<ФЙ

I С. А. Хор ош а вин

МОДЕЛИРОВАНИЕ



ББК 22.3я72

Х82



• —
<в
Хорошавмн С. А.
Х82 Физико-техническое моделирование: Учеб, пособие для
учащихся по факультатив, курсу. 8—10 кл.— М: Просве-
щение, 1983.— 207 с., ил.
В книге приведен материал для факультативных занятий в VIII—X клас-
сах по курсу «Физико-техническое моделирование». Главное внимание обращено
на обучение учащихся конструированию приборов и моделей, основанных на
изучаемых в школьном курсе физики явлениях и закономерностях.
Книга содержит творческие задания на конструирование и лабораторные
работы с самодельными приборами, возможные варианты решения конструктор-
ских задач.

4306021100-360	ББК 22.3я72

X	—И-------- И11Ф- письмо — 83

103(03)—83	т	53(075)

© Издательство «Просвещение», 1983 г.
ВВЕДЕНИЕ

С физического эксперимента начинается построение новой
геории. Эксперимент утверждает достоверность логико-матема-
тических заключенней. И всегда опытом проверяется возмож-
ность использования физических явлений и закономерностей
для практических нужд человечества. Физика не могла бы су-
ществовать и развиваться без экспериментаторов.

Физические явления и закономерности всегда существуют
в окружающем нас мире. Они связаны между собой, зависи-
мы друг от .друга, влияют друг па друга и образуют в сово-
купности то, что мы называем природой. Заметить в единой
природе какие-то отдельные явления трудно. Еще труднее
проследить связи между явлениями. И здесь на помощь че-
ловеку приходят приборы.

Из учебника известно, что вокруг Земли существует маг-
нитное поле. Но обнаружить его удалось лишь после того,
как была изобретена магнитная стрелка. Наличие электриче-
скою тока в цени помогает обнаружить и измерить специаль-
ный прибор — гальванометр.

Один приборы просты, как, например, масштабная линей-
ка, другие — более сложные. Все они создаются для того, что-
бы изучать окружающий нас мир.

Придумать новый физический прибор не просто. Подчао
на разработку и создание его уходят долгие годы. Но обой-
дись без приборов в изучении физики никак нельзя. Даже в
гаком простом случае, как измерение на глаз нескольких от-
резкое. Убедиться в этом можно, взглянув на рисунок 1 и
сравнив расегоянпя между клювиками птичек без приборов и
с помощью циркуля или линейки.

/1л я изучения любого нового физического явления или за-
кономерности приходи геи создавать новые приборы и обду-
манно использовать существующие. Поэтому успех в физике
и значительной мере зависит от того, насколько ученый-экспе-
риментатор искусен в конструировании исследовательской ап-
паратуры.

Вы можете приобщиться к конструированию различных при-
боров и установок, получив для этого необходимые знания по
физике и технике. Пособие по
физико-техническому модели- РИС- *•
рованию поможет овладеть на-	• х

пиками конструирования и
изобретательства.	\
Такие навыки будут очень полезны в предстоящей трудовой
деятельности; на заводах и фабриках, в сельскохозяйственном
производстве, где вы сможете приложить свои знания и уме-
ния по конструированию и изобретательству.

На практике нередки случаи, когда авторские свидетель-
ства на изобретения получают школьники. Так, самым моло-
дым изобретателем в нашей стране стал ленинградский
школьник Леонид Жуковский. Заявку на изобретение он по-
дал в день, когда ему исполнилось четырнадцать лет. Он при-
думал устройство, которое гасит волны в плавательных бас-
сейнах. Он увлекался плаванием и хорошо знал, как мешает
волна пловцам. В Монреале во время Олимпиады, чтобы ук-
ротить волны в плавательном бассейне, заставили воду все
время переливаться через бортики. Так побороли волну, но
было необходимо постоянно накачивать в бассейн новую во-
ду. Л. Жуковский нашел простое и остроумное решение. Он
предложил вдоль бортиков бассейна укладывать на воду по-
логую ребристую ленту. Вода, переливаясь через ребра лен-
ты, тут же стекала обратно в бассейн.

Обучение физико-техническому моделированию способст-
вует профессиональной ориентации, позволяет правильнее по-
дойти к выбору профессии, расширяет знания о приборах, фи-
зическом эксперименте.

Темпы технического прогресса в нашей стране в значитель-
ной степени зависят от изобретательской деятельности трудя-
щихся. Внедрение изобретений и рационализаторских предло-
жений в народное хозяйство позволяет экономить громадные
средства. Только в десятой пятилетке изобретатели и рацио-
нализаторы сэкономили для государства свыше 29 млн. руб.

Таким образом, развитие творческого мышления учащих-
ся, приобщение их к конструированию и изобретательству —
важная государственная задача,
'ж
VIII КЛАСС

Глава 1 ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ,
СКОРОСТИ, УСКОРЕНИЯ

§ I. использование периодических
процессов для измерения времени

Любой периодически повторяющийся процесс может быть ис-
пользован для измерения времени. Так, регулярно происходя-
щая смена времен года, смена дня и ночи послужили причи-
ной появления в сознании людей понятия времени. Годами из-
меряется возраст людей, движение планет вокруг Солнца, из-
менение положения материков и других медленно протекаю-
щих процессов.

При описании более быстрых изменений, происходящих с
телами, приходится пользоваться для измерения времени бо-
лее часто повторяющимися явлениями. Галилей для измере-
ния времени использовал маятник. Этот прибор был удобен
потому, что позволял менять длину подвеса и, следователь-
но, значение отсчитываемых промежутков времени. Поэтому
часы с маятником, усовершенствованные голландским ученым
Христианом Гюйгенсом в 1656 г., дошли до наших дней, пре-,
терпев лишь небольшие изменения.

Длину маятника нельзя сделать очень малой. В этом слу-
чае на колебания маятника начинают все сильнее влиять дру-
гие физические явления. Значит, с помощью нитяного маят-
ника нельзя измерять очень малые промежутки времени.

Нитяной маятник можно заменить пружинным. Если за-
крепить в тисках один конец стальной линейки, а другой от-
вести в сторону и затем отпустить, то линейка начнет коле-
баться. Чем короче будет свободный конец линейки, тем чаще
будут происходить колебания.

Жесткая линейка будет колебаться чаще, чем эластичная
той же длины. Плоскую пружину можно заменить спиральной
или цилиндрической. Пружинные маятники хороши тем, что
позволяют измерять малые промежутки времени. Однако сам
процесс измерения малых промежутков времени при этом
усложняется.

Ударьте по ножке камертона. Вы услышите звук, но коле-
баний ножек камертона не увидите. Колебания ножек камер-
тона можно записать. Для этого надо приклеить к одной из
них щетинку. Если теперь положить, например, на вращаю-
щнйся диск электропроигрывателя гладкую закопченную пла-
стинку и прикоснуться к ней колеблющейся щетинкой, то ще-
тинка нарисует на пластинке волнистую линию. Теперь можно
подсчитать число промежутков времени. Для этого надо сос-
читать гребни с одной стороны волнистой линии. Обратите
внимание па число, выбитое па камертоне. Оно указывает на
то, сколько полных колебаний делают ножки камертона за
1 с. Возможно, это число будет 440. Значит, два гребня вол-
нистой линии разделены промежутком времени в 1/440 долю
секунды. Это маленький промежуток времени. Физики давно
заметили, что, чем точнее измеряются физические величины,
тем больше физических явлений можно открыть. Проникая в
тайны атомного ядра, физики обнаруживают частицы, время
жизни которых измеряется 10-17 с. И эго не самые короткожи-
вущие частицы. Поэтому способы измерения времени непре-
рывно совершенствуются.

Промежутки времени могут быть «нарисованы» светом,
только в этом случае свет должен быть прерывистым. Полу-
чить прерывистое освещение движущихся предметов можно
двумя способами.

По первому способу источник света должен испускать свет
не равномерно, а вспышками; так испускает свет лампа днев-
ного света: 100 раз в секунду она вспыхивает и гаснет.

По другому способу получить прерывистое освещение мож-
но, периодически закрывая непрозрачной шторкой источник
света. Так получают прерывистое освещение экрана при де-
монстрации кинофильмов.

Прием наблюдения за движущимися предметами, освеща-
емыми через равные промежутки времени вспышками света,
называют методом стробоскопического освещения, а устрой-
ства, которые позволяют получать вспышки света, — стробо-
скопами..

Если светом стробоскопа осветить вращающееся или колеб-
лющееся тело и частота вспышек света будет равна или
кратна частоте вращения или частоте колебания, то вращаю-
щееся или колеблющееся тело в стробоскопическом освеще-
нии будет казаться неподвижным.

В справедливости этого утверждения легко убедиться на
опыте. Насадим на вал двигателя диск, разделенный на бе-
лые и черные секторы. При работающем двигателе диск ка-
жется серым, так как изображения белых и черных секторов
в наших глазах сливаются при непрерывном освещении.
В стробоскопическом освещении от вспышки до вспышки све-
та диск успевает сделать полный оборот. При кратковремен-
ной вспышке наши глаза видят каждый сектор на своем ме-
сте. Затем наступает темнота, но зрение человека устроено
так, что рассматриваемое изображение человек продолжает
«видеть» еще несколько десятых долей секунды в после того,
6
как это изображение исчезло. Поэтому мы «видим» черные и
белые секторы круга и после того, как свет погас. В темноте
л иск совершает полный оборот, и, когда снова вспыхивает
спет, мы видим диск в первоначальном положении.

В темноте диск может успеть сделать и два, и три, и боль-
ше полных оборотов, лишь бы к следующей вспышке света он
плходнлея в первоначальном положении, и в этом случае диск
будет нам казаться неподвижным. Вот почему запрещается
устанавливать лампы дневного света над станками с враща-
ющимися частями. Прерывистый свет ламп дневного света
может по ч.кто|с случайно совпасть с частотой вращения де-
,|.1Л(,Г| ('т.'нил. В этом случае быстро вращающиеся детали че-
ловек будс! видеть как неподвижные, и может произойти не-
('частный случай.

В физических исследованиях стробоскопическое освещение
ПОП10ЛЯСТ увидеть го, что при обычном освещении наш глаз
иг 1.1МГ1111 11|)П11ДП, если движение происходит с очень боль-
шой •	। ыо, то глазу по поможет и стробоскопическое ос-

нещепие. 11о что недоступно глазу, может быть доступно при-
бору. В стробоскопическом освещении можно сфотографиро-
ван. даже летящую пулю, а затем не спеша изучать получен-
ные фотографии.

I. Липинне ни конструирование и изготовление отметчика
промоин

I Сконструируйте механический или электрический отмет-
чик равных промежутков времени.

Технические условия:

л) отметчик должен позволять вести отсчет равных про-
межутков времени. Желательно, чтобы частоту следований
меток времени можно было изменять; •

б) отметки времени можно фиксировать зрением, на слух,
ц чип*, <‘.*лп отметки времени будут записываться;

и) ।'ПК । р\	о) меткик а времени должна быть достаточ-

ки п|ин |оП, кг требующей применения дефицитных деталей и
мп II рпплон, доступной для изготовления в школьной мастер-
ской.

Выполните эскизный проект отметчика времени.

3.	Обсудите проект с учителем.

1	В школьной мастерской изготовьте отметчик времени.

Ь. Испытайте отметчик в работе. Используя часы с секунд-
ной стрелкой, секундомер или школьный демонстрационный
»лектропный секундомер, измерьте частоту следования меток
времени,

(>. Составьте краткое описание изготовленного прибора по
схеме:

а)	название прибора;
б)	автор конструкции;

в)	назначение прибора;

г)	краткое описание принципа устройства и действия;

Д) краткая инструкция по обращению с отметчиком вре-
мени.

Лабораторная работа № 1

Измерение ускорения при равнопеременном движении с самодельным
отметчиком времени

Оборудование: 1) самодельный отметчик времени, 2) лента из-
мерительная, 3) наклонная плоскость, 4) штатив с муфтами и лапкой,
5) тележка.

Тележка, скатываясь с наклонной плоскости, движется
равноускоренно с начальной скоростью, равной нулю. Путь
тележки по наклонной плоскости может быть выражен по
а/2

: 5= —, отсюда ускорение равно: а= .

1.	С помощью самодельного отметчика времени опреде-
лите время движения тележки по наклонной плоскости.

2.	Измерьте путь тележки по наклонной плоскости.

3.	Вычислите ускорение тележки, выразив все физические
величины в одной системе единиц.

формуле

§ 2. ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ

Измерение скорости с помощью отметчика времени или
стробоскопическим методом можно вести в лабораторных ус-
ловиях. На практике при движении .транспортных средств
важно знать скорость в любой момент времени. На щитке при-
боров в автомобиле имеется специальный измеритель скоро-
сти — спидометр, который выполняет все необходимые опе-
Ьации по измерению скорости автомобиля непрерывно.
Лоферу достаточно бросить взгляд на прибор, чтобы узнать ско-
рость автомобиля в данный момент — мгновенную скорость.
Если бы не было спидометра, шофер должен был, не изменяя
скорости, включить секундомер, проехать определенное рас-
стояние и, сделав несложные вычисления, определить ско-
рость автомобиля.

Сложнее измерить скорость корабля в открытом море. Там
нет придорожных столбов, которые можно было бы исполь-
зовать как точку отсчета пройденного расстояния за опреде-
ленный промежуток времени. Поэтому в древности для изме-
рения скорости корабля использовался прием, напоминающий
лабораторный способ измерения скорости. Матрос бросал в
море поплавок (лаг), привязанный к длинной веревке (лаг-
линю). На лаглине на определенном расстоянии друг от дру-
га завязаны узлы. Лаг остается на волнах за кормой кораб’
ля. а лаглинь сматывается с катушки; одновременно перевер-
тываются песочные часы. Матрос считал узелки, убегающие
на лаглине за корму, пока песок пересыпался в песочных ча-
сах. Так как расстояние между узелками равнялось ’/12о мор-
ской мили1, а время, отсчитываемое песочными часами,—
‘Аго ч, то можно было, не производя расчетов, сразу сказать,
какова скорость корабля: сколько сбежало узелков с катуш-
ки с лаглинем, столько миль прошел корабль за 1 ч. Так у
моряков появилась единица скорости—узел. 1 узел — скорость,
соответствующая одной миле в час. Сейчас на кораблях по-
другому измеряют скорость движения, но по морской тради-
ции единица скорости осталась прежней — узел.

Существует несколько основных способов измерения ско-
рости транспортных средств.

Идея одного из первых приборов для измерения скорости
была позаимствована у центробежного регулятора скорости
паровой машины. К оси на шарнирах прикреплены два рыча-
га с грузами на концах. При вращении грузы отбрасываются
от оси тем больше, чем больше скорость вращения. Отклоне-
ние рычагов от оси вращения передается стрелке измеритель-
ного прибора (рис. 2), Ось прибора связана с колесами, и
шкала его проградуирована в единицах скорости.

Другой способ измерения скорости транспортных средств
заключается в том, что на оси 2 (рис. 3), связанной с колеса-
ми, укрепляется сосуд /, наполненный жидкостью. В сосуд
опускается поплавок 3. При вращении сосуда благодаря тре-
нию вращающейся вместе с сосудом жидкости поплавок то-
же начинает вращаться. Но его непрерывному вращению пре-

* Морская миля—1852 м.

РИС. 2.
пятствует пружина, закрепленная на оси 4 поплавка. Поэто-
му увлекаемый вращающейся жидкостью поплавок может
только поворачиваться на некоторый угол. Чем выше ско-
рость вращения жидкости —тем больше угол поворота по-
плавка.

Такой- жидкостный измеритель скорости имел существен-
ное преимущество перед центробежным — чувствительность к
изменению скорости. Но он имел и много недостатков, из ко-
торых главными были необходимость поддерживать строго
вертикальное положение оси вращения и постоянные уровень
и плотность жидкости. Поэтому' вращающуюся жидкость за*
менили вращающимся магнитным полем. Если вблизи диска
из немагнитного материала (например, алюминия) вращать
магнит, то в алюминиевом диске появляются вихревые элект-
рические токи. В результате взаимодействия с вращающимся
магнитным полем алюминиевый диск тоже начнет вращаться.
Если вращение диска ограничить пружиной, то он будет толь-
ко поворачиваться, и тем сильнее, чем выше скорость враще-
ния постоянного магнита (рис. 4). На этом физическом явле-
нии основано устройство автомобильного спидометра. Стрел-
ка спидометра показывает, на какой угол повернулся алюми-
ниевый диск, увлекаемый магнитным полем вращающегося
магнита. Шкала прибора проградуирована в единицах скоро-
сти.

Вращение магниту передается от гибкого вала, соединен-

ие. 4.

ного с колесами автомобиля.
Гибкий вал трудно сделать
очень длинным, поэтому, когда
измерительный прибор надо рас-
полагать далеко от колес, ис-
пользуют другое физическое яв-
ление.

Известно, что если к элект-
рическому двигателю постоянно-
го тока подключить источник
тока, то вал двигателя начнет
вращаться. Но если вращать ка-
ким-нибудь способом вал элект-
родвигателя, то он превратится
в генератор электрического то-
ка. Это свойство электродвига-
теля постоянного тока называ-
ют обратимостью и используют
его для устройства генераторно-
го измерителя скорости.

Вал генератора электрическо-
го тока соединяют с колесом, а
вырабатываемый при вращении
вала электрический ток по проводам передают гальваномет-
ру. Чем быстрее будет вращаться колесо, тем сильнее откло-
нится стрелка гальванометра. Остается только проградуиро-
вать шкалу гальванометра в единицах скорости. Генераторный
измеритель скорости удобен тем, что измерительный прибор
можно располагать как угодно далеко от датчика скорости —
генератора, соединенного с колесом, потому что электрические
сигналы можно передавать не только по проводам, но и с по-
мощью радиоволн.

По-другому приходится измерять скорость движения тран-
спортных средств, если они передвигаются не с помощью
колес, бегущих по дороге, например скорость полета само-
лета.

Если во время поездки на автомобиле выставить в откры-
тое окно ладонь, то можно почувствовать, что встречный воз-
дух заметно давит на ладонь. Давление воздуха можно по-
чувствовать, если выставить ладонь навстречу сильному
ветру. Это явление используется для измерения скорости
воздуха.

На школьной метеорологической площадке можно увидеть
высокий столб, на вершине которого укреплен флюгер —
указатель направления ветра, и пластинку, подвешенную на
оси, Ветер давит на пластинку, и она отклоняется от верти-
кального направления на какой-то угол. Рядом с пластинкой
расположена шкала, которая указывает скорость ветра.

Для измерения скорости ветра можно использовать и ге-
нераторный измеритель скорости. Приглядитесь к башенным
кранам на строительной площадке. На вершине крана можно
увидеть вращающуюся мельничку. Это датчик скорости вет-
ра. Ветер вращает мельничку, соединенную с осью генерато-
ра; Электрический ток, вырабатываемый генератором, по про-
водам поступает в кабину крановщика и отклоняет стрелку
гальванометра, шкала которого проградуирована в единицах
скорости ветра.

Для измерения скорости полета самолета тоже использу-
ется давление набегающего потока воздуха. Но приходится
считаться с тем, что на разных высотах полета плотность
воздуха различна, А чем меньше плотность воздуха, тем мень-
ше давление набегающего воздушного потока даже при одной
и той же скорости полета. Чтобы измеритель скорости поле-
та самолета давал верные показания на любой высоте, при-
бор не только измеряет давление встречного потока воздуха
(динамическое давление), но и сравнивает его с атмосфер-
ным давлением на высоте полета (статическое давление). •

Ракетомоделисты, запуская свои экспериментальные раке-
ты, желают знать, с какой максимальной скоростью летела
их ракета. Для этого на ракете устанавливают прибор, не
только измеряющий скорость, но и записывающий результа-

11

* •; •
ты измерений. В носовой части

РИС. в.

ракеш помещают навстречу по-
току воздуха чашечку на стерж-
не. При полете ракеты воздух
давит на чашечку и сжимает
пружину. Перо, укрепленное на
стержне, прочерчивает линию на
закопченной пластинке (рис. 5).
Чтобы измерить скорость раке-
ты, надо проградуировать пру-
жину, т. е. узнать, как изменя-
ется длина пружины от силы
давления на чашечку. Для это-
го надо, помещая на чашечку
разновес, отмечать на пластин-
ке, насколько сожмется пружи-
на при действии на чашечку
разных сил. В полете пружина

будет сжиматься под действием
скоростного напора. Значение максимальной скорости может
быть вычислено по формуле:

где о — скорость ракеты относительно воздуха; р — плотность
воздуха; Т7-—сила давления (скоростной напор).

Измерение скорости транспортных средств — большая и
сложная проблема современной техники. Ни один из прибо-
ров-измерителей скорости — не свободен от недостатков. Так,
автомобильный спидометр не учитывает явления пробуксовыва-
ния колес. Если автомобиль застрял в грязи или буксует на
обледенелой дороге, то спидометр может показывать боль-
шую скорость движения, хотя автомобиль стоит на месте. Ко-
леса автомобиля пробуксовывают даже на сухой дороге при
большой скорости движения. Вот почему при испытаниях ав-
томобилей к ним сзади прикрепляют специальное колесо, ко-
торое катится по дороге без проскальзывания и поэтому по-
зволяет точнее измерить скорость испытуемого автомобиля.
Подобное мерное колесо было установлено и на совет-
ском луноходе во время его экспедиций по поверхности
Луны.

Авиационный указатель скорости показывает скорость са-
молета относительно окружающего воздуха. Если навстречу
самолету дует ветер, то прибор показывает завышенную ско-
рость относительно Земли. Если ветер попутный, то истинная
скорость самолета выше приборной. А как измерить скорость
космического корабля в межпланетном пространстве? Здесь
есть над чем подумать, поэтому конструирование измерите-
лей скорости продолжается.
2.	Задание на конструирование и изготовление измерителя
скорости

1.	Сконструируйте механический или электрический при-
бор для измерения мгновенной скорости механического дви-
жения (измеритель скорости).

Технические условия:

а)	измеритель скорости должен позволять вести непрерыв-
ное измерение скорости механического движения и выдавать
результаты измерений в виде показаний прибора со шкалой,
проградуированной в единицах скорости, или в виде графиков;

б)	измеритель скорости может быть расположен или на
движущемся объекте, скорость движения которого контроли-
руется измерителем скорости, или же отдельно от движуще-
гося объекта;

в)	конструкция измерителя скорости должна быть доста-
точно простой, не требующей применения дефицитных дета-
лей и материалов, доступной для изготовления в школьных
условиях.

2.	Выполните эскизный проект измерителя скорости.

3.	Обсудите проект с учителем.

4.	В школьной мастерской изготовьте измеритель скорости.

5.	Испытайте измеритель скорости в работе.

6.	Составьте краткое описание изготовленного прибора по
схеме:

а)	название прибора;

б)	автор конструкции;

в)	назначение прибора;

г)	краткое описание принципа устройства и действия;

. д) краткая инструкция по обращению с измерителем ско-
рости.

Лабораторная работа № 2

Градуирование самодельного измерителя скорости

Оборудование: I) самодельный измеритель скорости, 2) лента
измерительная, 3) самодельный отметчик времени, 4) электродвигатель по-
стоянного тока, 5) реостат, 6) батарея аккумуляторов или иной источник
электрического тока для питания электродвигателя, 7) блок на стержне,
8) струбцина для крепления блока к столу, 9) штатив с муфтами и лап-
кой, 10) ключ, 11) провода соединительные, 12) нить, 13) тележка.

Прежде чем приступить к градуированию измерителя ско-
рости, необходимо собрать устройство, которое позволило бы
получать заданные постоянные скорости движения. В качест-
ве такого устройства можно использовать транспортер, при-
водимый в движение электродвигателем. Изменяя скорость
вращения вала электродвигателя, можно получать любые за-
данные скорости движения транспортера.
Из нити длиной 2 м свяжите нитяное кольцо. Укрепите на
краю стола блок на стержне, а на другом конце стола закре-
пите электродвигатель. Нитяное кольцо наденьте на шкив
электродвигателя и блок так, чтобы нить была достаточно хо-
рошо натянута. Проверьте собранную установку. Если при
включении двигателя нитяное кольцо вращается, то установ-
ка готова к работе. Изменяя реостатом силу тока питания
электродвигателя, можно изменять скорость движения нитя-
ного кольца. К нитяному кольцу можно временно присоеди-
нять тележку. При вращении кольца тележка будет дви-
гаться равномерно по поверхности стола. Нитяное кольцо иг-
рает роль транспортера, перемещающего тележку.

Соедините тележку с измерителем скорости и подготовьте
к работе самодельный отметчик времени.

1.	Ползунком реостата установите такую скорость дви-
жения тележки, при которой начинает работать измеритель
скорости.

2.	Измеряя путь измерительной лентой, а время движения
отметчиком времени, определите значение начальной ско-
рости.

3.	Сделайте соответствующую отметку на шкале измерите-
ля скорости.

4.	Увеличив скорость вращения двигателя, а значит, и
скорость движения тележки, измерьте путь и время; вычисли-
те новое значение скорости.

5.	Сделайте новую отметку на шкале измерителя ско-
рости.

6.	Продолжая измерения в соответствии с указаниями пун-
ктов 2—5, проградуируйте всю шкалу измерителя скорости.

7.	Выполните контрольную проверку работоспособности
измерителя скорости. Для этого по шкале измерителя скоро-
сти определите скорость движения тележки. Не изменяя ско-
рость вращения двигателя, повторите измерение скорости с
помощью отметчика времени и измерительной ленты (по зна-
чению пройденного пути и времени движения). Сравните по-
казания вашего измерителя скорости с вычисленным значе-
нием скорости.

§ 3. ИЗМЕРЕНИЕ УСКОРЕНИЯ

В 1966 г. отряд советских подводных лодок совершил кру-
госветное плавание, ни разу не всплыв на поверхность. Как
же определялось местоположение лодки во время плавания?
Сделать это было бы просто, если бы подводная лодка дви-
галась с постоянной скоростью. Измерив время движения и
скорость лодки, можно было найти пройденный путь, а отло-
жив на карте вычисленное расстояние, определить точку, где
в данный момент времени находится подводный корабль.
Но в кругосветном плавании значение и направление скоро-
сти подводной лодки менялись многократно. И в окружаю-
щем нас мире скорости движения тел непрерывно изменяют-
ся. Ветер колышет ветку дерева; взвизгнув тормозами, перед
светофором останавливается грузовик; троллейбус отходит от
остановки и т. п. Движения с постоянной скоростью встреча-
ются редко. А это значит, что надо научиться измерять не
только скорость, но и ее изменения.

Как обнаружить изменение скорости? Полярники на дрей-
фующих станциях подвешивают к потолку своих домиков гай-
ки или болты. Пока льдина дрейфует, перемещаясь с посто-
янной скоростью, такой маятник висит неподвижно относи-
тельно стен домика. Но стоит только льдине изменить ско-
рость (а изменение скорости может предвещать торошение
льдов, образование трещин), такой груз на бечевке начинает
раскачиваться, предупреждая зимовщиков о грозящей опас-
ности.

Подвесим на тонкой проволоке стальной шар в центре ме^
таллического кольца так, чтобы шар не касался кольца.
Включим проволочный подвес шара и кольцо в цепь с источ-
ником тока и лампой. Теперь это устройство нельзя сдвинуть
с места без того, чтобы не вспыхнула лампа (рис. 6). Дело
в том, что шар, как и любое другое тело, имеет свойство со-
хранять состояние покоя или равномерного прямолинейного
движения. Пока мы не трогаем установку, шар покоится от-
носительно стола и кольца. Любое перемещение установки
означает изменение ее скорости от нуля до какого-то значе-
ния. А шар стремится сохранить состояние покоя и остается
на прежнем месте. Пришедшее в движение кольцо задевает
шар. Электрическая цепь замыкается, и загорается лампа.

Как ни просты подобные устройства, они получили широ-
кое применение для обнаружения изменения скорости.

Но гораздо чаще в науке
и технике надо не только об-
наружить изменение скорости,
но и измерить быстроту изме-
нения скорости—ускорение. Из-
меряя время, скорость и ус-
корение, можно определить
положение движущегося тела,
например подводной лодки в
глубинах океана. Но для из-
мерения ускорения необходим
специальный прибор — акселе-
рометр. Простейший акселе-
рометр устроен следующим об-
разом.
На вертикальной панели, установленной на тележке, под-
вешен маятник. Пока тележка покоится, маятник неподвижен
относительно тележки. Если же тележка начинает изменять
свою скорость (увеличивать скорость относительно стола),
то маятник вследствие своей инертности отстает от тележки.
Чем быстрее изменяется скорость тележки, тем на больший
угол отклоняется маятник от вертикали. Если, начиная с ка-
кого-то мгновения, скорость тележки перестает изменяться и
тележка движется равномерно, то маятник, «догнав» тележку

и покачавшись около положения равновесия, вновь переста-
нет перемещаться относительно тележки. Таким образом,
этот несложный прибор позволяет не только обнаруживать
изменение скорости (ускорение), но и судить о значении уско-
рения. При больших ускорениях маятник отклоняется на боль-
ший угол.

Изменения скорости могут быть кратковременными. Так,
скорость футбольного мяча, лежащего на траве, относительно
Земли равна нулю. Но вот футболист ударил по мячу. В доли
секунды скорость мяча изменилась от нуля до большого зна-
чения. Если бы на мяче был укреплен прибор для измерения
ускорения, то мы бы не успели прочитать его показания. По-
этому необходимо, чтобы приборы для измерения ускорения
«запоминали» свои показания, записывали бы их. Подобное
запоминающее устройство есть и у нашего прибора (рис. 7).
Нижний конец рычага, на котором подвешен маятник, упира-
ется в муфточку. Когда маятник отклоняется от вертикально-
го положения,, то он передвигает муфточку-ползунок по
стержню, а когда возвращается в первоначальное положение,
то ползунок остается сдвинутым. Теперь надо отградуировать
этот измеритель ускорения, т. е. узнать, насколько сдвигает-
ся ползунок при разных ускорениях те-

РИС. 7.

лежки.

Конструкции акселерометров (изме-
рителей ускорений) могут быть различ-
ными. Различны способы фиксации по-
казаний прибора: при помощи стрелки
на шкале прибора, в виде записи поло-
жения светового «зайчика» на движу-
щейся фотопленке, в виде электриче-
ских сигналов. Разным может быть на-
значение измерителя ускорений: для про-
кладки курсов кораблей и самолетов, для ;
изучения движений земной коры, на- |
грузок, которые испытывают детали ма-
шин в различных ситуациях, например
нагрузки на фюзеляж п консоли само-
лета при изменения режимов полета,
и т. д.
31 Задание на конструирование и изготовление измерителя
ускорения

1.	Сконструируйте прибор для измерения ускорения. Тех-
нические условия:

а)	измеритель ускорения должен позволять измерять уско-
рение тела, движущегося равноускоренно, и выдавать резуль-
таты измерений в виде показаний прибора со шкалой, програ-
дуированной в единицах ускорения, или вести запись уско-
рений;

б)	измеритель ускорения может быть расположен или на
движущемся объекте, или вне его;

в)	конструкция измерителя ускорения должна быть доста-
точно простой, не требующей применения дефицитных деталей
и материалов, доступной для изготовления в школьных усло-
виях.

2.	Выполните эскизный проект измерителя ускорения.

3.	Обсудите проект с учителем.

4.	В школьной мастерской изготовьте измеритель уско-
рения.

5.	Испытайте измеритель ускорения в работе.

6.	Составьте краткое описание изготовленного прибора по
схеме:

а)	название прибора;

б)	автор конструкции;

в)	краткое описание принципа устройства и действия;

г)	краткая инструкция по обращению с измерителем уско-
рения.

Лабораторная работа № 3

Градуирование самодельного измерителя ускорения

Для того чтобы проградуировать измеритель ускорений,
надо или найти способ получать равноускоренные движения
с заданными ускорениями, или измерять ускорения различных
равноускоренных движений. В зависимости от выбранного
метода будет определен перечень необходимого оборудования.

Вспомним закономерности, связывающие ускорение с дру-
гими физическими величинами.

,а==—-—* ; если начальным состоянием тела будет покой
относительно других тел (начальная скорость фавна нулк>), то
о	Мкннстерстьо.^росгещеИкА

а = —ь	•-------

1	Спагг ий

Для того чтобы измерить ускорениед^гспользуя эту законо-
мерность, необходим измеритель скорости .и измеритель вре-
мени.	\/С V

/477 у-

2 С, А. Хорошавнн	•	/
Таким образом, вы можете проградуировать измеритель
ускорения, используя ранее изготовленные отметчик времени
и измеритель скорости,

2. Можно воспользоваться формулой пути равноускорен-
ного движения:

5 — Оо/ -|--— .

Если начальная скорость будет равна нулю, то формула упро-
стится:

ав

5 = 2 '

Тогда ускорение будет вычисляться как

Значит, для измерения ускорения потребуются отметчик
времени и измерительная лента.

3. Первые два способа позволяют с имеющимися у вас
приборами измерить ускорение. Но как заставить тело дви-
гаться равноускоренно? Вспомним, что причиной изменения
скорости является сила:

Е=та.

Если воспользоваться этой закономерностью, то можно застав-
лять тело двигаться с нужным ускорением:

т

Для градуирования измерителя ускорений это, пожалуй, наи-
более удобный метод.

Оборудование: 1) самодельный измеритель ускорения, 2) весы,
3) разновес, 4) блок на стержне, 5) струбцина для крепления блока к
столу, 6) ведерко для перегрузков, 7) песок, 8) нить.

Если привязать тележку с измерителем ускорения к нити,
перекинутой через блок, и заставить ее двигаться под дей-
ствием силы тяжести ведерка с грузом, то, зная массу тележ-
ки и ведерка с грузом, можно вычислить ее ускорение. Пред-
варительно надо исключить влияние действующей на тележ-
ку силы трения. Это можно сделать, скомпенсировав силу
трения силой тяжести. Для этого насыпают в ведерко столь-
ко песка, чтобы после легкого толчка тележка двигалась
равномерно.

Определите массу тележки с измерителем ускорений и
массу ведерка с песком, компенсирующим силу трения. При
проведении измерений учтите, что сила будет сообщать уско-
рение и тележке, и ведерку с песком, и перегрузку. Поэтому
18
т—пг^4-т2+т3, где пц — масса тележки с измерителем уско-
рения; тг—масса ведра с песком; шз —масса перегрузка.
Вычислите, какие ускорения будет приобретать тележка, если
в качестве перегрузка использовать гирьки разновеса: 20 г,
50 г, 70 г, 100 г, 150 г, 200 г.

Проведите первое наблюдение за показаниями измерителя
ускорения, когда в ведерке будет перегрузок массой 20 г.
Сделайте соответствующую отметку на шкале измерителя
ускорения.

Повторите наблюдение за показаниями измерителя уско-
рения при перегрузке массой 50 г. Сделайте отметку на шка-
ле измерителя ускорения. Повторяйте наблюдения с остальны-
ми перегрузками, продолжая градуировку шкалы измерители
ускорения.

Когда шкала измерителя ускорения будет проградуирова-
на, проверьте правильность выполненной работы, используя
для измерения ускорения 1-й или 2-й метод (с использова-
нием измерителя скорости и отметчика времени).

Глава 2 ДВИГАТЕЛИ, ПЕРЕДАЧИ

И РАБОЧИЕ ОРГАНЫ МАШИН

§ 4. ЧТО ТАКОЕ МАШИНА

Прежде всего отметим, что все машины выполняют какую-то
полезную работу. Но ограничиться этим определением нельзя.
С помощью лопаты человек тоже выполняет полезную рабо-
ту, вскапывая или перебрасывая землю. Такую же полезную
работу выполняет и экскаватор. Но экскаватор мы называем
машиной, а лопату — инструментом.

Главное отличие машины от инструмента заключается в
том, что машина совершает рабочую операцию с помощью
своих рабочих органов, а человек только управляет работой
машины. Если же машина освобождает человека и от управ-
ления, то такую машину называют автоматом.

Таким образом, главным признаком машины является на-
личие рабочих органов, с помощью которых машина совер-
шает рабочую операцию по обработке материала, транспор-
тировке грузов, преобразованию одного вида энергии в дру-
гой и т. д.

У автомобиля рабочими органами являются колеса, у экс-
каватора — ковш или ротор, у сенокосилки — ножи.

Для того чтобы приводить в движение рабочие органы, ма-
шина снабжается двигателем. Колеса автомобиля вращаются
двигателем внутреннего сгорания, экскаватора — или двигате-
лем внутреннего сгорания, или электродвигателем. А у вело-
сипеда в качестве двигателя используются ноги человека, по
есть главный рабочий орган — заднее колесо. Поэтому велоси-
пед мы по праву можем назвать машиной. Но такую машину
называют неразвитой, Если же на велосипед поставить дви-
гатель, то велосипед превратится в развитую машину.

Движение от двигателя передается рабочим органам маши-
ны с помощью передаточных устройств. У велосипеда таким
передаточным устройством является система зубчатых колес и
цепь.

Таким образом, любая развитая машина состоит из трех
основных частей: рабочего органа, двигателя и передаточного
устройства (передаточного механизма или кратко—пере-
дачи).

В зависимости от главного назначения машины подразде-
ляют на транспортные (автомобиль, самолет, электровоз, ве-
лосипед и т. п.), энергетические (электродвигатель, турбина,
двигатель внутреннего сгорания и т. д.), технологические или
рабочие машины (подъемный кран, сеялка, металлообрабаты-
вающий станок, молотилка и т. д.), счетно-решающие (от
арифмометра до современной быстродействующей электронной
вычислительной машины).

Машины могут соединяться между собой для выполнения
сложных рабочих операций. Если рабочие операции соверша-
ются машиной в определенной технологической последователь-
ности, то такая машина состоит из нескольких машин, на-
пример зерноуборочный комбайн.

В настоящее время для увеличения производительности тру-
да люди создали машины, которые любую работу могут сде-
лать быстрее, чем человек. Человеку остается лишь управ-
лять работой машин. Но чем лучше работает машина (быст-
рее, точнее, производительнее), тем труднее человеку управ-
лять такой машиной. Вот почему начали создаваться машины
для управления машинами. Теперь человек может лишь сле-
дить за работой машин и задавать им программу действий.
Станки-автоматы соединяются между собой транспортными
машинами (автоматическими линиями), передающими обра-
батываемые детали от одного станка к другому. Соединив
автоматические линии и поручив управление всеми станками
и линиями управляющей машине, получили завод-автомат.

Машины непрерывно совершенствуются. Главный путь со-
вершенствования машин — использование достижений науки.
Еще недавно, например, сверлильные станки работали часами,
для того чтобы просверлить тончайшие отверстия в рубиновых
подшипниках, которые применяются в часах и многих измери-
тельных приборах. Наука открыла новые физические явления,
которые удалось использовать для получения мощных источ-
ников света — лазеров. Лазерами заменили сверлильные стан-
ки, и теперь тончайшие отверстия в твердых рубиновых кам-
нях в считанные секунды проделываются световым лучом.
Если еще недавно техника лишь использовала (да и то с
большим опозданием) достижения науки, то сейчас все чаще
наука начинает управлять развитием техники, указывать пу-
ти, по которым должно совершенствоваться устройство машин.

§ 5. ДВИГАТЕЛИ

движение недолго, о тех-

Чтобы привести в движение автомобиль, к нему надо при-
ложить силу. Для равномерного движения автомобиля при-
ложенная сила должна быть равна сумме сил сопротивления
движению. Чтобы автомобиль двигался ускоренно, движущая
сила должна быть больше суммы сил, препятствующих дви-
жению. Движущую силу автомобилю сообщает двигатель —
устройство, использующее какой-либо вид энергии для полу-
чения полезной работы.

Посмотрим, какие двигатели будут более удобными, для
того чтобы привести в движение, например, тележку.

Самым простым является двигатель, использующий потен-
циальную энергию поднятого тела для совершения механиче-
ской работы. Как ни прост такой двигатель, он и сегодня
применяется в технике. Вспомните хотя бы часы с гирями.

Если на тележке установить мачту с блоком наверху, с
помощью нити, перекинутой через блок, поднять вверх груз,
а свободный конец нити намотать на ось тележки, то, когда
груз будет опускаться, он потянет за собой нить. Нить, сма?
тываясь с оси, заставит колеса тележки вращаться (рис. 8).

Недостатком такого двигателя является то, что он слиш-
ком громоздкий, приводит тележку в
нике более распространен другой
тип двигателей — пружинный дви-
гатель.

Если к тележке прикрепить один
конец плоской пружины, к другому
концу привязать нить и свободный
конец нити снова намотать на ось
тележки, то пружина согнется
(рис. 9). Ее потенциальная энергия
возрастет. Освобожденная пружина,
распрямляясь, потянет нить и при-
ведет во вращение тележку. Но
опять-таки это движение не будет
продолжительным. Чтобы тележка
двигалась дольше и проехала боль-
шее расстояние, надо взять более
длинную пружину. Но длинная
пружина занимает много места.
В технике это затруднение преодо-

РИС. 8.
РИС. 9.

РИС. 10.

дели, сворачивая пружину в спираль. Свернутая в спираль пру-
жина используется, например, в карманных и наручных часах.
Вам знаком такой пружинный двигатель по многочисленным
заводным игрушкам.

Наиболее распространенными в наше время являются элек-
трические двигатели. Главная причина этого заключается в
том, что электрический двигатель компактен, постоянно готов
к работе и преобразовывать электрическую энергию в механи-
ческую может до тех пор, пока к нему подводится напря-
жение.

Попробуйте и вы поставить электродвигатель на тележку.
Казалось бы, что проще всего ось двигателя соединить с ко-
лесом тележки. Но если вы так сделаете, то тележка скорее
всего не сдвинется с места, а электродвигатель может «сго-
реть». Чтобы понять, почему это происходит, надо разобрать-
ся в одной очень важной характеристике любого двигателя,
которая указана в его паспорте: момент силы на валу.

Установите тележку на краю стола так, чтобы нить, при-
крепленная к ободу колеса тележки (любым способом, напри-
мер липкой лентой), свободно свешивалась вниз. К свобод-
ному концу нити привяжите легкую коробочку. Тележку на-
грузите тем, что на ней будет находиться и потом (электродви-
гатель, батарея электропитания, выключатель и т. д., рис. 10).

Нагружайте коробочку разновесом до тех пор, пока те-
лежка не сдвинется с места. Подсчитайте силу, действующую
на обод колеса. А теперь посмотрите на рисунок. Здесь г —
радиус колеса, Р — сила, приложенная к ободу колеса как к
рычагу с длиной плеча г. Она заставила повернуться ось. По-
нятно, что если бы колесо имело больший радиус, то силу
пришлось бы приложить меньшую.

Величина, равная произведению действующей силы на пле-
чо, называется моментом силы М — Р-г.

Когда имеют в виду, что сила вызывает непрерывное вра-
щение, то пользуются термином «крутящий момент силы».
В единицах СИ момент силы вычисляется в ньютонах на метр
(Нм).

Если изменить загрузку тележки, то крутящий момент
изменится. У загруженной тележки возрастают силы трения в
осях колес и трение между колесами и поверхностью дороги.

Вычислите крутящий момент, необходимый для движения
тележки, и сравните его с моментом силы на валу электродви-
гателя, который указан в его паспорте. Если вы имеете элек-
тродвигатель типа ДП-10, то у него пусковой момент силы
равен 0,0012 Н-м. Пусковым моментом называют момент
силы, который развивает двигатель в момент пуска.

Сравнив пусковой момент двигателя и необходимый крутя-
щий момент на осп тележки, вы увидите, что мощности дви-
гателя может не хватить для приведения тележки в движение,
если вал двигателя непосредственно соединить с колесом те-
лежки. Только в том случае, когда тележка будет легкой, а
трение в осях и между колесами и дорогой будет малым,
можно таким способом соединять двигатель с колесами.

В основном промышленность выпускает быстроходные дви-
гатели. Так, микроэлектродвигатель типа ДП1-3 имеет ско-
рость вращения вала 3500 об/мии, а двигатель ДП-13 —
14 000 об/мин. Дело в том, что трудно построить мощные, ко
тихоходные двигатели. Высокая мощность дается ценой вы-
сокой скорости вращения вала двигателя и, следовательно,
малым моментом силы на валу. Разберемся в этом.

Мощность можно определить как произведение силы па
скорость:

В случае вращательного движения роль силы выполняет мо-
мент силы, скорость определяется частным от деления угла
поворота на в^емя: —	. Угол выражается в радианах.

,	длина дуги

1 радиан = -----—----

радиус

Если заменить отношение-у-=ю (<о— угловая скорость),
то получим: ^ = Мы.

Мощность двигателя при номинальной скорости вращения
есть величина постоянная, поэтому М=-—, т. е. вращающий
со

момент двигателя обратно пропорционален угловой скорости
вала двигателя.

В практических расчетах зависимость между мощностью,
скоростью вращения вала и моментом силы па валу опреде-
ляется для электродвигателей формулой: Л4 = 5,8-^-т где М —
п

момент силы на валу, /V — мощность, п — скорость вращения
вала.
Таким образом, для того чтобы при той же мощности дви-
гателя, которой мы располагаем, увеличить момент силы, на-
до снизить скорость вращения вала. Сделать это можно с по-
мощью специальных механизмов, называемых редукторами
(от английского слова гебисе— уменьшать, понижать).

Механизмы, предназначенные для увеличения скорости, а
следовательно, и для уменьшения момента силы на валу, на-
зываются мультипликаторами (тиШрКкаНоп — умножение,
увеличение).

Лабораторная работа № 4

Измерение скорости вращения вала микроэлектродвигателя
стробоскопическим методом -

Оборудование: 1) микроэлектродвигатсль со стробоскопическим
диском, 2) люминесцентная лампа, 3) источник тока, 4) реостат на 50 Ом,
5) ключ, 6) провода соединительные, 7) штатив с муфтой и лапкой,
8) часы с секундной стрелкой.

Люминесцентная лампа (лампа дневного света) зажигает-
ся 100- раз в секунду. Стробоскопический диск с одним чер-
ным и одним белым секторами будет казаться при освеще-
нии такой лампой неподвижным, если скорость его вращения
будет равна 100 с-1.

Если стробоскопический диск имеет а пар черно-белых сек-
торов, то они будут казаться неподвижными при скорости
100с-1

а

п	л	100с-1

При скорости вращения несколько большей, чем ------------- ,

а
создается впечатление вращения секторов в направлении
истинного их вращения. Если вращение диска меньше, чем
100с-’	-

------, создается впечатление вращения диска в обратную
а-----•

сторону.

В этих случаях истинную скорость вращения диска опреде-
ляют следующим образом. Выбирают тот пояс секторов стро-
боскопического диска, в котором секторы вращаются медлен-
но, и подсчитывают число оборотов п сектора за некоторый
промежуток времени /. Истинное значение скорости вращения
диска будет равно — ± —. При этом дробь — необходимо
а I	/

прибавлять или отнимать в зависимости от того, каково ка-
жущееся движение секторов: по направлению или против на-
правления истинного движения диска.

Ход работы. Собирают электрическую цепь, состоящую из
последовательно включенных микроэлектродвигателя, ключа,
реостата и источника тока. На вал микроэлектродвигателя на-
саживают стробоскопический диск (рис. 11). Микроэлектро-
двигатель укрепляют в лапке шта-
тива так, чтобы свет люминесцент-
ной лампы падал на стробоскопи-
ческий диск (рис. 12).

Включают микроэлектродвига-
тель и реостатом устанавливают та-
кую скорость вращения, при кото-
рой черно-белые секторы одного на
поясов стробоскопического диска
кажутся неподвижными. Определя-
ют скорость вращения вала микро-
электродвигателя.

Примечания. 1. Черно-белые
секторы стробоскопического диска

при наблюдении могут иметь размытые, нечеткие очертания.
Происходит это по двум причинам: вибрации электродвигателя
и некоторым послесвечением люминесцентной лампы. Лампа
гаснет нс мгновенно, а светится в течение некоторого проме-
жутка времени. За это время стробоскопический диск успевает
повернуться на некоторую часть оборота.

2.	Любой посторонний свет затрудняет выполнение рабо-
ты. Если помещение освещается люминесцентными лампами,
то явление стробоскопического освещения может не наблюдать-
ся потому, что осветительные люминесцентные лампы могут
быть включены в сеть по специальной схеме, при которой в
момент погасания одной группы ламп зажигается другая.

3.	Максимальная скорость вращения ненагружен-

ного микроэлектродвигателя может отличаться от
паспортных данных.

Лабораторная работа № 5

Измерение максимального крутящего момента на валу
микроэлектродвигателя

Оборудование: 1) микроэлоктродвигатель со шкивом
2) батарея гальванических элементов, 3) ключ, 4) провода, 5)
муфтой и лапкой, 6) разновес, 7) нить, 8) легкое ведерко.

