цианидов. В ртутном процессе, называемом амальгамированием, измельченная порода промывается ртутью, в результате чего образуется сплав золота с ртутью (амальгама), которая затем удаляется и нагревается; при нагревании ртуть испаряется, а золото остается. В одном из вариантов цианидного процесса золото реагирует с разбавленным раствором цианистого калия или натрия с образованием раствора цианида золота, при добавлении к которому цинка выпадает осадок золота.
Золото очень красиво и никогда не тускнеет, что делает его основным материалом как в ювелирном производстве, так и для декоративного покрытия изделий из дешевых металлов.
Чистое золото - самый ковкий из всех металлов. Из него можно изготовить листы толщиной менее одной десятимиллионной метра. В таком виде золото используют для декоративных целей, таких как золотое тиснение книг, золочение картинных рам и т. п.
Вместе с тем, чистое золото очень мягкое, и для многих задач используют его сплавы с другими металлами. В результате золото приобретает дополнительную твердость, сохраняя при этом свои антикоррозионные свойства. В высококачественном электронном оборудовании для защиты от коррозии используются позолоченные контакты и разъемы.
Сплавы
Большинство используемых нами металлов являются сплавами, т. е. смесями, в которых по крайней мере одна из составляющих - металл. Чистые металлы редко обладают идеальным набором свойств, необходимых для конкретной области применения, а добавление к ним других компонентов позволяет улучшить их физико-химические характеристики.
Физические свойства металла, такие как прочность, твердость, точка плавления и электропроводность, зависят от строения его кристаллической решетки, которая изменяется при добавлении к металлу других веществ. Полученный сплав имеет структуру, отличную от структуры компонентов, и, таким образом, отличные свойства.
Некоторые сплавы содержат неметаллические компоненты, как, например, углерод, кремний и фосфор. Однако в основном сплавы состоят из металлов. Сталь - это сплав железа с углеродом, а легированные стали содержат дополнительные компоненты, такие как никель, кремний, марганец и хром, которые изменяют основную структуру стали так, что, используя различные методы обработки, можно сделать сталь тверже, мягче, пружинистей или жестче -в зависимости от требований.
Легированные стали
Огромное разнообразие легированных сталей может быть получено с использованием различных сочетаний легирующих элементов и соответствующих видов термообработки. Скажем, марганцевые стали содержат около 1% углерода и 11-14% марганца. Они применяются для изготовления износостойких деталей.
Обычная нержавеющая сталь, известная как 18-8, является сплавом
Британские монеты, показанные выше в увеличенном виде, делают из износостойких сплавов. Монета в 1 фунт сделана из никелевой латуни (соотношение - 70% меди, 24,5% цинка и 5,5% никеля). Монеты в 50, 20, 10 и 5 пенсов сделаны из сплава меди и никеля в соотношении 75% и 25% (20 пенсов - 84% и 16%). Меньшая по размеру монета в 10 пенсов была введена в 1992 г. Монеты в 1 и 2 пенса сделаны из бронзы, содержащей 97% меди, 2,5% цинка и 0,5% олова. Однако последние версии этих монет изготовлены из покрытой медью стали. Они того же диаметра, что и предыдущие, но немного тоньше.
железа с 18% хрома, 8% никеля и 0,08% углерода. Друтис виды нержавеющих сталей содержат 12-30% хрома с небольшими добавками никеля, молибдена и меди. Эти сплавы широко используются в промышленности и в быту. Из них делают шарикоподшипники, оборудование для химиче-
О Панели из нержавеющей стали использованы для отделки эскалаторов, стен и потолков одной из новых станций метрополитена в Лондоне. Нержавеющая сталь выбрана ввиду ее высокой термоустойчивости и антикоррозийных свойств, а также потому, что легко чистится. В наше время этот сплав заменил бронзу в качестве декоративного материала.
ских заводов, лопасти турбин, сточные трубы, столовые приборы.
Сплавы на основе меди включают в себя бронзы, латуни и медно-никеле-вые сплавы. Бронза - древнейший сплав, первоначально содержавший 75% меди и 25% олова. В наше время к бронзам относится широкий спектр сплавов на основе меди, содержащих различные металлы и лишь иногда немного олова.
Среди наиболее важных видов бронз выделяются фосфорные, получаемые добавлением до 0,5% фосфора к медно-оловянным бронзам, содержащим 85-90% меди. Сплавы с содержанием фосфора менее 0,3% являются упругими и немагнитными. Из них изготавливают контактные пары, управляемые электромагнитами. Они обеспечивают хороший контакт и не намагничиваются, что пре-
дотвращает залипание контактов.
При увеличении содержания фосфора эти сплавы становятся тверже за счет образования в них фосфидов меди. Они широко применяются для изготовления подшипников.
Свинцовые бронзы
Для подшипников, работающих при высоких скоростях и давлениях, больше подходят свинцовые бронзы. Их получают добавлением в фосфорные бронзы 3,5% свинца.
Свинец также применяют для получения свинцовых оловянных бронз. Бронзы с низким содержанием свинца (до 0,5%) используют для изготовления соединений труб в водопроводах, а также для декоративных работ. Бронзы с высоким содержанием свинца (до 20%) применяют для изготовления высокоточных подшипников.
Алюминиевые бронзы
Алюминиевые бронзы являются сплавом меди и алюминия с небольшим количеством таких металлов,
как никель, железо или марганец. Они называются бронзами, хотя зачастую вовсе не содержат олова. Алюминиевые бронзы гак же прочны, как мягкая сталь, и обладают высокой антикоррозионной стойкостью даже по отношению к разбавленным кислотам. Из них отливают винты для кораблей, узлы тяжелого гидравлического оборудования для химической промышленности, такие как кислотоупорные емкости и насосы.
Латунь
Латунь - это сплав меди с цинком с различным соотношением компонентов. Часто в латунь добавляют олово, свинец и алюминий.
Патронная латунь состоит из 70% меди и 30% цинка и является очень пластичной (легко вытягивается в проволоку), но обладает низкой
О Большинство ювелирных украшений из «чистого золота» сделаны из сплава, содержащего стандартные пропорции золота и других металлов, измеряемые в каратах (К, число весовых частей золота в 24 частях сплава) или 1000-х долях (проба благородных металлов).
О На этом корабле есть охлаждаемые резервуары из «нержавейки» для концентрата апельсинового сока. Они вообще не нуждаются в чистке.
турбины
О Некоторые смеси металлов в расплаве образуют растворы, которые при охлаждении разделяются. Этого можно избежать путем механического сплавления. Порошки металлов свариваются в шаровой мельнице, и этот сплав затем помещается в стальную оболочку, которая нагревается и поступает в экструдер.
После горячего вальцевания стальную оболочку удаляют - и сплав готов к обработке.
О Чистый металл (вверху) при приложении к нему силы (стрелка) изгибается благодаря тому, что его атомы имеют упорядоченную структуру. Дислокации (в середине) приводят к излому. В твердых растворах внедрения (внизу) структура металла деформируется и упрочняется за счет присутствия другого металла.
прочностью при растяжении. Этот сплав был разработан и по сей день используется для изготовления патронных гильз наряду с производством вентилей и соединений для водопроводных труб, а также цоколей для электрических лампочек.
Более твердая и высокопрочная латунь получается при добавлении к мсдно-цииковому сплаву марганца, железа, олова, свинца и алюминия. Она легко обрабатывается и очень удобна для литья. Из нее отливают
винты для некоторых типов кораблей.
Различные виды латуни изготавливаются для множества других областей применения; из них делают детали станков и машин, электротехнические и декоративные изделия, украшения.
Сплав немецкое серебро (нейзильбер) также относится к латуни и состоит обычно из 65% меди, 17% цинка и 18% никеля. Хотя нейзильбер не содержит серебра, он обладает характерным серебряным блеском. Этот сплав широко применяется для изготовления столовых приборов, часто с гальваническим никелированием.
Сплавы алюминия
Производство сплавов алюминия было налажено в начале 1900-х годов. Литейные сплавы алюминия содержат примерно 15% кремния плюс небольшие количества таких металлов, как медь, железо, никель, магний и цинк. Из этих легких сплавов отливают, например, блоки цилиндров для двигателей, детали авиационных двигателей и фюзеляжей.
Сплавы алюминия, которые пригодны для других видов механической обработки, таких как ковка, прокат и волочение, содержат до 7% магния и около 1% марганца. Очень прочные
© Уменьшение веса летательных аппаратов очень важно, поскольку экономит топливо. Данный вертолет был разработан в начале 1980-х, еще до того как легкие алюминийлитиевые сплавы стали промышленно доступными. Замена алюминия этими материалами позволила снизить вес вертолета более чем на 200 кг.
товых предметов. Часто изделия из нее покрывали лаком для сохранения блеска. Сейчас ее заменили нержавеющая сталь и другие сплавы.
сплавы этого типа, используемые в авиастроении, получают добавлением примерно 5% цинка и небольших количеств меди, магния и марганца.
Дуралюмин
Открытие явления старения после закалки явилось одним из самых важных при разработке сплавов алюминия. Оно было впервые отмечено немецким металлургом Альфредом Вильмом, который экспериментировал со сплавами алюминия, содержащими 3,5% меди и 0,5% магния. Он пытался получить более твердый сплав путем различных видов термической обработки, включая нагревание до 500°С с последующим быстрым охлаждением в воде.
Подобная обработка нс оказывала мгновенного действия, но через несколько дней Вильм обнаружил, что металл стал значительно тверже. Причина этого явления тогда нс была понятна, но сплав, названный ду-ралюмином, вскоре стали использовать в авиастроении, где он применяется и сегодня. Состав дуралюмина различен, но обычно это сплав алюминия с 3,5-4,5% меди, 0,4-0,7% магния и марганца и до 0,7% кремния.
средством которых элементы соединяются друг с другом при образовании сплава.
В случае образования твердого раствора замещения элементы, по сути, растворяются друг в друге с образованием кристаллической решетки, в которой атомы одного элемента замещены атомами другого. Другой путь получения сплава - это образование твердого раствора внедрения, при котором атомы другого металла располагаются в кристаллической решетке между атомами первого. И третий вид взаимодействия - образование интерметаллических соединений, когда два металла химически соединяются друг с другом с образованием вещества со своей кристаллической решеткой.
Структура некоторых сплавов изменяется от одной формы к другой уже после получения сплава. Такого рода изменения являются причиной эффекта, известного как старение после закалки, характерного для дуралюмина и некоторых других сплавов.
Закаливание
Когда Альфред Вильм нагревал сплав алюминия, 3,5% меди присутствовали в нем в виде твердого раствора. Однако при комнатной температуре алюминий может содержать только 0,5% меди
меди выделяется из раствора с последующим образованием интерметаллического соединения СпАЬ. Частицы этого соединения образуются в объеме сплава в течение 4-5 дней (естественное старение), что приводит к увеличению твердости сплава за счет повышения сопротивления кристаллической решетки внешним деформациям.
Для ускорения этого процесса был разработан метод искусственного старения, при котором медь также выделяется из твердого раствора с образованием интерметаллического соединения CuAL, однако этот процесс ускоряется за счет нагревания сплава до температуры 175°С. В результате время старения дуралюмина уменьшается до нескольких часов. Подобным образом можно обрабатывать и многие другие сплавы.
Прочность некоторых сплавов повышается при механическом воздействии. Так, например, удар или трение приводит к изменению кристаллической решетки на поверхности марганцевой стали. В результате образуется необычайно твердая кристаллическая структура - мартенсит, -которая предохраняет сталь от механического воздействия. Мартенсит также образуется в процессе закалки, когда раскаленную докрасна сталь погружают в воду или в масло, что значительно повышает ее твердость.
Горное дело
Методы ведения горных работ включают подрыв рудоносных пород и закачку жидкости в пласт для размыва полезных ископаемых. Вознаграждаются эти усилия по разному: от песка и сланцев до золота, серебра и драгоценных камней.
Развитие горного дела началось, когда человеку7 понадобились металлы и их руды. Самые ранние свидетельства высокоорганизованных горных работ касаются египтян, которые ок. 3000 г. до н. э. добывали в больших объемах золото, серебро, медь и бирюзу, хотя и сосредотачивали почти все свои усилия на поверхностных и приповерхностных отложениях.
Опасные условия
Даже сегодня работы под землей связаны с риском, а для первых рудокопов они были чрезвычайно опасными. В современных шахтах запрещено использовать открытое пламя, чтобы не допустить взрыва гремучего газа, часто "проникающего в их стволы и штольни. Однако древним египтянам огонь помогал добывать подземные породы. При этом часто случались внезапные обвалы, и забой обрушивался, погребая под собой рудокопов.
Древние греки и римляне использовали труд рабов для подземной добычи золота, серебра, олова, меди, свинца и железа.
Благодаря римлянам горное дело распространилось по всей Европе и Африке и продолжало развиваться и после падения Римской империи. К началу средних веков в Европе была налажена добыча металлов. Немецкий ученый Георг Агрикола (1494-1555) первым досконально изучил все связанное с предметом. В результате на свет появился 12-томный труд «О горном деле и металлургии» (De re metallica). В отличие от тех, кто хранил в тайне полученную информацию о горном деле, Агрикола считал, что необходимо делиться своими знаниями на благо отрасли. Опубликованный в 1556 г. трактат получил высокую оценку и оставался основным пособием по горному делу в течение почти двух веков.
Паровая тяга
С появлением паровых двигателей в XVIII в. технология горных работ сделала большой шаг вперед. Этот новый источник энергии использовал-
А Открытый медный рудник в Моренси (штат Аризона, США). Цвет некоторых участков объясняется присутствием вторичных медных минералов -малахита (зеленый), азурита (синий) и куприта (красный).
I Q Рабочие заклады-
| вают взрывчатку
в урановом руднике в Пенья-Бланка
I (Мексика).
О Стоя по щиколотку в воде, шахтеры серебряного рудника Такско в Мексике бурят шпуры для закладки зарядов с целью подрыва породы.
О Добыча опалов методом туннельной проходки в шахте на 2 юге Австралии. ?
Q Залежи самород- &
ного серебра разраба- | тываются в Норвегии, Канаде, Чили и России = (Урал, Алтай, Мага- § данская область). $
ся для вентиляции и дренажа подземных шахт, а также для подъема тяжелых грузов на поверхность. Составы с паровым двигателем неслись по рельсам, доставляя тонны руды к местам назначения.
В период промышленной революции XVIII-XIX вв. прогресс в горном деле превзошел все сделанное за предыдущие 5000 лег. Был пройден путь от практически бессистемной добычи природных богатств до хорошо спланированной в мировом масштабе промышленности. Однако за этот прогресс пришлось расплачиваться людскими страданиями, которые несла с собой все более опасная технология горных работ. Миллионы шахтеров погибли или были покалечены под землей, и даже в XX веке шахты ежегодно уносили около 50 000 жизней.
Современная ситуация
В XX в. благодаря механизации горных работ резко возросла производительность, однако аварийность оставалась высокой. Активность профсоюзов, ужесточение правил безопасности, более совершенные механизмы и методы добычи, внедренные в течение нескольких десятилетий, позволили значительно улучшить общие нормы техники безопасности. И хотя сегодня количество добываемых полезных ис
копаемых в несколько раз превышает объем добычи 1900 г., число несчастных случаев среди горняков сократилось на 90%. Однако профессия шахтера по-прежнему остается одной из самых опасных, й пока горные работы не будут механизированы полностью, многие люди заплатят своими жизнями за освоение природных богатств.
Автоматизация добычи полезных ископаемых - непростая задача, поскольку условия работы под землей бывают очень разными, а рабочая зона, включающая 20 и более мест добычи, занимает многие квадратные километры. Но сегодня некоторые угольные шахты оборудованы полностью автоматизированными системами, где ЭВМ управляет работой машин в забоях и доставкой угля на поверхность. Отбитый в забое’уголь автоматически загружается в вагонетки подземной железной дороги, перевозится к стволу шахты, а оттуда поднимается наверх. Помимо сокращения числа подвергающихся риску рабочих, автоматизация позволила намного уменьшить стоимость горных работ и’повысить зарплату шахтеров в тех странах, где их труд ценится по заслугам.
В забое
Относительно легко механизировать работы в забое, где добывают мягкий
материал, такой как уголь или фосфаты: одни машины прокладывают подземные пути, другие врубаются в плоскость забоя. Но отработка твердых пород, содержащих металлоносные руды, часто требует больших усилий и времени, а неправильная конфигурация рудных пластов создает большие трудности для механизации. Поэтому залежи металлических руд разрабатывают, проходя подготовительные туннели, а затем с помощью взрывчатки откалывая руду от вскрытых рабочих забоев.
Для проведения подрывных работ в рудной лаве бурят шпуры диаметром 2,5-5 см и глубиной 2-3 м. В эти шпуры закладывают заряды взрывчатых веществ, а затем подрывают их, чтобы отколоть часть руды от лавы. Количество используемой взрывчатки может быть разным, но подрыв заряда массой 2 кг в 3-метровом шпуре позволяет добыть около 3 т руды. Иногда большое число зарядов подрывают одновременно или один за другим, и нередко для одного взрыва затрачивается до тонны взрывчатки. Подрывные работы обычно производят между сменами, чтобы не подвергать опасности рабочих. Прежде чем допустить следующую смену к работе, из шахты удаляют ядовитые газы - продукты взрыва.
НАУКА И ТЕХНИКА
Q Известняковый карьер в Камбрии, на севере Англии.
Q В Серра-Пелада (Бразилия) находится самый большой в мире открытый золотой рудник. Рабочие на своих плечах выносят золотоносную породу на поверхность.
00 Золотой самородок блестит, поскольку, в отличие от большинства других металлов, его поверхность не подвергается коррозии, которая может быть вызвана действием влаги, кислорода или химикалий в почве. В итоге золото часто встречается в т. н. несвязанной форме металла.
Горнорудные работы
Добыча открытым способом в общемировом объеме разработки полезных ископаемых постоянно увеличивается и сегодня составляет около 70%. В итоге суммарная ежегодная выемка грунта составляет около 50 млрд. т. Но объем работ в каждом отдельном случае может быть очень разным. Кое-где старатели-одиночки по-прежнему промывают в реках золотоносный песок или ищут опалы, а на многих малых шахтах работают два-три человека, добывающие несколько тысяч тонн руды в год. С другой стороны, есть и гигантские золотые рудники ЮАР, где 15 000 рабочих ежегодно извлекают миллионы тонн золотой руды из глубинных шахт. Самая глубокая шахта в мире - золотой рудник «Вестерн дип левелз» в Карлтон-вйле (ЮАР), глубина которого более 3,7 км. Воздух, используемый для вентиляции туннелей на такой глубине, охлаждается гигантскими холодильными установками ввиду7 очень высокой температуры породы/ Самая масштабная открытая разработка ведется на медном руднике в Бингам-Каньоне (штат Юта, США), где ежедневно вскрывают около 250 000 т пустой породы и добывают почти 100 000 т медной руды. При этом содержание меди в руде - примерно 0,7%. Хотя этот рудник называют «поверхностным», дно карье
ра находится более чем в 600 м от поверхности земли.
Открытая разработка Работы, ведущиеся с поверхности, включая вскрытие подземных залежей, называются открытой разработкой. К открытым рудникам относятся карьеры, где рудное тело простирается вниз, а котлован образуется по мере выемки руды. Карьерным способом добывают гранит, сланцы, известняк и друтие породы. В некоторых карьерах производят вскрышные работы, когда пласт руды залегает на малой глубине, но тянется на большое расстояние. Покрывающая порода убирается (вскрывается) секциями до обнажения руды. Такой способ оптимален для добычи угля из залегающих близко к поверхности пластов.
Открытая разработка также включает драгирование рек и морского дна в поисках различных материалов - от алмазов до песка и гравия. Большая часть промышленной добычи полезных ископаемых в море производится на глубине до 60 м с помощью драг - роторной, грейферной или землесосной. Специальные насосы применялись для добычи марганца со дна Тихого океана па глубине 900 м. Более глубинная разработка морского дна обеспечит доступ к еще
Sheila Terry/SPL Tony Craddock/SPL
0 Мощный роторный экскаватор, работающий на открытой разработке угля в Германии. В его ковше может поместиться небольшой автомобиль.
О Добываемый в таких карьерах песок используют для приготовления строительного раствора и бетона.
О Мраморный карьер в Карраре, Италия. Знаменитый каррарский мрамор здесь добывают уже свыше 2000 лет.
Q Мытье вольфрама в Саудовской Аравии. Старатель пользуется тем же промывочным лотком, что и для добычи золота.
большим природным богатствам, чем те, что имеются на суше.
Разработка через скважины предусматривает их бурение с поверхности до требуемой залежи. Так, при добыче серы методом Фраша очень горячая вода (температурой выше точки кипения) заливается в опущенные в скважину трубы, а растопленная сера откачивается на поверхность. При добыче растворением (еще один вид скважинной разработки) в залежь через скважину подается растворитель. Получаемый раствор откачивается на поверхность, и затем из него извлекают полезные ископаемые. Таким способом добывают некоторые виды солей.
При гидравлической разработке, относительно мягкие, неглубоко за
легающие ископаемые (например, каолин) вымываются водяными струями высокого давления. Поток воды доставляет отделенный материал на очистную установку.
Подземная разработка
Выбор способа подземной разработки зависит от величины, формы и геологии месторождения. Для мощных жил применима разработка с обрушением: в рудном теле делают туннели, кровля которых рушится после подрыва.
Возможна также систематическая выработка руды на разных горизонтах методом очистной выемки. Иногда при этом используется камерностолбовая система разработки, когда целики породы оставляют на месте для крепления кровли. Пласты низко
сортного утля, которые трудно разрабатывать традиционными способами, иногда поджигают под землей, а выделяющийся при этом газ удаляют через специальные стволы.
Метод выщелачивания металлов подобен скважинной разработке, но в этом случае рудное тело, как правило, сначала дробят, используя обычные способы добычи. Затем по трубам подается слабая кислота, растекающаяся по размельченной породе. Кислота растворяет рудный металл, и полученный раствор откачивается на поверхность.
Выбор оптимальной системы разработки месторождения из множества существующих должен опираться на результаты тщательных изысканий в каждом районе.
и бумага
Чаще всего человек использует лес в качестве топлива.
Однако ценность леса как природного богатства и широко применяемого сырья определяется производством древесины и бумаги.
Спрос на древесину7 всегда высок: она под рукой, при помощи резки ей легко придать нужную форму, дегали из дерева без труда присоединяются друг к другу, а изделия из него хорошо смотрятся.
Твердая и мягкая древесина Древесина бывает двух основных видов -твердая и мягкая. Мягкую древесину дают хвойные деревья: сосна, ель, пихта, тсуга, секвойя. На производство твердой древесины идут такие широколиственные древесные породы, как бутс, береза, клен, дуб и тополь. В тропиках твердую древесину7 получают из черного эбенового дерева, разных видов красного дерева, тика и других ценных пород. Красиво выглядящая твердая древесина всегда была в большом почете у7 производителей и покупателей мебели. К сожалению, деревья твердых пород растут медленно, и в тропических лесах их становится все меньше и меньше.
Заготовка леса
Обычно деревья валят при помощи мощных циркулярных пил; затем стволы освобождают от веток и свозят на места обработки для дальнейшей транспортировки. При этом задействуется самая разнообраз-
0 Сплав связанного в плоты леса по рекам, с участием плотогонов или же просто так, представляет собой дешевый способ его транспортировки.
О Лесоповал в американском штате Вашингтон. Каждое спиленное дерево очищается от веток и загружается на транспортер. Затем лес по железной дороге доставляется на деревообрабатывающие предприятия, где очищается от коры, перерабатывается в целлюлозу, а затем в бумагу.
ная техника - краны, гусеничные тракторы, бульдозеры. Если лес подлежит перевозке по суше, его кранами загружают на колесный транспорт, хотя в Индии и Бирме для таски спиленных деревьев, совсем как в старые времена, используют слонов.
В некоторых регионах лес легче сплавлять по рекам; спиленные деревья укладывают в плоты и сталкивают на воду7 при помощи кранов. Затем сотни таких плотов связывают вместе и буксируют до пунктов сортировки и маркировки. В отдаленных районах, где на реках нет судоходства, бревна просто сплавляют вниз по течению - вплоть до пункта назначения.
Во многих странах - и в особенности тех, где заготавливают твердые породы древесины, - нет собственных мощностей для распилки леса. Следовательно, большая часть заготовленного леса вывозится в промышленно развитые страны в виде бревен на деревообрабатывающие комбинаты.
На лесозаводе бревно прежде всего очищается от коры, а затем механическими пилами разрезается на заготовки нужных размеров. На этом этапе перера-
ботки древесина все еще содержит живицу и требует предварительной сушки. Естественная сушка возможна, но отнимает до года времени, и поэтому древесина обычно поступает на быструю сушку в специальные лесосушилки. В результате такой искусственной сушки, или выдерживания, происходит усаживание и подчас даже коробление древесины; таким образом, древесина должна идти на переработку только после полной просушки, когда она, если только § вновь не промокнет, приобретает отно-сительную стойкость.
6 Пиленые лесоматериалы без дальней-
РЕЗКА ДРЕВЕСИНЫ
Рейки, выпиленные из сердцевины ствола
высокого качества, без сучков и разрывов, получается больше высококачественной доски
шей обработки подлежат использованию в строительстве, а деревянные поверхности, которые будут на виду; потребуют доводки. Нередко брусья пускают на продольную разрезку; с покраской или протравкой досок Самая привлекательная древесина режется на очень тонкие листы - облицовочный шпон, который затем наклеивается на основу из древесины попроще.
Фанера состоит из нескольких листов древесины, склеенных так, чтобы волокна соседних листов образовывали прямой угол. Фанерный лист значительно прочнее листа таких же размеров, выделанного из обычной древесины. Фанеру7
0 Древесный ствол S в разрезе: хорошо | видно строение § дерева. Рост камбиевого слоя приводит
к образованию луба внутри и коры снаружи.
Малый кругляк
материалы стандартных размеров
О Распил кругляка на доски происходит с каждой стороны поочередно. Когда доска спилена со всех четырех сторон, из центральной части бревна может быть вырезан прочный брус для несущих конструкций.
намного труднее согнуть и расколоть; вероятность коробления невелика.
В деревообрабатывающей промышленности мало отходов - человек нашел применение всему. Рейки из древесины низкого качества помещают между листами хорошей древесины и производят столярную плиту; а остающийся скрап превращается в опилки, обрабатывается клеем и прессуется в ДСП - древесностружечную плиту.
Сырье для бумаги
Древесная целлюлоза является основным сырьем для производства бумаги, хотя вместо нее также могут быть использованы иные
0 Специальное подъемное устройство собирает заготовленный лес в готовые к отгрузке связки.
Q1 На современных деревообрабатывающих предприятиях технологические процессы полностью автоматизированы и компьютеризированы. Оператор наблюдает за различными этапами технологического процесса.
виды растительного волокна. Целлюлозу получают из самых разных твердых и мягких । лесных пород: ели, сосны, эвкалипта, тополя, ' березы, каштана и других деревьев.
Самый экономичный способ получения древесной целлюлозы - механический: на деревообрабатывающем предприятии лесоматериалы измельчаются до крошки, которая смешивается с водой. Бумага, изготовленная па основе такой целлюлозы, непрочна и чаще всего идет на производство, например, газет.
. Бумагу более высокого качества делают из целлюлозы, полученной химическим способом: деревянный брус режется
Эта машина для очистки леса от коры представляет собой огромный вращающийся барабан, сбивающий кору с подаваемых внутрь бревен.
НАУКА И ТЕХНИКА 73
на малые щепы, которые погружаются в химический раствор и нагреваются под давлением. Из такой древесной массы изготавливают бумагу^ для книг, брошюр и модных журналов, а также прочные оберточные материалы.
Изготовление
На деревоперерабатывающем предприятии для удаления примесей целлюлоза промывается и фильтруется. Целлюлоза, предназначенная для изготовления белой бумаги, дополнительно подлежит выбелке. После этого она превращается в лист и сушится, что впоследствии облегчит процесс производства бумаги. Лист в кипах поступает на целлюлозно-бумажный комбинат, где специальная машина, называемая разрывателем целлюлозы, вспарывает листы и смешивает их с водой. Зачастую варка целлюлозы и производство из нее бумаги проходят в непрерывном режиме, без промежуточного сушения.
К обрабатываемой бумажной массе может быть добавлена макулатура, но лишь после удаления чернил. На этом этапе производства обрабатываемая масса, состоящая из древесных волокон и воды, называется бумажным сырьем.
Затем на специальной перерабатывающей машине меняются форма и структура бумажных волокон - в соответствии с требованиями, которым должна отвечать производимая бумага. На следующем этапе бумажная масса смешивается с другими веществами, задающими конечному продукту'желаемые свойства.
Клеи - это вещества, присутствие которых в писчей бумаге отталкивает1 влагу. Для проклеивания бумаги чаще всего используются смолы. Благодаря им написанное на бумаге приготовленными на
0 Каждая вязка лесоматериалов на этом складе весит 4 тысячи тонн. Вязки расположены так, чтобы воздух обдувал и высушивал свежеспиленные стволы.
О Куча древесных щепок размерами 25 х 25 х 5 мм перед превращением их в целлюлозу для изготовления бумаги.
водной основе чернилами не растекается и легко распознается человеческим глазом. Бумага, используемая для печатания, не требует такого проклеивания, как писчая, поскольку печатные краски готовятся не на водной основе и не растекаются.
После этого бумагу7 окрашивают в смесителе, куда добавляют краситети или пигменты, - например, мелко размельченные вещества для мелования. Так, добавки каолина делают бумагу белой и непрозрачной.
Наиболее распространенным способом изготовления бумаги является метод Фурдринье. Из миксера бумажная масса через цилиндр подается па конвейер, лента которого представляет собой сетку' с ячейками; ширина этой ленты может достигать 9 метров. Конвейер движется со скоростью до 1 000 м в минуту. От скорости поступления сырья зависит толщина и вес сходящей с конвейера бумаги.
Водяные знаки
По мере продвижения бумажной массы по ленточному конвейеру' часть содержащейся в ней воды вытекает через ячеистые отверстия, и бумажные волокна начинают сплетаться друг с другом, образуя так называемую рулонную ленту. Прежде
чем она сойдет с конвейера, из волокон выйдет еще больше воды - за счет всасывания влаги снизу. Именно теперь на волокнах бумаги можно поставить водяной знак. Для этого понадобится специальный валик с наперед заданным рисунком.
Далее лента поступит на движущийся ременной транспортер из натурального войлока и пройдет через несколько последовательно расположенных тяжелых валков, которые выдавят из бумаги еще боль-
ф На этой схеме в упрощенном виде показаны механическая и химическая переработка древесины в целлюлозу.
Процессы дефибрирования и выделывания бумаги происходят в разных местах, и поэтому целлюлоза формируется в лист для отгрузки
5 на бумажный g комбинат. Затем 5 по методу Фурдринье g из целлюлозы е получают бумагу.
ше влаги и еще сильнее спрессуют ее волокна. Затем бумажная лента, достигшая достаточной прочности, чтобы перемещаться сама по себе, обогнет несколько подогретых паром металлических барабанов, которые выпарят из лепты почти всю остающуюся влагу. После сушки бумага пройдет через несколько расположенных в ряд и безупречно отшлифованных железных цилиндров, называемых каландрами, которые разгладят ее поверхность. После этого бумагу- мотают на бобины, которые могут разрезаться на более мелкие катушки. Затем бумага режется на листы.
Отделка поверхности
Для придания бумаге или картону вида, необходимого для того или иного конкретного применения, существует множество
Q При том, что почти все виды бумажной продукции легко поддаются переработке, лишь четверть всех бумажных отходов находит повторное применение.
Q В процессе очищения бумаги от краски воздух и мыло добавляются в кашицу из бумажных отходов. Краска сходит с бумаги и с мыльной пеной всплывает на поверхность для последующего удаления.
методов отделки. Например, высококачественная бумага покрывается тончайшим слоем измельченного белого красителя, которым могут быть или каолин, или «матовая белизна» - смесь окиси алюминия и сульфата кальция. Краситель держится на бумаге благодаря особому клеящему' веществу - это или молочный белок казеин, или поливинилацетат, более известный как ПВА. Краситель заполняет мельчайшие поры в поверхности бумаги и придает ей гладкость и характерный глянец.
Иногда бумагу и картон обрабатывают парафином: вощеная бумага отталкивает
0 Гофрокартон -упаковочный материал
с несколькими рядами волокон. Эти рулоны сошли с прессовальных барабанов, на которых собиралась целлюлоза; именно так, в отличие от изготовления бумаги по методу Фурдринье, чаще всего производится картон.
воду. Один их технологических процессов подобного рода предусматривает прохождение бумаги через емкость с расплавленным воском. Специальные валки
счищают избыточные восковые наслоения, а остающийся воск затвердевает под струей холодной воды. Если на такой бумаге нужно что-то напечатать, сделать это
следует до вощения, так как пропарафи-ненная поверхность краску' не впитает.
Другая технология вощения бумаги предполагает первоначальное покрытие
воском лишь одной стороны листа, после чего другая, еще нс обработанная поверхность подается на разогретый барабан. Его жар плавит воск; расплавленный воск впитывается волокнами бумаги. На обработанной таким способом бумаге возможна последующая печать.
Q В некоторых регионах бумажные и прочие отходы со свалок используются для =
производства газа. --
Отходы засыпаются землей и гниют, высвобождая метан, Z впоследствии а
используемый как топливо.
В основном бумага производится из древесины, заготовленной в лесах Северной Америки, Скандинавии, России, Японии и Германии. Небольшая часть бумажно-сырьевой массы производится из соломы и отдельных травянистых растений, как, например, эспарто или альбар-дин. Бумажные деньги обычно изготавливают из хлопковой массы или из смеси хлопчатых и льняных волокон. Во многих развивающихся странах стремятся использовать местные ресурсы и альтернативное сырье. Например, после извлечения сахара из тростниковых культур остается волокнистый жмых, и его промышленное использование в странах, где культивируют сахарный тростник, позволит отказаться от импорта бумаги или сырья для бумажной массы.
Знаете ли вы?
Первую бумагу сделали древние китайцы. Секрет изготовления бумаги им подсказали осы и шершни, которые разжевывают древесные крошки и строят из этой клейкой массы свои гнезда.
В печатном деле бумага измеряется в граммах на кв. м. Бумага, на которой напечатан наш журнал, имеет плотность 90 г/м2.
С экономической точки зрения производство бумаги из отходов дороже, чем изготовление ее из древесины.
Станки и автоматы
Станки - это большие машины с приводом, служащие для обработки металлов и других твердых материалов. Типичный современный станок имеет один и более электродвигателей и может управляться ЭВМ.
Считается, что первый станок - токарный - создали в Микенах еще в 1200 г. до н. э. Несомненно, этруски использовали такой станок ок. 700 г. до н. э., а в Египте он появился ок. 200 г. до н. э. В одной из ранних моделей токарных станков с ножным приводом закрепленный деревянный брусок вращался с высокой скоростью, и с помощью резца из него получали круглые заготовки. Процесс обработки вращающейся детали в станке был назван обточкой. Гидро-приводные станки (включая токарные, отрезные, расточные и ковочные) были созданы в средние века.
Q Токарно-винторезный станок, созданный в 1810 г. Модели, одним из отцов точного машиностроения. Благодаря высокой точности нарезания резьбы винты были взаимозаменяемыми - важный шаг в направлении серийного производства.
О Установленный на манипуляторе робота лазер разрезает металлическую пластину.
Термин «лазер» происходит от аббревиатуры термина «усиление света вынужденным излучением» - в результате этого процесса образуется мощный луч света.
Phillipe Plailly/SPL
Конструкция станков не претерпела больших изменений до начала промышленной революции конца XVIII в. В 1775 г. Джон Уилкинсон изобрел станок, обеспечивающий высокую точность расточки цилиндров двигателя. Благодаря этому Джеймс Уатт смог создать улучшенный паровой двигатель, для которого требовались прецизионные цилиндры.
В первой половине XIX в. станкостроение развивалось в основном
Некоторые из выполняемых станками операций. Смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ) подается при сверлении; профилирование иногда называют резкой невращаю-щимся резцом; во время прессования металлический диск выдавливается пуансоном из матрицы; при фрезеровании используется вращающаяся зубчатая фреза.
в Англии и США. Большинство универсальных станков (в том числе расточные, продольно- и поперечно-строгальные, а также токарные станки с механическим приводом) были разработаны в этот период в Англии. Но к 1850 г. мировыми лидерами в этой области стали США.
Токарные станки
Центровой токарный станок используется для обточки цилиндрических деталей и нарезания резьбы. Заготовка вращается вокруг горизонтальной оси, а резец крепится в механизме подачи станка.
В левой части типового центрового токарного станка расположена передняя бабка с зубчатой передачей, сообщающей вращательное движение от электродвигателя патрону; в котором зажимается обрабатываемая деталь. На другой стороне находится подвижный узел - задняя бабка, обычно имеющая конический элемент (центр), где во время обточки закрепляется правый конец длинной заготовки.
Резец зажимается в резцедержателе, устанавливаемом на каретке суппорта. Суппорт перемещается вдоль салазок станины станка, причем это можно делать вручную или с помощью ходового винта, чтобы обеспечить равномерную и точную подачу резца к обрабатываемой детали.
Специализированные токарные станки
На револьверных станках резцедержатель заменен, как правило, шестиугольной револьверной головкой с различными резцами. Это обеспечивает быструю смену операций (например, сверление и нарезание резьбы), для чего необходимо просто выбрать требуемый резец и повернуть головку7 до нужной позиции.
О При обработке металлических деталей на таком револьверном станке в точки резания направляются струи СОЖ, что обеспечивает смазку и отвод тепла, образующегося в результате трения.
Поточное производство автомобильных коробок передач. В верхней части фото видна шестерня, только что изготовленная быстро вращающимся резцом, также имеющим форму большой шестерни. Такие станки называются зубострогальными.
Прутковые токарные автоматы служат для получения нужных деталей из длинных металлических прутков, которые подаются через полый патронный шпиндель и зажимаются в самом патроне. Готовая деталь отделяется от прутка, затем подается новая «порция» прутка для изготовления следующей детали.
Карусельный станок - это большой токарный станок с вертикальным валом, служащий для расточки и обточки крупных заготовок.
Фрезерные станки
Такие станки служат для разных видов обработки металла, включая прорезку7 пазов и шлицев. В отличие от токарного станка, где вращающаяся заготовка обтачивается неподвижным резцом, на фрезерном станке вращается многолезвийная фреза. Фреза режет и шлифует поверхность металла, когда установленная на рабочем столе (суппорте) заготовка проходит под ней.
Фрезерные станки делятся на две основные группы. В одних фреза крепится па горизонтальном шпинделе и имеет форму7 диска, по краю которого расположены режущие зубья. В других - шпиндель вертикальный, а форма фрезы близка к цилиндрической, при этом режущие зубья находятся па боковой поверхности, а иногда и на торце фрезы. На некоторых вертикально-фрезерных станках установлены смещенные фрезерные головки, что позволяет делать отверстия различной формы за счет движения фрезы.
Расточно-фрезерные станки К ним относятся координатно-расточные и горизонтально-расточные станки. Это - большие универсаль-
Шлифование -это снятие слоя материала с помощью вращающегося абразивного круга (справа). Оператор станка работает в очках, защищающих глаза от горячих осколков, отбрасываемых этим кругом.
ные фрезерные станки, используемые для обработки крупногабаритных заготовок, например крупных отливок тяжелого оборудования. На регулируемой по высоте стойке находится шпиндель, боковой выступ которого тоже регулируется, а рабочий стол двигается, как обычно. Такие станки часл'о используют для модификации машин и механизмов и установки на них новых рабочих головок и приспособлений.
Другие типы станков
Поперечно- и продольно-строгальные станки служат для снятия слоя металла с плоской поверхности. В станках первого типа заготовка фиксируется на месте, а резец подается к ней. Затем резец поднимают вверх и возвращают в исходное положение для следующей операции. В станках продольного типа резец неподвижен, а заготовка закреплена на столе и двигается взад-вперед под резцом. Продольно-строгальные станки намного больше поперечно-строгальных, поэтому на них можно обрабатывать детали больших размеров.
В заводском вертикально-сверлильном станке сверло установлено на вертикально-подвижной стойке и может опускаться на лежащую на столе заготовку7 К элекфоприводному шпинделю
станка можно крепить сверла разного 1i диамстра, обычно с помощью конических втулок При изготовлении больших партий одинаковых изделий на рабочем столе устанавливают зажимное приспособление для нескольких расположенных одна за другой заготовок Это
ЦЕНТРОВОЙ ТОКАРНЫЙ СТАНОК
позволяет быстро и точно закрепить их в нужной позиции. Предусмотрено два режима опускания и подъема сверла -ручной и автоматический.
' Такие станки служат также для нарезания резьбы внутри отверстий, чтобы в них затем можно было ввинчивать болты. Для этого применяются специальные резцы - метчики.
Шлифование и хонингование Шлифовальные станки служат для точной обработки металлических поверхностей. Некоторые стальные детали для машин и механизмов должны быть закалены до придания им нужных размеров, и шлифование - единственный способ обработки такого твердого металла.
Процесс шлифования включает зачистку материала с помощью вращающегося круга, покрытого частицами твердого абразивного материала (например, карборунда - карбида кремния).
Круглая деталь вращается относительно медленно, когда край шлифовального круга осторожно касается ее. Этот круг вращается в направлении, противоположном направлению вращения заготовки, и со скоростью сотен тысяч оборотов в минуту. Плос
кие заготовки обрабатывают торцом вертикального шлифовального круга или боковой поверхностью горизонтального шлифовального круга.
Хонингование - это полирование и точная размерная обработка отверстий, например в блоке цилиндров двигателя. В хонинговальном станке цилиндрическая инструментальная оправка с несколькими абразивными брусками крепится на шпинделе. Вращающуюся с относительно небольшой скоростью оправку опускают в обрабатываемое отверстие. Выбор скорости вращения зависит от толщины убираемого слоя материала, а также типа, размера и количества брусков.
Альтернативные технологии За последние годы были разработаны несколько альтернативных методов обработки резанием. При ультразвуковом шлифовании для снятия слоя поверхности металлов и других материалов используется энергия мощных волн сжатия. Ультразвуковые волны подобны звуковым, но их частота (количество циклов в секунду) намного выше, поэтому люди их не слышат.
Для резания и формования металла используется также энергия ин-
Q Центровой токарный станок - показаны некоторые инструменты и виды обработки:
1. Прямолинейное резание; 2. Резцедержатель и резец; 3. Нарезание резьбы - шаг резьбы зависит от скорости вращения заготовки
и подачи резца; 4. Подрезка торца - получение плоской поверхности на торце обрабатываемой детали; 5. Расточка - резец подается внутрь вращающейся заготовки для обточки внутренней поверхности; 6. Изготовление обработанного на станке изделия из необработанного прутка.
тенсивных световых волн. Пучок света от мощного лазера может прожигать сталь и даже разрезать алмазы.
При электрохимической обработке (ЭХО) слой металла снимается с заготовки в результате химической реакции, вызванной электрическим током. Непосредственно над заготовкой устанавливают металлическую матрицу нужной формы, а между ними помещают электропроводный раствор - электролит. При прохождении тока через раствор (между матрицей и заготовкой) начинается химическая реакция, и с заготовки удаляется слой металла, но только на участке, находящемся напротив матрицы. Таким образом размер и форма матрицы определяют площадь обрабатываемого участка.
Методы поточного производства
Многие специальные станки были разработаны для серийного производства, требующего высокой производительности. Вдоль производственной линии расположены т. н. гибкие производственные модули (ГПМ), каждый из которых оснащен для выполнения конкретной операции машинной обработки. Обрабатываемая деталь автоматически
подается на каждый ГПМ поочередно, пока нс будет завершен весь цикл обработки.
На некоторых станках требуемые изделия изготавливаются с помощью копира или трехмерной модели. Этот метод получил название копировально-программного управления. Следящая головка следует строго по контуру копира или модели, а резец в точности повторяет ее путь. В результате из заготовки получают точную копию копира или модели изделия.
Обрабатывающий центр, или многооперационный станок, оснащается различными инструментами, позволяющими в режиме автоматического управления выполнять ряд операций, таких как сверление, нарезание резьбы и фрезерование. Многие из этих операций сегодня выполняются на станках с ЧПУ (числовым программным управлением), для чего в компьютер вводятся все необходимые < параметры, включая положение ин- £ струмента. скорость резания, рабочие скорости и другие данные. Обработав эти данные, компьютер устанавливает соответствующие инструменты и управляет работой станка.
О Во время электрохимической обработки (ЭХО) электрический ток пропускается между матрицей и заготовкой и проходит через химический раствор - электролит. В результате возникшей реакции с заготовки снимается слой металла и затем удаляется электролитом. Контуры вытравленного участка соответствуют форме матрицы.
О Пресс, способный создать давление около 60 000 тонн. Он служит для штамповки изделий из листового металла и производства высококачественной инструментальной стали путем прессования порошкового металла.
(Q) Управляемые компьютером газовые резаки разрезают лист металла на полосы. Станок автоматически регулирует мощность резания, что обеспечивает одинаковую ширину разрезов и ровные края у готовых полос.
240
см. также
Наука и техника 68 - ЖЕЛЕЗО И СТАЛЬ Планета Земля 72 - ТЯЖЕЛАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
Здания
Старинн ые ремесла, такие как кладка кирпича, по-прежнему играют важную роль при строительстве зданий. Однако современные методы торкретирования (послойного нанесения) бетонной смеси или монтаж сборных конструкций требуют новых знаний и навыков.
Древнейшие жилища строились из подручных материалов: веток, дерна. камней и глины, которые можно оыло резать и обтесывать для придания нужной формы с помощью примитивных инструментов каменных топоров и ножей. Саманные кирпичи, вылепленные вручную из глины с добавлением соломы и высушенные на солнце, впервые использовали в Восточном Средиземноморье около 6000 г. до н. э.. что явилось большим шагом вперед.
John G Ross/Robert Harding
Инструменты из металла
С появлением около 4000 г. до н. э. металлических инструментов, включая топор, пилу и зубило, строители получили возможность шире использовать имеющиеся материалы. Теперь они могли рубить большие деревья и распиливать их на доски и брусья. Металлические инструменты позволяли резать, обтесывать и полировать камень, что оказало огромное влияние на развитие древних цивилизаций. Помимо жилищ, строители могли возводить величественные дворцы, храмы и памятники, а также украшать их декоративной каменной кладкой.
Еще одной важной вехой стало изготовление (примерно с 2500 г. до н. э.)
О Кафедральный собор с баптистерием и «падающая» Пизанская башня (Италия). Эти сооружения из камня были построены в XI-XII вв.
О Современное здание с наружными стенами из толстолистового стекла. Стекло уже сейчас используется в качестве кровельного и облицовочного материала, а в будущем из него можно будет делать и несущие конструкции.
О Дом в Абу-Даби, облицованный стеклофиб-робетоном. Для получения такого вида бетона в цементно-песочный раствор добавляют 5 весовых процентов стекловолокна.
кирпичей в печи для обжига при высоких температурах, в результате чего получали 5 более прочный и долговечный материал | по сравнению с саманом. Формование в § деревянных формах позволяло делать це- Е' лые партии удобных в работе кирпичей й одного размера.
Различные материалы использовались в качестве раствора для скрепления. В Месопотамии (современный Ирак) мастера иногда применяли смолоподобное вещество - битум. Египтяне использовали гипс (сульфат кальция), а греки и римляне первоначально работали с известью (оксид кальция). Но известковый раствор легко вымывался дождем. Поэтому впоследствии греки и римляне
взяли на вооружение более долговечный цементный раствор - смесь извести, песка и вулканического пепла. Позже римляне стали добавлять к нему гравий для получения бетона. В отличие от греков, продолжавших строить здания из цельных блоков камня или мрамора, римляне использовали лишь тонкие слои этих материалов для облицовки бетонных конструкций.
градирни
высота башни
толщина стен i ствола: 1500 мм' под консолями, 1200 мм над консолями
и 400 мм на верхних этажах
соосность стен в пределах 10 мм: такая точность была обеспечена благодаря использованию во время строительства системы лазерной центровки
полезная площадь 41 000 м
общий вес башни примерно
130 000 т
железобетонный
шахты лифтов внутри ствола
Ж
централь -ная вентиля ци онная шахта
окрашенные под бронзу оконные стекла (общая площадь
остекления свыше 12 000 м )
на здание израсходовано более
100 ооо-бетона и 3000 т конструкционной стали
несущая стальная конструкция, облицованная панелями из нержавеющей
в этих помещениях находятся генераторы, распределительные • устройства, котлы и другое оборудовани
0 Здание «Нэшнл Вестминстер банк» на Олд-Брод-стрит в Лондоне. Эта башня высотой 183 м воздвигнута вокруг центрального железобетонного ствола, стоящего на сплошной фундаментной плите из железобетона диаметром 54 м и толщиной 4,5 м. Рабочие помещения сделаны из легковесного бетона. Нижняя консольная конструкция поддерживает крылья административного комплекса.