0 2 см,
штатив с
Ход работы. 1. Укрепите

РИС. 15.

Указание. Включайте
жуток времени. В противном

микроэлектродвигатель в лап-
ке штатива на высоте 0,5 м
(приблизительно).

2.	Соберите электрическую
цепь, состоящую из микро-
электродвигателя, ключа и
источника питания.

3.	На одном конце нити
привяжите легкое ведерко,
другой конец нити закрепите
на шкиве двигателя (рис. 13).

4.	Помещая в ведерко раз-
новес, определите максималь-
ную нагрузку на вал двигате-
ля, при которой двигатель еще
будет поднимать ведерко с
грузиками.

ток только на короткий проме-
случае при малой нагрузке нить

полностью намотается на шкив, и гирьки разновеса будут
выброшены в разные стороны.

5.	Вычислите и запишите максимальный момент на валу
микроэлектродвигателя. Запишите тип микроэлектродвига-

теля.

§ в. ПЕРЕДАТОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Устройства, предназначенные для передачи мощности дви-
гателя исполнительным органам машин, называются переда-
точными механизмами или кратко передачами.

Прижмем вал двигателя к ободу колеса тележки. Мы уви-
дим, что колесо тележки будет вращаться с меньшей угло-
вой скоростью, чем вал двигателя. Здесь действует следующее
правило: произведение крутящего момента вала двигателя на
его угловую скорость равно произведению крутящего момен-
та колеса на его угловую скорость:

21410)! = М2(»)2, или =

Мг <01

Применительно к нашему опыту эта формула объясняет тот
факт, что при уменьшении скорости вращения крутящий мо-
мент колеса будет во столько раз больше, чем крутящий мо-
мент вала двигателя, во сколько раз скорость вращения вала
двигателя больше скорости вращения колеса.

На практике гладкий вал двигателя может скользить по
поверхности обода колеса и не привести колесо в движение.
Чтобы увеличить сцепление вала двигателя с колесом, целе-
сообразно на вал двигателя надеть резиновую трубочку. Тре-
мне вала о поверхность обода
колеса возрастет. Но при этом
крутящий момент колеса
уменьшится, так как увели-
чится радиус вала двигателя
(рис. 14).

Такая передача вращения,
использующая явление тре-
ния, называется фрикционной.

Если вал двигателя нель-
зя прижать к ободу колеса,
то на ось колеса устанавли-
вают шкив большого диамет-
ра, а на вал двигателя — шкив
малого диаметра и шкивы
соединяют петлей из гибкого
ремня. Шкивы могут быть
одинакового диаметра. Такую

РИС. 14.

РИС. 15.

передачу называют ременной (рис 15). Шкив на валу двигате-
ля называют ведущим колесом; шкив, которому передается
вращение вала двигателя,— ведомым колесом. Отношение
диаметра окружности ведущего колеса к диаметру окружности
ведомого колеса есть передаточное отношение пары колес:

Величина, обратная передаточному отношению, называется
передаточным числом. Это число указывает, во сколько раз
скорость одного колеса больше (меньше) скорости другого
колеса.

Фрикционная передача, несмотря на свою простоту, полу-
чила большое распространение в технике. Но у фрикционной
передачи есть существенный недостаток: ее передаточное чис-
ло не остается постоянным. Происходит это из-за того, что не-
достаточно плотно прижатый обод ведущего вала к ободу ве-
домого начинает проскальзывать. Часто это происходит при
изменении нагрузки на вал ведомого колеса. Чтобы умень-
шить явление проскальзывания, можно было бы сильнее при-
жать колеса друг к другу. Но при этом увеличиваются силы
трения в подшипниках, возрастает износ колес фрикционной
пары. А сильно натянутый ремень в ременной передаче может
порваться. Поэтому в устройствах фрикционной передачи
предусматривается специальный механизм, регулирующий при-
жим ведущего вала к ведомому, а в ременной передаче —
устройство для регулирования натяжения ремня. В ременной
передаче, кроме того, часто шкив делают не гладким, а с кли-
новидной проточкой. Ремень, соединяющий такие шкивы, в се-
чении тоже имеет форму усеченного клина. В этом случае ре-
менную передачу называют клиноременной.
РИС. 18.

РИС. 17.

Если надо передавать от ведущего вала к ведомому боль-
шие усилия, то на оба вала ставят несколько шкивов и соеди-
няют их параллельно натянутыми ремнями. Такую передачу
называют текстропной.

Не случайно идут на всяческие ухищрения для того, что-
бы усовершенствовать ременную передачу. Дело в том, что
ременная передача мало чувствительна к взаимному положе-
нию ведущего и ведомого валов. Их можно даже повернуть
под прямым углом друг к другу, а ремень надеть в виде пере-
крещенной петли, и тогда направление вращения ведомого вала
изменится (рис. 16).

Если ведущий и ведомый шкивы сделать не цилиндрически-
ми, а придать им одинаковую коническую форму, то, переме-
щая плоский ремень вдоль шкивов, можно плавно менять пере-
даточное число и тем самым плавно менять скорость вращения
ведомого вала (рис. 17).

Если требуется передавать небольшие усилия, то ремень
можно сделать эластичным и он будет гасить вибрации, воз-
никающие при работе двигателя. Это весьма существенное
свойство ременной передачи сделало ее незаменимой в одно-
двигаТельных магнитофонах.

Все эти достоинства фрикционных передач используются в
современной технике. В любом автомобиле ременная передача
связывает вал двигателя с вентилятором, водяным насосом и
генератором электрического тока. В токарном, сверлильном
станках, в зерноуборочном комбайне и во множестве других
машин используется трение для передачи вращения вала дви-
гателя к ведомому валу.

Недостаток фрикционных передач — непостоянство переда-
точного числа из-за проскальзывания прижатых друг к другу
валов или ремней на шкивах — инженеры сумели тоже исполь-
зовать для полезного дела. Если прижать два диска на веду-
щем и ведомом валах друг к другу не ободами, а плоскостями,
то в этом случае передаточное число будет зависеть от силы
трения между дисками. При большом трении, когда диски
плотно прижаты друг к другу, скорости ведущего и ведомого
валов равны. Равны и крутящие моменты сил. Если ослабить
прижи*м дисков, то ведомый диск начнет проскальзывать по
поверхности ведущего и скорость вращения ведомого диска
28
уменьшится. Уменьшается и крутящий момент силы на ведо-
мом диске. Если совсем отвести ведомый диск от ведущего, то
при работающем двигателе на ведомом диске момент силы
будет равен нулю. А если снова плавно прижимать ведомый
диск к ведущему, то момент силы будет плавно возрастать,
так же будет изменяться и скорость ведомого диска.

Подобное устройство называют фрикционным сцеплением.
Когда шофер трогает с места автомобиль, он плавно опускает*
педаль сцепления. Пружины все сильнее и сильнее прижимают
ведомый диск сцепления к диску на валу двигателя, и автомо-
биль без рывков начинает двигаться.

У сверлильного станка при неправильном режиме подачи
сверло может заклиниться и перестать вращаться. Но двига-
тель станка не остановится, Внезапно возросшая нагрузка на
шкив ведомого вала вызовет проскальзывание ременной пере-
дачи. Рабочий успеет выключить станок. Если бы сверло
было жестко .соединено с двигателем, то внезапная остановка
сверла могла бы вызвать поломку двигателя.

Зубчатая передача. Пе всегда можно мириться с явлением
проскальзывания ведущего и ведомого валов. Если необходи-
мо строго соблюдать передаточное число при любых измене-
ниях нагрузки на ведомый вал или передавать большие уси-
лия с ведущего вала на ведомый, то в этом случае использу-
ются зубчатые колеса. Зубья ведущего колеса, зацепляясь за
зубья ведомого колеса, пол-
ностью исключили явление
проскальзывания (рис. 18).

Для того чтобы зубчатые
колеса хорошо входили в за-
цепление, они должны иметь
один и тот же модуль.

Рассмотрим внимательно
зубчатое колесо (рис. 19).
Легко заметить, что каждый
зуб колеса имеет скругленную
головку и сравнительно широ-
кое основание (ножка зуба).
Различают три диаметра зуб-
чатого колеса: 1) наружный
диаметр по окружности голо-
вок зубьев, 2) диаметр окруж-
ности впадин между зубьями
и 3) диаметр окружности, по
которой происходит зацепле-
ние колес. Этот последний
диаметр называют начальным
или делительным.

Модуль зацепления — это

РИС< 18.
та часть длины (в миллиметрах) начального диаметра зубча-
того колеса, которая приходится на один его зуб:

О
т=-----,

г

На практике измерять начальный диаметр зубчатого коле-
са неудобно. Поэтому для определения модуля зубчатого ко-
леса можно измерить его наружный диаметр О и подсчитать
число зубьев г колеса, а затем воспользоваться формулой:

2-|- 2

Значение модулей зубчатых колес нормализовано, т. е. мо-
дули утверждены Государственным комитетом стандартов.
Поэтому к каждому зубчатому колесу всегда можно подобрать
в пару другое, имеющее такой же модуль зацепления.

Передаточным отношением пары зубчатых колес называет-
ся отношение начального диаметра ведущего колеса к началь-
ному диаметру ведомого колеса:

1=*-.

О,

А	гл	1	т21	2|

А так как	то 1= — = —- = — , т. е. передаточное

О2 ГП2-1	22

отношение есть отношение числа зубьев зацепляющихся колес
(рис. 20).

Количество зубьев на зубчатых колесах может быть раз-
ным. Самое малое число зубьев — шесть. Зубчатые колеса
с таким числом зубьев назывались шестеренками. Позже это
название стало применяться ко всем зубчатым колесам с лю-
бым числом зубьев (рис. 21).

Если при непосредственном соединении двух зубчатых ко-
лес ведомое колесо вращается не в том направлении, какое
нужно конструктору, достаточно разделить эти два колеса
третьим с любым числом 'зубьев и ведомое колесо изменит на-
правление вращения. При этом передаточное отношение (и пе-
редаточное число) не изменится. Это промежуточное зубчатое
колесо несправедливо называют «паразитным» (рис. 22). Ко-
нечно, это колесо не изменяет передаточного отношения, но
оно делает полезное дело, изменяя направление вращения
ведомого вала. «Паразитные» колеса устанавливают, кроме
того, в том случае, когда необходимо увеличить расстояние
между центрами ведущего и ведомого валов.

В зависимости от формы колес и их взаимного расположе-
ния различают следующие виды зубчатых передач: цилиндри-
ческую, коническую, червячную, винтовую и реечную.

Цилиндрическая зубчатая передача состоит из двух или
нескольких цилиндрических колес, установленных на парал-
лельных валах (рис. 23).

Коническая передача состоит из двух конических колес,
находящихся на двух валах, оси которых пересекаются. Угол
пересечения может быть любой, ио обычно он равен 90°
(рис. 24).

Винтовая передача применяется для валов, оси которых
перекрещиваются, но не пересекаются. Она состоит из двух
цилиндрических колес с зубьями, расположенными по винто-
вым линиям. Угол, под которым могут располагаться валы, в
этом случае может быть тоже любым, но обычно он равен 90°
(рис. 25),

Реечная передача служит для преобразования вращатель-
ного движения зубчатого колеса в поступательное движение
рейки или наоборот. Рейку можно рассматривать как вытя-
нутую в прямую линию окружность большого зубчатого ко-
леса (рис. 26, 27).

Червячная предача так же, как и винтовая, применяется
для перекрещивающихся, но не пересекающихся валов. Чер-
вячная передача состоит из винта (червяка) и зубчатого ко-
леса (рис. 28). Характерной особенностью червячной передачи
является то, что она имеет большое передаточное отношение.

РИС. 23.	. ГИС. 24.	РИС. 25.
РИС. *«.

РИС. «7.

Рейка неподдижна

Для однозаходкого «червяка» передаточное отношение опреде-
ляется числом зубьев ведомого колеса^потому что, когда «чер-
вяк» делает один оборот, зубчатое колесо поворачивается толь-
ко на один зуб. Так, если зубчатое колесо имеет 100 зубьев,

X	.	1

то для червячной передачи 4= ”100"*

Цепная передача. Если два зубчатых колеса находятся на
значительном удалении друг от друга, то вместо большого
числа паразитных шестерен, которые неизбежно усложнят кон-
струкцию и сделают ее более тяжелой, зубчатые колеса со-
единяют цепью, как ремнем в ременной передаче. При цепной
передаче зубчатые колеса называются звездочками. Цепная
передача в отличие от ременной позволяет сохранять постоян-
ным передаточное отношение (рис. 29).

Но цепная передача имеет два основных недостатка — цепь
со временем растягивается и при работе цепная передача со-
здает значительный шум. Несмотря на это, она широко при-
меняется на велосипедах, мотоциклах, в некоторых марках
легковых автомобилей и во многих сельскохозяйственных ма-
шинах. .

Коробка передач. Если одной пары зубчатых колес недо-
статочно для изменения скорости вращения, то применяют
несколько пар зубчатых колес. В этом случае между веду-
щим и ведомым колесами помещают одну или несколько пар

РИС. 28.

РИС. 29.
зубчатых кпюс. Каждая пара зубчатых колес имеет различное
число зубьев и одну общую ось. Передаточное отношение о
этом случае определяется произведением передаточных отно-
шений каждой пары зубчатых колес, находящихся в зацепле-
нии друг с другом. Каждая пара таких зубчатых колес одно-
временно является ведомым колосом по отношению к преды-
дущей парс и ведущим колесом по отношению к следующей
паре колес.

Передаточное отношение рассчитывается в этом случае по
формуле:

-Ь	гз	. г*

2г	2<	26

в числителе — числа зубьев ведущих колес, а в знаменателе —
числа зубьев ведомых колес.

Промежуточные колеса в таком устройстве уже нельзя на-
звать «паразитными», так как они изменяют передаточное от-
ношение и служат главной цели — достижению необходимой
скорости вращения и получению необходимого момента силы
на валу.

Если между ведущим и ведомым валами Находится одна
пара зубчатых колес, то такую передачу называют двухсту-
пенчатой, потому что преобразование скорости вращения ве-
дущего вала происходит дважды. Сначала вращение зубча-
того колеса ведущего вала передается ведомому колесу про-
межуточной пары, а затем с зубчатого колеса промежуточной
пары на зубчатое колесо ведомого вала.

Если между зубчатыми колесами ведущего и ведомого ва-
лов находятся две пары промежуточных зубчатых колес, то
такую передачу называют трехступенчатой (рис. 30).

Угловую скорость вращения ведомого вала для трехступен-
чатой передачи можно рассчитать по формуле:



21-2)23

2 г ‘ 2\  2 в

где П1—угловая скорость вращения ведущего вала; пп— угло-
вая скорость вращения ведомого вала; 2\, 2з, 2&-—числа
зубьев ведущих колес; г2, м, — числа зубьев ведомых
колес.

Иногда конструкторы применяют редукторы с очень боль-
»	1

шим передаточным числом
не для получения большого
момента, а именно для за-
медления движения. Вспом-
ните хотя бы часы. Суще-
ствуют часы, которые от-
считывают не только секун-
ды и минуты, но и дни и

33

I С. А. Хорошави11
месяцы года. В таких часах ведомое зубчатое колесо соверша-
ет один полный оборот за год.

Но все же чаще в технике редукторы используются для
получения выигрыша в силе. Коробки передач всех транс-
портных средств понижают скорость вращения вала двигате-
ля для того, чтобы увеличить момент силы на валу движи-
теля.

Когда автомобиль трогается с места, необходим большой
крутящий момент на ведомой паре колес. Чем больше сила,
тем больше ускорение. Но когда автомобиль наберет необ-
ходимую скорость, сила нужна только для того, чтобы преодо-
левать сопротивление движению, а не для сообщения допол-
нительного ускорения. Момент силы на ведомом валу можно
уменьшить, но зато несколько увеличить скорость движения.
Так, коробка передач автомобиля позволяет с помощью спе-
циального рычага переключать скорости, соединяя колеса
автомобиля с различными промежуточными зубчатыми ко-
лесами редуктора.

Лабораторная работа № 6

Определение модуля зубчатого колеса

Оборудование. 1) набор зубчатых колес разного модуля, 2) штан-
генциркуль.

Для того чтобы определить модуль зубчатого колеса, надо
измерить наружный диаметр колеса и подсчитать число
зубьев.

Модуль определяется по формуле:

т=

г+2

Определите модуль каждого из имеющихся у вас зубча-
тых колес. Данные измерений и вычислений занесите в таб-
лицу:

№ колеса	Наружный диаметр, мм
•	♦

Число зубьев	Модуль
•	

4.	Задание на конструирование и изготовление редуктора

к микроэлектродвигателю

1.	Сконструируйте редуктор к микроэлектродвигателю.
Технические условия:
а)	редуктор к микроэлектродвнгателю предназначается
для приведения в движение тёлежки;

б)	редуктор вместе с микроэлектродвигателем должен рас-
полагаться на тележке и занимать возможно меньше места;

в)	конструкция редуктора должна быть простой, доступ-
ной для изготовления из имеющихся материалов и деталей в
условиях школьной мастерской.

2.	Выполните эскизный проект редуктора.

3.	Обсудите проект с учителем.

4.	В школьной мастерской изготовьте редуктор и устано-
вите его на тележке.

5.	Проверьте редуктор в работе.

6.	Составы с краткое описание редуктора по схеме:

а) на звание прибора;

б> автор конструкции;

в)	назначение редуктора;

г)	тин используемого двигателя;

д)	передаточное число редуктора.

Лабораторная работа № 7

Измерение максимального крутящего момента на ведомом валу
редуктора н определение КПД редуктора

Зная максимальный крутящий момент на валу двигателя
и нередпточное число редуктора, можно вычислить макси-
мальный крутящий момент ведомого вала: МВ=МД — ,
где Мл — максимальный крутящий момент на валу двигате-
ля; г-передаточное отношение; — крутящий момент ве-
домого вала.

В произведенных вычислениях не учтены силы трения. По-
•лому фактически максимальный крутящий момент ведомого
нала будет меньше расчетного. Реально существующий мак-
I имал1.ный момент ведомого вала можно определить только
и рг »уд|.1а1г проведения измерений. Отношение измеренного
максимального крутящего момента к расчетному покажет
КПД редуктора: КПД =	.

М в (расчетный)

Оборудование: 1) самодельный редуктор к микроэлектродвига-
. телю, 2) шкив 0 2 см к ведомому валу самодельного редуктора, 3; источ.
ник тока, 4) ключ, 5) провода соединительные, 6) разновес, 7) грузы на-
борные массой до 2 кг, 8) нить кордовая, 9) легкое ведерко для грузов.
10) штатив с муфтой и лапкой.

Ход работы. 1. Из резултЛатов лабораторной работы № 5
выпишите максимальный крутящий момент на валу микро-
эл ектродв и гател я.

2.	Из описания самодельного редуктора выпишите пере-
даточное число редуктора.
3.	Вычислите 4 максимальный

РИС. 31,

крутящий момент ведомого вала
редуктора.

4.	На ведомом валу редуктора
укрепите шкив 0 2 см.

5.	Укрепите редуктор в лапке
штатива приблизительно на высо-
те 0,5 м от стола.

6.	Закрепите на шкиве один
конец нити, а к другому концу
привяжите ведерко (рис. 31)..

7« Соберите электрическую
цепь, состоящую из микроэлектро-
двигателя с редуктором, ключа и
источника тока.

8. Нагружая ведерко гирями
разновеса и производя кратковре-
менные включения двигателя (как
это делалось в работе № 5), из-
мерьте максимальный крутящий

момент ведомого вала редуктора.

9. Вычислите КПД редуктора.

§ 7.	ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ МАШИН.
ДВИЖИТЕЛИ

Рабочие органы определяют назначение машины. У земле-
ройных машин рабочими органами являются ковш и ножи, при
помощи которых взрыхляется и перемещается земля. Лемеха
плуга и диски лущильника служат рабочими органами этих
сельскохозяйственных машин. Основное назначение транспорт-
ных машин — перевозить грузы и пассажиров. Поэтому рабо-
чим органом транспортной машины является движитель, за-
ставляющий транспортное устройство перемещаться. У колес-
ных машин движителем является колесо, но не любое колесо,
а только то, что соединена с двигателем через передаточ-
ный механизм и вызывает движение машины. Так, у мотоцик-
ла два колеса, но только заднее мы можем назвать движите-
лем. Движителем гусеничного трактора и танка являются гу-
сеницы. Движителем теплохода и подводной лодки — гребной
винт, вертолета — воздушный винт (ротор).

Конструирование наиболее рационального движителя, хотя
бы только для сухопутных машин, не закончилось и в наши
дни. Разнообразны условия, в которых приходится передви-
гаться транспортным машинам. Если иа шоссе пока нет со-
перника колесу, то то же самое колесо оказывается плохим
движителем на пашне или снежной целине. В этих условиях
лучше работает гусеница. Когда же* речь идет о скорости пере-
мещения по пашне, то на первое место опять вырывается коле-
со, но приспособленное для движения по пахоте. Не случайно
в последнее время стали делать некоторые типы тракторов для
сельскохозяйственных работ колесными.

Впрочем, и колесо ставит перед конструкторами много про-
блем, например: чем больше диаметр колеса, тем лучше оно
сцепляется с дорогой, тем легче преодолеваются неровности
дороги. Но колесо большего диаметра требует более мощного
двигателя. При одинаковой мощности двигателей большую
скорость можно получить с колесом меньшего диаметра.

Чрезмерно узкие колесеЗ плохо сцепляются с дорогой, и на
них быстрее изнашивается резина. Широкие колеса встречают
на своем пути больше неровностей, и сопротивление движе-
нию возрастает. Одно и то же колесо будет по-разному выпол-
нять свою роль движителя не только при движении по раз-
ным дорогам, но и в зависимости от погоды. В сухую погоду
лучше работает колесо меньшего диаметра, а на той же до-
роге в ненастье нужны колеса большего диаметра. Пока
изобретено колесо с изменяющейся шириной беговой дорож-
ки. У такого колеса во время движения можно менять дав-
ление в шинах. На гладкой дороге в сухую погоду давление
в шинах увеличивают, и сопротивление движению колеса со
стороны дороги уменьшается. Можно ехать с большой скоро-
стью. В ненастье, чтобы увеличить сцепление колеса с доро-
гой, давление в шинах уменьшают, и из-за этого колесо в
месте соприкосновения с дорогой расплющивается. Площадь
соприкосновения с дорогой возрастает.

Не проще обстоит дело с движителями для воздушного и
водного транспорта. Конструкторам движителей ‘приходится
принимать во внимание такое обилие факторов и физических
явлений, связанных друг с другом и влияющих друг на друга,
что для упрощения расчетов приходится пренебрегать некото-
рыми факторами. Поэтому до проведения испытаний бывает
трудно предугадать, какие величины Необходимо учесть обя-
зательно, а какие не окажут существенного влияния на дви-
жение данного транспортного средства.

Главные исходные данные для расчета гребных и воздуш-
ных винтов даст теория, разработанная великим русским уче-
ным Николаем Егоровичем Жуковским, которого В. И. Ленин
назвал «отцом русской авиации».

Воздушный винт. С воздушным винтом знаком каждый.
Вспомните хотя бы комнатный вентилятор. Двигатель вращает
двух- или трехлопастный воздушный винт, и тот гонит воз-
дух вперед или назад в зависимости от того, в какую сторону
вращают винт и как повернуты его лопасти.

Отбрасывая воздух, лопасти винта отталкиваются от воз-
духа» вследствие чего образуется сила, называемая тягой вин-
та. Эта тяга и используется для того, чтобы перемещать в
воздухе самолеты и вертолеты, на земле — аэросани, на во-
наклона. При малом угле
ро (слышен высокий тон

де—глиссеры с воздушным вин-
том в качестве движителя.

Укрепим на валу микроэлек-
тродвигателя простейший воз-
душный винт и установим дви-
гатель на тележку (рис. 32).
Подключив его к источнику пи-
тания, заставим воздушный
винт вращаться. Тележка пока-
тится по гладкой поверхности
стола. Если лопасти винта из-
готовлены из мягкого металла,
попробуем изменить их угол
наклона двигатель вращается быст-
звука работающего двигателя), но

тележка катится медленно. Очевидно, тяга влита мала. Уве-
личим угол наклона лопастей. Тележка покатилась быстрее.
А если угол наклона лопастей еще увеличить, то по звуку ра-
ботающего двигателя (низкий тон звука работающего двига-
теля) можно понять, что нагрузка на двигатель возросла. Те-
лежка при этом прекратила движение.

Из этого простого опыта можно сделать заключение, что
тяга винта зависит от его формы.

Воздушный винт развивает тягу потому, что ‘отбрасывает
назад некоторую массу воздуха. Сила тяги винта при этом
равна изменению импульса воздуха в единицу времени:

г
р=т м •

В результате работы винта перед ним создается понижен-
ное давление, позади него — повышенное, и воздух, засасы-
ваясь передней частью винта и отталкиваясь его задней ча-
стью, половину добавочной скорости получает перед винтом и
половину — за ним. Но воздушный винт одновременно пере-
мещается относительно воздуха, поэтому скорость воздуха,
обтекающего винт, равна

. Ди
°+т- .

где V — скорость поступательного движения винта; Ау — до-
бавочная скорость, которую винт сообщает воздуху. Мощность,
потребляемая винтом, равна произведению силы тяги винта
на путь, проходимый винтом в 1 с, т. е. на скорость движения
винта относительно воздуха: Л/ = Л(	.

Часть, этой мощности Еу, называемая полезной мощностью,
г, Ди
расходуется на поступательное движение винта, часть Е--
теряемая мощность — расходуется на сообщение отбрасывае-
мому воздуху кинетической энергии.

Отношение полезной мощности к затрачиваемой представ-
ляет собой коэффициент полезного действия винта:

Рю	1

Чтобы развить известную тягу, винт должен ежесекундно
отбрасывать либо большую массу воздуха М с малой скоро-
стью Дпь либо малую массу воздуха т с большой скоростью
Доз. Тогда тяга винта будет равна:

Е=М^- =т—1.
м а/

Легко сообразить, что в первом случае кинетическая энер-
гия, сообщаемая воздуху, , будет меньше, чем во вто-
ром случае:
_ •

2

Работа винта зависит также от формы лопасти. Когда воз-
душный винт вращается двигателем, он врезается в воздух
подобно шурупу, врезающемуся в дерево. При каждом обо-
роте воздушного винта его наклоненные лопасти перемещают-
ся на расстояние, зависящее от угла установки лопастей. Но
шуруп, ввинчиваемый в дерево, перемещается, опираясь на
плотную древесину. Воздушный винт опирается на воздух,
имеющий малую плотность, и поэтому перемещение воздуш-
ного винта относительно воздуха будет меньше расчетного
(рис. 33). Теоретическое перемещение воздушного винта за
один оборот (шаг винта) вычисляется по формуле: Н=2лг4§ ф
(рис. 34). Из-за скольжения винта относительно воздуха рас-

РИС. 33.
РИС. 54.

стояние, которое винт врохо
дит за один оборот ври ско
рости поступательного дви
жения V и скорости враще

ния л* равно: — =5.

Величина 5 называется по

ступыо винта.

Чтобы увеличить тягу винта, каждой лопасти придают та
кой профиль, который напоминает профиль крыла самолета
При движении лопасти в этом случае возникает дополнитель-

ная тяга за счет подъемной силы, действующей на каждый
элемент лопасти. Элементы лопасти, расположенные ближе к
оси вращения, имеют меньшую линейную скорость. Элементы

лопасти, расположенные у концов винта, имеют максималь-
ную линейную скорость. Учитывая это, установочный угол <р
вдоль лопасти делают переменным, поэтому каждый элемент
лопасти имеет различный шаг. Элементы лопасти, расположен-
ные ближе к осн вращения, имеют больший шаг, а элементы
лопасти, расположенные дальше от оси вращения,—меньший

шаг.

За счет применения воздушных винтов переменного шага
удается уменьшить явление проскальзывания винта, а значит,
увеличить поступь винта. В расчетах таких винтов за шаг

винта принимается шаг элемента лопасти, взятого на расстоя-
нии % радиуса винта (рис. 35).

Лабораторная работа № 8

Измерение максимальной тяги воздушного винта

Оборудование; I) микроэлектродвигатель с воздушным винтом,
2) рейка-маятник, 3) ключ, 4) источник тока, 5) соединительные провода,
6) штатив, 7) динамометр лабораторный, 8) штангенциркуль, 9) тран-
спортир.
40
Укрепите микроэлектродвига-
тель с воздушным винтом на рей-
ке так, чтобы образовался своеоб-
разный маятник (рис. 36). Для то-
го чтобы отклонить этот маятник
от положения равновесия на какой-
то угол, требуется приложить силу.

Соберите электрическую цепь.
При замыкании электрической це-
пи воздушный винт начинает вра-
щаться, создавая силу тяги. Ма-
ятник отклоняется от положения
равновесия на некоторый угол. От-
метив максимальный угол откло-
нения маятника от положения рав-
новесия* в результате действия тя-
ги винта, выключите источник то-
ка. С помощью лабораторного
динамометра отклоните маятник
на такой же угол и измерьте не-
обходимую для этого силу.

Изменяя угол наклона лопас-
тей воздушного винта и повторяя
опыт, намерьте максимальную тя-
гу воздушного винта.

РИС. Зв.

Запишите: а)
б)
в)

тип микроэлектродвигателя;

диаметр воздушного винта;

ширину „попасти;

установочный угол лопасти винта;

максимальную тягу воздушного винта.

Глава 3 КОНСТРУИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

§ 8.	ИНЖЕНЕРНОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ

Конструировать — это означает строить, создавать новые ме-
ханизмы, машины, сооружения. В процессе конструирования
научные и технические знания используются для создания но-
вых устройств, машин, механизмов, приборов и их отдельных
частей. В результате конструирования создается то, что при-
носит людям пользу. Новые конструкции станков позволяют
быстрее и лучше обрабатывать материалы, новые конструк-
ции транспортных средств — быстрее и в больших количествах
перевозить грузы. Новая конструкция маленькой детали боль-
шой и сложной машины позволяет увеличить надежность всей
машины.
Конструирование — это одновременно и наука, и искусство.
Как науку конструирование можно освоить путем обучения,
систематических занятий, накопления опыта, решения учебных
конструкторских задач. Но для конструирования, так же как
и для занятий искусством, требуется полная отдача всех сил,
увлеченность.

Успех решения конструкторской задачи в первую очередь
зависит от четкой формулировки самой задачи. Представим
себе такую учебную конструкторскую задачу: сконструировать
пушку. Практическая польза для общества от решения такой
учебной задачи заключается в том, что в ходе решения ее
происходит обучение будущих конструкторов и изобретателей.
Обученный конструированию в дальнейшем сможет решать и
такие задачи, которые будут приносить большую пользу обще-
ству.

Пушка — артиллерийское орудие, предназначенное для ме-
тания снарядов по пологой траектории. Метнуть снаряд — это
значит сообщить ему скорость, кинетическую энергию. А ка-
кой вид энергии будет использован для этого? Можно исполь-
зовать химическую энергию топлива (пороха), электрическую
энергию, атомную и т. д. Все будет зависеть от того, на какое
расстояние надо бросить снаряд, т. е. какую начальную ско-
рость ему надо сообщить. Задача требует уточнения: скон-
струировать пушку для стрельбы на заданное расстояние.
Пусть заданным расстоянием будет 2 м. Теперь ясно, что
использовать атомную энергию для стрельбы на такое рас-
стояние нецелесообразно. Но остается химическая энергия, ме-
ханическая, электрическая. Конструктор вправе спросить, на
какой вид энергии он может рассчитывать. Пусть конструк-
тору предложено использовать механическую энергию. Теперь
задача приняла такой вид: сконструировать механическую
пушку для стрельбы на расстояние 2 м.

Не спешите с решением! Вдумайтесь в формулировку за-
дачи. Обратите внимание на то, что расстояние полета сна-
ряда определено. Следовательно, нет необходимости стремить-
ся к большей дальности, но и меньшую дальность допустить
нельзя,

Какой вид механической энергии можно преобразовать в
кинетическую энергию летящего снаряда? Тут возможны толь-
ко два решения: либо кинетическую энергию преобразовать
в кинетическую, либо потенциальную энергию — в кинетиче-
скую. Потенциальной энергией обладают тела, находящиеся
под действием силы тяжести, и упругодеформированные те-
ла. Таким образом, уже возможны по крайней мере три ва-
рианта решения задачи.

По первому варианту какое-то движущееся тело толкает
неподвижный снаряд, сообщая ему импульс. Снаряд начнет
двигаться с некоторой начальной скоростью. Начальную ско-
рость снаряда можно легко определить из закона сохранения
импульса.

По второму варианту кинетическую энергию снаряд может
получить, падая с какой-то высоты. Чтобы начальная скорость
снаряда была направлена нужным образом в горизонтальном
направлении, снаряд с высоты можно бросать вдоль направ-
ляющего желоба. Нижняя часть желоба может быть должным
образом изогнута. Кинетическую энергию снаряда, а значит,
и его начальную скорость в заданном направлении нетрудно
подсчитать, зная его начальную потенциальную энергию.

По третьему варианту начальную скорость снаряду может
сообщить упругодеформированное тело. Потенциальная энергия
упругодеформированного тела, преобразуясь в кинетическую
энергию, передаст часть кинетической энергии снаряду.

Обсудим имеющиеся три варианта.

По первому варианту с использованием кинетической энер-
гии движущегося тела задача решается как будто бы просто.
Но для того чтобы снаряд улетел на заданное расстояние □
момент соударения снаряда с движущимся телом, последнее
должно иметь строго определенную скорость. Тогда, учитывая
соотношение масс снаряда и тела, можно вычислить началь-
ную скорость снаряда. Но в этом случае потребуется какое-то
устройство, которое сообщает необходимую скорость телу.
Значит, то же самое устройство может сообщить необходимую
скорость и самому снаряду. Необходимость в движущемся те-
ле отпадает. Но остается проблема: как сообщить снаряду за-
данную скорость?

Второй вариант позволяет сравнительно просто решить эту
задачу.

Чем выше будет поднят снаряд над землей, тем большую
скорость в горизонтальном направлении он получит в момент
скатывания с желоба. Несложно подсчитать, на какую высо-
ту должен быть поднят снаряд для получения определенной
начальной скорости в горизонтальном направлении. Решение,
кажется, получается простым. Но обратимся к формулировке
задачи. Задача задает расстояние 2 м, и для решения этой
конкретной задачи второй вариант можно признать приемле-
мым. А если условие задачи будет незначительно изменено
лишь в части заданного расстояния, то могут возникнуть слож-
ности. Так, если расстояние в условии задачи будет значи-
тельно увеличено, то для получения необходимой начальной
скорости снаряд придется поднимать очень высоко. «Пушка»
получится громоздкой. Конструкторы больше ценят «гибкие»
решения, позволяющие использовать конструируемые устрой-
ства в широком диапазоне режимов работы.

По третьему варианту начальную скорость снаряду сооб-
щает упругодеформированное тело: резина, пружина, сжатый
газ. Сила, сообщающая снаряду ускорение, зависит от свойств
тела и от величины деформации. Если использовать опреде-
ленное тело, то скорость, получаемая снарядом, будет зави-
сеть только от массы снаряда и величины деформации тела.
При постоянной массе снаряда его начальная скорость броса-
ния определяется только величиной деформации. Поэтому, из-
меняя величину деформации, можно получить широкий диа-
пазон начальных скоростей снаряда. Задача может быть
решена и для данного конкретного условия и легко приспособ-
лена к измененным условиям в части дальности бросания сна-
ряда. Для себя конструктор может уточнить формулировку
задачи: «Сконструировать механическую пушку для стрельбы
на расстояние 2 м, используя энергию упругодеформироваино-
го тела».

Все эти долгие рассуждения конструктор проделывает в
уме и гораздо быстрее, чем об этом можно написать. Но это
лишь формулирование задачи. После этого начинается собст-
венно конструирование. В процессе конструирования можно
пользоваться несколькими известными из практики методами.

§ 9.	МЕТОДЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ

Метод проб и ошибок. Для того чтобы бросить снаряд (на-
пример, шарик) на заданное расстояние, можно вдавить его
в резиновый мяч и отпустить. Упругосжатый воздух в мяче,
расширяясь, толкнет шарик, и тот полетит. Чтобы шарик по-
летел в заданном направлении, его можно поместить в напра-
вляющую трубку. Чтобы шарик улетел на заданное расстоя-
ние, надо подобрать силу сжатия мяча. Однако при повторе-
нии опыта оказывается, что почти невозможно всякий раз
сжимать мяч совершенно одинаково. Можно попробовать сде-
лать по-другому, а если не получится, придумать еще один ва-
риант. Так, пробуя и ошибаясь, можно натолкнуться на ин-
тересное решение.

Известный американский изобретатель Томас Альва Эди-
сон занялся усовершенствованием электрической лампы нака-
ливания, изобретенной нашим соотечественником Александ-
ром Николаевичем Лодыгиным. В электрической лампе нака-
ливания А. Н. Лодыгина электрическим током нагревался
угольный стержень. Главная задача, которую поставил перед
собой Эдисон, заключалась в том, чтобы продлить срок служ-
бы лампы. Эдисон перепробовал все вещества, содержащие
углерод: швейные нитки, покрытые углем, продукты питания,
смолы — в общем счете 6000 разновидностей растительных во-
локон. Лучший результат показал бамбук. И хотя в конце
концов Эдисон продлил срок службы лампы накаливания и
организовал массовое производство ламп с угольной нитью,
правильное решение нашел все-таки сам А. Н. Лодыгин, ко-
торый догадался заменить угольную нить металлической.
Метод проб и ошибок требует очень много сил м времени и
оставляет мало надежд на нахождение оригинального решения.

Метод аналогий. Когда задание на конструирование пуш-
ни было сформулировано, вы, конечно, сразу же подумали,
что пушку можно сделать так же, как делают пневматическое
ружье или детский пружинный пистолет. Использовать похо-
жее— часто применяемый конструкторами прием. Но далеко
не всегда решение оказывается таким же простым, как в на-
шем случае. Легкие решения уже давно использованы. Найти
оригинальное решение, пользуясь методом аналогий, не просто.
Чаще всего из похожего берется только идея, принцип. Так, в
§ 2 говорилось о принципе устройства и действия автомобиль-
ного спидометра. Алюминиевый диск поворачивается вращаю-
щимся магнитным полем. По аналогии .сконструирован жид-
костный спидометр. Чаша с жидкостью вращается ведущим
валом. В жидкость погружается вторая чаша (диск, цилиндр).
За счет трения между вращающейся жидкостью и погружен-
ным в нее телом вторая чаша тоже начинает вращаться. Вра-
щение, так же как и в автомобильном спидометре, ограничи-
вается пружиной, поэтому, чем выше скорость чаши с жидко-
стью, тем на больший угол поворачивается тело, погруженное
в жидкость.

Английский инженер Самуэль Браун долго искал инже-
нерное решение недорогого моста через реку Твид. Однажды,
гуляя по парку, он увидел протянутую над тропинкой паути-
ну. При виде этой паутины у него возникла мысль о возмож-
ности похожим образом соединить берега реки, подвесив мост
на цепях или канатах.

Так по аналогии с паутиной была изобретена новая систе-
ма висячих мостов, которая получила широкое распростра-
нение.

Инженеры все чаще внимательно вглядываются в окружа-
ющую природу. Оказалось, что в природе многие задачи ре-
шены и проще, и экономнее, чем сумели это сделать люди. Не .
удалось придумать такой же надежный, мощный и экономич-
ный двигатель, как мышца, такой же универсальный движи-
тель, как ноги, такой же универсальный рабочий орган, как
человеческая рука.

Было замечено, что задолго до шторма дельфины заплы-
вают за скалы, медузы спешат уйти от берега и укрыться на
большой глубине. Была изучена эта способность медуз за-
благовременно узнавать о шторме и, наконец, удалось смоде-
лировать прибор, действие которого подобно действию «ор-
ганов слуха» медуз. Такой прибор позволяет определить при-
ближение шторма за 15 ч.

Родилось целое направление в науке и технике — бионика,
которая изучает биологические объекты для использования
принципов их построения в науке и технике.
Метод противоположного подхода. В поисках решения
конструкторской задачи бывает полезно посмотреть на проб-
лему с противоположной стороны, чем та, с которой ее рас-
сматривают, особенно если задача решается о трудом. По-
лезно задать себе вопрос; а нельзя ли помеху обратить на
пользу?

Советские изобретатели Б. Р. и Н. И. Лазаренко искали
способ борьбы с разрушением электрических контактов. Из-
вестно, что при замыкании и размыкании электрической це-
пи в месте контакта двух участков цепи появляются искры,
которые разрушают контакты. Говорят: контакты обгорают.
Лазаренко пытались найти способ борьбы с этим вредным яв-
лением, и в процессе исследований им пришла мысль исполь-
зовать разрушение контактов электрическими искрами для
полезного дела.

Был сконструирован станок для.электроискровой обработ-
ки металлов. Электроискровым способом можно быстро и
очень точно обрабатывать металлы любой твердости. Так, на-
пример, можно в качестве инструмента закрепить в станке ла-
тунную шестеренку от наручных часов и этим непрочным инст-
рументом с помощью электрических искр вырезать в самом
твердом металле углубление или сквозное отверстие, в точно-
сти повторяющее контур шестеренки.

Метод приспособления. Этот метод похож на метод анало-
гий. Используя его, конструктор заимствует что-то из того,
что уже было изобретено, для своих целей. Например, венти-
лятор был придуман для того, чтобы отсасывать воздух из
помещения или нагнетать воздух в него. Когда появилась не-
обходимость охлаждать двигатели внутреннего сгорания и
электродвигатели, то для этой цели приспособили вентилятор.
Вентилятор, приспособленный для отсасывания воздуха, насы-
щенного пылью, послужил основой для пылесоса. Затем уже
пылесос использовали в хлопкоуборочной машине.

Конструкторы и изобретатели внимательно приглядывают-
ся к отходам производства. Так, отходы лесозаводов (опилки
и стручки) используют для изготовления древесностружечных
плит.

Особенно полезен этот метод при конструировании отдель-
ных деталей и узлов. Нет необходимости все до последнего
винтика придумывать заново. Чем больше готовых узлов и
деталей использует конструктор при создании новой машины,
тем лучше, потому что легче наладить производство новой
машины и проще решить задачу обеспечения ее запасными
частями.

Метод увеличения и уменьшения. Увеличение и уменьше-
ние понимается в самом широком плане: увеличить или умень-
шить скорость, силу, размер, надежность и т. д. Так, конст-
рукторы подвесных лодочных двигателей столкнулись с не-
приятным явлением: если водитель моторной лодки не успе-
вал поднять двигатель при приближении к берегу, то лопасти
винта от удара о дно ломались. Само собой напрашивалось
решение — увеличить прочность винта. Но когда меньше стали
ломаться лопасти винта от ударов о дно, чаще стали ломаться
другие детали подвесного двигателя. Если и дальше идти по
пути увеличения прочности всех деталей, то двигатель поте-
ряет свое главное полезное качество — компактность и лег-
кость. Решение нашлось не в увеличении прочности винта, а
в уменьшении прочности крепления гребного винта к ведуще-
му валу. Винт стали закреплять на валу с помощью тонкого
стержня из мягкой стали — шпонки. При ударе винта о пре-
пятствие шпонка разрушается. Гребной винт и другие детали
двигателя остаются целыми. Конечно, после такой аварии
требуется ремонт. Но проще заменить копеечную шпонку, чем
дорогой гребной винт.

Подобным образом слабое звено вводят в электрические
цепи. Это всем вам знакомые предохранители. В случае на-
рушения режима работы электропроводки сгорает тоненькая
проволочка предохранителя, а не вся электрическая цепь.

В последнее время переднюю часть легковых автомобилей
начали делать менее прочной на случай аварии. При случай-
ном наезде на препятствие энергия удара расходуется на раз-
рушение передней части автомобиля. Автомобиль разруша-
ется, по зато меньше повреждений получают пассажиры.

Интересное применение нашел метод увеличения. Извест-
но, что трение может быть полезным и вредным. С вредным
трением всячески борются. Считалось, что трение одной де-
тали о другую, при котором происходит износ деталей, всег-
да вредное трение. Но когда попробовали не уменьшать, а
наоборот, увеличивать трение между деталями, то оказалось,
что от трения детали „так нагрелись, что в месте контакта ме-
талл расплавился и детали крепко приварились друг к дру-
гу. Так был найден новый способ соединения деталей — свар-
ка трением.

Методом увеличения часто пользуются для улучшения эко-
номических показателей машин. Так, выгоднее перевозить
пассажиров в одном большом самолете, чем в нескольких ма-
леньких; выгодно сделать один мощный генератор электриче-
ского тока, чем несколько маломощных, и т. д.

Метод объединения. Методом объединения часто пользу-
ются для расширения функций машин. Так, для того чтобы
убрать с поля хлеб, надо срезать колосья, вымолотить зерно,
очистить его от соломы и половы, погрузить зерно, заскирдо-
вать солому. Сначала все эти операции выполнялись вручную.
Потом для каждой операции придумали свою машину: жат-
ку— для срезания колосьев, молотилку — для выбивания зер-
на из колосьев, веялку—для очистки зерна, зернопогрузчик—
для погрузки, соломоподборщнк — для сборки СОЛОМЫ В КОП-
ПЫ. Когда объединили все эти машины в одно устройство, по-
лучился зерноуборочный комбайн.

Только знание методов конструирования не может обеспе-
чить успех -в решении конструкторских задач. Необходимо
еще знать физические законы, основы математики и техники,
владеть методами экспериментальной работы, уметь отстаи-
вать свои идеи, стремиться избегать традиционных решений,
быть уверенным в существовании новых решений.

Открытие и изобретение может сделать каждый, В этом
убеждает случай с учеником из города Барановичи Брестской
области Виталием Петровским. Прочитав в журнале «Юный
техник» статью, в которой рассказывалось о ленинградских
мостах, Виталий составил проект нового устройства разводки
мостов. Государственный комитет Совета Министров СССР
по делам открытий и изобретений отметил, что разработка
шестнадцатилетнего ученика не имеет аналогов в практике
мостостроения, и выдал ему авторское свидетельство на изо-
бретение.

Разрабатывая конструкцию прибора или машины, конст-
рукторы в первую очередь думают об общей идее устройства,
стараются представить себе прибор или машину в идеальном
виде, не задумываясь над тем, как и из чего можно постро-
ить такую конструкцию. Результатом такой работы является
эскизный проект, который лишь в общих чертах определяет
будущую конструкцию. Устройство отдельных узлов и де-
талей пока остается неясным. Разработка механизмов и
деталей представляет собой тоже решение конструкторских
задач.

Вернемся к задаче с пружинной пушкой. Мы уже говори-
ли о том:, что пушку можно сконструировать по аналогии с
детской игрушкой. Как направить полет снаряда? Здесь мо-
жет быть несколько вариантов решений. Опять-таки по ана-
логий можно представить себе направляющее устройство в
виде трубы. У настоящей пушки ствол, направляющий движе-
ние снаряда, делают в виде трубы потому, что в канале ство-
ла снаряд движется силой упругости газа и поэтому важно,
чтобы не было щелей, куда бы газ мог прорваться. У пружин-
ной пушки нет необходимости делать герметичный ствол,
поэтому направляющим движение снаряда может быть стер-
жень. Но в этом случае сам снаряд должен иметь отверстие
для прохода стержня. На этот же стержень может быть на-
дета и пружина. Возможны и другие решения.

Перед выстрелом пружину надо сжимать всякий раз оди-
наково, чтобы пушка бросала снаряд па нужное расстояние.
А это означает, что должно быть какое-то измерительное уст-
ройство, определяющее степень сжатия пружины.

Энергия сжатой пружины должна высвобождаться каким-
то спусковым устройством. Сама пушка должна устанавли-
ваться так, чтобы начальная скорость снаряда была направ-
лена горизонтально. Все эти задачи требуют решения.

§ 10.	ИНЖЕНЕРНЫЙ РАСЧЕТ

Выбрать рациональные размеры узлов и деталей, сокра-
тить расход материалов и получить уверенность в работоспо-
собности машины еще до ее изготовления позволяет расчет,
выполняемый при эскизном проектировании. И нередко прос-
той расчет опровергает остроумную идею, доказывая ошибоч-
ность выполненного проекта.

Сделаем элементарный расчет пружинной пушки.

Расстояние, на которое должен улететь снаряд, $— .УоЛ по-
тому что в горизонтальном направлении снаряд движется по
инерции с постоянной скоростью, сообщенной снаряду пру-
жиной.

Время полета определяется высотой, на которой установ-
лена пушка, потому что в вертикальном направлении снаряд
будет перемещаться как свободно падающее тело. При высо-
те установки к над уровнем Земли время полета снаряда

Отсюда дальность полета равна:

ел / 2й

Вычислить начальную скорость можно, руководствуясь
следующими соображениями: в стволе снаряд движется уско-
ренно под действием упругой силы пружины: Р=та. Сила
С —величина переменная. Она максимальна в начале движе-
ния снаряда и равна нулю в момент окончания распрямления
пружины. Для простоты расчета будем рассматривать сред-
нюю силу, действующую на снаряд, равную половине макси-
мальной силы/?=~-, где’/7! — максимальная сила упругости
сжатой пружины.

Пусть изменение длины пружины (от максимального сжа-
тия до полного распрямления) будет х. Двигаясь ускоренно
на пути х, снаряд приобретет скорость

гт	о 9 2Й	«2

Но	= у , отсюда	.

I Л: • *	'2Л

4 С, А. Хороша вин	_	43
Конечная скорость движения снаряда под
действием пружины будет его начальной ско-
ростью бросания г0=у, поэтому Е== 4181 ч или
г ___ т^з2

1— 2Лх '

Пружина может быть изготовлена наматыва-
нием стальной пружинной проволоки на цилинд-
рическую оправку. Такая пружина называется
цилиндрической. При действии на нее силы Е^
направленной по осевой линии, она будет удли-
няться или укорачиваться в зависимости от на-
правления действующей силы. Удлинение или
укорачивание происходит за счет изменения рас-
стояния между отдельными витками пружины.
Проволока, из которой изготовлена пружина,
при этом будет подвергаться скручиванию.

Введем обозначения: 7)0 — наружный диа-
метр пружины, (1 — диаметр проволоки, О —
средний (расчетный) диаметр пружины, И —
—	— п — число витков в пружине; Г1—допу-

стимая нагрузка для пруж:ины (в пределах упругости), } — уд-
линение одного витка при действии силы Г1, х — удлинение
пружины, состоящей из п витков (рис. 37).

х=п[.

Инженерные справочники предлагают следующие форму-
лы для расчета пружины: Е} =
допустимое напряжение на скручивание, О—мъдулъ сколь-
жения.

Эти величины определяются сортом стали, из которой изго-
товлена пружинная проволока. В частном случа-е пружинная
проволока может иметь:

Якр=400 Д- и 0= 75000 — .

ММ2	мм2

Тогда

7,=20000--,
О 18754*

Зная необходимую максимальную силу упругости сжатой
пружины Е\ и удлинение пружины, можно рассчитать разме-
ры пружины, а по размерам пружины и размерам снаряда —•
оптимальные размеры ствола.

В расчетах конструкторы широко пользуются справочны-
ми материалами и таблицами. Так, имея пружинную прово-
локу определенного диаметра, по таблице легко найти наруж-
ный диаметр пружины и удлинение / одного витка при дей-
ствии на пружину силы Е\.
§ II.	ТЕХНОЛОГИЯ

•

Технология — наука о способах изготовления деталей ма-
шин, а также о сборке узлов машин и сборке машин из узлов.
Слово «технология» происходит от греческих слов: «техне» —
мастерство и «логос» — наука. Но под словом «технология»
понимают не только науку,, но и определенный порядок всех
процессов, направленных на изменение свойств, формы и
внешнего вида изделия. Эти процессы называются технологи-
ческими. Технологические процессы отражают в чертежах и
записывают в технологические карты. Продумать технологию
изготовления детали — это означает сэкономить много рабо-
чего времени и материалов.

Технологичные машины проще в производстве и эксплуа-
тации, легче поддаются ремонту, поэтому решение технологи-
ческих задач играет не менее важную роль, чем решение за-
дач конструкторских. Технолог должен знать свойства мате-
риалов и способы их обработки. Разрабатывая технологию
изготовления изделия, технолог из всех возможных способов
обработки материалов должен в первую очередь использовать
такие, которые можно выполнить имеющимся инструментом
и с помощью имеющихся станков. А если это невозможно, то
придумать необходимый инструмент и приспособления.

Ознакомимся с некоторыми технологическими задачами на
примере изготовления пружинной пушки.

Ствол пушки можно изготовить различными способами:

1.	Выточить ствол из металлического прута на токарном
станке. Для этого потребуется прут большего диаметра, чем
наружный диаметр ствола. Сначала вчерне, а затем начисто
обработать наружную поверхность, после этого высверлить и
расточить внутренний канал до требуемого диаметра.

2.	Выточить ствол из трубы. Проточить наружную поверх-
ность трубы и расточить внутреннюю до нужных размеров.

3.	Изготовить ствол из отрезка трубы подходящего диа-
метра. В этом случае может потребоваться лишь чистовая
обработка поверхностей.

4.	Изготовить ствол из пластмассы методом горячего прес-
сования. Предварительно необходимо разработать конструк-
цию и изготовить пресс-форму.

5.	Выклеить ствол из бумаги на оправке подходящего диа-
метра.

6.	Выгнуть ствол из жести и место стыка пропаять.

7.	Выштамповать половинки ствола из металла или пласт-
массы, а затем соединить их клеем, пайкой или дополнитель-
ными деталями. Предварительно необходимо разработать
штамп и изготовить его.

Какой метод выбрать? Технолог в первую очередь поинте-
ресуется, а сколько стволов потребуется изготовить. Если
стволов необходимо изготовить несколько тысяч, то технолог,
по всей вероятности, выберет четвертый способ. Этот способ
требует большой предварительной подготовки, но когда пресс-
форма будет сделана, то процесс изготовления ствола сведет-
ся к одной операции — горячей формовке пластмассы. Изго-
товленный таким образом ствол не требует никакой дальней-
шей обработки. Его не надо даже красить, если подобрать
пластмассу подходящего цвета.

Производительным является и седьмой способ. Ио он тре-
бует изготовления нескольких деталей для одного ствола и,
что самое главное, последующей сборки деталей.

В школьных условиях пригодны все способы, за исключе-
нием четвертого и седьмого (ради изготовления одной детали .
не стоит делать сложную оснастку).

Кроме ствола, надо изготовить и другие детали, которые
будут соединяться со стволом. Способов соединения тоже мно-
го: сварка, пайка, заклепки,явинты и др. Разрабатывая способ
изготовления одной детали, необходимо думать и о способах
соединения этой детали с другими. Соединяя детали, надо учи-
тывать и возможность их рассоединения. В процессе наладки
изготовленной машины может потребоваться частичная раз-
борка.

Разрабатывая технологию, требуется учитывать способ-
ность используемых материалов противостоять возможным
нагрузкам. В пружинной пушке наиболее ответственной де-
талью является пружина.

Намотку цилиндрических пружин производят на цилиндри-
ческую оправку. Следует учесть, что диаметр оправки должен
быть меньше будущего внутреннего диаметра пружины. При
наматывании стальной проволоки на какой-либо стержень пос-
ле окончания намотки и освобождения конца проволоки пру-
жина начинает вращаться, раскручиваться и принимает диа-
метр больший, чем оправка. Поэтому проволоку наматывают
на оправку с предварительным натяжением и плотно прижи-
мая каждый виток к оправке.

Пружины навивают в тисках, на токарном станке, на спе-
циальных автоматах.

Для навивки пружины в тисках оправку подбирают, поль-
зуясь специальной таблицей. В оправке сверлят отверстие или
делают прорезь, в которую вставляют конец проволоки. Оправ-
ку зажимают между двумя деревянными прокладками, вло-
женными между губками тисков. Чем сильнее сжата оправка
в тисках, тем плотнее наматывается проволока на оправку и
тем меньше внутренний диаметр пружины будет отличаться от
расчетного.

Пружины и для растяжения, и для сжатия навиваются ви-
ток к витку. Если пружина должна работать па сжатие, то
после навивки она растягивается до получения необходимого
тага (расстояния между соседними витками). При подсчете
витков учитываются только рабочие витки.' У дружин с по-
прижатыми концами, работающих на сжатие, число рабочих
витков определяется путем вычитания из числа всех витков
по одному с каждого конца и по 3/4 витка с каждого конца,
если крайние витки прижаты и сточены для образования опор-
ной плоскости.

Перед изготовлением пружины определяют длцну ее заго-
товки по формуле; 1=пОп, где / —длина заготовки проволо-
ки; 0 —средний расчетный диаметр пружины; п — число вит-
ков пружины.

При намотке на токарном станке проволоку пропускают
через зажимное приспособление между деревянными, медны-
ми или свинцовыми прокладками. Тем самым добиваются не-
обходимого предварительного натяжения проволоки. Если
использовать автоматическую подачу, то пружину о токарном
станке можно напить сразу с необходимым шагом.

При навивке пружины следует соблюдать осторожность,
помня, что после навивки освобожденная пружина начинает
быстро раскручиваться и может поранить руки.

Брак при навивке пружин может получиться вследствие
неправильного выбора диаметра проволоки, диаметра оправ-
ки, недостаточного предварительного натяжения проволоки.

5.	Задание на изготовление цилиндрической витой пружины

1.	Изготовить цилиндрическую витую пружину.
Технические условия:

а)	пружина должна быть нажимной;

б)	максимальная сила упругости пружины—10 Н;

в)	максимальное сжатие пружины (х) — 0,05 м;

г)	пружина должна быть изготовлена из материалов, имею-
щихся в школьной мастерской, и с использованием оборудо-
вания школьной мастерской.

2.	Выполните расчет пружины.

’ 3. Обсудите расчет с учителем.

4. В школьной мастерской изготовьте пружину.

Лабораторная работа № 9

Измерение жесткости самодельной пружины

Оборудование: I) самодельная пружина, 2) масштабная линейка,
3) штатив с лапкой, 4) набор грузов, 5) нить.

Жесткость пружины можно определить из закона Гука:
/?=Мх, отсюда жесткость равна:



Ьх
Жесткость пружины в пределах упругости не зависит от
того, сжимается или растягивается пружина.

Для измерения жесткости закрепите крайний виток пру-
жины в лапке штатива. К нижнему крайнему витку привяжи-
те нитяную петлю. Измерьте длину свободно висящей пру-
жины.

Подвесьте за нитяную петлю груз массой 100 г. Измерьте
удлинение пружины.

Повторите измерение, подвесив к пружине два, три и т. д.
грузика. Вычислите среднее значение жесткости пружины.

Сосчитайте число витков пружины. Вычислите удлинение /
одного витка при действии на пружину максимальной силы
сжатия, на которую рассчитана пружина.

Результаты измерений и вычислений сопоставьте с вашими
расчетами, выполненными при изготовлении пружины.

6.	Задание на конструирование и изготовление пружинной
пушки

1.	Сконструируйте механическую пушку для стрельбы на
расстояние 2 м, используя энергию сжатой пружины.

Технические условия:

а)	пушка должна бросать снаряд в горизонтальном на-
правлении;

б)	высота установки пушки над уровнем пола — 0,8 м;

в)	пушка должна обладать высокой надежностью попа-
дания снаряда в цель;

г)	конструкция пушки должна быть простой, рассчитанной
на использование самодельной пружины, изготовленной по за-
данию 5, доступной для изготовления в школьной мастерской.

2.	Выполните эскизный проект пушки.

3.	Обсудите проект с учителем.

4.	В школьной мастерской изготовьте пушку.

5.	Испытайте пушку на точность стрельбы на заданное рас-
стояние.

6.	Составьте краткое описание пушки по схеме:

а)	название изделия;

б)	автор конструкции;

в)	инженерный расчет пушки;

г)	результаты испытаний: при каком сжатии пружины сна-
ряд летит на расстояние 2 м? Замеченные недостатки конст-
рукции.

§ 12.	МОДЕЛИРОВАНИЕ

Моделированием называют исследование на лабораторных
моделях физических процессов, протекающих в телах, маши-
нах, сооружениях и других устройствах.

Моделирование применяется при создании новых машин и
сооружений, для проверки правильности инженерных расчетов.
В процессе конструирования часто бывает трудно или да-
же невозможно учесть влияние всех физических явлений и за-
кономерностей, которые могут сказаться потом, когда машина
или сооружение уже построены. Поэтому правильность своих
идей конструкторы проверяют на моделях. Например, на боль-
шой реке проектируется создание м.ощного гидроузла. Когда
проект готов, в специальной лаборатории создается модель
этого гидроузла в уменьшенном виде. На модели есть и река
с теми очертаниями берегов, которые имеет настоящая река,
и с определенными глубинами (в выбранном масштабе), и
вода течет, как в настоящей реке. На этой уменьшенной ко-
пии реки строится модель гидроузла. С помощью приборов
исследуются скорости течения воды на различных участках,
давление воды на плотину и проводится множество других
измерений и наблюдений. Все это позволяет еще до построй-
ки настоящей плотины уточнить инженерные расчеты и в
случае необходимости внести изменения в конструкцию пло-
тины.

Авиационные конструкторы. на моделях изучают поведение
будущих самолетов в различных режимах полета. Для этого
модель помещают в аэродинамическую трубу на специальные
весы. Обдувая модель потоком воздуха, создают условия, мак-
симально приближенные к действительности.

Специальными приемами можно сделать видимым поток
воздуха, обтекающего фюзеляж, крылья и хвостовое оперение
самолета. На модели нетрудно сделать любые конструктивные
изменения и изучить, как они скажутся на поведении модели.

Таким образом, процесс конструирования не заканчивается
постройкой модели. Испытание модели позволяет увидеть все
ее сильные и слабые стороны и дает новый толчок конструк-
торской мысли.

На моделях же осваивается наука и искусство конструи-
рования.

Вы построили модель пружинной пушки и провели первое
испытание. Можно ожидать, что первое испытание было не
совсем удачным. Все было сделано по расчетам, а снаряд не
долетел до отметки на заданном расстоянии. Это наиболее
вероятный случай. Редко, когда только что построенная мо-
дель сразу начинает хорошо работать. И в большой технике
чаще всего первое испытание означает начало нового этапа в
‘ создании нового устройства — доводки и доработки конструк-
ции. Чем сложнее устройство, тем труднее заблаговременно
учесть все то, что может повлиять на его работу.

В нашей простой модели уже в процессе расчета были до-
пущены некоторые упрощения. Так, предполагалось, что вы-
брошенный пушкой снаряд полетит в горизонтальном на-
правлении, сохраняя по инерции скорость, полученную в мо-
мент выброса из пушки. Сопротивление движению снаряда со
стороны воздуха в расчет не принималось. Но воздух оказы-
вает сопротивление движущимся телам. И чем выше скорость
движения, тем больше сила сопротивления.

При расчете пружины предполагалось, что она будет изго-
товлена из определенной марки пружинной стали. А в школь-
ной мастерской нашлась проволока, из которой можно сделать
отличную пружину, но допустимое напряжение на скручива-
ние и модуль скольжения у этой проволоки не такие, какие
Принимались в расчет.

Жесткость пружины существенно зависит от технологии ее
изготовления. Неравномерное или недостаточное натяжение
проволоки в процессе навивки пружины может существенно
изменить ее упругие свойства. Недостаточное сжатие пружины
перед выстрелом тоже приведет к изменению дальности поле-
та снаряда. Маленькие неточности и ошибки, складываясь,
могут дать существенное расхождение расчета с результатом
испытания. Поэтому на заводах существуют отделы техниче-
ского контроля, которые проверяют точность и качество изго-
товления каждой детали. А каждая сложная машина, преж-
де чем выйти за ворота завода, подвергается испытанию.
Каждый прибор, каждая машина, каждое устройство снаб-
жается паспортом, в котором все главные характеристики
устройства записаны по результатам проведенных испытаний.

Пружинную пушку тоже надо подвергнуть испытанию на
проверку ее главной характеристики — начальной скорости
снаряда. Для этого пушку следует установить вертикально и
произвести выстрел вверх. Высоту максимального подъема
снаряда можно легко измерить. Зная закономерность движе-
ния тел, брошенных вертикально вверх, нетрудно подсчитать
начальную скорость бросания по формуле:

1>о=У2яЛ.

Теперь можно отрегулировать положение спускового устрой-
ства, определяющего начальное сжатие пружины перед вы-
стрелом.

Обратите внимание на то, что в задании на конструирова-
ние ничего не сказано о снаряде. Поэтому форму снаряда нуж-
но выбирать конструктору. Предполагалось, что в вертикаль-
ном направлении снаряд будет двигаться как свободно падаю-
щее тело. А если замедлить падение снаряда, снабдив его кры-
лышками? Тогда при тех же параметрах пушки снаряд улетит
значительно дальше.

§ 13.	ХУДОЖЕСТВЕННОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ

Первая и главная цель, которую преследует конструктор,
создавая новые приборы, машины, устройства,— практическая
полезность создаваемых вещей. Но люди всегда стремились к
тому, чтобы творение их рук было не только полезным, не и
красивым. Стремясь сделать приборы и машины красивыми,
их создатели украшали изделия резьбой, причудливым орна-
ментом, покрывали детали позолотой.

С годами понятие красоты менялось. Но и сегодня мы вос-
хищаемся красотой новых сверхзвуковых реактивных лайне-
ров, космических ракет, новых марок легковых и грузовых
автомобилей, хотя эти машины не имеют никаких специаль-
ных украшений и не блещут раскраской. Нас восхищает в но-
вых машинах целесообразность форм и линий, пропорциональ-
ность отдельных частей, их композиционная организованность,
техническая целесообразность каждой детали.

Небрежная окраска изделия технически нецелесообразна,
так как плохо окрашенный материал подвержен более быст-
рому разрушению вследствие воздействия на него влаги и воз-
духа, а в быстродвижущихся машинах неровности окраски
являются причиной появления дополнительных аэродинамиче-
ских сил сопротивления.

Небрежная обработка деталей тоже технически нецелесо-
образна, так как в каждой части детали воздействующие ня
нее силы должны быть равномерно распределены по всему ее
объему, не оставляя ненагруженных участков и не создавая
опасных концентраций сил на других участках. Глубокие ца-
рапины, рваные края, выбоины снижают прочность детали.

Красиво выполненная вещь является одновременно и сви-
детельством ее технического совершенства.

Особенно большое значение внешнему виду изделий при-
дается в том случае, когда изделия выпускаются больши-
ми партиями и предназначены для долгого служения чело-
веку.

Необходимость не только технически грамотно сконструи-
ровать машину, но и придать ей красивый вид вызвала рож-
дение новой науки — технической эстетики. Теперь рука об
руку с инженером-конструктором работает художник-проекти-
ровщик.

Художника-проектировщика технических устройств часто
называют дизайнером. Слово «дизайн» ((1ез1^п) в переводе с
английского означает: замысел, проект, узор, чертеж. Но в по-
следние годы это слово, кроме указанных значений, приобре-
ло дополнительные оттенки. Англичане дизайнером нередко
• называют не просто конструктора новых вещей, но остроум-
ного человека. Отсюда дизайн не просто проект, а остроумный
проект, красивый проект, оригинальное, необычное предло-
жение.

Дизайнер помогает конструктору не только придать изде-
лию эстетически совершенные формы, но и согласовать техни-
ческое устройство с физическими и психическими возможно-
стями человека, с его восприятием окружающей среды.
Когда человек управляет машиной, работает с прибором,
обрабатывает деталь на токарном станке, он объединяет свои
ощущения и мускульные усилия с техническим устройством.
Человек и машина объединяются в выполнении определенной
работы. Наиболее успешно работа будет выполнена, если ма-
шина приспособлена к возможностям человека.

На токарных станках, окрашенных серой краской, выше
процент брака, потому что рассматривать и измерять сталь-
ные детали на сером фоне труднее.

Яркая окраска опасных участков предупреждает травма-
тизм. Рационально выбранные формы стрелок и шкал повы-
шают точность измерений. Размеры и формы рычагов, рукоя-
ток, кнопок и педалей могут повлиять на точность и быстроту
управления машиной.

Наука о взаимодействии, человека с техническими устрой-
ствами имеет различные названия: инженерная психология,
наука о человеческом факторе в технике, биомеханика, эрго-
номика. Но как бы ни называлась эта наука (она родилась
так недавно, что еще не успела обрести своего постоянного
имени), уже совершенно ясно, что учет «человеческого фак-
тора» стал неотъемлемой частью процесса конструирования
современных технических устройств.

7.	Задание на конструирование и изготовление модели
автомобиля

1.	Сконструировать модель автомобиля, приводимого в
движение микроэлектродвигателем.

Технические условия:

а)	модель автомобиля должна состоять из двух разъеди-
няющихся частей: самоходного шасси и кузова;

б)	самоходное шасси должно развивать скорость в преде-
лах 0,2—0,4 м/с и перевозить полезный груз массой до 0,5 кг;

в)	в конструкции самоходного шасси должно быть пред-
усмотрено устройство изменения направления движения;

г)	источник питания электродвигателя (батарея гальвани-
ческих элементов или аккумулятор) размещается на шасси, и
его масса не входит в массу полезного груза;

д)	кузов модели должен быть сконструирован в соответ-
ствии с требованиями дизайна и не должен копировать суще-
ствующие марки грузовых и легковых автомобилей;

е)	объем кузова позволяет размещать на шасси приборы
управления объемом не менее 500 см3;

ж)	в собранном виде шасси и кузов должны быть жестко
скреплены;

з)	конструкция модели может быть рассчитана на исполь-
зование самодельного редуктора (задание 4) и изготовлена
из доступных материалов с использованием инструментов и
оборудования школьной мастерской.

2.	Выполните эскизный проект модели автомобиля,

3.	Обсудите проект с учителем.

4.	В школьной мастерской изготовьте модель автомобиля.

Лабораторная работа № 10

Испытание модели автомобиля

Оборудование: 1) самодельная модель автомобиля, 2) само-
дельный отметчик времени, 3) измерительная лента, 4) динамометр,
5) весы технические, 6) наборный груз массой до 1 кг, 7) разновес.

1.	Измерить габариты модели автомобиля (наибольшие
длина, ширина, высота).

2.	Измерить массу модели в снаряженном виде (вместе с
источником питания).

3.	Измерить скорость движения модели без полезной на-
грузки.

4.	Измерить скорость движения модели с полезной нагруз-
кой 0,5 кг.

5.	Измерить силу тяги модели автомобиля.

6.	Составить отчет о проведенных испытаниях по схеме:

а)	название модели;

б)	фамилия, имя конструктора;

в)	краткое описание устройства и действия;

г)	габариты модели;

д)	масса в снаряженном состоянии;

е)	максимальная скорость без полезной нагрузки;

ж)	максимальная скорость с нагрузкой;

з)	максимальная сила тяги;

и)	указания по эксплуатации модели.


IX КЛАСС

Глава 4 ДЕТАЛИ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ

§ 14.	НАДЕЖНОСТЬ МАШИН

Любое техническое устройство» созданное конструкторами,
прежде, всего оценивается с точки зрения того, насколько чет-
ко и надежно это устройство выполняет возложенные на него
функции. Экскаватор должен вынимать и перемещать грунт
и другие сыпучие материалы, плуг—вспахивать землю, тер-
мометр — с заданной точностью измерять температуру, воз-
душный, лайнер— быстро доставлять пассажиров к месту на-
значения и т. п. И как бы хорошо ни была задумана маши-
на, какие бы совершенные формы ни придали ей дизайнеры,
она нам не понравится, если мы не будем уверены в ее на-
дежности Если перестает писать ручка, ломается новый ве-
лосипед, спешат или отстают часы, то мы вправе считать эти
вещи плохо сконструированными и изготовленными. Степень
безотказности любого устройства характеризуется понятием
надежности и измеряется временем работы устройства до
первого отказа* Эта характеристика указывается в паспорте
устройства, Чем выше гарантийный срок, тем выше надеж-
ность технического устройства. Конструкторы непрерывно со-
вершенствуют имеющиеся машины, разрабатывают такие тех-
нические устройства, которые лучше существующих выпол-
няют свое предназначение и красивее ранее созданных.

Борьба за надежность технических устройств имеет разум-
ные пределы, 'которые определяются экономическими расче-
тами. В этих расчетах приходится сравнивать затраты на
изготовление более надежных, но более дорогих машин с за-
тратами на ремонт и запасные части менее дорогих, но и ме-
нее надежных машин; учитывать влияние надежности одной
машины на работу связанных с нею других машин; предусмат-
ривать, как надежность машин может повлиять на жизнь и
здоровье людей. Все это говорит о том, что вопрос о надежно-
сти машин не так прост. Но когда этот непростой вопрос раз-
решен и срок надежной работы машины определен, то сразу
же выясняются условия, при которых машина будет работать
безотказно. Перечень этих условий называют условиями экс-
плуатации. Соблюдение условий эксплуатации является за-
логом надежной работы машины или любого другого тех-
нического устройства в течение указанного срока. Если у
вашего велосипеда начали скрипеть педали и соскаки-
вать со звездочек цепь, то в этом не обязательна вина
конструкторов и рабочих того завода, где был сделан велоси-
пед. Может быть, вы сами уменьшили надежность машины
несоблюдением правил ее эксплуатации (нерегулярно смазы-
вали трущиеся узлы, не регулировали натяжение цепи). Если
медицинский термометр лопнул в первый же день службы,
когда вы с его помощью начали измерять температуру воды в
закипающем чайнике, то причина не в низкой надежности
термометра, а в нарушении режима его использования.

Условия эксплуатации технических устройств не должны
быть слишком жесткими. Если лампочка для карманного фо-
наря, на которой написано 3,5 В, сгорела от того, что в кар-
манный фонарь поставили свежую батарейку е надписью 3,7 В,
то в этом и всех подобных случаях мы говорим, что техниче-
ское устройство имеет маленький запас прочности. Запас проч-
ности определяется как отношение предельной нагрузки, кото-
рую может выдержать техническое устройство или его деталь,
к тем нагрузкам, которые действуют в условиях нормальной
эксплуатации.

Запас прочности не может быть одинаковым у всех деталей
одной и той же машины. Поэтому конструкторы в первую
очередь увеличивают запас прочности наиболее ответствен-
ных деталей машины.

Если у вашего велосипеда лопнула одна из пружин седла,
то это, конечно, плохо. Однако с меньшим удобством, но
поездку можно продолжить. Если перегорела лампочка вело-
сипедной фары, то с наступлением темноты при полной
исправности всех остальных деталей велосипеда ездить на нем
уже нельзя. Но если во время движения, особенно на спуске,
у вашего велосипеда оторвется руль, то катастрофа неминуе-
ма. Поэтому запас прочности таких ответственных узлов, как
рулевое устройство и тормоза у любой транспортной машины,
должен быть значительно выше запаса прочности всех осталь-
ных деталей и узлов. Некоторые мелкие неисправности, кото-
рые могут возникать в машине, иногда целесообразнее пред-
видеть и снабдить машину комплектом запасных частей для
устранения этих неисправностей, чем повышать надежность
соответствующих деталей. Но это только в том случае, когда
текущий ремонт возможен и не требует больших затрат труда
и времени. Л если ремонт невозможен, то конструкторы не
жалеют средств для повышения надежности машин. Прежде
всего увеличивают запас прочности наиболее ответственных
узлов и деталей. Снабжают машину приборами контроля за
работой отдельных узлов и механизмов. Приборы контроля
позволяют своевременно обнаружить такие нарушения в работе
машины, которые могут привести к поломке, если не пред-
принять соответствующих мер для предотвращения этой по-
ломки. Так, почти все двигатели внутреннего сгорания (за
исключением велосипедных и почти всех мотоциклетных дви-
гателей) снабжаются устройством контроля температуры бло-
ка цилиндров. Если своевременно не заметить перегрев дви-
гателя, то поршни в цилиндрах могут заклиниться, оборвутся
шатуны — двигатель надолго выйдет из строя и потребуется
дорогой и сложный ремонт. Прибор контроля температуры
предупреждает о возможности такой неприятности. Достаточ-
но только усилить охлаждение двигателя, и никаких поломок
не произойдет.

Если выход из строя машины или каких-нибудь ее узлов
угрожает жизни и здоровью людей, то конструкторы прибе-
гают и к специальным мерам повышения надежности. Они не
только увеличивают запас прочности ответственных узлов и
деталей, но и дублируют наиболее ответственные механизмы и
узлы. Например, на современных легковых автомашинах тор-,
можение осуществляется всеми четырьмя колесами. Кроме то-
го, привод тормозных механизмов разделен на два контура.
Если выйдет из строя один контур тормозной системы, то оста-
нется работоспособным другой. Например, если лопнет шланг
гидравлической системы тормозов задних колес и тормоза
откажут, то та же тормозная педаль заставит сработать при-
вод тормозов передних колес и автомобиль остановится.

На сверхзвуковом пассажирском самолете ТУ-144 наиболее
ответственные механизмы продублированы четырежды, и, если
в одном полете три раза произойдет поломка в одном и том
же механизме (что, конечно, очень маловероятно), самолет
благополучно доставит пассажиров к месту назначения.

С целью повышения надежности машин конструкторы пред-
усматривают и такую меру, как своевременная замена изна-
шивающихся узлов и деталей. Задолго до того, как деталь или
механизм могут сломаться вследствие износа, их заменяют но-
выми. Так, авиационные двигатели снимают с самолета и за-
меняют новыми после определенного срока их работы, если
даже они еще в очень хорошем состоянии. Но главный путь
увеличения надежности машин, механизмов и их деталей —
увеличение прочности.

§ 15.	СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Все машины и сооружения должны быть сконструированы
так, чтобы любая их деталь без поломки или значительного
изменения формы и размеров могла выдерживать действую-
щие на нее силы.	*	'	«

Конструктивные элементы сооружений и машин могут быть
различными по форме и размерам в зависимости от назначе-
ния. В том случае, когда элемент конструкции или деталь ма-
шины имеет длину, значительно превышающую ее поперечные
размеры, такой элемент принято называть стержнем или бру-
сом. Прочность таких конструктивных элементов, как балки,
оси, валы, тросы, болты и т. д., можно рассматривать как
прочность стержней. Наука, занимающаяся изучением прочно-
сти деталей машин, механизмов и сооружений, имеющих глав-
ным образом форму стержней, носит название сопротивления
материалов.

Основоположником теории сопротивления*материалов явля-
ется великий итальянский ученый Галилео Галилей. В книге
«Беседы и математические доказательства, касающиеся двух
новых отраслей науки», (1638 г.) Галилей пытается ре-
шить задачу о прочности балок в зависимости от их разме-
ров и нагрузки. Галилей заметил, что балки, которые одним
концом заделываются в стену, так называемые консольные
балки, обычно при больших нагрузках ломаются в месте вы-
хода из стены. Какова должна быть форма поперечного
сечения балки, чтобы она выдерживала возможно большую на-
грузку? Если поперечное сечение балки имеет форму вытяну-
того прямоугольника, то что выгоднее: положить ли его плат-’
мя или поставить на ребро? Вот вопросы, вставшие перед Га-
лилеем и имевшие большое практическое значение для строи-
телей и конструкторов машин. Ход рассуждений Галилея при
решении этой задачи можно проследить на опыте. Возьмем
модель балки в виде бруска, у которого толщина значительно
меньше ширины. Расположив такой брусок плашмя, привяжем
его нитью к вертикальной стойке так, чтобы брусок был рас-
положен горизонтально. Выступающую часть бруска будем
нагружать до тех пор, пока нить не оборвется, и запомним,
какая для этого потребовалась нагрузка (рис. 38).

Повторим опыт, привязав к стойке ту же модель балки, но
повернув ее на ребро. Снова будем нагружать выступающую
часть бруска до обрыва нити. В этом случае нагрузка, кото-
рую выдержала нить, окажется больше (рис. 39). Галилей

РИС. 33.	РИС. 39.
сравнивает балку, заделанную одним концом в стену, с ко-
ленчатым рычагом. В первом опыте к стойке было прикреп-
лено короткое, плечо коленчатого рычага. Длинное же плечо,
составляющее прямой угол с коротким, вытянуто в перпенди-
кулярном направлении к плоскости стойки. Груз, действую-
щий на свободный конец рычага, растягивает пить. Он дейст-
вует на нее с силой во столько раз большей, во сколько длин-
ное плечо больше короткого (рис. 40). Во втором опыте соот-
ношение плеч рычага уменьшилось, поэтому уменьшилась и
нагрузка на нить. Для того чтобы разорвать нить, пришлось
к длинному концу рычага приложить большую силу (рис. 41).

Применив математический расчет, Галилей доказал, что со-
противление бруса пропорционально произведению квадрата
высоты поперечного сечения на его ширину. Вот почему бал-
ки прямоугольного сечения в мостах и перекрытиях зданий
кладутся не плашмя, а на ребро.

Значительный вклад в учение о твердости тел был сделан
М. В. Ломоносовым. Важные теоретические исследования
прочности балок и стоек были выполнены профессором Петер-
бургской Академии наук Леонардом Эйлером. Большое влия-
ние на развитие в России науки о прочности оказала деятель-
ность замечательного ученого-самоучки И. П. Кулибина. Но
только в XIX в. французский инженер и ученый Навье напи-
сал первую книгу, в которой были обобщены решения частных
задач и изложена теория сопротивления материалов.

Наука о сопротивлении, материалов занимается изучением
деформаций тел при воздействии на них внешних сил. Де-
формации твердых тел происходят за счет изменения располо-
жения атомов, их сближения или удаления, изменения кри-
сталлической решетки. Деформации тел под воздействием
внешних сил возникают всегда. Но не всегда мы их замечаем.
Но с помощью приборов эти невидимые деформации могут
быть обнаружены.

Поместим на две опоры доску. Па нее поставим штативы,
в одном из которых горизонтально закреплен стержень. Сво-
бодный конец стержня упирается в индикатор малых переме-
щений. Если теперь на -доску поставить гирю, то видимых
изменений формы доски не произойдет, однако индикатор от-

ри с. 40.

РИС. 41.
1’11 С. 42.

мстит сближение (нак-
лон) штативов. Значит,
доска под действием гири
прогнулась (рис. 42).

Если после прекращу-
ния действии силы тело
может полностью восста-
новим. оипЬ форму и раз-
меры, такая деформация
называется упруго^. Если
тело после прекращения
действии инешисй силы
не носе । П111111.'111наег свою
форму о ри 1мгры, то де-
формации и чюм случае
называется п.»пн । ичоской
ИЛИ ОСТИ 1’0’1 ной

Зажмем и тисках полоску латуни. Если слегка изогнуть
полоску, а потом отпустить, то она принимает первоначаль-
ную форму. Если же ту же самую полоску согнуть сильнее, то
первоначальная форма уже не восстанавливается.

В технике используются и пластические, и упругие дефор-
мации. При изготовлении детали к куску материала прила-
гают такие внешние силы, чтобы они превосходили предел
упругости материала. Но когда деталь изготовлена, силы,
действующие па нее в машине или сооружении, не‘должны
превосходить тех сил, которые вызывают лишь упругую де-
формацию детали.

Изменение в расположении атомов при деформации тела
под действием внешних сил сопровождается изменением сил
взаимодействия между атомами — возникновением в телах
внутренних (упругих) сил. Внутренние силы увеличиваются с
ростом деформации, которая возрастает до тех пор, пока внут-
ренние и внешние силы не уравновесятся. Если внешние силы
столь велики, что не могут быть уравновешены внутренними
силами, взаимная связь между частями тела нарушается и
происходит его разрушение.

Будем растягивать проволоку. Увеличение внешних сил
вызовет увеличение деформации, которая в пределах упруго-
сти пропорциональна деформирующей силе.

Между слоями атомов, расположенными перпендикулярно
длине проволоки, внутренние силы взаимодействия будут ра-
сти. Если площадь слоя атомов будет больше (толстая про-
волока), то и силу придется приложить большую, чтобы уве-
личить расстояние между слоями атомов (рис. 43).

Внутренние силы взаимодействия между слоями атомов,
приходящиеся на единицу площади слоя, называют напряже-
нием. Так как напряжение представляет собой силу, распре-

5 С. А. Хорошаяин

65
РИС. 43.

создаются

деленную по некоторой площади, то она измеряет-
ся в единицах силы, отнесенных к единице площа-
д

ди, и вычисляется по формуле: о= — (Н/м2).

Напряжение, при котором деталь разрушается,
называется пределом прочности материала. Для
разных материалов предел прочности различен. Но
предел прочности зависит не только от материала,
из* которого изготовлена деталь.

На практике разрушение происходит и тогда,
когда приложенное к детали напряжение во много
десятков раз меньше, чем предельная прочность
материала, из которого изготовлена деталь. Объ-
ясняется это тем, что в материале неизбежно су-
ществуют внутренние напряжения, возникающие в
процессе изготовления детали. Так, в процессе вы-
плавки стали в отливках возникают внутренние
напряжения, вызванные неравномерной кристалли-
зацией металла и усадкой металла при остывании.
Внутри отливки могут образовываться раковины,
включения шлаков. Вокруг этих неоднородностей
местные напряжения, которые в значительной степени

снижают прочность деталей, изготовленных из такого металла.

В процессе изготовления детали значительные напряжения
в поверхностных слоях появляются при механической обра-
ботке. Разрушение металла при снятии стружки сопровож-
дается появлением в соседних слоях остаточных напряжений.
Чем грубее обработка, т. е. чем больше толщина снимаемого
слоя и усилия резания, тем выше остаточные напряжения. Так,
при грубом точении стали возникают остаточные напряжения
до 1000 Н/мм2. К механическим напряжениям присоединяются
термические напряжения вследствие выделения'тепла при ме-
ханической обработке детали.

Прочность детали существенно зависит от ее формы. Рез-
кие изменения сечений, отверстия в детали, резьба, кольцевые
выточки, шлицы — все это, даже клеймо па детали, снижает

ее прочность.

Как влияют

РИС. 44.

изменения в сечениях на прочность, можно
проследить на опыте. Возьмем три по-
лоски бумаги разной формы, но с оди-
наковыми наименьшими сечениями
(рис. 44). Наименьшую нагрузку на
разрыв выдерживает та полоска, кото-
рая имеет резкие изменения в сече-
нии (рис. 45). Большую нагрузку вы-
держивает полоска бумаги, у которой
изменения сечения сделаны плавными.
И наибольшую нагрузку выдерживает
полоска, имеющая постоянное сечение по всей
длине, Поэтому в технике стремятся к тому,
чтобы не допустить значительного снижения
прочности детали из-за. появления внутренних
концентраций напряжения. Детали по воз-
можности проектируют без острых углов и
резких изменений поперечного сечения. Поли-
рованная поверхность детали снижает веро-
ятпость появления опасных концентраций на-
пряжения около царапин.

По даже правильно спроектированная и
аккуратно изготовленная деталь со временем
можс! сломаться. Происходит это потому, что,
как мы уже говорили, деталь всегда испыты-
вает деформации при работе машины. Внутри
детали появляются микротрсчцнны, около ко-
|ирык кпнпенгрлиня нлприжения быстро рас-

н । Копнен।рлцпя напряжений увеличивает размеры трещин,
сечение деталей уменьшается, и опа ломается. Возьмите сталь-
ную проволоку и согните ее в одном и том же месте много раз.
Проволока сломается.

Ворьба за четкую, бесперебойную работу всех технических
устройств начинается с исследования способности различных
материалов противостоять нагрузкам. Начало опытного изуче-
ния сопротивления материалов разрушению при действии на-
|рузок относится еще к XVII в. и связано с именами Галилея,
I ука, Мариотта и других выдающихся физиков. Однако это
изучение было подчинено запросам техники только в начале
XIX в. в связи с развитием промышленного машиностроения, •
строительством инженерных сооружений и железных дорог,
когда изучение сопротивления материалов перешло от физи-
ков к инженерам. Одной из первых стран, в которой изучение
механических свойств конструкционных материалов было по-
( , пилено очень широко, была Россия. Для испытания цепей
< < роннппг см и Петербурге больших висячих мостов, первых
нл » пропойском континенте, русскими инженерами была
<проек।проняла и построена специальная «цепепробная» машм-
Н.1. Подобных машин тогда нс было ин в Европе, ни в Аме-
рике. На этой машине профессор Петербургского института
инженеров путей сообщения М. С. Волков провел ряд выдаю-
щихся исследований свойств стали. Инженер Д. И. Журавский
на машинах собственной конструкции исследовал сопротивле-
ние древесины. П. И. Собко организовал одну из первых в ми-
ре механическую лабораторию для испытания материалов. При-
боры для испытания твердости материалов создавались
Д. И. Менделеевым, П. В. Кубасовым,

И в паши дни конструируются приборы и машины для
испытания материалов на способность сопротивляться воздей-
ствию внешних сил. Совершенствуются способы исследования
напряжений, возникающих в деталях под нагрузкой.

Но самый верный, хотя и дорогой метод— это проверка
созданных приборов и машин в целом. Опытные партии при-
боров и машин подвергают всесторонним испытаниям. Прибо-
ры и машины заставляют работать на внбростендах, в спе-
циальных камерах для них создается немыслимая жара и
арктический холод, влажность тропических джунглей и су-
хость пустынь. Отряд опытной партии автомобилей отправля-
ется в тысячекилометровые пробеги, а в это время другие
автомобили из опытной партии проходят испытания на спе-
циальных автодромах. Крылья самолета нагружают мешками
с песком до тех пор, пока они не сломаются. Летчики-аспы-
татели на предельных режимах полета выясняют, на что его*
собен новый самолет. А когда прибор или машина не выдер-
живает нагрузок и ломается, тогда инженеры-испытатели
определяют, какая деталь первой вышла из строя и что мож-
но сделать, чтобы повысить надежность конструкции.

8.	Задание на конструирование и изготовление прибора
для измерения прочности нити и проволоки

! Сконструируйте прибор для измерения прочности нитей
и проволоки.

Требования к прибору:

а)	прибор должен позволять измерять предельные на-
грузки на разрыв при испытании на прочность нитей из различ-
ных материалов и медной проволоки;

б)	предел прочности испытуемого материала должен фик-
сироваться показаниями стрелочного прибора или графически;

в)	прибор должен позволять плавно изменять нагрузку на
испытуемый образец от 0 до 100 Н;	•

г)	крепление испытуемых образцов должно быть простым
и надежным;

д)	конструкция прибора должна быть доступной для изго-
товления в условиях школьной мастерской и не требовать
применения дефицитных материалов.

2.	Выполните эскизный проект прибора.

3.	Обсудите проект с учителем.

4.	В школьной мастерской изготовьте прибор.

5.	Проверьте прибор в работе.

6.	Составьте краткое описание прибора.

Лабораторная работа № 11

Исследование прочности нитей

Оборудование’. 1) самодельный прибор для измерения прочности
нити, 2) масштабная линейка, 3) микрометр, 4) образцы нитей для испыта-
ний (хлопчатобумажные швейные нитки различных номеров, тонкая медная
проволока, рыболовная жилка).
Исполь <уи самодельный прибор для измерения прочности
нити, найдите ответы на такие вопросы:

1.	Зависит ли прочность швейной нити от ее длины?

2.	Изменится ли прочность нити, если ее смочить?

3.	Изменится ли прочность нити, если ее навощить (нате-
реть воском)?

4.	Чему равен предел прочности швейных ниток разных
номеров?

• 5. Чему равно сопротивление на разрыв тонкой медной
проволоки?

6	. Измерив диаметр медной проволоки вблизи места раз-
рыва, вычислите предел прочности меди.

7	Сравни и* сечение проволоки до проведения испытания
и после испытания в месте разрыва,

8	. Изменяется ли прочность проволоки от быстроты изме-
нения нагрузки?

9	Измерьте прочность рыболовной жилки.

| 16. МАТЕРИАЛЫ ТЕХНИКИ

Проблемы конструирования технических устройств нераз-
рывно связаны с проблемами используемых материалов. Ра-
ботоспособность, надежность, безопасность машин и механиз-
мов. степень сложности их изготовления в значительной мере
зависят от правильного подбора материала для изготовления
отдельных деталей.

Все материалы, используемые в технике, подразделяют на
металлы и неметаллические материалы. Наиболее часто в
промышленности используются металлы. Количество выплав-
ляемого металла является одним из главных показателей эко-
номического развития страны, потому что, чем больше метал-
ла, тем больше машин, механизмов, приборов, сооружений
можно построить из этого материала.

В технике все металлические материалы подразделяют на
простые металлы и сплавы. Из простых металлов в технике
применяют только медь и алюминий. Металлы и сплавы в
свою очередь, разделяют на черные и цветные. К черным ме-
таллам относятся железо и его сплавы. Все остальные метал-
лы и их сплавы относятся к цветным металлам.

Черные металлы. Сталь является наиболее употребитель-
ным материалом современной техники. Она представляет собой
сплав железа с другими химическими элементами. В чистом
виде железо непригодно для техники, так как является очень
мягким металлом. В природе чистое железо не встречается.
Добываемая железная руда — это химическое соединение же-
леза с кислородом. Для восстановления металла из окиси
железную руду переплавляют в домнах. Железо освобожда-
ется от кислорода, но насыщается углеродом. Углерод придает
железу твердость. Обычно железо, выплавляемое в домнах,
содержит более 2,5% углерода. Такой сплав железа с углеро-
дом называют чугуном. Чугун имеет хорошие литейные качест-
ва, легко обрабатывается. Но в так называемом сером чу-
гуне углерода очень много. Не весь углерод вступает в хими-
ческое соединение с железом. Избыток углерода в виде пла-
стинок графита разделяет зерна металла. Поэтому серый чу-
гун— хрупкий металл. Из него изготавливают детали, кото-
рые не испытывают больших нагрузок. Серый чугун имеет низ-
кую температуру плавления и в расплавленном состоянии хо-
рошо заполняет литейную форму. Поэтому из чугуна отливают
детали такой формы, которую трудно или даже невозможно
получить при помощи ручной или механической обработки.

Путем специальной обработки и переплавки серого чугу-
на с добавкой марганца, магния, кремния, никеля получают вы-
сокопрочный чугун. Высокопрочный чугун используется для
изготовления даже таких ответственных деталей, как зубча-
тые колеса и коленчатые валы. Если переплавкой чугуна сни-
зить процентное содержание углерода в сплаве с железом до
десятых долей процента, то такой сплав называют сталью.
Чем меньше углерода в сплаве, тем мягче металл. Сталь угле-
родистую конструкционную обозначают буквами Ст и цифрой
от 0 до 7, обозначающей примерное содержание углерода в
десятых долях процента. Например, сталь Ст1 содержит при-
мерно 0,1% углерода. Чем выше номер стали, тем она тверже
и прочнее. Стали с малым содержанием углерода легче гнуть
в холодном состоянии. Из сталей Ст4 и Ст5 изготавливают
болты, оси, рычаги, зубчатые колеса, шпонки, ключи и другие
детали; из сталей Ст4 и Ст7 — рессоры, валы и г. п.

Качественные конструкционные стали более однородны по
составу. Они содержат меньше таких вредных примесей, как
сера, фосфор, мышьяк. По ГОСТу они обозначается как сталь
0,8; 10; 20 и т. д. до 85', где число показывает содержание
углерода в сотых долях процента.

Из качественной углеродистой конструкционной стали изго-
тавливают мосты, перекрытия зданий, крепежные детали (бол-
ты, гайки, шайбы, гвозди и т. п.).

Инструментальная углеродистая сталь обозначается бук-
вой У и цифрой или числом, показывающим содержание угле-
рода в десятых долях процента. Из инструментальных углеро-
дистых сталей изготавливают различные инструменты.

Но главным недостатком всех углеродистых сталей являет-
ся отсутствие у них хорошего сочетания механических свойств.
Например, сталь с большим процентным содержанием углеро-
да прочнее и тверже, но зато она имеет меньшую пластичность
и вязкость. Резцы и сверла из углеродистой стали быстро те-
ряют свои режущие качества при повышении температуры.
Чтобы придать стали нужные свойства, в нее при выплавке
вводят различные химические элементы. Такую сталь назы-
вают легированной. Прочность, вязкость и сопротивляемость
износу придает стали добавление марганца, твердость и упру-
гость — добавление кремния, жаростойкость — добавление
вольфрама.

Добавление солей фосфорных кислот дает возможность по-
лучить нержавеющую сталь. Применение легированных ста-
лей позволяет значительно снизить массу машин, увеличить их
надежность и долговечность.

Механические свойства сталей могут быть изменены и у го-
товых деталей. Так» закалка придает стальной детали проч-
ность и твердость. Но закаленные детали становятся хрупки-
ми. Чтобы сочетать в одной детали такие свойства, как твер-
дость и вязкость, деталь изготавливают из малоуглеродистой
стали (вязкий материал), а затем поверхностный слой метал-
ла насыщают путем цементации углеродом. После закалки по-
верхность такой детали становится твердой, а внутренняя
часть сохраняет вязкость.

Различные способы механической обработки (обкатка ро-
ликами, обдувка стальной дробью) способствуют упрочнению
поверхностного слоя детали.