Q Строительство здания со стальным каркасом в наши дни. Башенный кран остается на месте до завершающего этапа работ.
После окончания работы над основной конструкцией начинается облицовка стальным листом.
Современные материалы Сегодня кирпичи большей частью формуют из глины и обжигают в печи. Различают три основных типа кирпичей: обыкновенный. модульный и облицовочный.
Обыкновенные кирпичи применяют для строительных работ общего тина, где внешний вид не имеет большого значения. Высокопрочные модульные кирпичи используются там. где обычные не годятся. например, для опор под несущие балки. Облицовочные кирпичи окрашивают и текстурируют, чтобы наружная кирпичная кладка имела привлекательный вид.
Кладочный раствор состоит в основном из разведенной водой смеси цемента и песка. Иногда к нему добавляют известь, чтобы повысить прочность сцепления и предотвратить слишком быстрое высыхание. Для облегчения нанесения на кирпичи можно добавить и так называемые пластификаторы - поверхностно-активные добавки, которые поглощают воздух в растворе и меняют его текстуру. Иногда используют пигменты для окрашивания. При добавлении к цементу щебня или гравия, песка и воды получается бетон.
Камень, кирпич и древесина оставались основными строительными материалами до появления в конце XVIII в. дешевого чугуна. В XIX в. он все чаще использовался как конструкционный материал и широко применялся при строительстве ж.-д. мостов и станций. Затем появился другой строительный материал - сталь, которая к XX в. почти полностью вытеснила чугун.
три консоли, массой 3300 т каждая, поддерживают комплекс офисных помещений: толщина у основания 9 м,у наружного края она сужается до 7,1 м
вестибюли
фундаментная плита диаметром
54 м и толщиной
4, 5 м армирована стальными стержнями диаметром
40 мм и общим весомс2500,т
Однако она нс просто пришла на смену чуп'пу: ею также можно было армировать бетон, который и сам обладал прочностью на сжатие, поломался под действием растягивающих нагрузок. Армирование бетона сталью повышало его прочность на растяжение, поэтому его можно было использовать в конструкциях, для которых ненапряженный бетон был непригоден.
Кирпичные дома
Типовой дом из кирпича стоит на ленточном фундаменте из бетона, залитого в котлованы. Фундамент покрывают слоем так называемой бетонной подготовки. Настил на уровне земли может быть сделан из бетона или деревянных половиц, уложенных поперек балок перекрытия. Концы этих балок опираются на наружные стены дома. Опорой балкам перекрытия первого этажа также служат невысокие промежуточные кирпичные стены. возведенные на бетонной подготовке, поверх которых кладется деревянная балка лага. Половицы крепятся гвоздями под прямым утлом к балкам перекрытия.
Потолки обычно состоят из потолочных балок между капитальными стенами, к которым снизу гвоздями крепятся листы сухой штукатурки. Дощатый настил верхнего этажа прибивается поверх потолочных балок первого этажа. В старых домах сначала прибивали деревянные рейки (дранку) поперек потолочных балок. Между рейками оставляли промежутки. чтобы при нанесении штукатурного рас твора он мог просачиваться между ними. После застывания раствора штукатурка крепко приставала к рейкам.
Деревянный каркас крыши опирается на капитальные стены, а сверху покрыт
О На разрезе традиционного английского кирпичного дома видны материалы, используемые при его строительстве. Наружные несущие кирпичные стены пустотелые (колодцевая кладка), чтобы обеспечить теплоизоляцию.
Q На момент своего открытия в 1973 г. здание оперного театра в Сиднее (Австралия) считалось новым словом в зодчестве. Его строительство продолжалось почти 15 лет и обошлось более чем в 50 млн. фунтов стерлингов.
0 «Портленд билдинг» (Портленд, штат Орегон, США) олицетворяет собой протест против невзрачных административных зданий. Декоративные зеркала и другие элементы фронтальной части украшают фасад этого здания.
водонепроницаемым материалом, например, рубероидом. Поперек крыши кладут деревянные бруски (обрешетины) и прибивают их к наклонным стропильным ногам. Шифер или черепица крепится гвоздями или скобами к обрешетинам.
Перегородки делят дом на комнаты, но нс поддерживают конструкцию. Они могул1 быть выложены из кирпича, бетонных блоков или штукатурки, прибитой к деревянному ка ркасу.
Дверные коробки обычно делают из дерева, а оконные рамы - из дерева, стали или алюминия. Над дверными и окон-
Цифрами обозначены:
7.Черепица
8. Бетон
9. Рубероид
10. Чугун
1. Кирпич
2. Раствор
3. Штукатурка
4. Листы сухой штукатурки
5. Дерево
6. Стекло
НАУКА И ТЕХНИКА
76
ними проемами устанавливаются балки (перемычки). Они служат опорой верхней кирпичной кладке, которая иначе могла бы просесть и обрушиться. В настоящее время перемычки делают из стали или бетона. В некоторых домах ставят деревянные перемычки.
Деревянные каркасные дома В то время как большую часть работы при строительстве кирпичного дома нужно выполнять па месте застройки, деревянные каркасные здания можно монтировать из сборных конструкций. Такие стандартные элементы, как узлы каркаса и стенные панели, серийно изготавливаются на заводах. Это намного сокращает время, затрачиваемое па строительство дома, так как в основном работа на месте заключается в сборке больших готовых конструкций.
В районах, где нет недостатка в лесоматериалах. каркас обшивают досками. В других случаях деревянный каркас может нести стенные панели из бетона.
Использование бетона
Сегодня вместо крепления готовых бетонных панелей к каркасу применяется послойное нанесение на него бетона с последу тощим схватыванием. В одних случаях бетон набрызгивается па легкий сборный каркас, играющий роль арматуры. В другой системе торкретирования используемый бетон содержит крошечные стальные
волокна, придающие ему еще большую прочность. Бетон стал одним из важнейших материалов для изготовления таких сборных конструкций, как несущие балки и колонны, плиты перекрытий и кровли, лестничные марши, облицовочные степные панели и силовые конструкции стен. В некоторых конструктивных системах такие элементы стен поддерживают вес всего дома, и нет необходимости в несущем каркасе из колонн и балок Бетонные панели наружных стен пощупают с завода в готовом виде с декоративной облицовкой и часто - с вставленными окнами.
ний является метод консольной сборки от центрального полого ствола из армированного бетона, в котором нередко размещаются шахты лифта. Фундамент 7 для такого здания обычно делают в виде J массивного бетонного ростверка. Бетон- S ный ствол строится на этой фундаментной плите, а стальной или железобетонный каркас монтируется затем на массивных балках, выступающих из ствола.
Стальными элементами несущего каркаса преимущественно являются широкополочные двутавровые балки. Они обеспечивают большую жесткость балок
О Замена кровли коттеджа. Для этого традиционно использовались солома или тростник, но сегодня их успешно заменяет стекловолокно.
Q Покрытие крыши черепицей. Ее прибивают к деревянным обрешетинам, под которыми находится водонепроницаемый рубероид.
при их относительно малой массе по сравнению с дорогостоящими стальными балками. Помимо высотных зданий стальные каркасы используются для строительства небольших промышленных и торговых зданий, малоэтажных многоквартирных и обычных домов.
Арматура из стекловолокна Отдельные элементы изготавливают па месте путем заливки бетона в деревянные формы (опалубки) многократного использования. Недавно появились несъемные опалубки из стеклофибробетона. Такая опалубка становится составной частью конструкции здания. Ее просто устанавливают в нужном месте и заливают бетоном.
Одним из самых распространенных способов строительства высотных зда-
ЦЕМЕНТ И БЕТОН
растяжение железобетонная^ балка
0 Проверка вертикальности кирпичной стены с помощью спиртового уровня. Такая операция производится регулярно во время строительства до затвердения раствора. При необходимости, для выравнивания кладки достаточно легкого постукивания по бокам кирпичей.
см. также
песок гравий
обрезанные концы натяжной проволоки
литой бея
каналы для арматуры
напрягаемый арматурный стержень
цемент вода
i 0 Нагрузка на бетонную балку (1) может со-| здать разрушающее ее растягивающее напряжение. Стальная арматура (2), а также предварительное (3, 4) и последующее (5, 6) напряжение увеличивают прочность бетона - смеси песка, гравия, цемента и воды (7-10) - на растяжение.
Наука и техника 61 - СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ
Наука и техника 7^ - НЕБОСКРЕБЫ
Дороги
Многие основные элементы современного дорожного строительства были разработаны еще римлянами, которые славились своим инженерным искусством и строили дороги с надежным основанием, хорошим дренажом и гладкой поверхностью.
Дорожная сеть римлян была тщательно спланирована, а на главных направлениях были оборудованы остановочные пункты, наподобие современных станций технического обслуживания на автострадах. После заката Римской империи за дорогами практически перестали следить, и они постепенно разрушились. Однако многие трассы, которыми пользовались римляне, составляют сегодня основу значительной части европейской сети автомобильных дорог.
О Шоссе М62 на севере Англии разветвляется на две полосы в обход фермы.
Эта автомагистраль соединяет графства Ланкашир и Йоркшир.
Q Смесь битума и эпоксидной смолы в качестве связующего материала обеспечивает эффективное нескользкое покрытие дорожного полотна. На него наносится слой кальцинированного (обожженного) боксита.
Q Развязка на пересечении шоссе М56 и М63 возле Манчестера (Англия). Сегодня подобные сооружения проектируют с помощью компьютерных программ.
В Англии паука дорожного строительства достигла расцвета в начале XIX в. благодаря усилиям шотландских инженеров Томаса Телфорда и Джона Макадама. Телфорд руководил строительством более 1600 км дорог и около 1200 мостов. А Макадам, помимо прокладывания дорог, публиковал труды по их строительству и изобрел дорожное покрытие, известное как термакадам, или дегтебетон.
Расширение сети железных дорог прервало развитие дорожного строительства в Англии, но интерес к нем)' возобновился с изобретением автомобиля в конце XIX в.
Планирование
При необходимости связать автомагистралью два района нужно точно спланировать маршрут. Не следует прокладывать трассу через центры городов, с.-х. угодья, уникальные ландшафты и промышленные площадки. Как правило, инженеры-планировщики проводят предварительную съемку местности и наносят на карту несколько возможных маршрутов. Проанализировав все преимущества и недостатки каждого из них, они останавливаются на одном варианте и проводят более детальное изучение. Затем делаются проектные чертежи. Люди и организации, через земли которых пройдет маршрут автомагистрали, имеют право высказать свои возражения. Во многих случаях проводится официальная экспертиза проекта, и по ее результатам в него часто вносятся изменения.
После утверждения проекта выполняются сотни рабочих чертежей. Помимо маршрута автодороги, на них детально представлены перекрестки, въезды на автостраду и съезды с нее, мосты, подземные переходы и проезды, а также другие сооружения. Сложность органи-
Грузовики и автобусы
Со времени появления фургонов на конной тяге, которые преобладали на дорогах вплоть до начала 1900-хгг., автотранспорт прошел длинный путь развития. XX век стал свидетелем целого ряда научных и технических открытий, приведших к бурному развитию автомобильной промышленности.
Наряду с другими видами транспорта, разработка все более совершенных моделей грузовых автомобилей и автобусов с большей скоростью и грузоподъемностью, с более мощными двигателями позволяет постоянно наращивать объемы грузовых и пассажирских перевозок. В XX веке резко увеличилось количество перевозимых грузов. Постоянно росло и число грузовиков на дорогах. Эта тенденция, судя по всему, в ближайшее время сохранится.
История
Первое экспериментальное моторное транспортное средство появилось в XVIII веке. Однако вплоть до начала 1900-х гг., когда был изобретен двигатель внутреннего сгорания, на дорогах преобладал транспорт на конной тяге.
В Париже в 1769 г. был сделан первый самоходный грузовик. Эта «телега на паровом ходу» была построена артиллерийским офицером Николя Кюньо для перевозки тяжелых орудий и развивала скорость до 4 км/ч. Из-за своей низкой скорости транспорт на паровом ходу рассматривался скорее как курьез, чем практическая альтернатива фургонам на конной тяге.
В XIX в/было построено множество
двигателем, приобрели популярность
паровых автобусов, и их скорость постепенно росла. Однако к этому времени с паровыми двигателями начал конкурировать электрический и бензиновый транспорт, и вскоре двигатель внутреннего сгорания доказал свое несомненное превосходство.
Дизайн грузовиков
Сегодня грузовые автомобили широ- g ко используются для коммерческих | перевозок, а их дизайн постоянно со- £ вершенствуется. Грузовики, в кото- | рых кабина расположена прямо над з
еще в 1920-х гг.
Такой тип грузовиков распространен в Европе, в то время как в Северной Америке водитель зачастую сидит позади двигателя и передней оси, а капот несколько выдвинул вперед. Двигатель представляет собой мощный турбодизель, который обеспечи-
О «Альбион» с бензиновым двигателем был выпущен в 1914 г. Массовое производство грузовиков началось во время I мировой войны, а после ее окончания их излишек был продан, что способствовало распространению грузового автотранспорта.
g Q Этот двухэтажный В автобус 1910 г., выпу-z щенный лондонской S London General Omni-“ bus Company, разви-| вал скорость до z 20 км/час.
вает движение полностью загруженного грузовика с высокой скоростью.
За каждый километр пробега эта большая машина преодолевает сопротивление двадцатитонной воздушной массы. Снижение силы сопротивления путем придания обтекаемой формы экономит до 25% топ-
зации всех работ требует использования инженерами специальных компьютерных программ.
Дорожные работы
На некоторых участках сначала требуется снести здания и другие препятствующие строительству сооружения. Затем приступают к одному из главных процессов - выемке и перемещению огромных объемов почвы и породы, до десятков миллионов тонн.
Чтобы трасса пролегала по горизонтальной поверхности, большие массы
0 Нанесение верхнего битумного слоя поверх щебенки для получения нетвердого дорожного покрытия. Слой щебенки в данном случае служит слоем износа.
§
е Q Поперечные У профили основных 2 типов дорожного g покрытия, начиная S с эпохи Римской
2 империи г и по XIX век
< включительно.
грунта с возвышенных территорий пересыпают на пониженные участки. Этот метод называется разработка с закладкой. Изъятый при прокладке трассы верхний слой почвы используется для покрытия обочин, насыпей и центральных разделительных полос, а затем засаживается травой и другой растительностью.
Для стока воды к обочинам полотно дороги имеет выпуклую форму (кривизну профиля). В самом начале строительства для сбора воды закладывается мощная дренажная система.
Выделяют три основные составные ча-
ТИПЫ ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ
Плотная насыпь из под-
сти дорожной одежды: подстилающая поверхность, основание и покрытие, - которые все вместе определяют жесткость покрытия. Жесткое покрытие сделано из бетонных плит, швы между которыми за-
полнены пластичным герметиком, обеспечивающим упругость при колебании нагрузок на трассу. Нежестким покрытием служит «черный щебень» - смесь щебня или песка с каменноугольным дегтем или нефтяным битумом. Такие покрытия называются «термакадами» или «макада-ми с битумной пропиткой». Битумное дорожное покрытие также известно как ас-js фальт, и обе его разновидности (с дегте-§ вой и битумной пропиткой) называют | асфальтобетоном.
| У обоих видов покрытий подстилающая с поверхность состоит из уплотненного I2 щебня или гравия. У дорог с твердым по-s крытием основание, как правило, бетон-ное, а с нетвердым - из «черного щебня».
М Последние штрихи
« Перед вводом автодороги в эксплуата-| цию нужно сделать разметку и устано-§ вить дорожные знаки, светофоры и по-2 сты ГАИ. Вдоль центральной раздели-
тельной полосы и на некоторых других J сложных участках сооружают огражде-
ния. Для продления срока службы дорог 5 необходимо поддерживать их в надлежа-5 щем состоянии.
Туннели
строили десятки тысяч рабов в течение многих лет. Сегодня большую часть работ выполняют мощные проходческие машины, но на сооружение туннелей по-прежнему уходят годы.
На заре цивилизации туннели рыли при сооружении подземных гробниц и каменоломен. Искусными строителями туннелей были древние римляне, использовавшие труд рабов для сооружения подземных переходов, которые часто тянулись на несколько километров. Туннель длиной 5,6 км прорыли к востоку от Рима для осушения озера Фучино й предотвращения наводнений. Его строили 30 000 человек в течение 10 лет.
Начало современном}7 строительству туннелей было положено в 17б0-е гг. в Англии, где сооружали каналы для внутреннего судоходства. Если на пути вставали холмы, каналы иногда прокладывали через их вершины. Для
© Самый длинный в мире туннель (около 54 км) соединяет японские острова Хонсю и Хоккайдо. Он состоит из основного ж.-д. туннеля и двух меньших туннелей для ремонта, дренажа и вентиляции.
этого в склонах вырубали многоступенчатые шлюзы, чтобы суда могли переходить с одного уровня на другой. Но этот метод годился только при наличии достаточного количества воды наверху, так как каждый раз воду приходилось спускать но системе шлюзов. По этой причине большинство первых каналов строили в обход холмов, что намного удлиняло путь и время плавания. Позже были разработаны методы прокладки судоходных туннелей сквозь холмы.
Железнодорожные туннели
В 1825 г. с открытием железной дороги между' Стоктоном и Дарлингтоном в Северной Англии началась новая эра в истории транспорта. Опыт, накопленный при сооружении судоходных каналов.
О Длина туннеля под Ла-Маншем составляет почти 50 км при ширине каждого из параллельных туннелей 7,6 м. При его строительстве проходческие машины обеспечивали среднюю скорость проходки 12 см/мин.
лива, что равняется прибыли за два года работы грузовика.
Такую форму имеют все современные модели грузовиков. Кабина включает в себя спальное место, ее крыша играет роль обтекателя, отклоняющего поток воздуха от прямых углов трейлера. Такая модификация резко понижает турбулентность и лобовое сопротивление, а дополнительное пространство под крышей дает возможность водителю стать во весь рост, то есть повышает комфортность.
Антиблокировочная тормозная система
Обладая значительной массой и размерами, грузовой автотранспорт крайне сложен в управлении. Чтобы обеспечить максимальный контроль водителя над грузовиком в самых серьезных ситуациях, в них используется антиблокировочная тормозная система (ABS). Датчики контролируют скорость всех колес. В систему также входит электронный распределитель усилия, который регулирует процесс торможения в соответствий с нагрузкой автомобиля. Для увеличения веса перевозимого груза на каждой оси, за исключением передней, устанавливаются двойные колеса.
О Открытие туннеля под Ла-Маншем и пуск поезда «Le Shuttle», перевозящего легковые и грузовые автомобили, ускорили перевозки между Англией и континентом. В 1994 г. этот грузовик первым пересек пролив таким путем.
Массивные и мощные «дизели» перевозят в США грузы на большие расстояния. В отличие от европейских грузовиков, у американских кабина обычно расположена за передними колесами и двигателем.
Двигатели
Раньше грузовики оборудовались паровыми, электрическими или бензиновыми двигателями, но в наше время большинство из них работает на дизельных. Первая рабочая модель с дизельным двигателем появилась в начале 1920-х гг. Такие двигатели прекрасно подходят для транспортировки тяжелых грузов или езды на малых скоростях (такую работу’ выполняют, в частности, городские автобусы).
К середине 1920-х it. производство автомобилей с паровыми двигателями резко снизилось. Одним из основных их недостатков являлся очень медленный старт, так как необходимо было некоторое время для закипания воды и создания необходимого давления.
В отличие от них, автомобили с электродвигателем могли стартовать мгновенно. Однако даже очень большие аккумуляторы вскоре садились, да и к тому же их мощности было недостаточно для обеспечения движения автобуса или грузовика. И сегодня, хотя аккумуляторы и электродвигатели стали гораздо эффективней, они все равно значительно уступают дизельным.
В то же время электрические двигатели все шире используются в машинах, рассчитанных на небольшие расстояния и скорости - к примеру, в складских электропогрузчиках. Такая работа предполагает бесконечные остановки и старты, чрезмерно перегружающие другие типы двигателей, а для электрических моторов она подходит идеально. После окончания трудового дня батарея ставится на ночную подзарядку.
Грузовики представляют собой
Q Двустороннее движение в туннеле, соединяющем Сянган
вскоре пригодился при прокладке ж.-д.
туннелей, а строители каналов стали «землекопами» ж.-д. компаний. В те времена большая часть земляных работ выполнялась вручную, а вынутый грунт обычно вывозили из туннеля на лошадях. При сооружении длинных тунг гелей вдоль их маршрута бурили вертикальные шахтные стволы, позволяющие вести работы одновременно в нескольких местах. При этом значительно сокращалось время строительства.
Подводные туннели
Один из первых подводных туннелей (Ротерхайтский) был проложен под Темзой в Лондоне. Проект сооружения данного туннеля появился в 1805 г. Но в результате задержек его сооружение было завершено лишь в 1843 г.
Туннель под Ла-Маншем
Впервые идея соединения Англии и Франции посредством строительства туннеля под Ла-Маншем была высказана в 1802 г. французским инженером Альбером Матье. Почти ничего нс делалось до 1865 г., когда был произведен отбор проб грунта с морского дна для изучения его структуры. Новые пробы взяли 10 лет спустя, и в конце 1870-х гг. по обе стороны пролива были начаты работы с применением новых проходческих мапгин.
В 1994 г. туннель ггод Ла-Маншем был сооружен. Он обеспечит двустороннее движение поездов, а также частных автомобилей, грузового транспорта и ггсшеходов.
Современные методы проходки туннелей
До начала строительства необходимо произвести детальные изыскания
СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДВОДНОГО ТУННЕЛЯ ИЗ ОПУСКНЫХ СЕКЦИЙ
О металлические листы свариваются в кессоны
с материковым Китаем.
Q) Один из этапов строительства туннеля, соединяющего Гонконг (Сянган) и Коулун (Цзюлун). Огромные сборные секции готовы к спуску в подводный котлован в гавани Сянган.
с бурением скважин и пробными выемками грунта. Но и после этого при прокладке туннеля могут возникнуть неожиданно сложные грунтово-геологические условия. К примеру, разломы не только усложняют проходку7, но и чреваты образованием «карманов», где скапливается вода.
Иногда вдоль маршрута будущего туннеля пробивают малые разведочные штольни с целью тщательной проверки и контроля состояния пласта, хотя сегодня чаще применяется метод зондирования породы по ходу продвижения забоя основного туннеля. Небольшие туннели обычно сооружают с помощью проходческого щйта с простой вращающейся врубовой головкой. Для больших туннелей используют проходческигг комбайн со стреловидным исполнительным органом с гидравлическим приводом, что позволяет внедряться в породу по всей поверхности выемки.
Как правило, для прокладки туннелей в скальных породах использутот буровзрывной способ. Кровля туннеля может оставаться какое-то время незакрепленной, но перераспределение напряжений в породе может привести к ее обрушению. Чтобы такого не случилось, вскоре после выемки ставится крепь. Для этого часто
оо Гонконгский туннель строили
используются металлические арки с дощатыми перекрытиями или железобетонные арки. Можно также бетонировать породу7 методом торкретирования. Прочность некоторых пород позволяет обходиться без крепи.
При проходке рыхлого грунта крепь следует ставить как можно ближе к груди забоя, чтобы предотвратить обрушение. Один из методов предполагает продвигание забоя примерно на 60 см с последующей фиксацией опорным кольцом’ из чугуна или сборного бетона. Можно также наносить бетонную смесь с установкой временной металлической крепи до схватывания бетона.
Для строительства туннелей непосредственно под рыхлыми породами морского дна оптимален так называемый метод опускных секций. Этот метод был впервые предложен еще в конце XVIII в., по его практическое применение стало возможным лишь в XX в. Секции туннеля собирают на поверхности, а затем опускают в подводный котлован. Стыки между секциями уплотняются для обеспечения водонепроницаемости, после чего конструкцию засыпают песком. Затем из туннеля откачивают воду, чтобы можно было выполнять внутренние работы.
методом опускных секций с предварительной сборкой труб с бетонной облицовкой (внизу).
воздух or компрессора
которой показаны мощная рама ступенчатого типа, трансмиссия и подвеска.
Крутящий момент передается на обе задние оси.
Применение двойных колес на этих осях позволяет перевозить сверхтяжелые грузы.
Трехконтурная тормозная система автопоезда.
Передняя часть трейлера не имеет колес
и поддерживается тягачом. Обе части грузовика имеют пневматические тормоза, работающие от компрессора, расположенного на двигателе.
пневматический контур тягача
тормозной контур тягача
пневматический контур трейлера
тормозной контур трейлера
пневматический контур стояночного тормоза
стояночный тормозной контур
аварийный контур
антикомпаундинговый контур
большую экологическую опасность, чем легковые автомобили. Ее можно уменьшить за счет использования альтернативных видов топлива. Кроме того, из-за своих размеров они занимают много места на дорогах, создают сильный шум и разрушают дорожное полотно и мосты. Трейлеры, которые составляют лишь около 5% в общем автомобилепотоке, шумят так же, как все остальные автомобили вместе взятые. Полностью груженый автопоезд может нанести дорожному покрытию такой же ущерб, как 60 000 < легковушек*.
Куда больший ущерб автотранспорт наносит окружающей среде, прежде всего токсичными выбросами в атмосферу. Поэтому с экологи-
А Показатель количества аварий на километр пробега у грузовиков меньше, чем у других автомобилей. Однако когда они все же происходят, то влекут за собой гораздо более тяжелые последствия. Специальные амортизационные стойки в передней части грузовика (показаны стрелкой) не дают ему раздавить «легковушку» при столкновении. На фото: тест на прочность.
переключения передач фиксирует вилки включения нужной передачи, обеспечивая ее связь с ведущим валом. На рисунках показана только одна из двух вилок. Крутящий момент передается в коробку через вал сцепления, передающий вращение на вторичный вал.
Геодезическая съемка
Современные электронные приборы позволяют геодезистам производить измерения быстро и точно. Однако основные приемы геодезической съемки не изменились со времен Древнего Рима.
Геодезическая съемка - это измерения линий и углов на земной поверхности либо непосредственно над ней, обычно производимые с целью последующих строительных работ или составления карт. Древние египтяне первыми начали разрабатывать приемы геодезической съемки, применяя ее при строительстве пирамид. Римляне использовали приемы съемки для размегки новых городов, дорог, акведуков, определения границ земельных участков с целью их распределения" среди будущих владель-
0 В давние времена оптические приборы, называемые гелиографами, использовались для передачи сигналов и съемок.
Во время съемки луч света указывал направление.
О Оптический нивелир - это установленная горизонтально зрительная труба. Превышение визирных точек определяется отсчетами на вертикальные промерные рейки.
Оптический нивелир
Промерная рейка
цев. Эти приемы основывались на знании элементарной геометрии, которым и сегодня пользуются геодезисты.
Есть два основных типа съемок. В съемке плана местности предполагается, что изучаемый участок представляет собой плоскость. Точность съемки достаточна для участков с периметром до 16 км.
Преодоление трудностей
Однако с увеличением размеров снимаемого участка возрастают неточ-
О Измерения горизонтальных линий редукционным дальномером, учитывающим поправку на наклон линии.
ности, связанные с кривизной Земли. В высшей геодезии при измерениях она учитывается, что делает этот метод пригодным для крупномасштабных съемок.
В зависимости от цели съемки возникает необходимость в определении относительного положения различных элементов участка. Предположим, что требуется составить план прямоугольного участка ABCD и нанести на него дерево (точка Т).
Сначала измеряются расстояния между вершинами прямоугольника. Положение дерева можно определить относительно любых двух из этих точек, например А и В, четырьмя способами: 1) измерением расстояний АТ и ВТ; 2) нанесением на линию АВ точки, ближайшей к Т, и последующим измерением расстояний от нанесенной точки до Т, А и В; 3) измерением расстояния АТ или ВТ и утла между одной из этих линий и линией АВ; 4) измерением углов между линиями АТ-АВ и ВТ-АВ.
При первых двух способах измеряются только расстояния (способы обхода), чаще всего при помощи стальной мерной ленты. Второй способ, кроме того, иногда называют способом обхода и перпендикуляров. (При способе перпендикуляров из точек измерения опускаются перпендикуляры на некоторую вспомогательную
линию. Ее отрезки считаются абсциссами, а перпендикуляры - ординатами.) Третий метод требует измерения расстояния и угла. Для измерения углов применяется прибор, называемый теодолитом, а съемка называется теодолитной. При четвертом способе (способ засечек) положение дерева относительно известной линии АВ определяется измерением углов при помощи теодолита.
Чтобы составить план участка с домом и несколькими деревьями, нужно сначала рядом с угловыми точка
ми участка выбрать точки, называемые опорными, плановое положение и высота которых известны. В идеале все опорные точки должны быть в пределах видимости. Расстояния между ними (включая хотя бы одно по диагонали) измеряются стальной мерной лентой. Эти измерения позволяют снимать план в масштабе по треугольникам (метод триангуляции). Чтобы определить точку7, на местности строятся смежно расположенные треугольники, в которых измеряют длину одной стороны и утлы,
| а длины других сторон получают тригонометрически. Ошибку7 в связи | с провисанием ленты, которое увеличивает результаты измерений, I компенсируют математической I поправкой на натяжение ленты.
Линии, соединяющие опорные I точки, образуют многоугольник, внутри которого наносят, обычно способом обхода, элементы участка. Если на плане нужно показать много по-I дробностей, то обычно применяют I способ обхода и перпендикуляров.
! Иногда наличие здания или других
ТЕОДОЛИТ
Спиртовой уровень
Иллюминатор для шкал отсчетов
Окуляр шкапы отсчетов
Окуляр
Зажимный винт зрительной трубы
Разрез типичного теодолита. Показаны детали оптической системы и другие элементы. Перед работой прибор при помощи оптического уровня устанавливают точно на точке стояния. При помощи установочных винтов и уровня теодолит приводится в горизонтальное положение. При визировании отсчеты вертикальных и горизонтальных углов берутся через окуляр шкалы отсчетов, расположенный рядом с окуляром зрительной трубы. Отраженный от зеркала (не показано) свет, пройдя через расположенный слева иллюминатор, разделяется на два луча, а затем при помощи системы линз и призм направляется на две шкалы и оптическую систему отсчета.
О Теодолитный дальномер AGA 136 использовался в 1980-х гг. для точных крупномасштабных съемок на больших строительных объектах.
объектов затрудняет измерение расстояний между точками. Тогда возникает необходимость определить их положение при помощи угловых измерений теодолитом.
При съемке плана все измерения относятся к горизонтальной плоскости, поэтому при наличии наклона задача усложняется. Один из способов измерения горизонтальных линий на неровной местности заключается в поднятии нижнего конца мерной ленты на уровень верхнего. Отвес, прикрепленный к поднятому концу лепты, помогает установить его точно над избранной точкой. Прибор, называемый оптическим нивелиром, помогает удостовериться в том, что точки измерения находятся в одной горизонтальной плоскости.
Оптический нивелир
Оптический нивелир - это зрительная труба на штативе, вращающаяся в горизонтальной плоскости. Поле зрения трубы пересекает визирная линия. Если прибор установлен правильно, то все точки, расположенные на этой линии, находятся в горизонтальной плоскости. Правильность установки обеспечивается встроенным спиртовым уровнем.
Превышения на участке (т. е. разность высот между двумя точками) определяют при помощи мерной
рейки, которую устанавливают вертикально, нижним концом на опорную точку; Нивелир, установленный на некотором расстоянии выше, наводят на рейку. Гтядя в трубу, нивелировщик отмечает, где визирная линия пересекает рейку, получая таким образом высоту прибора. Чтобы определить высоту точки измерения, при помощи визирной линии делают
Q Теодолит с высокоточным дальномером «Дистомат». Посылаемые им инфракрасные лучи отражаются рефлектором на визируемой цели.
Q Дальномер «Геодиметр систем 4000», управляемый одним человеком, измеряет расстояния при помощи инфракрасного луча, передавая обработанные компьютером данные различным устройствам.
0 Основное устройство системы «Геодиметр систем 4000» снабжено инфракрасным передатчиком для электронных измерений. Геодезист снимает показания с выносного устройства, не возвращаясь к основному.
второй отсчет на установленную на ней рейку. Разница отсчетов составляет превышение точки стояния над точкой измерения.
Теодолит
Теодолит имеет зрительную трубу и спиртовой уровень для установки прибора. Предназначен он для измерения вертикальных и горизонтальных углов. Отсчеты углов в обеих плоскостях производятся по шкалам.
Теодолит обычно используют для полигонометрических съемок больших участков (определения взаимного положения точек путем измерения длин прямых линий, связующих эти точки, и горизонтальных углов между ними). Чтобы обеспечить точность съемки, измеряют расстояния и углы от точки до точки по всему периметру участка.
Измерение расстояний
Измерять расстояния мерной лентой просто и удобно, однако геодезисты часто применяют тахеометрическую съемку, при которой расстояния опре-
Q На графе показана дальность действия трех призматических систем измерения расстояний, используемых в «Геодиметр систем 4000» в зависимости от видимости. При хорошей видимости дальность действия восьмипризменной системы составляет более 4 км.
I дсляют теодолитом с оптическим | дальномером (тахеометром). Вертикальная линия визирования в зрительной трубе прибора пересекается , двумя короткими горизонтальными линиями; расстояние между ними на дальномерной рейке соответствует
I одной сотой расстояния i ia местности 1 между прибором и рейкой. Если длина рейки между нитями составляет, например, 80 см, то расстояние до нее
I равно 80 м. Точность измерения обеспечивается, только если визирная линия перпендикулярна рейке - в противном случае следует вводить поправку, так как линия в масштабе
окажется короче, чем на местности. Тахеометр имеет встроенное оптическое приспособление, автоматически вводящее поправку' па наклон.
Наиболее точный метод определения расстояний - электронный. Электронный процессор измеряет время, за которое некоторые виды электромагнитных волн проходят расстояние между двумя точками. При этом основное устройство излучает радиосигналы, а вспомогательное - ретранслирует их обратно. При помощи дополнительных устройств приборы электронного определения расстояний можно подключать к теодолиту-’ и компьютеру.
О Полуавтоматическая трансмиссия современного грузовика состоит из 12-скоростной коробки переключения передач, компьютера, селектора передач, экрана приборного щитка, пневматического переключателя передач и электронного управления дроссельной заслонкой.
ческой точки зрения предпочтительней использовать железнодорожный транспорт. Но транспортировка грузов по железной дороге дороже, и, к тому же, в этом случае возникают дополнительные затраты на погрузочно-разгрузочные работы.
Отсюда очевидна важность оптимизации использования разных видов транспорта с учетом, кроме прочих, и экологического фактора. Так. при расстояниях порядка 500 км комбинированные перевозки автомобилями и по железной дороге имеют явные преимущества перед чисто автомобильными. В таблице приведены данные по загрязнению атмосферы при различных методах организации грузовых перевозок:
Основные вредные вещества
Удельные выбросы по видам перевозок, грамм/тонно-км автомобильные комбинированные
Углекислый газ 72,0
Оксиды азота 1,04
Твердые 0,1
частицы
0,11
0.01
Автобусы
Автобусы приобрели свой современный вид к 1927 г., и с тех пор он мало изменился: такая же прямоугольная коробка, имеющая почти одинаковый вид как спереди, так и сзади, мес-
то водителя и входная дверь расположены перед передними колесами.
Q За прошедшие годы лондонские автобусы стали гораздо совершеннее. Этот 68-местный автобус «Титан Т» был выпущен еще в 1978 г. Водитель получает плату за проезд от входящих пассажиров, а выходят они через центральные двери.
см. также
Двигатель находится либо в передней части автобуса, либо внизу под полом. Однако интерьер, уровень комфорта, скорость и безопасность изменились радикально.
Большинство современных автобусов оборудованы кондиционерами, отклоняющимися сидениями, видеодисплеями, баром и туалетом, что позволяет пассажирам совершать длительные поездки с полным комфортом. Стремительно возросла скорость автобусов. Часто можно видеть, как автобус, движущийся по трассе со скоростью более 120 км/час, один за другим обгоняет автомобили. При этом пассажиры, благодаря применению стабилизаторов, совершенно не чувствует этой скорости. К этому необходимо добавить наличие анти-блокировочной тормозной системы, армированного стекла, подголовников и ремней безопасности на сидениях, что, безусловно, увеличивает безопасность пассажиров.
Паука и техника 8 - АВТОМОБИЛ 11
Наука и техника 11 - ДОРОЖНОЕ ДВИЖЕНИЕ I
I О Все механические тормоза нагреваются при работе, так как принцип их действия основан на трении. Эти вентилируемые дисковые тормоза не перегреваются, поскольку постоянно охлаждаются потоком воздуха.
Трамваи и троллейбусы
Троллейбусы получают электроэнергию по проводам, расположенным над дорогой. Поскольку они питаются от электросети, а не от аккумуляторов, то их пробег не лимитирован по времени. В отличие от 'трамваев, маршрут которых ограничен колеей, троллейбусы при движении гораздо маневрен-нёе: они могут объезжать препятствия и уступать дорогу другому транспорту.
Во’многих городах, где ранее в качестве общественного транспорта использовались троллейбусы и трамваи. их постепенно заменяют автобусами, которым не требуется постоянное электропитание и маршрут которых можно легко изменить без дополнительных затрат.
Астрономия
Астрономия не только знакомит нас с небесными телами, но и помогает понять, как возникла Вселенная, поскольку наблюдение за далекими галактиками, по сути, перемещает нас во времени.
Древние астрономы могли наблюдать за небом только невооруженным глазом, а их современные коллеги имеют мощные телескопы, позволяющие изучать световые и радиоволны, а также другие формы космических излучений, такие как рентгеновские лучи. Все эти излучения распространяются в космическом пространстве со скоростью 300 000 км/сек., но принимаемые нами сегодня сигналы от наиболее удаленных объектов шли до Земли миллиарды лет. Поэтому наблюдаемая в телескопе картина показывает, как выглядели галактики и другие далекие объекты в те давние "времена, и никто не может знать, что представляют они собой ныне.
Полученные астрономами данные свидетельствуют о том, что Вселенная возникла миллиарды лет назад в результате так называемого «большого ’взрыва». Большинство ученых приняло эту теорию происхождения всей материи во Вселенной. Продуктами «большого взрыва» стали водород и гелий, а позже из них образовались все остальные элементы.
О Многие космические тела и события можно увидеть невооруженным глазом. На этом снимке, сделанном в 1976 г., видны комета Веста и метеор на фоне звезд. Состоящие из газа и льда кометы периодически обращаются вокруг Солнца. Солнечное излучение «выбивает» из кометы частицы, образующие ее хвост. Метеоры представляют собой каменные осколки, залетающие из космоса в атмосферу Земли, где и сгорают, оставляя за собой светящийся след.
Q Туманность - это порождающее звезды газопылевое облако. Данная планетарная (кольцевая) туманность, М57, не является истинной туманностью. Считается, что она состоит из раскаленной материи, извергнутой гаснущей звездой.
Красное смещение
Изучая поступающий от звезды или галактики свет, астрономы могут сказать, какие элементы входят в их состав. Можно разбить свет на спектр цветов (от красного до фиолетового) и получить раскладку интенсивности света во всем его диапазоне частот. Каждый элемент имеет свою характерную картину спектральных линий, "поэтому спектр небесного тела отражает его химический состав. Спектры тусклых, удаленных объектов дают в целом ожидаемые картины, но линии в них находятся не на «своем» месте по сравнению со спектрами, полученными в результате лабораторных опытов. Чем дальше находится объект, тем больше смещение спект-
Q Диаграмма Хаббла (названная так в честь астронома Эдвина Хаббла).
Спектральные линии смещаются в сторону красной части спектра на величину, пропорциональную скорости удаления объекта от нас. Наибольшее красное смещение имеют самые далекие (следовательно, самые быстрые и самые старые) объекты.
Q Спектр квазара. В связи с выделением водорода его максимум сдвинулся из ультрафиолетовой области в видимую часть спектра.
ральных линий в сторону красной, низкочастотной части шкалы. Этот эффект (получивший название «красное смещение») позволяет нам судить о движении небесных тел.
" Красное смещение света, идущего из других галактик, свидетельствует об удалении этих галактик от нас. Считается, что данное явление подтверждает теорию расширения Все-
ленной. Согласно расчетам, «большой взрыв» произошел от 10 до 20 млрд, лет назад, а из образовавшейся при этом материи постепенно сформировались туманности - гигантские облака пыли и газов.
Со временем из туманностей образовались звезды. Гравитационное притяжение удерживает болыпинст-
282
см. также
О Ученые считают, что Вселенная появилась в результате гигантского взрыва и с тех пор расширяется.
О Параболическая антенна радиотелескопа принимает радиоволны, излучаемые звездами и другими удаленными космическими объектами.
f во звезд в группах, называемых га-। лактиками. Ьни бывают разной формы: спиральные, эллиптические
1 и неправильные. Солнце - лишь од-; на из примерно 100 млрд, звезд на-: шей Галактики, имеющей плоскую спиральную форму. Сосредоточе-| ние звезд в одной плоскости выгля-i дит на ночном небе как широкая бе
лесая полоса. Отсюда и название нашей Галактики - Млечный Путь.
Большинство из предполагаемого миллиарда галактик во Вселенной образуют скопления. Млечный Путь -одна из приблизительно 24 галактик в небольшом скоплении, называемом Местной Группой. Некоторые скопления насчитывают тысячи галактик.
С учетом многочисленности галактик,'каждая из которых включает огромное количество звезд, можно предполагать, что мы нс одиноки. И у других звезд типа нашего Солнца могут быть планеты с условиями, необходимыми для возникновения жиз-
ни. Астрономы пытаются обнаружить в космосе радиосигналы, несущие закодированные послания и доказывающие существование разумной жизни в других уголках Вселенной. Пока что их усилия тщетны.
Пульсары и квазары
В 1967 г. английский радиоастроном
Джоселин Белл была потрясена, приняв из космоса регулярные радиоимпульсы. Вначале она решила, что это послания разумных существ, но вскоре поняла, что открыла пульсирующую звезду (пульсар). Впоследствии были обнаружены и многие другие пульсары. Вращаясь, они посылают во все стороны пучки радиоволн.
Другой излучающий радиоволны загадочный объект называется кваза-ром или квазизвездным (звездообразным) радиоисточпиком. Некоторые квазары являются также источниками светового излучения. Судя по их крайне большому красному смещению, они удаляются от Земли со скоростью около 90% скорости света и являются для нас самыми далекими объектами.
Но если они так далеки от Земли, то должны бы излучать гораздо более слабый свет. Либо что-то заставляет их так ярко светиться, либо они гораздо ближе, чем мы считаем, исходя из красного смещения. Кто разгадает эту загадку?
© Часть Млечного Пути. Ярко-красные пятна -это газовые облака, где образуются звезды. Белая полоска оставлена орбитальным ИСЗ, пересекавшим данный участок неба в момент фотографирования.
О Наша Галактика (вид с «торца»). V нее мощный центральный диск и спиральные рукава. Вокруг диска находятся около 200 шаровых скоплений - групп звезд, чьи размеры намного меньше, чем у галактик.
IГаука и техника 89 - АСТОНОМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ Планета Земля 1 - ВСЕЛЕННАЯ
Астрономические телескопы
0 Большая галактика в созвездии Андромеды. Фотография получена при помощи телескопа Шмидта, в котором использована комбинация линз с зеркалами.
Главное преимущество оптического телескопа перед глазам - возможность улавливать гораздо больше света. Диаметр человеческого зрачка не превышает 8 лш. Телескоп с апертурой (отверстием) всего 80 мм улавливает свет с площади в 100раз больше.
ш устройство, при помощи которого у-: телескоп улавливает' свет и фор-Ж пирует изображение, называется объективом. Это может быть выпуклая линза или вогнутое зеркало. Телескоп с линзовым объективом называется рефрактором, поскольку принцип
действия линзы основан на преломлении света (рефракции) при пересечении границы двух прозрачных сред. Телескоп с зеркальным объективом называется рефлектором (букв, отражателем). В обоих случаях в качестве окуляра используется линза, которая увеличивает созданное объективом изображение.
Телескоп-рефрактор
Первые телескопы-рефракторы обладали целым рядом дефектов, главным из которых была хроматическая аберрация - образование вокруг изображения цветного ореола. Чтобы ослабить это явление, использовали тонкие линзы с большим фокусным
Экран
Регулируемый противовес
Вторичные зеркала
Сменный узел
Светозащитный экран
Визирный телескоп
Вторичные зеркала
АНГЛО-АВСТРАЛИЙСКИЙ ТЕЛЕСКОП
Вторичный | фокус
I
Англо-австралийский телескоп, установленный в обсерватории Сайдинг-Спринг в 400 км на северо-запад от Сиднея. Обсерватория расположена на высоте 1200 м над уровнем моря, и низкая турбулентность воздуха на такой высоте гарантирует превосходную видимость. Главное зеркало телескопа имеет диаметр 3,9 м. Все зеркала изготовлены из стеклокерамики, которая, в отличие от обычного стекла, почти не деформируется при изменении температуры. В зтом телескопе имеется возможность выбора одного из нескольких вторичных зеркал, изменяя тем самым увеличение. Изображение формируется за телескопом.
расстоянием, что делало мощные телескопы чрезвычайно громоздкими (некоторые из них имели длину более 45 м), превращая управление ими в сложнейшую проблему.
В современных телескопах-рефракторах используются двойные линзы, изготовленные из разных видов стекла с разными коэффициентами преломления. Одна из этих составляющих линз вогнутая, а другая выпуклая,
и хроматическая аберрация одной части устраняет аберрацию другой. Такие линзы называются ахроматическими (т. е. бесцветными).
Самые большие из когда-либо построенных телескопов-рефракторов -рефракторы Ликской и Йерксской обсерваторий в США диаметром соответственно 0,91 м и 1,01 м. Оба эти телескопа используются до настоящего времени. В Йерксском телескопе до-
О Большой телескоп Гринвичской обсерватории с экваториальной монтировкой. Снимок сделан в 1880 г. В 1990-х гг. обсерватория переехала в Кембридж, на 80 км к северу.
стигнута предельная апертура телескопов-рефракторов - около 1 м. Дело в том, что линзы большего диаметра начинают прогибаться под собственной тяжестью. А поскольку линзу, в отличие от зеркала, можно поддерживать только по краям, то прогиб невозможно устранить. По этой причине самые большие оптические телескопы - это рефлекторы. У них отсутствует хроматическая аберрация, и они значительно короче.
Телескопы-рефлекторы Свет, улавливаемый главным (первичным) зеркалом телескопа-рефлектора, концентрируется на меньшем плоском зеркале и направляется им в окуляр. Окуляр можег располагаться как сбоку трубы телескопа, так и позади неё. В отличие от обычных зеркал, отражающее покрытие зеркал телескопа наносится на наружную поверхность стекла, и поэтому внугренние дефекты стекла не влияют на качество изображения.
Первый большой телескоп-рефлектор, в котором использовалось стеклянное зеркало диаметром 1,5 м, был установлен в 1908 г. в Маунт-Вильсоновской обсерватории (Калифорния) Джорджем Эллери Хейлом. Хейл планировал также построить гигантский 5-метровый рефлектор, и тот был введен в строй в Маунт-Паломарской обсерватории в 1948 г., через 10 лет после его смерти. Его создание потребовало много времени и решения ряда технических проблем, обусловленных размерами зеркала. Только медленное (для предотвращения образования трещин) охлаждение отлитой стек-
0 Обсерватория Пик-дю-Миди, Франция. Здесь сделаны лучшие снимки Луны и планет, полученные с Земли. Поскольку атмосфера на высоте 2800 м над уровнем моря менее плотная и более чистая, то многие уникальные изображения были получены при помощи небольшого телескопа-рефлектора с диаметром зеркала 0,6 м. Здесь же расположен еще один теле-скоп-рефлектор диаметром 1 м.
лянной заготовки требует несколько месяцев. Долгое время 5-метровый рефлектор Хейла был самым большим оптическим телескопом в мире. Сейчас есть 6-метровый рефлектор, установленный в Зеленчукской обсерватории в Карачаево-Черкесии (РФ).
Альтернативным способом получения большой отражающей поверхности является использование нескольких зеркал меньшего размера (изготовить которые гораздо проще), собранных вместе так, что они образуют одну отражающую поверхность. Самый большой телескоп такого ти
Q Для коррекции ошибок, вызванных недостатками конструкции зеркала орбитального телескопа «Хаббл», исследователям пришлось обрабатывать изображения с помощью компьютерной программы.
па - мозаичный телескоп Аризонского университета, США. Он состоит из шести первичных зеркал диаметром 1,8 м каждое. Его отражающая поверхность эквивалентна отражающей поверхности телескопа с зеркалом диаметром 4,5 м.
«Позируют» звезды
Недостатком обычных телескопов является то, что они позволяют рассматривать очень небольшой участок неба. В 1929 г. эстонский оптик Бернгард Шмидт создал свободный от этого недостатка телескоп, предназначенный для фотографирования астрономических объектов. Совместное использование в этом телескопе зеркал и линз большого диаметра обеспечило широкий угол обзора. Вначале астрономы осматривают интересующий их участок неба при помощи зеркальнолинзового телескопа, а затем с его помощью наводят большой телескоп.