Цветные металлы. Кроме меди и алюминия, в технике ши?
роко применяются магний, свинец, олово и цинк. Но эти ме-
таллы стоят дорого, и поэтому конструкторы стремятся заме-
нять их черными металлами и неметаллическими материала-
ми там, где это возможно.

Когда же замена цветных металлов неметаллическими ма-
териалами невозможна, то цветные металлы применяются в ви-
де сплавов. Так, если к алюминию добавить в общей сложно-
сти 6—8% меди, магния, марганца, то получится твердый и
прочный сплав дюралюминий. Сплав алюминия с кремнием
называют силумином. Силумин имеет малую плотность и хо-
рошие литейные свойства. Поэтому из силумина отливают де-
тали сложной формы.

Чистая медь — очень мягкий металл, и поэтому из нее не
изготавливают детали, испытывающие механические нагрузки
в машинах. Но сплав меди с цинком — латунь — по сравнению
с чистой медью прочнее, пластичнее и тверже, обладает луч-
шими литейными свойствами и лучше сопротивляется корро-
зии. Повышенные механические качества придают латуни до- •
бавки железа, марганца, никеля, олова, кремния и других эле-
ментов. Такую латунь называют специальной.

Сплав меди с оловом называют бронзой. Оловянистые
бронзы обладают повышенными антифрикционными свойства-
ми и жидкотекучестью. Поэтому из оловянистой бронзы изго-
тавливают подшипники скольжения и художественные отлив-
ки. Замена в сплаве дорогого олова более дешевыми свинцом,
цинком, никелем и фосфором позволяет получить бронзу с те-
ми же качествами, что и оловяннстая бронза, но более де-
шевую-.	-кА',

Заменителем оловянистой бронзы являются и сплавы меди
с алюминием, кремнием и марганцем. Такая бронза имеет
худшие литейные качества, но лучшие механические свойства,
чем оловяннстая бронза.

В последнее время в связи с ростом скоростей реактивной
авиации все большее применение начинает получать титан.
При больших скоростях полета реактивных самолетов от тре-
ния о воздух обшивка самолетов сильно нагревается. С по-
вышением температуры механические свойства алюминиевых
сплавов быстро ухудшаются. Титановые сплавы выдерживают
в 3—4 раза более высокие рабочие температуры. Поэтому
крылья и фюзеляж скоростных самолетов теперь делают из
титановых сплавов.

Неметаллические материалы. Из неметаллических материа-
лов в технике применяют древесину, пластические массы, ре-
зину, асбест, масла, краски и некоторые другие. Но наиболее
широкое применение имеют пластические массы. Свое назва-
ние они получили потому, что обладают способностью легко
принимать любую форму и сохранять эту форму после про-
цесса обработки. Главной составной частью пластмассы явля-
ется Органическая смола (природная или искусственная).
В некоторых пластмассах смола является лишь связующим
веществом, а наполнителями служат древесная мука, стеклян-
ное или хлопчатобумажное волокно, бумага, асбест и др. На-
полнители придают изделиям из пластмассы прочность, твер-
дость и другие специальные свойства. Замела одних наполни-
телей другими позволяет в широких пределах менять механи-
ческие свойства пластмасс.

Пластмасса, содержащая ткань, называется текстолитом.
Если ткань изготовлена из стекловолокна, то такую пласт-
массу называют стеклотекстолитом, Пластмасса, в которой в
качестве наполнителя используется бумага, называется гети-
наксом. В то же время есть пластмассы, состоящие только
из смолы и небольшого количества красителей. К таким пла-
стмассам относятся органическое стекло, полистирол, поли-
этилен И др. '	'

Все пластмассы можно подразделить на две группы: тер-
мопластические (термопласты) и реактивные. Термопласты
при нагревании могут вновь перейти в пластическое состояние.
При охлаждении термопласты восстанавливают свои механи-
ческие свойства.

Термореактивные пластмассы обладают пластичностью
только в процессе их производства. Изготовленную из термо-
реактивной пластмассы деталь вновь размягчить нагревани-
ем нельзя.
• Из плЭ^масс и настоящее время изготавливают сотни ты-
сяч технических изделий — от маленьких деталей до кузовов
автомобилей и корпусов катеров и яхт. Объясняется это тем;
что этому материалу можно придать почти любые заранее за-
данные механические свойства, а главное, простотой изготов-
ления деталей. Плотность большинства пластмасс в 5 р.зз
меньше, чем плотность стали. Химическая стойкость некото-
рых пластмасс не уступает золоту и платине. Только в твер-
дости, электро- и теплопроводности пластмассы уступают ме-
таллам.

§ 17. ПРОЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ

Надежность и работоспособность технического устройства
в целом зависит не только от прочности отдельных узлов и
деталей. Повышенные деформации деталей и их соединений
могут нарушить нормальную работу устройства задолго до
того, как в деталях появятся опасные для прочности напряже-
ния. Например, при обработке деталей в станине металлоре-
жущего станка возникают напряжения, которые вызывают де-
формацию станины. Эта деформация может быть не опасной
для прочности станины, но взаимное расположение рабочих
органов станка и других механизмов из-за этого изменится.
Как следствие этого изменится точность размеров обрабаты-
ваемой детали. Понятно, что такой станок, если даже он не
ломается и может служить долго, к работе непригоден.

Нежесткий корпус расстраивает взаимодействие располо-
женных в нем механизмов, вызывая повышенное трение и
преждевременный износ подвижных деталей. Трудно усидеть
на стуле, ножки которого качаются. Во всех этих случаях го-
ворят, что конструкция не обладает необходимой жесткостью.
Жесткость — это способность конструкции сопротивляться дей-
ствию внешних и внутренних нагрузок с наименьшими де-
формациями.

Наиболее простой способ уменьшения деформаций заклю-
чается в уменьшении напряжений, действующих на каждую
деталь. Однако этот путь нерационален, так как он приводит к
увеличению массы конструкции.

Сравнительные качества машин и конструкций одинаково-
го назначения оценивают показателем удельной массы, пред-
ставляющим собой частное от деления массы машины на ее
основной параметр, Так, для транспортных машин удельная
масса будет равна частному от деления собственной массы
машины на массу перевозимого ею груза.

Для машин-генераторов энергии удельная масса равна ча-
стному от деления массы генератора на его мощность. Для
моста удельную массу можно вычислить как чаетное от деле-
ния массы моста на ту наибольшую нагрузку, которую без
опасных деформаций может выдержать мост.
Например, для транспортных машин удельные массы рав-
ны: для водного транспорта — 20—30, железнодорожного—*
10—20, автотранспорта — 3—5 и для воздушного транспор-
та —1,2—2,5.

Эти цифры говорят о том, что удельная масса машин пока
остается сравнительно большой. Снизить удельную массу л
одновременно повысить жесткость конструкций можно раци-
ональным распределением сил, действующих на отдельные де-
тали и на конструкцию в целом, использованием материалов
повышенной прочности.

Соберем из деталей конструктора модель рамки (рис. 46).
Если приложить даже небольшую силу к одному из углов
рамки, рамка деформируется, хотя каждая из деталей в от-
дельности видимых деформаций не испытает. Если усилить
углы рамки «косынками*, то жесткость конструкции сущест-
венно возрастет (рис. 47). Для того чтобы разобраться, как
связана жесткость конструкции с действующими на нее сила-
ми, рассмотрим простой случай с изгибом балки.

Деформация изгиба любого стержня вызывается взаимно
уравновешивающими парами сил или силами, перпендику-
лярными к оси стержня, действующими в плоскости оси стер-
жня. Ось стержня при таком действии сил искривляется, стер-
жень изгибается. Стержни, работающие на изгиб, называют
балками. Многие детали конструкций работают как балки.
Плотина, на которую давит вода, ось колесной пары, рельс
железной дороги, крыло самолета, пролет моста, садовая ска-
мейка, доска спортивного трамплина, ручка или карандаш,
которыми мы пишем, — эти и многие другие детали и конст-
рукции можно рассматривать как балки.

РИС. 46.	РИС. 47.
Внешние силы, действующие на балку, можно подразде-
лить на активные и пассивные. Активные силы —это та на-
грузка, воспринимать которую должна балка в силу своего
предназначения. Пассивные силы —реакция опор, равные, но
противоположно направленные силам давления балки на
опоры.

Поместим на опоры концы полоски плотной бумаги. Уже
под действием силы тяжести полоска бумаги (балка) прог-
нется. Пусть эта балка должна испытывать нагрузку со сто-
роны другой, более короткой полоски бумаги. Если полоску
бумаги наложим на нашу балку, то балка прогнется сильнее
(рис. 48). Но она прогнется еще сильнее, если ту же полоску
бумаги сомпуть в комок и положить на середину балки.
В обоих случаях балка испытала одинаковую нагрузку. Но в
первом случае эта нагрузка была равномерно распределена
по длине балки. Такую нагрузку называют распределенной.
Во втором случае нагрузка была сосредоточена в середине
балки. Такую нагрузку называют сосредоточенной.

Распределение нагрузки измеряется в единицах силы, от-
несенных к единице длины балки.

Балка, нагруженная распределенной нагрузкой, обладает
в 1,5 раза большей жесткостью, чем та же балка, нагружен-
ная сосредоточенной нагрузкой.

Еще большее влияние на жесткость имеют тип и располо-
жение опор. Например, если прижать свободные концы бу-
мажной полоски, лежащие на опорах, то жесткость балки воз-
растет в 4—8 раз (рис. 49). А жесткость консольной балки с
сосредоточенной нагрузкой составляет только 0,063 жесткос-
ти двухопорной балки той же длины, нагруженной посредине
пролета.

Небольшая жесткость, а в конечном счете и прочность ба-
лок, работающих на изгиб, объясняется тем, что в случае из-
гиба нагружены преимущественно крайние волокна сечения.
Предел нагрузки наступает, когда напряжения в них дости-
гают опасных значений, тогда как сердцевина остается нена-
груженной. При растяжении-сжатии напряжения одинаковы
по всему сечению; материал используется полностью. Предел
нагрузки наступает, когда напряжения во всех точках сече-
ния теоретически одновременно достигают опасного значения.
Кроме того, при растяжении-сжатии деформации детали’про-
порциональны первой степени ее длины. В случае же изгиба
деформации пропорциональны третьей степени длины. Вот

РИС. 48.

РИС. 49.
ГНС. 50.

РИС. 51.

почему конструкторы стремятся, где только возможно, так из-
менить конфигурацию детали, чтобы деформацию изгиба за-
менить деформациями растяжения-сжатия.

Сравним жесткости двух конструкций: консольной балки
и фермы с одинаковыми вылетами. В качестве консольной
балки возьмем металлическую полоску из набора «Конструк-
тор» (рис. 50). Ферму соберем из таких же полосок (рис. 51).
Будем нагружать и консольную балку, и ферму, следя при
этом за появлением опасных деформаций. Учтем, что сечения
консольной балки и стержней фермы одинаковы. Опыт по-
казывает, что опасная для консольной балки деформация по-
является при нагрузке ЗН. В то же время нагрузка 50 Н не
вызывает заметных для глаза деформаций в конструкции
фермы. Происходит это потому, что сила, действующая на ко-
нец консольной балки, вызывает чистый изгиб балки. А сила,
действующая на ферму, раскладывается на две взаимно пер-
пендикулярные силы (рис. 52). Одна из них Га вызывает рас-
тяжение верхней балки фермы, а вторая—/^—сжатие ниж-
ней. Если бы консольная балка и ферма были собраны из
одинаковых стержней 020 мм, то максимальное напряжение
изгиба в балке было бы в 550 раз больше напряжений в стер-
жнях фермы, а максимальная деформация в точке приложе-
ния силы больше в 9000 раз.

Особенно наглядно стремление конструкторов к замене из-
гиба растяжением-сжатием видно в конструкциях мостов.
Казалось бы, случайные переплетения балок в фермах моста
на самом деле подчинены точному расчету. Расчет конструк-
ции мостов усложняется тем, что заранее нельзя указать ха-
рактер нагрузки (сосредоточенные или распределенные) и
точки приложения нагрузки вдоль моста..
РИС. 52.

РИС. БЗ.

Теперь должно быть попятно, почему введение косывок
повысило жесткость рамки. В углах рамка испытывает де-
формацию изгиба. Косынки заменяют изгиб растяжением-сжа-
тием.

Если из деталей «Конструктора», используя только план-
ки, собрать модель моста (рис. 53) и провести его испытание
все возрастающими нагрузками, то можно заметить, что мо-
дель может выдержать нагрузку до 70 Н. При дальнейшем
увеличении нагрузки одна из наклонных балок модели начи-
нает изгибаться. Можно ли предотвратить этот изгиб, ограни-
чивающий жесткость модели? Это можно сделать, если изме-
нить форму сечения балок.

Как влияет форма сечения балки на жесткость, можно
проследить на простых опытах. Вырежем из плотной бумаги
длинную полоску и для начала положим ее концами на опо-
ры, как это было уже в одном из предыдущих опытов. Под
действием силы тяжести полоска прогнется. Но если ту же
самую полоску согнуть под углом вдоль осевой линии, то та-
кая балка уголкового сечения не только не прогнется замет-
ным образом под действием силы тяжести, но и может вы-
держать некоторую нагрузку (рис. 54). Если ту же полоску

РИС. $5.

РИС. и.
I

бумаги свернуть вдоль осевой линии в трубку, то балка та-
кого трубчатого сечения может выдержать еще большую на-
грузку (рис. 55).

При изгибе напряжены части сечения, наиболее удаленные
от нейтральной оси. Следовательно, целесообразно всемерно
развивать наружные размеры, сосредоточивая материал на пе-
риферии и удаляя его из центра.

Наибольшей жесткостью и прочностью при наименьшей
массе обладают полые тонкостенные детали типа коробок,
труб и оболочек. Если сравнивать балки прямоугольного се-
чения с балкой той же массы двутаврового профиля, то дву-
тавровая балка имеет прочность в 9—12 раз, а жесткость в
40—70 раз большую, чем балка прямоугольного профиля.
Поэтому, если в модели моста заменить полоски металла дру-
гого (например, уголкового) профиля, жесткость и прочность
конструкции возрастет в несколько раз при сравнительно не-
большом увеличении массы.

9.	Задание на конструирование и изготовление модели моста

1.	Сконструировать модель моста.

Требования к модели:

а)	модель должна перекрывать пролет между опорами не
менее 20 см и при минимальной удельной массе выдерживать
максимальную нагрузку, сосредоточенную в центре пролета;

б)	конструкция модели должна быть рассчитана на ис-
пользование материалов, имеющихся в школьной мастерской.

2.	Выполните эскизный проект модели.

3.	Обсудите проект с учителем.

4.	В школьной мастерской изготовьте модель.

5.	Испытайте модель на максимальную нагрузку.

6.	Измерьте массу модели моста. •

7.	Вычислите удельную массу модели моста.

Глава 5 ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ВЕЛИЧИН

§ 1$ ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ ТОКА

С того самого дня, как был изобретен первый источник по-
стоянного тока, возникла необходимость измерять силу тока.
Электрический ток, как мы знаем, может оказывать магнит-
ное, тепловое, химическое действие, и любое из них может
быть использовано для измерения силы тока по интенсивнос-
ти оказываемого действия. Понятие силы тока было введено
в физику немецким ученым Георгом* Симоном Омом. Заняв-
шись исследованием постоянного тока, Ом измерял силу тока,
пользуясь уже известным к тому времени явлением действия
я

РИС. 56.

РИС. 57.

электрического тока ла магнитную стрелку. Магнитная стрелка
в опытах Ома подвешивалась на упругой нити над проводником,
по которому протекал электрический ток (рис. 56). Сила тока
измерялась углом закручивания нити. Но вокруг одиночного
проводника с током возникает сравнительно слабое магнитное
поле. Для измерения слабых токов прибор Ома не был пригоден.
Поэтому в скором времени был изобретен другой прибор — тан-
генсгальванометр, который представлял собой круглую рамку,
обмотанную несколькими витками провода. В центре рамки на
оси помещалась магнитная стрелка (рис. 57). Положение
стрелки отсчитывалось по горизонтальному кругу с деления-
ми. Когда по рамке протекал электрический ток, то на стрел-
ку, кроме магнитного поля Земли, начинало действовать маг-
нитное поле тока, стрелка отклонялась на некоторый угол от
плоскости магнитного меридиана. Угол поворота магнитной
стрелки прямо пропорционален силе тока в рамке.

Для измерений силы тока можно пользоваться и химиче-
ским действием тока. Например, протекая через водный раст-
вор азотнокислого серебра, электрический ток выделяет на
катоде серебро. По количеству выделившегося серебра за еди-
ницу времени можно судить о силе тока. Ток в 1 А за 1 с вы-
деляет на катоде 0,001118 г серебра. Этот способ позволяет
измерять силу тока с большой точностью, но требует больших
затрат времени на производство измерений.

В технике используются приборы, основанные на магнит-
ном действии тока. В зависимости от характера взаимодейст-
вия магнитных полей и конструктивных особенностей электро-
измерительные приборы подразделяют на несколько систем.

Магнитоэлектрические приборы. Магнитоэлектрический из-
мерительный механизм основан на взаимодействии поля пос-
тоянного магнита и проводника, по которому протекает ток.
Конструктивно приборы магнитоэлектрической системы вы-
полняются по-разному. Наибольшее распространение полу-
чили приборы с подвижными рамками. Подвижную рамку по-
мещают между полюсами магнита (рис. 58). Рамку обычно
изготавливают прямоугольной формы на каркасе из алюми-
ния. На каркас наматывают тонкий медный или алюминиевый
провод. Измеряемый ток подводится к рамке через спираль-
ные пружины или через подвески и растяжки.

Ток, протекающий по рамке, вызывает появление магнит-
ного поля. Взаимодействие магнитного поля тока с магнит-
ным полем постоянного магнита создает крутящий момент,
который поворачивает рамку на некоторый угол, пропорцио-
нальный силе тока, протекающего через рамку. Стрелка, ук-
репленная на рамке, указывает на шкале прибора значение
силы тока. Сила, поворачивающая рамку, пропорциональна
магнитной индукции в зазоре между полюсами магнита, дли-
не рамки, числу витков и силе тока, протекающего по рамке.
В современных приборах для увеличения чувствительности
усиливают индукцию магнитного поля путем применения по-
стоянных магнитов из сплавов никеля, алюминия, кобальта и
магния. Для того чтобы поле в магнитном зазоре было одно-
родным, применяют полюс-
рис. 59.	ные наконечники и ци-

линдрические сердечники, по-
мещаемые внутри рамки
(рис. 59).

Чем длиннее стрелка, тем
больше дуговое перемещение
ее конца по шкале при том
же угле отклонения. Это по-
зволяет точнее считывать по-*
казания прибора. Но длин-
ная стрелка утяжеляет рам-
ку, увеличивает размеры прибора. Поэтому в некоторых слу-
чаях применяют световую шкалу. На рамке укрепляется не-
большое зеркало. Луч света из осветителя направляется на
зеркало и, отразившись, в виде светового зайчика падает на
шкалу с делениями. В этом случае длина светового луча -мо-
жет достигать нескольких метров, что равноценно оснащению
рамки жесткой стрелкой такой же длины. Такие приборы на-
зывают зеркальными (рис. 60).

Шкала может быть односторонней, когда нулевая отметка
находится в начале или конце шкалы» и двусторонней, когда
нулевая отметка находится в середине шкалы.

Если прибором магнитоэлектрической системы необходи-
мо измерять изменяющийся по значению и направлению ток,
то рамка прибора в силу своей инерционности может не уо
певать поворачиваться вслед за изменениями тока. В этом
случае уменьшают массу рамки вплоть до того, что оставля-
ют в магнитном зазоре лишь два тонких проводника, по. ко-
торым ток протекает в противоположных направлениях.. К про-
водникам прикрепляется легкое зеркало. Такие приборы на-
зывают шлейфовыми (рис. 61). Существуют приборы маг-
нитоэлектрической системы с подвижным магнитом, который
укрепляется на оси внутри катушки с измеряемым током
(рис. 62). Магнитное поле катушки с током вызывает поворот
магнита. Приборы с подвижным магнитом используются, как
правило, в малочувствительных индикаторах тока, устанавли-
ваемых на автомобилях, тракторах, в самолетах и других
транспортных средствах.

Приборы магнитоэлектрической системы получили боль-
шое распространение потому, что они обладают целым рядом
преимуществ по сравнению с приборами других систем. В пер-
вую очередь это высокая чувствительность. Сила тока полно-
го отклонения стрелки у наиболее чувствительных приборов
лежит в пределах от 25—50 мкА. Точность магнитоэлектри-

6 в. А. Хорошавин

81
РИС. 62,

ческих приборов составляет 0,5% наибольшего значения шка-
лы. Приборы этой системы имеют равномерную шкалу, малое
собственное потребление тока и хорошую защищенность от
внешних магнитных полей.

В практике часто приходится только фиксировать ток, не
измеряя его значения. Для этих целей используют высокочув-
ствительные приборы магнитоэлектрической системы с услов-
ной шкалой, называемые гальванометрами.

Приборы электромагнитной системы. В приборах электро-
магнитной системы перемещение подвижной части измери-
тельного механизма происходит под действием магнитного
поля неподвижной катушки на подвижный сердечник, изготов-
ленный из мягкой стали. На рисунке 63 показан принцип дей-
ствия прибора. Измеряемый ток протекает по катушке и вызы-
вает появление магнитного поля. Под действием этого поля
подвижный сердечник втягивается в катушку. Сердечник сое-
диняют со стрелкой, которая показывает наличие тока.

Приборы электромагнитной системы просты по конструк-
ции и поэтому относительно дешевы. Они способны выдержи-
вать значительные кратковременные перегрузки. Отечествен-
ной промышленностью выпускаются электромагнитные ампер-
метры для непосредственного измерения силы тока до 150 А.

Однако приборам электромагнитной системы присущ и ряд
недостатков. Прежде всего это их относительно низкая чувст-
вительность, невысокая точность показаний, большее по сра-
внению с приборами других систем собственное потребление
тока. Кроме того, приборы этой системы чувствительны к
внешним магнитным полям, что требует дополнительной маг-
нитной экранировки прибора или усложнения его конст-
рукции.

Приборы электромагнитной системы имеют неравномерную
шкалу, так как между силой, вызывающей перемещение сер-
дечника, и током существует квадратичная зависимость. Для
получения линейной шкалы сердечнику придают специальную
форму и выбирают определенное его положение по отноше-
нию к катушке (рис. 64). Несмотря на это, на начальном уча-
стке шкалы деления все же распределены неравномерно. По-
этому 20% шкалы электромагнитного прибора считают нера-
бочей.

Электродинамические приборы. В электродинамическом
механизме имеется неподвижная катушка, внутри которой
располагается рамка, подобная рамкам приборов магнито-
электрической системы (рис. 65). При протекании тока по об-
моткам катушки и рамки вокруг них образуются взаимодей-
ствующие магнитные поля и рамка стремится повернуться так,
чтобы ее магнитный поток совпал по направлению с магнит-
ным потоком катушки. Угол поворота рамки указывается
стрелкой.

РИС. 65.	РИС. 66.
По чувствительности приборы электродинамической систе-
мы подобны приборам электромагнитной системы, но сложнее
по конструкции и дороже их. Однако электродинамические
приборы обладают повышенной точностью (0,3% наибольшего
значения шкалы) и поэтому применяются в лабораторных ис-
следованиях.

Электроизмерительные показывающие приборы различных
систем имеют много общих узлов и деталей. В большинстве
приборов подвижную систему укрепляют на оси, которая на
концах заострена и опирается на подпятники. Заостренная
часть оси называется керном. Чтобы трение между керном
и подпятником было меньше, керны изготавливают из твердой
стали и полируют; подпятник делают тоже из твердого мате-
риала (чаше всего из агата, сапфира, рубина). Все же керн
при вращении испытывает действие силы трения. Это приво-
дит к появлению дополнительных погрешностей при измере-
ниях. В приборах повышенной точности для уменьшения по-
грешности из-за трения в подшипниках подвижную часть из-
мерительного механизма подвешивают на упругих ленточных
растяжках, натягиваемых плоскими пружинами (рис. 66).

В приборах высокой чувствительности подвижную часть из-
мерительного механизма укрепляют на подвесе, т. е. свободно
подвешивают на упругой металлической нити.

Для того чтобы измерительная система после включения
тока пришла в уравновешенное состояние, т. е; для создания
противодействующего вращению момента, систему снабжают
специальным устройством.

В керновых измерительных механизмах противодействую-
щий момент создают спиральные пружины. В системах с рас-
тяжками и подвесами противодействующий момент получают
за счет упругости растяжек и подвесов. Спиральные пружи-
ны, подвесы и растяжки, как правило, служат и для включе-
ния подвижной рамки в цепь измеряемого тока.

При включении прибора стрелка не сразу останавливает-
ся на соответствующей отметке шкалы, а некоторое время ко-
леблется около этой отметки. Время с момента включения
прибора до момента остановки стрелки называют временем
успокоения. Для наиболее распространенных приборов это
время составляет не более 4 с. Но такое время успокоения до-
стигается применением специальных устройств, называемых
успокоителями.

Успокоители можно подразделить на два типа: воздушные
и магнитоиндукционные. Если к стрелке поперек направления
ее перемещения приклеить бумажный лепесток, то при дви-
жении стрелки лепесток будет испытывать сопротивление воз-
духа. Чем быстрее движется стрелка, тем с большей силой
воздух препятствует движению стрелки. Поэтому колебания
стрелки будут быстро прекращаться. Но на такой лепесток,
укрепленный .на стрелке, могут действовать случайные пото-
ки воздуха, и тогда стрелка будет колебаться и при выклю-
ченном токе. Поэтому воздушные успокоители выполняют ина-
че. Легкий поршень укрепляют на оси стрелки и помещают в
закрытое пространство (цилиндр). Сопротивление воздуха,
возникающее при движении поршня, вызывает торможение
стрелки (рис. .67).

•Для того чтобы понять, как действуют магнитоиндукцион-
ные успокоители, надо вспомнить, что в любом проводнике,
движущемся в магнитном поле, возникает индукционный ток.
Индукционный ток тоже имеет свое магнитное поле, которое
всегда направлено против магнитного поля, вызвавшего появ-
ление индукционного тока. Если на рамке с током в измери-
тельном механизме поместить еще один замкнутый виток, то
когда рамка с током, взаимодействуя с постоянным магнитом,
начнет поворачиваться, в этом дополнительном витке возник-
нет индукционный ток, который, взаимодействуя с магнитный
полем, будет мешать движению рамки. По как только рамка
остановится, индукционный ток исчезает. В школьных демон*
страционных гальванометрах роль такого дополнительного
витка в рамке играет алюминиевый корпус, на котором раз-
мещена обмотка рамки. В приборах другой конструкции маг-
нитоиндукционный успокоитель делают в виде алюминиевой
пластинки, укрепленной на оси подвижной системы так, что-
бы эта пластинка могла перемещаться в магнитном потоке
(рис. 68). Нередко в приборе специально для успокоителя раз-
мещают еще один постоянный магнит.

Любой измерительный прибор не должен влиять на изме-
ряемую величину. Так и прибор для измерения силы тока в
цепи не должен влиять на этот ток. Но на практике электри-
ческий ток, . проходящий через прибор, испытывает сопротив-
ление со стороны измерительного механизма прибора, и по-
этому включение прибора в цепь всегда вызывает изменение
силы тока. Чтобы уменьшить влияние прибора на ток в це-
пи, стремятся сконструировать прибор так, чтобы его собст-
венное сопротивление электрическому полю было бы возмож-
но меньшим, но при этом с неизбежностью теряется чувстви-
тельность прибора.

РИС. 67.	'	рис. м.
Чтобы расширить возможные пределы измерений, измери-
тели силы тока высокой чувствительности включаются в цепь
не последовательно, а параллельно специальному сопротивле-
нию, которое называют шунтом. Шунт, имея малое сопротив-
ление, оказывает меньшее воздействие на ток в цепи. Боль-
шая часть измеряемого тока проходит через шунт, а только
часть общего тока — через измерительный прибор. Сила тока,
проходящего через прибор с шунтом, зависит от соотношения
сопротивлений шунта и суммы сопротивлений шунта и изме-
рительного прибора:

Л   Я1П

^2	Ш

Подбирая сопротивление шунта, можно в любое число раз
расширить пределы измерений силы тока измерительным при-
бором. Пусть максимальная сила тока, которая допустима для
данного прибора, /ь а сила тока в цепи /2. Отсюда следует,
что через прибор должен проходить ток, в п= — раз мень-

ше, чем ток в цепи. Тогда сопротивление шунта должно быть
равно:

л—1

10.	Задание на конструирование и изготовление прибора
для измерения силы тока

1.	Сконструировать прибор для измерения электрического
тока. Требования к прибору:

а)	прибор должен измерять силу тока и обладать макси-
мально возможной чувствительностью к току;

б)	система электроизмерительного механизма может быть
любой;

в)	конструкция прибора должна позволять его использова-
ние совместно с шунтом;

г)	конструкция прибора должна быть достаточно простой,
надежной, не требующей применения дефицитных деталей и
материалов, Доступной для изготовления в школьных усло-
виях.

2.	Выполните эскизный проект прибора для измерения
электрического тока.

3.	Обсудите проект с учителем.

4.	В школьной мастерской изготовьте прибор.

Лабораторная работа № 12

Градуирование самодельного измерителя силы тока

Оборудование: 1) самодельный прибор для измерения электри-
ческого тока, 2) авометр школьный, 3) реостат, 4) источник тока, 5) ключ,
6) соединительные провода.
1.	Составьте электрическую цепь для градуирования само-
дельного прибора для измерения электрического тока.

2.	Отметьте на шкале начальное положение стрелки при
выключенном токе.

3.	Подготовьте авометр для измерения тока в пределах
О—500 мА.

4.	Реостатом установите максимальное сопротивление элек-
трической цепи.

5.	Замкнув цепь и уменьшая постепенно сопротивление ре-
остата, определите, при каком токе стрелка самодельного
прибора имеет максимальное отклонение. Отметьте на шкале
положение максимального отклонения стрелки.

6.	Увеличивая сопротивление реостата, сверяясь с показа-
ниями авометра, проградуируйте шкалу самодельного при-
бора.

7.	С помощью авометра определите сопротивление измери-
тельного механизма самодельного прибора.

8.	Рассчитайте и изготовьте шунт к самодельному прибору
так, чтобы увеличить в 400 раз пределы измерения силы тока.

§ 19. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ

Для измерения напряжения используются в основном те
же электроизмерительные приборы, что и для измерения си-
лы тока. Подключив измеритель силы тока параллельно уча-
стку цепи, можно на основании закона Ома по силе тока, про-
ходящего через прибор, и по сопротивлению прибора судить о
падении напряжения на этом участке цепи. Но для того что-
бы включение измерительного прибора не влияло на силу то-
ка в цепи (а значит, и на напряжение на участке цепи), из-
мерительный прибор должен иметь большое сопротивление.
Чем больше сопротивление прибора, подключаемого парал-
лельно участку цепи, тем с большей точностью можно изме-
рить напряжение на этом участке.

Любой гальванометр можно превратить в прибор для из-
мерения напряжения — вольтметр. Но для этого надо увели-
чить электрическое сопротивление измерительного механизма.
Обычно это делается путем включения последовательно с из-
мерительным прибором добавочного сопротивления. Без доба-
вочного сопротивления измеритель силы тока может измерить
• напряжение: С7=//?п, где / — предельная сила тока; /?п —
электрическое сопротивление измерительного механизма при-
бора.

Если необходимо увеличить предел измеряемого напряже-
ния в п раз, то последовательно с прибором надо включить
добавочное сопротивление, значение которого можно вычис-
лить по формуле: /?д=/?л(п—1).
РИС. »9.

В тех случаях, когда даже незначит
тельный ток, потребляемый прибором;
может изменить измеряемое напряже-
ние, применяются вольтметры спе-
циальной конструкции, основанные на
явлении электростатического взаимо-
действия тел, имеющих разные потен-
циалы.

Электростатический вольтметр нме-

* ет измерительный механизм, состоящий

из подвижных 2 и неподвижных / пластин (рис. 69). Если за-

рядить пластины разноименно, то они будут притягиваться.
Ось подвижных пластин соединяют со стрелкой.

Вольтметры • электростатической системы могут измерять

напряжения не менее нескольких десяткой вольт. Точность из-

мерения невысокая, а сложность изготовления таких приборов
большая. Поэтому вольтметры электростатической системы
не получили большого распространения.

В тех же случаях, когда необходимо измерять напряже-
ния прибором, имеющим очень большое сопротивление, приме-

няются специальные ламповые вольтметры.

При напряжениях в несколько тысяч вольт может начать-

ся разряд через воздух между токонесущими частями вольт-
метра. Чтобы избежать этого вредного в данном случае явле-
ния, приходится прибегать к специальным схемам включения
вольтметров. Так, последовательно с электростатическим
вольтметром включают конденсатор.

При напряжениях в несколько десятков тысяч вольт «вред-
ное» явление—искровой разряд—применяют для измерения
• разности потенциалов. Дело в том, что электрический разряд
через воздух в виде искры может произойти только при дос-
таточно высоком напряжении. Если увеличить расстояние
между электродами, то для получения искрового разряда при
прочих равных условиях необходимо увеличить и напряже-
ние. Измеряя расстояние (максимальное) между электрода-
ми, при котором еще появляется искровой разряд, можно по
этому расстоянию судить о разности потенциалов между
электродами. Так, если электроды имеют форму острия, а рас-
стояние между ними составляет 15,5 мм, то искровой разряд
произойдет при напряжении не менее 20 000 В. Здесь не слу-
чайно сказано о форме электрода. Плотность распределения
электрических зарядов на проводнике существенно зависит от
кривизны поверхности проводника. А значит, и напряжен-
ность электрического поля у поверхности проводника связана
с кривизной его поверхности. Так, если электроды в форме
острия заменить электродами в форме, шаров диаметром
30 см, то при том же напряжении 20 кВ искровой промежу-
ток будет составлять 6 мм (см. таблицу).
	Проб и ин я я рагность		потенциалов (кВ)	между
Расстояние между провод- никами, мы	Остриями	шариками дламегром 1 см	шариками диаметром 5 см	плоскими план инками
1  2  3 .	.  4  5  6  7  8  9  10  15.5  20  30  40  45  50  100  220  4)0  000	20  40  100,0  200,0  300,0	5  8.7  12.0 15.0  17.9 20,6  23,2 25,5 27,6 29,3	32,1  59,3  80,7  97.7  111,0  150.0	4.5  8,0  11,3  14,4  17,4  20,3  23,2  26.1  28,9  31,7  59,6 ^7,0  114  140,0  266.0  •

В лабораториях» занимающихся испытанием электрических
материалов и изучающих методы электрической защиты, имен-
но таким образом — по длине искрового разряда — измеряют-
ся высокие напряжения.

11.	Задание на конструирование и изготовление прибора'
для измерения напряжения

1.	Сконструируйте прибор ьдля измерения напряжения
электрического тока на участке цепи (вольтметр).

Требования к прибору:

а)	прибор должен измерять напряжения на участках элек-
трической цепи и обладать максимально возможной чувстви-
тельностью к напряжению;

б)	за основу конструкции прибора может быть взят изме-
ритель силы тока, изготовленный по заданию 10;

в)	конструкция прибора должна быть достаточно простой
и надежной, не требующей применения дефицитных материа-
лов и деталей, доступной для изготовления в школьной мас-
терской.

2.	Выполните эскизный проект прибора для измерения на-
пряжения.

3.	Обсудите проект с учителем.

4.	В школьной мастерской изготовьте прибор.

5.	Проведите испытания прибора.

6.	Проградуируйте шкалу прибора в вольтах.
§ 20. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИИ

Настройка любого электро- и радиотехнического устройст-
ва начинается с измерения трех основных электрических ве-
личин: силы тока, напряжения и сопротивления в различных
точках электрической схемы. Устройство будет работоспособ-
ным, если эти величины во всех частях устройства будут со-
ответствовать расчетным.

Имея в своем распоряжении амперметр и вольтметр, мож-
но определить и электрическое сопротивление участка цепи,
если воспользоваться законом Ома для участка цепи. Но этот
•способ требует сравнительно большой затраты времени и не-
удобен для быстрого контроля электрических цепей. Для из-
мерения сопротивлений в производственных условиях, для
контроля состояния аппаратуры при настройке электро- и ра-
диотехнических устройств применяются специальные приборы,
называемые омметрами. Омметр представляет собой чувстви-
тельный электроизмерительный прибор, шкала которого про-
градуирована в единицах сопротивления. Сила тока в цепи
меняется в зависимости от сопротивления проводников. Вклю-
чая последовательно с чувствительным измерителем силы то-
ка резисторы различного известного сопротивления, можно
проградуировать шкалу прибора в омах. Когда в цепь будет
включен резистор неизвестного сопротивления Кх (рис. 70),
достаточно будет только взглянуть на шкалу, чтобы назвать
его значение,

Сила тока в цепи зависит не только от сопротивления це-
пи, но и от электродвижущей силы источника тока и его внут-
реннего сопротивления. Со временем эти величины меняются.
При одном и том же сопротивлении свежий источник тока
вызовет в цепи больший ток, и наоборот. Чтобы исключить
влияние ЭДС источника тока Б на результат измерения соп-
ротивления ₽х, в прибор вводится резистор переменного соп-
ротивления ₽уст (рис. 71). Перед началом измерений этим
резистором устанавливают в цепи такую начальную силу то-
ка, при которой была произведена градуировка шкалы. На-
чальная сила тока определяется при условии, что сопротив-
ление цепи равно нулю. В этом случае сила тока в цепи при-
бора может быть больше предельно допустимой для данного
измерителя. Чтобы измерительный прибор не вышел из строя

РИС. 70.

РИС. 71.
при установке начальной силы тока, последовательно с при-
бором включают еще один резистор /?д, выбрав его таким,
чтобы при среднем значении сопротивления цепи стрелка при-
бора отклонялась до конца шкалы.

Включенные в цепь измерительного прибора резисторы и
собственное сопротивление прибора определяют входное со-
противление омметра:

/?вх = ^д4"/?уст~Ь^п«

Если включить на вход омметра резистор, сопротивление
которого равно входному сопротивлению прибора, то стрелка
его отклонится до середины шкалы. В этом случае общее со-
противление цепи измерительного прибора увеличится вдвое,
следовательно, в два раза уменьшится сила тока.

При измерениях сопротивлений стараются пользоваться
средним участком шкалы омметра, так как крайние участки
шкалы имеют неравномерную градуировку, а значит, дают
значительную погрешность при измерениях. Но при данном
входном сопротивлении омметра это условие заставляет су*
жать пределы измерений. За наименьший (нижний) предел
диапазона измерений обычно принимают сопротивления, соот-
ветствующие десятой части входного сопротивления омметра;
за наибольший (верхний) предел — сопротивления, соответст-
. вующие десятикратному входному сопротивлению.

Для расширения диапазона измерения омметры, так же
как амперметры и вольтметры, делают многопредельными.
Переход с одного предела измерений на другой (рис. 72) ча-
ще всего выполняют путем десятикратного изменения входно-
го сопротивления омметра, например увеличением или умень-
шением в 10 раз напряжения источника питания и соответст-
вующим подбором добавочных сопротивлений для новых пре-
делов измерений.

Таким образом, в основе амперметра, вольтметра, оммет-
ра лежит гальванометр. Если параллельно гальванометру
включают резистор^ получается прибор для измерения силы
тока — амперметр. Если резистор включают последовательно
с гальванометром, то получается прибор, пригодный для из-
мерения .напряжений,— вольтметр. Тот же гальванометр, но
с добавочными резисторами, ограничивающими силу тока и
устанавливающими начальную силу тока, используется для
измерения сопротивлений — омметр.

Нередко гальванометр с комбинацией добавочных резис-
торов монтируют в одном корпусе^- Такой комбинированный
прибор пригоден для измерений и силы тока, и напряжений, и
сопротивлений. Поэтому его называют ампервольтомметром
или кратко авометром.

При измерении сопротивления резисторов в несколько ом
или долей ома изменение силы тока в цепи будет настолько
незначительным, что обычным способом уловить разницу в
их сопротивлениях затруднительно. В этом случае пользуются
специальной* схемой измерений, которую называют измери-
тельным мостом (рис. 73).

• Мост для измерений сопротивлений состоит из трех резис-
торов с сопротивлениями /?ь и Я» которые вместе с изме-
ряемым резистором образуют четырехугольник АВСО.
В одну из диагоналей четырехугольника включен чув-
ствительный гальванометр, а в другую — источник тока. Соп-
ротивления резисторов /?1, /?2 и К подбирают так, чтобы при
замыкании ключа ток через гальванометр не протекал. В этом
случае потенциалы точек В и О одинаковы: (/ав—^ао и
С/вс= Уео; или = и /1/?2 = 7г/?.

Разделив почленно первое равенство на второе, получим:

,мГ м • откуда л. ‘

Сопротивление /? должно быть известно, сопротивления
/?! и могут составлять части реохорда — части калибро-
ванной проволоки. Отношение длин частей проволоки будет
равно отношению их сопротивлений. В этом случае отношение
— можно заменить отношением—, где /1 и —длины ча-
стей реохорда, разделенные подвижным контактом.

Тогда

При работе с мостом соблюдают следующие правила:

1)	все соединения в схеме делают плотными;

2)	вначале гальванометр шунтируют реостатом, чтобы не
повредить гальванометр большим током при замыкании цепи;

3)	добиваются равновесия моста при шунтированном
гальванометре, после чего шунт снимают и более точно уста-
навливают равновесие моста;

4)	сопротивление /? подбирают таким, чтобы оно хотя бы
приблизительно равнялось измеряемому сопротивлению. Тогда
отношение — будет близким к единице, и точность измере-
. 1'1	, .	.
ний получится максимальной. В качестве сопротивления /?
удобно пользоваться магазином эталонных сопротивлений.

12. Задание на конструирование и изготовление
комбинированного электроизмерительного прибора

Г. Сконструируйте комбинированный электроизмерительный
прибор для измерения силы тока, напряжения и сопротивле-
ния в цепи постоянного тока (авометр).

Требования к прибору:

а)	прибор должен позволять измерять силу тока, напря-
жение и сопротивление;

б)	для обеспечения хорошей точности измерений жела-
тельно, чтобы для каждого вида измерений прибор был мно-
гопредельным;

в)	в конструкции- прибора может быть использован само-
дельный гальванометр, изготовленный ио заданию 10, илнпри-
бор промышленного изготовления (если такой имеется .в ва-
шем распоряжении);

г)	шкала прибора должна быть удобной для считывания
показаний;

д)	конструкция прибора должна быть достаточно проч-
ной, надежной и безопасной в работе.

2.	Выполните эскизный проект прибора с необходимыми
инженерными расчетами и принципиальными электрическими
схемами.

3.	Обсудите проект с учителем.

4.	В школьной мастерской изготовьте прибор.

5.	Проградуируйте шкалу прибора.	,. .

Глава 6 ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ
УСТРОЙСТВ

§ 21. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

На космодроме производится запуск космического корабля.
От корпуса ракеты отошла кабель-мачта, отключив наземные
приборы контроля и управления от приборов, установленных
в ракете. Загрохотали ракетные двигатели мощностью в де-
сятки миллионов лошадиных сил, и ракета, опираясь на рас-
каленную струю газов, взмыла в небо. Чтобы все происходи-
ло по задуманной программе, необходимо следить за темпе-
ратурой и давлением в камерах сгорания, расходом горючего,
направлением и скоростью полета, возникающими ускоре-
ниями и многими десятками других параметров, характеризу-
ющих работу всех агрегатов ракеты-носителя и космического
корабля. Даже самому расторопному человеку не успеть ус-
ледить за показаниями многочисленных приборов.

На атомной электростанции реакторы находятся глубоко
под землей и окружены толстыми стенами из бетона, стали и
свинца. Там чуткие устройства следят за атомным пламенем,
температурой и давлением газов в реакторе, положением ре-
гулирующих стержней, температурой и расходом воды, дав-
лением водяного пара и т. п. Без специальных приборов, за-
менивших человека в роли контролера и наблюдателя, не-
возможно было бы создание атомных электростанций.

Отрасль науки и техники, которая охватывает теорию и
принципы построения систем управления техническими процес-
сами, действующих без непосредственного участия человека,
называется автоматикой. Автоматикой называют и те техни-
ческие средства, с помощью которых осуществляется автома-
тизация производственных процессов.

Но прежде чем поручить машинам контроль за технологи-
ческими процессами и их управлением, необходимо разрабо-
тать такое механическое или электрическое устройство, кото-
рое, подобно человеку, могло бы следить за изменениями тех-
нологических параметров и подавать команды управления.
В электрической автоматике эту работу выполняют электри-
ческие датчики.

Электрический датчик — устройство, которое служит для
измерения и преобразования неэлектрической величины в из-
менение электрической величины.

Способов такого преобразования, а значит, и типов элект-
рических датчиков в современной технике очень много. В за-
висимости от того, какая неэлектрическая величина преобра-
зуется в изменение электрической величины, датчики подраз-
деляются на датчики механического перемещения, датчики
давления, датчики температуры и т. д.

Датчики механических величин

Датчик перемещения. Если на пути движущейся тележки
установить два замкнутых контакта так, чтобы корпус тележ-
ки, коснувшись их, разорвал электрическую цепь, то подоб-
ные контакты можно назвать датчиком механического пере-
мещения. При достижении тележкой определенного положе-
ния при движении происходит изменение электрического тока
в цепи контактов. В цепь контактов можно включить элект-
рическую лампу. Перемещение тележки вызовет выключение
лампы. Конечно, контакты могут и замыкаться при соприкос-
новении с тележкой. В этом случае перемещение тележки вы-
зовет включение лампы (рис. 74).

Если тележка приводится в движение электродвигателем,
то нетрудно сделать так, чтобы он выключался, как только те-
РИС. 7Б.

РИС. 74.

лежка коснется контактов (рис. 75). Устройство датчика ме-
ханического перемещения крайне несложное. И именно прос-
тота и надежность в работе обеспечили контактному датчику
перемещении широкое применение. Вы открываете дверцу лег-
кового автомобиля, и в салоне зажигается лампа. Пока дверь
не закрыта, лампа будет гореть. У водителя троллейбуса или
автобуса такая лампа установлена на панели приборов. Она
напоминает о необходимости закрыть двери перед началом
движения.

Контактный датчик перемещений выключает двигатель то-
карно-винторезного станка, если суппорт слишком близко
приблизится к патрону.

Контактный датчик механического перемещения подает
электрический сигнал, когда движущаяся деталь достигает
предельного перемещения. Поэтому такие датчики называют
сше путевыми пли концевыми выключателями.

Рассмотрим, как можно измерять перемещение, используя
различные датчики.

Составим электрическую цепь из источника тока, реостата
и электроизмерительного прибора. Перемещая ползунок рео-
стата, вызовем изменение силы тока в цепи. Если ползунок
реостата прикрепить к движущейся детали, то реостат стано-
вится датчиком перемещения этой детали. О перемещении мо-
жно судить по показанию амперметра. Шкалу амперметра в
этом случае градуируют в единицах перемещения. Такой дат-
чик называют реостатным датчиком перемещений (рис. 76).

Если перемещающуюся деталь по какой-либо причине
нельзя жестко соединить с ползунком реостата, то датчик пе-
ремещения может иметь конструкцию, основанную на другом
физическом явлении.

Известно, что емкость конденсатора зависит от площади
пластин, расстояния между ними и диэлектрической постоян-
ной диэлектрика, находящегося между пластинами:
Сообщим электрический заряд кондуктору электрометра.
Если приближать к кондуктору ладонь, то стрелка электро-
метра будет отмечать уменьшение потенциала кондуктора.
Происходит это потому, что шар кондуктора и ладонь руки
образуют Две обкладки конденсатора. При уменьшении рас-
стояния между рукой и шаром емкость такого конденсатора
возрастает, а потенциал согласно известной из школьного
курса физики закономерности	уменьшается (рис, 77).

Основанный на этом явлении датчик перемещений назы-
вают емкостным датчиком. Роль второй обкладки конденса-
тора играет перемещающаяся деталь. Чувствительность емко-
стного датчика существенно повысится, если перемещение
детали связать с перемещением подвижной пластины конденса-
тора переменной емкости. В этом случае на работу емкостно-
го датчика не будут оказывать влияния посторонние предме-
ты (рис. 78, а и б).	*

Контактные, емкостные и реостатные датчики нетрудно
приспособить для электрических измерений угловых переме
щений. Поворот оси, на которой укреплен ползунок кольцево
го реостата (рис. 79), поворот оси с пластинами конденсато-
ра переменной емкости (рис. 80) будут пропорциональны из-
менению силы тока или емкости.

Для изготовления контактного датчика угловых перемеще-
ний надо по окружности разместить достаточное количество не-
подвижных контактов, а подвижный контакт укрепить на осп,
96
РИС. 8».

проно иицгй через пс11|р этой окружности. Поворот оси вызо-
ве, нем тдоилк* и.ное тамыкяпмс подвижного контакта с непо-
движными 11(1 Л VI»' окружности (рис. 81).	'

Датчики |1111мгроп. Контактные, реостатные и емкостные
датчики нетрудно приспособить для измерения размеров де-
талей электрическими методами.

Па конце рычага укрепляют подвижный контакт. При дви-
жении рычага этот подвижный контакт может замыкать
верхний пли нижний неподвижный контакт. Под свободный
конец рычага подводя г измеряемую деталь. Если деталь име-
ет ,.т данные размеры, то подвижный контакт устанавливается
между неподвижными, и электрическая цепь оказывается ра-
зом ину।ой. Если деталь имеет завышенные размеры, то под-
нпя пый контакт опустится и замкнет нижний неподвижный
13ННЛК1 При заниженных размерах детали подвижный кон-
нн<| (айкнет верхний неподвижный контакт.

Г- цепь неподвижных контактов могут быть включены
ллг иы. При заданных размерах детали обе лампы выключе-
1П.1 Если деталь имеет отклонения от заданных размеров,
вк ио !.1СТСЯ одна или другая лампа (рис. 82). Чувствитель-

7 С. А. Хор&ша&ин

97
ность такого датчика зависит от расстояния между неподвиж-
ными контактами и от соотношения длин плеч рычага. В про-
мышленности подобное устройство получило название электро-
контактной головки и применяется для контроля обработан-
ных деталей с. точностью до одного микрометра.

В несколько измененном виде подобный контактный дат-
чик можно использовать для измерения количества жидкости
в сосуде. Для этого надо подвижный контакт укрепить на по-
плавке. При увеличении количества жидкости поплавок бу-
дет всплывать вверх, и подвижный контакт замкнет верхний
неподвижный (жидкости больше нормы). При уменьшении
уровня жидкости подвижный контакт вместе с поплавком опу-
стится вниз и замкнет нижний контакт (рис. 83).

Соединив поплавок с ползунком реостата, включенного в
цепь электроизмерительного прибора, и проградуировав шка-
лу прибора в единицах объема, получим реостатный датчик
количества жидкости (рис. 84). Подобные реостатные датчи-
ки установлены на автомобилях и в самолетах для контроля
количества топлива в баках.

Поплавковый контактный датчик па автомобилях следит
за уровнем тормозной жидкости в системе тормозов. При
уменьшении уровня тормозной жидкости (что может привести
к отказу тормозов) на панели приборов включается сигналь-
ная лампа.

В тех случаях, когда в жидкость нельзя погрузить попла-
вок, количество жидкости можно измерять емкостным датчи-
ком (рис. 85), Между пластинами конденсатора 1 и 2 поме-
щается сосуд 3, сообщающийся с основной емкостью. Изме-
нение уровня вызывает изменение диэлектрической постоян-
ной среды между пластинами конденсатора, а следовательно,
и емкости конденсатора.

Силовые датчики. Когда вы входите в кабину лифта или
в будку телефона-автомата, то включается свет. Это срабо-
тал контактный дат’Гик веса. Пол в телефонной будке и в ка-
бине лифта укреплен на пружинах.- Под действием силы тя-
жести вашего тела пружины сжимаются и подвижный кон-

РИС. 84.
такт датчика, укрепленный под полом, опускается вниз, к
неподвижному контакту. Жесткость пружин в этом случае рас-
считана с учетом веса человеческого тела. Простота и надеж-
ность подобных силовых датчиков обеспечили им широкое при-
менение в различных устройствах. Так, в горнодобывающей
промышленное! и для учета груженых вагонеток, проходящих
по откаточным путям, под рельсом помещают контактный дат-
чик веса. Если по этому же пути проходит порожняя вагонет-
ка, то датчик не срабатывает — вес порожней вагонетки недо-
статочен для того, чтобы должным образом деформировать
пружину датчика (рис. 86).

Нетрудно сообразить, что в датчике веса могут быть уста-
новлены два неподвижных контакта. Если вес тела, действую-
щего па датчик, не превышает установленной нормы, то по-
движный контакт замкнет только первый неподвижный кон-
такт. Если же вес тела будет больше нормы, то подвижный
контакт замкнет цепь и второго неподвижного контакта. По-
добные многопредельные датчики применяются в монетниках
торговых автоматов. Если вес монеты соответствует номиналу,
то замкнется цепь только одного контакта. Если вес монеты
выше номинала, то замыкание второго неподвижного контак-
та вызовет срабатывание устройства, выбрасывающего монету
из автомата.

В металлорежущих станках также применяются разнооб-
разные контактные силовые датчики. Один из таких датчиков
(рис. 87) состоит из двух зубчатых муфт 7 и 2 со скошенны-
ми зубьями, связывающих валы 1 и 4. Когда усилия в приво-
де достигнут предельного значения, муфта 2 отталкивается
вправо, преодолевая давление пружины 3. При этом она по-
ворачивает контакт 5, заставляя его замкнуть цепь неподвиж-
ного контакта 6.

Подвижные контакты могут быть соединены с мембраной
манометра. В этом случае контактные датчики могут реаги-
ровать на изменения давления жидкостей и газов. Например,
в автомобиле «Жигули» контактный датчик давления масла в
системе смазки двигателя при работающем двигателе удержи-
вает контакты в разомкнутом состоянии, если давление масла
7*	9»
в пределах нормы. По если давление масла падает, то замк-
нувшиеся контакты датчика включают сигнальную лампу на
щитке приборов.

Для измерения сил электрическими методами могут быть
использованы реостатные датчики. Достаточно ползунок рео-
стата соединить с динамометром, и изменение силы будет пре-
образовано таким датчиком в изменение электрического со-
противления, а значит, и в изменение силы тока в цепи дат-
чика (рис. 88).

Для измерения больших давлений используются угольные
датчики. Модель такого датчика нетрудно изготовить. Поло-
жим на дно сосуда металлическую пластину, а в сосуд насы-
пем угольный порошок. Сверху положим на порошок вторую
металлическую пластину. Пластины включим последовательно
в цепь источника тока и электроизмерительного прибора. Кон-
тактное сопротивление между частицами угля сравнительно
велико. Но стоит только оказать давление на порошок, и это
сопротивление уменьшится (рис. 89).

Для измерения давлений до 60-105 Па вместо угольного по-
рошка используют столбик из угольных шайб (10—15 уголь-
ных шайб диаметром 5—-10 мм и толщиной 1—2 мм). Чтобы
сопротивление столбика было стабильным и не изменялось от
случайных встряхиваний, его предварительно сжимают.

У угольных датчиков есть значительный недостаток: боль-
шая зависимость их сопротивления от температуры. Поэтому
угольные датчики не применяются в условиях изменяющихся
температур. Другой существенный недостаток угольных дат-
чиков давления — непостоянство их чувствительности во вре-
мени.

Для измерения механических напряжений в деталях кон-
струкций применяются проволочные датчики (тензометры).
Они представляют собой тонкую, сложенную в виде петель и
наклеенную на бумагу проволоку из нихрома или константана
(рис; 90). Тензометр приклеивают к исследуемой детали.
Измерение механического напряжения основано на зависимо-
сти электрического сопротивления проволоки от действующих
на нес сил при растяжении или сжатии, вследствие чего изме-
няется длина проволоки и ее поперечное сечение (рис. 91).

Малые размеры тензометров, стабильность их работы, сла-
бая зависимость от температуры, безынерцнонность, возмож-
ность размещения в труднодоступных местах, простота и деше-
визна обеспечили этим датчикам широкое применение.

Существенным недостатком проволочных датчиков являет-
ся малое значение относительного изменения сопротивления,
что требует применения измерительных схем высокой чувстви-
тельности.

Датчики скорости. Скорости перемещения тел (твердых,
жидких н газообразных), угловые скорости вращения могут
быть с помощью датчиков преобразованы в изменения элек-
трического тока несколькими способами.

Наиболее распространенными датчиками скорости являют-
ся тахогенераторы. Тахогенераторы представляют собой ми-
ниатюрные генераторы постоянного тока. Движущееся тело
приводит во вращение ротор такого генератора. Электродви-
жущая сила генератора пропорциональна скорости вращения
ротора. Поэтому достаточно соединить генератор с вольтметром,
шкала которого проградуирована в единицах скорости, чтобы
по отклонению стрелки судить о скорости перемещения. Про-
стейшую модель тахогенератора можно изготовить, используя
микроэлектродвигатсль типа ДП. На вал двигателя насажи-
вают шкив. Укрепив двигатель на штативе и перебросив через
шкив нить с грузиками на концах, позволим грузикам дви-
гаться. Стрелка вольтметра, соединенного с двигателем, кото-
рый в этом случае работает как генератор постоянного тока,
отклонится тем сильнее, чем больше будет скорость движения
грузиков (рис. 92).

Тот же самый тахогенератор может быть и датчиком угло-
вой скорости. По для этого надо вал тахогенератора соеди-
нить с валом, скорость вращения которого контролируется
датчиком.

Контактные датчики угловой скорости обычно выполняют с
неподвижными или вращающимися контактами. В первом слу-
чае датчик по своему устройству подобен центробежному
РИС. 92.

РИС. 93.

измерителю скорости, о котором говорилось в § 2. Но вместо
стрелки (или на стрелке) укрепляют подвижный контакт. При
увеличении скорости вращения этот контакт замыкает (или
размыкает) электрическую цепь (рис. 93).

У датчика с вращающимися контактами они укреплены на
диске, вращающемся вместе с валом (рис. 94). Подвижный
контакт 1 прижимается к неподвижному контакту 2 с помо-
щью пружин 3, и электрическая цепь замкнута. При опреде-
ленной угловой скорости вращения подвижный контакт отбра-
сывается от неподвижного и цепь разрывается. Изменяя натя-
жение прижимных пружин, можно отрегулировать датчик так,
что он будет срабатывать при ббльших или меньших угловых
скоростях. Подобные датчики используются в двигателях пор-
тативных магнитофонов. При увеличении скорости вращения
вала двигателя датчик отключает двигатель от источника пи-
тания. Скорость вращения вала замедляется, и датчик вновь
включает питание двигателя. Тем самым поддерживается по-
стоянная угловая скорость вращения вала двигателя.

Для измерения скоростей потоков жидкостей и газов мо-
гут быть использованы как тахогенераторы, так и контакт-
ные датчики. У тахогенераторов в этом случае на валу укреп-
ляется крыльчатка, которую вращает поток. Контактные дат-
чики выполняются в виде подвижной заслонки. Когда жид-
кость или газ в трубопроводе неподвижны, заслонка висит в
вертикальном положении. При движении газа или жидкости
заслонка отклоняется потоком на некоторый угол, который тем
больше, чем выше скорость потока. Отклонение заслонки от
вертикального положения воздействует на замыкающиеся или
размыкающиеся контакты. Чтобы замыкание или размыкание
контактов было надежным (заслонка обычно колеблется в по-
токе), используются ртутные контакты. Ртутные контакты
конструктивно выполняются в виде стеклянной колбочки с
впаянными электродами. Внутри колбочки находится некоторое
количество ртути (рис. 95). Колбочку укрепляют на заслонке.
При отклонении заслонки от вертикального положения на не-
который угол ртуть в колбочке переливается и замыкает или
размыкает контакты (рис. 96).

Датчики температуры

• В теплотехнике, теплоэнергетике, металлургии, химической
промышленности, сельскохозяйственном производстве и во мно-
гих других случаях основным контролируемым параметром
является температура. Не случайно сконструировано много
разнообразных датчиков температуры.

Наиболее широко для измерения и регулирования темпе-
ратур от 100 до 2000 °С используются термопары. Действие
термопары основано на термоэлектрическом эффекте. Если со-
единить два проводника из различных металлов и нагреть ме-
сто соединения, то на свободных «холодных» концах провод-
ников появится разность потенциалов (термоэлектродвижу-
щая сила). Чем больше разность температур между «холод-
ными» и «горячими» концами проводников, тем больше ЭДС
(рис. 97).

Для изготовления термопар используются различные ме-
таллы и их сплавы. Наиболее чувствительные к изменению
температуры термопары изготавливают из хромеля и копеля:
хромель — никелевый сплав (90% № и 9,5% Сг), копель — мед-
ноникелевый сплав (56,5% Си и 43,5% 511).
РИС. Ь7.

РИС. М.

Основными достоинствами термоэлектрических датчиков
являются их простота, малые размеры, надежность в работе,
возможность измерения электрическими методами сравнитель-
но больших температур. Но термопары имеют и существенные
недостатки, с которыми приходится считаться. Прежде всего
это большая инерционность термопар. Поэтому термопары не-
пригодны для контроля за быстронзмеияющимися температу-
рами. Второй существенный недостаток заключается в том, что
для точного измерения температуры «горячим» спаем «холод-
ные» концы термопары должны иметь строго определенную
температуру.

Высокую точность имеют контактные термометры. Контакт-
ный термометр представляет собой ртутный термометр, в стек-
лянный капилляр которого впаяны контакты. При повышении
температуры поднимающийся столбик ртути замыкает кон-
такты (рис. 98). В тех случаях, когда не требуется высокая
точность контроля температуры, применяются биметалличе-
ские датчики. Из школьного курса физики известно, что если
соединить две пластины из разных металлов (например, же-
лезную и медную), то такая биметаллическая пластина при
нагревании будет изгибаться вследствие неодинакового тем-
пературного расширения меди и железа. Изгибающаяся при
нагревании и охлаждении биметаллическая пластина может
вызвать замыкание или размыкание электрических контак-
тов (рис. 99).

Полупроводниковые датчики температуры имеют высокую
чувствительность и малую тепловую инерцию. Из курса физи-
ки известно, что полупроводники изменяют свое сопротивление
при изменении температуры. Полупроводниковые резисторы,
чувствительные к изменению температуры, называются терми-
сторами и позисторами. Первые уменьшают свое электриче-
ское сопротивление при увеличении температуры, вторые при
повышении температуры в некотором ограниченном диапазо-
не увеличивают сопротивление.

Полупроводниковые датчики температуры могут работать
только в определенных пределах температур (обычно не более
180°С). Термисторы могут иметь очень малые размеры. Так, в
микротермисторах диаметр полупроводникового шарика со-
ставляет всего несколько сотых долей миллиметра. Такой тер-
мистор прогревается за сотые доли секунды, вступая в тепло-
вое равновесие с окружающей средой. Поэтому такие тер ми-
сторы пригодны для измерения быстроизменяющихся темпе-
ратур.

Термисторы, помещенные в герметизированный защитный
корпус, имеют значительно большую тепловую инерционность,
измеряемую десятками секунд (рис. 100).

Все полупроводниковые датчики температуры боятся пере-
грева. Нагрев термистора свыше 200°С выводит его из строя.
Это следует учитывать в конструировании и испытании дат-
чиков температуры.

Датчики освещенности (фотодатчики)

Фотодатчйки нередко называют глазами автоматических
устройств потому, что с их помощью энергия света преобра-
зуется в электрическую энергию.

В устройствах автоматики все чаще начинают применять-
ся полупроводниковые фотодатчики. Простота, малые разме-
ры, высокая чувствительность — все это открывает полупро-
водниковым фотодатчикам широкую дорогу для применения в
различных технических устройствах.

Чаще всего используются полупроводниковые фотодатчи-
ки — фоторезисторы.

Собрав электрическую цепь из фоторезистора, гальвано-

метра и источника тока (рис.
растает ток в цепи, когда на
фоторезистор падает свет.
Если между источником света
и фоторезистором поместить
непрозрачное тело, то гальва-
нометр отметит этот факт рез-
ким уменьшением тока в це-
пи фоторезистора. Фоторези-
стор реагирует не только на
прямой, но и на отраженный
свет. От светлых предметов
свет отражается лучше, чем

101), легко заметить, как воз-

РМС. 101.
от темных, поэтому фоторезисторы могут быть использованы
для контроля качества окраски деталей и материалов, для
контроля качества обработки поверхности. Так, фоторезисторы
помогают заметить дефекты на поверхности шариков для ша-
рикоподшипников. Фоторезисторы «прочитывают» почтовый
индекс на конвертах и тем самым позволяют автоматизировать
трудоемкую операцию сортировки почтовых отправлений. Фо-
торезисторы могут даже следить за работой человеческого
сердца. Для этого на мочке уха укрепляют миниатюрную осве-
тительную лампу, а с противоположной стороны — фоторези-
стор. Кровь, пульсируя в кровеносных сосудах в такт ударам
сердца, периодически уменьшает световой поток, попадающий
на фоторезистор.

Подобное же з^стройство, состоящее из осветителя и фото-
датчика, может быть укреплено на капилляре жидкостного
термометра. В этом случае фотодатчик позволит преобразо-
вать изменение температуры в изменение электрического тока.

Можно было бы привести еще очень много примеров, ког-
да датчик освещенности не только применяется по своему
прямому назначению, но и косвенно является датчиком меха-
нических, тепловых и других физических величии.

В настоящее время практически любая физическая вели-
чина с помощью датчиков может быть преобразована в изме-
нение электрической величины. И всякий раз, когда возни-
кает потребность автоматизации какого-либо технологического
процесса, то в первую очередь определяются наиболее важ-
ные параметры этого процесса и конструируются датчики для
этих параметров. Конструирование датчиков требует хороше-
го знания связей между физическими явлениями и их законо-
мерностями, которые положены в основу технологических
процессов.

13.	Задание на конструирование и изготовление
электрического датчика неэлектрической величины

1.	Сконструируйте датчик технологического параметра для
базового предприятия вашей школы.

Технические условия:

а)	датчик должен преобразовывать в «изменение электри-
ческого тока такой технологический параметр, которыД явля-
ется важным для производственного процесса (влияет* на ка-
чество и количество выпускаемой продукции, требует повы-
шенного внимания со стороны рабочих и инженерно-техниче-
ских работников предприятия);

6)	физические явления и закономерности, положенные в
основу конструкции датчика, могут быть любыми, известными
вам из школьного курса физики;
в)	датчик не должен оказывать заметного воздействия на
технологический параметр;

г)	конструкция датчика должна быть простой, но надеж-
ной в работе и обладать хорошей чувствительностью;

д)	датчик должен отвечать требованиям техники безопас-
ности.

2.	Прежде чем приступать к конструированию датчика, еще
раз ознакомьтесь с технологическими процессами на пред-
приятии, побеседуйте с рабочими и инженерно-техническими
работниками. Они помогут вам определить наиболее важные
технологические параметры.

3.	Выполните эскизный проект датчика.

4.	Обсудите проект с учителем и инженерно-техническими
работниками предприятия.

5.	Изготовьте датчик.

6.	Проведите лабораторные исследования датчика.

7.	Если это возможно, проведите испытание датчика в про-
изводственных условиях.

§ 22.	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ РЕЛЕ

Электрический сигнал, получаемый от датчика, в большин-
стве случаев не может быть непосредственно использован для
управления автоматическим устройством. Обычно бывает не-
обходимо увеличить мощность сигнала, или изменить направ-
ление его действия (увеличивающаяся сила тока датчика
должна вызвать уменьшение силы тока в исполнительной це-
пи), или преобразовать один сигнал в несколько сигналов
управления.

Устройство, служащее для преобразования электрической
величины в вид, удобный для ее дальнейшего использования
в автоматическом устройстве, называется электрическим пре-
образователем.

В качестве электрических преобразователей используется
реле’. Электромагнитные реле представляют собой электро-
магнит, якорь которого соединен с контактами (рцс. 102).
Контакт, соединенный с якорем,, называют подвижным. Вбли-
зи от подвижного контакта установлены неподвижные контак-
ты. Если тока в обмотке электромагнита нет, а подвижный
контакт замыкает цепь неподвижного контакта, то такую пару
контактов называют нормально замкнутыми (рис. 103, а).

1	Слово «реле» французского происхождения (геЫз) и может быть
переведено на русский язык как «сменные, перекладные лошади», Этим
же словом французы называли почтовую станцию, где происходила смена
лошадей. В технике это слово начало обозначать «преобразователь сиг-
налов в автоматических устройствах».
РИС. 102.

РИС. 103.

Если тока в обмотке электро-
магнита нет и подвижный контакт
не замыкает цепь неподвижно-
го контакта, то такую пару кон-
тактов называют нормально от-
крытыми (рис. 103,6). Можно
контакты расположить так, что-
бы один подвижный контакт за-
мыкал цепь то одного, то друго-
го неподвижного контакта. Такую
группу контактов называют пере-
ключающимися (рис. 103, в).

К якорю может быть прикреп-
лено много подвижных контак-
тов. Каждый из подвижных кон-

тактов может производить пере-
ключения в группе своих непо-
движных контактов, так что
электромагнитное реле, если по-
требуется, может иметь до не-
скольких десятков подвижных н
неподвижных контактов.

Существует большое число разнообразных электромагнит-
ных реле. Они отличаются друг от друга устройством, назна-
чением, размерами, но во всех электромагнитных реле управ-
ляющий ток своим магнитным полем вызывает изменение поло-

жения подвижных контактов в цепи управляемого тока.

Рассмотрим несколько характерных конструкций электро-
магнитных реле. Прежде всего все электромагнитные реле мо-
гут быть подразделены на нейтральные и поляризованные.

Нейтральные электромагнитные реле получили свое назва-
ние потому, что они нейтральны (безразличны) к направле-
нию тока управления в обмотке электромагнита.

В свою очередь нейтральные электромагнитные реле под-
разделяются на две основные группы: реле с угловым переме-
щением якоря, или поворотные реле (рис. 104), и реле с линей-
ным перемещением якоря, или втяжные реле (рис. 105).

Электромагнитные реле с угловым перемещением якоря
работают следующим образом. При подключении обмотки 5
реле к источнику тока электрический ток образует магнитное
поле, которое стремится притянуть яко1*> 2 к сердечнику 6.
Перемещению якоря препятствует упругая пружина /, стре-
мящаяся удержать якорь в исходном положении. Если сила
тока достаточно велика, якорь притягивается к сердечнику,
растягивая возвратную пружину. Сила тока, при которой реле
срабатывает, называется силой тока срабатывания и являет-
ся одной из важнейших характеристик электромагнитных ре-
ле. При уменьшении силы тока в обмотке электромагнитного
гис. им.

РИС. 105.

реле якорь не сразу возвращается в исходное положение, по-
тому что воздушный зазор между сердечником электромагни-
та и якорем очень мал. Вследствие этого даже сравнительно
слабое магнитное поле способно удержать якорь в притяну-
том положении. Чтобы якорь реле постоянного тока под дей-
ствием остаточного магнетизма не оставался прижатым к сер-
дечнику (это явление называют «залипанием»), используют
штифт отлипания 4, который делают из немагнитного мате-
риала. Он препятствует плотному соприкосновению якоря с
сердечником.

Силу тока, при которой якорь реле возвращается в исход-
ное положение, называют силой тока отпускания.

При включении тока в обмотку реле якорь не мгновенно
притягивается к сердечнику. Этому есть несколько причин:-
инерционность якоря, необходимость преодоления упругости
пружины, явление самоиндукции в обмотке, которое замедляет
возрастание тока до тока срабатывания. Время срабатывания
реле различных типов лежит в пределах от единиц до десят-
ков миллисекунд. Время отпускания меньше времени срабаты-
вания потому, что деформированные контактные пружины по-
могают якорю вернуться в исходное положение. Время отпу-
скания составляет обычно 0,1—0,5 часть времени срабаты-
вания.

В реле с линейным перемещением якоря под действием то-
ка, протекающего по обмотке, сердечник втягивается внутрь
катушки. «Стоп» служит для ограничения перемещения сер-
дечника в пределах действия наиболее выгодных тяговых уси-
лий. Электромагнитные реле с линейным перемещением якоря
чаще употребляются в тех случаях, когда необходимо увели-
чить контактное давление замыкающихся контактов. Такая не-
обходимость возникает при коммутировании больших токов.
Поляризованные электромагнитные реле, так же как и ней-
тральные, имеют неподвижный сердечник и подвижный якорь.
Но, кроме рабочего магнитного поля, создаваемого током,
проходящим по обмотке реле, есть дополнительное магнитное
поле, создаваемое или постоянным магнитом, или электромаг-
нитом. Чтобы понять назначение этого дополнительного маг-
нитного поля, проведем следующий опыт. Над электромагни-
том укрепим на оси полосовой постоянный магнит (рис. 106).
Пропустим через обмотку электромагнита ток и обратим вни-
мание на то, что постоянный магнит повернется вокруг оси.
Магнитное поле катушки с током в одном зазоре складыва-
ется с магнитным полем постоянного магнита, а в другом вы-
читается из магнитного поля постоянного магнита. Сила, дей-
ствующая на якорь (постоянный магнит), направлена в сторо-
ну зазора с большей индукцией результирующего магнитного
поля.

Изменим направление тока в катушке, изменится и направ-
ление поворота постоянного магнита. Если к постоянному маг-
ниту— якорю будет прикреплен подвижный контакт, то он в
зависимости от направления тока в катушке замкнет цепь или
одного, или другого неподвижного контакта. Замыкание цепи
управляемого тока зависит от полярности управляющего сиг-
нала. Поэтому такие реле и называются поляризованными.
Поляризованные реле требуют меньшего тока срабатывания
и отличаются от нейтральных реле меньшим временем сраба-
тывания.

Если у поляризованных реле обмотку электромагнита сде-
лать подвижной, а постоянный магнит неподвижным, то такое
реле называют магнитоэлектрическим (рис. 107). Магнитоэлек-
трические реле являются среди электромеханических реле са-
мыми чувствительными. Потребляемая мощность срабатыва-
ния для управления нейтральными электромагнитными реле
составляет 0,5—0,005 Вт, для управления поляризованным ре-
ле— 0,1—0,001 Вт, а для управления магнитоэлектрическим
реле — 1 • 10~8 Вт,
I

По принципу устройства и действия эти реле ие отличают-
ся от магнитоэлектрических электроизмерительных приборов,
за исключением того, что вместо стрелки или другого указате-
ля они снабжены небольшим рычагом с укрепленным на его
конце контактом. При повороте подвижной системы под дей-
ствием поступающего в ее рамку тока этот контакт, замыкаясь
с неподвижными контактами, замыкает цепь управления.

Рассмотрим возможные применения электромагнитного ре-
ле. Соберем по схеме (рис. 108) установку (рис. 109). Замы-
кание цепи управляющего тока позволяет включить управляе-
мую цепь с мощным потребителем энергии. Если включить в
цепь обмотки реле амперметр и вольтметр, можно определить
мощность, потребляемую реле. Мощность лампы узнаем из ее
паспорта. Отношение мощности управляемой цепи к мощности
цепи управления называется коэффициентом управления. Легко
убедиться, что этот коэффициент больше единицы. У электро-
магнитных реле, применяемых в автоматических устройствах,
коэффициент управления достигает 5000.

Реле, предназначенные для включений в силовых цепях низ-
кого напряжения, получили название контакторов. Современ-
ные контакторы замыкают цепь с силой тока 100—600 А.

Но не только в том, что при помощи маленькой мощности
можно управлять большой мощностью, состоит достоинство
электромагнитного реле. Изменим схему (рис. НО) и установ-
ку (рис. 111). Теперь подачей сигнала управления выключи-

РИС. 108.	рис. по;
РИС, 112,

РИС. 1(1

стся рабочая цепь. В данном случае звонок не будет звенеть,
пока замкнута цепь управления. В случае повреждения или
выключения цепи управления звонок подаст сигнал. Подобным
образом устроена охранная сигнализация. Стоит только умыш-
ленно или нечаянно порвать тонкий проводник цепи управле-
ния охранной сигнализации, как тотчас раздастся сигнал тре-
воги.

Вновь изменим схему (рис. 112) и установку. Теперь сиг-
нал в цепи управления вызовет переключения в управляемой
цепи. Одним нажатием кнопки управления выключается лам-
па и включается электродвигатель.

При помощи электромагнитного реле подачей одного сигна-
ла можно управлять работой нескольких цепей (рис. 113). На-
жав на кнопку в цепи управления, с помощью электромагнит-
ного реле совершаем следующие преобразования в управляе-
мой цепи: выключаем лампу в цепи переменного тока и вклю-
чаем электродвигатель, выключаем звонок и включаем лампу
в цепи постоянного тока.

Увеличив количество контактов реле, можно соответствую-
щим образом увеличить количество управляемых цепей.

Контакты электромагнитного реле могут быть использова-
ны не только в управляемых цепях, но и в цепи управления.
Например, нажав кнопку в цепи управления, с помощью элек-
тромагнитного реле включим электродвигатель. Чтобы двига-
тель работал долго, столько же времени надо держать нажа-
той кнопку управления. Если же свободные, нормально от-
крытые контакты реле включить параллельно кнопке управле-
ния (рис. 114), то достаточно кратковременно нажать на кнопку
управления, как электромагнитное реле не только включит
двигатель, но и заблокирует контакты кнопки управления. Те-

РИС. 114.	РИС. П5.
перь, для того чтобы вы-
ключить двигатель, надо
любым способом прервать
электрический ток через об-
мотку электромагнитного ре-
ле, например поставить
специальный выключатель
(рис. 115),

Подобная схема управ-
ления применяется в ме-
таллорежущих станках. На-
жав кнопку «пуск», вклю-

чают станок. При этом срабатывает электромагнитное реле,
которое в данном случае называют магнитным пускателем.
Для того чтобы остановить станок, надо нажать кнопку «стоп».
Эта кнопка разрывает цепь питания обмотки магнитного пус-
кателя. Станок выключается. Может показаться, что включать
станок было бы проще с помощью рубильника. По представим
себе такой случай. Во время работы станка временно пре-
кратилась подача электроэнергии. Станок остановился. Рабо-
чий может забыть, что рубильник остается включенным, и,
когда подача электроэнергии возобновится, станок неожидан-
но для рабочего включится. Может произойти несчастный слу-
чай.

Станок, управляемый магнитным пускателем, самопроиз-
вольно не включится. После отключения электроэнергии блок-
контакты реле разомкнутся, и, чтобы снова включить станок,
необходимо вновь нажать на кнопку «пуск». А кроме того,
включать и выключать магнитный пускатель могут электриче-
ские сигналы от различных датчиков.

Еще одной разновидностью электромагнитных реле явля-
ется шаговый искатель (рис. 116). Шаговый искатель отлича-
ется от нейтральных электромагнитных реле с поворотным
якорем тем, что подвижный контакт укреплен не на якоре, а 
на специальном зубчатом колесе. Якорь, притягиваясь к сер-
дечнику электромагнита, поворачивает на некоторый угол зуб-
чатое колесо. При каждом следующем срабатывании реле по-
движный контакт замыкает очередной неподвижный контакт.
Таким образом, каждый новый сигнал в цепи управления вы-
зывает включение новой управляемой цепи. Например, под-
ключив к контактам шагового искателя электрические лампы
(рис. 117), можно простым замыканием одного ключа вклю-
чать по очереди все лампы. Три сигнала в цепи управления
вызовут включение по очереди трех ламп и т. д.

Шаговые реле получили широкое применение в устройстве
автоматических телефонных станций.

Лабораторная работа № 13

Составление и сборка электрических цепей с электромагнитным реле

Оборудование: 1) электромагнитное реле с двумя группами пере-
ключающихся контактов, 2) три лампы: Н1, Н2, НЗ, 3) микроэлектродвига-
тель, 4) два источника тока, 5) ключ, 6) соединительные провода.

Учитывая имеющиеся приборы, сначала составьте схемы, а
затем соберите электрические цепи по следующим заданиям:

Задание 1. Имеется реле, два источника тока, ключ.
Лампа питается от источника тока 61. При выходе его из
строя (источник тока отключается) лампа должна автомати-
чески переключиться па питание от источника тока 62.

Задание 2. Имеется реле, три лампы, ключ, два источ-
ника тока. Кратковременным замыканием ключа включить на
длительное время все три лампы.

Задание 3. Имеется реле, микроэлектродвигатель, ключ,
два источника тока. Замыкая цепь ключом, изменять направ-
ление вращения вала микроэлектродвигателя.

Задание 4. Имеется реле, ключ, два источника тока и
три лампы. Включить лампы так, чтобы без изменения схемы
выполнялось условие:

когда не горит /71, горит /72;

когда горит /71, не горит 7/2;

когда горит и не горит 771, горит 2/3.

Задание 5. Придумать электрическую схему с электро-
магнитным реле.

§ 23.	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ,
УСИЛИТЕЛЬ ТОКА

Сигнал от датчика может быть так мал, что даже чувстви-
тельное электромагнитное реле от него не сработает. Кроме
того, электромагнитные реле не позволяют плавно преобразо-
вывать сигналы датчика. Они могут лишь резко, скачком
изменять ток в цепи. Такой режим работы называют релейным.
Плавное усиление непрерывного сигнала датчика осуществ-
ляется усилителем тока. В последние десятилетия для усиле-
ния тока преимущественно используются электрические свой-
ства полупроводников. Впервые возможность использования
полупроводников для усиления электрических сигналов была
открыта Олегом Владимировичем Лосевым в 1922 г. Приме-
няя кристаллы полупроводников, О. В. Лосев конструирует
разнообразные приборы. Однако научной теории электронной
природы кристаллов в то время не существовало. Чтобы ши-
роко использовать в практике «кристадины Лосева» и совер-
шенствовать его изобретение, требовалось сначала накопить
необходимые научные данные об электрических свойствах по-
лупроводников. Поэтому только в 1951 г. был изготовлен кри-
сталлический усилительный прибор, так называемый транзи-
стор.

Из школьного курса физики вы знаете, что если соединить
два полупроводника с донорными и акцепторными примесями,
то в месте контакта полупроводников образуется р—н-переход,
основное свойство которого заключается в том, что в прямом
направлении сопротивление р—п-перехода значительно мень-
ше, чем в обратном.

Это свойство р—п-перехода используется в полупроводни-
ковых диодах. В транзисторе применяется трехслойный кри-
сталл полупроводника с двумя р—л-переходами. Между край-
ними слоями полупроводника одного типа проводимости рас-
положен средний слой противоположного типа проводимости
(рис. 118). Электрические свойства такого многослойного по-
лупроводника подобны двум включенным навстречу друг дру-
гу полупроводниковым диодам (рис. 119). К каждому слою
припаивается вывод. Один из крайних слоев называют эмит-
тером, средний слой — базой, а другой крайний слой — кол-
лектором 1. При работе транзистора эмиттер и коллектор со-
ставляют основную цепь электрического тока транзистора, а
база служит для управления силой тока в этой цепи. Переход
между эмиттером и базой называется эмиттерным, а между
базой и коллектором — коллекторным. В условном графиче-
ском изображении транзистора стрелка на эмиттерном выво-
де указывает прямое направление эмиттерного тока, который
в транзисторах с проводимостью р—п—р образуется движе-
нием положительно заряженных дырок (рис. 120).

У транзистора п—р—п-типа по краям расположены обла-
сти с электронной проводимостью, а между ними — область с
дырочной проводимостью (рис. 121). В изображении транзи-

1 Слово «эмиттер» происходит от латинского слова епи&зк) — выпуск.
Вспомните явление термоэлектронной эмиссии, благодаря которому катод
электронной лампы испускает электрические заряды. Слово «коллектор»
тоже латинского происхождения соПеШог— собирающий.
РИС. 118.

РИС. 119.

РИС 128.

стора этого типа стрелка эмиттера направлена от базы
(рис. 122).

При изготовлении транзисторов р—п—р-чипа насыщенность
эмиттерного и коллекторного слоев дырками делают большей,
чем насыщенность электронов в базе. Поэтому ток через тран-
зистор в основном определяется движением дырок и меньше
десятой части их при встрече с электронами рекомбинирует.
Это позволяет нам не рассматривать электронный ток в тран-
зисторах р—п—р-типа.

Между коллектором и эмиттером включают батарею, со-
здающую на коллекторе по отношению к эмиттеру отрицатель-
ное напряжение от нескольких вольт до нескольких десятков
вольт (рис. 123). В эту же цепь, называемую коллекторной,
включена нагрузка /?„, в качестве которой может быть изме-
рительный прибор, лампа, электродвигатель и т. п.

Если цепь базы не будет замкнута, в коллекторной цепи
появится очень слабый ток, так как при такой полярности
включения коллекторной батареи сопротивление коллекторно-
го перехода окажется очень большим.

Ток коллекторной цепи резко возрастет, если между базой
и эмиттером включить батарею смещения, подав на базу по
отношению к эмиттеру хотя бы небольшое (десятые доли воль-
та) отрицательное напряжение. Внутри транзистора при этом
происходит следующее: дырки, которые имеются в эмиттерной
р-области, отталкиваясь полем положительного полюса источ-
ника, устремляются к эмиттерному переходу, а оттуда в базу.
Так как базовая область при изготовлении транзистора дела-
ется тонкой (несколько микрон), то перешедшие в нее из эмит-
тера дырки быстро достигают коллекторного перехода и здесь
попадают под притягивающее действие отрицательного полю-
са источника коллекторного напряжения и поэтому продол-
жают двигаться к коллектору. На выводе коллектора дырки
встречаются с электронами источника тока и рекомбинируют с
ними. В результате сопротивление всей коллекторной цепи
уменьшается, и в ней течет как бы прямой ток, во много раз
превышающий обратный ток коллекторного перехода. Чем
больше отрицательное напряжение на базе, тем значительнее
ток в коллекторной цепи. И наоборот, чем меньше отрицатель-
ное напряжение на базе, тем меньше и ток в коллекторной це-
пи транзистора. Таким образом, незначительные изменения
напряжения па базе вызывают значительные изменения кол-
лекторного тока.

Небольшая часть тока эмиттера замыкается в цепи базы,
образуя базовый ток /б. Следовательно, ток эмиттера /э со-
стоит из двух составляющих — тока коллектора /к и тока ба-
зы /б. Сила тока коллектора близка к силе тока эмиттера, а
сила тока базы во много раз меньше силы тока /к и /э. Отно-
шение силы тока коллектора к силе тока базы называют коэф-
фициентом передачи тока:

Это одна из основных характеристик усилительных свойств
транзистора. Для различных транзисторов коэффициент пере-
дачи тока имеет величину от 5 до 1000.

Принцип действия транзистора типа п—р—п ничем не от-
личается от рассмотренного.

Только источники напряжения	’	|---_____

подключаются к нему в противо-
положной полярности, а ток в
цепи эмиттер — коллектор обу-
словлен движением электронов.

Убедиться в усилительном дей-
ствии транзистора можно на та-
ком опыте. Полупроводниковый

1 Индекс в коэффициенте передачи тока Л21э (читают так: аш два
один э) обозначает: цифра I относится к входной, а цифра 2 —-к выход-
кой цепи транзистора. Ьуква <э> указывает на схему включения транзи-
стора с общим эмиттером.
РИС. 125.

фотоэлемент включают в цепь базы транзистора так, чтобы
положительный полюс фотоэлемента был соединен с эмиттером,
а отрицательный — с базой (рис. 124). Для контроля усиливае-
мого тока в цепь базы включается гальванометр. Для контро-
ля усиленного тока в коллекторную цепь, кроме источника тока,
также включается гальванометр (рис. 125). При освещении
фотоэлемента ток в цепи базы изменяется незначительно, в то
же время стрелка гальванометра в коллекторной цепи свиде-
тельствует о значительном изменении тока в транзисторе.

В использованной схеме эмиттер является общим электро-
дом для обеих цепей транзистора — базы и коллектора. В свя-
зи с этим такую схему включения транзистора называют схе-
мой с общим эмиттером.

На базу транзистора, кроме напряжения усиливаемого сиг-
нала, обязательно должно подаваться некоторое начальное

постоянное отрицательное напряжение, называемое напряже-
нием смещения. Если это не сделать, то при усилении перемен-
ных токов на эмиттерном переходе произойдет искажение уси-
ливаемого сигнала. Напряжение смещения не только можно
получить от специального источника тока, ио и снять часть на-
пряжения с коллекторной цепи транзистора. Как это делает-

РИС. 126.

ся, рассмотрим на таком опы-
те: включим между коллекто-
ром и базой фоторезистор; ток
базы и коллекторный ток
контролируются гальваномет-
рами (рис. 126, 127). При ос-
вещении фоторезистора оба
гальвано.метра показывают
увеличение силы тока. Носи-
ла тока в коллекторной це-
РИС. 127.

пи изменяется в больших пределах, чем сила тока в цепи ба-
зы. В данном случае коллектор является общим электродом
для базовой и коллекторной цепей, и поэтому такую схему
включения транзистора называют схемой с общим коллекто-
ром. В схеме с общим коллектором транзистор усиливает и
сигнал, и силу тока смещения.

В основном для усиления сигнала используются три схемы
усилителя на транзисторах, отличающиеся друг от друга спо-
собом подачи напряжения смещения на базу (рис. 128, 129,
130).

В схеме (рис. 128) напряжение смещения на базу подается
через резистор /?с, включенный между базой и отрицательным
полюсом батареи, питающей коллекторную цепь. Напряжение
смещения определяется сопротивлением резистора /?с, что в
свою очередь влияет на ток коллектора: чем меньше сопротив-
ление /?с, тем больше отрицательное напряжение на базе и
сила тока коллектора. Эта схема дает наибольшее усиление,
но страдает существенным недостатком — низкой температу-
рной стабильностью. Дело в том, что транзистор во время ра-
боты нагревается протекающим через него током и окружаю-
щим воздухом. А при повышении температуры транзистора
электропроводимость полупроводника увеличивается, что вле-
чет за собой увеличение коллекторного тока. Возросший кол-
лекторный ток еще больше нагревает транзистор.

РИС. 128.	РИС. 129.	рис. 130.
, Чтобы избежать этого явления, резистор смещения вклю-
чают между базой и коллектором по схеме, показанной на
рис. 129. В этом случае сила тока коллектора автоматически
поддерживается вблизи выбранного значения. Но при этом не-
сколько снижается уровень усиления.

, Более совершенной является схема, показанная на рис. 130.
В этой схеме напряжение смещения фиксируется с помощью
делителя напряжения, составленного из резисторов /?1 и /?2.
Так как при работе усилителя от батареи питания требуется
то больший, то меньший ток, напряжение на полюсах источ-
ника тока изменяется. А следовательно, изменяется и напря-
жение ла эмиттере. Чтобы стабилизировать постоянную со-
ставляющую коллекторного тока, в цепь эмиттера включают
сопротивление, шунтированное конденсатором большой ем-
кости'

Сопротивления резисторов смещения подбираются при на-
стройке усилителя в соответствии с используемым транзи-
стором. ••	•	й _>

Если один транзистор не обеспечивает необходимой степе-
ни усиления сигнала, то применяется последовательное уси-
ление сигнала несколькими транзисторами. Каждый транзи-
стор вместе с деталями, обеспечивающими определенный ре-
жим его работы, называют каскадом. В многокаскадном уси-
лителе выходной сигнал предыдущего каскада подается на
вход последующего каскада и дополнительно усиливается.
Если выход предыдущего каскада соединяется с входом по-
следующего проводником или резистором, то такой способ
соединения каскадов называют схемой с гальванической свя-
зью. Гальваническая связь чаще всего используется в много-
каскадных усилителях постоянного тока.

Лабораторная работа № 14

Исследование транзисторного усилителя тока

Оборудование: 1) транзистор типа МП39—МП42 на панельке,
2) миллиамперметр постоянного тока, 3) микроамперметр постоянного то-
ка, 4) резистор переменный 100 Ом, 5) резистор 5 кОм, 6) резистор
1 кОм, 7) батарея типа 3336Л —2 шт., 8) ключ, 9) соединительные провода.

Исследование ' транзисторного усилителя тока начинают с
измерения обратного тока коллектора. Собирают цепь по схе-
ме (рис. 131). Включив источник тока, измеряют обратный
ток коллектора при разомкнутой цепи эмиттера. У транзисто-
ров типа МП39 — МП41 сила тока /Кбо не должна превышать
15 мкА, у транзисторов типа МП42 — 25 мкА. Больший обрат-
ный ток говорит о недоброкачественности транзистора. Чем
меньше сила тока /Кбо, тем доброкачественнее транзистор.

Для измерения коэффициента передачи тока собирают цель
по схеме (рис. 132).
РИС. 132.

РИС. 131.

Приступая к измерениям» устанавливают ползунок потен-
циометра /?1 в крайнее нижнее по схеме положение.. Замыка-
ют цепь источника тока в коллекторной цепи. Делителем на-
пряжения #1 изменяют напряжение на базе транзистора и
измеряют силу тока базы 1^. Для каждого значения силы то-
ка базы измеряют силу тока коллектора /к. Вычисляют коэф-
фициент передачи тока.

Внимание! При всех измерениях нельзя допускать, чтобы
цепь базы транзистора оказалась разорванной по постоянному
току. В этом случае возможен пробой р—л-перехода, и тран-
зистор выйдет из строя.

§ 24. ЭЛЕКТРОННОЕ РЕЛЕ

Повысить чувствительность электромагнитных реле можно,
используя сочетание усилителя тока с электромагнитным реле.
Подобный преобразователь сигнала в автоматических устрой-
ствах получил название электронного реле. Ознакомиться -с
работой электронного реле можно на примере преобразования
сигнала от датчика освещенности — фоторезистора. Соберем
установку (рис. 133) по схеме, показанной на рис. 134. Преж-
де всего бросается в глаза способ включения транзисторов.
Коллекторы двух транзисторов соединены между собой. Эмит-
тер первого транзистора соединен с базой второго. В схему
два транзистора включены как один. Сделано это для того, что-
бы получить большее усиление по мощности. Кроме того, у
такого составного транзистора коэффициент передачи тока
равен произведению коэффициентов передачи обоих транзи-
сторов, и, наконец, составной транзистор имеет большее вход-
ное сопротивление, чем отдельно взятый.
Отрицательное напряжение смещения подается на базу со-
ставного транзистора через фоторезистор. При освещении фо-
торезистора его сопротивление уменьшается, увеличивается
отрицательное напряжение на базе и вследствие этого возра-
стает ток в коллекторной цепи составного транзистора. Воз-
росший ток вызовет срабатывание электромагнитного реле,
которое своими контактами включит (или выключит) лампу.

Для того чтобы можно было настроить электронное реле
на определенную освещенность, на базу составного транзисто-
ра одновременно подается регулируемое положительное на-
пряжение. Уменьшая положительное напряжение на базе, уве-
личиваем чувствительность реле к освещенности, и наоборот.
Таким образом, можно настроить электронное реле на сраба-
тывание или от рассеянного дневного света, или от освеще-
ния фоторезистора специальным осветителем.

Возможность регулировки чувствительности в широких пре-
делах не единственное достоинство электронного реле. В ряде
случаев в электронном реле можно обойтись без применения
электромагнитного реле с его контактами.

Включим электрическую лампу в коллекторную цепь тран-
зистора вместо обмотки электромагнитного реле (рис. 135).
Теперь при увеличении освещенности фоторезистора лампа за-
горается (рис. 136). Чем ярче освещен фоторезистор, тем ярче
светится лампа. В таком реле нет контактов, и поэтому его
называют бесконтактным электронным реле.

Поменяем местами фоторезистор и переменный резистор
(рис. 137). В установке (рис. 138) при увеличении освещен-
мости 'фоторезистора лампа в
коллекторной цепи будет све-
титься меньше и, наоборот,
при уменьшении освещенности
лампа будет гореть ярче. ‘

Подвижная система элект-
ромагнитного реле обладает
инерционностью, и поэтому
при кратковременных сигна-

лах от датчика электромаг-

нитное реле может не успеть сработать. Электронное реле по-
зволяет преодолеть эту трудность. Обратите внимание на схе-
му (рис. 139). При кратковременном замыкании ключа 51 кон-
денсатор С1 подключается к источнику тока и заряжается. Об-
кладка конденсатора, соединенная с базой транзистора, имеет
отрицательный потенциал, поэтому ток в коллекторной цепи
транзистора возрастает и вызывает срабатывание электромаг-
нитного реле. Отрицательный заряд на обкладке конденсатора

сохранится и после размыкания ключа, и лампа в цепи кон-
тактов электромагнитного реле останется включенной. По па-
раллельно конденсатору включен резистор переменного сопро-
тивления, и через него конденсатор будет постепенно разря-
жаться. Чем больше сопротивление /?1 и емкость конденсато-
ра С1, тем медленнее будет уменьшаться отрицательный потен-
циал на базе транзистора.