Вопреки распространенному’ мнению, астрономы не проводят большую часть времени, глядя в телескоп. Опти
ческие телескопы чаще используются для получения фотографий астрономических объектов. Возможность делать снимки с большим временем экспозиции позволяет полумать изображение объектов настолько слабых, что их нельзя увидеть в этот же телескоп. Экспозиция может длиться час или более, и в течение всего этого времени телескоп должен быть постоянно направлен в одну и ту же точку, изменяя свое положение таким образом, чтобы компенсировать вращение Земли. Иногда для обнаружения и усиления слабого света, принимаемого от очень
Q Англо-австралийский телескоп обсерватории Сайдинг-Спринг расположен вдали от загрязненной атмосферы и света больших городов, мешающих наблюдению слабых объектов.
Главное зеркало защищено затвором из стальных лепестков. Основная часть телескопа поворачивается на подковообразной опоре в нижней части конструкции. Компьютеризированная система управления позволяет отслеживать объекты и получать изображения в автоматическом режиме.
далеких объектов, используют приборы, называемые электронными усилителями изображения. Для улучшения качества получаемых изображений широко применяются компьютеры. Для анализа спектра света небесных объектов используют спектроскопы.
Видимость
Наилучших условий наблюдения можно достичь, подняв наблюдателя с телескопом над земной атмосферой, задерживающей значительную часть излучения и ухудшающей качество изображения. В апреле 1990 г.
американский «Шаттл» вывел на околоземную орбиту оптический космический телескоп «Хаббл». Несмотря на ошибки, допущенные при изготовлении главного зеркала диаметром 2,4 м, и неполадки в системе дистанционного управления, с помощью этого устройства на Земле было получено большое количество прекрасных изображений планет и целых галактик.
Радиоастрономия
Радиоволны из космоса были открыты случайно в 1932 г. американским исследователем Карлом Янски, изучавшим электромагнитное излучение грозы. Он обнаружил, что вблизи созвездия Стрельца, где находится центр нашей Галактики, существует источник радиоволн. В работе американского исследователя Троута Ребера было показано, что источниками радиоволн являются многие точки небосвода. Эти открытия стали отправной точкой развития радиоастрономии, а приборы, используемые для приема радиоволн из космоса, получили название радиотелескопов.
Типичный радиотелескоп состоит из трех основных частей: антенны, принимающей радиоволны и преобразующей их в электрические сигналы.’ усилителя, усиливающего эти сигналы, и выходного устройства, которое отображает их в виде, удобном для исследования, или сохраняет для дальнейшего анализа.
Антенны
Антенны радиотелескопа могут .иметь самые разные формы: простейшие из них состоят из большого числа диполей (пар стержней). Наиболее распространенный тип антенны радиотелескопа - «тарелка», вогнутая металлическая чаша, фокусирующая падающие па нее радиоволны на одном простом диполе. Самая большая в мире управляемая антенна радиотелескопа диаметром 100 м сооружена в Германии. В Аресибо (Пуэрто-Рико) построена неподвижная антенна диаметром 300 м.
Интенсивность радиосигнала зависит от величины антенны. Кроме
Q Телескоп с большой антенной решеткой состоит из нескольких параболических антенн, объединенных в единую систему, что позволяет получать значительно более мощный общий сигнал.
В результате можно различать более мелкие детали структуры объектов. Самый мощный в мире радиотелескоп со сверхбольшой антенной решеткой сооружен в штате Нью-Мексико, США. Для изменения размеров и конфигурации антенны радиотелескопа предусмотрено перемещение составляющих его 27 параболических антенн (каждая 25 м в диаметре) по рельсам.
того’, поскольку разрешение телескопа любого вида (минимальное угловое расстояние между двумя воспринимаемыми раздельно точками) равно длине волны излучения, поделенной на диаметр антенны телескопа, а радиоволны гораздо длиннее электромагнитных волн видимой части спектра, то, чтобы получить разрешение, сравнимое с разрешением больших оптических телескопов, антенна радиотелескопа
должна иметь километровые размеры. Однако большую эффективную антенну можно получить, суммируя выходные сигналы нескольких антенн меньшего размера. Иногда, объединяя антенны радиотелескопов, расположенных в разных странах, получают антенну, сравнимую по размерам с Землей. Такой метод исследования называется интерферометрией со сверхдлинной базой (ИСБ).
Используя антен-ны двух радиотелескопов, можно смоделировать одну большую антенну (это называется синтезом апертуры). На приведенных изображениях дан вид из космоса двух отстоящих на большом расстоянии друг от друга антенн. При вращении Земли эти антенны вращаются одна вокруг другой. Расстояние между антеннами определяет величину эффективной апертуры такого комбинированного радиотелескопа. Чем больше расстояние между антеннами, тем больше разрешающая способность телескопа.
«Хаббл»
Космический телескоп
Высоко над Землей, с четкостью и точностью изображения, недоступными для наземных оптических инструментов, наблюдает за Вселенной космический тепе скоп «Хаббл».
Обычно астрономы строили свои обсерватории на вершинах гор, выше облаков и загрязненной атмосферы. Но даже тогда изображение искажалось воздушными потоками. Самое четкое изображение доступно только из внеатмосферной обсерватории - космоса.
С помощью телескопа можно увидеть то, что недоступно человеческому глазу, поскольку телескоп собирает больше электромагнитного излучения. В отличие от подзорной трубы, в которой для сбора и фокусирования света используются линзы, в больших астрономических телескопах эту функцию выполняют зеркала. Телескопы с самыми большими зеркалами должны иметь наилучшее изображение, поскольку собирают наибольшее количество излучения. И хотя диаметр зеркала «Хаббла» только 2,4 м -( меньше самых больших телескопов па Земле, - он может видеть объекты в 100 раз менее четкие, и детали в десять раз мельче, чем лучшие наземные телескопы. И это потому, что он находится выше искажающей атмосферы.
Космический телескоп «Хаббл» (КТХ) был запущен на околоземную орбиту космическим шаттлом «Дискавери» в апреле 1990 г. Для фотографирования неба на борту имеется два основных инструмента. Один, т. н. широкоугольная планетная камера (WFPC), предназначен для фотогра-
0 Космический телескоп «Хаббл» после выхода из грузового отсека «Дискавери». Оранжевые солнечные панели в виде крыльев генерируют электроэнергию из солнечного света.
фирования планет и больших небесных площадей. Другой - камера для слабых объектов (FOC) - может снимать крупным планом мелкие, расплывчатые объекты, например, отдаленные галактики.
После запуска КТХ операторы Национального агентства США по аэронавтике
и исследованию космического пространства (НАСА) попытались сфокусировать телескоп, но к своему ужасу обнаружили, что ни на одном изображении даже приблизительно не было той четкости, на которую они рассчитывали. Выяснение причины привело к основному зеркалу, считавшемуся самым совершенным. На самом же деле в результате исследования оказалось, что производитель отполировал зеркало под слегка неточным щлом изогнутости, и поэтому оно имело неправильную форму.
Вне фокуса
Ошибка в параметрах дуги составляла всего лишь одну пятнадцатую волоса человека, но это означало, что пучок световых лу-
0 Красновато-белая область, т. н. белое пятно, вокруг экватора Сатурна на снимке, сделанном КТХ 9 ноября 1990 г.
| На самом деле это скопление облаков перед 2 ураганом.
чей, падающих на внешнюю часть зеркала, не пересекается с пучком световых лучей, падающих на центральную часть. Эта погрешность называется сферической аберрацией. Поразительно, но телескоп никогда нс тестировался на земле, что могло бы предотвратить ошибку до его запуска.
Ученые устранили компьютерным путем искажающий эффект на снимках телескопа. Среди увиденного был известный эффект миража в дальнем космосе, называемый гравитационной линзой. Явление
0 Ученые обрабатывают снимок созвездия, полученного с помощью КТХ. На переднем плане - экран с искаженным изображением, рядом - это же созвездие после компьютерной обработки.
0 Сотрудники НАСА готовятся к посещению телескопа «Хаббл» в открытом космосе. Астронавты снимают широкоугольную планетную камеру под водой, имитирующей невесомость космоса.
наблюдается, когда луч света проходит через сильное гравитационное поле, отклоняясь и создавая несколько изображений. В данном случае светимость квазара (небольшого яркого внегалактического объекта) разбивается на четыре отдельных изображения силой тяжести галактики, которая находится в 20 раз ближе к нам. Получившееся в результате изображение было похоже по форме на клеверный листок. Такие гравитационные миражи были предсказаны еще в 1915 г. Альбертом Эйнштейном в рамках теории относительности, а называют их «крестом Эйнштейна».
Буря на Сатурне
Буквально через несколько месяцев после запуска КТХ в слое облаков над Сатурном -единственной планетой, окруженной кольцом, - разразилась огромной силы буря. Телескоп был немедленно нацелен на планету, ведь такие бури - явление крайне редкое, случающееся не чаще одного раза в 30 лет. В начале бури над Сатурном образовалось большое белое пятно, которое за-
тем стало растягиваться, опоясав кольцом облаков экватор планеты, что дало возможность астрономам зафиксировать ветры, дующие на большой высоте.
Помимо этого, благодаря КТХ астрономы впервые получили четкое изображение крошечной луны Плутона - Харона. Этот спутник находится настолько близко к планете, что увидеть их порознь через наземные телескопы практически невозможно, а на снимках
с «Хаббла» Харон на орбите виден вполне отчетливо.
Конструкция телескопа позволяла ремонтировать его прямо на орбите. Инженеры предусмотрели дополнительную оптику-, корректирующую отказы оптических устройств так же, как очки корректируют зрение человека. Эта система получила название COSTAR (блок корректирующей оптики).
Запущенный в декабре 1993 г. космический челнок «Эндевор» достиг телескопа
СПИРАЛЬНАЯ ГАЛАКТИКА М100 - ДО И ПОСЛЕ
Сравнение снимков галактики М100 до смелого полета для ремонтных работ (слева) и после (справа) свидетельствует о значительном улучшении качества изображения. Наземные операторы утверждают, что полет имел полный успех. На второй фотографии видны отдельные звезды отдаленных галактик, что позволяет точно измерить расстояние до них.
Знаете ли вы?
Космический телескоп был назван в честь Эдвина Хаббла, американского астронома, создавшего в 1929 году концепцию расширяющейся как воздушный шар Вселенной. Его работа положила начало теории о происхождении Вселенной в результате огромного взрыва, известной как теория «большого взрыва».
КТХ, который обошелся в 1,5 млрд, дол. СШД - самый дорогой из когда-либо построенных спутников. Он также самый крупный из когда-либо запущенных спутников для научных целей. Его длина - 13,1 м (прибл. длина ж.-д. вагона), вес - 11,5 т (прибл. вес 10 автомобилей).
Для упрощения определения телескопом целей, астрономы подготовили каталог с 15 млн. звезд, составленный посредством компьютерного сканирования около 1500 фотографий всего неба.
па высоте около 600 км. Дистанционно управляемая механическая рука захватила КТХ и завела его в грузовой отсек, где в течение пяти дней две бригады астронавтов монтировали сменные устройства, работая в открытом космосе.
В марте 2002 г. телескоп «Хаббл» был дополнительно оборудован Усовершенствованной обзорной камерой (УОК), обладающей повышенной чувствительностью как к видимому, так и к ультрафиолетовому свету. Установка УОК повысила эффективность наблюдения «Хаббла» в 10 раз. Следующий этап модернизации телескопа планируется осуществить в июле 2003 г.
В 2010 к «Хабблу» отправится последняя экспедиция. Ее экипаж отключит все системы и снимет нужное оборудование, а остатки телескопа «столкнет» с орбиты.
Это составляет часть проекта по определению размеров и возраста Вселенной в продолжение работы, начатой Э. Хабблом. В октябре 1994 г. были объявлены первые результаты о группе галактик в созвездии Дева, расстояние до которых КТХ определил в 50 млн. световых лет. По сегодняшним подсчетам, возраст Вселенной составляет около 15 млрд. лет.
Спутники
Запуск первого советского искусственного спутника Зелии в 1957 г. положил начало эре освоения Космоса. Сегодня работа ИСЗ тем или иным образом приносит пользу большинству землян.
Словом «спутник» мы называем как природные, так и искусственные объекты, находящиеся на орбите других небесных тел. Планеты являются спутниками Солнца, а Луна -спутником Земли. Все (насколько нам известно) искусственные спутники в Солнечной системе запущены в Космос человеком с помощью ракет. Они выполняют различные задачи - от военной и геологической разведки до обеспечения телевизионного покрытия и исследования Вселенной.
Как и Луну, ИСЗ удерживает на орбите притяжение Земли. Поскольку в Космосе отсутствует трение, спутникам не нужен двигатель, чтобы вращаться
вокруг планеты. Тем не менее, со временем они замедляют полет, сходят на более низкую орбиту и, в конце концов, сгорают в атмосфере Земли.
Рассмотрим пример. Пуля может вылететь из ствола строго горизонтально, но ее траектория все равно склонится к земле под действием силы притяжения. Однако, чем больше
О Первый ИСЗ, выведенный на околоземную орбиту - Спутник-1 (СССР). Он был запущен 4 октября 1957 г. с космодрома в Казахстане и делал полный виток вокруг Земли за 96 минут.
Q Собака Белка - одно из первых живых существ, благополучно вернувшихся из Космоса. Вместе со своей спутницей Стрелкой она стартовала на орбиту 19 августа 1960 г.
Велосипеды и мотоциклы
Велосипеды и мотоциклы -удобные средства передвижения. Велосипед позволяет нам, используя силу мышц, совершать неторопливые поездки. Мотоцикл является высокоскоростным транспортным средством с силовым приводом.
Самое древнее из известных изображений двухколесного транспортного средства можно увидеть на одном из окон церкви в Сток Поджес (графство Бэкингемшир, Англия). На витраже, выполненном в 1642 году, показан человек, который приводит в движение примитивный велосипед, отталкиваясь ногой от земли. К сожалению, никаких других сведений об этой машине обнаружено не было. Первые велосипеды промышленного производства появились только в 1790-х гг.
Деревянная лошадка
Наиболее удачным из ранних велосипедов был селерифер, позднее переименованный в велосифср. Эта «деревянная лошадка» была построена в 1791 году графом де Сивраком (Франция). Велосипедист садился на нее верхом, а затем «вел», отталкиваясь ногами от земли.
Велосипед с управляемым передним колесом появился в 1817 г. и был назван сто изобретателем, германским бароном фон Дрез де Зауэрбруном, дрезиной. Он состо-
ял из деревянной рамы и двух снабженных спицами колес с железным бандажом.
Следующий шаг вперед был сделан в 1838 г., когда шотландский кузнец Киркпатрик Макмиллан изобрел велосипед с педалями. Нажимая ногами на педали, человек приводил в движение заднее колесо. Переднее колесо крепилось на железной вилке.
В 1861 г. парижане Пьер и Эрнест Мишо предложили свою конструкцию велосипеда. Это была «игрушечная лошадка» с педалями на коленчатых валах, установленными на переднем колесе. В 18б0-х годах стали использовать колеса с прово-
0 Складные велосипеды имеют небольшие колеса, чтобы их легче было хранить и транспортировать, когда они не используются.
Маленькие колеса повторяют любую неровность на дороге, поэтому для улучшения езды на них устанавливаются толстые и широкие шины. Но это увеличивает сопротивление движению, и велосипедист, затрачивая больше усилий при езде с любой скоростью, скорее устает.
лочными спицами и резиновыми шинами; скорость передвижения возросла, и на велосипедах начали устанавливать поначалу простенькие тормоза.
Пенни-фартинг
К 1870-м годам велосипед приобрел форму, которую стали называть «высокой» или «обычной». В Англии он был также известен под названием «пенни-фартинг», потому что переднее колесо было настолько больше заднего, что невольно вспоминались пенни и фартинг - две монеты, имевшие хождение в то время. Рама
начальная скорость, тем большее расстояние пролетит пуля, прежде чем упасть на землю. Следовательно, существует начальная скорость, при которой нуля уже не упадет. И действительно, при 28 тыс. км/час траектория ее полета совпадет с кривизной земной поверхности. Пуля будет находиться в состоянии свободного падения. оставаясь на одинаковом удалении от земли. Другими словами, опа будет вращаться вокруг нашей планеты по определенной орбите. На малой высоте, однако, тля вскоре сгорит в результате трения о воздух. Даже если бы она была сделана из достаточно жаростойкого материала, трение уменьшало бы скорость полета, пока тля не упала бы на землю. Ну а при большей начальной скорости пуля вышла бы на более высокую орбиту:
Орбитальная скорость
Скорость, с которой спутник «падает» в сторону Земли, известна с XVII века, когда Исаак Ньютон в своем трактате о силе тяготения сформулировал зависимость скорости тела на орбите от его высоты над Землей. Раньше при помощи этой формулы вычисляли движение Луны, сегодня - орбиты ИСЗ. Не будь Земли, спутник двигался бы по прямой, но на него постоянно действует земное притяжение. Чем дальше от Земли отстоит спутник,
(Q Точки на изображении, полученном
с метеоспутника, - это молнии. Снимок дает наглядное представление об электрической активности в нижних слоях атмосферы Земли.
О Антенны на российском научно-исследовательском судне «Юрий Гагарин» держат связь со спутником, пролетающим над океаном.
Q «Эхо II» - американский спутник связи, запущен в 1964 г. Отделяясь от ракеты-носителя, металлизированная (для отражения радиосигналов) оболочка заполнялась газом, образуя шар диаметром 41 м.
Метеоспутник Европейского космического агентства. Пять таких спутников на геостационарных орбитах обеспечивают синоптиков информацией о погоде на всей поверхности Земли.
гем меныпес притяжение он испытывает и тем ниже относительная скорость, необходимая ему для движения по орбите.
На высоте около 220 км Спутник-1 совершал виток вокруг Земли каждые 96 минут. Лупе, при удалении около 386 000'км. на это требуется 28 дней.
Некоторые спутники выводятся на орбиту на высоте 35 900 км над экватором и вращаются в том же направлении. что и Земля. Один оборот при
орбита с обратным орбита с прямым
движением движением
Двигаясь по полярно-геосинхронной орбите, спутник описывает восьмерки вокруг Земли. Другие орбиты могут быть с обратным (против вращения) и прямым движением (по вращению Земли).
этом занимает те же 24 часа, и спутник «висит» в небе в одной и той же точке относительно Земли.
Спутниковое ТВ
Такая орбита называется геостационарной или геосинхронной. Все спутники, используемые для переда-
чи телепрограмм на спутниковые антенны, являются геостационарными. Для приема их сигнала требуется неподвижная, нацеленная в одну и ту же точку неба «тарелка». Территория, на которой можно принимать сигнал спутника, громадна. В течение 1994-99 гг. был выведен на орбиту ряд спутников, охватывающих телевизионным вещанием Европу, Ближний и Средний Восток, Азию.
Ракеты
Ракеты изначально использовались в качестве оружия.
Сегодня эти мощные, гигантские аппараты служат для полетов человека в космос и доставки на орбиту искусственных спутников и различного оборудования. Однако ракеты с боеголовками по-прежнему угрожают жизни на Земле.
Первые ракеты были запущены около 800 лет назад. В начале XIII в. их использовали китайцы против монголов. Как и в современном фейерверке, движущей силой китайских ракет служил пороховой заряд. Прикрепленные к копьям или стрелам ракеты представляли собой устрашающее оружие. Монголы были настолько потрясены, что создали свои собственные ракеты для войны с арабами. К середине XIII в. ракеты были и у арабов. Французские крестоносцы привезли их в Европу:
Ракеты в Европе
В 1429 г. французские войска под командованием Жанны д’Арк с помощью ракет отстояли Орлеан в сражении против британцев. Но вскоре ракеты были вытеснены более точным оружием - пушками.
Начиная с XVI в. ракеты использовались в праздничных фейерверках, сначала в Италии, а затем и в других европейских странах. И только в конце XVIII в. они вновь были применены в боевых действиях. В 1792 г. британские войска,
воевавшие в Индии, подверглись обстрелу небольшими металлическими ракетами. Их эффективность оказалась настолько высокой, что полковник Конгрев решил создать ракетное оружие для британских войск. К 1804 г. он превратил простую ракету в крайне разрушительное оружие с фугасной или зажигательной боевой частью. Но точность попада-
Q Русский инженер и школьный учитель Константин Циолковский во время работы над созданием одной из своих ракет.
Его считают «отцом космонавтики».
Q Американская 49-метровая ракета-носитель, доставлявшая космические зонды «Викинг» к Марсу, состояла из ракеты «Титан-3», двух ускорителей с РДТТ и последней ступени «Центавр».
00 Этот праздничный фейерверк (вверху) стал возможным благодаря специальным ракетам. Их двигатели, как и двигатели боевых ракет (справа), создают тягу за счет выброса газа.
ния этого оружия оставалась низкой примерно до 1844 г., когда англичанин Уильям Хейл изобрел метод стабилизации: изогнутые лопатки в сопле заставляли ракету вращаться во время полета, что придало ей устойчивость.
Дальность
Дальность полета всегда была слабым местом ракет. Чтобы она летела дальше, можно увеличить размеры для размещения большего количества пороха или другого вида топлива. Но при этом возрастает вес ракеты, се становится труднее привести в движение, а дальность все равно остается ограниченной.
Решение данной проблемы предложил француз Фрезье, а осуществил английский полковник Боксер в 1855 г. Идея заключалась в последовательном соединении двух ракет. Когда задняя секция выгорала, пирозаряд отстреливал ее и воспламенял топливо передней секции. Эта многоступенчатая конструкция обеспечивала большую дальность полета, чем одноступенчатая ракета той же массы, так как лишь часть исходного реактивного снаряда должна была достичь цели.
Русский ученый Константин Циолковский осознал важность многоступенчатых ракет и уже в 1883 г. доказал, что с их помощью можно осуществлять полеты в космос. Но до полетов в космос было еще далеко, и ракеты использовались для других целей.
Измерение скорости ветра: Облака с выпущенными в них щелочными металлами отслеживаются радиолокатором. Искусственное вызывание дождя: Облака «засеваются» сухим льдом, чтобы заставить их высвободить влагу. Информация о температуре воздуха и атмосферном давлении радируется с помощью бортовых приборов и отделяемого приборного контейнера. Электрические и магнитные характеристики верхних слоев атмосферы регистрируются приборами носового отсека ракеты. Интенсивность космического излучения измеряется с помощью счетчиков Гейгера. инфракрасные спектрометры служат для определения атмосферного поглощения солнечной радиации. 5200
- I а 150
/ * * "- / 7 100
/ ® / 50
н А Л : п °
... .
Во время первой мировой войны (1914-18) Англия сбивала немецкие дирижабли неуправляемыми ракетами. После окончания войны, в результате неослабевающего интереса к ракетостроению, вызванного работами Циолковского, СССР первым официально поддержал развитие военной ракетной техники. В 1929 г. исследовательские работы начали проводиться в Ленинградской лаборатории газодинамики. В 1933 г. эта организация вместе с московской Группой изучения реактивного движения (ГИРД) создала ракету с жидкостным ракетным двигателем (ЖРД), установившую рекорд
0 Летные испытания крылатой ракеты «Томагавк» над г. Катахдин в штате Мэн, США. Дальность ее полета составляет 3600 км.
О Твердотопливные метеорологические ракеты широко используются для запуска зондов, служащих для изучения верхних слоев атмосферы.
Q Советские истреби-§ тели МИГ-25 оснаща-g лись ракетами АА-6 | класса «воздух - воз-£ дух», с креплением й под крыльями.
высоты (5,6 км) в 1936 г. В 1927 г. группа немецких инженеров организовала Общество космических полетов. Под давлением нацистов эта организация была распущена в 1934 г., но отдельные ученые продолжили свои исследования для военных целей. Так были заложены основы лидерства Германии в ракетной технике в
«холодной войны» между США и СССР в 1950-е гг. привело к созданию стратегических ракет - межконтинентальных носителей ядерного оружия.
Искусственные спутники
Такие ракеты позволяли советским ученым выводить небольшие объекты на ор-
00 Бортовая система раннего обнаружения и предупреждения (вверху) позволяет выявлять ракеты противника. Межконтинентальная баллистическая ракета «Трайдент-2» фирмы «Локхид» (справа) во время испытаний.
ходе Второй мировой войны (1939-45). Самым выдающимся немецким конструктором ракет в годы войны был Вернер фон Браун, создавший первую в мире баллистическую ракету «Фау-1», примененную для обстрела Англии в 1944-45 гг.
Исследования в США Американским первопроходцем в области ракетной техники стал физик Роберт Годдард, возглавивший в 1920-е гг. группу энтузиастов. Им удалось запустить первую в мире ракету с ЖРД в 1926 г. Группа продолжала вносить весомый вклад в ракетостроение вплоть до смерти Годдарда
в 1945 г. В том же году Вторая мировая война закончилась поражением Германии, в результате чего СССР и США получили доступ к ракетным технологиям и помощь со стороны их разработчиков.
Помимо «Фау-2», во время Второй мировой войны применялись небольшие тактические ракеты, запускаемые с борта самолета или с земли. Обострение
О В будущем, управляемые ЭВМ ракеты с ядерными боеголовками смогут поражать цели противника после запуска с космического корабля, находящегося на околоземной орбите.
биту’ Земли. В октябре 1957 г. прерывистые звуковые сигналы с крошечного искусственного спутника, запущенного СССР - «Спутника-1», - возвестили о начале космической эры.
Четыре месяца спустя в США под руководством фон Брауна был произведен ответный запуск. Влияние идей этого ученого продолжалось вплоть до осуществления программы «Аполлон», в которой была задействована гигантская трехступенчатая ракета «Сатурн-5», доставившая американских астронавтов на Луну в 19б9 г.
Третий закон механики Ньютона гласит: любому действию всегда соответствует равное и противоположно направленное противодействие. Это означает, что, если вы прыгаете из небольшой лодки на берег, энергия вашего прыжка отталкивает лодку от берега. В ракетах используется тот же принцип. Они двигаются за счет выброса потока вещества (обычно газа). Действие энергии газа вызывает противодействие относительно ракеты и заставляет ее лететь. В отличие от реактивных двигателей, которым необходим забор воздуха для сжигания
трубопроводы подачи горючего
ДВИГАТЕЛЬ F-1 РАКЕТЫ «САТУРН-5» (маршевый двигатель)
турбонасос подачи горючего
_ турбонасос подачи
бак горючего (керосин)
Космический корабль
О Тактическая ракета «Дейви Крокетт» (США) запускается с переносной пусковой установки; может нести ядерный заряд.
бак горючего (жидкий водород)
| окислитель
| горючее '
Е<?рячийг^{
топлива, в ракетах есть все необходимое для движения - это автономные аппараты, способные двигаться в космическом пространстве.
сферические резервуары гелия
бак горючего (жидкий водород)
трубопроводы подачи жидкого кислорода
5 двигателей F-1
Ракетное топливо
В большинстве ракет твердое или жидкое горючее сжигается в замкнутом объеме, а образующиеся газы выпускаются через одно или несколько сопел относительно небольшого диаметра. Необходимый для сжигания топлива кислород можно получать из химических соединений - например, калиевой селитры. В современных ЖРД жидкий кислород часто используется для сжигания таких видов горючего, как керосин, жидкий водород или гидразин (азотно-водородное соединение).
Ракетные двигатели твердого топлива (РДТТ) широко применяются благодаря своей простоте и надежности. Они установлены на большинстве боевых ракет, служат ускорителями некоторых космических аппаратов и иногда используются как двигатели частей многоступенчатых ракет. Однако для сложных космических полетов ЖРД более предпочтительны, так как создаваемая ими тяга легко регулируется. Кроме того, при равном весе топлива ЖРД обеспечивают большую тягу и ускорение, чем РДТТ.
Альтернативные решения
Хотя ракеты с ЖРД используются для относительно коротких полетов на Луну’ и друтие планеты Солнечной системы, развиваемая ими скорость недостаточна для путешествий в другие звездные системы. Американский космический зонд «Вояджер-2» для развития высокой скорости использовал силу притяжения Юпитера и развил скорость примерно 36 000 км/ч. Но даже такая скорость = слишком мала для полетов к звездам. £ Ближайшая к нам звезда (не считая
00 Двигатель F-1 (слева) был установлен на ракете «Сатурн-5» § (внизу), участвовавшей § в программе полетов § на Луну КЛА «Аполлон». 2 Пять таких двигателей S находились на первой * ступени. Другие ступени с оснащались 5 двигателями J-2.
ИОННЫЙ
ДВИГАТЕЛЬ Т4
поток нейтрализованных ионов I
электромагнит, создающий магнитное поле
ной патрубок турбины
О Ионный двигатель Т4, предназначенный для установки на европейском спутнике. Здесь тяга создается потоком нейтрализованных ионов, проходящим через решетку ускорителя.
Q Атомный двигатель «Нерва» оснащен ядер-ным реактором для нагревания жидкого водорода. Образующийся при этом газообразный водород расширяется и создает тягу.
решетка ус— корителя главный анод
Солнца) - Проксима Центавра - находится на расстоянии около 40 млн. км, и космическому кораблю, летящему со скоростью «Вояджера-2», понадобится 126 000 лет, чтобы достичь ее. Поэтому ученые пытаются создать более скоростные ракетные двигатели.
Ракеты с ядерным двигателем нельзя запускать с Земли ввиду радиационной опасности для здоровья людей, но они могут стартовать из космоса. Такие двигатели могут создавать огромную силу тяги за счет серии ядерных взрывов.
катод нейтрализатора обеспечивает наличие электронов для нейтрализации ионов
катод
АТОМНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ «НЕРВА»
в турбину
сопла (водо-
Двигатели на элементарных частицах
Другие предлагаемые варианты включают преобразование водорода в плазму -газообразный поток заряженных частиц. С помощью магнитного поля плазма вытесняется из двигателя и создает тягу. Еще одна идея заключается в использовании электрического поля для выброса из двигателя ионов (заряженных атомов) ртути или цезия. Испытания подтвердили работоспособность такой системы, хотя создаваемая при этом тяга невероятно ма-
Q Пуск многих ракет большой дальности полета производится из шахтных пусковых установок. Показанная здесь ракета «Минитмен-3» может нести несколько ядерных боеголовок и одновременно поражать разные цели.
Q Противокорабельная ракета М88, запускаемая с борта корабля или самолета. Она может лететь на предельно малой высоте над поверхностью моря в два с лишним раза быстрее звука и способна пробивать самую толстую броню.
00 Ракеты «земля -воздух» оказались настолько эффективными, что сегодня все истребители оснащаются системами оповещения о предстоящей атаке. Здесь показаны ракеты «Джавелин» (крайняя справа) и «Рапиер» (справа), наводимые с помощью наземной станции сопровождения.
см. также
ла - лишь 1 кг на каждые 4 млн. Вт потребляемой электроэнергии. Однако при постепенном ускорении в течение многих месяцев такая ракета, в конце концов, может развить огромную скорость.
Ранее рассматривалась еще одна возможность, полюбившаяся в свое время писателям-фантастам - фотонный двигатель, создающий тягу7 за счет испускания потока квантов света. Однако и при остро сфокусированном пучке света создаваемая фотонами тяга не сможет сравниться даже с минимальной тягой ионного двигателя.
294
Наука и техника 98 - ВСЕ ДАЛЬШЕ В КОСМОС~|
© Системы Дерай-ера для горных велосипедов имеют 21 передачу и более, что облегчает езду по склонам. Каждое из трех цепных колес в показанном здесь зубчатом зацеплении Дерайера может быть использовано с каждой из семи звездочек на заднем колесе, благодаря чему обеспечивается 21 комбинация. Плавное переключение передач достигается за счет точного соответствия звеньев цепи и цепных колес, имеющих особую форму.
© На некоторых велосипедах для ВМК (веломотокросса) устанавливаются литые колеса из пластмассы, чтобы избежать поломки спиц при езде по пересеченной местности.
V обычного велосипеда для ВМК зубчатые колеса отсутствуют.
этой машины состояла из металлической трубы, соединявшей рулевой механизм, расположенный над передним колесом, с вилкой, несущей заднее колесо.
Большинство моделей обычного велосипеда приводились в движение с помощью педалей, непосредственно связанных с передним колесом, но в модели, появившейся в 1879 г., для передачи движения переднему колесу впервые была использована цепь. К 1885 г. обычный велосипед
окончательно усовершенствовался, у него появились тормоза на колесах и твердые резиновые шины. Многочисленные аксессуары включали фонари и сумки, ремни, а также звонки и свистки.
Безопасный велосипед
Современные велосипеды, в основу которых положена «безопасная» конструкция, были разработаны в 1870-х гг. Колеса примерно одинакового размера были
Raleigh Ltd
снабжены спицами и резиновыми шинами, а заднее колесо приводилось в движение с помощью цепной передачи. К 1895 г. безопасный велосипед уже имел пневматические (заполненные воздухом) шины и ромбовидную раму, за исключением моделей для женщин, где верхняя труба была опущена, чтобы освободить место для платья велосипедистки.
В современных велосипедах массового производства рамы обычно изготовляются из высококачественных легких труб из легированной стали, ободья и ступицы колес - из стали и сплавов, спицы - из стальной проволоки. Педали и коленчатые валы устанавливаются па короткой оси, проходящей через нижнюю часть рамы. На этой
Жизнь в космосе
0 Замкнутая система жизнеобеспечения, разработанная в США. НАСА планирует использовать такие модули в космосе в качестве исследовательских лабораторий.
0 Космонавты отрабатывают монтажные операции под водой. Для имитации невесомости скафандры, оснащенные точно рассчитанными грузами, имеют нейтральную плавучесть на заданной глубине.
Космос - враждебная среда. Специальное оборудование не только обеспечивает космонавтов кислородом, но и защищает их от испепеляющих солнечных лучей, ледяного холода и губительной радиации.
На заре космической эры подготовка космонавтов была крайне жесткой. Изнурительные тренировки на стремительно вращающейся центрифуге были привычным делом для участников советской и американской космических программ 1960-х годов. Центрифуга подвергала испытуемого высоким перегрузкам, характерным для взлета корабля и входа сто в атмосферу. Будущие космонавты учились также выносить низкое атмосферное давление, высокую температуру, сильную вибрацию и, наоборот, полную тишину.
Сейчас подготовка к полетам на кораблях Space Shuttle и российских «Союзах» не столь сурова. Путешествовать в космос на «шаттле»
0 Космонавт, вышедший из корабля в космос, машет рукой коллегам через иллюминатор.
Многослойный скафандр защищает его от жары, холода и других опасностей космоса.
j может любой здоровый человек, \ поскольку’ крылатый корабль входит в атмосферу по более пологой траек-. тории и перегрузки мало отличаются от тех, что испытывают катающиеся 1 на «американских горках». Но даже I спускаемые аппараты «Союзов» обес-
Благодаря отражающим шинам велосипедист видим ночью. К боковым поверхностям шин крепятся тысячи крошечных стеклянных отражателей, улавливающих свет фар.
00 Некоторые алюминиевые рамы имеют сварные швы (слева) для распределения напряжений. Бесшовные рамы (внизу) соединены угольниками.
же оси крепится звездочка, которая с помощью стальной цепи соединяется с ведущим цепным колесом, установленным па ступице заднего колеса. Это цепное колесо включает механизм свободного хода, который позволяет велосипедисту спускаться с горы, не вращая педали.
Переключение скоростей Многие велосипеды снабжены зубчатыми передачами. Использование пониженной
передачи позволяет с мсныпей силой нажимать на педали при подъеме, верхняя передача обеспечивает высокую скорость при умеренных усилиях. Кроме того, у некоторых велосипедов имеется коробка передач, вмонтированная в ступицу заднего колеса. Это миниатюрная разновидность системы, применяемой во многих автомобилях. Переключение скорости достигается с помощью различных комбинаций зубчатых колес внутри ступицы.
Другой разновидностью используемых в велосипедах систем переключения скоростей является сбрасывающий механизм. На заднем колесе устанавливаются звездочки различных размеров, и, когда в этом возникает необходимость, цепь перемещается с одной звездочки на другую. Когда. например, выбирается высокая передача, цепь располагается на самой маленькой звездочке. В результате один оборот педалей приводит к относительно большому числу оборотов заднего колеса, обеспечивая более высокую скорость.
Хотя многие современные машины все
Этот необычный мотоцикл с коляской был сфотографирован в Германии в 1928 г. Коляска имела собственные рычаги управления, так что управлять им можно было как с самого мотоцикла, так и из коляски.
еще напоминают безопасный велосипед позапрошлого столетия, есть и такие, в основу которых положен велосипед Моултона с небольшими колесами, появившийся в 1962 г. У этих машин диаметр колес не превышает 35-50 см, в отличие от обычных моделей, где он равен 60-70 см. Их рама имеет F-образную форму, при этом верхняя поперечина в ней отсутствует, что делает велосипед пригодным для мужчин и для женщин. Высота седла и руля может регулироваться в широком диапазоне.
Первые мотоциклы
По своему происхождению мотоцикл -это педальный велосипед, па котором установлен бензиновый двигатель. Первый мотоцикл был изготовлен в Германии в 1885 г. Готлибом Даймлером, по для их промышленного производства понадобилось время. Сначала эти машины были очень ненадежны. так как при езде по ухабистым дорогам обычная велосипедная рама, к которой крепился тяжелый двигатель, быстро
выходила из строя. Однако в начале XX в. увлечение состязаниями в скорости привело к быстрому совершенствованию конст рукции мотоцикла. Рамы слали делать более тяжелыми, седла опускать ниже, а к передним вилкам крепить пружины, что обеспечивало более плавную езду.
Сначала двигатель соединялся с колесами с помощью V-образных ремней, направляемых шкивами, но примерно с 1900 г. были введены коробка передач, сцепление и приводная цепь. Коробка передач позволила ездоку использовать энергию двигателя наилучшим образом. Сцепление позволило подключать и отключать двигатель, когда это было нужно. Передача крутящего момента заднему колесу с помощью цепи вместо кожаных ремней оказалась более эффективной, поскольку цепь проходила по звездочкам и. следовательно, не могла соскользнуть.
Другим усовершенствованием явился стартер. До этого, чтобы запустить двигатель, мотоцикл нужно было толкать.
О Возможно, в этом веке на Луне будут построены обитаемые базы. В представлении художника рабочие и жилые помещения будут собраны из готовых модулей, доставленных лунным челноком.
печивают заметно меньшие перегрузки, нежели корабли 1960-х годов.
Невесомость
Тем не менее тренировки нужны, чтобы подготовить экипажи к жизни и работе в невесомости. В США космонавты получают первый опыт невесомости на борту переоборудованного самолета-заправщика КС-135, в России - на транспортном Ил-76. Вначале самолет набирает большую высоту, а затем пикирует по тщательно подобранной криволинейной траектории. В результате пассажиры обнаруживают, что они более не прижаты к полу силой тяжести. Они «плавают» по салону, привыкая к отсутствию веса, и выполняют определенные задания -ведь в невесомости придется не только жить, но и работать. Продолжительные операции - например, монтаж или ремонт оборудования - отрабатываются в специальном бассейне, где космонавты находятся в скафандрах с путевой плавучестью. Правда, вода не позволяет в полной мере воспроизвести все эффекты невесомости.
На орбиту
После выхода па орбиту7 космонавты чувствуют, как кровь приливает к гру-
Мытье волос в невесомости может вызвать проблемы, поскольку шарики воды разлетаются по всему отсеку.
Для удаления капель годится и пылесос.
Космонавты на борту корабля и орбитальной станции спят в теплых кондиционируемых кабинах. Маски защищают глаза спящих от бликов освещения, которым пользуются в это время их коллеги. Чтобы не «плавать» по помещению в невесомости, космонавты крепят спальные мешки к стенкам отсека. Кажется, что они спят стоя, однако в невесомости нет чувства верха или низа. Все положения хороши для сна, и, что интересно, никто не жалуется на бессонницу.
ди и голове. Это происходит из-за того, что па кровь больше не действует сила тяжести, притягивавшая ее в нижнюю часть тела. Кроме того, невесомость приводит к ощущению «забитости» носа и отеканию лица.
В первые дни на орбите большинство космонавтов страдает от различных расстройств, которые имеют общее название «космической болезни». Но даже после адаптации невесомость продолжает вредить организму. В частности, она приводит к вымыванию кальция из костей, что делает их хрупкими; это ограничивает время пребывания космонавтов на орбите.
Сохранить здоровье
Чтобы предотвратить деградацию мышц и костей во время продолжительных миссий, космонавты регулярно занимаются физическими упражнениями и питаются разнообразной пищей. Первые космонавты часто жаловались на плохие вкусовые качества «космической» еды -ведь большинство блюд предлагалось в форме паст, высокопитательных, но безвкусных. Сейчас пища космонавтов мало отличается от обычной, хотя часть рациона составляют обезвоженные продукты - они занимают мало места и лучше сохраняются. Кроме того, в рацион обычно включается немного обычной пищи (например, стейк или курятина), свежие фрукты. Напитки в космосе
ЗЮ
вполне обычные - фруктовые соки, лимонад и какао.
В специально спроектированных космических туалетах мягкий поток воздуха уносит испражнения от тела. Моча собирается в емкость с помощью рукава; для мытья рук используется специальная закрытая раковина, внутри которой течет вода. Для очистки тела применяются влажные салфетки.
Когда приходит время спать, экипаж устраивается в спальных мешках, укрепленных вдоль стен. По словам космонавтов, сон в невесомости настолько приятен, что по возвращении на Землю любая, даже самая мягкая постель кажется неудобной.
Система кондиционирования воздуха поддерживает в обитаемом отсеке корабля нормальные условия -химический состав, давление, темпе
ратуру, влажность. Но для работы вне корабля космонавтам нужны специальные защитные скафандры.
Скафандры
Космический скафандр полностью герметичен и автономен-, он имеет запас кислорода, системы охлаждения и сбора отходов жизнедеятельности. Чтобы надеть современный скафандр для выхода в открытый космос, нужно около 20 минут.
Облачение в скафандр начинается с того, что космонавт надевает моче-сборник и соединяет его с рукавом. Затем следует белье, сделанное
Q Спроектированный в НАСА туалет для условий невесомости. Фиксаторы для стоп и бедер не позволяют человеку, пользующемуся чудом техники, «уплыть» в сторону.
Q Тренажеры позволяют сохранить форму при длительных полетах. Чем дольше полет, тем важнее упражнения для сохранения тонуса мышц. По возвращении на Землю тело будет казаться очень тяжелым и мышцам придется работать в полную силу.
О Завтрак выложен на подносе с отделениями. Некоторые блюда готовятся путем добавления воды. Стопы космонавта зафиксированы петлями на палубе - это помогает оставаться на месте.
Q В отсутствие силы тяжести жидкости не текут - они собираются в шарики и «плавают» в воздухе. Так что все напитки космонавты пьют через соломинки.
из эластичной сетки с вплетенными в нее тонкими пластиковыми трубками. Когда космонавт работает, по этим трубкам циркулирует вода, предохраняющая организм от перегрева.
Внутренний слой скафандра выполнен из плотного нейлона и содержит чистый кислород, который подается под давлением в треть от нормального атмосферного. Следующий слой обеспечивает сохранение формы скафандра при наддуве. Затем идут слои металлизированной пластиковой пленки, обеспечивающие теплоизоляцию при очень высоких и очень низких температурах. В космосе, где нет атмосферы, защищающей от солнечного излучения и космического холода, в прямых солнечных лучах температура может достигать 180°С, а в тени она опускается до -150°С.
Внешний слой скафандра сделан из тефлона, кевлара и номекса. Тефлон - пластик с очень малым коэф-
0 Космонавты, работающие вне корабля, прикреплены к нему страховочными фалами, чтобы не «уплыть» в открытый космос.
фициентом трения - применяется в качестве покрытия в трущихся местах. Кевлар - высокопрочное синтетическое волокно, используемое также при изготовлении бронежилетов. Номекс - разновидность нейлона, способная выдерживать большую разницу температур. Он не рвется даже при грубом воздействии; высокоскоростные частицы - микрометсо-ры - также не способны его пробить.
Жизнеобеспечение
На голову космонавт надевает мягкую шапочку с микрофоном и наушниками, подключенными к радиостанции в наспинном ранце. С ее помощью он может связаться со своими коллегами па 6opw «шаттла*.
Ранец содержит также все компоненты системы жизнеобеспечения. Запаса кислорода хватает на шесть-восемь часов, и указатель, расположен
ный на груди, показывает, сколько кислорода осталось в баллоне.
Система жизнеобеспечения удаляет из атмосферы скафандра выдыхаемый человеком углекислый газ, водяные пары и запахи. Кроме того, она подает в скафандр охлаждающую воду. Обогрев не нужен, поскольку7 тело человека выделяет достаточно тепла, а термоизоляция скафандра удерживает сто.
К рукавам скафандра соединительными кольцами крепятся перчатки, а ноги защищены прочными ботами. Наконец, голова космонавта находится в круглом пластиковом шлеме со светофильтром, защищающим от вредного ультрафиолетового солнечного излучения. Теперь космонавт готов выйти из корабля в открытый космос через воздушный шлюз -маленькую камеру, которая не позволяет выйти всему воздуху корабля через открытую дверь в вакуум.
При работе «на улице» космонавты обычно соединены’ с кораблем страховочным фалом, чтобы не потеряться в космосе. Иногда они просто перемещаются по поверхности корабля, держась за поручни. Но для большей мобильности космонавт может использовать «реактивный ранец» - маневренный модуль MMU (Manned iManeuve-ring Unit), прикрепляемый к спине скафандра. С помощью рукояток на поручнях модуля он управляет миниатюрными ракетными двигателями и движется в желаемом направлении.
До 1986 г. человек выбирался в космос на непродолжительное время. Запуск орбитальной станции «Мир» открыл новую эру. Почти без перерывов па станции 15 лет работали советские и международные экипажи.
Новые формы сотрудничества в космосе вызвали необходимость в запуске 2 ноября 2000 г. Международной космической станции (МКС). Она в 3 раза больше, чем «Мир», который был выведен с орбиты и в марте 2001 г. закончил свой путь в океане. МКС имеет размеры 100 на 90 м и весит более
470 т. Энергией ее питают солнечные панели общей площадью 0,5 га.
На станции работает 6 различных лабораторий, и опа может давать приют дополнительным модулям, прибывающим с «шаттлами». Ожидается, что станция прослужит не одно десятилетие. Жизнь в космосе становится реальностью.
0 Астронавт в скафандре с маневренным модулем. Управляя миниатюрными ракетными двигателями с помощью рукояток на поручнях модуля, он перемещается в нужном направлении.
Q Автономное средство перемещения в космосе (АСПК), в котором космонавты «челноков» выходят в космос. Ранец содержит емкость с охлаждающей водой (в центре), радио (вверху), кислородные баллоны (внизу и справа). В нижней части ранца находится аккумуляторная батарея.
ШИНА С ДВОЙНЫМ ПРОТЕКТОРОМ
четырехслойная
оболочка
внутренняя боковая
поверхность обода колеса
Скругленные плечевые зоны шины мотоцикла, вверху, обеспечивают хорошее сцепление шин с дорогой на поворотах, но большая часть пробега осуществляется на средней части шины. Рамы супермотоциклов, справа, изготовляются из элементов коробчатого сечения.
сварку которых выполняют роботы.
В 1920-30-х годах Британия занимала первое место по производству хорошо сконструированных мотоциклов. Потом с ней успешно соперничали Италия и Германия. В последнее время основным производителем мотоциклов стала Япония.
Современные мотоциклы Рамы мотоциклов обычно делаются из стальных труб, при этом снизу располагаются две трубы, к которым крепится двигатель. Для большего удобства мотоциклиста и повышения устойчивости мотоцикла оба колеса снабжаются амортизаторами.
В качестве мотоциклетных двигателей используются двух-, трех- и четырехцилиндровые бензиновые двигатели, рабочий объем которых колеблется от 50 см' до 1200 см' и выше. Как правило, это четырехтактные двигатели, то есть каждый цилиндр
О «Ямаха FZR 750R» -один из представителей супермотоциклов, предназначенных для города. На нем установлен четырехтактный двигатель с водяным охлаждением. Мотоциклисты должны проходить постоянный контроль безопасности и проверять уровень загрязняющих веществ в выхлопных газах.
Q Гонки по пересеченной местности на мотоциклах - популярный вид спорта. Мотоцикл, который вы видите на снимке, - испанский «Бултако».
обеспечивает мощность один раз за каждые два оборота двигателя. Двухтактные двигатели, где каждый цилиндр обеспечивает мощность при каждом обороте двигателя, можно обнаружить па более дешевых моделях общего назначения. Двигатели могут охлаждаться воздухом или водой. Обычно коробка передач соединяется с колесами с помощью приводной цепи, но в некоторых более дорогих мотоциклах вместо нее может использоваться приводной вал.
Некоторые мотоциклы приводятся в движение роторно-поршневыми двигателями. Специально для городов выпущено несколько небольших моделей с электрическим приводом.