Соберем установку (рис. 140) и будем переменным рези-
стором регулировать сопротивление /?1. Нетрудно заметить,
что время горения лампы изменяется. Такое реле называют
электронным реле времени. Оно позволяет не только преодо-
леть трудности, связанные с инерционностью электромагнитных
реле, но и включать или выключать приборы на определенный
срок. Например, при фотопечати необходимо включать лампу
фотоувеличителя на определенный промежуток времени. Для
этой цели можно изготовить реле времени, подобное рассмот-
ренному. Следует только учесть, что лампа фотоувеличителя
имеет гораздо большую мощность, чем та лампа, которую мы
включали в цепь контактов электромагнитного реле, Поэтому,
если вместо маломощной лампы в цепь контактов используе-
мого реле включить лампу фотоувеличителя, контакты элек-
тромагнитного реле могут быстро обгореть. Чтобы этого не
произошло, контакты реле времени используют для включения
и выключения более мощного электромагнитного реле. А уже
в цепь контактов мощного электромагнитного реле включают
лампу фотоувеличителя.

14.	Задание на конструирование и изготовление
электронного реле

1.	Сконструировать электронное реле.

Технические условия:

•	а) реле должно предназначаться для совместной работы с
датчиком технологического параметра, сконструированным по
заданию 13, или для управления моделью автомобиля (зада-
ние 7);

б)	конструкция электронного реле должна быть простой,
но надежной в работе и иметь минимальные габариты;

в)	при конструировании электронного реле можно использо-
вать схемы, известные вам из § 23—24 настоящего пособия
или из другой литературы;

г)	в конструкции электронного реле должны использовать-
ся те материалы и детали, которые имеются в школе.

2.	Выполните эскизный проект электронного реле.

3.	Обсудите проект с учителем, а если электронное реле
предназначено для совместной работы с датчиком технологи-
ческого параметра, то и с инженерно-техническими работника-
ми базового предприятия.

4.	Изготовьте электронное реле.

5.	Проведите испытания электронного реле.

§ 25. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ
АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Исполнительные органы автоматических*устройств так же
разнообразны, как и рабочие органы машин, потому что они
и существуют для того, чтобы воздействовать на рабочие орга-
ны машин.

Для механического воздействия на рабочие органы машин
чаще всего используются электрические двигатели, если тре-
буется значительное линейное или угловое перемещение.
Соленоидный двигатель — другой тип исполнительного эле«
мента, часто применяемого в устройствах автоматики. В этом
двигателе создается небольшое поступательное перемещение
сердечника, присоединяемого к объекту автоматизации.

Соленоидный двигатель состоит из катушки, внутри кото-
рой расположен стальной сердечник. При пропускании тока
через катушку возникает магнитное поле, которое втягивает
сердечник внутрь катушки. Для Некоторого увеличения воз-
действия магнитного поля па сердечник внутри катушки име-
ется короткий стальной стержень (стоп), а сама катушка по-
мещается в стальной цилиндрический кожух (рис. 141). Это
создает почти замкнутый магнитопровод с малым сопротив-
лением и рассеиванием.

Часто исполнительным органом автоматических устройств
являются различного рода муфты. Дисковая электромагнитная
муфта представляет собой электромагнит с- якорем. В муфте
(рис. 142) корпус 2 электромагнита жестко закреплен на вег
дущем валу /, а якорь 5 расположен на скользящей шпонке
на ведомом валу 7. Между корпусом и якорем помещена
фрикционная прокладка <?. В корпусе находится катушка 4.
Если через катушку пропустить ток, то в корпусе возникнет
магнитный поток, пронизывающий фрикционную прокладку и
замыкающийся якорем. Якорь окажется притянутым к корпу-
су, и движение ведущего вала / через корпус и якорь будет
передано ведомому валу 7. По прекращении подачи тока в ка-
тушку пружина 6 отталкивает якорь от корпуса, и движение •
ведомого вала прекращается.

Порошковая муфта состоит из двух дисков, между которы-
ми находится ферромагнитный порошок. Если создать между
дисками магнитное поле, то частицы порошка притягиваются
друг к другу и дискам и связывают их во время передачи вра-
щения между собой. Порошковые муфты передают довольно
большие крутящие моменты при сравнительно небольших соб-
ственных размерах.

Для управления потоками жидкости и газа применяются
электромагнитные краны. Принцип их устройства аналогичен
принципу устройства соленоидного двигателя. Внутри трубки
из немагнитного материала помещается стальной клапан, пе-
рекрывающий путь жидкости или газу (рис. 143). На трубку
надевается катушка электромагнита. При пропускании тока
через катушку клапан втягивается внутрь катушки и откры-
вает дорогу жидкости или газу. После прекращения подачи
тока в катушку стальной клапан возвращается йа место или
под действием силы тяжести, или пружиной (рис. 144).

Функцию исполнительного органа автоматического устрой-
ства могут выполнять контакты, замыкающие, размыкающие
или переключающие электрические цепи.

Конструктивно контакты делятся на три основные группы:

1)	точечные с соприкосновением в одной точке (рис. 145,а),
применяемые в маломощных устройствах;

2)	линейные с соприкосновением по линии, применяемые в
устройствах средней мощности (рис. 145,6);

РИС. 145.
3)	плоскостные с соприкосновением по всей контактной по-
верхности (рис. 145, в), применяемые в устройствах средней
и большой мощности.

Выбор контактов обусловливается следующими причинами.
В маломощной, слаботочной аппаратуре преимущественно
используются точечные контакты, изготовленные из серебра и
его сплавов с палладием. Нередко эти контакты золотят. Де-
ло в том, что подобные контакты часто применяются в таких
случаях, когда контактное давление (сила, с которой контак-
ты прижимаются друг к другу) мало и поэтому необходимо
уменьшить электрическое сопротивление контактов. Это кон-
такты поляризованных и магнитоэлектрических реле, контакты
контактных датчиков.

Линейные и плоскостные контакты изготавливаются из
вольфрама и его сплавов с молибденом и из меди для очень
мощных контактов. Эти контакты замыкают электрические
цепи с большой силой тока. Электрический ток, проходя через
контакты, вызывает их нагрев, а кроме того, при размыкании
таких цепей между контактами возникает электрическая дуга,
вызывающая обгорание контактов. Вот почему для изготов-
ления мощных контактов применяются тугоплавкие сплавы»

Если не учитывать этих конструктивных особенностей кон-
тактов и включить, например, в исполнительную цепь поляри-
зованного реле мощную электрическую лампу, то контакты
реле быстро выйдут из строя.

Здесь мы упомянули контакты электромагнитного реле, хо-
тя в § 23 называли электромагнитное реле электрическим пре-
образователем. Дело в том, что подразделение элементов
автоматического устройства на датчик, преобразователь и
исполнительный орган произведено с учетом той функции, ко-
торую выполняет данный элемент в автоматическом устрой-
стве, и подразделение это в значительной степени условно.
Так, если электромагнитное реле преобразовывает сигнал дат-
чика и своими контактами управляет работой двигателя, муф-
ты, клапана и т. д., то в этом случае электромагнитное реле
выполняет функцию преобразователя электрического сигнала,
а исполнительными органами являются двигатель, муфта, кла-
пан и т. д. Если же сигнал датчика должен вызвать переклю-
чения в электрической цепи и для исполнения этой команды
достаточно контактов реле, то контакты реле выполняют функ-
цию исполнительного органа.

Контактный датчик одновременно может выполнять функ-
цию исполнительного органа. Таким образом, название «дат-
чик, преобразователь или исполнительный орган» относится не
к конкретной конструкции, а к той функции, которую выпол-
няет эта конструкция в автоматических устройствах контроля,
управления или регулирования.
Глава 7

АВТОМАТИЗАЦИЯ

ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

§ 26.	УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО
КОНТРОЛЯ И СИГНАЛИЗАЦИИ

Эти устройства без участия человека контролируют различ-
ные физические параметры (температуру, давление, электри-
ческое напряжение, силу тока, уровень жидкости и т. д.),
размеры и качество обработки деталей, учитывают количест-
во продукции и т. п. Кроме того, устройства автоматического
контроля сигнализируют о появлении аварийных режимов ра-
боты и неполадок.

В самом простом случае устройство автоматического конт-
роля состоит из датчика, и измерительного или сигнализиру-
ющего прибора. С такими простейшими устройствами контро-

ля мы уже ознакомились, когда говорили о датчиках, потому
что для наблюдения за работой датчика включали или’изме-
рительный прибор, или электрическую лампу. Прибор, лампа,
звонок в этих случаях выполняют функцию исполнительного
органа. Но если сигнал датчика не может привести в дейст-
вие исполнительный орган, то он преобразовывается электро-
магнитным реле или усилителем, а только потом подается на
исполнительный орган.

Пронаблюдаем работу автоматического устройства для сор-
тировки деталей по прозрачности. Устройство состоит из фо-
тореле и исполнительного органа. С работой фотореле вы уже
знакомы. Исполнительный орган представляет собой желоб,
по которому могут скатываться сортируемые цилиндры. В же-
лобе сделано продолговатое отверстие, закрытое откидываю-
щейся вниз пластинкой / (рис. 146). Пластинку удерживает
якорь 2 электромагнита 3. Под желобом расположено два от-
сека: один отсек — под откидывающейся пластинкой, а вто-

рой— в конце желоба. Рядом с желобом укреплена электри-
ческая лампа. Свет от нее падает на датчик — фотоэлемент.
Сигнал датчика усиливается транзистором и поступает в об-
мотку электромагнитного реле. Включим в цепь контактов
электромагнитного реле обмотку электромагнита так, чтобы
•	при освещенном .фотоэлементе

РИС. 146.

контакты реле были разомк-
нуты, а при затемнении фото-
элемента контакты реле вклю-
чали ток в обмотку электро-
магнита.

Будем скатывать по жело-
бу прозрачные и непрозрач-
ные цилиндры (рис. 147). При
скатывании прозрачного ци-
линдра 1К.М4Ж смета от лампы
ие прерышкпся, когда цилиндр
оказывается между лампой и
фотоэле мен гом Якорь элект-
ромагнит удерживает отки-
дывпкмцукн'и пластинку, ци-
линдр ни миги до конца же-
лоба и пол <101 в правый край-
ний отсак При скатывании
непро 1рп*1н<»ц| цилиндра поток
света ирсры1он'|1 и, когда ни

РИС. 147.

линдр нлмншн и между лам-
пой и фотоэлементом. Реле
срабл।Ы1Н1С1 н включает ток
в Обмотку электромагнита.
Якорь тем ромигпи । а перс

стает удгржиппн. о гк иды кающуюся пластинку, и опа под тя-
жестью пилиндрн открывает отверстие в желобе. Непрозрачный
цилиндр нлдиет в левый отсек.

Можно скатывать по желобу прозрачные и непрозрачные

цилиндры в любой последовательности, но автоматическое
устройство контроля прозрачности четко рассортирует цилинд-
ры. Все прозрачные окажутся в правом отсеке, а все непро-
зрачные— в левом.	.

Если в подобном устройстве заменить датчик освещенно-
сти на датчик, например, размеров, то устройство будет сор-.

тировать детали по размерам.

На фабриках и заводах, выпускающих фасованную про-
дукцию или детали определенного веса, устройства автомати-
ческого контроля быстро и четко определяют вес изделия и
пропускают только такие пакеты или детали, вес которых со-
ответствует корме.

Нередко даже сосчитать готовые изделия бывает трудно,
особенно на заводах, выпускающих такую массовую продук-
цию, как шарикоподшипники, винты, гайки. Автоматические'
устройства контроля и здесь могут прийти па помощь чело-
веку. Ознакомимся с моделью автоматического устройства для
счета деталей. На модели конвейера перемещаются кубики.

Луч света от лампы про-
ходит над лентой кон-
вейера и освещает фото-
элемент. Каждая деталь
на движущемся конвейе-
ре прерывает луч света.
Фотореле срабатывает и
включает счетчик (рис.
148). Теперь нет нужды
заботиться о подсчете

РИС. 148.

129

© С. А. Корошавнн
деталей. Эту работу выполнит неутомимая автоматика.

Когда мы говорили о надежности машин (§ 14), то под-
черкивали важность контроля состояния отдельных узлов и
механизмов. Чем сложнее машина и чем выше требования к
ее надежности, тем больше параметров машины должно на-
ходиться под постоянным контролем. Так, на самолете десятки
датчиков контролируют режим работы и состояние борто-
вой аппаратуры воздушного корабля. Все сведения от датчи-
ков поступают к указателям. Для того чтобы пилот не отвле-
кался от своей главной задачи — управления самолетом, сиг-
налы от наиболее важных для безопасности полета датчиков
подаются не только на указывающий прибор, но и на сиг-
нальное устройство. Пока показания приборов соответствуют
нормальной работе всех агрегатов самолета, сигнальное уст-
ройство остается выключенным. Но как только датчики заме-
тят опасные отклонения от нормальных режимов работы
(опасные повышения температуры, уменьшение давления мас-
ла, повышенный расход горючего и т. д.), автоматически
включается сигнал, привлекающий внимание пилота к пока-
заниям какого-то одного прибора.

Нередко измерительные приборы даже и нс устанавлива-
ют. Например, на автомобиле «Жигули» нет приборов, пока-
зывающих давление масла, работу генератора электрическо-
го тока, количество тормозной жидкости. Но датчики следят
за работой генератора, контролируют давление масла, уро-
вень тормозной жидкости, количество горючего в баке. И как
только появляются какие-либо отклонения от нормы, на при-
борном щитке загораются красные лампы. Понятно, что вме-
сте с лампой можно включить и звонок или сирену. В этом
случае человек не только зрением, но и слухом обнаружит
тревожный сигнал от датчиков и устранит возникшую неис-
правность.

§ 27.	УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОЙ
ЗАЩИТЫ

Автоматическая защита оборудования от аварий — это спе-
циальная система автоматики, которая в случае аварии агре-
гата немедленно вступает в строй, отключает другие средства
автоматизации и приводит агрегат в состояние, предотвраща-
ющее или значительно замедляющее развитие аварии.

Например, если перегорят трубы парового котла, необхо-
димо погасить топку и усилить отсос газов и паров из нее.
Котел нужно отсоединить от общего трубопровода и от об-
щей питательной магистрали и перевести на питание водой
от отдельного насоса. При выполнении этих действий необхо-
димо все операции выполнять быстро и в должной последо-
вательности. Устройства автоматической защиты быстро и
четко справляются со всеми этими операциями без вмеша-
тельства людей.

Функциональная схема устройства автоматической защи-
ты похожа па устройства автоматического контроля и сигна-.
лизации. Так же как и в устройстве контроля, состояние за-
щищаемого объекта контролируется датчиком. Сигнал от дат-
чика преобразовывается и поступает на исполнительный
орган. Но исполнительный орган нс просто сигнализирует о не-
нормальных режимах работы, а активно воздействует на объ-
ект, прекращает его работу. Не случайно устройства автома-
тической защиты нередко называют устройствами автомати-
ческого активного контроля.

С развитием электрификации особо большое значение при-
нимает автоматическая защита электрооборудования, электри-
ческих сетей и обслуживающего персонала в случаях нару-
шений нормального режима работы (короткие замыкания, пе-
репрев обмоток электродвигателей, снижение напряжения се-
ти ниже допустимых пределов и т. п.).

В зависимости от видов опасности, которой подвергается
электроустановка, различают следующие виды защиты:

а)	максимальная токовая защита от коротких замыканий
и перегрузок;

б)	тепловая защита от перегрева обмоток электродвигате-
лей;

в)	минимальная или нулевая защита от снижения напря-
жения в сети ниже допустимой величины.

Максимальная токовая защита осуществляется при помо-
щи плавких предохранителей или максимальных токовых ре-
ле. Плавкие предохранители представляют собой отрезок про-
волоки (вставку из легкоплавкого металла), включенный по-
следовательно в цепь нагрузки.

Когда через такой отрезок проволоки проходит ток, то про-
волока нагревается, и тем сильнее, чем выше сила тока. При
определенной силе тока вставка расплавляется и отключает
аварийный участок цепи.

Время плавления вставки зависит от силы тока, протека-
ющего через нее. Вставка не расплавляется при силе тока,
больше номинальной в 1,25 раза; при силе тока больше но-
минальной в 1,6 раза, она расплавляется через 50 мин; при
силе тока, превышающей номинальную в 8—10 раз, вставка
расплавляется мгновенно.

Значит, плавкие вставки не могут защищать от небольших,
но длительных перегрузок. Они надежно работают при токах
короткого замыкания в электроприборе или электрической се-
ти. Более надежна в этом отношении релейная защита.

Максимальное токовое реле представляет собой электро-
магнит, катушка которого включается последовательно в цепь
главного тока (обычно через трансформатор). При нормаль-
9*
РИС. 149.

РИС. 150.

ной силе тока, протекающего через обмотку реле, якорь реле
опущен. Если сила тока выше допустимой, якорь реле притя-
гивается к сердечнику и размыкает контакты выключателя.

На рис. 149 изображена принципиальная схема реле мак-
симального тока. Цепь замкнута контактами выключателя /,
который удерживается защелкой 2. Размыкание контактов
происходит под действием отключающей пружины.

Катушка максимального токового реле включена последо-
вательно в цепь главного тока. Если через катушку реле про-
ходит ток, который равен току срабатывания или больше его,
стальной сердечник 5 втягивается в катушку 3 и толкатель
выбивает защелку 2. Под действием пружины контакты вы-
ключателя размыкаются. Обратное включение производится
специальной кнопкой (на рисунке не показана).

Такие максимальные токовые реле применяют для защи-
ты электрических сетей от коротких замыканий и больших пе-
регрузок. Их недостаток заключается в том, что при кратко-
временных, неопасных для электрической сети перегрузках они
срабатывают и лишают потребителя электроэнергии. Для по-
вышения надежности электроснабжения реле максимального
тока могут быть снабжены устройством выдержки времени.
Если в течение определенного промежутка* на который на-
строено реле времени, сила тока не изменяется, тогда вступа-
ют в действие автоматические выключатели.

Возможный вариант устройства максимальной токовой за-
щиты с выдержкой времени приведен на рис. 150. Здесь осво-
бождение защелки происходит не мгновенно после увеличения
тока, а через определенный промежуток времени, необходи-
мый для того, чтобы зубчатая система К повернулась на не-
который угол.

Защитное действие плавких предохранителей и максималь-
ных токовых реле определяется силой тока. Но для изоляции
РИС. 151.

двигателей опасность представ-
ляет не сила тока, а тепло, вы-
деляющееся в двигателе.

Для защиты обмоток двига-
телей от перегрева применяют
тепловые реле. В качестве дат-
чика теплового реле использу-
ется биметаллическая пластин-
ка. В одном из вариантов теп-
лового реле биметаллическая
пластинка выполнена в виде

мембраны / с укрепленным в центре контактом 2 (рис. 151).
Биметаллическая мембрана помещается в тепло- и электро-
проводящий кожух 3. Вторым контактом служит изолирован-
ный от кожуха регулировочный винт 4. Термореле монтиру-
ется на статорной обмотке двигателя. При повышении темпе-
ратуры обмотки электродвигателя выше допустимой биметал-
лическая мембрана прогибается и размыкает цепь управления,
что вызывает отключение двигателя. После охлаждения
обмоток биметаллическая мембрана возвращается в исходное
положение и замыкает контакты 2—4. Появляется возмож-
ность повторного пуска двигателя. В этом случае датчик (би-
металлическая мембрана) непосредственно контролирует тем-
пературу обмотки двигателя. Но контроль температуры. мо-
жет осуществляться ц косвенным путем. В этом случае биме-
таллическая пластинка, управляющая работой выключателя,
помещается вне электродвигателя. 1ок, проходящий через об-
мотку двигателя, пропускается и через спираль нагревателя,
расположенного рядом с биметаллической пластинкой. При
перегрузке двигателя возрастает ток через его обмотку. Но
тот же самый ток вызывает и нагрев биметаллической плас-
тинки. Пластинка изгибается и выключает ток.

Как правило, все магнитные пускатели оборудуются уст-
ройством защиты от перегрузки. Обратите внимание на кноп-
ку, расположенную на кожухе магнитного пускателя. Если
электродвигатель или другой агрегат, включаемый магнитным
пускателем, отключится автоматически вследствие перегруз-
ки, то повторный пуск возможен только после того, как дви-
гатель остынет. Перед пуском двигателя надо нажать на кноп-
ку, которая включает устройство защиты от перегрузки.

Другой обширной областью применения автоматической
защиты являются устройства автоматической блокировки, ко-
торые защищают аппаратуру от неправильных действий со
стороны обслуживающего персонала, ограничивают масшта-
бы аварии, обеспечивают безопасность производства ряда работ.

На железном дороге и в метро красный сигнал семафора
предупреждает водителя локомотива о том, что участок впе-
реди занят другим составом. Но если водитель попытается
провести поезд на красный свет, устройство автоматической
блокировки включит тормозную систему поезда. Быстроход-
ные прессы нельзя привести в действие, пока руки рабочего
находятся в опасной зоне. Здесь блокировка осуществляется
с помощью фотореле. Пока рука загораживает луч света, пе-
ресекающего опасную зону, фотореле удерживает устройство
управления прессом в выключенном состоянии.

Устройства автоматической блокировки широко использу-
ются и в быту. Если при включенных в сеть телевизоре или
радиоприемнике попытаться снять их задние стенки, прикры-
вающие доступ к деталям, находящимся под высоким напря-
жением, телевизор и радиоприемник автоматически выключа-
ются. Устройством автоматической блокировки снабжена
центрифуга стиральной машины. Пока крышка не будет за-
крыта, центрифугу нельзя включить.

§ 28.	УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО
УПРАВЛЕНИЯ

Назначение устройств автоматического управления состоит
в том, чтобы освободить человека от непосредственного уча-
стия в операциях пуска, остановки и реверсирования различ-
ных двигателем и агрегатов. Начальный сигнал к включению
устройства автоматического управления может подавать или
другое автоматическое устройство, или человек.

Значение устройств автоматического управления станет по-
нятным, если проделать такой опыт: последовательно с дви-
гателем от швейной машины включить электрическую лампу
220 В, 150 Вт (рис. 152). При включении двигателя в сеть
лампа загорается, а затем медленно гаснет. Чем сильнее на-
гружен двигатель, тем ярче загорается лампа и тем медлен-
нее она гаснет. Происходит это потому, что в момент пуска
двигателя через его обмотки проходит сравнительно большой
ток, который уменьшается по мере того, как двигатель наби-
рает обороты. Этот ток, во много раз превышающий номи-
нальный для данного двигате-

ля, называют пусковым то-
ком. При включении мощных
двигателей пусковой ток мо-
жет быть опасным для элек-
трических сетей и вызовет
срабатывание устройств авто-
матической защиты электри-
ческой сети от перегрузки.
Поэтому в момент пуска мощ-
ного двигателя последова-
тельно с ним в цепь включа-
ют сопротивления, ограничи-
РИС. 1М.

вающие силу тока. По мере повышения скорости вращения
якоря двигателя сопротивление уменьшают. Это вызывает но-
вый бросок тока. При дальнейшем увеличении скорости вра-
щения якоря сила тока, потребляемого двигателем, уменьша-
ется. Вновь уменьшают введенное сопротивление, вновь про-
исходит бросок пускового тока, и так продолжается до тех
пор, пока якорь двигателя не разовьет нормальную скорость
вращения, а сила тока не снизится до рабочего значения.

Ввиду такой сложной операции пуска электродвигателей
и многих других производственных агрегатов были созданы
автоматические устройства, которые позволили сложную опе-
рацию пуска свести только к одной простейшей начальной
операции, вроде замыкания рубильника или нажатия кнопки.

Рассмотрим применение автоматики для пуска электродви-
гателя с учетом пускового тока.

В главную цепь электродвигателя включены последова-
тельно три ограничивающих ток резистора 2?1,	/?3. Элек-

тромагнитные реле тока последовательного включения /С1, Л'2,
КЗ (рис. 153), обмотки которых имеют малые сопротивления,
поочередно вводятся в действие при срабатывании мощных
электромагнитных реле (контакторов) КЛ, КА, Кб, Кб. Нор-
мально открытые контакты этих реле замыкаются при умень-
шении силы тока, проходящего через двигатель, до заданно-
го значения.

Действие схем управления при пуске двигателя происхо-
дит в такой последовательности: при кратковременном нажа-
тии пусковой кнопки 32 включается и блокируется через свой
нормально открытый контакт КЛ.2 линейный контактор КЛ;
нормально замкнутый контакт реле К1 размыкается. В цепь
двигателя введены все три резистора, ограничивающие пус-
ковой ток. Якорь двигателя начинает вращаться. При умень-
шении тока до заданного значения реле замыкает свой
нормально замкнутый контакт К 1.1 и включает контактор
управления К4. Контакты К4.1 этого контактора закорачива-
ют резистор /?3 и цепь катушки реле /(I и вводят в действие
реле /(3. Следует новый бросок тока, реле КЗ размыкает свой
нормально замкнутый контакт КЗ.I. При уменьшении тока,
вызванного дальнейшим увеличением числа оборотов двига-
теля, реле КЗ замыкает свой нормально замкнутый контакт
Л3.1 и включает контактор КЗ. При этом закорачивается ре-
зистор К2 и цепь катушки реле К3> вводится в действие реле
К2. Затем таким же образом включается контактор Кб, и
последний ограничивающий ток резистор закорачивается. Дви-
гатель развивает нормальные обороты. Остановка двигателя-
производится кратковременным нажатием кнопки 51. При
этом цепь катушки линейного контактора размыкается, и
двигатель отключается от сети.

В главную цепь двигателя включено реле максимального
тока XI, которое защищает двигатель от перегрузки. При ко-
ротком замыкании и при перегрузке это реле размыкает цепь
катушки линейного контактора КЛ.

С помощью устройств автоматического управления не
только запускают или останавливают агрегат, но и тормозят,

реверсируют и т. д.

Часто устройства автоматического управления применяют
совместно с устройствами автоматического контроля и защи-
ты. Для этого достаточно параллельно кнопкам «пуск» и
«стоп» включить контакты какого-либо реле, управляемого
датчиком.

Если технологические операции должны производиться в
определенной последовательности, то применяются устройства
программного управления. Программное устройство представ-
ляет собой переключатель, приводимый в движение с посто-
янной скоростью электродвигателем или часовым механизмом.
Контакты переключателя располагают так, чтобы продолжи-
тельность сигнала на выполнение каждой операции соответст-
вовала продол жительно-
рИС. 154.	сти этой операции.

Рассмотрим работу
программного устройства
на модели. На панели
расположены три пары
замкнутых	контактов

(рис. 154). В цепь каж-
дой пары контактов
включим различные ис-
полнительные устройства
(электродвигатель, лам-
пу, звонок). Чтобы эти
исполнительные устрой-
ства включались в определенной последовательности и на опре-
деленное время, контакты разъединяются диском, изготовлен-
ным из изолирующего материала. В диске имеются три ряда
отверстий.

Когда одно из отверстий оказывается против контактов,
они замыкаются и включают свое исполнительное устройство.
Диск приводится во вращение с постоянной скоростью элект-
родвигателем. Продолжительность работы исполнительного
устройства зависит от размеров отверстия. Длинная прорезь в
диске — исполнительное устройство — включается на продол-
жительное время, короткая прорезь — кратковременное вклю-
чение исполнительного устройства. Стоит только заменить
диск-программу на другую и порядок включения исполни-
тельных устройств, и продолжительность их работы изме-
нятся.

Если в вашей школе звонки подаются автоматически, то
это, значит, работает устройство программного управления.

Программа может задаваться не только в виде диска с от-
верстиями для контактов, но и в виде ленты с отверстиями
(перфолента). Программа может быть записана на магнито-
фонную пленку и на фотопленку. В устройствах механической
автоматики программа действий нередко задается в виде ва-
ла с кулачками. Вал вращается, а кулачки в нужной после-
довательности воздействуют на нсролнительные органы. Так,
в двигателе внутреннего сгорания кулачковый вал управляет
работой газораспределительного механизма: открывает кла-
паны для впуска в цилиндры горючей смеси, закрывает их
при такте сжатия, открывает клапаны для выпуска отрабо-
танных газов и т. д.

Станки с программным управлением изготавливают слож-
ные детали без вмешательства человека. Рабочему-оператору
надо только загрузить станок сырьем и включить его. А если
потребуется другая деталь, меняется программа и станок на-
чинает выпускать иную продукцию.

Конечно, это очень удобно при выпуске массовой продук-
ции, например крепежных деталей (винтов, гаек, шайб). Стан-
ки с программным управлением работают неутомимо, и один
рабочий вполне справляется с надзором за работой несколь-
ких станков.

Но автоматические устройства программного управления
нельзя назвать «умной» автоматикой. Программное устройст-
во подает звонки на урок и с урока и после того, как кончат-
ся занятия в школе и ученики разойдутся по домам. Станок с
программным управлением будет продолжать работать и пос-
ле того, как кончится сырье, пока его не остановит рабочий
человек.

Этих недостатков лишены устройства автоматического ре-
гулирования.
§ 29.	УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО
РЕГУЛИРОВАНИЯ

Устройства автоматического регулирования поддерживают
с заданной точностью состояние производственного процесса
или обеспечивают ход этого процесса по заранее заданному
в зависимости от каких-либо условий закону.

Автоматические устройства контроля, защиты и управле-
ния обеспечивают лишь частичную автоматизацию производ-
ственных процессов. Полную автоматизацию невозможно осу-
ществить без применения устройств автоматического регули-
рования. В настоящее время трудно указать такую отрасль
техники, в которой не применялись бы автоматические регу-
ляторы.

Автоматическое регулирование так воздействует на ход
технологического процесса, что количественное значение ка-
кого-либо параметра, влияющего на процесс, в течение опре-
деленного времени остается неизменным.

Автоматические регуляторы следят за уровнем воды в во-
донапорных башнях и поддерживают этот уровень на задан-
ной высоте, в колхозном инкубаторе автоматически поддер-
живают температуру и влажность воздуха, в электротехнике
регулируют напряжение, силу тока, частоту тока. В энерго-
системах автоматическое регулирование позволяет правильно
распределять нагрузки между отдельными электростанциями.
Без автоматического регулирования во многих случаях была
бы невозможна параллельная работа нескольких агрегатов
или нескольких электрических станций на одну сеть. Для ус-
тойчивого приема сигналов в радио- и проводной связи, на-
пряжение которых может меняться, применяется автоматиче-
ское регулирование усиления н т. п.

И в наших квартирах незримо работают автоматические
регуляторы.

Утюг, снабженный устройством автоматического регулиро-
вания температуры, не перегреется и не повредит нежную
ткань. Автоматически поддерживается заданная температура
в морозильной камере холодильника. Устройство автоматиче-
ского регулирования числа оборотов электродвигателя обес-
печивает равномерное движение пленки в магнитофоне. Хо-
рошая работа цветного телевизора невозможна при изменяю-
щемся напряжении в цепи питания. Заданное напряжение пи-
тания телевизора поддерживает устройство автоматического
регулирования напряжения.

В радиоприемниках, магнитофонах, электрофонах, телеви-
зорах работает система АРУ (автоматическое регулирование
усиления).

Устройства автоматического регулирования применяются
всегда, когда надо поддержать требуемый режим работы аг-
РИС. 155.

РИС. 156.

РИС. 157.

регатов или хода технологи-
ческих процессов без участия
человека.

Рассмотрим блок-схемы
устройства автоматического
контроля, защиты и управ-
ления.

В устройстве автоматиче-
ского контроля сигнал от
объекта О (рис. 155) через
датчик Д и преобразова-
тель П подастся на исполни-
тельный орган И (измерительный прибор, сигнальная лампа
или сирена).

В устройстве автоматического управления (рис. 157) сиг-
нал от датчика через преобразователь и исполнительный ор-
ган идет к объекту управления. По сравнению с устройством
автоматического контроля направление сигнала в устройст-
вах автоматического управления противоположно.

Блок-схема устройства автоматической защиты схожа с
блок-схемой устройства автоматического контроля (рис. 156).
Но в этом случае исполнительное устройство не просто сигна-
лизирует о ненормальных режимах работы контролируемого
объекта, а активно воздействует на объект, прекращает его
работу. Поэтому датчик новых сигналов от объекта не полу-
чает.

Посмотрим, как работает устройство автоматического ре-
гулирования. Соберем цепь по схеме (рис. 158). С работой
этой схемы вы уже знакомы по § 24. Рядом с лампой элект-
ронного реле поместим другую лампу, питаемую через рео-
стат от другого источника тока. Датчик расположим так, что-
бы свет от обеих ламп попадал на него. Пусть помещение
освещается только светом второй лампы. Лампа в цепи коллек-
тора электронного преобразователя не горит. Будем умень-
шать яркость горения первой лампы реостатом. Освещен-
ность датчика уменьшится, и загорится лампа электронного
реле. Она будет гореть тем ярче, чем меньше будет яркость
горения первой лампы. Здесь главный регулируемый пара-

РИС. 158.

РИС. 159.
метр — освещенность помещения. В нашем опыте освещен-
ность помещения изменяется умышленно, чтобы можно было
пронаблюдать работу устройства автоматического регулиро-
вания. Но если заменить наше электронное реле более мощ-
ным, чтобы свет ламп, которыми оно управляет, мог бы со-
перничать с дневным светом, то освещенность помещения ос-
тавалась бы неизменной в течение суток. С заходом солнца
все ярче бы разгорались лампы исполнительного органа уст-
ройства автоматического регулирования освещенности поме-
щения. С рассветом исполнительный орган уменьшает искусст-
венную освещенность помещения. Сигналы от объекта регу-
лирования непрерывно поступают на датчик, от него на
преобразователь, далее на исполнительный орган, который воз-
действует на объект (рис. 159).

Такие устройства, в которых сигнал, полученный от объек-
та, в измененном виде возвращается через цепь управления к
управляемому объекту, называются устройствами с обратной
связью, или устройствами с замкнутой цепью воздействия, или
рефлексными устройствами. В нашем опыте устройство авто-
матического регулирования поддерживало неизменным основ-
ной параметр — освещенность. Поэтому такое устройство на-
зывают еще устройством автоматического регулирования по-

стоянного параметра.

Разновидностью устройств автоматического регулирования
являются следящие устройства. Ознакомиться с работой сле-
дящего устройства можно на таком опыте. Прикрепим двига-
тель к подъемному столику так, чтобы он при работе вращал
круглый столик. На столик поместим фоторезистор, включен-

ный в цепь источника тока последовательно с поляризованным

реле (рис. 160). Нормально замкнутые контакты реле будут
управлять работой двигателя. Пока фоторезистор не освещен,
двигатель работает. Как только свет начинает попадать на
датчик, двигатель выключается. В качестве источника света
используем осветительную лампу. Переместим лампу так, что-
бы освещенность дат-
чика уменьшилась.
Включается двигатель
и начинает поворачи
вать столик с фоторе-
зистором, чтобы дат-
чик ' опять оказался
обращенным к лампе.
Если фоторезистор за-
щитить от отраженно-
го и рассеянного све-
та короткой трубкой
(тубусом), то столик
будет поворачиваться,
пока тубус не окажется направленным на лампу. Если мед-
ленно перемешать лампу, то вслед за лампой будет повора-
чиваться столик. Остановим лампу, остановится и столик.
Столик как бы следит за перемещением лампы. Потому-то та-
кое устройство и назвали следящим.

На космических кораблях и орбитальных станциях ос-
новным источником электроэнергии являются солнечные
батареи. Чтобы они работали хорошо, необходимо их ориенти-
ровать на Солнце. Л так как корабль перемещается, то изме-
няется его положение относительно Солнца. Следящее устрой-
ство, подобное рассмотренному, поворачивает панели солнеч-
ных батарей так, чтобы они были постоянно ориентированы
на Солнце.

Следящие системы нашли широкое применение в устрой-
ствах, именуемых следящим приводом. Например, для того
чтобы повернуть руль большого корабля, необходимо прило-
жить большое усилие, Рулевому такое усилие не создать. Но
с помощью следящего привода он может управлять кораблем,
поворачивая маленький штурвал (манипулятор), и многотон-
ный руль корабля будет поворачиваться на требуемый угол.

15.	Задание на конструирование, изготовление и исследование
автоматического устройства

1.	Сконструировать автоматическое устройство.

Технические условия:

а)	выбор автоматического устройства для конструирова-
ния вы должны произвести сами; это может быть устройство
автоматического контроля, автоматической защиты, автома-
тического управления, автоматического регулирования.

б)	желательно, при конструировании автоматического уст-
ройства использовать электронное реле, изготовленное вами
по заданию 14;

в)	лучше всего, если вы сконструируете автоматическое
устройство, которое может быть использовано на базовом про-
мышленном или сельскохозяйственном предприятии вашей
школы.

2.	Выполните эскизный проект автоматического устройст-
ва.

3.	Обсудите проект с учителем, а если автоматическое уст-
ройство предназначено для базового предприятия, то и с ин-
женерно-техническими работниками предприятия.

4.	Изготовьте автоматическое устройство.

5.	Проведите испытание автоматического устройства на ра-
ботоспособность.

6.	Проведите измерения основных параметров автоматиче-
ского устройства.

7.	Составьте краткое описание автоматического устройст-
ва и правила обращения с ним.
X КЛАСС

Глава 8 ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ
МАШИНАМИ И МЕХАНИЗМАМИ

§ 30.	ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
КОЛЕБАНИИ

Электронные генераторы преобразовывают энергию источни-
ков электропитания в энергию электрических колебаний за-
данной частоты и формы.

В зависимости от формы генерируемого сигнала различа-
ют генераторы релаксационных и гармонических колебаний.

Среди генераторов релаксационных колебаний наибольшее
распространение получили мультивибраторы. Мультивибрато-
ры дают периодические колебания нссинусоидальной формы,
содержащие, кроме основной частоты, большое число гармо-
ник. Отсюда название мультивибратор от латинских слов:
пгиИит — много и о1Ьго — колеблю.

Из курса математики известно, что почти любой периоди-
ческий процесс можно представить в виде суммы бесконечно-
го ряда тригонометрических функций, описывающих гармо-
нические процессы.

Совокупность гармонических колебаний, на которые мож-
но разложить негармоническое колебание, называется спект-
ром этого колебания.

Как и любое синусоидальное колебание, гармоника (сос-
тавная часть спектра негармонического колебания) характе-
ризуется частотой и амплитудой. В спектре негармонического
колебания каждая следующая гармоническая составляющая
характеризуется увеличением частоты и уменьшением ампли-
туды колебаний. В сумме они образуют периодический сигнал
довольно сложной формы, чаще всего похожий на прямо-
угольный.

Для более близкого знакомства с мультивибратором со-
берем установку (рис. 161) по схеме, показанной на рис. 162.
При включении источника тока лампы в коллекторных цепях
транзисторов начинают попеременно зажигаться и гаснуть.
Это говорит о том, что транзисторы работают в режиме пе-
реключения. Наибольший коллекторный ток соответствует от-
крытому состоянию транзистора. Когда транзистор одного
плеча мультивибратора открыт, транзистор второго плеча за-
крыт. Воспользовавшись секундомером, можно сосчитать,
РИС. 1в1.

РИС. 1в2.

сколько раз за определенный отрезок времени транзисторы
переходят из открытого состояния в закрытое, а затем вычис-
лить период одного колебания.

В сигналах мультивибратора можно выделить импульсы
тока и паузы между ними. Интервал времени с момента по-
явления одного импульса до момента появления следующего
импульса той же полярности принято называть периодом сле-
дования импульсов, а время между импульсами — длитель-
ностью паузы. Мультивибратор, генерирующий импульсы, дли-
тельность которых равна паузам между ними, называется
• симметричным.

Заменим один из конденсаторов на другой, меньшей ем-
кости, например в 100 мкФ. Легко заметить, что теперь одна
из ламп в зажженном состоянии находится дольше, чем вто-
рая. Это говорит о том, что соотношение между длительнос-
тью импульсов и пауз между ними изменилось. Такие муль-
тивибраторы называют несимметричными.

В момент включения питания транзисторы обоих плеч
мультивибратора открываются, так как на их базы через ре-
зисторы /?1 и подаются отрицательные напряжения смеще-
ния. Одновременно начинают заряжаться конденсаторы связи:
С1—через эмиттерный переход транзистора У2 и лампу Н\,
С2— через эмиттерный переход транзистора и лампу Н2.
Эти цепи заряда конденсаторов, являясь делителями напря-
жения источника питания, создают на базах транзисторов (от-
носительно эмиттеров) все возрастающие потенциалы, стре-
мящиеся закрыть транзисторы. Первым же закроется тот из
них, на базе которого образуется более высокий потенциал,
например из-за большего по сравнению с другим транзисто-
ром сопротивления эмиттерного перехода, разницы коэффици-
ентов передачи тока, разницы в номиналах ламп и конденса-
торов. Второй транзистор остается открытым. Но эти состоя-
ния транзисторов неустойчивы, потому что электрические про-
цессы в цепях продолжаются. Транзисторы все время воздей-
ствуют друг на друга, в результате чего мультивибратор са-
мовозбуждается и генерирует электрические колебания.


Переход транзисторов из одного состояния в другое про-
исходит почти мгновенно. Вслед за этим идет относительно
медленно процесс заряда и разряда конденсаторов до следу-
ющего момента закрывания одного и открывания другого
транзистора.	1

Частота колебаний мультивибратора зависит не только от
емкости конденсаторов связи, но и от сопротивлений базовых
резисторов.

Соберем установку (рис. 163) по схеме, изображенной на
рис. 164. Она отличается от предыдущей тем, что вместо
ламп в коллекторных цепях транзисторов включены резистор
(в одном плече) и громкоговоритель (в другом плече). Кроме
того, изменены номиналы конденсаторов и базовых резисто-
ров смещения. ’

При включении источника тока в громкоговорителе раз-
дастся звук низкого тона. Изменяя значение введенного соп-
ротивления переменным резистором /?2, можно изменять вы-
соту звука, т. е. частоту генерируемых колебаний.

Для симметричного мультивибратора частоту колебаний
можно подсчитать по формуле:

/’с •
• 1 ♦
. 1 *

Результат вычислений позволяет лишь ориентировочно су-
дить о частоте генерируемых колебаний, так как в формулу
не| входят ^параметры исполь-
зуемых транзисторов.

Для плавного изменения
частоты колебаний симмет-
ричного мультивибратора

РИС. 165.

можно воспользоваться дру-
гой схемой (рис. 165). Здесь
сопротивление смещений в
обоих плечах мультивибрато-
ра изменяется одновременно
на одно и то же значение.

Нет, пожалуй, такой от-
расли радиотехники, электроники, автоматики, где бы ни при-
менялись мультивибраторы.

Со звуковым генератором мы уже ознакомились. Если В
коллекторную цепь одного из плеч мультивибратора включить,
обмотку электромагнитного реле, то мультивибратор позволит
периодически включать, выключать или переключать какие-
либо электрические цепи.

Точно настроив мультивибратор па частоту 60 Гц, получим
основу для конструирования секундомера.

Частота колебаний, генерируемых мультивибратором, мо-
жет лежать в весьма широком диапазоне (до нескольких ме-
гагерц).

Радиолюбители включают два или несколько мультивиб-
раторов так, чтобы один мультивибратор управлял работой
(включал, изменял частоту колебаний) других мультивибра-
торов, работающих в диапазоне звуковых частот. Получается
интересный эффект: такие звуковые генераторы начинают из-
давать звуки, имитирующие пение соловья, кукование кукуш-
ки, плач ребенка, мяуканье котенка.

Обратите внимание на то, что в мультивибраторе частота
колебаний определяется значениями сопротивлений резисторов
и емкостей конденсаторов. Такие генераторы поэтому назы-
вают КС-генераторами.

Для получения колебаний синусоидальной формы (гармо-
нических колебаний) конструируют генераторы, выполненные
на основе колебательного контура, состоящего из катушки ин-
дуктивности Ь и конденсатора С. Такие генераторы получи-
ли название ГС-генераторов.

Ознакомимся с работой простейшего ГС-генератора (рис.
166). Колебательный контур вклеочсн в качестве нагрузки в
цепь коллектора транзистора. Положительная обратная связь
осуществляется с помощью катушки связи, включенной опре-
деленным образом между базой и эмиттером транзистора.
Специальный способ включения катушки связи заключается
в том, что полярность напряжения связи, наводимого :в катушке
Г2, противоположна полярности напряжения в контуре. Это
значит, что при отрицательной полуволне переменного напря-
жения на Г1 в катушке связи наводится положительная полу-
волна напряжения и наоборот.
Такой способ включения кату-
шек называется встречным.

При включении источника
питания коллекторный ток
транзистора, протекая через
контур, создает в нем началь-
ный запас энергии и тем са-
мым обеспечивает возбужде-
ние гармонических колеба-
РИС. 167.

ний. Эти колебания не зату-
хают, потому что при отрица-
тельных полуволнах напря-
жения на катушке связи пря-
мое напряжение на эмиттер-
ном переходе увеличивается
и коллекторный ток возрас-
тает, компенсируя потери
энергии в контуре.

Положительные полувол-
ны напряжения на катушке
связи закрывают транзистор.
Вследствие этого в коллектор-
ной цепи протекает пульси-
рующий ток. Частота им-
пульсов тока в точности сов-
падает с частотой колебаний
в контуре. Своих положи-
тельных амплитудных значе-
ний колебания в контуре и
импульсы коллекторного та-
ка достигают одновременно.

Если включить параллель-
но катушке связи громкогово-
ритель» то будут слышны зву-
ковые колебания, генерируе-
мые ЬС-генератором. Разу-
меется, частота колебаний за-

висит от параметров колеба-
тельного контура. При уменьшении индуктивности Ь и емко-
сти С частота колебаний может оказаться за пределами тех
частот, которые воспринимаются человеческим ухом.

На рис. 167, 168, 169 показаны применяемые на практике
схемы 1С-генераторов на транзисторах, которые различаются
способами подачи напряжения смещения на базу транзисто-
ра и приемами осуществления обратной связи.

Генераторы 1С-тнпа редко используются для получения
низкочастотных звуковых колебаний из-за сравнительной гро-
моздкости катушек индуктивности и конденсаторов большой
емкости. Но в то же время они широко применяются для, ге-
нерирования колебаний высокой частоты.

§ 31.	УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИИ

Усилители электрических колебаний являются неотъемле-
мой частью многих радиотехнических устройств (радиоприем-
ников, магнитофонов, телевизоров и т. д.). В основном для уси-
ления электрических колебаний используются транзисторы.

В отличие от усилителя постоянного тока усилитель элект-
РИС. 170.

РИС. 1П.

рических колебаний предназначен для усиления только пере-
менных составляющих тока или напряжения, поэтому связь
его с источником входного сигнала осуществляется через
разделительный конденсатор или трансформатор, которые не
пропускают постоянной составляющей (рис. 170).

Результирующее напряжение на базе транзистора С7бскла-
дывается из напряжения смещения 1/см и напряжения сиг-
нала (7С (рис. 171). Базовое напряжение при изменениях на-
пряжения сигнала остается отрицательным, т. е. прямым для
эмиттерного перехода р—п—р-транзистора, поэтому транзис-
тор все время остается открытым. Это свидетельствует о пра-
вильном выборе напряжения смещения.

Если напряжение смещения выбрано чрезмерно малым
(рис. 172), то при положительной полуволне напряжения сиг-
нала транзистор окажется на некоторое время закрытым, так
как эмиттерный переход окажется под обратным напряжением.
В этом случае кривая коллекторного тока получается сильно
искаженной.
Если 77<и выбрано чрезмерно большим (рис. 173), то при
отрицателыых полуволнах напряжения сигнала транзистор
входит в состояние насыщения, т, е. в такое состояние, когда
коллекторный ток определяется лишь отношением — и уже
/?н
не зависит от дальнейшего увеличения входного напряжения.
В этом случае сигнал на выходе тоже искажается.

Искажения сигнала на выходе усилителя могут возник-
нуть и при правильном выборе напряжения смещения, но при
чрезмерно большом напряжении сигнала. В этом случае ис-
кажения сигнала на выходе объясняются ограниченными
усилительными возможностями транзистора.

Чем меньше искажается форма усиливаемого сигнала в
процессе усиления, тем выше качество усилителя электриче-
ских колебаний. Но из § 23 мы уже знаем, что напряжение
смещения может изменяться в процессе работы транзистора
вследствие изменения температуры окружающей среды и соб-
ственной температуры транзистора, вызванного током, прохо-
дящим через транзистор, Для температурной стабилизации
напряжения смещения применяются специальные схемы вклю-
чения транзисторов (см. с. 119—120). Насколько важно пом-
нить о температурной стабилизации транзистора, можно су-
дить хотя бы по тому, что при изменении температуры тран-
зистора на 10°С сила тока коллектора изменяется в два раза.

Если однокаскадный усилитель электрических колебаний
не позволяет получить желаемого усиления сигнала, то при-
меняются многокаскадные усилители.

При конструировании многокаскадных усилителей следует
учитывать, что обычно входное сопротивление каскада мень-

ше выходного, поэтому для согласования входных и выходных

сопротивлений каскадов при их соединении приходится при-
бегать к специальным мерам.

Наилучший результат получается при соединении каска-
дов с помощью трансформаторов. Низкое входное и высокое

выходное сопротивление транзисторного каскада может быть

согласовано трансформатором, у которого одна обмотка имеет
большое сопротивление (равное сопротивлению выхода тран-

зисторного каскада), а другая обмотка — малое сопротивле-
ние (соответствующее сопротивлению входа транзисторного

каскада). Такой трансформатор

называют согласующим.

Усилители с трансформа-
торной связью (рис. 174) поз-
воляют получать максималь-
ные усиления при минималь-
ном числе каскадов. Однако
усилители с трансформатор-
ной связью имеют весьма су-
щественный недостаток: раз-
меры и масса согласующих и выходного трансформатора пре-
обладают нал размерами и массой всех остальных деталей,
входящих в усилитель. Поэтому, когда важно уменьшить раз-
меры и массу усилителя, то применяют резистивно-емкостную
или гальваническую связь (особенно в усилителях электриче-
ских колебаний низкой частоты). Схема усилителя с резистив-
но-емкостной связью изображена на рис. 175. Разделительные
конденсаторы СЗ и С5 пропускают только переменную состав-
ляющую сигнала с выхода первого каскада на вход второго и
с выхода второго на вход третьего каскада.

Важное достоинство такого способа соединения каскадов —
простота настройки усилителя, потому что напряжения на элек-
троды транзисторов подаются через отдельные цепи. В резуль-
тате постоянная составляющая коллекторного напряжения
предыдущего каскада не изменяет выбранного напряжения
смещения последующего каскада. Однако полного согласова-
ния выходных и входных сопротивлений каскадов в схемах с
резистивно-емкостной связью достичь не удается. Поэтому для
получения необходимого усиления приходится увеличивать
число каскадов усиления электрических колебаний.

В усилителях с резистивно-емкостной связью габаритные
размеры определяются размерами разделительных конденса-
торов и конденсаторов в цепях эмиттера (блокировочных).
Несмотря на успехи в разработке и производстве малогаба-
ритных электролитических конденсаторов, размеры их все же
превышают размеры других элементов транзисторных усили-
телей. Это обстоятельство препятствует микроминиатюризации
усилителей. Поэтому представляет интерес усилитель с галь-
ванической (непосредственной) связью между каскадами
(рис. 176).

Напряжения на коллекторах транзисторов VI й У2 в этой
схеме равны напряжениям база — эмиттер последующих тран-
зисторов. Напряжения же между базами и коллекторами
транзисторов 1/2 и I I, УЗ и У2 приблизительно равны нулю
и мало зависят от температуры. Это обеспечивает высокую
температурную стабильность усилителя. Для стабилизации ха-
рактеристик усилителя и повышения его входного сопротивле-
ния вводят отрицательную обратную связь по току (рис. 177).

Отсутствие переходных конденсаторов и согласующих
трансформаторов позволяет использовать усилители с гальва-
нической связью не только для усиления электрических коле-
баний, но и для усиления постоянного тока.

Рассмотренные выше усилители электрических колебаний
предназначены в основном для усиления колебаний низкой
(звуковой) частоты.

Для усиления колебаний высокой частоты применяются
усилители, схема и сущность действия которых аналогична
усилителям низкой частоты. Отличие заключается лишь в на-
грузках коллекторной цепи, где получается усиленный тран-
зистором сигнал, и в применении специальных высокочастот-
ных транзисторов.

Обычно нагрузкой транзистора в усилителе электрических
колебаний высокой частоты является высокочастотный дрос-
сель (рис. 178) или высокочастотный трансформатор
(рис. 179). Использование трансформатора предпочтительнее
по тем же соображениям, что и использование трансформа-
торной связи в усилителях электрических колебаний низкой
частоты. Но если в усилителях низкой частоты трансформа-
торы ведут к значительному увеличению габаритов и массы

РИС. 178.

вход

РИС. 179.
усилителя, то в усилителях высокой частоты размеры высоко-
частотных трансформаторов могут быть соизмеримыми с раз-
мерами других деталей.

§ 32.	РАДИОПРИЕМНИК

Мы живем в океане электромагнитных волн, излучаемых
природными генераторами электромагнитных колебаний и ру-
котворными радиопередатчиками. Из огромного числа электро-
магнитных колебаний можно выделить колебания определен-
ной частоты, если воспользоваться колебательным контуром,
настроенным на эту частоту (рис. 180).

Если электромагнитные колебания высокой частоты были
промодулированы колебаниями низкой (звуковой) частоты, то
с помощью детектора эти звуковые колебания могут быть вы-
делены телефоном или громкоговорителем и преобразованы в
звук. Колебательный контур плюс детектор образуют простей-
ший (детекторный) приемник (рис. 181).

Но услышать радиотелефонную передачу с помощью де-
текторного приемника можно только в том случае, если коле-
бательный контур настроен на излучение мощной или близко
расположенной радиостанции. В остальных случаях колеба-
ния электрического тока в контуре будут так малы, что не
смогут привести в действие телефон или громкоговоритель.
Однако эти слабые колебания тока могут быть усилены, преж-
де чем они будут преобразованы в звук. Такой радиоприем-
ник (рис. 182) обладает уже большей чувствительностью.

Мы знаем, что усиливать можно не только электрические
колебания низкой частоты, но и колебания высокой частоты,
поэтому, применив усилитель высокой частоты в схеме преды-
дущего приемника, мы еще более увеличим его чувствитель-
ность к приему радиосигналов (рис. 183).

РИС. 182.

РИС. 183.
При необходимости можно

РИС. 1М.

л для усиления колебаний вы-
сокой частоты, и для усиле-
ния колебаний низкой часто-
ты применять по нескольку
каскадов усиления.

Для повышения чувстви-
тельности и избирательности
простейших приемников в схе-

му вводят положительную об-
ратную связь. Такие приемники называют регенеративными
(рис. 184). Через переменное магнитное поле кагушки обрат-
ной связи /.3 часть энергии из коллекторной цепи транзисто-
ра передастся во входной контур приемника, компенсируя его
энергетические потери. В результате на базу транзистора по-
ступают более сильные колебания высокой частоты. Этим и

объясняется повышенная чувствительность такого приемника.

С помощью резистора /?1 устанавливается необходимое сме-
щение в цепи базы. Процесс детектирования осуществляется с

помощью того же транзистора, а точнее, его переходом эмит-
тер — база.

Одновременно с усилением низкочастотного сигнала усили-
ваются и колебания высокой частоты.

В рассмотренных приемниках принимаемый сигнал преоб-
разовывается детектором, который выделяет из модулирован-
ных колебаний высокой частоты колебания низкой частоты.
Усилители обеспечивают усиление колебаний высокой часто-
ты радиопередающей станции и усиление колебаний низкой
(звуковой) частоты. Такие приемники получили название при-
емников прямого усиления.

Но повышать чувствительность приемника лишь за счет
прямого усиления колебаний высокой частоты можно в огра-
ниченных пределах. Этот предел тем меньше, чем выше часто-
та принимаемых электромагнитных колебаний (увеличивается
вероятность возникновения «паразитных» колебаний).

В более совершенных супергетеродинных приемниках уда-
ется усиливать принимаемые сигналы в несколько миллио-
нов раз.

§ 33.	ТЕЛЕМЕХАНИКА

Телемеханика — это отрасль техники, решающая вопросы
контроля и управления автоматизированными установками на
расстоянии. При этом речь идет о столь больших расстояниях,
что для их преодоления и для экономии числа линий или ка-
налов связи требуется применение специальных средств. По-
смотрите еще раз на рис. 81. Для включения четырех ламп
требуется протянуть к ним пять проводов. А теперь обратите
внимание на рис. Л7. Для включения десяти ламп здесь по-
требовалось всего два провода, соединяющего ключ с шаго-
вым искателем. В этом случае ключ играет роль передатчика
команд, а шаговый искатель — приемника этих команд, со-
единительные провода — линия связи.

Кроме проводной линии связи, в устройствах телемеханики
для передачи сигналов может использоваться, например, луч
света. Направив луч света на фоторезистор фотореле, можно
включить электрическую лампу (рис. 185).

Вместо луча света в качестве* линии связи можно исполь-
зовать акустические волны (рис. 186) или радиоволны
(рис. 187).
Конечно, в большой технике свет и звук практически не
применяюгся в качестве линий связи устройств телемеханики
в силу ограниченности расстояний, на которые можно по этим
линиям передавать сигналы контроля и управления. Наиболь-
шее распространение в телемеханике получили проводные ли-
нии связи и радиоволны.

Особенно впечатляющих успехов достигла телемеханика в
последнее десятилетие. От исследования планетной солнечной
системы с помощью космических автоматизированных лабо-
раторий, управляемых на расстоянии многих миллионов кило-
метров, до детских радиоуправляемых игрушек — таков диа-
пазон применения телемеханических устройств в наши дни.

В каждой системе дистанционного управления можно вы-
делить четыре основные части.

1.	Передатчик — устройство, подготавливающее сигналы
контроля и управления для передачи их на расстояние и излу-
чающее сигналы в виде электрических, акустических, оптиче-
ских или электромагнитных импульсов. Необходимость под-
готовки сигналов управления и контроля для передачи объяс-
няется в основном двумя причинами. Так же как в автоматике,
датчики преобразуют неэлектрические величины и их изме-
нения в электрические сигналы для их дальнейшего использо-
вания в устройствах автоматики, так и в телемеханике пере-
даваемые сигналы должны быть согласованы по своей физи-
ческой природе с используемой линией связи. Например,
электрические сигналы нельзя передавать на расстояние с помо-
щью звука. Предварительно электрические сигналы надо пре-
образовать в звуковые. А затем надо побеспокоиться о том,
чтобы защитить передаваемый сигнал от возможных помех и
искажений. Если электродвигатель включается при подаче
звуковой команды, то он будет включаться в ответ и на пение
птиц, и на хлопок двери, и на звук голоса, и т. д. Поэтому
сигнал управления зашифровывается (для управления тем же
двигателем применяется не любой звуковой сигнал, а только
сигнал определенной высоты тона).

Таким образом, передатчик телемеханического устройства
состоит из шифратора и генератора сигналов.

2.	Второй основной частью телемеханики является линия
(канал) связи, соединяющая передатчик и приемник телеме-
ханического устройства. Различают одно- и многоканальные
линии связи. По одноканальной линии связи передается толь-
ко один сигнал (команда).

Многоканальная линия связи отличается от одноканаль-
ной тем, что команды от передатчика к приемнику передаются
одновременно или поочередно с помощью одной несущей вол-
ны, модулированной несколькими частотами.

3.	Приемник обнаруживает и распознает команды, идущие
от передатчика. Вспомним, что сигналы передатчика зашиф-
рованы. Поэтому н приемнике многоканальной линии связи
обязательно должен быть дешифратор.

4.	Источники питания обеспечивают передатчику и прием-
нику постоянное снабжение электроэнергией, необходимой
для их работ 1.1

В упомянутых выше устройствах дистанционного управле-
ния (с помощью света, звука и радиоволн) возможна переда-
ча только двух команд: «да» и «нет». Посылается сигнал —
команда «да»; не посылается сигнал — команда «нет». Други-
ми словами, с помощью таких простых устройств можно лишь
включать или только пык. почить что-то. Например, если такое
простейшее телемеханическое устройство установить на моде-
ли автомобиля, го подичей одного сигнала управления можно
будет включить двшагсль, или повернуть руль модели вправо,
или зажечь фары и т. д Но нельзя будет с помощью простей-
шего устройства лип ,111пион11о1 о управления заставить мо-
дель выполнить и первую, и вторую, н третью команды.

Впрочем, нередко достаточно бывает послать именно толь-
ко одну команду, чтобы по этой команде включилось про-
граммное устройство или начало функционировать устройство
автоматической защиты (управления, регулирования). Во вре-
мя Великой Отечественной войны Воронежская радиостанция
послала только один специальный сигнал дистанционного
управления, с помощью которого был взорван вражеский
штаб в оккупированном Харькове.

Чтобы подачей одного сигнала добиться выполнения не-
скольких команд, надо к выходу приемника подключить ша-
говый искатель (рис. 188). Посылая разное число одинаковых
сигналов управления, можно по очереди включать и выклю-
чать различные исполнительные органы. Например, у той же
модели автомобиля можно включить двигатель, затем (не
выключая двигателя) включить правый поворот, затем раз-
вернуть модель в обратном направлении, включить фары
и т. д. Правда, тут мы столкнемся с большим неудобством:
прежде чем будет выполнена нужная команда, вынужденно
должны быть выполнены и все предыдущие. Так, в нашей
установке, прежде чем будет включена десятая лампа, при-

РИС. 188.
дется включить и первую, и вторую, и третью и т. д. Но из
этого затруднения есть несложный выход: контакты шагового
искателя должны включать не само исполнительное устрой-
ство, а ре/:е времени. Реле времени будет включать исполни-
тельное устройство не немедленно, как только щетка шагового
искателя встанет на очередную ламель, а лишь спустя опре-
деленный промежуток времени. Тогда для зажигания десятой
лампы надо послать десять сигналов один за другим без
пауз между ними. Щетка искателя поочередно замкнет все
десять контактных пластин, но ни одна из девяти ламп не
успеет включиться. А на десятой пластине щетка остановит-
ся, и реле времени успеет включить лампу.

Подобное устройство применяется на автоматических теле-
фонных станциях. Поворачивая диск номеронабирателя, мы
задаем команду на посылку определенного числа сигналов. По
этим сигналам щетка первого шагового искателя соединяет
наш телефонный аппарат с другим шаговым искателем. Наби-
рая вторую цифру номера, мы включаем в работу второй ша-
говый искатель и т. д. Не рекомендуется торопить или при-
держивать диск номеронабирателя, когда он сам вращается,
возвращаясь в исходное положение. Именно в этот момент и
посылаются сигналы дистанционного управления. Если диск
торопить, то может не успеть сработать шаговый искатель, а
если его придерживать, то реле времени раньше, чем надо,
соединит наш телефонный аппарат с каким-то другим, слу-
чайным телефонным аппаратом.

Подобные устройства дистанционного управления требуют
больших затрат времени на посылку сигналов управления.
В этом их главный недостаток. В телемеханике чаще исполь-
зуется иной способ шифрования и дешифрования сигналов
управления.

Включим на выход звукового генератора обмотку электро-
магнита, у которого якорь состоит из нескольких упругих
пластин разной длины (рис. 189). При прохождении перемен-
ного тока через обмотку такого электромагнита начинает ко-
лебаться то одна, то другая пластина в зависимости от частоты
переменного тока, проходящего по обмотке. Зная резонанс-

РИС. 189.	ГНС. 190.

I	•


РИС. ИИ.

РИС. 1Я2.

ную частоту каждой пластины, можно, меняя частоту, «вклю-
чить» колебания нужной пластины. Рядом с каждой пласти-
ной укрепляют неподвижный контакт на таком расстоянии от
нее, чтобы контакт замкнулся с пластиной лишь при ее резо-
нансных колебаниях. Такое устройство получило название ре-
зонансного реле (рис. 190). Резонансное реле по сравнению
с шаговым искателем имеет существенные преимущества, за-
ключающиеся прежде всего в том, что появляется возможность
подавать команды управления в любой последовательности.
Возрастает быстродействие, уменьшаются габариты прием-
ника. Но у резонансного реле есть и весьма существенные
недостатки, прежде всего чувствительность к механическим
вибрациям. Случайное совпадение частоты вращения якоря
близко расположенного электродвигателя с собственной часто-
той колебаний одной из пластин резонансного реле вызовет
подачу ложной команды. Кроме того, контакты не имеют по-
стоянного замыкания, поэтому резонансное реле не может не-
посредственно производить включение исполнительных орга-
нов. Необходимо применение промежуточных реле и шунтиро-
вания контактов резонансного реле конденсаторами большой
емкости.

К числу резонансных бесконтактных реле относится струн-
ное реле. В этом реле (рис. 191) применена струна /, на ко-
торой закреплен якорь 2. Частота настройки реле определя-
ется длиной и натяжением струны и массой якоря.

Если частота тока в обмотке электромагнита 3 совпадает
с частотой собственных колебаний струнного вибратора, то он
придет в колебание и при этом перемещение якоря в поле
магнита 4 вызовет изменение магнитного потока и появление
индукционного тока в выходной обмотке реле.

Кроме механических резонансных систем, в частотных
устройствах телемеханики используются явления электриче-
ского резонанса. Для этой цели используются контуры и
фильтры из катушек индуктивности и конденсаторов, на-
строенных на разные частоты.

Последовательный контур (рис. 192) обладает минималь-
ным сопротивлением при резонансной частоте, определяемой
по формуле:

/= . 
РИС. 193.

Включим последовательно с обмоткой реле в установке
(рис. 186) катушку индуктивности от универсального демон-
страционного трансформатора на замкнутом сердечнике и
конденсатор емкостью 2 мкФ. При таких данных контура его
резонансная частота будет близка к 1200 Гц. При подаче сиг-
нала с этой частотой будет включаться лампа в цепи контак-
тов электромагнитного реле (рис. 193).

Параллельный контур (рис. 194) при этой же частоте
обладает максимальным сопротивлением, а это означает, что,
включив его последовательно с обмоткой электромагнитного
реле, можно будет наблюдать, как гаснет электрическая лам-
па в цепи контактов электромагнитного реле, если в спектре
сигналов, принимаемых приемником, окажется сигнал резо-
нансной частоты.

Понятно, что, выбрав иные контакты у электромагнитно-
го реле, можно в первом случае подачей сигнала выключать
лампу, а во втором случае ее включать. Главное заключается
в том, что реле будет срабатывать только при сигнале опре-
деленной частоты. Включив на выход приемника несколько
колебательных контуров с электромагнитными реле, можно
подачей сигналов различных частот вызывать срабатывание
реле в том или ином контуре.

Таким образом, в устройстве телемеханики сигнал, посту-
пающий от датчика, предварительно зашифровывается (с по-
мощью генератора превращается в сигнал определенной ча-
стоты), а затем передается передатчиком. В приемнике уси-
ленный сигнал идет на дешифратор, а затем расшифрованный
сигнал команды поступает на исполни-
рис. ж.	тельное устройство.

§ 34. ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ
УСТРОЙСТВ

Переносную электронную аппаратуру,
полевые телефоны, переговорные устрой-
ства, управляемые модели,. измерительные
приборы и т. д. во многих случаях питают от автономных
источников электрической энергии. Стационарные устройства,
как правило, получают электропитание от сети переменного
тока. Необходимое для питания постоянное напряжение в
этом случае получают путем выпрямления переменного тока.

Гальванические элементы. Наибольшее распространение
получили первичные химические источники тока марганцово-
цинковой системы. Большой объем выпуска автономных источ-
ников тока этой системы обусловлен их низкой стоимостью,
работоспособностью в широком интервале температур, хоро-
шими нагрузочными характеристиками, а также удовлетвори-
тельной сохранностью.

В элементах марганцово-цинковой системы положительным
электродом служит двуокись марганца, отрицательным — ме-
таллический цинк, а электролитом — растворы солей и щело-
чей. Если в химической реакции, протекающей между электро-
дами элемента, участвует кислород окружающего воздуха,
то такие элементы называются воздушио-марганцово-ципко-
выми.

Для обозначения элементов и батарей марганцово-цинко-
вой системы в основном применяют цифровые обозначения,
которые выбирают по специальной размерной таблице. Перед
цифровым обозначением элементов и батарей со щелочным
электролитом ставят букву А. В обозначении солевых элемен-
тов буквенный индекс отсутствует.

Шифр батареи из последовательно соединенных элементов
составляют из шифра элемента и числа элементов в батарее.
Так, батарея для карманного фонаря обозначается 3336, что
надо понимать как «батарея, состоящая из 3 элементов ти-
па 336».

При параллельном соединении элементов их число ставят
через тире после шифра элемента. Например, батарею из трех
параллельно соединенных элементов 336 обозначают 336—3.

Кроме цифровых обозначений, в практике существуют и
торговые названия. Так, солевой элемент 373 имеет торговое
название «Марс», а щелочной А-373 — «Мир». Некоторые ба-
тареи не имеют условного обозначения в цифровой системе.
К ним относится, например, батарея «Крона ВЦ».

Для некоторого типа батарей за буквами и цифрами основ-
ного обозначения следуют буквы У, X или Л, указывающие на
рекомендуемый температурный режим: У — универсальная,
X— хладостойкая, Л — летняя.

Ртутно-цинковые системы обладают более высокой ста-
бильностью, значительно большей энергоемкостью, незначи-
тельным саморазрядом по сравнению с марганцово-цинковы-
ми системами. Однако ртутно-цинковые элементы имеют более
высокую стоимость, чем и объясняется их значительно мень-
шее распространение.
РтутнО'Цинковый элемент имеет стальной корпус^ содер-
жащий активную массу положительного (цинковый порошок)
и отрицательного (окись ртути) электродов, смоченную щелоч-
ным электролитом и разделенную пористой диафрагмой.
Основание корпуса служит положительным, а крышка отри-
цательным выводом электродов.

Обозначение ртутно-цинковых элементов составляют буквы
РЦ, характеризующие электрохимическую систему, и цифры
условного размера элемента.

Основными электрическими параметрами гальванических
элементов и батарей являются начальное напряжение, номи-
нальная сила тока и емкость. Начальное напряжение марган-
цово-ципкового элемента независимо от его размеров состав-
ляет около 1,5 В. ЭДС марганцово-цннковых элементов быст-
ро снижается в процессе эксплуатации до 0,85—1,0 В.

ЭДС ртутно-цинковых элементов весьма стабильна в про-
цессе разряда и составляет 1,350—1,354 В. В течение года
ЭДС этих элементов изменяется всего на 0,2%.

Номинальную силу тока, если она не указана в паспор-
те, можно определить, разделив напряжение элемента на ука-
занное в паспорте наименьшее для него сопротивление на-
грузки.

Емкость (запас электрической энергии) элемента зависит
в основном от его размеров. Она выражается в ампер-часах
(А-ч), так как определяется путем умножения силы тока раз-
ряда в амперах на время его работы в часах до наступления
полного разряда. По емкости элемента можно судить о его ра-
ботоспособности, т. е. определить, сколько часов он может про-
работать. Обычно стараются устанавливать потребляемый ток
не более 50—60% номинального разрядного тока.

Аккумуляторы. Как и гальванические элементы, аккумуля-
торы относятся к химическим источникам тока со всеми при-
сущими им электрическими параметрами. Однако по сравне-
нию с гальваническими элементами аккумуляторы имеют ряд
преимуществ.

Главное преимущество аккумуляторов заключается в значи-
тельно большем сроке их службы. При правильном уходе
аккумуляторы могут работать несколько лет. Кроме того,
аккумуляторы обладают большим постоянством напряжения
и способны отдавать более сильные разрядные токи, чем галь-
ванические элементы.

Малогабаритные нпкель-кадмневые аккумуляторы при
размерах, равных элементам и батареям марта нцово-цинковой
системы, имеют почти в полтора раза большую емкость, в два
раза больший срок хранения, значительно меньшее внутреннее
сопротивление. Стоимость одного ватт-часа при их эксплуата-
ции по сравнению с элементами мартанцово-цинковой систе-
мы в 100—200 раз меньше. ЭДС заряженного никель-кадмие-
вого аккумулятора 1 ,.35 В, в конце цикла разряда— 1 В. Даль-,
нейшнй разряд приводит к резкому сокращению срока'служ-
бы аккумулятора и поэтому не допускается.

Обычно зарядный ток устанавливают равным одной десятой
от емкости аккумулятора, выраженной в ампер-часах. Опти-
мальным считают зарядку указанным током в течение 15 ч.
Дальнейшее увеличение длительности заряда так же, как уве-
личение зарядного тока, может привести к деформации и раз-
рыву корпуса.

Наибольшее распространение средн автономных источни-
ков питания получили свинцовые аккумуляторы. Их использу-
ют для питания осветительных, измерительных, навигационных
приборов бортовой автомобильной, судовой, авиационной аппа-
ратуры, как стартерные для запуска двигателей внутреннего
сгорания, для питания аппаратуры средств связи, устройств
аварийной сигнализации и т. д.

Популярность свинцового аккумулятора объясняется его
небольшой стоимостью по сравнению с другими автономными
источникам и тока,-а также высокой удельной энергией.

Для зарядки свинцовых аккумуляторов расходуется значи-
тельно меньше энергии, чем, например, для никель-железных
(щелочных) аккумуляторов. Процесс зарядки свинцового акку-
мулятора легко контролировать.

Поминальная ЭДС заряженного аккумулятора (одной бан-
ки) равна 2,04 В. Разряжать аккумулятор до напряжения на
одну банку, меньшего 1,8 В, не следует. При более глубоком
разряде происходит необратимая сульфатация пластин, ем-
кость аккумулятора резко падает и он выходит из строя.

Зарядку разряженного аккумулятора производят в тече-
ние 11 —12 ч. Сила тока при зарядке равна 1/10 от емкости в
ампер-часах.

В условном обозначении свинцовых стартерных аккумуля-
торных батарей цифра перед буквами обозначает число по-
следовательно соединенных банок аккумулятора. Буквы СТ —
назначение — стартерная. Число после букв — номинальная
электрическая емкость в ампер-часах. В условном обозначе-
нии стартерных аккумуляторных батарей для тяжелых транс-
портных средств присутствуют буквы К (катер) или Т (трак-
тор). В наименовании батарей для мотоциклов и моторолле-
ров стоят буквы МТ или МТР. Аккумуляторы АБН-72 и
АБН-80 предназначены для питания устройств железнодорож-
ной сигнализации, автоматики и связи.

На телефонных станциях и узлах связи для питания основ-
ной и аварийной аппаратуры стоят на случай возможных пе-
рерывов в энергоснабжении стационарные батареи свинцовых
аккумуляторов.

Щелочные аккумуляторы применяют для питания перенос-
ных фонарей, освещения железнодорожных вагонов, питания
электродвигателей передвижных механизмов (электрокар,
электропогрузчик)*, для запуска двигателей тепловозов.

По сравнению с кислотными аккумуляторами щелочные
неприхотливы в эксплуатации (малочувствительны к перераз-
ряду и недозаряду, механически прочнее, допускают примене-
ние питьевой воды'для приготовления электролита).

ЭДС свежезаряженного щелочного аккумулятора состав-
ляет 1,7—1,8 В. Через несколько часов после окончания заряда
опа уменьшается до 1,4—1,45 В даже без включения нагруз-
ки. При включении нагрузки напряжение снижается до
1,2—1,25 В и в процессе разряда плавно уменьшается до
1,0—0,95 В.

Сила тока при заряде щелочных аккумуляторов числен-
но равна 1/4 1/6 от номинальной емкости аккумулятора.

Обозначение аккумуляторов состоит из бук» НК или НЖ
и цифр, указывающих на номинальную емкость в ампер-часах.

Выпрямители. Для питания устройств, требующих постоян-
ного тока, от сети переменного тока применяют выпрямители,
позволяющие получать необходимое постоянное напряжение
путем преобразования переменного напряжения в пульсирую-
щее с последующим сглаживанием пульсаций при помощи
фильтра или электронного стабилизатора напряжения.

В качестве выпрямительных элементов используются ва-
куумные или полупроводниковые диоды, с принципом устрой-
ства и действия которых вы знакомы из школьного курса фи-
зики.

Для преобразования переменного тока в постоянный при-
меняется несколько типов выпрямителей.

Однополупериодный выпрямитель (рис. 195) целесообраз-
но применять, если выпрямленный ток не превышает несколь-
ких миллиампер. При больших мощностях КПД его неудов-
летворителен.

Для получения выпрямленного тока более 10 мА применя-
ют двухполупериодные выпрямительные схемы, выполненные
по двухфазной (рис. 196) или по мостовой однофазной схеме
(рис. 197).

Для выпрямителя, питающего транзисторную аппаратуру,
потребляющую выпрямленный ток мощностью не более 25—
30 Вт, можно выбрать любую
из этих схем. Преимущество
мостовой схемы в том, что
вторичная обмотка трансфор-
матора питания имеет .вдвое
меньшее число витков, чем в
случае двухфазной схемы, по
при этом число диодов удваи-

РИС. 197.

вается.

При конструировании выпрямителя, рассчитанного на боль-
шую мощность, целесообразно использовать мостовую схему,
так как в этом случае размеры трансформатора становятся
существенно меньше, чем требуется для той же мощности вы-
прямленного тока с использованием других схем.

Расчет выпрямителя производится по заданным значениям
выпрямленного напряжения и силы тока и известному пере-
менному напряжению электросети. При расчете определяют
тип выпрямительных диодов, напряжение вторичной и силу
тока вторичной и первичной обмоток трансформатора питания,
емкость и рабочее напряжение конденсатора и коэффициент

пульсации.

Однополупериодный выпрямитель. Выпрямительный диод
выбирают исходя из номинального для него обратного напря-
жения добр, т. е. предельного напряжения между его электро-
дами при отрицательном потенциале на «аноде, и наибольшего
для него импульса тока /п1ах. Для этого выпрямителя
С/обр = ЗС/0 и /тах==7/0, где 0о — выпрямленное напряжение
(до фильтра) в вольтах; /0 — сила тока в миллиамперах пос-
ле выпрямления.

Напряжение вторичной обмотки трансформатора пита-
ния рассчитывают по формуле:

Ь’2 = 0,75^0+

где /?1 — внутреннее сопротивление диода; /?тр — сопротивле-
ние трансформатора, которое можно вычислить по формуле:

^тр —

500Д)

/о 10У0

Сила тока (в миллиамперах)

вторичной обмотки

трансфор-

матора равна:

Л = 2/о+

12(/0

& «+^тр

Емкость (в микрофарадах) конденсатора на входе фильтра

6О/о


Этот конденсатор должен быть рассчитан на рабочее напря-
жение не меньше 1,2 С/0-	—

Коэффициент, пульсации (в процентах) на входе фильтра вы-
числяют по формуле:

600/0
р= —-.

(ЛА

Двухполупериодный выпрямитель по схеме с нулевой точ-
кой. Обратное напряжение и наибольший импульс тока опре-
деляют по формулам:

б^обр==ЗМо
/ та х== 3,51 о*

Напряжение вторичной обмотки трансформатора:

1А=0,75(Л>4-

530

где /?тр можно вычислить по формуле:
п 1000С4
Ктр= ——.

Сила тока вторичной обмотки трансформатора:

/ __/ ।	12С^о

Сила тока первичной обмотки трансформатора:

Г	1,7 С/2^ 2	*

/, = ---- .

Емкость конденсатора на входе фильтра:
/->	30/р

Со=-----•

•	Щ •

Коэффициент пульсации на входе фильтра:

300/0
р= —
(ЛС0

Двухполупериодный выпрямитель по мостовой схеме. Об-
ратное напряжение и наибольший импульс тока определяют по
формулам:

^шпх— 3,*о.

Напряжение вторичной обмотки трансформатора:

Ь’2=0,75(7о+-
'	530
где /?тр можно вычислить по формуле:

Сила тока вторичной обмотки трансформатора:

/2=1,41/о+

, 16,6^0

2/?< + /?т р

.Сила тока первичной обмотки трансформатора:





Емкость конденсатора на входе фильтра:
/-» ______________________ 30/о

Са=~щ-

Этот конденсатор должен быть рассчитан на рабочее на-
пряжение нс меньше 1,2 /Л-

Коэффициент пульсации на входе фильтра:

'	Р НоСь *

Трансформаторы питания. Трансформатор в выпрямителе
служит для преобразования напряжения сети переменного тока
в более высокие и более низкие напряжения. Расчет трансфор-
матора производят по заданным значениям переменных на-
пряжений и сил токов в его обмотках. При расчете (по упро-
щенным формулам) определяют габаритную мощность, раз-
меры сердечника, число витков и диаметр провода каждой
обмотки.

Габаритная мощность (в вольт-амперах) трансформатора
для однополувериодной схемы выпрямителя:

р _ 0,95^2/2 .

1000

для двухполупериодной схемы с нулевой точкой:

р _ 1,7/72/2 .

1000

для мостовой схемы:

2
г — ------,

1000

где С72 — напряжение и /2 — сила тока вторичной обмотки (на-
пряжение в вольтах, сила тока в миллиамперах).

Размер сердечника трансформатора фс<2о= 1,6 Рг, где
(}с = ас (произведение ширины а в сантиметрах на толщину с
в сантиметрах стержня сердечника — сечение сердечника в
РИС. 19$,

РИС. 199.

см2);	(произведение ширины Ь в сантиметрах на вы-

соту Н в сантиметрах окна сердечника — площадь окна сер-
дечника в см2) (рис. 198).

При расчете имеется в виду, что обмотка выполнена прово-
дом ПЭЛ. С обмотками из провода марки ПЭШО размер сер-
дечника будет:

РсРо=2,1РГ»

а при обмотке из провода марки ПШД: <2сСо = 2,4Рг.
Сечение сердечника:

(^с=ОсОо
ьк

а толщина пакета пластин:

Отношение с/а рекомендуется выбирать от 1 до 2.
Число витков первой, второй и т. д. обмоток:

101 =

48Е/,

(02 =

’ <?о	<Ь

Диаметр
обмоток;

(в миллиметрах)

провода первой, второй

и т. д.

сП=0,02у/Общ, (/2=0,02//2, 43=0,02у/3.

Сглаживающие фильтры и стабилизаторы напряжения.
Включив на выход выпрямителя электронный осциллограф,
можно увидеть, что значение выпрямленного напряжения не-
постоянно (рис. 199). Если заменить электрическую лампу
громкоговорителем, то можно услышать постоянный сильный
гул, который называют фоном переменного тока. Таким пуль-
сирующим напряжением нельзя питать радиоприемники и уси-
лители низкой частоты, а также многие другие электронные
схемы.

Уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения осуще-
ствляется при помощи сглаживающего фильтра, представляю-
>ИС. 2до.

РИС. 201.

щего собой чаще .всего одно или два звена из индуктивности
и емкости или из сопротивления и емкости (рис. 200, 201),
Допустимые значения пульсации

Первые каскады микрофонных усилителей 0,001—0,002%
Детекторные каскады, промежуточные каскады

усилителей низкой частоты	0,01—0,05%

Однотактные выходные каскады усилителей

низкой частоты	0,1—0,5%

Для того чтобы добиться таких значений пульсации, прибе-
гают к многозвенным сглаживающим фильтрам и стабилиза-
торам напряжения.

Простейший стабилизатор напряжения представляет собой
делитель напряжения, состоящий из резистора и элемента с
нелийейной вольт-амперной характеристикой. В качестве та-
кого элемента используют стабистор. Его действие основано
на изменении под действием входного напряжения сопротив-
ления электрическому току (рис. 202). Благодаря тому что
стабистор реагирует на быстрые изменения подводимого на-
пряжения, он сглаживает пульсации напряжения.

Постоянное напряжение на выходе выпрямителя может
изменяться (например, вследствие колебаний напряжения
осветительной сети). Выходное напряжение выпрямителя так-
же может.изменяться при изменении сопротивления нагрузки.
Подобные колебания питающего напряжения крайне нежела-
тельны.

Специальные устройства — стабилизаторы напряжения —
позволяют поддерживать постоянное напряжение на выходе
при изменении напряжения на входе выпрямителя. Стабили-

РИС. 202.

РИС. 203.
затор нормально рабо-
" . тает только при измене-
нии входного напряже-
ния в определенных пре-
делах.

! На рис. 203 изобра-
|_ жена схема простейшего
стабилизатора напряже-
ния на транзисторе. Ког-

=* * да на схему подается
входное напряжение С/вх,
протекает эмиттерным ток /э

через сопротивление нагрузки

транзистора, который создает на сопротивлении нагрузки па-
дение напряжения У/гц. Это выходное напряжение стабилиза-

тора. Предположим, что напряжение на входе возросло. При
этом возрастает сила тока /9г а следовательно, должно увели-
читься и напряжение на нагрузке. Однако, когда напряжение
нагрузки немного увеличится, прямое напряжение, приложенное
между базой и эмиттером транзистора, уменьшится, так как

— ^бэ= У —Уъ.

Причем напряжение (7/?н является обратным для эмиттер-
ного перехода транзистора.

Уменьшение прямого напряжения на эмиттерном переходе
приведет к тому, что сила тока эмиттера уменьшится. В ре-
зультате напряжение на нагрузке V/?и также уменьшится прак-
тически до первоначального значения.

На рис. 204 показана установка, в которой использована
предыдущая схема. В качестве нагрузки включена лампа на
3,5 В. При увеличении напряжения питания стабилизатора до
12 В яркость свечения лампы заметным образом не изменя-
ется. На экране осциллографа, включенного параллельно на-

• грузке стабилизатора, хорошо заметен «срез» амплитуды на-
пряжения (сравните с рис. 199). Это результат действия ста-
билизатора в ответ на увеличение напряжения питания.

Если же входное напряжение уменьшается, то стремится
стать меньше и сила тока эмиттера, следовательно, должно
уменьшиться и напряжение на нагрузке. Однако, когда
(7/?н уменьшается, прямое напряжение на эмиттерном перехо-
де транзистора возрастает, сила тока /э увеличивается, а на-
пряжение на нагрузке возвращается к первоначальному зна-
чению.

Если же параллельно нагрузке включить еще конденсатор
большой емкости, то пульсации напряжения практически пре-
кратятся.
16.	Задание на конструирование, изготовление
и исследование: а) усилителя низкой частоты,
б) генератора электрических колебаний,
в) выпрямителя переменного тока

1.	Сконструировать: а) усилитель низкой частоты, б) гене-
ратор электрических колебаний, в) выпрямитель переменного
тока.	ЖЙ

Технические условия:

а.) выбор устройства и его предназначение вы производи-
те сами. Это может быть или усилитель низкой частоты, или
генератор электрических колебаний, или выпрямитель пере-
менного тока, или устройство дистанционного управления ма-
шинами, механизмами базового предприятия вашей школы,
или устройство дистанционного управления моделями;

б) производя выбор возможного объекта для конструиро-
вания, учитывайте возможную область его применения в шко-
ле или в базовом предприятии школы.

2.	Выполните эскизный проект устройства.

3.	Обсудите проект с учителем, а если проект предназна-
чен для базового предприятия школы, то и с инженерно-тех-
ническими работниками предприятия.

4.	Изготовьте устройство.

5.	Проведите проверку и испытание устройства па рабо-
тоспособность.

6.	Проведите измерение основных параметров изготовлен-
ного вами устройства.

7.	Составьте описание устройства с указанием области его
применения и правил обращения с ним.

Глава 9 ДОСТИЖЕНИЯ ФИЗИКИ

И ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС

§ 35.	РОЛЬ ФИЗИКИ В НАУЧНО-
ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ

Бурные, потрясающие сознание события произошли в науке и
технике за последние два-три десятилетия. Овладение атом-
ной энергией, прорыв человека в космос, экспедиции на Луну
и исследование планет солнечной системы автоматическими
лабораториями, изобретение «умных» кибернетических машин,
широкое использование электронных вычислительных машин,
создание материалов с заданными свойствами — все это лишь
начало грядущего прогресса.

История развития науки и техники знает немало таких со-
бытий, которые вызывали глубокие качественные изменения в
отдельных областях науки и техники. Так, изобретение паро-
вого двигателя вызвало серьезные изменения в способах про-
мышленного производства. Создание теории относительности,
открытие сложного строения атомов и возникновение кванто-
вой теории вызвали глубокие изменения в понимании многих
физических явлений и закономерностей. Подобные глубокие
качественные изменения взглядов в науке, изобретения, вызы-
вающие существенные изменения в развитии техники, принято
называть научно-технической революцией.

Но революции в отдельных областях науки и техники в
прошлом не были связаны между собой, их разделяли десят-
ки и сотни лет.

В настоящее время революционная перестройка происхо-
дит во всех отраслях науки и техники одновременно. При этом
самым существенным является то, что развитие наук предопре-
деляет изменение производительных сил. Происходящие ко-
ренные преобразования науки и техники называют научно-
технической революцией.

В наши дни любые существенные перемены в технике и
производстве начинаются с научных разработок. Особенно
ярко видна опережающая роль развития физики по отношению
к современной технике. Исследования в физике атомного ядра
явились первоосновой для становления атомной энергетики,
явления и закономерности физики твердого тела привели к
рождению полупроводниковой техники.

Но ошибочно было бы думать, что связь между физикой
и техникой прямая и отчетливая. Путь от научного открытия
до его практического применения чаще всего долог и труден.
Особенно ярко это видно на примере осуществления управляе-
мой реакции синтеза атомного ядра. Уже прошли десятилетия,
а объединенные усилия ученых и инженеров получить практи-
ческое применение хорошо изученного физического явления
пока не увенчались успехом. И тем не менее вся история раз-
вития науки и техники убеждает в том, что бесполезных откры-
тий в науке нет. Рано или поздно любое физическое явление
и закономерность найдут свое практическое применение.

В годы научно-технической революции резко возросло
влияние физики на другие науки: биологию, химию, астроно-
мию, геологию, медицину. Физика не только оказала на них
свое влияние путем применения физических методов исследо-
вания, но и явилась источником новых фундаментальных
идей. Под влиянием физики возникли астрофизика,' физиче-
ская химия, биофизика и т. п. Проникновение физических ме-
тодов исследования' и физических идей в другие науки вызва-
ло революционные изменения в развитии этих наук. Таким
образом, физика нс только прямо, но и косвенно, опосредо-
ванно через другие науки влияет на революцию в производи-
тельных силах.
По законам исторического материализма революция в спо~
собе производства неизбежно вызывает глубокую перестрой-
ку в обществе, влияя на искусство, культуру, школу, семью.

С каждым годом становится все более очевидным, что на-
учно-техническая революция является необходимым фактором
построения коммунистического общества. Вот почему так
актуальна задача органического слияния ее достижений с пре-
имуществами социалистической системы хозяйства.

§ 36.	ФИЗИКА И РЕВОЛЮЦИЯ В ТЕХНИКЕ

Новые материалы в технике. Около ста лет назад братья
Джон и Айзек Хайатт наладили производство целлулоида.
Считается, что это была первая пластмасса в современном
смысле этого слова.

Сегодня в мире изготавливается и потребляется почти
20 млн. т полимерных материалов в год. Лет тридцать назад
их называли «заменители». Потом стали называть «незаме-
нимые заменители». А ныне общепризнано, что большая часть
полимерных материалов используется именно там, где никакие
другие материалы просто непригодны.

Для современного развития техники характерны повышен-
ные рабочие температуры.

Термостойкие материалы очень нужны самолетостроите-
лям. В современном самолете есть немало узлов, где из-за вы-
сокой температуры отказываются служить существующие
алюминиевые сплавы, но где неплохо работают полимеры, не
уступающие металлу по прочности в условиях такого же на-
грева. Это и шины (при посадке и на взлете они так нагре-
ваются, что резина сгорает), и теплоизоляция обшивки фюзе-
ляжа (без нее трение о воздух довело бы температуру в са-
лоне до 150°С), и остекление пилотской кабины (из-за того,
же трения его температура доходит до 300—400°С).

Еще нужнее термостойкие полимеры конструкторам ракет.
От трения о воздух нос ракеты раскаляется до нескольких ты-
сяч градусов. Такого нагрева не выдержал бы ни один металл,
если бы его не защищал полимерный аблатор — колпак из тер-
мостойкого полимера в смеси с асбестом. От трения о воздух
аблатор тоже разогревается, но полимер при этом вспенива-
ется, разлагается, превращается в кокс. Затем обгорает и
разрушается второй слой полимера. Так слой за слоем сгорает
с громадным поглощением теплоты полимерный аблатор, пре-
дохраняя металлическую конструкцию ракеты от перегрева.

При запуске ракеты струя пламени с температурой
10 000—15 000°С несколько секунд хлещет по наземным кон-
струкциям. Ни один из известных ныне материалов не в силах
противостоять такой струе. Защищают наземные конструкции
такими же аблаторами из термостойких полимеров.
Но и там, где можно было бы обойтись без термостойких
полимеров, их применение дает заметную выгоду. Алмазы к
буровым колонкам и керамические пластинки к скоростным
резцам и фрезам выгоднее всего крепить клеем из термо-
стойкой пластмассы. Тормозные и фрикционные накладки
для автомобиля, приклеенные термостойким клеем, служат
дольше. Термостойкие полимеры хорошо зарекомендовали
себя в литейном деле, химической промышленности, в строи-
тельстве.

Особый спрос на термостойкие полимеры предъявляют
электротехники. Как известно, все электроприборы — от мощ-
ного трансформатора до простого выключателя — греются при
работе, а при перегреве происходит пробой изоляции, прибо-
ры выходят из строя.

Самым распространенным теплостойким материалом явля-
ется графит. По прочности кристаллической решетки, состоя-
щей из правильных шестиугольников, он уступает только кар-
бину, прочность которого около 220 000 МПа, тогда как у гра-
фита она около 130 000 МПа.

Графит имеет высокую теплопроводность, электропровод-
ность, жаропрочность, термостойкость и химическую устойчи-
вость. Но наибольший интерес представляет использование
графита в виде нитевидных монокристаллов («усов»). Их
прочность, на растяжение 21 000 МПа, а удельная проч-
ность 9300, тогда как для стали соответственно 4200 МПа
и 530. Изучаются возможности изготовления жаропрочных
пластмасс, армированных графитовыми «усами». Есть осно-
вание полагать, что если опыты увенчаются успехом, то по-
явится возможность создания . таких машин, которые смогут
преодолеть тепловой барьер.

Микроэлектроника. Управление и измерение на расстоянии,
изучение молекул, атомов и атомных ядер, радиоастрономия,
новейшие методы исследований в биологии и медицине, быст-
родействующие вычислительные машины, новейшие методы
обработки металлов, телевидение, радио, локация, лазеры и
многое другое было бы невозможно без применения электрон-
ных приборов.

Широкое внедрение электроники в самые различные отрас-
ли науки, техники и быт породило много проблем. Самыми
главными из них были следующие: соединения — это первый
фактор, отрицательно влияющий на надежность в действии
любого электронного прибора. Еще сравнительно недавно от-
дельные элементы электронной аппаратуры соединялись меж-
ду собой проводами путем пайки или сварки. Кроме того, что
такой монтаж электронного прибора требовал большого вни-
мания, аккуратности и никаким образом не поддавался авто-
матизации, он еще являлся постоянным источником отказов
в работе (нарушение контактов, обрывы соединительных про-
водов, обрывы выводов элементов электронных схем и г. д.)<
Поэтому прогрессивным был шаг перехода на печатный мон-
таж. При таком способе сборки электронных схем все соедине-
ния выполняются токопроводящими полосками, приклеенными
к изолирующей плате. Практически токопроводящие линии
могут быть нанесены на плату подобно тому, как в типогра-
фии наносят рисунок на страницу книги, а при массовом про-
изводстве этот рисунок без искажений может быть воспроиз-
веден многотысячными тиражами. Потому-то .такой способ
выполнения соединений и получил название печатного мон-
тажа.

Таким образом, при Печатном монтаже невозможно выпол-
нить неправильные соединения. Припаивание деталей (рези-
сторов, конденсаторов и т. д.) стало возможным производить
путем кратковременного погружения платы в расплавленный
припой. При этом одновременно закрепляются па своих местах
все детали.

Печатный монтаж позволил несколько сократить брак в
производстве электронной аппаратуры и увеличить произво-
дительность труда при ее сборке.

Переход от электровакуумных приборов к полупроводни-
ковым позволил преодолеть проблему рассеяния тепла. Если
радиолампы для своей работы требовали напряжений в сотни
вольт и больших токов для разогрева катодов до температу-
ры 700—800°С, на что расходовались большие мощности и тре-
бовался отвод тепла от электронного прибора, то полупровод-
ники способны работать при напряжениях в единицы и даже
доли вольта при токах в тысячные и даже миллионные доли
ампера. Сочетание печатного монтажа с полупроводниковыми
. приборами позволило значительно снизить габариты электрон-
ной аппаратуры.

И все же все более широкое использование электроники в
технике и быту сдерживалось несовершенством технологии
производства электронной аппаратуры. Эту сложную пробле-
му удалось решить путем микроминиатюризации электронной
аппаратуры.