Тормоза
Мотоциклы оборудуются барабанными или дисковыми тормозами, а иногда па
переднем колесе устанавливается дисковый тормоз, а на заднем - барабанный. В последнем случае к ступице колеса крепятся две тормозные колодки, покрытые жаростойким материалом, которые при включении тормоза надавливают на внутреннюю поверхность тормозного барабана. Дисковый тормоз содержит стальной диск, устанавливаемый на ступице колеса. При включении тормоза тормозные колодки надавливают на обе стороны диска. Барабанные тормоза приводятся в действие тросом спереди и тормозной тягой сзади. Большинство дисковых тормозов имеют гидравлический привод.
Ручное и ножное управление Передний тормоз включается с помощью рычага, установленного с правой стороны руля, задний - с помощью ножной педали, обычно расположенной с правой стороны мотоцикла. Для переключения передач служит рычаг с левой стороны руля, в небольших машинах для этой цели используется управление с поворотным захватом. Однако в большинстве машин переключение передач осуществляется с помощью ножной педали, находящейся с левой стороны.
Для регулирования скорости двигателя используется поворотный рычаг с правой стороны руля, который с помощью кабеля соединяется с дроссельной заслонкой карбюратора, где топливо смешивается с воздухом. Положение клапана определяет скорость, с которой топливно-воздушная смесь поступает в двигатель, что, в свою очередь, определяет скорость, сообщаемую двигателем.
На руле устанавливаются выключатели электрических фонарей. Большинство мотоциклов имеют две стойки - с опорой для парковки и центральную стойку, на которой колеса поднимаются над землей для выполнения работ по техобслуживанию.
Время
Вращение Земли и Луны определяет продолжительность лет, времен года, месяцев и дней. Когда-то такого разделения времени было достаточно для организации людьми своей жизнедеятельности, но сегодня мы не можем представить свою жизнь без часов.
Цикл вращения Земли вокруг Солнца составляет один год. За это время одни звезды сменяют другие на ночном небе, а в погоде происходят сезонные изменения. Как только была обнаружена такая последовательность событий, люди
Q В песочных часах за определенный промежуток времени песок перетекает из верхней части в нижнюю.
О Солнечные часы -один из первых приборов для измерения времени. Когда солнце движется по небосклону, тень от гномона (столбика-указателя) перемещается по заранее размеченной шкале и показывает время.
© Модель первых маятниковых часов, сконструированных Галилеем в 1641 г. Хотя именно он придумал маятниковый часовой механизм, другие ученые во многом усовершенствовали его изобретение в 1650-е годы.
научились извлекать из своих наблюдений практическую выгод}7. Например, появление определенной звезды означало, что наступило время сева. Древние египтяне знали, что ежегодные разливы Нила всегда начинались вскоре после появления над горизонтом звезды Сириус.
Юлианский календарь
I Тродолж!ггел ыюсть суток определяется вращением Земли вокруг своей оси. а нам
кажется, что Солнце восходит и заходит. Сложность при составлении календаря связана с гем, что год длится не целое ч количество дней, а примерно 365.25 дня. ъ В 45 году до и. э. Юлии Цезарь решил эчу т проблему и ввел календарь, в котором | за гремя годами по 365 дней следовал
366-Д11свн ый biICOKOCT 1ый год.
| Григорианский календарь
= Поначалу к юлианскому календарю пре-= тепзий не было, но постепенно стало яс-но, что год длится на 11 минут меньше, чем посчитали. Эта погрешность была ус-
£ гранена в 1582 г. напой Григорием XIII,
После этого часы переворачивают, чтобы продолжить отсчет времени.
О Старинные египетские водяные часы представляли собой сосуд, наполненный водой, которая вытекала через отверстие в нижней его части. Уровень воды показывал время, истекшее с момента наполнения сосуда.
издавшим указ, согласно которому день 5 октября следовало считать 15 октября. В противном случае календарные даты все больше и больше нс совпадали бы с определенными временами года. Чтобы исключить такую погрешность в будущем. он также распорядился вековые годы считать високосными лишь тогда, когда они делятся на 400 без остатка. .Этот григорианский календарь по-прежнему используется в западных странах.
День и ночь были самыми короткими периодами времени, известными нашим далеким предкам. Болес точное времяисчисление появилось около 4000 года до н.когда древние египтяне разбили время суток на часы. Первым хронометром были солнечные часы, состоящие в основном из столбика-указателя (гномона). который втыкался в землю таким образом, чтобы отбрасывать тень на шкалу с часовыми делениями. Когда солнце двигалось по небосклону, тень от гномона перемещалась по шкале и показывала время.
Q Первый из четырех хронометров, созданных Джоном Гаррисоном в XVIII веке. Гаррисон был плотником, но взялся за разработку и изготовление таких устройств в ответ на призыв британского правительства, назначившего награду за точные часы для мореплавателей. Первые три попытки оказались неудачными, но четвертый хронометр принес Гаррисону желанную награду.
АНКЕРНЫЙ РЕГУЛЯТОР ХОДА
Вода, песок и воск
Главный недостаток солнечных часов заключался в том. что ими нельзя было пользоваться в ночное время и в пасмурные дни. Эту проблему в конечном итоге удалось решить около 1500 года до и. э.. когда египтяне изобрели клепсидру. или водяные часы. Простейший вид таких часов представлял собой сосуд с маленьким отверстием в нижней части. Залитая в сосуд вода медленно вытекала через отверстие. а уровень воды относительно размеченной шкалы показывал истекшее время.
На смену солнечным часам пришли песочные. в которых песок сыпался через суженую часть стеклянного сосуда, показывая истечение определенного периода времени, чаще всего получаса или часа.
Для отсчета времени также широко использовали горящую свечу. Зарубки на воске показывали, сколько прошло часов с момента зажжения свечи.
Механические часы
Первые механические часы появились в Европе около 1275 г., однако имя изобре
тателя нам не известно. Подвешенный на веревке груз вращал колесо, приводившее в действие механизм часов, который каждый час издавал звон. Вскоре у часов появились стрелки и циферблат.
Важная деталь часов - регулятор хода, устройство, ограничивающее скорость механизма за счет пошагового вращения зубчатого колеса. Регулятором хода управляет таймер, обеспечивающий нужную скорость хода часов.
Ход старинных механических часов рстулировался «фолиотом» - балансиром, состоявшим из крепящейся на вертикальном стержне поперечины с противовесами на обоих концах. Балансир раскачивался взад-вперед, его колебания передавались на регулятор хода, и тот регулировал скорость вращения механизма.
Часы с боем
Около 1.550 г. в Италии были созданы часы с боем, в которых количество ударов соответствовало каждому часу. А примерно в 1475 году были изобретены часы с пружинным заводом. Это привело к раз-
Ходовой механизм наручных часов с анкерным регулятором хода, Вначале скорость хода задается натяжением балансирной пружины, определяющей частоту движения балансира.
Затем с помощью анкерной вилки регулируется вращение анкерного колеса. Ходовая пружина медленно раскручивается и через систему шестерен приводит стрелки в движение, нужную скорость которого обеспечивает анкерное колесо.
© Табельные часы
используются на некоторых предприятиях для регистрации времени прихода на работу и ухода с работы служащих. Время отбивается на карточке, вставляемой в специальное отверстие.
© Камера фотофиниша фиксирует момент окончания гонки.
Электронный таймер включается на старте, а время пересечения черты автоматически отбивается на крае ? пленки. о
OMEGA
sports timing
работке портативных часов, что было нереально для механизмов с гирями.
До XVI века часы имели только одну, часовую, стрелку. Доли часа можно было определить лишь приблизительно. Это устраивало большинство людей. Но астрономы нуждались в более точной регистрации своих наблюдении. В результате появились часы с минутной, а некоторые даже с секундной стрелкой. Часы, ход которых регулировался фолиотом. шли неточно, ио с появлением в XVII веке маятниковых часов точность времяисчисления значительно улучшилась.
Точность маятникового механизма
В 1580-е гг. итальянский физик и астроном Галилео Галилей (1564-1642) открыл изохронность колебаний маятника. В 1641 году он составил план использования маятника для регулирования хода часов. но через год умер, и лишь в 1649 году сто сын Винченцо и слесарь по имени Ба-
лсстри, наконец, сделали часы Галилея. Болес совершенная конструкция таких часов была разработана голландским ученым Христианом Гюйгенсом в конце 1650-х гг.. благодаря чему маятник зарско-
мендовал себя точным регулятором хода, а суточная погрешность часов снизилась с нескольких минут до десятка секунд.
Другой вид регулятора хода часов был создан в 1658 г., когда Роберт Хук изобрел пружину балансира, или волосковую пружинку. Эта тонкая винтовая пружина крепилась к так называемому балансиру. Пружина поочередно закручивалась и раскручивалась в зависимости от направления движения балансира. Это движение позволяло управлять регулятором хода. Главное преимущество балансира по сравнению с маятником заключалось в том, что на его работу гораздо меньше влияло перемещение часов. Так стало возможным изготовление меньших по размеру и более точных карманных и наручных часов.
К началу XVIII ст. новые географичес-
ч г
। । . > . । । « • । । । > QO □ □
12.1 t гd
ч г
@ Часы на стене старой обсерватории в Гринвиче, Англия, показывают всемирное время по Гринвичскому меридиану (0° долготы), проходящему через здание обсерватории. Этот меридиан также называют нулевым меридианом.
© Земной шар условно разделен на часовые пояса.
При их пересечении путешественники переводят свои часы на местное время. Цифры на карте показывают часы в сторону увеличения (+) или уменьшения (-) относительно среднего времени по Гринвичу.
кис открытия и. как результат, расширение мировой торговли привели к резкомх увеличению количества длительных морских путешествий. Д тя успешного плавания морякам необходим был точный метод определения местонахождения своего судна, (ложнее всего было определять долготу - число градусов к востоку или западу от Гринвичского меридиана. Дтя этого требовались точные часы, показывающие время по Гринвичу (Англия). Но качка судов нарушала работу маятника, а часы с балансирным регулятором хода шли неточно в условиях экстремальных температур, негативно сказывающихся па работе тонкой волосковой пружины.
О На схеме представлена атомно-лучевая
камера цезиевых атомных часов. Ниже
1000
100
О Детали электронных наручных часов
© Прогресс во времяисчислении
Q Электронные часы с камертонным регулятором хода
Награда за точность
Данная проблема была настолько ссрт“ -ной. что в I714 г. правительство Англии установило награду в 20 тысяч фунтов стерлингов тому, кто сможет предложить метод точного определения долготы во время мореплавания. При этом требуемая точность была настолько высокой, что. если бы речь шла о часах, их суточная погрешность нс должна была превышать трех секунд в течение шести недель. Награда досталась плотнику Джону Гаррисону. сконструировавшему несколько хронометров - точных часов для целей мореходства. В 1"60 г. в конкурсе победила его четвертая модель. Во время одного мореплавания погрешность его часов составила лишь 54 секунды за 156 дней. Гар-
«с^олиот»
Усовершенствованный регулятор хода
Первые маятниковые Часы-------------L
Температурная компек сация и —L уменьшение трения
Baf ког
Часы со свободнь маятником
м
0.001
0.0001
0.00001
0.000001
Часы с кварцевым крйсталлрм___;__
ювые лные часы
00 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000
Q Атомные часы водородного мазера, в которых импульсы атомов водорода обеспечивают точность до одной десятимиллиардной доли секунды в сутки.
О Подобными наручными часами пользовались американские астронавты, а также советские космонавты, участвовавшие в совместной программе СССР и США по стыковке кораблей «Союз» и «Аполлон» в 1975 г.
рисон нашел способ, при котором колебания температуры изменяли эффективную длину волосковой пружины, обеспечивая автоматическую компенсацию ранее имевшихся погрешностей.
Современные часы
Ряд современных стационарных и наручных часов выпускаются с механическим приводом, однако все большее распространение получают электрические и электронные часы. Во многих электрических часах ход стрелок обеспечивает моторчик. работающий от сети переменного тока частотой 50-60 Гц. Подобный принцип работы и у некоторых цифровых электронных часов, но они показывают время на цифровом световом табло. Электронным наручным часам необходим свой регулятор хода, и эту роль часто играет кварцевый кристалл, обеспечивающий почти постоянную частоту вибрации под воздействием электричества. Вибрирующий кристалл генерирует точно отмеренные по времени электрические импульсы, которые управляют индикацией электронных цифр или движением механических стрелок. Некоторые стационарные часы также работают па кварцевых кристаллах.
Кварцевые часы дают очень высокую точность - до 1/30 секунды в сутки, но и это «вчерашний день» ио сравнению с атомными часами, использующими частоту излучения атомов определенных элементов (например, цезия) и обеспечивающими электронную индикацию времени с погрешностью менее одной секунды за тысячу лег. Такие часы используются в экспериментах, требующих точного отсчета времени и для определения самого времени: сегодня секунда определяется как отрезок времени, за который атомы цезия-133 излучаю')' 9 192 631 770 импульсов в определенных конкретных условиях.
Сложение
Счет - это простейшая форма сложения, т. е. последовательное прибавление единицы к результату предыдущего вычисления. Умножение также можно представить как разновидность сложения - прибавление числа к самому себе определенное количество раз.
С небольшими числами иметь дело очень просто: наборы из трех-четырех предметов легко узнать «в лицо », так что считать их нет необходимости. Но как, к примеру, выяснить, не потерялась ли овца из большого стада? Здесь уже не обойтись без подсчета. Чтобы пересчитать стадо, проще всего использовать камешки: один камешек- один объект, в данном случае овца.
Системы счисления
Считать при помощи камешков удобно и просто, если объектов немного. С большими числами уже сложнее: и нужного количества камешков можно не набрать, и поднять такой мешок не каждому под силу. В некоторых сообществах для счета использовались пальцы рук, однако этот способ годился только в пределах 10. Кое-
© Первая суммирующая машина была сделана французским математиком Блезом Паскалем в 1642 г. Она состояла из набора шестеренок и колесиков с цифрами.
Q Цифры от 1 до 10, используемые сегодня в западных странах, в сравнении с цифрами других цивилизаций. Цифры, которыми мы пользуемся, очень похожи на арабские.
Q Некоторые электронные часы «умеют» больше, чем просто сообщать время. Это часы и калькулятор
2 одновременно. 5 Кнопки так малы, 5 что их нажимают £ заостренным 2 предметом.
ЕГИПЕТСКИЕ ВАВИЛОНСКИЕ ГРЕЧЕСКИЕ РИМСКИЕ МАЙЯ ЗАПАДНОАРАБСКИЕ ИНДИЙСКИЕ
1 T A 1 • 1
II ТГ в II • • 2,
III г III ... Я 3
nil ТШ A IV .... г* 8
111 11 T r r TT E V — я У.
111 111 Y Y Y YY Y F VI —— 6 €
Illi III YY YY YYY z VII — 7
Illi Illi Y YYY YYYY H VIII — г <:
1 11 1 11 1 11 YYYYY YYYY e IX — 9
n i X i- r
где прогресс пошел дальше: к счету приобщали и пальцы ног, но все равно оставалась проблема с числами больше 20.
Выход нашелся: считать на пальцах до 10, а затем начинать сначала, отдельно подсчитывая количество десятков. Система счисления на основе десяти возникла как естественное развитие пальцевого счета. Существовало, однако, несколько откло
нений от этой системы. Например, 4000 лет назад жители Древнего Вавилона использовали систему счета до 60. Следы шестидесятеричной системы в наше время сохранились в делении часа и углового градуса на 60 минут, а минуты - на 60 секунд.
По мере развития речи люди начали использовать слова для обозначения чисел. Отпала необходимость показывать кому-
то пальцы, камешки или реальные предметы, чтобы назвать их количество. Для изображения чисел стали применяться рисунки, чертежи или символы. Например, для ответа на вопрос «Сколько овец в стаде?» достаточно нарисовать или начертить группу животных. Но считать можно гораздо быстрее, применяя для обозначения чисел какие-либо символы. Египтяне для чисел до 9 использовали последовательности простых штрихов и специальный символ - для 10. Вавилоняне имели аналогичную систему', а римляне ввели новый символ при достижении 5. Существовали и
системы с отдельными символами для каждой цифры до 9 включительно, как в арабской системе счисления, которую мы сейчас используем, а у греков имелся специальный символ и для 10.
Способы счета
Объекты можно считать, произнося встух каждое число, однако люди часто прибегают к < вещественной» помощи. Например, считая какие-либо предметы, мы иногда загибаем пальцы: если придется отвлечься, то потом легко возобновить счет с нужного места. Когда подсчет должен вестись медленно или нерегулярно, как счет в игре, применяются письменные записи.
В соревнованиях по крикету для отслеживания числа поданных и забитых мячей прибегают к древней технике подсчета при помощи камешков. При каждой подаче мяча судья перекладывает камешек из
О Сумма любого количества чисел в некоторых последовательностях всегда меньше определенного предела. Сумма этих рядов всегда меньше 2.
Q Сравнение некоторых десятичных и двоичных (на основе 2) чисел.
одного кармана в другой. Таким образом, каждому мячу соответствует один камешек; если первый карман опустел, значит, лимит мячей исчерпан.
Для упрощения подсчета камешки иногда размещали в виде отдельных рядов па столе: ряд единиц, ряд десятков, сотен и так далее. Те. которые включались в счет, сдвигались вдоль пазов.
Около 5000 лет назад вместо камешков начали использовать бусинки, нанизанные па проволоку или тонкие деревянные прутики, ряды которых крепились на рамке. Благодаря своей простоте, дешевизне и практичности этому портативно-му устройству, получившему название счеты, удалось просущес твовать множество столетий. Их и сейчас используют в некоторых восточных странах.
Под термином «механический калькулятор». или арифмометр, обычно нодра-
ДЕСЯТИЧНЫЕ ДВОИЧНЫЕ
1 1
2 10
3 и
4 100
5 101
6 110
7 111
‘8 1000
9 1001
10 того
11 1011
12 1100
13 1101
14 1110
15 1111
16 10000
8 +4 12 100 +100 1100
ф «Синклер Кембридж» - один из первых карманных калькуляторов: вид снаружи и внутри. Основная часть электроники сосредоточена в черном прямоугольном устройстве прямо над центром на рис. справа.
зумевается устройство с вращающимися шестеренками. Первая такая машина, выполняющая сложение, была изобретена во Франции в 1642 году Блезом Паскалем.
Ручные счетные устройства имели широкое применение до начала XX века. На обычной настольной машине сложение происходило следующим образом: первое число набиралось на клавиатуре, после чего поворачивалась рукоятка. Это приводило в движение ряд шестеренок, поворот каждой из них соответствовал значению разряда числа. Процесс повторялся для каждого следующего слагаемого, после поворота шестеренок фиксировалась текущая сумма, се на любом этапе можно было прочесть на табло. Для умножения требовалось, набрав один раз число, повернуть рукоятку нужное количество раз (т. с. последовательно сложить с самим собой).
Впоследствии для ускорения операций в механических калькуляторах стали применять электромоторы. Некоторые устройства снабжались встроенными принтерами, чтобы сохранить результаты вычислений.
Компьютеры
В арифмометрах механизм нужно было непрерывно запускать, поворачивать и останавливать. Скорость выполнения операций и, соответственно, скорость вычислений была ограничена моментом инерции вращающихся частей. По все эти проблемы сразу отпали с появлением в 1940-х годах электронных компьютеров. Электронные цепи, выполняющие вычисления на базе двоичной системы счисления (на основе 2). взяли па себя работу, прежде выполнявшуюся механикой. Скорость вычислений, обеспечиваемая компьютерами, привела к началу научно-технической революции.
344
см. также
Наука итсхнпка 31 - КОМПЬЮТЕРЫ Наука и техника 1()~ - ЗАКОНЫ СЛУЧАЙНОГО]
Законы случайного
Всей нашей жизнью правят законы вероятности. Кто знает, что ждет нас завтра - выигрыш в лотерее или несчастный случай? Точно предсказать будущее невозможно. Но, обладая всей нужной информацией, можно просчитать степень вероятности того или иного события.
ЧЦ одбрасывая монетку, мы говорим, I В что вероятность выпадения «орла» Вили «решки» составляет 50 на 50. Это значит, что из 100 попыток монета ляжет 50 раз «орлом» вверх и столько же - «решкой». Впрочем, говорить о вероятности 50:50 не совсем верно, так как шанс или вероятность данного события -это число происшедших событий, разделенное на общее число полученных результатов. Таким образом, и «орел», и «решка» могут выпасть по 50 раз из 100. Степень вероятности можно выразить как 50%, 0,5,1 из 2 или 1 /2.
Шансы
Иногда вместо вероятности события мы говорИхМ о шансах за или против, соотнося число шансов в пользу и против данного события. В случае с одной монеткой из двух возможных результатов есть один шанс, что «орел» выпадет, и один - что не выпадет. Поэтому их соотношение составляет 1-.1, или шансы равны. Говоря, что есть только два возможных варианта
ос В любом казино популярна игра в рулетку. Колесо с пронумерованными ячейками начинают вращать, а игроки делают ставки на те ячейки, где, по их мнению, остановится шарик. Помимо ставок на определенное число, дающих выигрыш в размере 35:1, игроки могут ставить на группы чисел.
0 Букмекеры на скачках пишут на доске предлагаемые ставки. Самые крупные ставки принимаются на лошадей с минимальными шансами на победу, чтобы привлечь больше игроков. Скажем, на лошадь «Браун Трикс» ставки принимаются по 300:1. Это значит, что в случае ее победы игрок получит 300 фунтов выигрыша на каждый поставленный фунт. Обычно букмекер выплачивает клиенту до 85% выигрыша, а 15% оставляет себе в качестве прибыли.
падения подброшенной монеты, мы отбрасываем ничтожную вероятность падения монеты на ребро. Однако при вычислении шансов это не имеет абсолютно никакого значения - этим результатом пренебрегут и подбросят монету еще раз.
Теперь попробуем подбрасывать сразу две монетки. В результате будут выпадать либо два «орла», либо две «решки», либо «орел» и «решка». Казалось бы, шанс каждого из этих результатов равен 1/3- Однако, подбросив две монетки 100 раз подряд, вы обнаружите, что два «орла» и две s «решки» выпали примерно по 25 раз, а | комбинация одного «орла» с одной «реш- В кой» - около 50. Значит, шансы для двух «орлов» и двух «решек» составляют при-мерно по 1 /4, зато ддя одного «орла» и од- а
Q Подбрасывая сразу четыре монетки, можно получить четыре «орла». Пять возможных результатов выпадают в 16 вариантах.
Наиболее вероятный из них - два «орла» -получается в шести вариантах.
ной «решки» - около 50/100 или 1/2. Почему же так получается?
Ответ легко найти, если взять одну медную и одну серебряную монетку7. Комбинация «орел-решка» может выпасть двумя способами: либо медный «орел» и серебряная «решка», либо наоборот. Иными словами, возможных результатов здесь не 3, а 4. Два из них дают комбинацию «орла» и «решки», и только по одному - два «орла» и две «решки». Вот почему комбинации «орел-решка» выпадают вдвое чаще, чем любая друтая. В этом случае шансы против двух «орлов» составляют 2:1 и столько же против двух «решек», тогда как у комбинации «орел-решка» шансы 1:1.
Перестановки
В случае с двумя монетами математик сказал бы, что существуют четыре возможные перестановки «орла» и «решки», но лишь в трех возможных сочетаниях. Иными словами, перестановка «орел-решка» не идентична перестановке «решка-орел», но обе составляют одно сочетание. Здесь нетрудно запутаться, так как в повседневной жизни эти слова применяются в другом значении. Цифровой замок, открывающийся комбинацией 1-2-3-4. не откроется, если набрать 1-3-2-4. Будучи одним математическим сочетанием, оба набора цифр являются разными перестановками. Так что правильнее назвать этот замок «перестановочным». Так же неправильно называют пермутацией, или «перм», сочетание цифр на футбольном купоне.
Общее число перестановок, получаемых при подбрасывании монет, можно вычислить, перемножив количества вариантов падения каждой монеты. Имея две монеты, мы получим 2x2 = 4 перестановки. С 4 монетами получится 2 х 2 х 2 х 2=16 перестановок.
Таким же способом можно просчитать число перестановок для игральных костей. Скажем, для двух костей их число равно 6 х 6 = 36, а для трех - 6x6x6 = 216.
Каков шанс того, что у двух первых попавшихся человек совпадут дни рожде-
Q Национальная лотерея приобрела в Великобритании огромную популярность после того, как парламент утвердил правила ее проведения. Однако шанс получить главный приз равен примерно 14 миллионов к одному.
0 На собачьих бегах гончие псы преследуют бегущую фигурку зайца. На один 30-секундный забег ставятся многие тысячи фунтов.
ния? Если пренебречь лишними днями високосных лет, тогда он равен 1/365-Иначе говоря, это весьма маловероятно. Если взять класс из 36 учеников, можно подумать, что шанс такого совпадения все еще невелик - примерно 36 из 365 или 1/10. Но, как ни удивительно, на самом деле он гораздо выше - 8:10 или 80%.
Единственной трудностью в таких задачах является большое число возможных перестановок. День рождения может совпасть у Джона и Мэри, у Мэри и Фреда или у любой друтой пары учеников. А в классе из 36 ребят существуют 630 возможных пар. Дело в том, что есть 36 вариантов выбора первого члена пары и 35 - второго. Перемножив 36 на 35, мы получим 1260 перестановок, но число сочетаний вдвое меньше этой цифры, так как, например, перестановки «Джон-Мэри» и «Мэри-Джон» являются одним сочетанием. Поэтому общее число сочетаний равно 1260/2 = 630. К счастью, вместо того чтобы рассматривать все эти варианты, нашу задачу можно решить проще. Рассмотрим вариант полного несовпадения дней рождения.
Если мы попросим всех учеников по очереди назвать свой день рождения,
Сумма
2
3
4
5 б
7
8
9
10
11
12
Возможные перестановки
Шансы Шансы
Способы за против.
1 1/36 35/1
2 2/36 17/1
3 3/36 11/1
4 4/36 8/1
5 5/36 6V2/1
6 6/36 5/1
5 5/36 6V2/1
4 4/36 8/1
3 3/36 11/1
2 2/36 17/1
1 1/36 35/1
то 364 шанса из 365 или 364/365 будут за то, что второй из названных дней не совпадет с первым. Шанс несовпадения третьего из названных дней с первыми двумя составляег 363 из 365, так как теперь могут совпасть уже две даты из 365. Продолжив до конца, вы обнаружите, что шанс несовпадения 36-го по счету дня рождения с остальными равен 330/365 или около 90%. Впрочем, шанс полного несовпадения дней рождения в классе можно вычислить, перемножив все эти дробные величины. Попробуйте сделать это на калькуляторе и увидите, что шанс полного несовпадения дней рождений равен примерно 20%.
Q Появление на свет близнецов может оказаться серьезным испытанием для семейного бюджета. Просчитав шансы рождения близнецов, страховые компании могут предложить страховой полис, покрывающий расходы в этом случае.
эп/Telegraph Colour Librar
00 При игре в кости в казино игроки одновременно выбрасывают две кости. 36 возможных перестановок позволяют набрать от 2 до 12 очков. Наиболее вероятная сумма - 7, так как ее можно получить шестью разными способами. Чем больше или меньше сумма очков, тем реже она выпадает.
А что в среднем?
Когда мы говорим о пятидесятипроцентной вероятности того, что что-то произойдет, мы имеем в виду, что это событие происходит в среднем в 50 случаях из 100. Но результаты даже нескольких несложных опытов могут говорить об обратном. Возьмем крайний случай. Подбросив монету всего один раз, мы получим либо стопроцентного «орла», либо стопроцентную «решку». Но, подбрасывая монету достаточно много раз, мы увидим, что процент «орлов» приближается к пятидесяти. Кое-кто ошибочно полагает, что этот факт помогает предвидеть события, зависящие исключительно от воли случая. Скажем, если «орел» выпал четыре раза подряд, то в очередной раз монета, скорее всего, упадет «решкой» вверх. Причина якобы в том, что ради сохранения золотой пятидесятипро-центпой середины «решка» просто необходима. На самом же деле в длинном ряду событий вряд ли найдется такая точка, где соотношение «орлов» и «решек» равнялось бы точно пятидесяти процентам, и речь идет только о цифре, вокруг которой оно будет колебаться. Но между расчетным и фактическим количеством «орлов» и «решек» обычно всегда есть небольшое расхождение. К примеру, четыре лишних «орла» в ряду из 1000 подбрасываний (502 «орла», 498 «решек») дадут результат очень близкий к пятидесяти процентам прогностических «орлов», который и будет рассматриваться как подтверждение расче-
тов. Правило же в том, что результат одного случайного события подобного типа не влияет на результат следующего. Такие события называют независимыми.
Не все события независимы. Например, шанс вытянуть карту' красной масти из обычной колоды в 5 2'листа равен пятидесяти процентам. Однако после этого в вашей колоде останется 25 красных карт из 51. Поэтому шанс вытянуть следующую красную карту составит теперь 25/51 или около сорока девяти процентов. Разумеется. если вынутую карту' каждый раз возвращать в колоду, то шанс вытянуть карту' любого цвета всегда будет равен пятидесяти процентам. В некоторых карточных играх опытные игроки могут постоянно выигрывать, цепко держа в памяти сброшенные
карты и оценивая шансы появления у них или у партнеров нужных им карт.
Букмекеры
В азартных играх ради наживы или удовольствия делаются ставки на определенный результат или событие. Не в силах бороться с искушением, некоторые люди просаживают за игорным столом баснословные деньги. Кое-кому', правда, удается сорвать куш, но большинство в конечном счете остается в проигрыше. Вот почему игорным бизнесом промышляют отдельные люди и целые компании ради прибыли, поступающей от клиентов. Букмекеры на скачках получают прибыль, предлагая на участников заезда ставки ниже (или выше) фактических. Скажем, если в забеге участвуют шесть абсолютно равных по силам гончих собак, шансы каждой из них на победу равны 1/6. Поэтому пра
00 Страховка может обеспечить выплату компенсации жертвам ограбления (вверху) или несчастных случаев (слева). Страховые компании просчитывают степень вероятности этих событий, и цены страховых полисов колеблются в зависимости от степени риска.
вильная ставка на каждого пса должна быть 5:1. Но букмекер предлагает только 4:1. Это значит, что поставивший на победителя получит обратно свои деньги плюс вчетверо больше. Если каждый из шести игроков поставит 100 фунтов на свою собаку: букмекер получит 600 фунтов. Какая бы из них ни победила, он выплатит только 500 фунтов, т. е. 100 фунтов ставки плюс еще 400. оставив в кармане лишнюю сотню.
Игра для простаков
На практике букмекер изменяет ставки в зависимости от суммы поставленных денег. Ставки на признанного фаворита будут постепенно снижаться, чтобы сократить выплаты в случае его победы. В то же время ставки на заведомых «слабаков» будут? повышаться, чтобы подстегнуть игроков. В конечном счете выигрывает букмекер, а игроки остаются в проигрыше.
На первых порах Британская национальная лотерея подвергалась суровой критике из-за совершенно ничтожных
КРИВАЯ НОРМАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
Данные, сообщенные мужчинами о своем росте, преобразованы в графическую форму и представлены в виде кривой. По ней можно судить о шансах присутствия в любой случайно подобранной группе мужчин определенного роста.
153-155 156-158 159-161 162-164 165-167 168-170 171-173 174-176 177-179 180-182 183-185
Рост в сантиметрах
шансов выиграть главный приз - примерно 14 миллионов к одному. Однако ее успеху во многом содействовала сама величина главного приза и тот факт, что немалая часть денег, внесенных за билеты, идет на благотворительные цели.
Страхование
Многие люди заявляют, что они решительно против любых азартных игр. Тем не менее, каждый из нас играет с судьбой на свой лад. Даже переход улицы сопряжен с известным риском, так как пешеходы иногда гибнут под колесами автомашин. Однако можно смягчить последствия несчастного случая, купив страховой полис. Страховка - это своего рода пари, которое мы надеемся проиграть. Иными словами, мы спорим со страховой компанией на то, что попадем в какую-нибудь беду. Если так и случается, мы выигрываем пари, и компания выплачивает компенсацию нам или ближайшему родственнику' в случае нашей смерти. Страховая компания, как заправский букмекер, получает прибыль, выплачивая по страховкам меньше, чем было собрано за проданные полисы.
О Многие организации получают нужную им информацию из опросов населения.
Показанная ниже нормальная кривая получена в результате перевода в графическую форму ряда усредненных показателей.
Навигация
Искусство кораблевождения включает в себя использование навигационных систем. Когда знакомые очертания берега исчезают, местоположение судна определяют по Солнц)' и звездам или сигналам маяков, радиостанций и радаров.
В древности путешественники, пересекая пустыни и моря, определяли направление по положению Солнца и звезд. Первыми карту звездного неба составили древние вавилоняне. Они заметили, что в северной части неба звезды, находящиеся вблизи оси Земли, почти неподвижны. Поэтому одну-такую яркую звезду, называемую нами Полярной, стали ис-пользовать для определи шя направления. ~
Компас
В XI—XII вв. европейцы стали применять t прибор для определения направления на | север - магнитный компас. Он состоит из | постоянного магнита, который закреп- S. лен таким образом, что может свободно поворачиваться. Под влиянием магнитного поля Земли магнит, выполненный чаще всего в виде стрелки, ориентируется в направлении север-юг.
Создание современного гирокомпаса стало возможным благодаря свойству подвешенного свободно вращающегося диска сохранять неизменным направление своей оси вращения. Однажды сориентированный на север, он только изредка требует незначительной коррекции. В
Q Современный корабельный магнитный компас с плавающим кольцевым магнитом. Курсовая черта показывает направление судна.
ф Главная часть гирокомпаса - это свободно подвешенный гироскоп с электроприводом.
Q Секстант, изготовленный в 1785 году.
СУДОВОЙ КОМПАС ГИРОКОМПАС
мостовая шарнирная опора
отличие от магнитного, гирокомпас не подвержен влиянию локальных возмущений магнитного поля.
Столетиями астрономы определяли координаты звезд и сводили данные в таблицы. Таблицы позволяли навигаторам определять географическую широту, т. е. измеряемое в градусах положение относительно экватора.
Простейший способ определения широты заключался в измерении угла между
Полярной звездой и горизонтом (т. н. высота Полярной звезды). Элементарный геометрический анализ показывает, что этот утол примерно равен широте местонахождения наблюдателя. Если Полярная звезда не была видна, то измеряли максимальную высоту какой-нибудь другой звезды и из таблиц определяли соответствующую
НАВИГАЦИОННЫЙ БУЙ
Q Карта глобального позиционирования используется как часть компьютерной навига-
широту. Одним из первых инструментов для измерения высоты звезды над горизонтом стала греческая астролябия. Этот прибор в форме диска держали в вертикальном положении, и поворачивали два его визирных отверстия до тех пор, пока они не оказывались на одной прямой с известной звездой. Затем по шкале определялся угол, под которым видна звезда. В дневное время навигаторы для определения широты измеряли максимальную высоту Солнца. Это положение Солнца указывало также на наступление полдня.
Один из способов кораблевождения заключался в том, чтобы плыть на север или на юг до тех пор, пока судно не достигнет необходимой широты. Затем путешествие продолжали, двигаясь на восток или на запад.
Долгота
Несомненно, вместо того, чтобы плыть вдоль двух сторон треугольника, гораздо быстрее плыть прямо к мес^ назначения. Вычислить необходимое направление не составляло труда, руководствуясь положением Солнца, звезд или показаниями магнитного компаса. Но ветер, приливы и те-
преобразующие
Q Самолетная
в электроэнергию. Конусы показывают, что буй установлен запад-
проверяет его положение на карте.
чения могли отклонить корабль от курса, и без средств точного измерения долготы -положения в градусах к востоку или западу от начального меридиана - было невозможно определить, где находится судно. Проблема точного вычисления долготы была решена в 1760 году7 столяром по имени Джон Харрисон. Он изобрел очень точные часы (хронометр), предназначенные для использования навигаторами.
Q «Циклоп» - компьютеризированная автомобильная навигационная система. На экране отображается карта местности, по которой движется автомобиль, что позволяет водителю в случае пробки выбрать альтернативный маршрут.
О Буи с солнечным питанием требуют минимального обслуживания. Для заряда их аккумуляторных батарей используются
Время и навигация Поскольку Земля вращается вокруг своей оси с запада на восток, время суток связано с долготой. Чем дальше на запад от долготы 0" (называемой нулевым, или Гринвичским, меридианом), тем позже наступает полдень. 'Гак как Земля делает полный оборот - 360" - за 24 часа, то местный полдень запаздывает на час при смещении на каждые 15" в западном направлении. Если ваши часы показывают всемирное время (ВВ), время на долготе 0", вы можете определить местный пол-
день и установить, на сколько он опережает или отстает от полдня по ВВ. На основании этой разницы несложно
вычислить долготу.
Сегодпя многие штурманы измеряют высоту Солнца и звезд над горизонтом при помощи точного визирного прибора, называемого секстантом, и определяют положение корабля, пользуясь радиосигналами точного времени.
Радары и радиолучи
В прибрежных районах лучи маяков и радиолучи радиостанций передают сигналы, сообщающие судам их местоположение. Для этих же целей широко ис-
пользуются сигналы навигационных спутников; точность определения местоположения при этом ±10 метров, а для
военных систем она еще выше.
Поезда
Когда возникает необходимость в перевозках пассажиров и грузов, те, кто планирует эти перевозки, не сомневаются, что лучший выбор - это поезд.
На знаменитых паровозах, из которых инженеры технологически выжимали максимум возможного, устанавливались рекорды скорости. Так, например, в 1893 г. в США на локомотиве «Нью-Йорк Сентрал» была достигнута рекордная скорость - 181 км/час. Однако для нормальной эксплуатации такая стремительность была непрактична. Новые технологии, сменившие пар, изменили характер большинства железных дорог мира.
Тепловозы никогда не были такими
величественными и, конечно же, такими любимыми, как грандиозные паровые гиганты, но их дизельный двигатель имеет свои преимущества перед паровым. Для парового двигателя требуется время, чтобы довести воду до точки кипения. Дизельный начинает работать сразу после включения и так же легко выключается. Дизель легче в обслуживании, его топливо в четыре раза эффективнее, чем дрова или утоль.
Дизель-электрические локомотивы
Дальнейшим усовершенствованием дизельного локомотива является дизсль-элс-ктрический локомотив, в котором дизельный двигатель приводит в движение электрический генератор. Генератор снабжает
энергией тяговый электродвигатель на осях локомотива. Британский дизель-эле-ктрический поезд «Интерсити-125» наиболее быстрый в своем классе: его коммерческая скорость составляет 200 км/ч. Локомотиву этой конструкции принадлежит также мировой рекорд скорости - 257 км/ч.
Электрификация
На современных железных дорогах на-
«Станир коронейшн» типа 4-6-2, 1938 г.
блюдается тенденция к электрификации. Электропоезда проще в принципе, более удобные в эксплуатации и меньше загрязняют окружающую среду, чем дизельные и дизель-электрические. Существует две системы подачи электроэнергии к поездам. По одной системе, ток поступает в контактный провод, подвешенный над
рельсовым путем, и снимается скользящим токоприемником, укрепленным на приспособлении под названием пантограф. По другой системе, ток подается по третьему рельсу, уложенному на земле вдоль пути, и снимается комплектом щеток, или лыжей, токоприемника. В обеих системах электрическая цепь замыкается через ведущие колеса и рельсы.
Электропоезда широко используются
и железные дороги
«Мидленд компаунд» типа 4-4-0
«Маллард», 1935 г.
«Интерсити» - 225, 1990 г.
как на коротких маршрутах, так и на линиях дальнего следования. Их преимущества состоят в низких уровнях загрязнения окружающей среды и шума, что особенно важно в городских условиях. Эти поезда имеют также большой потенциал для усовершенствования. Одна из разрабатываемых систем будущего предусматривает создание эффективных, экономичных, легких вагонов по типу автобусов, сцепляемых вместе для междугороднего сообщения. По прибытии в город отдельные отцепленные вагоны могут продолжать движение по местным, менее скоростным маршрутам, нс высаживая пассажиров.
Системы управления
Системы управления и сигнализации называются блокировкой. В пределах железнодорожной сети по соединяющимся или пересекающимся путям с разной скоростью одновременно движутся сотни поездов. Обслуживание на местных станциях и грузовые перевозки не должны мешать движению междугородных экспрессов, даже если при этом используют-
© На снимке -«Люфтганза аэропорт экспресс», немецкий вариант сверхскоростного электропоезда.
0 Вид из кабины машиниста «ТГВ Атлантики. Дисплей на пульте связан с постом управления.
Q «ТГВ Атлантики, совершающий рейсы из Парижа на север, до тоннеля под Ла-Маншем, значительно сократил их продолжительность.
О Новый французский «ТГВ Атлантики (TGV, Train a Grande Vitesse), развивающий скорость 300 км/ч, управляется с центрального поста в Париже. Конструкция поезда обеспечивает пассажирам максимальный комфорт в пути.
ся участки одних и тех же путей. Все это обеспечивается при помощи диспетчерского центра, местных операторов, электрических и электронных схем.
Начальник дистанции сигнализации, централизации стрелок и сигналов и блокировки (СЦБ) совместно с инженером-диспетчером следят за прохождением поездов и управляют их движением по железнодорожной сети. На современных сетях машинист и проводник поддерживают связь с сигналистами либо по радио, либо при помощи промежуточных телефонов. Но основу системы составляют датчики, приводы и цепи, объединенные в логическую схему централизации.
На некоторых устаревших железнодорожных сетях промежуточные приводы срабатывают механически в момент прохождения поезда. Таким образом зеленый сигнал, например, может измениться на красный. Эта система хорошо работает при малых скоростях, но под динамичес-ким воздействием экспресса выключаю щий механизм может развалиться на час-ги. Следовательно, возникает необходи
Сварка
Часто сварка - это захватывающее зрелище: ревущее газовое пламя или яркая электрическая дуга и водопад иаф. Однако для этой цели могут применяться лазерный луч, ультразвук или просто используется сила трения.
Обычно сварка означает соединение двух металлических деталей путем их нагрева. При этом происходи'!' плавление их поверхностей и взаимопроникновение. После прекращения нагревания они затвердевают, обеспечивая прочное сцепление. Иногда для большей прочности в месте соединения дополнительно наплавляют металл, в других случаях применяют давление и нагрев.”
Газовая сварка
При газовой сварке соединяемые поверхности плавят пламенем горелки, сжигая смесь горючего газа (ацетилена или пропана) с кислородом. Кислород и горючий газ подают в сварочную горелку из отдельных балло-
Q Дуговая сварка плавящимся электродом применяется здесь для сварки нижней части газовых отражательных перегородок в атомных реакторах с газовым охлаждением. Дуга создает температуры до 20 000°С.
нов. Температура пламени достигает ЗООО’С, что достаточно для плавления стали и многих других металлов. Обычно в пламя помещают толстую проволоку (присадочный металл) для дополнительной наплавки.
На некоторых производствах свариваемые металлические детали отрезают по размеру непосредственно перед сваркой. Ацетилснокислород-ная сварочная горелка может использоваться и для резки материалов, в частности стали и чугуна. При этом происходит как расплавление этих
О Выполнение сварного шва на трубе с помощью ацетиленокислородной горелки. Темные очки защищают глаза сварщика от ослепительно яркого света раскаленного докрасна металла, а также от снопа горячих искр.
черных металлов пламенем высокой температуры, так и их частичное сжигание. Горение - это химический процесс, при котором горячий металл соединяется в струе газа с кислородом, образуя окисел. Сила пламени выдувает расплавленный и окисленный металл, оставляя разрез относительно чистым.
Пайка твердым припоем
Газовые горелки применяют и при пайке твердым припоем, когда соединяемые металлы нагреваются пример-
неплавящийся ...
электрод^
* jfg Ош
поток __ЖЦ •'..
газа f X
ИЗ ОТ- I
верстия
медное сопло (защитный
охлаждающая металл шва вода (наплавленный -------плазма
металл)
сварочная ванна
ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА
но до 400°С, а цветной присадочный металл плавится прямо в линию спая. При этом точка плавления присадочных металлов должна быть несколько ниже, чем у соединяемых металлов.
Для простейшего вида такой пайки нужна горелка, подобная используемой при газовой сварке. Пайка серебряным припоем широко применяется при изготовлении серебряных изделий, а также для соединения других металлов, когда требуется большая прочность, в том числе ударная (например, в местах крепления полотна ленточной пилы). Присадочные металлы содержат 10-80% серебра, 50-15% меди и 40-5% цинка. Точка плавления такого серебряного припоя 700-875°С, в то время как мягкий оловянно-цинковый припой (используемый для выполнения соединений в электронных схемах) плавится при температуре 200°С и ниже.
Электродуговая сварка
При дуговой сварке требуемое тепло создает электрическая дуга между электродом и свариваемой деталью. Эта дуга - не что иное, как электрический разряд, сопровождаемый движением электронов. Полученное тепло заставляет газ в районе дуги расширяться, терять плотность и подниматься, выгибаясь посередине дугой. Отсюда и название - «дуговой разряд». Электрод сварочной машины обычно является катодом (отрицательным электродом). Его подсоединяют к отрицательному полюсу источника постоянного тока, и электроны перетекают от него но дуге на свариваемую деталь, играющую роль анода (положительного электрода). Температура внутри дуги может достигать 20 000°С, и значительная часть тепла переносится электронами к месту сварки.
При ручной дуговой сварке элект-рододержатель подсоединяют к одному полюсу источника электропитания, а обрабатываемую деталь -к другому. Можно использовать источник переменного или постоянно-
0 При газовой сварке тепло получают, сжигая в кислороде горючий газ (например, ацетилен). При сварке под флюсом дуга образуется под слоем флюса, защищающего металл от окисления. При плазменной сварке газ проходит через узкое сопло, при этом сужается дуга и возрастает скорость газа. В лазерной сварке и резке используют мощный луч видимого света или ИК-излу-чения. Так как это излучение мы не можем видеть, для безопасности иногда добавляется видимый луч.
Q Крупный план мундштука лазерной сварочной горел-ки/резака.
Q В ацетиленокислородном сварочном аппарате ацетилен и кислород подаются в горелку из отдельных баллонов. Давление регулируется вентилями.
го тока. Как правило, стержень электрода делают из сварочной проволоки длиной 35 или 45 мм, покрытой флюсовым слоем. Включив источник питания, электрод в держателе подносят к свариваемой детали так. чтобы между ними возникла электрическая дута. Образующееся при этом тепло плавит металл на стыке и на рабочей части электрода. В результате металл и флюс переносятся дугой с электрода на обрабатываемую деталь.
Сварка в газовой среде
От ряда недостатков ручной сварки позволяет избавиться дуговая сварка плавящимся электродо.м в среде защитного газа, включая сварку в среде инертного газа и в среде углекислого газа. Вместо покрытого флюсом короткого электрода здесь используется постоянная подача сматываемой с катушки проволоки. Она проходит через мощный сварочный пистолет и окружена поступающим из баллона газом или газовой смесью.
Газ защищает сварной шов от окисляющего воздействия атмосферы. В этом случае проволока служит анодом, чтобы после возникновения дуги между нею и свариваемой деталью большая часть тепла переходила
с дуги на проволоку. Металл проволоки' быстро плавится и передается на деталь, при этом режим передачи зависит от величины сварочного тока. Например, при токе 30 А и более мощные силы быстрее перемещают капли металла с конца проволоки на свариваемую деталь. Эти силы, возникшие в результате взаимодействия движущихся' заряженных частиц и соответствующих магнитных полей, называются магнитогидродинамическими. Они способны преодолеть силу тяжести, поэтому сварку расположенных вверху конструкций можно производить снизу.
При дуговой сварке используются такие газы, как аргон, гелий, ар'гоно-гелиевая смесь и углекислый газ. Инертные газы аргон и гелий дают более чистый сварной шов, чем в случае защиты углекислым газом, но их стоимость намного выше. Высокой чистоты шва можно добиться и без применения дорогих газов, если заменить твердый электрод трубчатым электродом, наполненным флюсом. Эта т. н. порошковая электродная проволока в зависимости от состава флюса может использоваться в среде углекислого газа или же вообще без газовой защиты. Опа обеспечивает большую наплавку металла при меньшей подводимой теплоте, что уменьшает риск деформации свариваемой детали. Кроме того, трубчатые электроды позволяют производить сварку на открытом воздухе без легко сдуваемой ветром газовой защиты.
Электродная проволока также применяется в дуговой сварке под флюсом. В этом 'случае на специальной каретке устанавливаются одна или
0 Эти водолазы ремонтируют подводный трубопровод. Они могут использовать пламя под водой благодаря подаче кислорода для горения горючего газа.
О Сварка широко применяется в строительной промышленности для сооружения стальных каркасов для небоскребов. Переносное оборудование позволяет выполнять работу в любом месте.
ф На сборочной линии современного автомобильного завода управляемые компьютером роботы производят точечную сварку панелей кузова. В прошлом эта работа выполнялась вручную.
несколько сварочных головок. Из расположенного перед электродом бункера на свариваемую деталь подастся флюс, и электрическая дуга образуется под его неплотным слоем.
Вольфрам и плазма
Другой важный вид дуговой сварки -сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа, когда тепло генерируется при образовании дуги между неплавящимся вольфрамовым электродом и свариваемой деталью. Струя газа (аргона или гелия) защищает электрод, дугу, сварочную ванну и соседние нагреваемые участки детали от окисления.
Такой способ оптимален при сваривании топких материалов. Он часто применяется для получения автогенных соединений, когда сплавляются только две прилегающих поверхности детали без присадочного металла. Иногда используют отдельную присадочную проволоку, подаваемую в сварочную ванну вручную. Сварка вольфрамовым электродом находит все большее применение в ядерной технике и аэрокосмической промышленности.
Плазменная сварка аналогична сварке вольфрамовым электродом в среде инертного газа, но используемая при этом энергия может быть в несколько раз больше (часто около 10 кВт но сравнению с 1 кВт при сварке в среде инертного газа). Есть еще одно отличие: при плазменной сварке расположенное непосредственно под электродом узкое сопло фокусирует дугу и увеличивает скорость подачи газа, также проходящего через это сопло. Газ превращается в плазму - ноток заряженных частиц температурой
Q Сварочная микроустановка снята во время работы с использованием волоконно-оптического прибора - световолоконного эндоскопа (фиброскопа).
до 30 000°С. Такая высокая температура дуги позволяет сваривать ряд различных металлов, включая нержавеющую сталь, алюминий и титан. Кроме того, этот способ применим для сварки как толстых, так и очень тонких материалов без порчи последних.
Сварка давлением Существуют разные способы сварки, где используется давление. При сварке трением, применяемой для соединения труб, их поверхности трут друт о друга для получения большого количества тепла, необходимого для сваривания. Сварка взрывом подобна предыдущему способу, ио проходит быстрее, и тепло выделяется в результате механического удара, например, молота. Кузнечная сварка (обычный способ ковки, применяемый кузнецами) производится на уже разогретом и размягченном молотами металле.
Сварка давлением применяется также для соединения пластмасс с использованием ультразвуковых волн для местного нагрева. Однако наиболее важный вид сварки давлением -
электрическая контактная сварка.
Контактная сварка
Тепло для контактной сварки получают, пропуская ток через рабочую деталь. Стержни, служащие проводящими ток электродами, охлаждают водой, чтобы рассеять большую часть получаемого тепла и ограничить плавление только свариваемыми участками. При этом нет расхода металла, и не требуются флюсы или газы. Но для крупных узлов часто нужен источник питания,’дающий ток величиной до 50 000 А. При контактной точечной сварке детали соединяют, сваривая небольшие участки поверх-
О При сварке трением одну из поверхностей вращают с высокой скоростью, чтобы место соединения от трения разогревалось. Этот метод применяется для сварки деталей, испытывающих сильные воздействия, -например, ведущий вал автомобиля.
ности. Этот вид сварки применяется главным образом при изготовлении кузовов автомобилей и бытовых приборов, таких как стиральные машины.
Контактная шовная сварка При контактной шовной (или роликовой) сварке детали соединяются непрерывным швом, а не рядом сварных точек, как при точечной сварке. Электроды, пропускающие ток на свариваемые детали, представляют собой пару колесиков, прокатываемых вдоль линии соединения. Такой вид сварки применяется, например, для изготовления труб и приваривания дождевого желоба к панели крыши автомобиля.
Сварка электронным лучом - высокомощный недуговой способ, при котором пучок электронов формируется в вакуумной камере. Электроны перемещаются с большой скоростью с катода на анод. Благодаря отверстию в аноде электроны проходят сквозь него. Затем электронный луч сужается заряженными пластинами для концентрации энергии. Так мож
вращаемая поверхность
. j W при остывании сварного шва вращение прекращается, а давление поддерживается
но получить мощность луча от 10 до 100 кВт при его диаметре всего 0,1-0,5 мм. Интенсивность луча в точке его падения на поверхность настолько велика, что позволяет добиться большой глубины провара. В мягкой низкоуглеродистой стали получали сварные швы толщиной до 200 мм. Поскольку эти швы глубокие и узкие, не происходило деформации, характерной для случаев, когда ширина шва превышала его толщину. Этот способ имеет одно основное ограничение: его нужно осуществлять в вакуумной камере, хотя сегодня уже разрабатываются системы с формированием электронного луча в атмосфере.
Лазерная сварка
Особые сварные швы можно получить с помощью твердотельных рубиновых лазеров. Они испускают короткие импульсы красного света, имеющие иногда пиковую мощность в десятки мегаватт. Такие лазеры применяются для мелких сварочных работ, обычно для микроминиатюрных элементов, требующих в целом небольшое количество тепла. Иногда луч лазера пускают через стеклянную стенку7 в вакуумный резервуар. Когда лазер'испускает видимый луч, относительно легко производить сварку внутри стеклянного сосуда; в таких случаях вместо рубинового лазера часто используют меньший по размерам, по более эффективный вид лазера, где применяется материал алюмо-иттриевый гранат ниодимия.
Не так давно был разработан мощный лазер на диоксиде углерода, создающий постоянный пучок инфракрасного излучения мощностью до 20 кВт. Лазеры па диоксиде углерода обеспечивают сварку7 стали толщиной 13 мм со скоростью 1,3 м/мин. при размере точечного шва около 0,5 мм. Их используют в разных производственных процессах, но чаще всего для резки и формования металлов и пластмасс.
СВАРКА ТРЕНИЕМ
384
см. также
Наука и техника 7 - НЕБОСКРЕБЫ Наука и техника 68 - ЖЕЛЕЗО И СТАЛЬ I
мость в других способах передачи информации от поезда к рельсам, чтобы обеспечить безопасное расстояние между поездами, находящимися на одном пути.
Зависимая блокировка - это испытанная, надежная, широко применяемая сис-I тема. По этой системе железнодорожный 1 путь делится на блок-участки, т. е. отрезки длиной около 2,5 км каждый. Одновременно на участке может находиться только один поезд. Вход поезда на участок и выход из него регулируются сигналами, которые управляются либо вручную, либо автоматически.
Централизованное управление
Система автоматического централизованного управления и промежуточное оборудование (стрелочные остряки, сигналы, датчики) составляют электронную логическую цепь. Система обеспечивает минимальное расстояние между поездами. Кроме того, применяется такое предохранительное средство, как автостоп. Если машинист по какой-либо причине нс остановил поезд перед красным сигналом, автостоп автоматически приведет в действие тормозное устройство.
Прохождение поезда через блок-участок фиксируется с помощью электрического тока, пропускаемого между рельсами и колесами. При входе поезда на участок на соседних участках включаются предупредительные сигналы, которые остаются включенными до выхода поезда из данного участка. Метод использования рельса | для прохождения информации между поездами и диспетчерами положен в основу
наиболее совершенной системы управления движением на железной дороге - диспетчерской централизации. Она включает в себя много передовых технологических систем, таких как автоблокировка и централизация стрелок и сигналов. Диспетчерская централизация применяется для управления огромной сетью железных дорог и регулирования движения большого количества поездов, что обеспечивает большие скорости и безопасность перевозок. Каждый поезд имеет порядковый номер, который высвечивается па электронном табло, показывающем схему путей и позиции всех поездов в пределах системы.
Транспортировка грузов
Большинство сигналов и стрелок железнодорожной сети управляются из центрального пункта управления. Здесь операторы наносят на схему путей маршруты для всех перевозок и управляют дви-
жением поездов, устанавливая сигналы и стрелки для каждого маршрута. Затем управление берет на себя автоматическая система. Она настолько безопасна и эффективна, что, используя ее, некоторые железные дороги обходятся одним путем. Когда два поезда сближаются на одном и том же пути, операторы диспетчерской централизации переводят один поезд на запасной путь, а другой пропускают.
Пассажирские перевозки - это только один аспект работы железной дороги. Такими же важными, а часто и более прибыльными, являются маршрутизация и
перевозки грузов. Россия, за которой следуют США и Китай, занимает ведущее место в мире по грузообороту и дальности перевозки грузов. А в Соединенных Штатах действуют некоторые из наиболее совершенных систем транспортировки грузов с широким применением компьютеризации. Одна из таких систем предусматривает составление компьютерного плана рейса для каждого вагона. Выполнение плана контролируется по мере прохождения вагона в составе поезда от пункта отправления до пункта назначения. На сортировочных станциях вагоны сортируют и меняют их маршруты в зависимости от типа вагона, груза и пункта назначения. На горизонтальных сортировочных станциях поезда формируются при помощи локомотивов. Станции с сортировочными горками, с которых вагоны спускаются под влиянием собственной тяжести, значительно эффективнее и весьма ускоряют работу7. Фотоэлектрические датчики опознают вагоны по их прибытии на станцию.
На сортировочной станции каждый прибывший вагон выталкивают на горку
Криминалисты
В тот самый момент, когда вы читаете эту статью, где-то совершается тяжкое преступление. Однако малейшего оставленного на месте следа для полиции может оказаться достаточно, чтобыустановить личность преступника.
Полиция может установить и задержать преступника, располагая лишь каплей его крови, волоском или отпечатком пальца.
Хотя частицы пыли, крови или краски, волокна, осколки стекла и волоски служат для полиции неоценимыми уликами, криминалистам часто приходится решать сложнейшую головоломку, если на месте преступления побывало много людей, ибо следы преступника могут затеряться в путанице чужих следов.
Отпечатки пальцев
Много веков назад отпечаток пальца заменял подпись тем, кто не знал грамоты. Но, хотя у разных людей узоры кожных бороздок на пальцах' явно отличались друг от друга, лишь в 1892 г. с их помощью начали доказывать совершение преступлений. Впрочем, первые дактилоскопические картотеки преступников появились несколько раньше.
В 1880 г. один научный журнал опубликовал письмо,' предлагавшее использовать отпечатки пальцев в целях установления личности. В ответ чиновник английской администрации в Бенгалии Уильям Хершел сообщил, что уже применяет этот метод для идентификации заключенных. Обстоятельно изучив проблему7, английский ученый Фрэнсис Голтон обнаружил, что узоры папиллярных линий столь же индивидуальны, сколь и неизменны. Как оказалось, они не передаются от родителей к детям и не одинаковы даже у близнецов. Обнародование этих открытий привело к признанию отпечатков пальцев в качестве улик в уголовном судопроизводстве.
В 1892 г. некая Фраисиска Рохас впервые была осуждена на основании дактилоскопической экспертизы. Она обвинила соседа в убийстве ее детей, но после того, как полиция нашла на дверном косяке кровавые отпечатки ее пальцев, признала свою вину. Тогда пришлось вырезать и направлять на экспертизу фрагмент косяка. Сегодня же хорошо различимые отпечатки просто фотографируются.
Скрытые (латентные) отпечатки
О Отпечаток пальца с пистолета переносят на пленку для сравнения с полицейской картотекой.
Компьютерная система «Принтрак» (на врезке) сличает отпечатки пальцев с данными картотеки,
часто позволяя
О По наличию в эритроцитах особых веществ - антигенов -различают 4 группы человеческой крови. Эритроциты крови II группы содержат антигены типа А;
III группы - антигены типа В; а IV группы -А и В. В эритроцитах крови 1(0) группы оба антигена отсутствуют.
в считанные часы установить личность и арестовать преступника.
В Великобритании для признания отпечатка уликой необходимо совпадение с образцом, как минимум, по 16 деталям.
Учитываются основные элементы узора папиллярных линий - петли, дуги, завитки - и их взаиморасположение.
потных пальцев выявляются после обработки предметов алюминиевым порошком. Затем они фотографируются либо снимаются путем наложения кусочка клейкой ленты, которая прикрепляется к регистрационной карточке. Следы на блестящих поверхностях легки в обработке, а для снятия отпечатков с бумаги, одежды и кожи разработаны специальные технологии.
Отпечатки ладоней, пальцев ног и даже носа служат таким же верным «паспортом», как отпечатки пальцев. Правда, преступник может надеть перчатки, но характерные следы ткани или рисунка кожи тоже пригодятся для розыска.
Фрагменты
Работу ученых детективов называют криминалистической экспертизой. Их задача - установить, совпадают ли фрагменты данного вещества с материалами, имеющими отношение к подозреваемому. Образцы волокон одежды или обивки, взятые с места преступления, одежды или из дома подозреваемого, изучаются под микроскопом, чтобы определить источник их происхождения. Если они идентичны по фактуре, химический состав красителей определяется методом хроматографии. После этого образцы сличаются по всем параметрам. Любопытно, что все эти исследования проводятся на одной-единственной ниточке, найденной па месте преступления.
После химического анализа кусо
Наука в техника 124 - ПОДСЛУШИВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА~|
394
ГЕНОМНАЯ ДАКТИЛОСКОПИЯ
2
По крохотному фрагменту материала - волоску или капле крови - можно безошибочно установить личность человека. В данном примере геномной дактилоскопии из капли крови (1) выделяется ДНК (2). Нить ДНК изолируется (3), химически разделяется на отдельные фрагменты (4) и переводится на нейлоновый листок (5). Характерные для индивидуума элементы ДНК помечаются радиоактивным веществом (6) и образуют на рентгеновской пластинке (7) рисунок, похожий на «штрих-код» (8). Полученный геномный отпечаток так же уникален, как и отпечаток пальца.
чек отслоившейся краски тоже может послужить важнейшей уликой. К примеру,' фрагмент автомобильной краски состоит из грунтовки и нескольких красочных слоев, которые можно разглядеть под микроскопом. Результаты анализа сравниваются с образцами различных производителей, и с помощью этой методики полиция часто может определить марку, модель и цвет причастного к преступлению автомобиля.
Обнаруженные пятна крови тоже могут многое поведать о том, что произошло. По форме пятен можно судить, была ли нанесена рана прямо на месте преступления или же раньше и в другом месте. Кроме того, кровь можно классифицировать по ряду биологических свойств. Примерно у 47% населения Великобритании группа крови 1(0), у 42% - группа П(А), у 8% -группа 111(B) и у 3% - группа IV(AB).
Геномная дактилоскопия
Определение группы крови найденного образца часто помогает полиции сузить крут подозреваемых, но доказать, что данная кровь принадлежит конкретному лицу, этот метод не может. Для этого эксперты-криминалисты должны прибегнуть к так называемой геномной дактилоскопии.
Геномная дактилоскопия устанавливает личность человека путем анализа и сравнения структуры'ДНК тканей его тела. Клетки для анализа бе- I рутся из образцов крови, кожи, слю- £
ны или спермы. Клетки каждого человека уникальны по структуре, поэтому идентичные образцы’ непременно принадлежат одному лицу.
Геномная дактилоскопия была впервые применена при осуждении преступника в 1987 г., и с тех пор многие приговоры были вынесены на основании этого метода. В одной ресничке, оставленной на месте преступления, содержится вся генетическая информация, необходимая для идентификации человека.
Т «ц,»
4.
О Обнаруженные на месте преступления объекты подвергаются тщательному анализу. На покрытом кровью орудии убийства может быть обнаружен отпечаток пальца (вверху). До начала исследования найденные материалы разделяются на разные категории (врезка внизу) -г; например, волоски = ? и искусственные г: волокна.
Борьба с огнем
Нет на свете более страшного убийцы и разрушителя, чем огонь. Но, вооружившись новейшей противопожарной техникой и химикатами, человечество хорошо подготовилось к борьбе с этим грозным противником.
Пожарный автомобиль - это обычно автоцистерна с 9- или 15-метровой выдвижной лестницей, везущая 1365 л воды. Этот запас используется лишь в том случае, если поблизости нет другого ее источника. В сельской местности воду нередко качают насосами из ближайшего водоема. При хорошем водоснабжении современный пожарный автомобиль способен подавать до 4000 л воды в минуту.
Пылающий ад
Еще один стандартный тип пожарного автомобиля — это поворотная лестница. Она вращается вокруг своей оси и поднимается на высоту до 33 м. С ее помощью пожарные спасают людей в высотных зданиях или подают воду для тушения пламени. Иногда вместо лестницы используется гидравлическая платформа на вершине коленчатого подъемника. На огражденной платформе помещается до 4 пожарных. Закрепленным на ней стволом управляют либо находящиеся здесь пожарные, либо оператор на земле. К вспомогательным автомобилям относятся
воздушно-пенные, штабные, перевозящие оборудование, инструменты, лебедки и сухие порошковые смеси для тушения пожаров, которые невозможно загасить водой. Все эти автомобили оборудованы
Q Во всем мире пожарные автомобили окрашены в красный цвет, который делает их особенно заметными при срочном выезде. Громкая сирена заставляет других участников движения уступать им дорогу.
0 Покрытый алюминиевой оболочкой асбестовый костюм позволяет пожарному забраться в самое пекло. Костюм оберегает от огня и жара. Глаза скрыты светозащитной маской.
проблесковыми маячками, сиренами и радиосвязью.
Огню требуются горючее, высокая температура и кислород. Мощные водяные струи под высоким давлением сбивают пламя, а спринклерные системы под низким давлением заливают саму базу возгорания. Однако не всякий пожар можно затушить водой. Горящая нефть или бензин просто плавает на ее поверхности Крайне опасно тушить водой и горящую электротехнику', так как вода хороший проводник тока А если плеснуть водой на некоторые металлы, то они вспыхнут еще сильнее.
Горючие жидкости обычно гасят пеной. Автоцистерны часто загружаются бочками с пенной жидкостью, которая, проходя через пожарный рукав, смешивается с воздухом. На земле устанавливают лафетные
ОГНЕТУШИТЕЛИ
стволы, выбрасывающие струи пены на 20 с лишним метров. Некоторые пенные установки оснащены огромными вентиляторами, выдувающими пену через широкие рукава, и способны добраться до самых недоступных мест.
Применяются несколько разновидностей пены. Стандартная пена с низкой кратностью (показателем расширения) плотна и тяжела. Несмотря на высокую эффективность, она плохо растекается и трудна в применении, так как не течет по рукаву ровным потоком.
В январе 1991 г. перед концом войны в Персидском заливе иракцы подожгли в Кувейте около 700 нефтяных скважин. Всю страну окутал густой дым, содержавший вредные для людей и животных вещества - углеводороды, двуокись серы, оксиды азота и частицы свинца.
Чтобы лишить огонь доступа к кислороду, в устьях скважин подрывали бочки динамита - взрыв создавал вакуумный эффект. Пламя сбивали струей газов из сопла реактивного двигателя. К декабрю все пожары были потушены.
В зависимости от наполнителя огнетушители обозначаются разными цветами.
Жидкостный гасит горящую бумагу, дерево и текстиль; пенный - горючие жидкости; углекислотный (СО2) и ВСF- горючие жидкости, газы и электрооборудование;
порошковый - большинство типов огня.
Q Чтобы поддержать профессиональную сноровку, пожарные проводят регулярные учения. Это дело требует четкого взаимодействия бойцов расчета и абсолютной надежности техники. Но при всем ее совершенстве главное в этой опасной работе - мужество пожарных.
Пена на основе моющих средств легка и быстро распространяется, особенно на жидких поверхностях. Ес применяют при наземном тушений горящих жидкостей или твердых материалов.
Воздушно-механическая пена применяется для тушения горючих испарений. Образуясь при смешивании воды с поверхностно-активными веществами и фторуглеродами, она растекается по поверхности горящей жидкости, оставляет на ней непроницаемую пленку'.
Пена с высокой кратностью идеальна при тушении пожаров в закрытых помещениях. Она выдувается из рукава в виде массы мелких пузырьков.
Лесные пожары
Погасить лесной пожар очень трудно, если не пройдет сильный дождь. В 1982 г. лесной пожар на острове Борнео охватил 36 000 км-’, уничтожив лес на площади 13 500 км-. Он свирепствовал 10 месяцев.
Сухим летом 1988 г. в Йеллоустонском
национальном парке в штате Вайоминг (США) от ударов молнии вспыхнул и быстро распространился пожар. Обычный метод борьбы с огнем - залив пламени с самолетов - ничего не дал. Пожарные вырубали и выжигали в лесах широкие просеки, чтобы лишить подпитки надвигающийся огонь. Когда в октябре 1988 г. пожар утих, около 400 км-', почти половина парка выгорела дотла.
Небывалые пожары вспыхнули на Рождество 2001 г. в Новом Южном Уэльсе (Австралия). В борьбе со стихией участвовали свыше 200 тысяч человек. Канадские пожарные предоставили в помощь специальный вертолет фирмы «Эриксон», способный нести 9 тонн воды
для тушения пожаров, однако после целой недели отчаянных усилий огонь продолжал бушевать более чем в 100 местах. Число жертв удалось свести к минимуму, ио материальный ущерб был огромен: выгорело 2200 км’ земли, было уничтожено множество ферм, а на
восстановление популяций животных и растений понадобится 15 лет.
Пожар на буровой скважине Для тушения пожара на буровой скважине вышку сносят взрывом, пламя подавляют водой, а затем к устью скважины на длинной штанге подводят заряды нитроглицерина. При подрыве зарядов газ и кислород уносятся воздушными потоками, не оставляя пищи огню. На морских буровых платформах пламя гасят мощными струями морской воды со специальных пожарных судов.
Когда в апреле 1986 г. в СССР взорвался 4 й реактор Чернобыльской АЭС, начался сильнейший пожар. От жара активной зоны реактора - до 2700°С - вода мгновенно превратилась в радиоактивный нар, дождем хлынувший на пожарных. Огонь удалось погасить лишь после того, как на горящий энергоблок сбросили с вертолетов около 5000 т песка, глины, свинца и бора.
см. также
ВОДОСНАБЖЕНИЕ Наука и техника I 17-НАСОСы]
12 ПОЕЗДА И ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ
ЛОКОМОТИВ «ШИНКАНСЕН ТАИП-200»
Кондиционер-снегоочиститель
Аппаратура автоматического управления
Кондиционер
Пантограф
для расцепления и взвешивания, а затем спускают на определенный путь, где формируется поезд. Компьютер регулирует скорость спускаемого вагона с помощью встроенного в путь вагонного замедлителя. В результате сила столкновения с другим вагоном оказывается не больше, чем нужно для того, чтобы сработал механизм автосцепки.
Компьютер сортирует грузы в соответствии с конечным пунктом назначения, так что дополнительной сортировки по пути следования сформированного поезда не требуется. Таким образом, от загрузки до доставки вагон можно перевести на любое количество линий и включить во многие составы. Все этапы продвижения
ф Во всем развитом мире компьютерные автоматы по продаже билетов означают, что пассажирам не нужно выстраиваться в очередь.
Q Японский поезд HSST с комфортом перевозит пассажиров за 14 минут на расстояние в 65 км со скоростью 192 км/ч.
вагона контролируются, а данные о результатах контроля поступают в национальный компьютер, доступ к которому имеет любой, кому необходимо проследить за передвижением груза.
Поиски новых, более совершенных типов тяги начались вскоре после изобретения паровоза. В одной из предложенных систем - «Атмосферик драйв» - поезд приводился в движение давлением воздуха на поршень, который перемещался в большой трубе, проложенной на пути.
(маглев). В этом случае магниты удерживают поезд над путем, что обеспечивает чрезвычайно плавный и тихий ход. При отсутствии контакта поезда с рельсами для его движения требуется специальный привод. Поэтому на поездах типа «маглев» установлены линейные асинхронные электродвигатели, которые приводят поезд в движение при помощи силы магнитного поля.
На одном из поездов типа «маглев» используется система электромагнитной подвески. Электромагниты монорельсо-ного поезда расположены ниже магнитов пути. Под воздействием напряжения магниты поезда притягиваются вверх, к магнитам пути, приподнимая поезд над его поверхностью.
Одновременно продолжительность железнодорожных рейсов сокращают путем усовершенствования старых технологий.
см. также
| Наука и техника 13 - ПАРОВЫЕ ДВПГАТЕЛ111
Фотокопирование
Механизм работы
1. зарядка барабана
2. проецирование изображения
Барабан фотокопировального аппарата заряжается (1), проходя под высоковольтной зарядной планкой. Вращающееся зеркало сканирует документ и проецирует его изображение через линзу и фиксированное зеркало на барабан (2). С освещенной части барабана заряд стекает, оставляя заряженной часть, соответствующую изображению. Сухой тонер прилипает к заряженной поверхности (3), делая изображение видимым. Бумага заряжается зарядной планкой и притягивает тонер (4). Нагревательные валы вплавляют изображение в бумагу (5).
В каждом офисе нужен аппарат для быстрого копирования документов. Современные фотокопировальные аппараты (ксероксы) способны делать тысячи копий в час.
о появления современных фотоко-I I пировальных машин размножение документов было достаточно сложной операцией и предполагало изготовление специального оригинала. Широко использовались покрытые воском бумажные трафареты. Рисунок или текст наносили по воску острым инструментом, затем трафарет смачивали чернилами и таким образом делали большое количество копий.
Первые фотокопировальные машины работали медленно. Но так как они не требовали изготовления специального трафарета, то их широко использовали для изготовления небольшого количества копий.
Сегодня большинство фотокопировальных устройств - электростатического типа. Оригинальный документ формирует невидимый оттиск из электрических зарядов, которые притягивают вещест во, называемое тонером, что делает изображение видимым. По мере выхода копии из аппарата тонер связывается с бумагой, что предотвращает смазывание изображения.
Черно-белые копировальные устройства можно разделить па две основные группы по типу применяемой бумаги. Некото-
рые аппараты используют бумагу с химическим покрытием, другие - обычную.
Прямое копирование Копировальные машины, использующие бумагу с покрытием, называются также устройствами прямого копирования, так как копия изображения в них формируется непосредственно на специальной бумаге. Эта бумага покрыта оксидом цинка, приобретающим электрический заряд при экспонировании светом. В копировальном аппарате оригинал освещается. Изображение образуется па бумаге, которая была предварительно электрически заряжена. Свет отражается от документа и нейтрализует заряд на соответствую-
0 Дешевый фотокопировальный аппарат для домашнего применения. Специальная бумага для него стоит достаточно дорого. Поэтому ксероксы для обычной бумаги более выгодны для интенсивного использования в офисе.
щем участке копировальной бумаги. От темных участков документа отражается очень мало света, и, таким образом, слова или рисунок остаются на бумаге.
Во многих ксероксах прямого типа бумага затем обрабатывается закрепляющей жидкостью - тонером, - которая содержит частички углерода, адсорбирующиеся па заряженных участках и формирующие видимое изображение. Затем бумага нагревается для удаления жидкости и связывания углерода.
Непрямое копирование
Это так называемые устройства непрямого копирования. В них изображение формируется на металлическом барабане, а затем переносится на бумагу. Некоторые устройства такого типа используют жидкий проявитель, но в большинстве применяется сухой порошок.
Основой такого аппарата является алюминиевый барабан, покрытый слоем селена, который под воздействием света проводит электричество. Вначале поверхность вращающегося барабана приобретает положительный заряд при прохождении над высоковольтной проволокой. Затем отраженное изображение оригинала проецируется на барабан. Осве-
щенная часть поверхности селенового барабана становится проводящей, и заряд с нес «стекает» через металлический барабан, оставляя заряженные участки, соответствующие темным местам.
Сухой проявитель, делающий изображение видимым, представляет1 собой смесь порошкообразного носителя и тонера. Носитель состоит из стеклянных, металлических или керамических частичек, покрытых полимером. Тонер - это черный порошок, состоящий из полимерной смолы и углерода. При трении носитель и тонер становятся электрически заряженными. Носитель приобретает положительный заряд, а тонер - отрицательный. Поскольку? разноименные заряды притягиваются, то относительно большие частицы носителя покрываются тонером. Проявитель попадает на поверхность вращающегося барабана и, так как положительный заряд на барабане больше, чем на носителе, частицы тонера переходят с носителя на барабан, формируя таким образом видимое изображение.
Обычная бумага поступает в расположенные рядом устройства с высоковольтной проволокой и приобретает положительный заряд. После этого она прокатывается барабаном и благодаря своему заряду’ собирает частицы тонера в виде изображения. В конце бумага проходит под нагревательным элементом или через нагретые валы. При этом смола тонера расплавляется и проникает в волокна бумаги. Далее бумага остывает, и на выходе получается копия оригинального документа. Барабан готов к следующему копированию.
Цветные ксероксы Сегодня.существует множество полноцветных копировальных аппаратов (ксероксов). Они работают так же, как и чер-
00 Современный цветной ксерокс (вверху) - это универсальный аппарат. Кроме получения цветных копий различных размеров, его можно подключить к компьютеру. Изображение в электронном виде обрабатывается на компьютере (справа), после чего передается на ксерокс (принтер) для выведения на печать.
но-белые, но процесс проходит в три этапа. На каждом этапе аппарат выбирает различный фильтр для печати одним из трех цветов - цианом (зелено-синим), пурпурным и желтым, присутствующими в оригинале. Каждый раз печатается изображение соответствующего цвета. Полученные изображения накладываются друг на друта, давая в результате полноцветную копию. Накладывается и черное изображение, поскольку комбинация трех цветов никогда не дает черного. Некоторые аппараты могут добавлять цвет к копиям черно-белых оригиналов.
Самые современные цветные ксероксы - очень сложные устройства. В отличие от первых аппаратов, которые не были способны к точной цветопередаче, современные цветные машины снабжены миникомпьютерами и могут точно воспроизводить цвета оригинала. Компьютеризация копировальной
техники дала возможность подсоединять ее к персональным компьютерам и печатать изображение непосредственно с диска. При этом распечатанное изображение точно соответствует изображению на мониторе. Эти достижения привели к значительному прогрессу в использовании цветных ксероксов. Сейчас многие художники используют подключенные к компьютерам цветные ксероксы (принтеры) для производства ограниченных тиражей своих работ.
Существуют и другие области применения цветных ксероксов. Поскольку они способны делать огромные тиражи копий, то во многих учреждениях и организациях начали использовать цвет на бланках документов и циркуляров. Некоторые местные власти пришли к выводу, что при выделении цветом платежных данных, например, налоговых счетов, они получают оплату быстрее, чем рапсе.
404
см. также
Наука и техника 36 - НАСТОЛЬНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
Наука и техника 126 - ПЕЧАТЬ
Паровые машины
Паровая тяга все еще обеспечивает значительную часть требуемой нам энергии. Даже лучшие из современных атомных реакторов всего лишь источники тепла, превращающие воду в пар для вращения турбин, соединенных с электрогенераторами.
Первая паровая машина была изобретена в I в. п. э. греческим инженером Геро Александрийским. Но первая паровая машина, нашедшая практическое применение, была создана в 1698 г. английским инженером Томасом Сэвери. Пар охлаждался в камере до образования конденсата. В результате резкого уменьшения объема возникал парциальный вакуум, используемый для откачивания воды из угольных шахт.
Сила поршня
В двигателе, изобретенном английским инженером Томасом Ньюкоменом ок. 1710 г., пар внутри цилиндра толкал вверх поршень. Затем цилиндр охлаждали, чтобы сконденсировать пар и вернуть поршень в нижнее положение. При конденсации пара давление в цилиндре падало, и атмосферного давления было достаточно, чтобы поршень опустился вниз. Поэтому Ньюкомен назвал свой двигатель пароатмосферным. Хотя эффективность этого двигателя была выше, чем у машины Сэвери, он работал очень медленно и с низким КПД. Это объясняется тем, что после охлаждения цилиндр нужно было снова
О Геро Александрийский построил эту простую паровую турбину в I в. н. э.
© В паровом двигателе Ньюкомена (ок. 1710 г.), пар из котла (а) поступал в цилиндр (с) и толкал поршень вверх. Затем туда подавалась вода для охлаждения цилиндра и конденсации пара, а давление воздуха заставляло поршень двигаться вниз.
нагревать, чтобы заставить пар толкать поршень вверх, иначе он бы сразу конденсировался.
Двигатель Уатта
Эту' проблему' решил шотландский инженер Джеймс Уатг. В созданном им в 1769 г. двигателе пар направлялся в отдельную камеру для конденсации. Так как цилиндр не нужно было поочередно нагревать и охлаждать, тепловые потери двигателя были относительно небольшими. Кроме того, двигатель Уатта был более быстродействующим, поскольку- можно было подавать большее количество пара в цилиндр, как только поршень возвращался в свое исходное положение. Благодаря этому' и другим усовершенствованиям, придуманным Уаттом, для паровой машины нашлись многочисленные практические применения.
К наступлению викторианской эпохи
ф Карусель с паровым приводом у основания Башни св. Якова в Париже. Большинство современных аттракционов для катания работает от электропривода или двигателя внутреннего сгорания.
Кондиционеры воздуха
Кондиционирование воздуха -способ создания необходимого микроклимата внутри помещения. Это достигается при помощи циркуляции очищенного воздуха определенной температуры и влажности.
С воздухом мы вдыхаем необходимый нашему организму кислород и выдыхаем углекислый газ.
Обычно дефицит кислорода в помещении восполняется за счет притока свежего воздуха через окна и двери.
Зимой, опасаясь сквозняков, .многие наглухо закрывают окна и двери и тщательно закупоривают щели. Если при этом для обогрева квартиры пользуются газовыми обогревателями, количество кислорода, содержащегося в воздухе, быстро снижается, существенно затрудняя дыхание. Поэтому и рекомендуется почаще проветривать помещение, но не слишком долго, чтобы не переохладить.
В условиях жаркого и влажного климата находящиеся в помещении люди страдают от духоты, но при открытых окнах дышать еще труднее.
И независимо от климата в каждом
доме очень важна хорошая вентиляция на кухне. Пфи приготовлении пищи образуется большое количество
водяных паров, перенасыщающих воздух влагой. Если газовая плита не осна-
сушка/охладитель тепловой отражатель
йлер/подача 1ла
Q Современный настенный кондиционер с приточновыпускными жалюзя-ми, расположенными в передней и верхней части. Используя пульт дистанционного управления наподобие
телевизионного, можно запрограммировать такую систему на подачу воздуха определенной температуры и влажности в течение всей недели. Иногда несколько кондиционеров объединяют в единую сеть, которая управляется при помощи компьютера.
О Водяная система термодинамического отопления относится к разряду передовых энергосберегающих технологий. Нагретый воздух по оборотной системе водоснабжения передается из теплых в холодные части здания, что позволяет в зимнее время эксплуатировать бойлер в экономном режиме. Это также позволяет свести к минимуму количество производимого тепла в теплый период. Температура в контуре водоснабжения управляется подачей тепла.
щена вытяжкой, содержащийся в воздухе кислород быстро «сгорает».
Жизнеобеспечение
Больничные палаты, фабричные цехи и офисы также нуждаются в системах кондиционирования. Операционная в больнице должна быть абсолютно герметична и оснащена системой очистки воздуха, исключающей возможность попадания сюда вредных бактерий или частиц. Многие виды деятельности (например, производство микрочипов) требуют стерильных условий для обеспечения высокой точности операций. Звукозаписывающие и телевизионные студии также оборудуют системами звукоизоляции. Воздух в такие помещения подается через специальные звукопоглощающие фильтры, которые гасят посторонние шумы.
Иногда системы кондиционирования играют особую роль, как, например, при работе людей глубоко под землей или, наоборот, на большой высоте - в самолете, где атмосферный воздух разрежен, а температура внешней среды чрезвычайно низка.
Вентиляция
В зданиях, где монтаж полной системы кондиционирования воздуха технически или экономически нецелесообразен, можно установить обычную систему вентиляции. Одним из элементарных примеров управляе
мой вентиляционной системы является устройство вытяжных электрических вентиляторов.
Технические параметры вентиляционной системы обычно выражаются в количестве воздухообменов в час. Например: вентиляция домашней кухни должна обеспечивать около 15 воздухообменов в час. В помещении кухни размером 3,7 х 3 х 2,4 м необходимый воздухообмен - около 400 м-’/час. Такая интенсивность воздушного потока достигается с помощью мощного вытяжного вентилятора.
Полная система кондиционирования воздуха Помимо вентилирования, кондиционеры обеспечивают очистку’ и поддержание нужной температуры и влажности воздуха. Система кондиционирования может быть централизованной - с центральным блоком, обслуживающим несколько помещений, или индивидуальной - монтируемой в каждой комнате отдельно.
Воздух из помещения поступает в систему, где он смешивается с наружным воздухом и очищается от пыли и грязи при помощи фильтров. Далее очищенный воздух охлаждается и освобождается от избытка влаги, которая в результате перепада Температур конденсируется и выводится из системы. После этого воздух нагревается до нужной температуры и пропускается через дезодорирующие фйльт-
ры, устраняющие запахи. Некоторые кондиционеры оснащены увлажнителем, позволяющим довести влажность воздуха до нужного уровня. Это позволяет, например, обеспечить оптимальные условия для некоторых технологических процессов. После кондиционирования воздух подается в помещение под давлением несколько выше атмосферного, что позволяет обеспечить приток в систему «отработанного» воздуха.
Три технологии
Для больших зданий используется три основных типа систем кондиционирования воздуха. Воздушные системы обеспечивают управление температурным режимом за счет поступающего из кондиционера воздуха. В водо-воздушных системах температура регулируется при помощи горячей и холодной воды, подаваемой в блоки, установленные в каждой комнате. В’ водяных системах подогрев и охлаждение производятся горячей и холодной водой, подаваемой из центрального блока. При этом воздух нагнетается в каждую комнату отдельным вентилятором.
Водо-воздушные и водяные системы более экономичны и бесшумны по сравнению с воздушными, требующими, кроме того, монтажа довольно громоздких воздуховодов. Хотя именно последние обладают наибольшим энергосберегающим эффектом.
416
см. также
Нагка и техника 38 — ОТОПЛЕНИЕ Наука и техника 39 - ОСВЕЩЕНИЕ I
Сел ьхозтех ника
Современная сельскохозяйственная техника играет важную роль в производстве пищевых продуктов. С помощью этих машин один человек может за день выполнить объем работы, с которым до внедрения механизации могла справиться лишь целая бригада за неделю.
До начала 1960-х годов защитной кабины у трактора не было. При опрокидывании тракторист мог получить увечья и даже погибнуть.
0 Современные трактора имеют удобные кабины с кондиционированным воздухом, защищающие тракториста от непогоды и тяжелых последствий аварии.
Вероятно, самым известным представителем сельскохозяйственных машин является трактор, созданный в конце XIX века, чтобы заменить лошадь. Он не защищал тракториста от непогоды, а все удобства сводились к наличию утю-ров для ног и жесткого металлического сиденья. Потом появились сиденья на рессорах и щитки, в какой-то мере защищав
шие тракториста от грязи и пыли, летящих из-под больших приводных колес. Однако тогда ничто не могло уберечь его от смерти или тяжелого увечья, если трактор переворачивался на наклонном участке земли.
Новая конструкция тракторов В начале 1960-х годов на тракторах появились сиденья с подушками и подобие кабин для создания более комфортных условий работы трактористов. Но с такими кабинами был связан другой вид неудобств - шум. Обшивка из листового металла подобно звукоснимателю усиливала шум двигателя, коробки передач и гидравлической системы до такой степени, что это отражалось на.здоровье тракториста.
С тех пор кабина трактора претерпела значительные изменения. В новейших
тракторах кабины обеспечивают надежную защиту’ водителя от непогоды, шума и последствий опрокидывания. Почти все современные кабины имеют звукоизоляцию, удобные сиденья, системы отопления и вентиляции, стеклоочистители, стеклоомыватели и бустерное управление.
У большинства тракторов двигатель и трансмиссия образуют единый жесткий костяк всей машины, и поэтому нет необходимости в отдельной раме. Мощность двигателей колеблется от 15 до 190 кВт и выше, однако двигатели большинства пропашных тракторов имеют мощность примерно от 22 до 90 кВт.
Обычно на тракторах устанавливаются дизельные двигатели, обеспечивающие привод на задние или на все четыре колеса. Кроме того, двигатели вращают валы отбора мощности, являющиеся приводом
для прицепных или монтируемых на тракторе орудий, а также для гидравлических систем, управляющих этими орудиями.
Основное сельскохозяйственное орудие - плуг. Его назначение во многом сходно с лопатой - переворачивать, разрыхлять и размельчать верхний слой почвы и одновременно закапывать пожнивные остатки и сорняки. В современном механизированном сельском хозяйстве плуг цепляют к трактору, хотя во многих странах по-прежнему пользуются простым плутом, в который впрягают лошадей или быков.
Прежде чем посеять зерно во вспаханную землю, необходимо выполнить за-
вершающий этап подготовительной работы. Подобно садоводу7, пользующемуся граблями для подготовки почвы к посадке растений, фермер использует борону для выравнивания вспаханной земли и уничтожения оставшихся сорняков.
Еще один вид машин для подготовки почвы и уничтожения сорняков - культиватор, снабженный стальными зубьями, или лемехами, для разрыхления земли. Фрезерный культиватор на приводном валу зачастую может использоваться для подготовки предварительно невспаханной почвы.
Сегодня многие культуры высевают с помощью машин, которые взрыхляют почву, помещают в нее семена на заданной глубине и через определенные промежутки и затем закрывают их грунтом. Такие машины сразу засевают несколько рядов.
Уборка урожая
Сегодня механизирован сбор урожая самых разных культур, включая корнеплоды (картофель) и фрукты (например, виноград и винные сорта яблок). Одной из первых и важнейших машин такого рода был уборочный комбайн, используемый при жатве таких зерновых культур, как пшеница. Это - самоходный комбайн, который косит, отделяет зерно от соломы, удаляет шелуху; засыпает зерно в сопровождаю-
0 Этот трактор оборудован передним погрузчиком для чистки загонов. Он двигается вверх и вниз с помощью масляных поршней.
Q Вентилятор рядовой сеялки с пневматическим высеивающим аппаратом загоняет семена через гибкие семяпроводы в землю.
Крупным достижением в сфере обработки материалов в сельском хозяйстве за последние годы стало внедрение «больших тюков». Они весят около 500 кг, а не 30 кг - примерный вес g обычного тюка, с которым может спра- | виться работник фермы. Машины легко управляются с большими тюками, а увязка соломы в большие тюки позволяет затрачивать гораздо меньше времени на ее сбор с нолей. Соломокопнитель собирает солому, загружает ее в камеру, где она пакетируется в тюк, затем обвязывает этот тюк шпагатом и выбрасывает его наружу.
Q Уборочный комбайн пожинает зерновые злаки, вымолачивает из них зерно и отделяет его от соломы. При этом солома остается на земле, а зерно поступает в бункер комбайна.
УБОРОЧНЫЙ КОМБАЙН
Сепарационный уровень первой очистки
Дизельный
Камнеуловитель
Шнек подачи очищенного зерна
Делитель
Обработка урожая
После сбора урожая для его обработки и хранения требуются различные машины, такие как прицепы, вильчатые автопогрузчики, конвейеры и машины для отделения грунта и камней от картофеля. Влажная земля может вызвать гниение картофеля, а камни могут его побить, облущить или изрезать.
Возможное решение связано с использованием рентгеновских лучей. Собранный урожай движется но ленте конвейера и, падая с ее края, проходит через пучки рентгеновских лучей, улавливающих разницу в плотности между камнями и картофелем. При обнаружении камня пневмощуп выхватывает его, пропуская картофель дальше. Такие трудосберегающие технологии получают широкое распространение, т. к. фермеры стараются сохранить низкие цены на свою продукцию в условиях конкуренции.
щий его грузовик и сбрасывает солому на землю для последующего сбора.
Часто солому причисляют к отходам и считают, что она годится лишь на подстилку для скота или как грубая кормовая добавка для него.
Обычно для транспортировки и хранения солома пакуется в тюки. Это делается с помощью соломокопнителей - буксируемых трактором машин, которые подбирают оставленную комбайнами солому, прессуют ее в тюки и вяжут шпагатом. Траву можно таким же образом увязывать в тюки, и полученное сено хранить как корм для скота.
0 Соломокопнитель подбирает солому, оставшуюся после уборки урожая.
Внутри, конвейерные ленты скатывают ее в тюки, которые затем связываются шпагатом и выбрасываются из машины на землю.
Парковые аттракционы
Некоторые не могут даже смотреть на «американские горки» - один их вид вызывает легкую тошноту. Но многие получают от этого аттракциона колоссальное удовольствие. Еще бы - тщательно просчитанная конструкция позволяет бросить вызов гравитации!
С древних времен ярмарки - это ! не только торговля, но и развле- | чение для взрослых и детей. На I некоторых ярмарках были популяр- | ны гонки на ослах, причем для удоб- I ства ослов нередко привязывали к столбу, так что они бежали по кругу. Позже появились механические аттракционы с конной тягой, а затем их вытеснили карусели с паровым j приводом - после появления в XVIII в. достаточно надежных паро- | вых машин. Паровые карусели с ме- | ханическими лошадьми привлекали : всеобщее внимание и требовали куда I
меньших хлопот, чем тягловые животные.
Паровой привод
В этих ранних каруселях паровая машина приводила в действие большой маховик, который был соединен ременной передачей с механизмом карусели. Иногда пар от машины подавался по трубам к карусели, где использовался для проигрывания мелодий на встроенном органе.
Над платформой на шестах устанавливался навес; на этих же шестах крепились деревянные лошади. Вверху с шестами были связаны рычаги, ' которые двигали лошадей вверх-вниз. Для снижения нагрузки на механизм движения лошади взаимно компенсировали друг друга -сколько двигалось вверх, столько и вниз. Позже к паровому двигателю стали подключать генератор, обеспечивающий освещение аттракциона. С появлением более мощных генераторов появилась возможность строить карусели с электроприводом.
0 Аттракцион Pithon Ride в Тампе (Флорида, США). Пассажиры вне опасности - возникающие при движении центробежные силы крепко прижимают их к сиденьям.
Дизельные двигатели
В конечном счете на смену паровым машинам пришли дизельные двигатели. К этому времени ярмарочные развлечения превратились в парки аттракционов, которые предназначались исключительно для увеселения.
Сейчас передвижные парки развлечений но-прежнему используют ди-зель-генераторы, а вот в стационарных парках аттракционы питаются от городской электросети. Приводной электродвигатель типичного аттракциона может потреблять от 10 до 40 КВт, однако для запуска аттракциона необходима дополнительная мощность. При старте аттракциона нагрузка на генератор резко возрастает, и выходное напряжение генератора падает - темнеют лампочки аттракционов, замедляется и утихает фоновая музыка, записанная на магнитофон. Чтобы избежать этого, освеще-
мощные паровозы совершили революцию в средствах передвижения по суше. Паровые машины также обеспечивали энергию для печатания газет, ткачества и для работы стиральных машин в «паровых» прачечных. Паровые двигатели использовались на площадках аттракционов, а фермеры с помощью паровой тяги пахали землю. Уборщики пользовались работающими па пару пылесосами, а в престижных городских парикмахерских были даже щетки для массажа кожи головы с паровым приводом.
Вращательное движение
В большинстве первых паровых машин двигающиеся в цилиндрах поршни создавали возвратно-поступательное движение, которое затем можно было преобразовывать во вращательное движение с помощью механических устройств.
Паровые турбины сразу преобразуют энергию пара во вращательное движение. В XIX в. некоторые изобретатели экспериментировали с паровыми турбинами, но только в 1884 г. английский инженер Чарльз Парсонс создал рентабельную и работоспособную конструкцию. Спустя несколько лет после изобретения, его турбины стали использоваться на судах и в генераторах тока.
Преобразование энергии
Паровые двигатели и турбины преобразуют тепло в энергию. При этом тепло от сжигания топлива идет на кипячение воды, объем которой в парообразном состоянии увеличивается в 1600 раз, а давление пара создает движение. В поршневых двигателях пар расширяется в цилиндре и толкает поршень. В- паровых турбинах расширяющийся пар вращает оснащенные лопатками роторы. В обоих случаях пар отдаег тспловуто энергию.
Паровые двигатели и турбины относятся к двигателям внешнего сгорания, так как нагрев происходит вне рабочей каме-
О Маркиз де Дион был одним из родоначальников автомобилестроения во Франции. На фото он управляет трехколесным автомобилем с паровым двигателем, который был построен им в 1897 г. Двигатель установлен спереди и имеет привод на заднее колесо.
ры, обычно за счет сжигания топлива. Пар производят в котлах, нагреваемых при сжигании нефти или утля. На атомных электростанциях тепло обеспечивают ядерные реакции.
Двойное действие
В простых паровых машинах пар создает давление на одной стороне цилиндра, заставляя его двигаться. Но в большинстве
паровых двигателей обе стороны поршня используются для получения механической энергии. Сначала пар попадает на одну' сторону и двигает поршень вперед, а затем на другую сторону, возвращая его назад. Поэтому такие двигатели называются двигателями двойного действия.
Рабочий цикл начинается с подачи пара на одну сторотгу цилиндра через входное отверстие, после чего оно закрывается, а пар, расширяясь, толкает поршень вниз по цилиндру. Затем пар поступает на другую сторону поршня, заставляя его возвращаться назад, при этом пар на первой стороне выходит через выхлопное отверстие. Пар поочередно подается на одну7 из сторон поршня, а другая сторона автоматически соединяется с выхлопным отверстием.
В большинстве паровых двигателей всем рабочим циклом каждого поршня управляет один D-образный клапан. Он скользит взад-вперед, обеспечивая требуемое соединение с входным и выхлопным отверстиями пара. У некоторых больших паровых двигателей отдельные клапаны имеются по обе стороны поршня.
Коленчатый вал Возвратно-поступательное движение преобразуется во вращательное с помощью шатуна и коленчатого вала. Коленчатый вал - это рычаг, соединенный с тяжелым маховиком, а шатун соединяет этот вал с поршнем или его штоком. При движении поршня вперед и назад коленчатый вал вращается, а маховик выравнивает создаваемое вращательное усилие.
Температура пара падает при его расши-
W Двухцилиндровый паровой двигатель с высокой степенью сжатия был раньше установлен на небольшом грузовом судне.
ПОЛЕТ ПО ИНЕРЦИИ
Когда вагончик в американских горках закатывается на первую разгонную горку, его потенциальная энергия (ПЭ) растет. Затем вагончик начинает катиться вниз, набирая скорость, и часть потенциальной энергии преобразуется в энергию движения - кинетическую (КЭ). Кинетическая энергия обеспечивает
0 Пассажиры прижаты к вращающейся стенке аттракциона Round-Up Ride центробежной силой (направленной от центра вращения). Она уравновешивается центростремительной силой со стороны стенки (т. н. «реакция опоры»). Силы эти столь велики, что люди не могут двигаться.
Randy Miller/ZEFA
подъем вагончика на следующую горку -
ние и звук в аттракционах питаются от отдельного генератора.
Карусели
Простая карусель для малышей состоит из моделей различных животных и машин, жестко закрепленных на медленно вращающейся платформе. В традиционной карусели лошади также совершают движение вверх-вниз, но еще более впечатляет это в быстрых машинах. Мотоциклы, быстро двигаясь по кругу, резко скачут вверх и вниз. Седову нужно крепко держаться за руль в тот момент, когда мотоцикл достигает верхней точки
своего пути и неожиданно наклоняется вниз: инерция тела движет его в прежнем направлении и ездок готов продолжить свое движение через руль. Однако падения на самом деле редки и, если они действительно случаются, обычно не слишком вредят, поскольку пол аттракциона движется вместе с мотоциклами.
Ползком и на лету
Движение вверх и вниз используется также в «гусенице»: так называется аттракцион,' в котором тележки двигаются по изобилующей неровностями круговой дорожке. Такое перемеще
ние вперед и одновременно вверх-вниз напоминает движение гусеницы.
В карусели с подвесными сиденьями кресла пассажиров висят па цепях, прикрепленных к горизонтальному колесу в верхней части аттракциона. В более современных вариантах вместо кресел на цепях используются кабинки-ракеты, шарнирно прикрепленные к центральному вращающемуся колесу. Пассажиры «пилотируют» свои ракеты, перемещая рычаг управления. Рычаг управляет подачей сжатого воздуха в пневмоцилиндр, поднимающий кабинки над землей. В конце аттракциона оператор специальным
клапаном стравливает давление в цилиндрах, и кабины опускаются.
Существуют аттракционы, в которых воздействие на вестибулярный аппарат пассажиров оказывают не перемещения вверх-вниз, а резкие изменения скорости. Обычно в них гондолы, рычагами соединенные с центральным приводным колесом, двигаются по направляющей, которая в плане имеет эллиптическую
или овальную форму. При резких . поворотах силы, действующие на I гондолы, заставляют их" внезапно разворачиваться. Затем они возвращаются в нормальное положение -до следующего крутого поворота.
Электрические автомобили Электрические автомобили очень популярны - ведь здесь водитель полностью управляет скоростью и на-
Q Колесо обозрения вводит в заблуждение своей, казалось бы, невысокой скоростью вращения. Однако ускорение в нижней части траектории намного выше, чем мы привыкли испытывать.
Современная карусель в Париже: традиционные раскрашенные лошади и работающий на сжатом воздухе органчик.
правлением движения. Дня питания маленького электродвигателя используются два контакта: один прижат к металлическому полу, другой установлен на конце длинной штанги и касается сетки, укрепленной в павильоне под потолком. Дизельный генератор подает на сетку и пол постоянное напряжение в 110В.
Машины трехколесные, и электродвигатель установлен прямо на узле переднего колеса, поворачиваясь вместе с ним на шарнире, когда водитель вращает руль. Помимо руля в распоряжении водителя есть лишь один механизм управления - педаль газа. Мотор способен вращаться лишь в одном направлении - заднего хода нет. Тем не менее машины способны двигаться назад за счет поворота ведущего переднего колеса на угол до 180 градусов - так что, хотя мотор не меняет направление вращения, машина при этом будет двигаться назад.
Американские горки
Принцип работы американских горок основан на использовании сил тяжести и инерции. Однако прежде чем поезд из вагончиков устремится вниз по
вращающееся колесо
центростремительная подъем кресла сила удерживает кресло
С ПОДВЕСНЫМИ СИДЕНЬЯМИ
Когда колесо в верхней части карусели начинает вращаться, сиденья под действием центробежной силы отклоняются от центра, двигаясь по расходящейся спирали. Цепи прикладывают к сиденью центростремительную силу (направленную к оси вра-
щения) и силу, направленную вверх (отчего сиденья поднимаются выше). Последняя
изогнутой трассе, мотор должен поднять его в начальную, самую высокую точку пути. В точку старта поезд чаще всего закатывается с помощью мощного цепного привода. В нижней части каждого вагончика имеются проушины, или хомуты, за которые зацепляются крюки на звеньях цепи. Поскольку? вагончики соединены между? собой, при разрушении хомута на одном из вагончиков остальные удержат его от неуправляемого движения вниз.
Меры безопасности
Разрыв цепи или поломка ее привода могли бы привести к откату вагончиков вниз, однако на этот случай трасса оборудована т. н. зубчатой рейкой. На каждом вагончике есть шарнирный захват-защелка, и если в момент подъема поезда вагончик вдрут начинает двигаться вниз, защелка входит между зубьями рейки и блокирует дальнейшее движение. Кроме того, поезд оборудован простой тормозной системой, которая используется при аварии и для остановки в конце трассы.
Пассажиры занимают места в вагончиках в верхней точке трассы, после чего сиденья блокируются страховочными поручнями. Вагончики растормаживаются, и поезд, катясь вниз, быстро набирает скорость. При этом потенциальная энергия (высота) преобразуется в кинетическую (движение). На подъемах поезд движется по инерции и кинетическая энергия переходит в потенциальную. Как в любой машине, в американских горках присутствует трение, и часть энергии преобразуется в тепловую. Поэтому по-
максимальный
ггробежные силы ___кают кресло наружу и вверх
исчезает, когда сиденья достигают уровня верхнего колеса (фото внизу).
сле разгона на спуске поезд сам не может подняться на ту же высоту, с которой спускался.
Современные разработки
В современных американских горках вагончики движутся по сильно искривленным трассам. При последовательном прохождении нескольких спиралей и петель пассажиры часто оказываются вверх ногами.
Однако опасности выпасть из вагончика почти никакой - центробежные силы крепко прижимают пассажиров к сиденьям; кроме того, пассажиры надежно закреплены. Когда в июле 2003 г. в городке Ларго (штат Мэриленд, США) вагончики американских горок на два часа застряли в самой высокой точке, никто не пострадал.
Однако иногда люди из-за непривычно высоких перегрузок па американских горках теряют сознание. Перегрузка Big характеризует привычную для нас силу тяжести в нормальных условиях/ На некоторых американских горках возникает перегрузка до 6 g - на пассажиров действует сила, в шесть раз превышающая нормальную силу тяжести. Даже кратковременного воздействия такой перегрузки достаточно, чтобы у некоторых людей нарушилось кровоснабжение головного' мозга, что и вызывает потерю сознания.
Первый аттракцион типа американских горок был построен в 1884 г. и имел максимальную скорость 9 км/час - мало кто сегодня захотел бы прокатиться на нем. Даже деревянные горки в наши дни
намного быстрее: рекорд
(104 км/час) принадлежит аттракциону Mean Streak в Сидар-Пойнт (Огайо, США). Эти же горки удерживают второе место по высоте (49 м). А самые быстрые американские горки в мире (138 км/час) - стальной аттрацион «Фудзияма» в Японии. Он, кроме того, самый высокий (78 м) и имеет самый большой в мире перепад высот в одном спуске (72 м).
КОМПАУНД (ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ТРОЙНЫМ РАСШИРЕНИЕМ ПАРА)
w В двигателях с трехкратным расширением пар расширяется в три этапа. Двигаясь вверх и вниз в цилиндрах, поршни вращают коленчатый вал.
© В паровых двигателях двойного действия золотник автоматически направляет поток пара к поршням, а от них -
к выхлопному отверстию.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ПРЯМОТОЧНОГО ПАРОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
Впуск пара при ходе поршня вперед
U В прямоточном двигателе пар из одной части цилиндра толкает поршень и выходит через выхлопное отверстие. Пар из другой части цилиндра выходит тем же путем.
рении в цилиндре. Подобный эффект можно наблюдать, используя аэрозольный баллон-, благодаря расширению газа-вытеснителя возникает ощущение прохлады от струи аэрозоля. В простом паровом двигателе двойного действия пар, расширяясь, охлаждает ту часть цилиндра, куда будег подаваться свежий пар.
При сильном расширении пара охлаждающий эффект может вызвать большие тепловые потери в двигателе. Эти потери можно компенсировать за счег сжигания большего количества топлива, но при этом снижается КПД двигателя. Температурные изменения можно уменьшить, если ограничить давление подаваемого в цилиндр пара для снижения степени его расширения. Однако при этом становится меньше и мощность двигателя.
Компаунды
Эта проблема решается, если позволить пару сначала частично расшириться в малом цилиндре высокого давления. Затем отработавший пар поступает в больший цилиндр низкого давления, где происхо
дит его дальнейшее расширение. Паровые машины с двумя или несколькими такими цилиндрами называются комбинированными двигателями или компаундами.
Двигатели с трехкратным расширением - это компаунды с цилиндрами высокого, среднего и низкого давления. Такие двигатели широко применялись на судах, а некоторые немецкие корабли оснащались двигателями с четвертой ступенью расширения.
Прямоточные двигатели Прямоточные двигатели позволяют снизить тепловые потери за счет резкого уменьшения колебаний температуры в цилиндре. Пар, подаваемый в разные части цилиндра, расширяется и выпускается через кольцо выхлопных отверстий в его центре. Поэтому цилиндр остается относительно горячим по краям и более прохладным в средней части, где он контактирует с расширенным паром. Тепловые потери сведены к минимуму, так как ни одна часть цилиндра не подвергается большим изменениям температуры.
Турбины
Главным рабочим органом турбины является ротор, оснащенный рядом лопаток. Он находится внутри корпуса с неподвижными лопатками, направляющими поток пара. Пар высокого давления вращает ротор.
Пар поступает в корпус турбины через сопла. При выпуске пара его давление падает, и он расширяется. Это приводит к увеличению его скорости, которая может в несколько раз превышать скорость звука. Так, при расширении пара и падении его давления с 12 атм. до 0,5 атм. достигается скорость примерно 1100 м/с.
(Компаундирование по скорости)
Направление потока пара»
Выпуск Пара „
। Подвижные лопатки
Высокая скорость, большая энергия
Движущийся с такой скоростью пар обладает большой энергией, но она не вся легко передается лопастям ротора турбины. Для максимальной передачи энергии пара турбине се лопатки должны вращаться со скоростью, которая в два раза меньше скорости пара. Но зачастую этого трудно добиться, и потери энергии могут быть большими. Один из путей решения данной проблемы - установка нескольких рядов лопаток турбины, чтобы давление постепенно снижалось на каждом из них. Такие турбины называются компаундированными по давлению. Длина лопаток постепенно увеличивается в направлении от впускного к выпускному каналу.
В некоторых турбинах пар, пройдя один ряд лопаток, без дальнейшего расширения направляется на второй, а иногда и на третий ряд. Турбины такого типа называются компаундированными по скорости.
Судовые турбины
На одних пароходах турбины используются как привод для электрогенератора, вырабатывающего энергию для электродвигателя, который вращает гребной винт. На других судах турбина вращает гребной винт через ряд редукторов, ш ги
жающих скорость вращения до относительно малой величины, требуемой для экономичной работы винта.
На больших судах вместо одного длинного ротора турбины можно установить
бок о бок два более коротких ротора, соединенных с одним источником пара. Это позволяет уменьшить общуто длину двигателя. Такие роторы называются перекрестно-компаундированны ми.
Электростанции
Гигантские турбины электростанций служат приводами для генераторов тока. При мощностях до 300 МВт (300 000 кВт) одна линия роторов турбины используется для одного генератора. При больших мощностях два перекрестно-компаундированных ротора подключены к отдельным генераторам.
Генераторы электростанций вырабатывают переменный ток. Такой ток меняет свое направление много раз за секунду.
Частота сети
В большинстве стран и Западной, и Восточной Европы системы электроснабжения обеспечивают подачу тока, совершающего 50 циклов (циклом называются два полных изменения направления) в секунду. Это - частота сети, выражаемая в герцах (Гц) и равная в данном случае 50 Гц. (1 Гц= 1 цикл в секунду.)
Частота вырабатываемого тока зависит от скорости вращения турбин и генераторов. Для производства тока частотой
50 Гц скорость вращения турбины должна быть 3000 об./мин. В Северной Америке частота сетей электроснабжения 60 Гц обеспечивается за счет скорости вращения турбин 3600 об./мин.
© Основные элементы конструкции еще одного типа турбины.
ОДНОСТУПЕНЧАТАЯ ТУРБИНА КОМПАУНДИРОВАННАЯ ПО СКОРОСТИ
1 - Механизм управления впускным клапаном
2 - Впускной клапан
3 - Паровое сопло
4 - Редукторы скорости
5 - Подвижные лопатки (первый ряд)
6 - Подвижные лопатки (второй ряд)
7 - Промежуточные неподвижные лопатки
8 - Выпуск пара
Реактивные
двигатели
ния сопротивления и увеличения скорости и дальности полета.
Почти полвека самолеты обходились пропеллером, пока в начале 1940-х не состоялся первый успешный полет на реактивной тяге. Конструкция и летные качества реактивного самолета произвели переворот в авиации.
Первый реактивный истребитель «Мессершмитт» Ме-2б2, начал разрабатываться в 1939 и поступил на вооружение «Люфтваффе» в 1944 г. Еще через 8 лет свой первый реактивный лайнер - «Комет» британской фирмы «Де Хевиленд» - получила гражданская авиация.
' Авиационные реактивные двигатели подразделяются на две большие группы: жидкостно-ракетные (ЖРД) и воздушно-реактивные (ВРД). Они имеют одинаковую природу, но при этом между’ ними существует принципиальное различие В ЖРД кроме топлива используется также свой окислитель
© Авиалайнер «Макдоннел-Дуглас» DC-10 оснащен тремя ТВВД фирмы «Дженерал электрик». Два из них расположены под крыльями, а третий, показанный здесь, в хвосте.
(жидкий кислород), необходимый для сгорания топлива, а ВРД используют для этой цели атмосферный кислород.
Простейшим примером ВРД является прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД), представляющий собой трубу с воздухозабор
ником спереди, камерой сгорания посредине и соплом для исходящих газов сзади. При поступательном движении самолета воздух попадает в двигатель и сжимается. При этом топливо распыляется в воздушном потоке и сгорает, а образующиеся га-
1. Турбина СМ
8. Лопатки компрессора СМ
14. Вал НМ (вентилятора).
зы с огромной скоростью выходят через сопло, создавая переднюю тягу для движения самолета. Однако все двигатели этого типа работают только в случае, если самолет летит со скоростью, обеспечивающей достаточную компрессию воздуха. ПВРД наиболее эффективно работают при скорости 2400-4000 км/час. Поэтому раньше для разгона самолета на взлете приходилось использовать дополнительные (ракетные) двигатели. В современных самолетах для устранения этого недостатка двигатели имеют более сложную конструкцию.
ТРД
Турбореактивные двигатели (ТРД) работают по тому же принципу что и газовая турбина. Они похожи на ПВРД, только в передней части у них расположен компрессор, который всасывает воздух и направляет его в камеру сгорания. Образующиеся в
результате сгорания топлива газы проходят через турбину и далее через заднее сопло в атмосферу. Проходя через турбину газы обеспечивают ее вращение с высокой скоростью.
Вращение турбины используется по-разному В ТРД ее вал соединен с компрессором для подачи воздуха, и, поскольку двигатель сам обеспечивает необходимую степень сжатия воздуха, самолет’способен подняться в небо без дополнительных мощностей и лететь со скоростью меньшей, чем у реактивных самолетов, хотя может развивать и скорость, превышающую скорость звука.
ТВД и ТВВД
В турбовинтовых двигателях (ТВД) турбина вращает пропеллер, который создает тяговое усилие. Более современные турбовинтовентиляторные двигатели (ТВВД ) объединяют возможности реактивной и винтовой тяги.
В ТВВД большой многолопастиой пропеллер, расположенный впереди, создает поток воздуха, который проходит сквозь центральную часть двигателя и обтекает его снаружи. Этот наружный поток создает тяговое усилие подобно обычному пропеллеру. Большинство дозвуковых транспортных самолетов оснащены сегодня ТВВД.
Форсажные камеры Большинство сверхзвуковых самолетов имеют форсажную камеру, которая при необходимости создает дополнительную тягу за счет впрыска добавочного топлива в исходящие газы после прохождения ими турбины. Сгорая, топливо увеличивает скорость исходящих газов. Резко возрастает тяга, но с ней и расход топлива. Поэтому форсажные камеры используются в основном на взлете, а в военных самолетах - для увеличения скорости при выполнений маневра.
НАУКА И ТЕХНИКА
Бензиновые
двигатели
Бензиновые двигатели произвели переворот в транспортных средствах начала XX столетия. Они пришли на смену паровым и газовым автомобильным двигателям, а также использовались в летательных аппаратах до появления реактивной авиации.
Бензиновые двигатели относятся к двигателям внутреннего сгорания: топливо, сгорая в них, обеспечивает движущую энергию. При этом пары бензина смешиваются с воздухом и воспламеняются искрой. Для такой горючей смеси характерно взрывное сгорание, что вызывает быстрое расширение образующихся газов. В большинстве бензиновых двигателей газы заставляют поршень двигаться внутри цилиндра и вращать вал. В больших двигателях последовательно работают несколько поршней и цилиндров, обеспечивая плавное вращающее усилие. В роторных бензиновых двигателях, не имеющих цилиндров, газы непосредственно вращают ротор.
О На гоночных мотоциклах устанавливают небольшие, но мощные бензиновые двигатели. 25
0 Строение роторного мотоциклетного двигателя RE5 фирмы «Судзуки», мощностью более 46 кВт.
Двухтактные двигатели
Двухтактный двигатель - простейший вид цилиндровых бензиновых двигателей, используемых в некоторых малолитражных автомобилях, многих мотоциклах и газонокосилках. Рабочий цикл каждого поршня состоит из двух тактов. Сначала поршень движется вверх по цилиндру, сжимая
РОТОРНЫЙ МОТОЦИКЛЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Впуск воздуха в карбюратор Карбюратор
Охлаждающие тракты в кожухе ротора Тепловое реле вентилятора радиатора Впускное отверстие (выпускное отверстие - внизу)
Термостат с парафиновым терморегулятором Трохоидный насос узла ротора для замера масла Ротор насоса системы охлаждения , Улитка насоса системы охлаждения
10. Контактный прерыватель зажигания । (трехпозиционный) 20 j
11. Масляный фильтр
12. Фильтр на входе маслоотстойника
13. Натяжное устройство цепи '' ' j
14. Многодисковое сцепление
15. Двухприводные цепи
между двигателем 19 —.£
и сцеплением
16. Вал ножного стартера ]
17. Механизм свободного 18 хода ножного стартера
18. Пятискоростная коробка передач "*17—3
19. Устройство для смазки цепи
20. Приводная цепь на заднее колесо
21. Электростартер
22. Свеча зажигания
23. Уплотнение кончика ротора
24. Ротор
25. Трехфазный генератор переменного тока
26. Камера сгорания
3.
ТАКТ ВПУСКА ТАКТ СЖАТИЯ РАБОЧИЙ ТАКТ ТАКТ ВЫПУСКА
© На ходе впуска четырехтактного цикла поршень идет вниз, а через впускной клапан поступают пары бензина и воздух. Во время такта сжатия поршень движется вверх, и впускной клапан закрывается. Искра воспламеняет горючую смесь, заставляя поршень опускаться вниз во время рабочего такта. В течение такта выпуска поршень поднимается вверх и вытесняет отработавшие газы наружу.
топливовоздутштую смесь в находящемся над ним объеме. Одновременно новая порция смеси всасывается иод поршень. Искра высокого напряжения воспламеняет сжатую смесь, и взрывные газы возвращают поршень вниз. Это - второй такт рабочего цикла. Двигаясь вниз, поршень толкает находящуюся под ним свежую горючую смесь к продувочному окну, ведущему в пространство над цилиндром. Эта свежая смесь выталкивает отработавшие газы через выпускное окно, а сама сжимается при следующем движении поршня вверх.
В верхнем положении поршень блокирует выпускное окно, перекрывая выход газам. Оно открывается, когда поршень достигает своей нижней точки. От положения поршня зависит и открытие/за-крытие окна впуска горючей смеси и продувочного окна.
Движение поршня вверх-вниз обеспечивает вращение т. н. коленчатого вала. На нем крепится тяжелый маховик (маховое колесо), продолжающий вращаться после достижения поршнем нижнего положения. Таким образом, маховик преобразует «приливы» энергии от опускания поршня в плавное непрерывное движение и заставляет поршень вновь подниматься внутри цилиндра во время второго такта каждого цикла.
Четырехтактные двигатели
В таких двигателях рабочий цикл каждого поршня состоит из четырех тактов. При первом ходе вниз (такт впуска) горючая смесь всасывается в полость над поршнем. Затем поршень поднимается, сжимая смесь (такт сжатия). Сжатая смесь воспламеняется искрой и заставляет поршень идти вниз (рабочий такт). После этого поршень вновь поднимается, на этот раз вытесняя отрабо гавшие газы. После завершения четвертого хода (такта выпуска) цикл повторяется сначала.
Хотя четырехтактный двигатель эффективнее двухтак 'кого, лишь около 1/3 энергии топлива преобразуется в полезную движущую энергит), а остальная тратится впустую. З^ссь лавная проблема связана с возвратно-поступательным движением поршней (взад-вперед). Эти движения ускоряются до достижения высо
кой скорости сначала в одном направлении, а потом в другом. Двигаясь взад-вперед несколько тысяч раз в минуту, каждый поршень расходует часть энергии, полущенной при сжигании топлива.
Роторные двигатели
С целью повышения кпд двигателя было предпринято множество попыток создать конструкцию, где несколько деталей совершают возвратно-поступательное движение. Пока лучшей разработкой такого рода является роторный двигатель Ванкеля. Принцип его работы такой же, что и у четырехтактного двигателя, но здесь при
РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВАНКЕЛЯ
ТАКТ ВПУСКА
2 ТАКТ СЖАТИЯ
3 РАБОЧИЙ ТАКТ 4 ТАКТ ВЫПУСКА
сгорании горючей смеси вращается трехгранный ротор, причем всегда в одном и том же направлении.
В 1964 г. появился первый серийный автомобиль с двигателем Ванкеля, с которым связывались надежды на значительное уменьшение расхода топлива. Однако и у этих двигателей есть недостатки, в первую очередь изнашивание вершин ротора, что приводит к просачиванию газов между ними и кожухом ротора. Нынешние двигатели Ванкеля потребляют больше бензина, чем поршневые. Но более совершенная конструкция этих двигателей в будущем может повысить эффективность их работы.
ной схеме двигателе Ванкеля трехгранны ротор эксцентрично вращается в одном t-том же направлении вокруг фиксированной шестерни. При прохождении каждо грани ротора впускного окна происходит всасывание смес паров бензина и воз духа. Затем ротор сжимает смесь, а искра воспламеняет ее. Образовавшие ся газы вращают ротор и выходят через выпускное окно.
Свет
Свет - чрезвычайно важный вид энергии. Жизнь на Земле зависит от энергии солнечного света. Кроме того, свет - это излучение, которое дает нам зрительные ощущения.
вж ш ы видим предметы, когда свет от них достигает наших глаз. Эти VI предметы либо сами излучают свет, либо отражают свет, излучаемый другими предметами, либо пропускают его через себя. Мы видим, например. Солнце и звезды потому, что они излучают свет. Большинство же предметов вокруг нас мы видим благодаря отраженному ими свету. А некоторые материалы, такие, как витражи, раскрывают богатство своих цветов, пропуская свет через себя.
Цвет
Яркий солнечный свет кажется нам чисто белым, то есть бесцветным. Но тут мы заблуждаемся, так как белый свет состоит из многих цветов. Они бывают видны, когда лучи солнца освещают дождевые капли и мы наблюдаем радугу. Разноцветная полоса образуется и тогда, когда солнечный свет отражается от скошенного края зеркала или проходит через стеклянное украшение либо сосуд. Эта полоса называется световым спектром. Начинается он с красного цвета и, постепенно меняясь, заканчивается на противоположном конце фиолетовым.
Обычно мы не принимаем во внимание более слабые оттенки цвета и поэтому считаем, что спектр состоит всего из семи цветовых полос. Цвета спектра, называемые семью цветами радуги, включают красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.
Призмы
В 60-х годах XVII столетия Исаак Ньютон проводил эксперименты со светом. Чтобы разложить свет на составляющие и получить спектр, он использовал трехгранную стеклянную призму. Ученый обнаружил, что, собрав раздробленный луч с помощью второй призмы, можно опять получить белый свет. Так он доказал, что белый свет является смесью разных цветов.
Проходя через призму, световые лучи преломляются. Но лучи разного цвета преломляются в разной степени - красный в наименьшей, фиолетовый в наибольшей.
(5 Основными цветами света (слева) являются красный, зеленый и синий. Их комбинация образует белый свет. Смешанные парами, они образуют цвета желтый, синий или пурпурный. Пигментными или основными цветами красок являются (справа) пурпурный, синий, желтый. Их сочетание показано на рисунке.
О Радуга образуется, когда дождевые капли освещаются солнцем. Когда свет переходит из одной среды (или материала) в другую, он часто преломляется. На лучи разного цвета это влияет по-разному. Поскольку белый свет состоит из лучей разного цвета, то дождевые капли преломляют их в разной степени. В результате образуется цветовая полоса.
© Разложение света на составляющие называется дисперсией. Призма преломляет фиолетовый луч сильнее всего, а красный - слабее всего.
Именно поэтому, проходя через призму, белый цвет дробится на составные цвета.
Преломление света называется рефракцией, а разложение белого света па разные цвета - дисперсией.
Электромагнитные волны Световой спектр - лишь часть огромного диапазона излучений, который называется электромагнитным спектром. Он включает в себя гамма-, рентгеновское, ультрафиолетовое, инфракрасное (тепловое) излучение и радиоволны. Все виды электромагнитных излучений распространяются в форме волн электрических и магнитных колебаний со скоростью света - около 300 000 км/с. Электромагнитные волны различаются между собой главным образом длиной волны. Определяется она частотой, то есть скоростью, с которой образуются эти волны. Чем выше частота, тем ближе друг к другу7 они располагаются и тем меньше длина каждой из них. В спектре световые волны занимают место между областями инфракрасного и ультрафиолетового излучения.
Линзы
Изображение в фотоаппаратах и оптических инструментах получают, используя линзы и явление преломления в них световых лучей. Возможно, вы заметили, что в линзах дешевых телескопов, например, вокруг контуров изображения образуется цветная кайма. Происходит это потому, что, подобно призме, простая линза, изготовленная из одного куска стекла или пластика, преломляет лучи разного цвета в разной степени. В более качественных приборах этот дефект устраняется путем
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СПЕКТР
амма-лучение
Ультрафиоле излучений
Рентгеновское излучение
0,01 нм 0,1 нм
0,001 нм
Инфракрасное
10 нм 100 нм
Микроволны
Видимый свет
0,01 мм 0,1 мм
1000 нм
использования двух линз, соединенных вместе. Первая часть такой составной линзы разлагает белый свет’ на разные цвета, а вторая опять соединяет их, убирая кайму.
Основные цвета
Белый свет можно получить, смешав семь цветов радуги. Но это можно сделать и проще, смешав лишь три цвета - красный, зеленый и синий. Они называются основными цветами света. Другие цвета мы по-
КВЧ
СВЧ
ф Кривые черного тела показывают, какая энергия излучается при каких температурах. При 6000°С большую часть излучения составляет свет. При 2000°С больше инфракрасного излучения.
Солнце испускает широкий спектр электромагнитных излучений. На шкале внизу даны длины волн в нанометрах (одна миллиардная метра) и более крупных единицах.
УВЧ
1 см 10 см
1 км 1000I
О Проходя через трехгранную призму, свет преломляется на входе и выходе. Лучи разного цвета преломляются в разной степени, синий в большей, чем красный. Так белый свет разлагается на составляющие цвета.
Белый свет
О Выпуклая линза фокусирует параллельные лучи. Поскольку белый свет состоит из более чем одного цвета, их лучи преломляются в разной степени и фокусируются на разных расстояниях от линзы. В результате вокруг контуров изображения образуется цветная кай|
О Проходя через лист стекла с параллельными поверхностями, свет преломляется в одинаковой степени на входе и выходе.
О Когда световой луч падает на полированную поверхность (вверху), свет отражается в одном направлении, образуя зеркальное отображение. Неровная поверхность (внизу) рассеивает свет, не давая четкого отображения.
Кронглас
—Флинт-
О Стороны выпуклой линзы, часть которой показана на рисунке, выгнуты наружу. Каждый отрезок линзы действует как призма, преломляя проходящий через него свет. Лучи одного цвета, исходящие из одной точки, фокусируются (собираются) в точке на определенном расстоянии от линзы.
О Линзу из двух сортов стекла можно использовать для получения изображений без цветной каймы. Первая часть линзы преломляет лучи разного цвета в разной степени, заставляя их расходиться. Вторая опять собирает их, устраняя цветовые искажения.
Q Фасеточные глаза мух состоят из тысяч линз.
Каждая фокусирует свет лишь на нескольких
2 светочувствительных - клетках, так что муха о не может разглядеть g все детали объекта.
5 Цветок глазами мухи S выглядит как состоя-
щая из тысяч
э кусочков картинка, а показанная внизу.
красную составляющую белого цвета и поглощает большинство синих и зеленых составляющих. Точно так же синий предмет отражает синие лучи, поглощая красные и зеленые. А зеленый предмет отражает зеленые лучи, поглощая красные и синие.
Если смешать краски разного цвета, то каждая будет поглощать (убирать) различные составляющие белого света; смесь будет становиться темнее. Таким образом, смешивание красок - это процесс, противоположный смешиванию цветовых лучей. Чтобы получить определенную гамму цветов, надо использовать другой набор основных цветов. Основные цвета, используемые в живописи, называются основными пигментными цветами. Это пурпурный, или «идеально красный», синий и желтый, обычно (но неправильно) называемые красным, синим и желтым. Черный добавляют, чтобы увеличить плотность темных участков, а насыщенная смесь всех основных цветов все же отражает в какой-то степени свет. В результате вместо черного цвета получается темно-коричневый.
Волны и частицы
В XVII веке Исаак Ньютон и другие ученые полагали, что свет состоит из быстро движущихся частиц, которые назвали корпускулами. Датский ученый Христиан Гюйгенс утверждал, что свет состоит из волн.
В 1801 г. английский ученый Томас Янг произвел ряд опытов с дифракцией света. Это явление состоит в том, что при прохождении через очень узкую щель свет
лучим, комбинируя основные. Так, например, смесь красного с зеленым дает желтый.
Тот факт, что белый свет состоит из нескольких цветов, объясняет, почему мы видим предметы в том или ином цвете. (Для простоты предположим, что белый свет
БОЛЬШАЯ ИЛЛЮЗИЯ
Мираж - это оптический обман, наблюдаемый в жарких пустынях (вверху). Когда солнце сильно нагревает землю, воздух над ней тоже нагревается. При изменениях температуры на разных высотах, свет в воздухе преломляется, как показано на картинке. Чтобы увидеть верхушку дерева, наблюдателю приходится смотреть вниз,
состоит только из красного, зеленого и синего.) Мы видим предмет белым, если он отражает все три составляющие части белого света, и черным, если он не отражает ни одной из них. Но красный предмет, освещаемый белым светом, видится красным потому, что он отражает главным образом
@ Ультрафиолетовые лучи применяются в стоматологии для закрепления тканей десен и уничтожения микробов.
так что дерево кажется перевернутым. Иногда падающий с неба свет выглядит как разлитые на земле лужи.
Слой холодного воздуха над морем может вызвать противоположное явление (внизу). Свет, отраженный от далекого корабля, преломляется так, что корабль кажется парящим в небе.
О Банкноты, помеченные антраценом, флюоресцируют под воздействием ультрафиолетового света.
z Q Медуза освещает g себе путь в океанских < глубинах.
Рыба хаулиод излучает биолюмине-сцентный свет из набрюшных органов (фотофоров). Рыба регулирует их яркость так, чтобы она соответствовала ярко-g сти света, проникаю-z щего с поверхности.
О Жужелица хорошо видна на фоне светящегося зеленым биолюминесцентным светом опенка настоящего.
слегка рассеивается, а не распространяется по прямой линии. Янг объяснил дифракцию распространением света в форме волн. А в 18б0-х гг. шотландский ученый Джеймс Кларк Максвелл высказал предположение, что электромагнитная энергия распространяется волнами, и что свет является особым видом этой энергии.
Однако к началу XX века немецкий ученый Макс Планк в своих работах доказал, что энергия излучения может существовать лишь в виде крошечных сгустков -квантов. Это доказательство лежит в основе квантовой теории Планка, за которую он в 1918 году получил Нобелевскую премию в области физики. Квант светового
излучения - это частица, называемая фотоном. При излучении или поглощении свет всегда ведет себя как поток фотонов.
Таким образом, иногда свет ведет себя как волны, иногда - как частицы. Поэтому считается, что он имеет двойственную природу. Ученые, объясняя данные на-| блюдений, могут пользоваться либо вол-новой теорией, либо теорией частиц.
I Генерирование света
Ь Подобно электрическому току, свет мо-12 жет генерироваться другими видами s энергии. Солнце генерирует свет и дру-
гие электромагнитные излучения путем мощных реакций синтеза, в процессе которых водород превращается в гелий. При сгорании угля или дерева химическая энергия топлива превращается в тепло и свет. Прохождение тока через тонкую нить накала в электрической лампочке дает тот же результат. Лампа дневного света работает по другому принципу7. На концы трубки, наполненной парами (обычно ртути) под большим давлением, подается высокое напряжение. Пар начинает светиться, испуская ультрафиолетовое излучение, которое действует на химическое покрытие внутренних стенок трубки. Покрытие поглощает невидимое ультрафиолетовое излучение и само излучает энергию света. Этот процесс преобразования излучения называется флюоресценцией. Фосфоресценция - явление того же рода, но свечение при этом
продолжается довольно долго и после удаления источника излучения. Светящаяся краска фосфоресцирует. После кратковременного воздействия на нее яркого света она светится часами. Флюоресценция и фосфоресценция являются формами люминесценции - излучения света без влияния высокой температуры.
Биолюминесценция
Некоторые живые организмы, включая жуков-светляков, отдельные виды рыб, грибов и бактерий, генерируют свет способом биолюминесценции. В этом случае источником света является химическая энергия, получаемая при окислении вещества, называемого люциферином.
Одним из наиболее полезных источников света является лазер. Это слово составлено из первых букв полного термина «усиление света методом индуцированного излучения» (по-английски light amplification by stimulated emission of radiation). В лазерной трубке под воздействием электричества из атомов высвобождаются фотоны.
Лазерный свет является когерентным. Это означает, что выпущенные световые волны поднимаются и опускаются вместе. Получаемое таким образом световое излучение высокой направленности и большой плотности энергии имеет различные области применения, включая сшивание тканей в хирургии, резку7 стали, наведение ракет на цели, передачу информации.
© Сценические эффекты на рок-концертах получают при помощи генераторов дыма. Его частицы рассеивают лучи прожекторов, придавая им видимые очертания.
Оптические приборы
Оптические приборы помогают нам исследовать окружающий мир. Телескоп позволяет обнаружить и рассмотреть очертания и детали далеких космических тел, амикроскопраскрывает тайны нашей планеты, такие как строение живых клеток.
Наши глаза, по сути, представляют собой оптические приборы. Когда мы смотрим на предмет, линзовая система, расположенная в передней части каждого глаза, формирует его изображение на сетчатке - слое глазного дна, содержащем примерно 125 млн. светочувствительных клеток. Падающий на сетчатку свет заставляет клетки посылать в мозг электрический нервный сигнал, позволяя нам визуально воспринимать предмет.
Кроме того, глаза обладают системой регулировки яркости. При ярком освещении зрачок инстинктивно сужается, понижая яркость изображения до приемлемого уровня. При слабом освещении зрачок расширяется, увеличивая яркость изображения.
Как действует линза
Линзовая система глаза состоит из выпуклой линзы хрусталика и расположенной перед ней заполненной жидкостью
искривленной оболочки, которая называется роговицей. Роговица обеспечивает четыре пятых всего процесса фокусировки. Тонкая регулировка осуществляется хрусталиком, чья кривизна поверхности изменяется расположенным вокруг него мышечным кольцом (капсулой). Когда глаз не может принять необходимую форму, обычно из-за нарушений в данных мышцах, изображения видимых предметов становятся расплывчатыми.
Наиболее распространенным недостатком зрения является невозможность сфокусировать на сетчатке изображения от-
О Линзы призменных биноклей создают перевернутое изображение. Призмы каждой секции бинокля поворачивают его, преобразуя в прямое.
0 Близорукость и дальнозоркость можно скорректировать, используя для фокусировки изображения на сетчатке соответствующие очки или контактные линзы.
дельных предметов. Если линзовая система глаза слишком сильная, другими словами, если она очень выпуклая, то удаленные предметы будут расплываться, а близкие - давать четкие изображения. Людей с таким нарушением именуют близорукими. Если выпуклость хрусталика недостаточна, то расплываться будут близкие предметы, а четкими останутся изображения удаленных предметов. Обладателей такого зрения называют дальнозоркими. Оба нарушения можно исправить, пользуясь очками или контактными линзами.
Близорукие люди носят очки с вогну
тыми линзами (более тонкими посередине), которые позволяют их глазам фокусироваться на удаленных предметах. Дальнозоркие люди носят очки с выпуклыми линзами (утолщенными в центре).
Увеличение
Сильные выпуклые линзы часто используются в качестве увеличительных стекол. Первые увеличивающие устройства использовались примерно 2000 лет назад. В древнегреческих и древнеримских документах описывается, как для увеличения предметов можно использовать наполненный водой круглый стеклянный сосуд. Полностью сделанные из стекла линзы появились гораздо позже и, вероятно, впервые были использованы в XI веке монахами, трудившимися над рукописями. В конце XIII века увеличительные стекла с небольшим увеличением уже использовались в очках для коррекции дальнозоркости. Но техника изготовления вогнутых линз для коррекции близорукости была изобретена только в начале XV века.
Телескопы
Когда появились увеличительные стекла, люди, естественно, попытались использовать вместо одного два таких стекла, чтобы получить еще большее увеличение. Экспериментальным путем было обнаружено,
Сиднейская опера
Открытый в 1973 г., Сиднейский оперный театр - самый известный театральный комплекс Австралии, а возможно, и всего Южного полушария.
В ряду самых эффектных и дорогих театральных комплексов, построенных в XX в., стоит Сиднейский оперный театр, расположенный недалеко от городского порта и с трех сторон окруженный водой. Сооружение представляет собой целый комплекс, в состав которого входят оперный театр на 1500 мест, большой концертный зал (для выступлений Сиднейского симфонического оркестра), малый зал (для театральных представлений), кинотеатр, репетиционный зал и студия звукозаписи, а также новый зал имени Утзона. Сцена оперного театра используется также для постановки балетных спектаклей.
До 1950-х гг. в Австралии было
очень мало культурных учреждений, особенно театров и концертных залов. До конца II мировой войны Австралия оставалась в тени Великобритании, которую называли «старой страной», поскольку оттуда были родом большинство австралийцев. Но после 1945 г. положение вещей коренным образом изменилось.
Поэтому, когда ставший в 1947 г. дирижером Сиднейского симфонического оркестра известный английский скрипач и композитор Юджин Гуссенс предложил построить в Сиднее на мысе Бенелонг новый концертный зал и оперный театр, его проект нашел широкий отклик среди общественности.
Кампания в поддержку строительства получила новый импульс после знакомства Гуссенса с Джоном Джозефом Кейхиллом, ставшим премьер-министром шт. Новый Южный Уэльс. Кей-хилл поддержал эту идею и создал комитет по строительству оперного театра, который подтвердил, что мыс Бенелонг - идеальное место для строитель-
0 Освещенный лучами восходящего солнца, оперный театр кажется парящим над водой городского порта на фоне расположенных рядом небоскребов делового центра Сиднея.
ства, и предложил провес™ конкурс на лучший проект здания. В январе 1957 г. победителем конкурса был объявлен датский архитектор Йорн Утзон.
Архитектор
Йорн Утзон родился 9 апреля 1918 г. в Копенгагене (Дания). В 1937-42 гг. он изучал архитектуру в Академии искусств родного города под руководством Кая Фискера и Штеена Элера Расмуссена. После окончания учебы Утзон уехал в Швецию. До конца войны Йорн Утзон работал в Стокгольме, большое влияние на него оказали идеи известного шведского архитектора Гуннара Асплунда (1885-1940).
В 1945 г. Утзон в сотрудничестве с Тобиасом Фабером и Могенсом Ир-миигом принял участие в конкурсе проектов здания на месте разрушен-
телескопа, а используемый им тип прибора получил известность как телескоп Галилея. Выпуклая линза его объектива собирала свет от наблюдаемого объекта. А вогнутая линза окуляра отклоняла световые лучи таким образом, что они создавали увеличенное прямое изображение. Линзы устанавливались в трубах, одна из которых (меньшего диаметра) скользила внутри другой. Это позволяло регулировать расстояние между линзами, получая при этом четкое изображение.
Телескоп Галилея работает с использованием принципа преломления (отклонения) света и поэтому7 известен также как телескоп-рефрактор. Другой вид телескопа-рефрактора характеризуется выпуклостью обеих линз. Такая конструкция создает увеличенное, но перевернутое изображение и известна как астрономический телескоп.
РЕФЛЕКТОР КАССЕГРЕНА
второе зеркало
вторичное зеркало
Рефлектор Ньютона
При использовании ранних телескопов-рефракторов возникала одна существенная проблема, которая обусловлена дефектом линз, называемым хроматической аберрацией и приводящим к появлению вокруг изображений нежелательных цвет-
О Зрительная труба (вверху слева) с составными линзами объектива и окуляра. Дополнительные линзы между объективом и окуляром переворачивают изображение, преобразуя его в прямое. В астрономическом телескопе (слева) такие линзы отсутствуют, поскольку при наблюдении удаленных небесных тел понятия «верх» и «низ» не столь важны. Большинство астрономических телескопов являются рефлекторами.
О Часть зуба дельфина под микроскопом и лабораторный микроскоп с объективами различного увеличения (вставка).
что при определенном расстоянии между линзами отдаленный объект можно увидеть со значительным увеличением. Такое расположение линз послужило основой ддя создания первого телескопа, который в то время назывался зрительной трубой. Изобретение этого прибора иногда приписывают жившему в XIII веке английскому философу и естествоиспытателю Роджеру Бэкону. Но, возможно, пальма первенства принадлежит арабским ученым.
Рефрактор Галилея
Зрительная труба, созданная в 1608 году голландским оптикОхМ Хансом Липперши, привлекла внимание итальянского ученого Галилея. В течение короткого времени ученый усовершенствовал конструкцию Липперши и создал несколько труб с улучшенными характеристиками. С их помощью он совершил ряд открытий, включая горы и долины на Луне, а также четыре спутника Юпитера.
Открытия Галилея показали важность
пых ореолов. Для устранения этого недостатка английский ученый Исаак Ньютон в 1660-е годы сконструировал телескоп-рефлектор. Для концентрации световых лучей и создания изображения в нем вместо линзы объектива используется вогнутое зеркало, не образующее цветных ореолов. Плоское зеркало отражает свет в выпуклую линзу окуляра, установленную на главной трубе сбою,'. Прибор такого типа известен как телескоп Ньютона.
Микроскопы
Увеличительное стекло иногда называют простым микроскопом, т. к. его используют при наблюдении мелких объектов.
Сложный микроскоп состоит из двух выпуклых линз. Линза объектива создает увеличенное изображение, которое затем снова увеличивается линзой окуляра. Как и в астронохмическом телескопе, это изображение перевернуто. Многие сложные микроскопы имеют комплект объективных линз с различной степенью увеличения.
ного пожаром «Хрустального дворца» в Лондоне. В 1946 г. он несколько месяцев провел в Хельсинки, где работал в студии выдающегося финского архитектора Алвара Аалто (1898-1976), также оказавшего большое влияние па его становление как архитектора. Утзон никогда не забывал его высказывания: «Задача архитектора - сделать жизнь удобнее». Позже Утзон в сотрудничестве с норвежским зодчим Арне Корсмо участвовал в ряде архитектурных конкурсов в Марокко, Норвегии и других странах. В 1947-48 гг. он много путешествует по Европе, Северной Африке и США. В это время он встречается с Франком Ллойдом Райтом и Ми-сом ван дер Роэ. В 1949 г. посетил Мексику, где был поражен красотой древних храмов майя, что отразилось в его проекте Сиднейского оперного театра. С 1950 г. Утзон занялся частной архитектурной практикой в Копенгагене.
Первый раз Утзон приехал в Австра
лию в июле 1957 г., а 7 августа в здании Сиднейского муниципалитета на собрании по сбору денег на строительство он продемонстрировал модель будущего театра. Оригинальность идеи Утзона заключалась в совмещении двух театров в одном здании. Планировалось, что стоимость строительства не превысит 7 млн. долл, и оно будет завершено в 1963 г.
Затем архитектор возвращается в Данию, чтобы с помощью лондонской строительной компании «Ове Аруп энд партнерз» разработать проект в деталях. 18 августа 1958 г. начался снос старого трамвайного депо на мысе Бе-нелонг, а уже 2 марта 1959 г. премьер-министр Кейхилл и Утзон приняли участие в торжественной закладке первого камня фундамента театра.
22 октября 1959 г. Кейхилл умер. В этом же году в процессе идущего полным ходом строительства было изменено техническое задание. Те
перь в одном здании необходимо было разместить уже не два, а четыре театра. Но это был не единственный удар, обрушившийся на архитектора, ясно представлявшего себе здание с «двумя расходящимися в разные стороны залами», формой и расцветкой напоминающее экзотическую птицу. Удвоение количества залов радикально меняло всю концепцию проекта.
Пятый фасад
Казалось, проект невозможно реализовать. Особенно много сомнений вызывали расположенные веером раковины крыши. Утзон говорил, что прообразом формы крыши стали пальмовые листья. Затем, когда здание было почти закончено, он описывал ракушки крыши в других выражениях: «Глядя на круглый орех, вы знаете, что внутри его находится круглое ядро. Вы понимаете, что орех не может иметь другую форму».
СООРУЖЕНИЕ КРЫШИ
После длительных обсуждений со специалистами строительной компании «Ове Аруп» Утзон изменил первоначальный проект. Секции крыши, планировавшиеся в виде огромных раковин, стали сегментами большой сферы, собираемыми на строительной площадке, подобно деталям гигантского конструктора. Ребра также монтировались из отдельных частей. «Это очень просто, - объяснял Утзон. - Представьте себе огромный шар; этот шар можно разделить, как апельсин, на ломтики».
Однако практическая реализация этой операции оказалась далеко не такой простой. Каждый свод крыши собирался из готовых сегментов, идущих рядами от бетонного цоколя к балке гребня. Бетонные оболочки были покрыты белыми глазурованными и матовыми плитками, напоминающими по форме шевроны военного мундира. Уложенные идеально ровно, они создают удивительные световые эффекты. В своей книге «Другой Тадж-Махал» Джон Йомене описывает сооружение крыши Сиднейского оперного театра как, «возможно, самую трудную задачу сборки в истории строительства». Сначала новый вид крыши вызвал возмущение общественности, а газета «Сидней дейли телеграф» однажды даже вышла под заголовком: «Шокирующие изменения - крыша будет полосатой».
Ко времени окончания нового проекта крыши на строительную площадку уже были завезены колонны, изготовленные по первоначальному проекту. Поскольку они не могли выдержать вес новой крыши, их пришлось уничтожить, взорвав гелигнитом, и заменить новыми, большими по размерам. На эксперименты с различными методами сборки железобетонных элементов крыши и на само строительство компания Арупа затратила с середины 1957 до конца 1965 г. ок. 350 000 человеко-часов. Все приложенные усилия, безусловно, оправдали себя. Необычная крыша Сиднейского оперного театра стала символом, пожалуй, самого уникального здания современной архитектуры.
Q Зал оперного театра на 1500 мест. В орнаменте занавеса использованы мотивы древнего искусства австралийских аборигенов.
Но, что бы ни напоминала крыша, ее строительство представляло сложную техническую проблему. Первоначально предложенную конструкцию невозможно было реализовать на практике. Выполнение проекта оказалось под угрозой. В октябре 1961 г. Утзон предложил радикально изменить конструкцию крыши. «Он позвонил мне, -рассказывает Арун, чтобы рассказать, как он решил проблему7 сборной конструкции. Он изменил форму7 ракушек, вырезав их из сферы одного диаметра, расположив ребра по меридианам». Об этом «сферическом решении» было объявлено в январе 1962 г. Утзон считал, что «нельзя спроектировать здание на таком открытом месте, не принимая во внимание форму крыши. Здесь необходим пятый фасад, не менее важный, чем остальные четыре».
Основанием двух залов Сиднейского оперного театра служит облицо-
Q Занятия физкультурой на свежем воздухе -важная часть жизни большинства австралийцев, и жители Сиднея не исключение. Необычные формы оперного театра гармонируют со спортивным образом жизни сиднейцев.
ванный гранитом подиум. Южное фойе с лестницей шириной 86 м поддерживается балками из предварительно напряженного железобетона, перекрывающими 49-метровые пролеты. Нижний вестибюль предназначен для подъезда автомобилей. Утзон всегда был неравнодушен к платфор-
David Gray/Popperfoto Tony Arruza/Corbis
мам как архитектурным элементам. Позже он объяснял: «Впервые я был очарован ими в Мексике во время исследовательской поездки в 1949 г. От них исходит ощущение прочности и силы. Вы пробираетесь сквозь джунгли, и внезапно перед вами возникает высокая стена. Пройдя еще несколь-
0 Ночью секции крыши подсвечиваются снизу, создавая впечатление надежного, гостеприимного убежища. Белый цвет освещенной крыши контрастирует с ярко-зеленой окраской моста.
ко шагов, вы чувствуете легкое дуновение ветра. Это незабываемо - видеть, как должна была развиваться архитектурная мысль, чтобы создать ощущение связи с богами».
Особенно впечатляет гармония, с какой здание с вызывающе модернистскими формами вписывается в естественный ландшафт. Это было хорошо продуманное решение архитектора, который сказал: «Предельно важна гармония с ландшафтом, который вместе с солнцем, светом и облаками создает живую вещь. Чтобы подчеркнуть игру света, крышу покрыли кафельными плитками. В лучах солнца криволинейные сегменты создают неповторимые световые эффекты. Нельзя создать такое множество форм, не найдя определенной формы гармонии».
Закулисные интриги Строительство Сиднейского оперного театра все время находилось в центре политических интриг, в атмосфере которых Утзон чувствовал себя все более неуютно. 28 февраля 1965 г. он вынужден был отказаться от управления
проектом, указав как причину непонимание руководством наиболее важных проблем строительства и невыплату 51 тыс. фунтов стерлингов гонорара. «Становится очевидным, - написал он своим работодателям, - что вы не уважаете меня как архитектора».
Министр общественных работ Дейвис Хьюз ответил буквально час спустя: «Я получил Ваше заявление об отставке, о чем глубоко сожалею. Но я не могу признать, что с нашей стороны отсутствует стремление к сотрудничеству». Затем он переслал копию письма членам правительства с примечанием: «Предвидя это, я обсуждал способы завершения строительства оперного театра с государственным архитектором и ведущими членами Института архитектуры».
Решение правительства вызвало гневную реакцию общественности, требовавшей вернуть Утзону руководящую должность, и 7 марта Хьюз предложил ему стать архитектором проекта, работающим под контролем группы правительственных архитекторов. Утзон отказался; на официальное открытие театра 20 октября 1973 г. Утзона не пригласили.
Оставив работу над оперным теат-ром, Утзон работал над проектом здания Национальной ассамблеи Кувей
та (1972), комплексом церковных сооружений в Багсварде (пригород Копенгагена; 1975), спроектировал мебельный магазин в Копенгагене (1985), жилищный комплекс неподалеку Эльсмора (1957-60) и дома на острове Мальорка (1972 и 1994).
Дальнейшие проекты Питер Холл, архитектор, продолживший работу Утзона в Сиднее, заставил правительство штата сделать окончательный выбор, каким должен стать главный зал театра: концертным или театральным. Поскольку был выбран первый вариант, Холл перенес оперный театр в зал, предназначавшийся Утзоном для драматического театра. По решению Холла в зале были установлены красные кресла, украсившие помещение.
Полная стоимость Сиднейского оперного театра после завершения строительства в 1973 г. достигла 102 млн. долларов, однако затраченные средства были компенсированы уже в 1975 г.
В 2001 г. правительство выделило 69,3 млн. долл, для реконструкции и модернизации Сиднейской оперы. Йори Утзон принял предложение стать архитектором этого проекта, и это означает, что стиль и дух этой жемчужины архитектуры останутся прежними.
562
См. также
Планета Земля 184 - СИДНЕЙ
Наука и техника 76 - ЗДАНИЯ |
Фотография
В однообъективном зеркальном фотоаппарате используются сменные объективы.
У этой модели механические устройства для установки диафрагмы и взвода затвора. Объектив состоит из семи отдельных стеклянных элементов. Пленка закрыта затвором при просмотре объекта съемки через широко открытый объектив посредством зеркала и призмы. Во время съемки ирисовая диафрагма сужает рабочее отверстие объектива до выбранной величины.
ОДНООБЪЕКТИВНЫЙ ЗЕРКАЛЬНЫЙ ФОТОАППАРАТ
ручка обратной перемотки
указатель макси-альной установки
зубчатый барабан
ирисовая диафрагма
тубус (оправа) объектива
передний блок линз (3 элемента/3 группы)
Для экспонирования первого снимка потребовался почти целый день. Фотография стала популярным занятием после появления более совершенных светочувствительных материалов.
В процессе фотографирования линза проецирует изображение объекта съемки на поверхность, покрытую светочувствительным слоем. Свет вызывает изменения в этом чувствительном материале, а образовавшийся рисунок становится видимым после химической обработки.
Французский инженер Жозеф Нисефор Ньепс сделал первый фотоснимок в 1826 г. Понадобилось около восьми часов, чтобы заснять пейзаж на фотопластинку. Ньепс умер в
1833 г., не успев усовершенствовать свой способ фотосъемки, где роль светочувствительного материала играл асфальтовый лак. Его коллега Луи Дагер продолжил эксперименты и в январе 1839 г. разработал процесс, названный дагеротипией, с использованием серебряных пластинок, покрытых слоем иодида серебра. И хотя по современным стандартам такие пластинки были малочувствительными, с их помощью получали фотоснимок всего за 15-30 минут.
Для получения готового снимка при помощи аппарата Дагера фотопластинка после экспонирования в камере подвергалась химической
О Модель камеры Фокса Толбота, изобретателя негативно-позитивного фотопроцесса, благодаря которому можно получать сколько угодно отпечатков одного и того же снимка.
О Популярный в 1950-е гг. фотоаппарат «Бокс Брауни» фирмы «Кодак». «Верхний» видоискатель использовался при вертикальном положении камеры, а «боковой» - при горизонтальном.
Q Черно-белая пленка состоит из пластиковой основы, покрытой светочувствительной эмульсией - суспензией микрокристаллов галогенида серебра в желатине. Специальное покрытие защищает пленку от царапин.
--------аащищаюшее-ог-царапин покрытие___________
“'е Э «Г® ''в Ай
______________желтый светофильтр_________________
ф &> Ф 4 о
йТ 1£о.Й. чувствительный к зеленом» trees' [у\&/\
А Л <3 /а (S а» /21
Т'ф чувствительный к красном^фвдти, да
Р а g д да Д' '27 Д а- I
ОСНОВА । /
обработке. Если требовалось сделать несколько снимков, нужно было каждый раз менять пластинки.
Однако вскоре эта проблема была решена: не прошло и трех недель после изобретения дагеротипии, как англичанин Фокс Толбот впервые продемонстрировал негативно-позитивный процесс (калотипию).
В ходе него экспонируемый в камере светочувствительный материал вначале обрабатывался, чтобы получить негатив (обратное изображение, где светлые участки объекта съемки выглядят темными, а темные - светлыми). Затем негатив использовался для получения изображения на другом образце светочувствительного материала. При этом темные и светлые участки вновь менялись местами, й в результате позитивный отпечаток соответствовал реальному изображению объекта.
Скорость затвора
Такой способ съемки был приемлемым при относительно длительном времени экспонирования. Но когда выдержка менее секунды стала нормой, потребовались механические затворы с одной или несколькими установками выдержки.
У современной фотокамеры не-
О Джеймс Клерк Максвелл сделал эту цветную фотографию ленты из ткани «шотландка» еще в 1861 г. Было сделано три негатива - по одному для каждого из основных цветов.
О Основные цвета -красный, зеленый и синий. Их смешение попарно дает желтый, голубой и пурпурный цвета. При наложении всех трех цветов образуется белый цвет.
О В процессе фотографирования свет проходит через объектив и образует изображение на пленке. Ирисовая диафрагма регулирует величину рабочего отверстия объектива и, следовательно, яркость изображения.
Эмульсия этой цветной пленки состоит из 2 трех слоев, чувствительных к трем основным цветам: синему, зеленому и красному.
Зеленый и красный слои восприимчивы также к синему свету, поглощение которого обеспечивает желтый светофильтр.
сколько скоростей затвора, или выдержек: от 1/1000 или 1/500 секунды до 1 секунды. Большие выдержки получают. открывая затвор на требуемый период времени. На некоторых камерах установлены механические затворы, а на самых сложных современных фотоаппаратах - электронные, управляемые мини-компьютерами.
Помимо изменения скорости затвора есть еще один способ регулирования количества света, попадающего на пленку?. Величину рабочего отверстия (апертуры) объектива можно уменьшить с помощью ирисовой диафрагмы, тем самым снижая освещенность фотослоя. Фотограф обычно добивается правильной экспозиции, используя широкую апертуру при малой выдержке или меньшую апертуру при большей выдержке.
Определение экспозиции
В большинстве фотоаппаратов можно добиться правильной экспозиции для самых разных условий съемки и для фотопленки различной светочувствительности. Нужные установки можно определить с помощью экспонометра, в котором фотоэлектрическое устройство измеряет интенсивность света и показывает нужные значения выдержки и диафрагмен-
О Вид камеры «Rolleiflex SL86», полученный с помощью нейтронографии. В отличие от рентгенографии, здесь вместо рентгеновских лучей используются пучки нейтронов, что дает более детальное изображение объекта.
ного числа. Во многих камерах есть встроенный экспонометр. В некоторых случаях фотограф сам настраивает выдержку’, а отверстие диафрагмы устанавливается автоматически.
Выдержка и диафрагма
Оптимальное сочетание значений выдержки и диафрагменного числа зависит от характера объекта съемки и желаемого фотоэффекта. Например, для четкого снимка пробегающего мимо человека нужна малая выдержка. Поэтому степень раскрытия диафрагмы должна обеспечить нужное количество света за короткий
250-мм (10-дюймовый) ТЕЛЕОБЪЕКТИВ
расстояния фокусирования (метры/футы)
Две расположенные внизу фотографии были сняты с одной и той же точки, но разными объективами: штатным (фото слева) и телеобъективом (фото справа).
Телеобъектив для 35-мм однообъективной зеркальной камеры (вверху). Хотя его внутренняя поверхность черного цвета, нужны заслонки, чтобы исключить вредные для снимка отблески света.
оо Объектив типа «рыбий глаз» дает сверхширокоугольное и искаженное изображение, как на этом снимке стадиона (слева). Этот объектив имеет две группы элементов (схема вверху).
ф Широкоугольный объектив, используемый на 35-мм однообъективной зеркальной камере. Шкала глубины резкости показывает, в пределах какой зоны объекты съемки будут в фокусе при той или иной диафрагме.
период экспонирования. Но если фотограф хочет получить нечеткое изображение ног бегуна, чтобы передать движение, то устанавливается большая выдержка" при меньшей апертуре. При этом он может «вести» камерой объект, чтобы тело бегуна выглядело относительно неподвижным на фоне размытого заднего плана.
От установки диафрагмы зависит не только количество поступающего в камеру света, но и глубина резкости снимка - то расстояние, на котором изображение остается «в фокусе», т. е. резким. При большой апертуре глубина резкости будет малой и наоборот. Так, например, если вы хотите сфотографировать уличную сцену так, чтобы все объекты выглядели четко, вам нужно установить небольшую диафрагму. "Но если ваша задача - четкий снимок лишь одного человека, а все остальное должно остаться не в фокусе, то вам понадобится выставить большую диафрагму.
Фокусное расстояние Простейшие камеры имеют жестко встроенный объектив с маленькой апертурой, что обеспечивает резкость "снимков всех объектов (кроме находящихся очень близко от объектива). В аппаратах с высокосветосильным объективом должна быть возможность регулировать расстояние между ним и пленкой. Тогда, если выставлена большая диафрагма, объектив можно сфокусировать на требуемый участок объекта съемки.
Если держать объектив перед листом картона и сфокусировать на пего отдаленный объект, то промежуток между объективом и картоном и будет фокусным расстоянием объектива. Объектив с меньшим фокусным расстоянием должен располагаться ближе к листу картона, чтобы получилось резкое" изображение, причем в этот раз оно будет меньших размеров. Другими словами, объектив охватывает 'больший угол обзора и поэтому называется широкоугольным.
ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ
Река Святого Лаврентия
Глубоководный путь по реке Святого Лаврентия считается одним из величайших достижений технической мысли XX в.
Когда-то большие грузовые суда, идущие со стороны Атлантического океана, нс могли достичь крупных городов Северной Америки’ расположенных в районе Великих озер. Но после прокладки глубоководного пути Святого Лаврентия в 1959 г. даже гигантские контейнеровозы стали заплывать в глубь континента.
Такие города, как Кливленд, Детройт и Чикаго в США, а также Монреаль и Торонто в Канаде, сегодня входят в число самых оживленных портов мира. Глубоководный пучь Св. Лаврентия соединяет озеро Онтарио с Квебеком и Атлантическим океаном. Вся система водных путей тянется более чем па 3700 км - от Атлантического океана через Великие озера до г. Дулут, расположенного на берегу озера Верхнего в шт. Миннесота (США).
0 Мост Тысячи островов пересекает реку Святого Лаврентия в ее юго-западной части. Участок глубоководного пути под одноименным названием тянется более чем на 100 км - от озера Онтарио до г. Огденсбурга.
Вековая история
В течение пяти лет (1954-58) ландшафт долины реки Святого Лаврентия преобразился: были переселены поселки, построены плотины, русло проложили в обход порогов, появились новые озера. Завершение строительства глубоководного канала -последний штрих в создании в этой местности водного пути, которое длилось не одно столетие.
В 1829 г. был построен канал Уэл-ленд. Он соединил озера Эри и Онтарио и обеспечил судоходство в обход гигантского Ниагарского водопада. Канал трижды реконструировался. Длина водного пути была’увеличена год спустя после открытия в штате Нью-Йорк канала Эри. В ходе его строительства 6500 человек переселили в новые дома и более 550 домов перевезли и установили на новые
фундаменты в городах Иглсайд, Лонг-Солт и Ирокез.
Глубоководный путь включает 96 км каналов, а также 3 плотины и 19 шлюзов (они необходимы, так как озеро Онтарио находится на высоте более 70 м над уровнем моря). Плотины были возведены для образования водохранилища -озера Святого Лаврентия. Плотина Ирокез длиной 823 м была сооружена, чтобы затопить протяженные пороги. Две других плотины -Лонг-Солт (902 м) и Мозес-Сондерс (1006 м). Последняя вырабатывает 1 870 000 кВт электроэнергии, используемой в США и Канаде.
Ближе к Атлантическому океану построен Международный высотный мост, обеспечивающий прохождение самых высоких судов. К северо-востоку от озера Святого Франциска проложен подводящий канал ГЭС Боарнуа, на котором расположены несколько шлюзов и электростанция Боарнуа. Далее в обход порогов Лашин прорыт канал, по которому суда доходят до Монреаля.
КАНАДА
Квебек
Труа-Ривьер ’ Монреаль,
РАСПОЛОЖЕНИЕ ГЛУБОКОВОДНОГО ПУТИ СВЯТОГО ЛАВРЕНТИЯ
03ер<уЕерхнё^__^^
Дулут
озеро' , "
Г,р?н ,Т«Р«5^?О
/ Онтарио
Мичиган’, г >-•
Детройт
Кливленд
Чикаго*
СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ
О Граница между США и Канадой проходит ПО Великим плотина Ирокез
озерам и верхней части русла глубоководного пути Святого Лаврентия.
<-z W Огденсбург
плотина Мозес-Сондерс Корнуолл
Шлюз Смолл
канал и шлюз Лонг-Солт
КАНАДА
СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ
0 Соединяя отдельные участки реки (больше напоминающие озера), глубоководный путь Святого Лаврентия проходит по естественной геологической впадине. На фото: шлюз Смолл образует часть обводного канала, ведущего к плотине ТЭС Мозес-Сондерс.
Давний проект и его реализация
Удаленная от океана территория Великих озер (к ним относятся Онтарио, Эри, Гурон, Мичиган и Верхнее) всегда была судоходной, но до 1958 г. не существовало прямого морского пути’для контейнеровозов, курсирующих между этими озерами и Атлантическим океаном. Французские колонисты первыми стали активно осваивать водные пути в верхней части Североамериканского континента. Еще в 1680 г. началась прокладка канала Кассон от озера Святого Людовика до Монреаля. Однако завершить его строительство удалось лишь в 1824 г.
В XVIII в. были построены другие местные системы каналов. С течением времени интенсивность движения судов по этим каналам возросла настолько, что власти пришли к выводу7 о целесообразности строительства более масштабной системы водных путей, однако две мировые войны и противодействие со стороны альтернативных перевозчиков затормозили реализацию проекта.
Но когда в 1950 г. Канада заявила
о своем намерении построить водный путь для грузовых судов с выходом к Атлантическому океану, США вынуждены были поддержать этот план. Американцы хорошо понимали, какие экономические потери они понесут, если Канада одна будет владеть таким важным торговым путем. К 1954 г. обе страны согласовали проект и приступили к его осуществлению.
На всех каналах были произведены дноуглубительные работы, после чего их глубина составляла не менее 8,2 м при минимальной ширине 61 м. Требования к минимальным размерам шлюзов были следующими: ширина -24 м, длина - 233 м, глубина - 9,1 м. Типовое грузовое судно проходит шлюз примерно за полчаса.
Глубоководный путь Святого Лаврентия был официально открыт королевой Англии Елизаветой и президентом США Эйзенхауэром 26 июня 1959 г.
В наши дни по этому морскому пути ежегодно перевозят в среднем 43,5 млн. т грузов. Большую часть из них доставляют из портов Канады
ОСНОВНЫЕ ФАКТЫ
При строительстве глубоководного пути в Канаде и США было затоплено 16 000 гектаров земель
В зимние месяцы ледоколы расчищают устье реки Святого Лаврентия в районе Монреаля
Рекордное количество чугуна и стали -10,7 млн. т - было перевезено по глубоководному пути в 1999 г.
Река Святого Лаврентия протекает на высоте от 74 м над уровнем моря у озера Онтарио и до 6 м над уровнем моря - в районе Монреаля
Расстояние от Атлантического океана до г. Дулут (шт. Миннесота) равно 2038 морских миль (8,5 морских суток)
и США в Европу. Среди грузов преобладают зерно, полезные ископаемые и другие виды сырья. Доходы от торговли являются важной составляющей экономики США и Канады.
592
См. также
Наука и техника 80 - ПЛОТИНЫ И ЗАГРАДИТЕЛЬНЫЕ СООРУЖЕНИЯ Нарта и техника 82 - КАНАЛЫ |
Объектив с большим фокусным расстоянием имеет узкий угол съемки и, подобно телескопу, дает увеличенное изображение. Это - телеобъектив.
Используя объективы с разным фокусным расстоянием, фотограф решает, что именно он будет фотографировать. В широкоугольный объектив можно увидеть группу людей, а если смотреть в телеобъектив с той же точки съемки, вся площадь кадра будет' занята только одним человеком. Объектив с переменным фокусным расстоя
нием называется трансфокатором. Здесь можно изменять фокусное расстояние и, следовательно, угол съемки.
Видоискатели
На простых фотокамерах видоискатель расположен вблизи съемочного объектива. Нанесенные на видоискателе прямоугольники показывают поле съемки объективов при разном фокусном расстоянии. Однако большинство камер со сменными объективами имеют TTL-видоискатель, ку
да входит зеркало, отражающее свет от главного объектива на видоискатель. Поэтому фотограф видит именно то, что будет снимать камера, независимо от вида используемого объектива. При нажатии кнопки спуска затвора зеркало уходит в сторону, открывая свету путь к пленке. Такой вид камеры называется однообъективным зеркальным фотоаппаратом, и благодаря своей универсальности он пользуется большой популярностью у фотографов-любителей.
О Снимки, сделанные «Полароидом», проявляются автоматически. Все материалы содержатся в фильмпаке. Вскоре после съемки изображение приобретает насыщенный цвет и плотность.
V камеры «SX-70»
на неэкспонированных участках молекулы цветного проявителя беспрепятственно диффундируют вверх
проявляющие вещества под давлением прижимных роликов. Краски диффундируют через слой,
светочувствительные спои с негативными
изображениями в дополнительных цветах
содержащий непрозрачные и белые пигменты, и образуют цветное изображение поверх него.
ДНК
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) присутствует в клетках почти всех живых существ и образует сложные последовательности - гены, которые программируют и регулируют функционирование организма.
Молекулу ДНК обнаружил в 1869 г. швейцарский биохимик Фридрих Мишер. Поскольку он выделил эту молекулу из ядра клетки, Мишер назвал ее нуклеином (от лат. nucleus - «ядро»). Спустя несколько лет была открыта кислотная природа нуклеина, и молекула получила название нуклеиновая кислота. Но прошло еще почти 80 лет, прежде чем двое молодых ученых поняли, как действует ДНК, раскрыв тайну ее структуры.
Речь идет об англичанине Фрэнсисе Крике (1916-2004) и американце Джеймсе Уотсоне (р. 1928), которые сделали свои революционные открытия в 1950-е гг. в Кембриджском университете (Англия). ДНК являлась предметом многих исследований, но никому не удавалось расшифровать ее структуру. Из результатов, полученных их коллегами, Крик и Уотсон знали, какие химические элементы входят в состав ДНК, но не могли уяснить, как они соединяются друг с другом. Ответ на этот вопрос дала англичанка Розалинда Франклин (1920-58).
В 1951 г. Франклин работала в биофизической лаборатории Кингс-кол-леджа (Лондон), исследуя дифракцию рентгеновских лучей - метод, позволяющий получить молекулярное изображение химических веществ. Она использовала данный прием для изучения ДНК и расшифровала базовое строение этого химического соединения. На основе полученной информации и других данных Крик и Уотсон построили первую подробную модель молекулы ДНК. Они опубликовали полученные результаты в 1953 г.
Структура ДНК
По своей форме молекула ДНК напоминает винтовую лестницу, образующую двойную спираль. Каждая боковина «лестницы» состоит из многочисленных молекул сахара (дезоксирибозы), соединенных группами фос-
Q Модель фрагмента молекулы ДНК. Каждый шарик соответствует одному атому. Атомы образуют закрученные цепочки (синие), связанные парами оснований (зеленые с голубыми или красные с темно-синими).
фатов. Эта сахарофосфатная цепь играет роль «кирпичика» в молекуле ДНК. «Перекладины» разделены надвое, при этом каждую половинку представляет один из четырех химических элементов, называемых основаниями: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) или тимин (Т). Основания прочно крепятся к боковинам, но очень слабо - к середине перекладин.
Соединения аденин и гуанин имеют два кольца и относятся к пуринам, имеющим отношение к мочевой кислоте (они присутствуют в моче). Цитозин и тимин - однокольцевые соединения, называемые пиримидинами. Аденин всегда объединяется в пары с тимином, а гуанин- с цитозином, формируя полные поперечины лестницы ДНК. Вместе с сахарофосфат-ным «каркасом» каждая пара образует нуклеотид - основную единицу ДНК.
Четыре основания - важнейшая часть молекулы ДНК, они содержат генетический код клетки. Комбинации оснований определяют время
формирования различных белков и задают функции клеток организма.
Хромосомы представляют собой длинные цепочки ДНК и белков, которые, соединяясь, образуют хроматин. ДПК плотно сжата в ядре клетки, а связующие белки (гистоны) образуют структуру, известную как нуклеосома. Нуклеосомы соединяются дополнительными цепями ДНК- т. н. связующими ДНК. Хромосомы постоянно присутствуют в ядре, но обнаруживаются в процессе деления клетки.
Гены
Определенные последовательности пар оснований молекулы ДНК в хромосомах образуют гены. Эти единицы наследственности определяю'!', что будет унаследовано новым поколением от своих предков. Гены регулируют клеточную активность: они определяют, какие белки и когда формируются, а также их количество и тип.
Разные клетки содержат одинаковые наборы генов, но только отдель
ные гены активны в каждой клетке. Так, мышечная клетка содержит те же гены, что и клетка мозга, но использует только те, что необходимы для её нормального функционирования.
Репликация
Клеточное деление происходит непрерывно. Но перед делением клетки копируют свои ДНК, чтобы обе дочерние клетки имели точно такое же количество ДНК, что и родительская. Этот процесс - репликация ДНК - включает раскручивание «лестницы» ДНК и разделение по центру каждой ее «поперечины»- аналогично расстегиванию застежки-молнии. Каждая половинка может образовывать пару с комплементарными основаниями, присутствующими в протоплазме клетки в виде свободно плавающих нуклеотидов. Пары оснований соединяются, как указано выше (А с Т и Г с Ц), формируя две идентичные двойные спирали, наполовину состоящие из старой и наполовину - из новой ДНК.
0 С помощью увеличительного стекла ученый изучает авторадиограмму последовательности ДНК, на основании которой он сможет определить уникальный генетический «отпечаток» данного человека.
О На этой фотографии с усиленной расцветкой показаны хромосомы человека, состоящие из цепочек ДНК и белков (изображение увеличено примерно в 4000 раз). Эти нитевидные структуры присутствуют в каждой клетке человеческого организма.
Следуя инструкциям, закодированным последовательностью пар оснований на молекуле ДНК, клетки создают белки, состоящие из длинных цепочек аминокислот- полипептид, образующих трехмерные структуры. Определенные последовательности пар оснований действуют как коды для простых молекул - аминокислот.
Организм человека содержит ок. 20 аминокислот. Три пары оснований составляют кодон, представляющий разные аминокислоты. Поскольку имеется четыре вида связанных друг с другом оснований, число кодонов составляет 4x4x4 = 64. Аминокислоты кодируются 61 из 64 кодонов. То есть кодонов больше, чем требуется для имеющихся аминокислот, хотя все они задействованы. Одни аминокислоты (например, метионин) представлены единственным кодоном- последовательностью основания тимин-аденин-цитозин (ТАЦ). Другие- несколькими (максимум шестью) кодонами. Так, аминокислоте аргинин соответствуют кодоны ГЦА, ГЦГ, ГЦТ, ГЦЦ, ТЦТ и ТЦЦ. Три оставшихся кодона (АТТ, АТЦ и АЦТ) означают конец белковой цепочки.
Матричные РНК
Клетка следует генетическому коду в процессе транскрипции, во время которой ДНК «расстегивается», как при описанном выше делении клетки. Однако в этом случае репликации не происходит, а закодированные в цепи ДНК инструкции передаются матричной,
или информационной, рибонуклеиновой кислоте (мРНК), молекула которой подобна молекуле ДНК, но содержит другой сахар - рибозу. Кроме того, у нее иная комбинация оснований: те же пурины, что и у ДНК (аденин и гуанин), но, в отличие от последнего, здесь основание урацил заменяет пиримидиновое основание тимин.
После окончания синтеза цепь мРНК переходит из ядра в органоиды клетки - рибосомы. Здесь белки формируются из аминокислот, которые кодируются в молекуле мРНК в процессе трансляции. Фактически при синтезе белков используется РНК другого типа - транспортная (тРНК). Эта молекула соединяется с каждой отдельной аминокислотой, образуя все удлиняющуюся цепь, которая 'затем становится новой молекулой белка.
Центральная догма
Фрэнсис Крик назвал совокупность транскрипции и трансляции «центральной догмой биологии».
Поражает способность ДНК в точности копировать себя, если учесть, например, что ядро каждой клетки организма человека содержит более 3,3 млрд, пар оснований. Но иногда ДНК не воспроизводит свою точную копию, тогда живые существа могут приобрести новые физические признаки, что приводит к эволюции совершенно нового вида. Многие изменения ДНК (мутации) являются причинами таких заболеваний, как неуправляемое размножение клеток (рак), и различных генетических нарушений.
Мутации вызваны разными причинами - от простых замен оснований в репликации ДНК до экологических
Знаете ли вы?
Если вытянуть в линию ДНК всего лишь одной клетки человека, получится отрезок длиной 2 м. Ширина ДНК составляет триллионные доли сантиметра, но ее длина в миллионы раз превышает диаметр ядра клетки.
ДНК каждой клетки человека содержит около 3,3 млрд, пар оснований. Комбинации этих пар образуют гены различной величины. Длина некоторых из них равна длине примерно 1000 пар оснований, а других - до 2 млн. пар.
ДНК человека почти идентична в каждой клетке его организма. Но есть два важных исключения из этого общего правила. Первое из них - эритроциты: у этих клеток нет ядра. Второе исключение - половые клетки (яйцеклетки и сперматозоиды). В них содержится вдвое меньшее количество ДНК по сравнению с другими клетками. В процессе размножения половые клетки объединяются для обеспечения полного комплекта ДНК (набора хромосом) у будущего зародыша.
Проект изучения генома человека
В октябре 1990 г. была создана Организа- . ция по изучению генома человека I (HUGO) - огромный научный институт, । где работали исследователи из Европей- ! ского сообщества, США, России, Канады, | Японии, Китая и ряда стран Южной Аме- | рики. Их целью была идентификация полного генетического состава, или гено- . ма, организма человека.
В ноябре 1999 г. удалось достичь боль- ' шого успеха, когда группа ученых центра I Сангера в Кембридже (Англия) объявила I о прочтении всех 34 млн. оснований, составляющих генетический материал хромосомы 22. Они опубликовали полу-
факторов, таких как ультрафиолетовое излучение солнца и курение. Хотя у ДНК есть механизмы обнаружения и репарации (восстановления) поврежденных ДНК, считается, что у каждого человека присутствуют сотни унаследованных от родителей мутаций плюс в среднем еще 30 приобретенных в течение жизни.
«Отпечатки» ДНК позволяют идентифицировать комбинации оснований в ее молекуле. Повторяющиеся последовательности ДНК уникальны у людей (исключение - однояйцевые близнецы). Образцы ДНК могут помочь в раскрытии преступлений: индивидуальные последовательности ДНК можно сравнить с образцами подозреваемого и почти в 100% случаев узнать, был ли он там.
При взятии генетического «отпечатка» ДНК очищают от образца материала-источника - лейкоцитов, спермы,
ченные данные в научном журнале «Ней-чур» и поместили результаты исследований в Интернете. После завершения проекта в 2003 г. ученые могли обнаруживать и описывать 99% генсодержащих ДНК человека (еще 1% пока не поддается надежному определению алгоритма последовательности). Это выдающееся достижение должно помочь в лечении наследственных болезней.
Внизу: эти фрагменты ДНК, полученные в центре Сангера, используются сегодня для классификации генов человека.
костной ткани. Затем с помощью ферментов ДНК «нарезается» на фрагменты разной длины. Их кладут раздельно на слой прозрачного геля, после чего туда подается электрический ток.
Поскольку фрагменты ДНК имеют небольшой отрицательный заряд, они смещаются к положительному электроду. Чем меньше длина фрагментов, тем быстрее они двигаются.
Эти фрагменты попадают на нейлоновую мембрану, где их маркируют радиоактивными’ метками. Если к мембране поднести рентгеновскую пленку; темные умастки на ней будут соответствовать меченым ДНК. На проявленной пленке черные полосы покажут точное расположение фрагментов ДНК на нейлоновой мембране. У подозреваемого в совершении преступления берут образец его ДНК и, если оба «отпечатка» совпадают, следствие получит важнейшие улики.
Цифровые технологии
При переводе информации в цифровой вид она превращается в последовательность единиц и нулей, с легкостью поддающуюся обработке современной электронной техникой, а также может передаваться и копироваться без искажений.
Данные могут быть представлены в аналоговом или цифровом виде. Любая информация в цифровом виде являет собой последовательность чисел, а аналоговую можно изобразить в виде графика.
Электрический фонарь представляет собой наглядную модель простейшей двоичной цифровой системы - он может быть либо включен, либо выключен, и состояний, промежуточных между этими двумя дискретными крайностями, у него быть не может. Эти два состояния могут быть представлены цифрами. В таком случае «О» может обозначать, что фонарь выключен, «1» - включен.
Большинство явлений реального мира по своей природе относятся к аналоговым, т. е. плавно перетекают из одного состояния в другое. Отличным примером аналогового явления может служить температура - ни один предмет не в состоянии мгновенно нагреться или остыть хотя бы на один градус, изменение температуры всегда происходит плавно. Изменение температуры лучше всего можно изобразить графически в виде линии, соединяющей две точки.
Выборка
Многие электронные устройства, такие как телевизионные кинескопы и динамики телефонов, превращают аналоговый электрический сигнал в сигналы другого рода (в изменения яркости свечения люминофора, которым изнутри покрыт экран телевизора, или звуковые волны). Цифровое телевидение и цифровые телефонные сети существуют лишь потому, что аналоговые сигналы можно преобразовывать в цифровые и наоборот.
Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой называется выборкой - в его ходе величина аналогового сигнала регулярно измеряется через краткие промежутки времени и сохраняется в виде ряда числовых значений. Это означает, что в каждый момент времени цифровой сигнал будет лишь приблизительно соответствовать аналоговому, но при повыше-
нии частоты выборки точность этого соответствия повышается. В телефонных коммутаторах выборка из речевого сигнала осуществляется 8000 раз в секунду, результатам измерений присваивается значение интенсивности в диапазоне от 1 до 256. При записи звука в студийных условиях частота выборки составляет минимум 48 000 Гц, а интенсивность сигнала может принимать одно из 32 768 значений. Для возвращения сигналу’ его первоначальной аналоговой формы данные подаются на т. н. цифро-аналоговый преобразователь, генерирующий соответствующую записи серию электронных импульсов, сглаживая при этом перепады между отдельными значениями.
Компьютеры
Компьютеры - важнейшая область применения цифровых технологий. Компьютерные цепи строятся на основе транзисторов - электронных устройств, способных пропускать или не пропускать ток между двумя электродами в зависимости от наличия напряжения на третьем электроде. Из нескольких транзисторов собираются т. н. логические вентили, которые сравнивают поступающие в них сигналы и затем выдают резуль
О Спутниковые антенны и декодеры позволяют принимать огромное количество телевизионных каналов.
тат согласно достаточно простой формуле. Например, на выходе вентиля «И» сигнал появится, только если напряжение присутствует на обоих его входах, вентиль «ИЛИ» выдает сигнал, если напряжение присутствует только на одном входе.
' Вся обрабатываемая компьютером информация преобразуется в двоичную последовательность единиц и нулей. Двоичная цифра (1 или 0) называется бит, 8 двоичных цифр - байт. Объемы компьютерной памяти исчисляются в мегабайтах или гигабайтах -миллионах и миллиардах байтов.
Одним байтом можно представить любое десятичное число от 0 до 255. К примеру, компьютерная клавиатура превращает нажатия клавиш в числа в соответствии с таблицей кодов ASCII (American Standard Code for Information Interchange - американский стандартный код обмена информацией). Согласно этому коду компьютер выбирает символы из доступного набора и выводит их на экран. Любой компьютер способен отображать 256 цветов.
Digital Art/Corbis
Компакт-диски
Компакт-диски (CD) можно считать первым бытовым применением цифровых технологий. До 1980-х гг. наиболее популярным форматом музыкальных записей были виниловые пластинки. На поверхность такой пластинки нанесена спиральная канавка, неровности которой заставляют колебаться звукосниматель (иглу) проигрывателя, вырабатывая электрический ток, который затем преобразуется динамиками в звук. Воспроизведение таких записей (как и их создание) -полностью аналоговый процесс.
Запись на компакт-диске преобразована в цифровую форму. Сам диск состоит из прозрачного пластика, покрытого алюминиевым отражающим
слоем, который защищен слоем лака или краски. Информация на такие диски наносится в виде микроскопических вмятин и выступов (т. н. питов и лендов), которых на поверхности диска умещается до 3 млрд. При промышленном изготовлении дисков расплавленная пластмасса наносится на металлическую форму с тончайшей гравировкой "(негативом будущих питов и лендов диска) которая и отпечатывается на диске, а после остывания массы на нее наносятся отражающий и защитные слои. При воспроизведении записи луч лазера проходит сквозь пластик и, отразившись от алюминия, улавливается фотоэлементом. Неровности изменяют улавливаемый фотоэлементом световой поток, что создает колебания напряжения на его выходах. Именно эти колебания после ряда преобразований превращаются динамиками в звук. Важнейшими пре-
Двоичная система счисления
Информация обрабатывается цифровыми устройствами в двоичной системе счисления, обходящейся всего двумя цифрами, - 1 и 0. В привычной нам десятичной системе последовательность чисел выглядит так:
0, 1,2, 3, 4, 5...
В двоичной та же последовательность выглядит следующим образом:
О, 1, 10, 11, 100, 101...
Двоичная система поначалу сбивает с толку, так как все мы привыкли к десятичной (а число 10 является ее основой лишь потому, что у нас на руках 10 пальцев). В цифровой технике двоичная система используется по двум причинам: двоичная цифра может принять всего два возможных значения, а они идеально передаются наличием и отсутствием сигнала. К тому же в основе электронных цепей, используемых для обработки сигналов, также лежит двоичная логика.
имуществами компакт-дисков по сравнению с виниловыми пластинками является износостойкость, малые размеры и возможность хранения на этих дисках любой информации, а не только звука. Существуют записываемые CD (стандарт CD-R) и перезаписываемые CD (CD-RW).
Диски DVD (Digital Versatile Disc -цифровой универсальный диск) вмещают гораздо больше информации, нежели CD, и идеально подходят для хранения высококачественных видеозаписей - сегодня они уже полностью вытеснили кассеты стандарта VHS. Помимо «штампованных», существуют и записываемые, а также перезаписываемые DVD-диски.
Цифровая связь
В области связи объемы информации, передаваемой и принимаемой
О Сегодня компьютер является неотъемлемой частью любой системы, предназначенной для записи или трансляции звука, видеопоследовательностей и изображений. Цифровые сигналы обеспечивают возможность практически мгновенной передачи любой информации - от записей популярной музыки до результатов сложнейших научных исследований - в любую точку мира.
в цифровом виде, достигают астрономических величин. Здесь огромную важность имеет не только возможность надежной защиты передаваемого цифрового сигнала от помех, но и существование технологий уплотнения информации, позволяющих передать по уже существующим каналам связи в десятки (или даже сотни) раз большее количество данных (телефонных разговоров, изображений, видеоиисрормации и т. п.), чем при использовании аналоговой техники. Именно благодаря цифровым технологиям стало возможным создание сети Интернет.
В телефонных сетях используется импульсно-кодовая модуляция. Микрофон телефонного аппарата принимает звук и преобразует его в аналоговый электрический сигнал, попадающий по телефонной линии на коммун-
татор, который оцифровывает этот сигнал с частотой выборки, равной 8000 Гц, и сохраняет значения его амплитуды в диапазоне от 0 до 255 (таким образом, один отсчет как раз укладывается в байт). Затем полученная информация накладывается на несущую волну и передается к пункту назначения. Информация содержится в несущей в
виде незначительных изменений ее частоты (частотная модуляция) или амплитуды (амплитудная модуляция). Одного байта информации хватает для воссоздания 125 микросекунд первоначального речевого сигнала, но при этом на передачу байта уходит всего 4 микросекунды. Это означает, что с помощью одной несущей можно пере-
0 Изображение, преобразованное в цифровую форму, может обрабатываться цифровыми средствами. Существующие средства манипулирования цветами, формами и оттенками позволяют не только ретушировать существующие изображения, но и создавать новые. Цифровые фотоаппараты активно вытесняют фотопленку и бумагу из повседневного обихода.
дать сразу несколько телефонных разговоров (т. н. временное уплотнение).
При использовании современных технологий уплотнения информации количество передаваемых данных можно значительно сократить и «втиснуть» в одну телефонную линию 16 и даже больше разговоров (правда, при сильном сжатии начинает страдать качество сигнала).
Компьютеры могут обмениваться данными по обычным телефонным линиям при помощи модемов (название этого устройства - от слов «модулятор» и «демодулятор»), которые преобразуют получаемые от компьютеров данные в аналоговые сигналы и наоборот. Скорость обмена данными в этом случае ограничивается низкой пропускной способностью аналоговой линии. Гораздо большей скорости можно добиться при ис-
Q Прием цифровых телеканалов невозможен без декодера. Обычно такие декодеры предоставляют компании - операторы кабельных сетей. Необходимую для их вывода на экран информацию декодер получает с пластиковой карты.
пользовании цифровых линий связи, таких как ISDN, DSL и т. п.
Цифровые каналы
Основным препятствием на пути внедрения цифровых систем вещания всегда было огромное количество данных, которые в таком случае приходится передавать - на передачу всего одной секунды телетрансляции уходит 270 млн. бит. Современные компьютерные технологии сжатия информации позволяют сократить эти объемы в десятки и сотни раз.
Для передачи сигналов традиционного радио и телевидения используются радиоволны метрового и дециметрового диапазона с частотной модуляцией. При настройке телевизора на определенный канал он принимает радиосигнал, частота которого приблизительно совпадает с заданным значением. Таким образом, каждый такой сигнал занимает достаточно большой диапазон частот. Поскольку общий диапазон, в котором возможна передача сигналов с частотной моду-
Digital Visit
0 Система интерактивного телевидения позволяет, к примеру, увидеть трансляцию одного и того же футбольного матча с разных камер, выяснить, что происходит в это время на других стадионах, а также посмотреть повтор.
ляцией, не слишком широк, то и каналов в нем можно транслировать лишь весьма ограниченное количество (иначе они начинают накладываться друг на друга, создавая помехи).
При использовании цифровой технологии трансляции сигналы тоже передаются с использованием частотной модуляции, ио, так как цифровой сигнал состоит из серий коротких импульсов, в диапазон одного аналогового канала при помощи временного мультиплексирования можно уложить несколько цифровых, даже без использования современных методов сжатия информации. С их применением это число может достигать десятков. По мере совершенствования техники сжатия количество каналов, как и качество трансляции, будет неуклонно расти.
В кабельных телесетях, где благодаря использованию кабеля в качестве передающей среды частотный диапазон шире, даже при использовании аналоговой техники могуч1 транслироваться сотни каналов. Альтернативой являются цифровые технологии, которые позволяют увеличивать их количество до тысяч (правда, для просмотра цифровых каналов потребуется специальный декодер), к тому же кабель отлично подходит и для организации высокоскоростного обмена информацией между компьютерами и доступа к сети Интернет. К 2012 г. в Британии цифровое телевидение полностью вытеснит аналоговое.
ф Цифровые технологии посредством компьютера объединяют все средства представления информации. Фотоаппараты, телевизоры, аудиосистемы - вся эта техника становится цифровой.
Музыкальные
инструменты
Музыкальные звуки можно извлечь из самых разных предметов. Однако лучшие музыкальные инструменты делают из тщательно отобранных материалов, наиболее пригодных для получения чистого звука нужного диапазона.
Q В большинстве поп-групп электрическая бас-гитара вытеснила контрабас: она меньше, ее легче перевозить, а диапазон ее звуков значительно шире.
Едва ли не каждый предмет вокруг нас может издать какой-то звук, если по нему ударить или в него подуть, или подвергнуть иному воздействию. На фотографии показано, как можно извлечь музыкальные звуки даже из сантехнических конструкций.
Музыкальные инструменты можно разделить на несколько групп в зависимости от их конструкции и способа извлечения звука. К основным группам инструментов относятся ударные, медные духовые, деревянные духовые, струнные и клавишные. Издаваемые ими звуки - это колебания, передающиеся по £ воздуху и воспринимаемые органами слу- | ха. Каждый музыкальный инструмент про- £
Q Гангса -главный инструмент ударных оркестров «гамелан» на индонезийском острове Бали -напоминает ксилофон, но его брусочки, по которым стучат металлическим молоточком, сделаны не из дерева, а тоже из металла, отчего инструмент называют также металлофоном.
изводит звуковые колебания по-разному. Например, барабан и треугольник издают звук от удара, который заставляет их вибрировать. В духовых инструментах звук производит колебание струи воздуха. В струнных инструментах звук порождает вибрация струн, которые можно пощипывать, ударять или водить по ним смычком.
Частота и высота звука Частота звука - это количество звуковых колебаний, или звуковых волн, за секунду. Частота звуков каждого музыкального инструмента зависит от нескольких физических параметров: от длины столба вдуваемого воздуха, длины клавиатуры или от того, как туго натянута поверхность барабана. Ухо человека воспринимает звуки частотой от 20 до 20 тысяч колебаний в секунду. Единица измерения частоты называется герц; один герц - это одно колебание в секунду.
Каждый звук имеет свою высоту. Человеческое ухо различает высокие и низкие
звуки. Мы хорошо знаем, например, что контрабас издаст низкие звуки, а первая струна скрипки - очень высокие.
Обертоны
Одна и та же нота, взятая па разных музыкальных инструментах, звучит по-разному. Основная частота колебаний одна и та же, поэтому одинакова и высота звуков, но каждый инструмент производит дополнительные, только ему присущие колебания и издает своеобразное звучание. Такие призвуки называются обертонами и в ряду отношения частот составляют натуральный ряд чисел. Кроме того, способ. которым берется нота, заставляет ее в
Ударные инструменты
Современные литавры, похожие на огромный котел, когда-то действительно были не более чем самым обычным котлом для приготовления пищи, на который натянули шкуру домашнего животного. Сейчас это инструмент, способный издавать широкий диапазон звуков. С помощью специальной педали ударник регулирует натяжение кожи и таким образом меняет высоту7 звука.
Колокола делают из твердых металлов с высоким удельным весом, которые довольно долго вибрируют от удара. Использовать большие колокола в оркестре не очень удобно, поэтому7 их заменяют
О Джазмен Джо «Корнбред» Томас -мастер игры на кларнете, одном из деревянных духовых й инструментов.
О На скрипке играют, проводя по струнам смычком из конского волоса; колебания струн производят музыкальные звуки.
О Струна может колебаться на основной частоте или на обертонах (1). Если вибрирует половина длины струны, частота колебаний увеличивается вдвое (2). Множественные колебания (3, 4) придают инструментам их особое звучание.
металлическими трубами и пластинами.
Тарелки отливают из меди, а затем тщательно формуют, чтобы добиться нужного качества и протяженности звука. Ударные инструменты производят такие разные звуки, что не имеют определенной высоты.
Медные духовые
По существу, каждый медный духовой инструмент представляет собой металлическую трубку с воронкообразным раструбом на одном конце и мундштуком на друтом. Музыкант обхватывает мундштук губами и вдувает в трубку воздух; оказавшись внутри трубки, воздух образует воздушный столб и начинает вибрировать.
Разные воздушные столбы производят различные колебания, и ноты извлекаемых звуков образуют гармонические ряды. Самая низкая нота на каждом медном
ВИБРАЦИИ ЗВУКОВОГО СТОЛБА В ТРУБАХ
Открыта
самом начале звучать не так, как в дальнейшем, что и помогает нам различать звучание разных инструментов. К примеру, нота, взятая на фортепиано, звучит довольно громко, так как струна издает ее под ударом молоточка, а затем все тише: какое-то время струпа колеблется и, наконец, замирает. Слушая орган, мы не услышим таких изменений в звуке, - это происходит потому, что в органные трубы воздух закачивается постоянно.
частота в герцах (циклах в секунду)
___основные диапазоны
_ _обертоны
инструменты без собственного диапазона
нотный
арфа
СТРУННЫЕ
пикколо —---------------------------
фагот
ДЕРЕВЯННЫЕ ДУХОВЫЕ
-------- сопрано
________контральто —— ________ тенор '____________
—— баритон--------------
—г контрабас
ГОЛОСА
альт виолончель
скрипка
-----флейта -----— гобой । । английский рожок___
кларнет
контрафагот
МЕДНЫЕ
треугольник i i :
~малый барабаД9Релки
---------— труба
------ тенор-тромбон------ ------ валторна ---------- бас-тромбон --------------
тубы
УДАРНЫЕ
ФОРТЕПИАНО
_ литавры.,_
асовый барабан
О Большинство музыкальных инструментов производят звуки частотой от 27, 5 до 4186 герц; это диапазон фортепиано (см. схему). Удвоение частоты колебаний повышает ноту на одну октаву.
духовом инструменте называется основной. и она проще всех остальных пот по своим физическим свойствам; сложное сочетание воздушных колебаний дает более высокие поты в качестве обертонов основного звука. Музыкант регулирует звучание инструмента губами - они то напряжены, то расслаблены.
Простейшие медные инструменты берут лишь несколько нот. На таком инструменте, как горн, к примеру, можно сыграть всего семь-восемь нот. Другие медные более совершенны и шире по своему диапазону: в ходе многовековой истории их конструкция и дизайн неоднократно улучшались. Так, трубу в свое время снабдили вентилями, существенно расширившими возможности игры на ней.
Деревянные духовые Деревянные духовые инструменты можно разделить на две группы - флейты и язычковые. Музыкант, играющий на современной оркестровой флейте, вдувает
Q В состав симфонического оркестра входят скрипки, альты, виолончели, контрабасы, пикколо, флейты, английские рожки, гобои, кларнеты, фаготы, контрафаготы, арфы, трубы, валторны, тромбоны, тубы и ударные инструменты.
струю воздуха в дульце, губами придавая воздушному потоку правильное направление. Если музыкант дует сильнее, частота звуковых колебаний возрастает. На флейте есть шесть, иногда семь отверстий, и закрывая их пальцами, можно извлекать разные ноты. Если такое отвер- = стис открыть, длина воздушного столба уменьшается, а высота звука возрастает. =
Друтие деревянные духовые инструмен- | ты работают по несколько отличающему- < ся принципу. Дыхание музыканта приво- I дит в движение язычок ш ктрумента, кото- ~ рый заставляет колебаться воздушный | столб внутри деревянного корпуса цилин- > дрической формы. К группе деревянных | духовых относятся кларнет, гобой и фагот, й
Саксофон был изобретен в XIX веке | бельгийцем Адольфом Саксом. Это метал-лический инструмент, но его по традиции относят к деревянным. Саксофон особенно популярен у исполнителей джаза и поп-музыки.
Струнные инструменты Колебание струны создает звуковую волну, а высота нот зависит от длины струны и ее натяжения. Музыкант прижимает струны к грифу, укорачивая звучащую часть струны и повышая таким образом извлекаемый звук. Если он прервет звучание струны на середине ее длины, высота извлекаемого звука возрастет вдвое - иными словами, нота будет на октаву выше основной.
Чтобы звук струн был хорошо слышен, его нужно усилить, что достигается при помощи особой конструкции резонирующего корпуса инструмента. У современных
струпных инструментов скрипичного семейства - скрипок, альтов, виолончелей и контрабасов - струны натянуты вдоль грифов и приподняты над резонатором при помощи специальных подставок - кобылок. которые направляют колебания струи в резонирующую часть инструмента.
Струны можно изготовить из кетгута, обычно получаемого из овечьих кишок, но в наше время нижняя струна обычно обтягивается тончайшей серебряной нитью, а самую высокую струну делают из стали. На верхнем конце грифа струны намотаны на колки, с помощью которых производится настройка инструмента: музыкант регулирует натяжение струн так. чтобы они извлекали звуки нужной высоты.
Ладовые струнные
К ладовым струнным относятся гитара, банджо, мандолина, лютня, балалайка и другие похожие на них инструменты. Их грифы снабжены специальными металлическими полосками - ладами; прижимая струны на ладах, музыканты регулируют их длину и берут нужные ноты.
В ЗО-е годы в больших джаз-бэндах и оркестрах, исполнявших танцевальную музыку, возникла потребность в усилении звучания гитар, чего добились с помощью специальных электрических приспособлений, позволивших пропускать звук с нужной громкостью через динамики. Современные электрогитары производятся с учетом всех достижений
О Поднятая крышка фортепиано позволяет увидеть раму со струнами, молоточками и рычажками между ними.
© Синтезатор электронно воспроизводит основные ноты и обертоны всех инструментов или создает сигналы, воспроизводимые как новые музыкальные звуки.
техники и потому имеют сплошные корпуса, без резонирующих отверстий.
Клавишные инструменты
С точки зрения конструкции, клавишные инструменты сложнее любых других. Предшественником фортепиано был клавесин: при нажатии его клавиш струны защипывались специальным плектром. В отличие от фортепиано, громкость звучания клавесина всегда одинакова.
При нажатии клавиш фортепиано обитые войлоком молоточки бьют по натянутым на деревянную или чугунную раму струнам, а скорость удара регулируется силой воздействия на клавиши. Следовательно. инструмент звучит то громче, то
О Орган Велльского собора в Сомерсете, Англия. Из труб разной длины при помощи одной или нескольких клавиатур и набора педалей извлекают звуки различных диапазонов.
тише, отчего и получил свое название («форте» по-итальянски означает «громко», а «пиано» - «тихо»).
Большой орган представляет собой клавишный духовой инструмент, снабженный педалями. Система клапанов направляет механически производимые воздушные потоки в органные трубы. В старые времена органистам помогали их ученики, раздувавшие меха: сегодня воздух качается при помощи электричества.
Электрический орган имитирует звуки большого органа благодаря специальным электронным генераторам и усилителям звука. Электроорган лег в основу синтезатора, с помощью которого можно воспроизвести звучание любого инструмента или создавать совершенно новые звуки.
80
см. также
Искусство 16 - МУЗЫКА ВОЗРОЖДЕНИЯ Искусство 111 - ОРКЕСТР
Электронные устройства
Изобретение электронных ламп в начале XX в. позволило усиливаш ь электрически е сигналы. Это открытие стало началом стремительного развития электроники.
Многие компоненты электронных цепей представляют собой простые резисторы и конденсаторы. Резистор - это проводник, пропускающий в цепь определенное (в зависимости от сопротивления) количество тока. Постоянные резисторы делаются из графита или проволоки, находящихся внутри или снаружи изолирующего материала. В переменных резисторах (применяемых, например, как регуляторы настройки в теле- и радиосхемах) имеется скользящий контакт для регулировки сопротивления.
Типичный конденсатор - это две металлические пластины, между которыми находится диэлектрик (воздух, бумага или пластмасса); помещенный на пластины электрический заряд остается на них. пока конденсатор не будет включен в цепь. Конденсаторы могут применяться не только в качестве устройств для накопления заряда. К примеру, через диэлектрик между пластинами ток протекать не может, но изменение напряжения на одной пластине вызывает соответствующее изменение напряжения на другой, т. с. конденсатор способен эффективно передавать изменяющееся напряжение переменного тока, однако не пропускает постоянное напряжение. Следовательно, конденсаторы могут использоваться для разделения переменной и постоянной составляющих напряжения.
Катушки индуктивности Катушка индуктивности (индуктор) представляет собой проволоку, намотанную на металлический сердечник. Когда ток проходит по проволоке, сердечник намагничивается. Магнитное поле в катуш-ке, взаимодействуя с протекающим через нее током, препятствует любому изменению силы тока. В результате величина постоянного тока, протекающего через индуктор, ограничена только относительно низким сопротивлением проволоки. Но переменному или-пульсирующему постоянному току катушка оказывает более сильное сопротивление. Этот эффект используется в некоторых источниках питания постоянного напряжения. В проходящем через индуктор токе устраняются колебания напряжения, т. е. обеспечивается «сглаженное» питание.
Типичный трансформатор содержит две обмотки, намотанные на один сердечник. Переменное напряжение, приложенное к первой (первичной) обмотке,
U Транзистор, выдерживающий ток большой величины.
Корпус привинчивается к пластине, отводящей тепло с целью поддержания в нем безопасной температуры.
О Силовой модуль. Трансформатор уменьшает питающее напряжение, а диоды преобразуют переменный ток в постоянный.
w Компоновка на экране интегральной схемы, выполненной на кремниевой многослойной структуре площадью всего в несколько мм2.
О Обозначения электронных компонентов и первые части слов, представляющих их числовые значения. Полупроводниковые стабилитроны служат для создания постоянных опорных напряжений. Тиристоры -диоды, включаемые управляющим сигналом. Светодиоды в качестве индикаторов практически вытеснили обычные лампочки.
создает переменное магнитное поле, индуцирующее переменное напряжение во вторичной обмотке. Напряжение на ней может быть больше или меньше первичного в зависимости от соотношения количества витков на катушках.
Резонансный контур обычно состоит из конденсатора, включенного в цепь параллельно индуктору. Такая цепь используется
для селекции сигналов или настройки в радио- и телевизионных схемах. При определенной частоте, называемой резонансной, приложенный сигнал генерирует относительно большое напряжение в этой цепи. Для выбора другой станции нужно изменить резонансную частоту' резонансного контура, т. е. изменить величину емкости, или индуктивности, либо подключить друтой резонансный контур. Конденсаторы переменной емкости делаются в виде набора металлических пластин, они, вращаясь, перемещаются друг относительно друта, при этом изменяется площадь перекрытия пластин. Катушки переменной индуктивности снабжены металлическими сердечниками, которые можно ввинчивать или вывинчивать.
Электровакуумные приборы В 1904 г. Джон Амброуз Флеминг изобрел диод - похожее на электролампочку устройство с металлической пластиной внутри. Когда диод включен в цепь, через него только в одном направлении проходит небольшой ток от пластины к нити накаливания. Таким образом, диод может выпрямлять переменный ток, т. е. генерировать из него однонаправленный.
В 1906 г. американец Ли Де Форест обнаружил, что, поместив между нитью и пластиной в диоде проволочную решетку, можно управлять протекающим через него током. Небольшие изменения напряжения на решетке вызывают значительные изменения тока между нитью и пластиной, т. е. электровакуумный прибор способен усиливать сигналы.
Прорыв в электронике
Изобретение Де Форестом триода (электронной лампы с тремя электродами) дало толчок к дальнейшему развитию радио и появлению телевидения.
В 1948 г. Уильям Шокли. Джон Бардин
О Один из первых микропроцессорных чипов - сердце современного ПК - содержит около 10 ООО компонентов на тонкой пластинке кремния. Миниатюризация до таких масштабов вызвала революцию в компьютерной технике.
- ......................... •. ‘У
''•’** '• Л '• .: i- ' О К-. :.................................................................................................. .. •-г.-:'. .. ' '
К:/.;!)
Q Германиевый транзистор со снятой крышкой. Активный
элемент в верхней части прибора имеет соединения к трем электродам -эмиттеру, базе
и коллектору.
кремниевая многослойная структура
V Транзисторы изготавливаются диффузной имплантацией примесей в кремниевую подложку для формирования участков п- и p-типов (негативный и позитивный). Окисный слой защищает структуру.
ПРОИЗВОДСТВО ТРАНЗИСТОРОВ
ОКЙСНЬ®аЩёЙ1 * ’
кремний N
добавлен окисный слой
О Примеры твердотельных устройств, которые обычно используются в схемах источников питания. Слева - ряд тиристоров (также называемых кремниевыми управляемыми выпрямителями).
и Уолтер Браттейн изобрели транзистор. Он, подобно электронной лампе, усиливал электрический сигнал, но был намного меньше по размерам, надежнее (за счет отсутствия хрушкой нити накаливания), а также потреблял намного меньше энергии.
Кремниевые микросхемы Электронные лампы и транзисторы могут функционировать и как переключатели в компьютерных схемах. Но количество переключателей в современных компьютерах настолько велико, что при применении обычных транзисторов они имели бы гигантские размеры. Поэтому сотни тысяч транзисторов и других компонентов вместе с необходимыми соединениями помещаются па миниатюрной микросхеме из кремния. Кремниевые чипы (интегральные схемы) совершили революцию в электронике: благодаря им мощность миллионов электронных компонентов воплотилась в дешевых настольных компьютерных системах.
окисный слой протравлен
dThpfflB
дополнительная диффузия
примесей р-типа
дополнительная диффузия примесей п-типа
Звукозапись
О 24-канальный микшерный пульт в типовой студии многодорожечной звукозаписи. Здесь можно одновременно записывать 24 разных аудиосигнала.
О Немецкий «Магнетофон» производства 1935 г. В нем впервые использовалась немагнитная лента, покрытая специальным магнитным слоем окиси железа.
Первое звукозаписывающее устройство разработал Тапас Алва Эдисон, но и он не подозревал, что благодаря его изобретению будет создана современная индустрия звукозаписи, приносящая многомиллионные доходы.
Голос Эдисона имел металлический оттенок и сопровождался сильным фоновым шумом, но слова детской песенки о Мэри и ее ягненке звучали достаточно ясно. Шел 1877 год, и американский изобретатель воспроизводил первую в истории звукозапись. Он назвал свое простое устройство фонографом.
Фонограф состоял из латунного валика с винтовой канавкой на внешней
поверхности, покрытого оловянной фольгой, а также тонкого диска (мембраны) со стальной иглой в центре. Вращаемый вручную валик перемещался по резьбовой направляющей, звук заставлял мембрану вибрировать, и игла оставляла в фольге вмятины разной глубины. В итоге канавка валика представляла собой запись звуковых колебаний. Это же устройство служило и для проигрывания записи: из-за неоднородности углублений на звуковой дорожке игла «прыгала» вверх-вниз, заставляя мембрану’ колебаться и воспроизводить исходное звучание. В следующих моделях использовался валик, покрытый воском, что обеспечило более высокое качество звука.
В 1877 г. Эмиль Берлинер усовершенствовал это изобретение, создав плоскую граммофонную пластинку и
Старый двухмодульный диктофон.
Автор письма диктовал текст в раструб записывающего устройства (вверху). Акустические колебания поступали через трубку на иглу, которая оставляла звуковую дорожку на покрытом воском валике. Машинистка надевала наушники и проигрывала запись на воспроизводящем устройстве (внизу), снабженном педальным переключателем.
новый способ записи звуковой дорожки. Звук заставлял иглу колебаться теперь уже из стороны в сторону и прорезать дорожку в протравленном кислотой цинковом диске. Примерно в 1890 г. цинк заменили воском. Качество записи улучшилось, и популярность граммофонов возросла. Для удовлетворения спроса на грампластинки стали делать восковые эталонные копии, с них производилась запись па металлические диски, а уже они служили для тиражирования пластинок из жесткого каучука или шеллака.
Электрические системы
Электрические устройства записи и воспроизведения появились в 1920-е гг. В студиях звукозаписи на смену рупорам пришли микрофоны, преобразующие звуки в электрические сигналы, записываемые на пластинке электромагнитным резцом. В электрофонах имелся электромагнитный звукосниматель, преобразующий колебания в электрические сигналы, усиливаемые и воспроизводимые громкоговорителями.
В 1946 г. были выпущены первые виниловые грампластинки. Эта практически неломкая пластмасса обеспечивала гораздо более чистую запись. Долгоиграющие виниловые пластинки появились в 1948 г., а первые промышленные стереофонические диски были выпущены десять лет спустя. К этому времени процесс звукозаписи изменился в корне - в связи с изобретением магнитофона.
Магнитофоны
В 1898 г. датский инженер Вальдемар Поулсен создал телеграфон - устройство для записи звуков в виде магнитных импульсов на струнной проволоке. Тогда еще не было средств усиления звука, поэтому запись приходилось прослушивать с помощью наушников. Из-за крупных размеров этот аппарат не годился для использования в домашних условиях. С появлением усилительных ламп в начале XX в. началась разработка усовершенствованных проволочных, а затем и ленточных магнитофонов.
«Блаттнсюфон» выпуска 1929 г. представлял сооой массивный аппарат, чьи огромные бобины со стальной лентой вращались с опасной скоростью. В начале 1930-х гг. Британская вещательная корпорация Би-Би-Си стала записывать программы па первом ленточном магнитофоне. В немецком «Магнетофоне» 1935 года впервые была применена немагнитная лента, покрытая магнитным слоем окиси железа. Первые такие ленты делали из бумаги, которую вскоре заменила пластмасса.
Запись на ленту имела много преимуществ по сравнению с механической звукозаписью: возможность стирания магнитной записи и повторного использования лепты плюс легкость ее монтажа. Фрагменты ленты с ошибками можно было удалить и заменить переписанными вставками.
О Аппаратностудийный блок состоит из студии звукозаписи и микшерной. Они обычно разделены звукоизолированной перегородкой с окном, чтобы музыканты и звукооператор могли видеть друг друга.
00 Концерты поп-музыки часто записываются из специально оборудованных авто- •= фургонов (внизу). На 2 экранах звукоопера- □ тор видит происхо- |
дящее на сцене. е
Процесс звукозаписи
С 1960-х гг. в профессиональных студиях музыку7 записывают на многодорожечные магнитофоны: их широкая лента рассчитана обычно на 16 или 24 дорожки. Каждый исполнитель или груттпа инструментов оркестра 2 записывается на отдельную дорожку; s и если кто-то сфальшивит, остается | переписать только одну дорожку7. Дтя £
Этапы изготовления пластинок.
С многодорожечной ленты делается эталонная запись, затем она переносится на покрытый лаком мастер-диск, служащий для создания матриц, а уже с них штампуются партии пластинок, идущих в продажу.
2
Q На монопластинке (1) игла звукоснимателя колеблется в звуковой канавке из стороны в сторону, а в системе Эдисона (2) - вверх-вниз (по глубине). На стереодиске (3 и 4) игла считывает сигналы с дорожки, совершая колебания в канавке под углом 45° к поверхности пластинки.
у Двухдиффузорный динамик.
Электроимпульсы поступают с усилителя на звуковую катушку, создавая там переменное магнитное поле и вызывая вибрацию. Так как катушка крепится на конце бумажного диффузора, он тоже начинает вибрировать и излучать звуковые волны.
ВЧ-колебания (верхние звуковые частоты) заставляют поверхность диффузора пульсировать, поэтому для воспроизведения ВЧ-звуков служит жесткий внутренний диффузор.
Звук записывается на компакт-диски (КД) цифровым кодом в виде питов (микроуг-
лублений) на отполированной поверхнос-
Компакт-диск вращается
Консоль лазера
Входная (аналоговая)
Цифровая форма
Входной сигнал лазера
Цифровое
Преобразова-
’ Импульсный код
Цифровое счи-
Цифровая форма’
«Узор» питов на нижней поверхности КД
"Луч лазера считывает питы
Отфильтрованная выходная (аналоговая) звуковая волна
ти. КД обеспечивают фактически бесшумное воспроизведение и почти мгновенный доступ к любой записи на диске при простом нажатии кнопки. При проигрывании на КД-плейере диск вращается, и лазер сканирует его нижнюю поверхность. В отличие от питов, ровные участки диска мгновенно отражают свет. Другими словами, отражаемый луч вспыхивает и гаснет в соответствии с закодированными импульсами на диске. Светочувствительное устройство (фотодетектор) преобразует эти «вспышки» в исходный звук, воспроизводимый через усилитель, подключенный к динамикам или наушникам.
этого «провинившийся» музыкант слушает в наушниках проигрываемые для него другие дорожки и пишет заново свою партию. При стереофонической записи каждого исполнителя используют два микрофона и две дорожки. Когда такую запись воспроизводят через динамики или наушники, звук поступает с разных сторон. Рок-группы часто прибегают к многодорожечной записи, добиваясь звучания большого ансамбля.
Как правило, сеанс звукозаписи проходит в звукоизолированной студии. К ней примыкает микшерная, где звукооператор регулирует уровень звука, поступающего на многодорожечный магнитофон. Со
временная цифровая звукозапись обеспечивает частоту квантования звуковых сигналов порядка 40 000 раз в секунду на каждой дорожке, а полученная информация хранится в закодированном виде на ленте. Затем запись микшируется, или монтируется. В новейшей технологии регулирования уровня и баланса звука используется полностью автоматизированное цифровое оборудование с управлением от ЭВМ.
Дискретизация (преобразование в цифровую форму) звукозаписи вызвала революцию в разработке бытовой музыкальной аппаратуры. Сегодня виниловые пластинки практически вытеснены компакт-дисками, появивши
мися в 1982 г. Звук па поверхности таких дисков записывается в виде питов (микроуглублений) и выступов. Цифровую запись музыки можно хранить в персональном компьютере и пересылать ее по Интернету.
Эти файлы можно сжать с помощью MP3 - высокоэффективного стандарта сжатия движущегося изображения и звука. Он использует способы кодирования, позволяющие добиться коэффициента сжатия 12:1 по сравнению со стандартными звуковыми файлами. Относительно малый размер файлов MP3 обеспечивает их эффективное храпение па жестком диске компьютера, благодаря чему7 они стали стандартом передачи музыки через Интернет.
Телефоны и факсы
В первых системах передачи информации по проводам использовались цифровые технологии. Информация посылалась с помощью электрических импульсов. В телефоне звук передается как аналоговый сигнал, хотя иногда он преобразуется в цифровой.
Для того, чтобы сконструировать простую и надежную систему электрической передачи сигналов, не нужно много деталей.
Главной задачей разработчиков телеграфа было найти эффективный способ передачи любого текста так, чтобы получатель мог легко его расшифровать. Конечно, для каждой буквы можно было использовать свой провод, выключатель, электромагнит и стрелку. Но многопроводный кабель обходился дорого, а следить за несколькими десятками стрелок сразу было по меньшей мере неудобно.
Телеграф Уитстона
Важным шагом в развитии телеграфа стало изобретение англичан Уитстона и Кука (1837). В их оригинальной системе использовались уже пять магнитных стрелок. Передатчик посылал сигнал, отклонявший сразу две из пяти стрелок так, что в комбинации они указывали на одну из букв алфавита, нарисованных в определенном порядке на доске. Для передачи и приема таких сообщений требовались специально обу-
(0) Детали современного кнопочного телефона. Применение микрочипов сделало это устройство компактным, надежным и многофункциональным.
О Передающий (слева) и принимающий (справа) аппараты телефона Александра Грэма Белла. Сделав 10 марта 1876 года первый в мире телефонный звонок, Белл сказал своему помощнику: «Мистер Уотсон, подойдите. Вы мне нужны».
О Точная копия принимающего аппарата телеграфа Морзе, впервые испытанного в конце 1830-х гг. Электромагниты притягивали самописец таким образом, что он оставлял на движущейся бумажной ленте следы, которые мог распознать и прочитать оператор.
ченные операторы, и тем не менее, система с двумя стрелками сразу нашла широкое применение, поскольку была гораздо дешевле «многоканальной». В 1840 году Уитстон запатентовал телеграфную систему АВС, в которой электромагнит приводил в действие заводной механизм, что позволило использовать поворотный диск для показа букв в нужной последовательности.
Телеграф Морзе
Пока Уитстон и Кутс работали над телеграфом в Англии, американский художник Сэмюэл Морзе проводил опыты по записи электрических импульсов на бумаге. Каждая буква алфавита была представлена в виде той или иной комбинации коротких и длинных импульсов тока. С помощью выключателя (телеграфного ключа) зашифрованное таким образом сообщение передавалось по проводам. На бумаге на том конце провода сообщение появлялось в виде точек и тире. Эта система стала называться азбукой Морзе, а в просторечии «морзянкой».
По мере того, как ширилось применение телеграфа, операторам приходилось все дольше ждать, пока освободится линия. Даже при увеличении количества линий было ясно, что необходимо найти способ скоростной передачи сообщений. Систему ускоренной передачи на основе аппарата Морзе сконструировал Уитстон.
Принцип действия был прост. Вначале оператор «переводил» сообщение в азбуку Морзе при помощи пер-
приемник (динамик)
передатчик (микрофон)
форатора, пробивавшего в бумажной ленте те или иные сочетания отверстий. Лента на большой скорости прогонялась через передающий аппарат, посылавший сообщение как последовательность электрических импульсов. На том конце линии принимающее устройство автоматически записывало сигналы на бумажной ленте, но уже типографской краской в виде точек-тире. Опытный оператор передавал «морзянку» со скоростью 30 слов в минуту, машина - несколько сот слов. Это 'значило, что за гораздо более короткий отрезок времени по тому же кабелю можно было передать намного больше сообщений.
Вначале азбуку Морзе должны были знать и передающий, и принимающий оператор. Позже текст стали набирать на клавиатуре пишущей машинки, а аппарат переводил их в код. На другом конце провода сообщение автоматически декодировалось и распечатывалось уже в виде букв на бумажной лен-
О Телетайп с диском для установления связи с другим аппаратом по телефонной линии. V данной модели есть перфоратор и считывающее устройство. Сообщения кодируются в виде перфорации для высокоскоростной передачи.
В угольном микрофоне ток, проходящий между двумя электродами, меняется, когда звуковые волны заставляют колебаться тонкую мембрану, изменяя сопротивление угольного порошка. Приемник преобразует входящий сигнал в звук, пропуская его через электромагнит, который заставляет колебаться такую же пластину.
те. Ленту отрывали и наклеивали на бланк, и’телеграмму доставляли получателю. Эта система дала жизнь телетайпу, но там вместо азбуки Морзе использовался уже специальный код.
Телефон
«Если я заставлю ток изменять свою силу в точном соответствии с тем, как меняется плотность воздуха при получении звука, то смогу’ передавать на расстояние человеческую речь». Этими словами Александр Белл выразил принцип работы телефона. В 1876 году Белл первым запатентовал устройство, передававшее и принимавшее голосовые сообщения.
В передатчике Белла (микрофоне) звук вызывал колебания гибкой мембраны, прикрепленной к постоянному' магниту: Эффект, называемый электромагнитной индукцией, вызывал изменяющийся по силе ток в находившейся рядом проволочной катушке. Этот переменный ток передавался по
В зависимости от этого менялось электрическое сопротивление порошка и сила пропускаемого через него тока. Как и в устройстве Белла, в приемнике электрические колебания преобразовывались обратно в звуковые с помощью электромагнита.
Угольный порошок использовался в микрофонах вплоть до недавнего времени. В более современных телефонных аппаратах его роль выполняет предварительно наэлектризованная мембрана. Этот так называемый электретный микрофон позволяет значительно повысить четкость и точность воспроизведения звука.
Соединение
Абонентов телефонной связи соединяет оборудование телефонной станции. Первая станция заработала в штате Коннектикут, США, в 1878 году. Поначалу звонящий называл номер, и телефонистка соединяла его вручную. Первая автоматическая телефонная станция (АТС) открылась в штате Индиана в 1892 году’. Электрические импульсы, передаваемые с механического диска набора на аппарате звонящего, приводили в действие автоматиче-
О ваппарате факсимильной связи фотоэлектрический преобразователь сканирует документ и производит серию электрических импульсов в зависимости от количества света, отраженного от того или иного участка изображения. Сигналы передаются по телефонной сети на другой аппарат. Он преобразует их и распечатывает изображение (копию исходного документа) на термобумаге.
Q Видеотелефон пока не получил широкого распространения из-за своей дороговизны и, похоже, недостатка спроса.
Обычные телефонные аппараты вырабатывают аналоговый электрический сигнал, описывающий звуковые колебания (речь). Иногда такие сигналы используются для модуляции (изменения) высокочастотного сигнала, называемого несущей частотой (на рисунке слева). Дело в том, что, используя несущие сигналы различной частоты, по одному проводу можно одновременно передавать несколько телефонных разговоров, которые на другом конце провода будут разделены по частоте (почти так же, как это делает радиоприемник). Это называется частотным уплотнением каналов.
В современных системах применяется цифровой способ передачи данных, гораздо менее подверженный помехам и искажениям. За секунду аналоговый сигнал измеряется несколько тысяч раз, и полученные значения (выборки) представляются в виде последовательности двоичных импульсов (0 и 1). Выборки оцифровываются аналогово-цифровым преобразователем, каждая из них описывается восемью битами. Скажем, десятичное число 122 представляется как 01111010. На стороне приема цифровой сигнал преобразуется уже цифро-аналоговым преобразователем в аналоговый, а затем в звук, который мы и слышим в трубке.
проводам к приемнику (слуховой трубке), где он также проходил через электромагнитную катушку. Изменения тока вызывали изменения магнитного поля, которые заставляли тонкую стальную мембрану’ колебаться в соответствии с исходными звуковыми колебаниями. Передатчик Белла давал слабый сигнал - средств его усиления еще не было. Американский изобретатель Томас Алва Эдисон в 1878 году ис-а пользовал в микрофоне угольный noli рошок, который деформировался под действием звуковых волн, с той или i иной силой прогибавших мембрану.
ские переключатели на станции, а те уже выбирали нужную линию.
Современная телефонная сеть включает оптоволоконную технологию, телевидение, компьютеры и спутники. По телефонным проводам передается графическая информация (факсимильная связь) и электронная почта.
«По факсу или и-мейлу?»
С появлением факсимильной связи стало возможным передавать текст, написанный от руки, подписи под документами, рисунки и фотографии.
Электронная почта - это способ пе-
ПОДВОДНЫЕ КАБЕЛИ СВЯЗИ
Европа
Северная Ам.е
Африка
Щ оптоволоконные кабели
У' < промежуточные усипитеЯу каждые' 100 кмл
Наука и техника 35 - ИНТЕРНЕТ~|
оо Поломки и обрывы на современных линиях связи компьютер обнаруживает за секун ду (слева). По оптоволоконным кабелям (вверху) можно передавать 30 000 разговоров на каждой паре.
П о д во д н ы е опто волокон н ь ге.ка- / бели, по которым передаются X.
цифровые сигналы как после- •.
довательность световых вспы- .. .
шек, все больше заменяют сего Ам^„,а'
дня традиционные медные, по которым передаются аналоговые электросигналы. Кроме того, что они обеспечивают более высокое качество, новые кабели хороши тем, что требуют меньшего числа промежуточных усилителей сигнала. Так выглядела схема глобальных кабельных телекоммуникаций несколько лет назад - сейчас красных нитей на ней стало гораздо больше.
ресылки компьютерных данных по телефонной линии другому компьютеру в соседнем доме или на другом конце света. Устройство, называемое модем (сокращенно от модулятор-де-модулятор), преобразует цифровой сигнал компьютера в аналоговый сигнал телефона, а затем опять в цифровой. Абоненты ISDN (Integrated Services Digital Network - цифровой сети комплексных услуг), использующей только цифровые сигналы, могут обмениваться компьютерными данными, не прибегая к модему.
Мобильная связь
За последние годы мобильный теле фон получил распространение во всем мире. Звонки передаются в виде радиоволн, и сигнал доходит по назначению через сеть приемопередающих станций, каждая из которых отвечает за небольшой участок, или ячейку (как в сотах). По мерс перемещения звонящего сигнал передается между ячейками автоматически. Коммутационная станция в соединяет сотовую сеть с обычной 1 телефонной.
Радио
Первые передачи, транслируемые радиостанциями из далеких городов, повергали людей в изумление. Мы же настолько привыкли к чудесам радиосвязи, что даже переговоры космонавтов с ЦУП на Земле воспринимаем как должное.
Радиоволны - это вид излучения, обладающий электрическими и магнитными свойствами. В 1864 г. английский ученый Джеймс Кларк Максвелл первым изложил теорию, объясняющую существование такого электромагнитного излучения, а позже ее правильность была подтверждена опытами, проведенными немецким физиком Генрихом Герцем в 1880-е гг.
В 1887 г. Герц публично продемонстрировал передачу и прием радиоволн. Его передатчик генерировал электрический ток, который, в виде искрового разряда, быстро менял свое направление. Такой переменный ток заставлял две металлические пластины излучать радиоволны, которые Герц вначале принимал на расстоянии около 3 м с помощью простейшего приемника -проволочной рамки с зазором.
Радиотелеграфия
Ученые и инженеры многих стран изучали и расширяли рамки опытов Герца, но наибольшее признание в области радиотехники завоевал итальянский изобретатель Гульельмо Маркони. В июне 1896 г. он запатентовал первую действующую систему телеграфной радиосвязи/Как и электрический телеграф, эта система могла передавать сообщения на большие расстояния с помощью коротких и длинных импульсов - точек и тире азбуки Морзе.
Маркони приступил к экспериментам в 1894 г. и сконструировал передатчик и приемник на’ вилле своего отца возле Болоньи в Италии. Как и Герц, он использовал передатчик с искровым генератором, но в его приемнике имелся когерер - детектор радиоволн.
Когерер был изобретен в 1890 г. французом Эдуардом Бранли и состоял из стеклянной трубки с металлическими опилками. Обычно электрическое сопротивление между концами трубки было высоким, поэтому между ними мог проходить слабый ток. Радиоволны вызывали падение сопротивления, и ток, пройдя сквозь опилки, включал звонок или приводил в действие приемное телеграфное устройство (клопфер) в ответ на поступающие сигналы.
Добившись надежности системы, Маркони сосредоточил усилия на увеличении дальности ее действия. В 1897 г. Маркони связал г. Пул с островом Уайт (расстояние 29 км’).
В том же 1897 г. английский физик Оливер Лодж ввел принцип настраивания в резонанс (то, что сегодня мы называем настройкой). Контур, состоящий из конденсатора и катушки,
О Радиоволны наибольшей частоты не отражаются ионосферой (ионизированными верхними слоями атмосферы), но их может ретранслировать искусственный спутник Земли (ИСЗ).
использовался для регулирования частоты изменения направления тока в передатчике и, следовательно, частоты генерации радиоволн. В приемнике находился другой резонансный
контур для выбора нужных волн. Такая схема обеспечивала одновременную независимую работу нескольких систем телеграфной радиосвязи. Вскоре Маркони применил этот принцип в своих устройствах.
Межконтинентальная связь
Наибольший успех пришел к нему в декабре 1901 г., когда его радиоволны пересекли Атлантику. Маркони получил сигнал передающей станции в Полдыо (Корнуолл, Англия), находясь на расстоянии свыше 3000 км, в Сент-Джонсе (Ньюфаундленд). Вскоре па многих судах были установлены системы радиотелеграфии, позволявшие поддерживать связь с портами захода и просить о помощи в случае бедствия.
В то время как радиосвязь расширяла границы телеграфии, канадский физик Реджинальд Фессенден бился над другой задачей - созданием телефонной радиосвязи, т. е. передачи по радио реальных звуков, а не сигналов.
Телефонная радиосвязь
Концепция такого вида связи предполагала использование микрофона для модуляции (изменения) передаваемых
О Ламповый радиоприемник 1927 года с крепящейся сверху рамочной антенной. Антенна состоит из большой катушки, разворачиваемой в сторону передатчика для усиления уровня принимаемого сигнала.
радиоволн. Фессенден осуществил первые передачи на небольшое расстояние еще в 1900 г. В некоторых приемниках того времени имелись детекторы, создающие звук в наушниках, чтобы радиотелеграфисты могли слышать сигналы азбуки Морзе. Представьте их изумление, когда в канун Рождества 1906 г. вместо точек и тире они услышали, как Фессенден играл на скрипке и пел рождественские гимны.
Век электроники Передатчики с искровым генератором давали нечистый сигнал с фоновыми шумами (потрескиванием). Поэтому в своих последующих опытах Фессенден использовал специально разработанный генератор переменного тока, обеспечивающий необходимую для передатчика высокую частоту изменения направления тока. Однако в это время уже появились первые электронные лампы, или электровакуумные приборы, что позволило создать новые способы радиосвязи и ознаменовало появление новой области науки - электроники.
В 1906-07 гг. американский инженер Ли де Форест изобрел триод (трехэлектродную лампу). Его можно было использовать в передатчике для генерации чистого радиосигнала, или высокочастотного сигнала: для модуляции его со звуковым сигналом и для усиления модулированного ВЧ-
О Гульельмо Маркони было всего 22 года, когда он запатентовал первую систему телеграфной радиосвязи (1896). Он был в числе лауреатов Нобелевской премии по физике 1909 г.
О Детекторные радиоприемники были популярны в 1920-е гг. Для образования звуковых сигналов они использовали энергию принимаемых радиоволн.
ПЕРЕДАВАЕМЫЕ РАДИОСИГНАЛЫ
немодулированный ВЧ-сигнал
" 1.1
SOS прерывистый ВЧ-сигнал (азбука Морзе)
звуковой сигнал
•' 1 ' ' I
AM: амплитуда ВЧ-сигнала, модулированная звуковым сигналом
И
ЧМ: частота ВЧ-сигнала, модулированная звуковым сигналом
Передатчик генерирует быстро изменяющиеся электрические сигналы (ВЧ-сигналы). ВЧ-сигнал усиливается и поступает на передающую антенну, излучающую его в виде радиоволн. Немодулированные ВЧ-сигналы могут прерываться, чтобы послать сигналы, обозначающие точки и тире азбуки Морзе. Это радиотелеграфия. Однако звуковой сигнал может налагаться на ВЧ-сигнал за счет модуляции амплитуды (интенсивности), или же звуковой сигнал может модулировать несущую частоту. Оба вида модуляции используются в радиовещании.
Аппаратная радиостудии. Инженер-звукооператор регулирует уровень сигналов от микрофонов, а также включает предварительно записанные фрагменты в радиопрограмму.
Q Антенны передающей станции излучают радиоволны с наложенными на них звуковыми сигналами. Радиоволны несут эти сигналы.
сигнала до момента его испускания передающей антенной.
Лампы использовались также в приемнике для усиления сигнала, принимаемого антенной, для отделения звукового сигнала от ВЧ-сигнала и для усиления последнего до его воспроизведения в наушниках или репродукторе.
Радиовещание
Развитие и внедрение электроники требовали времени, и первые электронные лампы стоили дорого. Поэтому, когда в 1920-е гг. появилось общественное радиовещание, люди слушали передачи, надевая наушники, подключенные к простым детекторным приемникам. Электрические сигналы проходили через наушники, возбуждали электромагнит, который воздействовал па тонкую металлическую пластинку (мембрану), заставлял се колебаться и издавать соответствующие звуки.
Большинство детекторных приемников выделяли звуковой компонент принятого сигнала' с помощью кристалла галенита (сульфида свинца) и «усика» (тонкой проволоки). Когда
«усик» входил в контакт с чувствительной точкой на кристалле, их соединение действовало как выпрямитель, или диод, пропуская ток только в одном направлении. Звук не возникал при прямом прохождении принятого сигнала через наушники, поскольку7 мембрана просто не могла колебаться с частотой, соответствующей скорости изменения направления тока под воздействием радиоволн. Как только мембрана начинала двигаться в одном направлении, ее тут же «отбрасывало» назад, поэтому она практически оставалась неподвижной. Но если в контуре был диод, односторонние импульсы тока следовали один за другим, и мембрана реагировала на относительно медленные изменения силы звукового сигнала. В результате паушники воспроизводили звук.
Энергия для воспроизведения звука поступала непосредственно от радиоволн. принимаемых проволочной антенной. Однако для того, чтобы услышать слабые сигналы от удаленных радиостанций, требовалась проволока очень большой длины.
Еще один недостаток детекторных приемников - низкая избира-
О Репетиция радиосериала. В студии есть все, чтобы в звуке воссоздать обстановку: стук в дверь, звонок и шаги.
Большие лампы выходного каскада мощного радиопередатчика. В большинстве устройств лампы уступили место транзисторам, но по-прежнему используются в оборудовании большой мощности, так как способны выдерживать высокие температуры и напряжения тока.
О Водители грузовиков переговариваются в пути в любительском радиодиапазоне.
О В боевых условиях современный солдат пользуется особо прочной и надежной рацией.
дельность. Катушка или конденсатор в резонансном контуре настраивались на требуемую станцию. Но простой контур нс мог полностью отделить сигналы на близких частотах, и эта проблема усугублялась с ростом количества радиостанций. Конструктивные изменения, направленные па повышение избирательности, привели к ухудшению чувствительности - снижению громкости звука. Эта проблемна была решена с появлением приемников с усилительными лампами. Высокая чувствительность и избиратель- г ность таких приемников обсспечи- | вали достаточный уровень громкое- | ти динамиков, что позволяло всем £ присутствующим в помещении слушать радиопередачу.
Методы модуляции
Радиовещательные станции, работающие в диапазоне средних и длинных воли, используют амплитудную модуляцию (AM). Это означает, что звуковые сигналы модулируют (изменяют) амплитуду, или интенсивность, ВЧ несущих волн. Такие
О Первый радиоприемник немецкой фирмы «Грюндиг» образца 1948 г., изначально выпускавшийся в виде набора и без ламп. Покупателям рекомендовали приобретать лампы в магазинах излишков военного имущества.
О Маломощная радиостанция ОВЧ-диапазона, передающая также телепрограммы. Малой мощности достаточно, так как данная станция обслуживает только местное население. Окружающие холмы блокируют сигналы ОВЧ и телесигналы других станций.
УМНОЕ РАДИО
Сегодня во многих странах работает такое количество радиостанций, что найти нужную подчас нелегко. Путешествуя в незнакомой местности, иногда не знаешь, где искать, поскольку в разных регионах используются разные частоты.
Решить эту проблему помогает система поиска радиостанций. Передаваемые импульсы содержат дополнительный неслышный сигнал, содержащий информацию о данной станции. Микрочип радиоприемника выделяет этот сигнал и отображает данные на панели индикации. Приемник автоматически настраивается на самый сильный сигнал, если выбранную программу транслируют два и более передатчиков. Поэтому даже во время езды в машине вам гарантирован хороший радиоприем.
сигналы заглушаются электрическими помехами, создаваемыми грозой или бытовыми электроприборами. Это происходит потому, что импульсы помех накладываются па радиосигналы. В результате вместе со звуковыми сигналами детектируются и изменения в амплитуде, и появляются нежелательные фоновые шумы (шипение и потрескивание). Эта проблема решается с помощью частотной модуляции (ЧМ, анг. FM),
при которой звуковой сигнал используется для изменения частоты несущей. ЧМ-приемник реагирует на изменения частоты, а нс амплитуды, поэтому все фоновые помехи отфильтровываются. Радиостанции с частотной модуляцией занимают широкую полосу (диапазон) частот, поэтому такой вид вещания необходимо вести в широкой полосе очень высоких частот (ОВЧ) или в диапазоне еще более высоких частот.
О Передающая антенна излучает поступающие электрические сигналы в виде радиоволн, а в радиоприемнике они возвращаются в изначальную форму. Контур настройки приемника служит для выбора требуемой станции из многообразия принимаемых сигналов.
Лазеры
Электронные приборы, называемые лазерами, излучают свет особого вида. Они позволяют производить сварку тончайших листов, передавать ТВ-программы по оптическим кабелям и с высочайшей точностью наводить ракеты на цель.
jgPUBCT - вид электромагнитного излу-Й чения; белый состоит из лучей с разливными длинами волн. При отдельном рассмотрении каждый луч с определенной длиной волны дает различное ощущение цвета. Однако смешанные, как в солнечном свете, они кажутся белыми.
Когерентность
Свет, состоящий из лучей с одинаковой длиной волны, имеет определенный цвет и может считаться чистым. Обычно в таком свете лучи некогерентны, т. е. максимумы и минимумы их волн не совпадают по времени. В отличие от этого, лазерные лучи имеют одинаковую длину волны, причем их максимумы и минимумы происходят синхронно. Эти лучи называются когерентными, и в этом причина удивительных свойств лазера.
Нскогерсптный свет всегда распространяется во всех направлениях от источника. Поэтому его интенсивность сильно уменьшается с расстоянием. Когерентный свет от лазера распространяется в виде тонкого
Лазер позволяет удалить поврежденную часть мозга. Его тепло запаивает ткань и уменьшает кровотечение.
пучка лучей, способного преодолевать большие расстояния с минимальной потерей энергии. Так, мощный лазерный луч может использоваться как оружие. Однако в военной технике лазер более эффективен при использовании в системе наведения ракет. С воздуха или с земли он направляется на цель, а затем запускается ракета, которая с высочайшей точностью наводится по отраженному от цели лучу.
Универсальный луч Областей мирного использования лазеров значительно больше, чем военных. Так как большой запас энергии может быть сконцентрирован в узком луче, его применяют для резки и сварки металлов. Тонкий лазерный луч широко используется при операциях в качестве скальпеля. Обычные режущие инструменты требуют стерилизации и со временем тупятся. В отличие от них, лазеры имеют и дополнительное преимущество - они уменьшают кровотечение, так как тепло луча «запаивает» сосуды тканей. Также лазеры применяются для предотвращения кровотечения язвы желудка и для «сварки» отошедшей сетчатки глаза.
Подобно радиоволнам, генерируемым передающими станциями, лучи лазера могут нести радио-, теле- и другие сигналы. Несущий сигнал лазерный луч передается по волокнам оптических кабелей. Термин «лазер» - это аббревиазура слов английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission Radiation», что означает «усиление света в результате вынужденного излучения».
0 Использование лазера для определения подлинности картины. Количество и толщина нижних слоев под поверхностью изображения проявляется в отраженном лазерном свете.
О Применение лазера в Диснейленде (Флорида, США). Этот эффект «радужного туннеля» достигается прохождением луча лазера по оптиковолоконным трубкам, образующим арку над дорогой.
Q Лазерный луч вырезает металлическую форму. Головка лазера крепится на станке, называемом профильным резцом. Положение и движение лазерного луча контролируются вручную или компьютером.
0 Фонарик излучает некогерентный свет. Он состоит из лучей с различной длиной волны. Лазер же излучает когерентный свет, все лучи которого имеют одинаковую длину волны и совпадают по фазе. Свет от фонарика образует пучок лучей, который постепенно рассеивается. Лазерные лучи остаются практически параллельными.
В лазере возбужденные электроны твердого тела или газа бомбардируются фотонами. В результате электроны переходят на низкоэнергетическую орбиту, излучая фотоны. Данный процесс называется вынужденным излучением. Каждый излученный фотон движется «в ногу», или когерентно, с фотоном, который стимулировал эмиссию. Эта пара может затем вызвать эмиссию следующих фотонов от других возбужденных электронов. В лазере большая часть электронов находится в возбужденном состоянии, что и обеспечивает быстрый рост количества излученных фотонов или усиление путем вынужденного излучения возбужденных электронов.
Возбужденные электроны
Свет - это форма электромагнитного изле чения, при которой электрон, вращающийся по орбите вокруг ядра атома, отдает часть своей энергии. Электрон может находиться на строго определенных орбитах, выделяя энергию при переходе с внешней (высокоэнергетической) орбиты на внутреннюю (низкоэнергетическую). Однако сначала его необходимо возбудить, т. е. дать ему дополнительную энергию. Это достигается разными способами - например, нагреванием вещества, помещением его в сильное электрическое поле или бомбардировкой пучком свободных электронов.
Эмиссия фотонов
В процессе возбуждения электроны поглощают энергию и переходят на внешние орбиты. Как правило, затем они самопроизвольно переходят обратно на внутреннюю орбиту. При этом каждый электрон испускает частицу7 световой энергии - фотон. Это так называемая спонтанная эмиссия.
Q* В рубиновом лазере электроны атомов хрома возбуждаются посредством вспышки света. Они отдают полученную энергию, излучая фотон, который движется вдоль рубинового стержня, где сталкивается
0 Ракета с лазерным наведением для авиации. Детектор ракеты обрабатывает отраженный от цели лазерный луч.
О Использование лазера в голографии для фотографирования и получения трехмерного изображения.
© V маленького вер-
толета-разведчика
практически отсутствует вооружение для поражения танков противника. Но он может навести на них лазерный луч и подать сигнал для ракет с лазерным наведением, запускаемых с отдаленных атакующих вертолетов.
радиолокационна1 стан' | целеуказ, I
выстрел ракетой с лазерным наведением
атакующий
Компьютеры
Английский глагол «to compute » означает «производить вычисления». Компьютеры - наследники счетных машин, помогут гораздо больше. Они учат и развлекают, а также помогают человеку во многих повседневных делах.
Компьютерная информация хранится в виде электрических импульсов. Вместо десятичной системы счисления, в которой различные знаки используются до девяти, а затем они же, но в разных положениях, для отображения десятков, сотен, тысяч и т. д., компьютеры используют двоичную, поскольку' самое простое для электронного устройства - это считать отсутствие сигнала нулем, а его наличие единицей. Цифры 0 и 1 удобны также потому, что могут быть представлены многими различными способами, такими как отсутствие или наличие следа намагниченности на магнитной ленте или диске, или отсутствие или наличие отверстия, пробитого в карточке. Эти сигналы образуют код, который компьютер (называемый также электронно-вычислительной машиной, ЭВМ) можег читать и записывать.
Буквы, цифры, картинки, музыка понятны человеку; но не компьютеру, поэтому они загружаются в машину с использованием клавиатуры, мышки или микрофона, и центральный процессор компьютера, его «мозг», распознает и преобразует эту информацию в машиночитаемую форму -двоичный код. Затем информация хранится, пока к ней не обратятся и она не будет снова преобразована в слова, картинки или музыку7.
Такая сложность является результатом многовекового развития. Перфокарты впервые были применены в 1787 г., когда французский ткач Робер Фалькон использовал их для управления механическим ткацки,м станком. Позже эта система была усовершенствована другим ткачом, Жозефом Жаккаром. Ряды отверстий (перфорация) в наборе карт использовались для хранения деталей узора. При замене карточек ткацкий станок ткал другой узор.
Автоматическое вычисление «Жаккардовый станок выполнит любой узор, который в состоянии представить себе воображение», - говорил английский математик Чарльз Бэб-
Q Центр управления полетами следит за приближением «Вояджера-1» к Сатурну. Космические полеты были бы невозможны без быстродействующих компьютеров.