По аналогии с печатным монтажом, когда соединительные
проводники напыляются на изолирующую подложку или вы-
травливаются на поверхности пластмассовой пластинки, по-
крытой тонким слоем металлической фольги, появилась идея
таким же образом «рисовать» в нужных участках схемы рези-
сторов и конденсаторов. Если напылять слоями в нужных до-
зах полупроводниковые материалы, то можно «нарисовать» и
транзисторы, и диоды. Таким образом, наиболее распростра-
ненные функциональные схемы можно выполнять в виде от-
дельных «печатных» модулей. В микромодуле система монта-
жа позволяет разместить в одном кубическом сантиметре
объема 10—20 деталей.
Следующим шагом стало
выращивание на одном полу-
проводниковом	кристалле

функционального	элемента,

эквивалентного схеме, содер-
жащей 30—40 деталей. При
этом размер кристалла со-
ставляет всего 4,5х 2x0,3 мм.
Такой многоэлементный элек-
тронный блок, выполненный в
виде единого целого, стали на-
зывать интегральной схемой.
Главное достоинство инте-
гральных схем — возможность
полной автоматизации произ-

водства. При этом одновременно изготавливается до 100 крем-
ниевых пластин, каждая из которых содержит тысячи элек-
тронных приборов. Образно говоря’, теперь радиоприемни-
ки, магнитофоны и телевизоры выращиваются в пробирках.
Любая ошибка в монтаже принципиально невозможна. Резко
возросла надежность электронной аппаратуры. Появилась воз-
можность удовлетворить не только быстрорастущий спрос на
бытовую электронную аппаратуру, но и сделать широкодо-
ступной такую электронную аппаратуру, которая из-за своей
сложности еще недавно была дорогостоящей. Речь идет об
электронных вычислительных машинах. Карманные ЭВМ, так
называемые микрокалькуляторы, содержат всего лишь одну
большую интегральную схему (БИС). Применяемый в ней
кристалл содержит примерно 10 тысяч транзисторов, 8 тысяч
резисторов, 1 тысячу конденсаторов и 25 тысяч соединитель-
ных проводников (рис. 205). Для сравнения заметим, что в
телевизоре всего около тысячи элементов. В микрокалькулято-
ре около 45 000 тысяч транзисторов, диодов, резисторов, кон-
денсаторов и проводников разместилось на кремниевой пла-
стинке размером 5X5,2 мм.

Но и нынешние интегральные схемы покажутся в будущем
громоздкими, когда микроэлектроника совершит переход к мо-
лекулярной электронике. Роль деталей и даже функциональ-
ных элементов в молекулярной электронике будут выполнять
квантовомеханнческие процессы в твердом теле.

17. Задание на конструирование, изготовление и исследование
прибора или устройства для базового промышленного
или сельскохозяйственного предприятия

За вашей школой закреплено базовое промышленное или
сельскохозяйственное предприятие. Работают на этом пред-
приятии грамотные и знающие свое дело специалисты. Но
всегда есть возможность внести в организацию производства
какие-то изменения, направленные на увеличение количества
выпускаемой продукции, улучшение ее качества, улучшение
условий труда работающих и т. д.

Что, на ваш взгляд, следовало бы изменить на этом пред-
приятии в тех технических устройствах, которые применяются,
в тех технологических процессах, которые действуют?

Если вы не увидели ни одной проблемы, то ознакомьтесь
с тематическим перечнем для рационализаторов и изобрета-
телей, который имеется па предприятии. Какой прибор или
устройство, на наш взгляд, было бы полезно иметь предпри-
ятию?

1.	Обсудите возможность конструирования того или иного
прибора или устройства в помощь базовому предприятию со
своими товарищами и учителем.

2.	Сформулируйте технические условия на прибор или уст-
ройство и обсудите их с инженерно-техническими работника-
ми предприятия.

3.	Выполните эскизный проект прибора или устройства и
обсудите его со специалистами предприятия.

4.	Изготовьте прибор или устройство. Проведите испыта-
ние на его работоспособность.	\

* 5. Проведите измерения основных параметров.

6.	По результатам испытания определите те изменения в
конструкции, которые будут способствовать улучшению эксплу-
атационных показателей.

7.	Проведите доводку конструкции.

8.	Обсудите возможность внедрения вашего предложения
в производственный процесс.

ВОЗМОЖНЫЕ ВАРИАНТЫ РЕШЕНИЙ

I.	ОТМЕТЧИК ВРЕМЕНИ

Поперек металлического стержня 1 делают пропил. В пропил
вставляют полотно от ножовки по металлу 3. Чтобы можно
было в дальнейшем изменять длину пружинного маятника,
полотно закрепляют в пропиле винтом 2. Для этого вдоль
стержня до пропила просверливают отверстие и нарезают
резьбу. Винт 2, ввернутый в отверстие, закрепляет ножовоч-
ное полотно в пропиле. На конце получившейся полосовой
пружины укрепляют любым способом груз 4 с мягкой кисточ-
кой на конце (рис. 206).

- На второй стержень 5 надевают пружинящее полукольцо
так, чтобы концы полукольца были бы несколько приподняты
РИС. 207.

над стержнем. В этих приподнятых концах полукольца свер-
лят маленькие отверстия (рис. 207).

Стержни закрепляют в штативе горизонтально один над
другим. Расстояние между стержнями подбирают таким, чтобы
конец кисточки слегка касался нижнего стержня.

Если отвести от положения равновесия груз на плоской
пружине, а затем отпустить его, » он начнет колебаться вдоль
нижнего стержня.

В отверстия на полукольце продевают толстую белую нит-
ку. Один конец нитки должен лежать свободно, а второй ко-
нец закрепляют на теле, движение которого изучается.

Смочив кисточку чернилами, при колеблющемся грузе тя-
нут за нитку. Если кисточка лишь слегка касается нитки и
при этом оставляет па ней хорошо видимые метки, прибор го-
тов к работе.

Для определения промежутков времени, отмеряемых при-
бором, надо воспользоваться часами с секундной стрелкой
или/ что, конечно, удобнее, секундомером. '

Заставляют груз колебаться. Одновременно начинают счи-
тать колебания и засекают время. Следует учесть, что метки
времени наносятся на нитку, когда ее касается кисточка, по-
этому надо считать число касаний кисточкой инти. Разделив
время на число колебаний, находят отрезок времени, отмеряе-
мого отметчиком. Для того, чтобы точнее произвести эти из-
мерения, надо взять большее число колебаний маятника.

Если метки времени следуют редко, ' уменьшают длину
пружины. При этом отметчик начнет отмерять меньшие про-
межутки времени. При любом изменении длины плоской пру-
жины надо снова проводить определение времени, отмечаемо-
го прибором. Это неудобно.

Подумайте, что надо сделать, чтобы быстро перестраивать
прибор на отсчет других промежутков времени?
2.	СТРОБОСКОП

Если перед объективом фотоаппарата поместить диск со
щелью и диск привести в непрерывное вращение, то изобра-
жение на пленке будет получаться только тогда, когда щель
будет находиться перед объективом. Таким образом, можно
на один и тот же кадр сделать несколько снимков. Если сни-
маемый предмет неподвижен, то особого влияния вращающе-
гося диска (обтюратора) на фотографии мы не заметим.

Если же фотоаппарат направлен на движущийся предмет,
то изображение этого предмета многократно зафиксируется на
различных участках фотопленки. Следовательно, на одном
кадре получится несколько фотографий одного и того же пред-
мета в различных точках траектории его движения. Зная ча-
стоту вращения обтюратора, можно легко определить проме-
жутки времени, отделяющие соседние фазы движения друг от
друга.

Вырежьтё из тонкого картона диск диаметром 15—16 см.
В диске вырежьте щель шириной примерно 1,5—2 см и ук-
репите его на валу микроэлектродвигателя. Фотоаппарат ус-
тановите так, чтобы его объектив полностью был закрыт не-
прозрачным диском обтюратора, но при вращении диска щель
должна проходить мимо объектива (рис. 208).

Направьте объектив фотоаппарата на движущийся пред-
мет и откройте затвор аппарата на все время движения. /Диск
обтюратора в этот момент должен вращаться.

При фотографировании в стробоскопическом освещении
следует иметь в виду, что обтюратор открывает объектив фо-
тоаппарата лишь на долю секунды (в зависимости от скорос-
ти вращения).

Чем выше скорость вращения обтюратора, тем меньше
света попадает от фотографируемого тела на пленку. Поэто-
му пленку надо брать большой чувствительности и хорошо ос-
вещать фотографируемое тело. В то же время изображение
фона многократно фиксируется фотопленкой на одном и том
же месте, поэтому фон, на котором происходит фотографиро-
вание, может «засветить» нужные изображения движущего-
ся тела. Чтобы этого не произошло, фон надо брать черным,
плохо отражающим свет. Можно взять в качестве фона чер-
ную штору и повесить ее возможно дальше от фотографиру-
емого тела. '

Чем уже щель в диске, тем более четкими получаются фо-
тографии. При широкой щели, пока она проходит перед объ-
ективом фотоаппарата, фотографируемое тело успевает смес-
титься и изображение на пленке получается размазанным.

Трудно измерить промежутки времени, отмеряемые быст-
ровращающимся обтюратором. Частоту вращения обтюратора
можно определить следующим образом.
РИС. 208.

РИС. 200.

Сфотографируйте стробоскопический диск (рис. 209) и от-
печатайте на плотной фотобумаге. Сделав в центре диска
круглое отверстие, диаметр которого соответствует диаметру
оси проигрывателя, насадите диск вместе с грампластинкой
на ось проигрывателя.

Включив проигрыватель на скорость вращения 337з об/мин,
смотрите на диск через щель вращающегося обтюратора. При
определенной скорости вращения обтюратора секторы одного
из поясов стробоскопического диска будут казаться непо-
движными.

Внешний пояс имеет 180 секторов, второй—9, третий—18,
четвертый — 27, пятый 36. «Остановка» вращения секторов
второго пояса соответствует для однощелевого стробоскопа
промежутку времени между двумя наблюдениями 1/5 с, треть-
его—1/10 с, четвертого—1/15 с, пятого—1/10 с. Внешний пояс
служит для проверки правильности вращения проигрывателя.
При освещении его люминесцентной лампой секторы внешне-
го пояса должны казаться неподвижными.

Если метки ни одного .пояса не кажутся неподвижными
при наблюдении через щель обтюратора, надо изменить ско-
рость вращения двигателя, включив в его цепь реостат. Регу-
лируя реостатом скорость вращения двигателя, добейтесь, что-
бы секторы одного из поясов казались неподвижными. При
регулировке учтите, что диск обтюратора обладает инерцион-
ностью, и поэтому не сразу после перемещения ползунка рео-
стата изменяется скорость вращения.

Если вам потребуется уменьшить промежутки времени, то
в диске обтюратора можно сделать две щели, расположенные
строго симметрично друг относительно друга. В этом случае
при той же скорости вращения вала двигателя световые метки
времени будут следовать в два раза чаще. Но при фотографи-
ровании в этом случае освещенность движущегося тела надо
увеличить.
3.	ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ

В средней части плоской пружины 2 прикрепляют свинцо-
вый грузик 3. Концы пружины прикрепляют к двум втулкам.
Одна из втулок имеет кольцевую проточку 7, а вторая — уст-
ройство для крепления на оси 4. Диаметрально противопо-
ложно по отношению к оси к втулкам прикрепляют вторую
плоскую пружину со свинцовым грузиком 5.

При вращении колес грузики отбрасываются от оси тем
больше, чем быстрее крутятся колеса. При этом пружины
стремятся сблизить «ртулкв. По одна втулка прикреплена к
оси, и поэтому смещается только втулка с кольцевой проточ-
кой (рис. 210).

В зазор кольцевой проточки подвижной .втулки входит ко-
нец короткого плеча рычага 6'. Длинный конец этого рычага
соединен с коротким плечом второго рычага 7. Применение
двух рычагов в данном устройстве необходимо для того, что-
бы изменить направление смещения длинного конца второго

рычага, ня котором ук-
реплен пишущий узел.

Пишущий узел изго-
товлен из обломка иглы
медицинского шприца 8.
Конец иглы тщательно
зашлифовывают, чтобы
нгла не царапала бума-
гу, Бумажную полоску
свертывают в рулон и
свободно надевают на
ось. Конец бумажной
ленты пропускают под
пишущим узлом и за-
крепляют на оси второй
пары колес. При враще-
нии колес бумажная лен-
та сматывается с рулон-
чика и наматывается на
ось. В это время записы-
вающее устройство вы-
черчивает на ленте
график Изменения скоро-
сти движения, если в
игле в этот момент будет
находиться жидкая крас-
ка (рис. 211).

При изготовлении та-
кого измерителя скорости
требуются аккуратность

РИС. 210.

РИС. 2П.
и тщательная подгонка деталей. Прежде всего следует обра-
тить внимание на подбор материала для плоской пружины.
Слишком жесткая пружина приведет к тому, что при движе-
нии тележки грузики будут незначительно отбрасываться от
оси вращения. Чувствительность измерителя скорости будет
небольшой.

При излишне эластичной пружине грузики во время дви-
жения даже с небольшой скоростью будут на большое рас-
стояние отбрасываться от оси и смещать подвижную втулку,
вызывая перемещение рычаг’а записывающего устройства. Но
в этом случае упругость пружин может оказаться недоста-
точной для того, чтобы возвращать рычаг записывающего уст-
ройства в первоначальное положение при уменьшении скоро-
сти до нуля. Поэтому целесообразно начать с более жесткой
пружины, а затем по мере надобности стачивать пружину на
точильном камне, уменьшая постепенно ее жесткость до полу-
чения надежной работы измерителя скорости.

Прикреплять грузики и втулки к пружинам следует с по-
мощью винтов или заклепок, так как пайка уменьшает элас-
тичность пружин.

Если у вас не найдется иглы от медицинского шприца, то
ее можно заменить пишущим узлом от использованного стер-
жня шариковой ручки. Пишущий узел отделяется от трубки
стержня, шарик на конце пишущего узла удаляется и конец
получившейся тоненькой трубочки зашлифовывается. Для за-
полнения получившегося трубчатого пера достаточным коли-
чеством краски необходимо к трубочке припаять резервуар
для краски. В качестве такого резервуара можно использо-
вать стреляную гильзу малокалиберной винтовки. В донышке
гильзы сверлят отверстие, в которое впаивают верхнюю часть
трубчатого пера.

Краска (ее потребуется 1—2 капли) должна иметь такую
густоту, чтобы она не выливалась самопроизвольно из труб-
чатого пера.

При использовании толстой иглы медицинского шприца или
пишущего узла от шариковой ручки лучше всего взять нит-
рокраску, разбавив ее до необходимой консистенции ацетоном
или любым другим растворителем' нитрокрасок.

4.	ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ВЕТРА

Измеритель скорости ветра можно сделать, используя
микроэлсктродвигатель. Если вращать вал электродвигателя
постоянного тока, то двигатель становится генератором элект-
рического тока.

На валу микроэлсктродвигателя укрепляют воздушный
винт, изготовленный из дерева или металла. Двигатель уста-
навливают на конце рейки так, чтобы ось двигателя была па-
раллельна рейке, Чтобы
воздушный винт всегда
был повернут навстречу
ветру, на другом конце
рейки укрепляют перо
хвоста, изготовленное из
фанеры или листового
металла. В центре тяже-
сти получившейся конст-
рукции устанавливают

Подшипник для крепле-

ния измерителя скорости ветра к вертикальной оси (рис. 212).
Ветер, вращая воздушный винт, превратит кинетическую

энергию движущегося воздуха в энергию электрического то-
ка. Провода от микродвигателя подключают к электроизме-
рительному прибору. Чем выше будет скорость ветра, тем бы-
стрее будет вращаться воздушный винт, тем сильнее будет от-
клоняться стрелка электроизмерительного прибора.

Чувствительность измерителя скорости ветра существенно

зависит от качества воздушного винта и от чувствительности
электроизмерительного прибора.

Испытайте изготовленный прибор. Если при слабом ветре
стрелка прибора заметно отклоняется от нулевого деления шка-
лы, можно приступать к градуировке прибора. Лучше всего
это делать в безветренную погоду.

Установите измеритель скорости ветра на велосипеде и
прокатитесь с такой скоростью, при которой стрелка прибора
заметно отклоняется от нулевого деления шкалы. Ведь не
имеет значения—движется ли воздух относительно прибора
или прибор движется относительно неподвижного воздуха.

Вам потребуется помощь товарища. Отмерьте с ним в сво-
бодном от транспорта и пешеходов месте определенную ди-
станцию. Старт берите с ходу и старайтесь двигаться с такой
скоростью, чтобы стрелка прибора все время держалась око-
ло первого деления шкалы. Товарищ по часам с секундной
стрелкой или с помощью самодельного отметчика времени за-
секает время прохождения дистанции. Заезд повторите в об-
ратном направлении. Дело в том, что воздух никогда не бы-
вает совершенно спокойным. Незаметные для нас движения
воздушных масс происходят постоянно. Поэтому, хотя нам
кажется, что ветра нет, прибор может заметить движение воз-
духа. Дважды проехав одну и ту же дистанцию в разных на-

правлениях, вычислите среднюю скорость движения.

Повторите заезды, но на этот раз скорость должна быть
такой, чтобы стрелка держалась около второго деления шка-
лы. Снова измерьте свою среднюю скорость и т. д. Составьте
таблицу соответствия показаний по шкале прибора скорости

ветра.

I
Теперь прибор пригоден для измерения скорости ветра. Его
надо устаювить на высокой мачте на открытом месте. Когда
подует ветер, достаточно будет взглянуть на шкалу прибора и,
сверившись с таблицей, назвать скорость ветра.

Но тут вас ожидают трудности. Ветер обычно часто меня-
ет направление. Однако перо хвоста будет разворачивать ус-
тановку навстречу ветру. При этом провода, идущие от мик-
роэлектродвигателя, могут быстро накрутиться на мачту. При
сильном порыве ветра провода могут оборваться. Как предот-
вратить закручивание проводов?

При установке на мачту вам придется удлинить провода,
идущие к прибору. Но чем длиннее провода, тем больше их
сопротивление электрическому току. А это значит, что при од-
ной и той же скорости ветра, чем длинее будут соединитель-
ные провода, тем меньше будет отклоняться стрелка прибора,
регистрирующего этот ток.

Как выйти из этого затруднения?

5.	ИЗМЕРИТЕЛЬ УСКОРЕНИИ

Механический измеритель ускорений можно сделать дос-
таточно чувствительным, если преобразовать небольшое изме-
нение угла поворота маятника в большие углы поворота стрел-
ки прибора. Для этого маятник жестко соединяют с зубчатым
колесом, имеющим большое число зубьев, а стрелку прибора
насаживают на ось маленького зубчатого колеса, находяще-
гося в зацеплении с большим зубчатым колесом. Во сколько
раз число зубьев колеса маятника будет больше числа зубьев
колеса стрелки, во столько раз изменение угла поворота стрел-
ки будет больше угла отклонения маятника от вертикали. При
небольших ускореииях маятник незначительно изменяет свое
положение, но за счет преобразования угла поворота стрелка
позволяет заметить и зафиксировать эти изменения, а тем са-
мым зафиксировать и малые

РИС. 213.

ускорения.

Для изготовления подоб-
ного измерителя ускорений
на вертикальной панели из
металла или любого другого
листового материала доста-
точной жесткости на свободно
вращающейся оси укрепляют
зубчатое колесо (рис. 213).
К колесу прикрепляют маят-
ник. Чем больше будет мас-
са маятника и чем длиннее
его подвес, тем чувствитель-

на*
нее будет прибор. Но увеличение массы и длины подвеса
маятника с неизбежностью увеличивает габариты прибора, по-
этому целесообразнее маятник делать из свинца, а не из алю-
миния.

Подобрав подходящее по размерам маленькое зубчатое
колесо, прикладывают его к панели так, чтобы зубья зубчатых
колес вошли в зацепление друг с другом. Отмечают место, где
должно быть просверлено отверстие для оси стрелки. Не сле-
дует добиваться слишком плотного зацепления колес. В этом
случае увеличиваются силы трения между ними. Но при сла-
бом зацеплении мы нс получим надежной работы прибора.
Практически расстояние между осями зубчатых колес дела-
ют на 0,1—0,2 мм больше, чем расстояние между центрами
колес.

Ось малого зубчатого колеса тоже должка свободно вра-
щаться в отверстии панели. Стрелка может быть изготовле-
на из любого материала и любым способом закреплена на ма-
лом зубчатом колосс.

Расположив панель вертикально, попробуйте перемещать ее.
Если все сделано достаточно аккуратно, то при перемещении
панели вы увидите, как начинает отклоняться стрелка то в
одну, то в другую сторону. Значит, прибор готов к работе.

Отклонение стрелки в обе стороны говорит о том, что при-
бор сможет измерять как положительные, так и отрицатель-
ные ускорения. На первый взгляд это хорошо. Но при поль-
зовании таким прибором возникнут трудности. Если измене-
ние скорости будет кратковременным, то вы. не успеете заме-
тить, до какого деления шкалы отклонилась стрелка. Маятник
же не сразу вернется в положение равновесия. Он некоторое
время будет качаться вокруг оси. Все это приведет к тому,
что стрелка будет прыгать по шкале.

Чтобы избежать этого, можно поступить следующим обра-
зом. На панели около большого зубчатого колеса установить
плоскую пружину так, чтобы она не препятствовала поворо-
ту колеса в одну сторону. Как только колесо начнет повора-
чиваться в другую сторону, плоская пружина своим концом
упретсяхв зубья колеса (рис. 213). Теперь не надо вниматель-
но следить за стрелкой во время опыта при измерении уско-
рения. Максимальное ускорение зафиксирует прибор. Для то-
го чтобы повторить измерение, достаточно отжать плоскую
пружину от колеса и позволить маятнику занять исходное по-
ложение.

При такой конструкции вы сможете измерять ускорения
только одного знака (или только положительные, или только
отрицательные).

Что надо сделать для того, чтобы можно было измерять
и положительные, и отрицательные ускорения попеременно?
6.	РЕДУКТОР К МИКРОЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЮ

Простейший редуктор к микроэлектродвигателю можно из-
готовить, используя ременную передачу. Для этого на вал дви-
гателя надевают шкив диаметром 5—6 мм. На ведомом валу
укрепляется шкив диаметром 27 мм (из набора металлическо-
го конструктора). Шкивы соединяют нитяным ремешком.
Чтобы уменьшить проскальзывание ремня на шкивах, ремень
полезно натереть канифолью (рис. 214).

Если в вашем распоряжении имеются зубчатые колеса,
то можно изготовить более надежный редуктор. На валу мик-
роэлектродпи!ателя устанавливают малое зубчатое колесо (на-
пример, г, 10). На ведомом валу укрепляют зубчатое колесо
с большим числом зубьев (х2 50) (рис. 215). Если имеется чер-
вяк, то даже с небольшим зубчатым колесом (г 24) можно из-
готовить редуктор со сравнительно большим передаточным
числом (рис. 216). 1

Для изготовления трехступенчатого редуктора, кроме зуб-
чатых колес, которые используются в одноступенчатом редук-
торе, потребуются еще две пары промежуточных зубчатых ко-
лес (например, г 10, г 40).
Промежуточные пары зубчатых колес устанавливают в об-
щей обойме, которую можно изготовить из листового металл<з
или пластмассы (рис. 217).

Передаточное отношение такой трехступенчатой передачи
можно рассчитать. На на чу двигателя зубчатое колесо 21 10,
оно входит в зацепление с первой парой зубчатых колес, име-
ющих 22 40 и 2з 10. В зацеплении с первой парой находится
вторая пара таких же зубчатых колес. В зацеплении с мень-
шим зубчатым колесом второй пары находится зубчатое колесо
на ведомом валу (/.« 56). Общее передаточное отношение будет
равно произведению передаточных отношений каждой пары
зубчатых колес, находящихся в зацеплении:

,= 10	_10_	10 I

1	~ ’ 40 ’ 40 ' 56 “ 89,6 ’

Передаточное число будет равно 89,6.

7.	ПРУЖИННАЯ ПУШКА ДЛЯ СТРЕЛЬБЫ
НА ЗАДАННОЕ РАССТОЯНИЕ

Пружинная пушка может быть изготовлена путем сборки
из деталей металлического конструктора. Единственная само-
дельная деталь — пружина используется как результат выпол-
нения задания 5 (рис. 218).

Пружина в сжатом состоянии фиксируется скобой, укреп-
ленной на стержне. Перемещение стержня позволяет изменять
степень сжатия пружины. «Выстрел» из пушки производится
нажимом на спусковой рычаг.

В качестве снаряда можно использовать колесо из набора
деталей конструктора или любое другое тело, имеющее сквоз-
ное или глухое отверстие по диаметру стержня, на который
надета пружина (рис. 219).

8.	САМОХОДНОЕ ШАССИ ДЛЯ МОДЕЛИ
АВТОМОБИЛЯ

В соответствии с техническими условиями модель должна
состоять из двух разъединяющихся частей: самоходного шас-
си и кузова. В значительной степени от конструкции самоход-

РИС. 219.


ного шасси зависит выполнение большей части остальных
требований, предъявляемых к модели автомобиля. Так как
шасси должно не только обеспечить определенную скорость
движения и перевозку груза, но и изменять направление дви-
жения, то, очевидно, кроме тягового двигателя, на шасси дол-
жен стоять еще один двигатель, управляющий работой руле-
вого механизма. Наиболее просто удовлетворить эти требова-
ния можно, если оба двигателя сделать тяговыми, с одинако-
выми редукторами, но раздельно приводящими в движение
колеса леного и правого борта шасси.

При одновременной работе обоих двигателей шасси будет
перемещаться прямолинейно. При выключении одного из дви-
гателей второй двигатель будет разворачивать шасси в сторо-
жу выключенного двигателя.

Чтобы уменьшить силы сопротивления движению при раз-
вороте модели, шасси целесообразно выполнить трехколесным.
Третье колесо сделать свободно поворачивающимся. Такая кон-
струкция освобождает от необходимости разрабатывать и из-
готовлять специальный рулевой механизм и одновременно
увеличивает тягу при прямолинейном движении. Отпадает не-
обходимость в выделении места для размещения рулевого ме-
ханизма.

Если разместить источник питания электродвигателей па
нижней поверхности шасси, то тем самым можно высвободить
всю верхнюю платформу для размещения полезного груза.
Кроме того, низко расположенные источники питания пони-
жают центр тяжести модели и тем самым делают ее более
устойчивой.

При такой компоновке размеры шасси определяются раз-
мерами редукторов, электродвигателей и колес модели.

В свою очередь форма и размеры шасси окажут влияние
на выбор формы и размеров кузова. Поэтому конструирова-
ние модели автомобиля необходимо начинать с конструиро-
вания шасси.

Возможный вариант компоновки деталей шасси показан на
’ рис. 220.

Для управления моделью шасси можно установить штеп-
сельный разъем, гнезда которого включены в электрическую
цепь источника питания и электродвигателей. Так, если в ка-
честве разъема использовать панельку восьмиштырьковой ра-
диолампы, то электрические соединения можно выполнить по
схеме, показанной на рис. 221.

В качестве второй части разъема в этом случае использу-
ется цоколь вышедшей из строя радиолампы. Если на вставке
соединить попарно выводы /—7 и 2—4, то при включенном
источнике питания шасси будет двигаться прямолинейно.

Для изменения направления движения достаточно на нуж-
ный промежуток времени разорвать соединения /—7 или
2—4. Тем самым будет временно отключен один из тяговых
двигателей.

Для удобства управления вставка штепсельного разъема
соединяется длинными проводами с пультом управления по
следующей схеме (рис. 222).

Переключатель 51 изменяет направление движения модели?
вперед-назад. Кнопки 52 и 53 позволяют управлять поворота-
ми модели в процессе движения вправо или влево (рис. 223).

При разработке формы кузова свой замысел следует со-
гласовывать с возможностями технологии. Так, планируя изго-
товление кузова из листового материала, следует помнить, что
листовому материалу сложно придать необходимую форму с
изменяемой кривизной поверхности.

Используя прием выклейки, кузову можно придать прак-
тически любую форму.

9.	ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОЧНОСТИ
НИТИ И ПРОВОЛОКИ

Прибор состоит из комбинации рычажного динамометра и
ворота. Главной частью прибора является неравноплечий ры-
чаг, вращающийся на оси. К крючку или отверстию на конце
короткого плеча привязывают испытуемую нить, другой конец
нити наматывают на ворот. К длинному плечу рычага при-
крепляют груз массой 500—1000 г (рис. 224). При вращении
ручки ворота нить наматывается на ось ворота, натягивается,
начинает опускать конец короткого плеча и приподнимать ко-
нец длинного плеча рычага с грузом. Натяжение нити непре-
рывно возрастает, и, наконец, она обрывается. Чтобы уста-
новить, при каком положении рычага произошел обрыв нити,
на оси вращения рычага с небольшим трением вращается
указатель. Длинное плечо рычага, поворачиваясь, смещает и
указатель. При обрыве нити рычаг с грузом падает, а указа-
тель остается на месте, отмечая максимальный поворот длин-
ного плеча рычага (рис. 225).

Для испытания нити на прочность ее привязывают к ко-
роткому плечу рычага, а свободный конец наматывают на во-
рот. К длинному плечу рычага подвешивают груз 500 г. Ука-
затель подводят вплотную к рычагу. Равномерно вращая руч-
ку ворота, натягивают нить до тех пор, пока она не оборвет-
ся. После этого снимают груз и подводят рычаг к указателю,
не сдвигая его с места. Измеряют расстояние в миллиметрах
от точки подвеса груза до вертикальной линии, проведенной
через ось рычага. Обозначим это расстояние буквой а. В том
же положении рычага измеряют расстояние от точки закреп-
ления нити до вертикали, проведенной через ось рычага. Обо-
значим это расстояние через Ъ. Силу тяжести, действующую
на груз, обозначим через Р. Искомую силу максимального на-
тяжения нити можно определить из равенства моментов сил:
Ра=РЬ.

10.	МОДЕЛЬ МОСТА

Для изготовления модели моста можно использовать раз-
личные материалы: детали металлического конструктора, де-
ревянные рейки, бумагу и т. д. Изготовить модель моста с
маленькой удельной массой
можно, используя в качестве
строительного материала со-
лому (рис. 226). Модель, из-
готовленная из соломы, при
собственной массе 1,6 г мо-
жет выдержать сосредоточен-
ную нагрузку более 20 11
(т. е. удельная масса ос ран
на 0,08 г/Н) и перекрывать
пролет в 20 см (рис. 227).

Используя солому, следу-
ет учесть, что она плохо кле-
ится. Поэтому целесообразно
усиливать места сочленения
деталей бумажными косынка-
ми и швейными нитками. По
даже такие, меры усиления
прочности узлов крепления
деталей оказываются в ко-
нечном счете недостаточными.
В ходе испытаний выяснилось,

РИС. 226.

что при достижении предель-

ной нагрузки модель разрушается из-за разрыва узлов сочле-
нения деталей.

11.	ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ ТОКА

Несложный прибор магнитоэлектрической системы с по-
движным магнитом для измерения силы тока можно изгото-
вить следующим образом.

Из листового материала (картон, фанера, пластмасса)
склеивают каркас катушки. На каркас наматывают виток к
витку изолированный провод диаметром 0,2—0,4 мм. Чувстви-
тельность прибора к току будет зависеть от числа витков. Мы
на каркас намотали 700 витков провода диаметром 0,4 мм.

Подвижный магнит можно сделать из обломка полотна от
ножовки по металлу. Ножовочное полотно изготавливают из
стали высокой твердости. Для того чтобы материал ножовоч-
ного полотна поддавался обработке, его отпускают. Для этого
полотно помещают в муфельную печь и нагревают до крас-
ного каления, а затем, не вынимая полотно из печи, печь вы-
ключают. Таким образом полотно медленно охлаждается вме-
сте с печью. Можно попытаться произвести отпуск металла пу-
тем его нагревания па пламени спиртовки, сухого горючего или
газовой горелки. Но следует помнить, что если металл после
нагрева будет остывать слишком быстро, то он плохо отпус-
тится и его трудно будет обрабатывать.
РИС. Й8.

РИС. 229.

Сначала магниту придают нужную форму и сверлят от-
верстие под ось. После того как предварительная механиче-
ская обработка завершена, металл магнита закаливают. Для
этого его вновь нагревают до красного каления и быстро ох-
лаждают водой.

Чтобы намагнитить заготовку магнита, по ней можно не-
сколько раз в одну сторону провести одним из полюсов силь-
ного постоянного магнита. Намагничивание можно произвес-
ти и электрическим током.

К магниту припаивают ось и прикрепляют стрелку. Ось
должна располагаться выше центра тяжести магнита со стрел-
кой. В этом случае сила тяжести будет сообщать подвижной
системе необходимый противодействующий момент. Подвиж-
ную систему устанавливают в П-образной скобке, на концах
которой тупым кернером с внутренней стороны выбиты не-
большие углубления. В эти углубления входят керны подвиж-
ной системы (рис. 228).

Катушка, механизм подвижной системы и зажимы для под-
ключения прибора в цепь устанавливают на общем основании
из изоляционного материала (рис. 229).

12.	КОМБИНИРОВАННЫЙ
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР

Приступая к конструированию комбинированного электро-
измерительного прибора, прежде всего необходимо определить
основные параметры имеющегося у вас стрелочного электро-
измерительного прибора. Если известны сила тока отклонения
I и внутреннее сопротивление 2? прибора ИПа, их можно оп-
ределить следующим образом.

Прибор ИПХ включают в цепь (рис. 230), состоящую из об-
разцового микроамперметра ИП0 (в крайнем случае им мо-
жет быть авометр, включенный для измерения силы тока), ис-
точника тока, выключателя и
двух резисторов: постоянного
/?1, ограничивающего силу то-
ка в цепи до 500 мкА, и пере-
менного /?2, с помощью кото-
рого в цепи можно регулиро-
вать силу тока от 45 до
500 мкА.

РИС. 230.

Установив силу тока, при

которой стрелка прибора Ш1г отклоняется до последней отмет-
ки шкалы, отсчитывают / по шкале образцового прибора ИП0-

Затем параллельно прибору ИПХ подключают переменный
(желательно проволочный) резистор /?3 сопротивлением
3—5 кОм. Изменением его сопротивления добиваются того,
чтобы при том же токе в цепи (по образцовому прибору)
стрелка прибора ИПЖ установилась на среднюю отметку его
шкалы. Сопротивление введенной части переменного резисто-
ра /?3 (его измеряют омметром) равно внутреннему сопротив-
лению /? прибора ИП,т.

Схемы комбинированных , электроизмерительных приборов
представляют собой сочетания в различных комбинациях схем
многопредельных' измерителей сил токов, напряжений и соп-
ротивлений. Отсчет всех измеряемых величин производится
по шкалам одного и того же измерителя тока.

Выбор нужного предела измерений и вида работы может
осуществляться с помощью переключателей, системы гнезд
или комбинированным способом.

Многопредельный измеритель силы тока в комбинирован-
ном электроизмерительном приборе можно получить, исполь-
зуя систему переключаемых шунтов (рис. 231). Но такая схе-
ма имеет существенный недостаток, заключающийся в том,
что при изменении пределов измерений обязательно надо от-
ключать источник , тока. В противном случае в момент пере-
ключения шунтов измерительный прибор на какое-то время
окажется везашунтированным, и весь ток пройдет через при-
бор. Прибор может выйти из строя. Чтобы этого не случи-
лось, необходимо применять безобрывный переключатель.
Более надежным в работе является многопредельный ам-
перметр с универсальным шунтом (рис. 232). Переключение
пределов измерений в многопредельном измерителе силы то-
ка» собранном по этой схеме, может производиться простым
переключателем или при помощи системы гнезд.

Сопротивление шунта /?ш выбирается из условия	г.

Многопредельный универсальный шунт рассчитывают по
формуле;

где ^—предельная сила тока измерителя; /—измеряемая сила
тока в цепи; /?Ш(—суммарное сопротивление резисторов,
включенных непосредственно между входными зажимами ам-
перметра па 1-м верхнем пределе измерений;	— суммарное

сопротивление резисторов, включенных последовательно с рам-
кой (катушкой) измерителя на ьм пределе измерения; Я — об-
щее сопротивление контура «измеритель — резисторы».

Так, для схемы (рис. 232) на первом пределе измерений:

•{•^2'Т^з,	/?д!в0;

па втором пределе измерений:

/?Ш2 = ^24"^3» ^д2==^Ь

на третьем пределе измерений:

Используя схему универсального шунта и известные из
главы 5 схемы многопредельных измерителей напряжения и
сопротивления, комбинированный электроизмерительный при-
бор (авометр) можно собрать по схеме, показанной на ри-
сунке 233. Возможный внешний вид этого прибора изображен
на рис. 234.

Шунты к миллиамперметру изготавливаются из манганино-
вой или константановой проволоки. Следует учитывать, что не-
проволочные резисторы имеют большой разброс параметров, по-
этому действительное значение сопротивления резистора мо-
жет отличаться от надписи на корпусе па ±20%. Чтобы
компенсировать возможные отклонения от расчетных значений
добавочных сопротивлений к вольтметру и омметру, их резис-
торы делают составными — последовательно включают близ-
кий по значению пепроволочпый резистор и самодельным
проволочным резистором подгоняют общее сопротивление до
расчетного значения. Таким образом, каждое добавочное со-
противление и каждый шунт подбирают для данного прибора
индивидуально на каждый предел измерений,
Промышленные приборы с индивидуальными шунтами и
добавочными сопротивлениями не изготавливаются. Выпуска-
ются приборы с взаимозаменяемыми калиброванными прово-
лочными резисторами.

13.	ДАТЧИКИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Конструкция датчика существенно зависит от его назначе-
ния, от условий применения, и поэтому один и тот же датчик,
например датчик освещенности, будет иметь одну конструк-
цию и параметры, когда он применяется для включения улич-
ного освещения, и совсем иную конструкцию, когда с его помо-
щью измеряется прозрачность воды. Тем не менее общие основы
конструирования различных датчиков не зависят от области
их применения. Поэтому рассмотрим лишь такие возможные
примеры конструирования, которые могут быть положены в
основу датчиков, предназначенных для совершенно конкрет-
ных технических устройств.

Полупроводниковые датчики температуры и освещенности.
Из школьного курса физики известно, что электрические свой-
ства полупроводников зависят от температуры и освещенно-
сти. Эти характеристики присущи всем полупроводникам вне
зависимости от того, какой прибор изготовлен из этого полу-
проводника. Так, полупроводниковый диод будет изменять
свое электрическое сопротивление не только в зависимости от
направления протекающего через него тока, но и в зависимо-
сти от температуры и освещенности полупроводникового ма-
териала (если свет может падать на этот материал). В этом
РИС. 235.

РИС. 23в.

легко убедиться на таком простом опыте. Возьмите полупро-
водниковый диод типа Д2 или Д9 (у диода Д9 необходимо
предварительно смыть ацетоном черную краску, которая по-
крывает стеклянный корпус этого диода). Включите диод в
цепь измерительного прибора и источника тока так, чтобы ди-
од оказывал наибольшее сопротивление электрическому току.
Если теперь нагреть диод любым способом, то с увеличением
температуры ток резко возрастет. Увеличение тока произойдет
и в том случае, если через прозрачный стеклянный корпус ос-
ветить кристалл полупроводника,

Таким образом, если в вашем распоряжении нет полупро-
водниковых датчиков освещенности и температуры фабрич-
ного производства, то их нетрудно изготовить из имеющихся
полупроводниковых диодов и триодов.

Хороший датчик температуры получается из диода ти-
па Д9. Небольшие размеры и масса делают его сравнительно
малоинерционным. Необходимо лишь позаботиться о том, что-
бы изолировать выводы диода от влияния окружающей сре-
ды. Для этого можно выводы вместе с припаянными соедини-
тельными проводами тщательно покрыть водоупорным лаком
или краской.

Хороший датчик освещенности получается после переделки
полупроводникового триода. Для этого у транзистора типа
МП42 (желательно с небольшим обратным током коллектора)
надфилем следует спилить верхнюю часть корпуса, удалить
опилки, а отверстие заклеить кусочком тонкого органического
стекла или фотопленки. Лучший результат получается, если
датчик освещенности изготовить из более мощного транзисто-
ра типа П201 или П4 (рис. 235). Между базой и коллектором
получившегося фототранзистора включают резистор на не-
сколько сот килоом (сопротивление резистора зависит от кон-
кретных условий применения датчика). Фототранзистор вклю-
чают в цепь усилителя по схеме, показанной на рис. 236.

14.	ЭЛЕКТРОННОЕ РЕЛЕ ВРЕМЕНИ

Рассмотрим схему, изображенную на рис. 237. Реле време-
ни собрано на транзисторах VI, Й2. Если замкнуть ключ 51,
то возрастет сила тока базы транзистора VI и, как следствие,
сила тока коллектора транзистора У2, в цепь которого вклю-
чено электромагнитное реле /(1. Если теперь ключ 51 разомк-
нуть, то значение силы тока в цепи коллектора транзистора У2
сохранится до тех пор, пока конденсатор С1 не разрядится
через резистор и цепь транзисторов VI и У2. Время разря-
да конденсатора можно изменять переменным резистором /?1.

Контакты электромагнитного реле можно использовать для
управления работой тягового электродвигателя тележки, изго-
товленной по заданию 7. Переключение контактов электро-
магнитного реле вызовет реверсирование тягового двигате-
ля М1.

Если вместо ключа 51 оборудовать тележку двумя контак-
тами, укрепленными перед тележкой, то она приобретет спо-
собность объезжать препятствия. В этом случае устройство бу-
дет работать следующим образом. При движении тележки на
ее пути появляется препятствие. Столкновение тележки с пре-
пятствием вызовет замыкание вынесенных вперед контактов.
Замкнувшиеся (даже на мгновение) контакты вызовут сраба-
тывание реле. Один из двигателей тележки изменит направ-
ление вращения, и тележка совершит разворот. Продолжи-
тельность реверсирования двигателя определяется значением
введенного сопротивления резистора /?1. При излишне боль-
шом сопротивлении этого резистора тележка может совершить
полный оборот на одном месте и опять наткнется на препят-
ствие. Поэтому время разворота выбирают таким, чтобы те-
лежка развернулась приблизительно на 90°.

Конечно, «успех» в объезде препятствия зависит от того, с
какой’ стороны произошло столкновение тележки с препят-
ствием. Поэтому целесообразно изготовить два одинаковых
реле времени, а выносные контакты изготовить в' виде двой-
ного буфера. Внешний буфер выполнен из гибкой стальной
РИС. 238.

Р И С. 239.

ленты, согнутой дугой и соединенной с отрицательным полю-
сом источника тока. Внутренний жесткий буфер состоит из
двух полудуг, соединенных с конденсаторами С1 и С2.

Каждое реле времени управляет работой своего тягового
двигателя. Пусть препятствие оказалось справа. При ударе о
препятствие практически мгновенно заряжается конденсатор,
срабатывает реле, и реверс левого тягового двигателя заставит
тележку отъехать от препятствия с разворотом влево. По
истечении .заданного промежутка времени тяговый двигатель
вновь реверсируется, и тележка продолжает прямолинейное
движение по новому направлению. Аналогично, если препят-
ствие окажется с левой стороны, тележка отъедет от него с
разворотом вправо.

Блок реле времени вместе с выносным буфером можно вы-
полнить в виде отдельной конструкции, подключаемой к те-
лежке с помощью разъемного соединения (рис. 238, 239).

15.	УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО

УПРАВЛЕНИЯ

Самоходное шасси модели автомобиля, изготовленное по
заданию 7, можно снабдить устройством автоматического
управления.

Электронное реле (рис. 240) замыкает контакты 1—4, ког-
да свет падает на фоторезистор 7?2. У самоходного шасси за-

РИС. 240.

мыкание контактов 1—4 штеп-
сельного разъема вызывает
включение двигателя М2.
Чтобы самоходное шасси дви-
галось прямолинейно, необхо-
димо включить и двигатель
М1, а для этого надо замк-
нуть контакты 2—7. Таким
образом электронное реле
управляет работой только од-
ного двигателя М2. Двигатель М1 включен постоянно, пока
включен источник электропитания.

При затемнении фоторезистора или уменьшении его осве-
щенности двигатель М2 отключается, и шасси начинает разво-
рачиваться до тех пор, пока свет снова не попадет на фоторе-
зистор #2.

В качестве фоторезистора здесь использован фоторезистор
типа СФ-2; электромагнитное реле типа РЭС-10, у которого
ослаблена прижимная пружина так, чтобы реле надежно сра-
батывало при подключении к источнику тока напряжением
4,5 В.

Все детали электронного реле смонтированы на пластинке,
укрепленной в цоколе восьмиштырьковой радиолампы
(рис. 241). Для защиты фоторезистора от бокового света на
его корпус надевается трубочка-тубус. Реле устанавливается
на самоходном шасси (рис. 242).

Поместим перед самоходным шасси зажженную электро-
лампу и включим электропитание. Немедленно должен вклю-
читься двигатель М1. Если освещенность фоторезистора доста-
точна и резистор /?1 отрегулирован правильно, то включится
и двигатель М2. Тележка будет двигаться к источнику света.

Сдвинем в сторону электролампу. Освещенность фоторези-
стора уменьшилась, и это вызовет отключение двигателя М2.
За счет продолжающего работать двигателя М1 шасси начнет
разворачиваться на месте до тех пор, пока свет от электро-
лампы вновь не попадет на фоторезистор. Таким образом са-
моходное шасси будет самостоятельно находить источник
света.

Точность движения шасси к источнику света регулируется
резистором /?1. Реле не должно срабатывать от рассеянного
света.

Так как двигатели М1 и М2 не могут быть совершенно оди-
наковыми, то при включенных двигателях шасси все же будет
двигаться, постепенно отклоняясь от прямолинейного пути в
сторону более слабого двигателя. Движение шасси будет более
точным, если реле управляет работой более сильного двига-
теля. Тогда траектория движения шасси будет менее извили-


РИС. 243.

стой. Точность и «дальнозоркость» реле можно увеличить,
если тубус снабдить короткофокусной линзой.

И все же поиск света при этой схеме будет нерациональ-
ным. Представьте себе, что электронное реле заставляет

шасси поворачивать вправо, а электролампу мы сместим не-
множко влево, В этом случае шасси должно сделать почти пол-
ный оборот на одном месте, прежде чем снова «увидит»
источник света. Как сделать следящее устройство? Для этого
надо взять два фотореле (рис. 243). Теперь оба электродви-
гателя будут управляться фотореле.

Реле включаются так, что свет, падающий на левый фото-

резистор, управляет работой правого электродвигателя и на-

оборот.

Теперь при движении электролампы вправо шасси тоже бу-
дет разворачиваться вправо. При изменении направления дви-
жения лампы изменится и направление разворота шасси. А при

РИС. 244.

неподвижной лампе шас-
си кратчайшим путем при-
близится к источнику све-
та. В схеме (рис. 243)
фоторезисторы типа
ФС-К1 снабжены тубуса-
ми с линзами. Парал-
лельно обмоткам элек-
тромагнитных реле вклю-
чены диоды типа Д9. Тем
самым увеличена чет-
кость срабатывания элек-
тромагнитных реле. На
рис. 244 показано шасси
с новым фотореле.
10. ПРИСТАВКА К ТЕЛЕФОННОМУ АППАРАТУ

Иногда возникает необходимость «подключить! к телефон-
ному разговору несколько присутствующих при этом человек.
Для этого достаточно рядом с телефонным аппаратом поло-
жить коробочку с устройством, схема которого приведена на
рис. 245?

Приставка работает следующим образом. Вблизи включен-
ного телефонного аппарата образуется электромагнитное поле.
В катушке И, помещенной в это поле, возникает переменный
индукционный ток, который усиливается усилителем низкой
частоты.

Катушка 1Л содержит 1250 витков провода ПЭЛ 0,1—0,15
и намотана в несколько слоев на ферритовый стержень Ф600
(0 10 мм, длина 140 мм).

Транзисторы VI и 72 типа МП39—МП42, УЗ — МП20.
Трансформатор — выходной трансформатор от карманного
приемника. Громкоговоритель типа 0,5 ГД-17, 0,5 ГД-20.

Для того чтобы избежать нежелательной обратной связя
между усилителем низкой частоты и катушкой, катушку со-
единяют с УНЧ двухметровым экранированным проводом к
вблизи телефонного аппарата помещают только катушку,

17.	ПРОБНИК

Пробник предназначен „ для проверки работоспособности
низкочастотных и высокочастотных каскадов радиоаппара-
туры.

Пробник представляет собой симметричный мультивибра-
тор, генерирующий электрические колебания, близкие по фор-
ме к прямоугольным. Основная частота (первая гармоника) —
около 1000 Гц. Сигнал такой частоты обычно подают на вход
проверяемого или налаживаемого усилителя НЧ. Но, кроме
колебаний основной частоты,
на выходе мультивибратора
содержится множество гар-
моник, что и позволяет ис-
пользовать его для проверки
высокочастотных цепей прием-
ника.

В мультивибраторе рабо-

тают транзисторы структуры
п—р—п-серии КТ315 с любым буквенным индексом (рис. 246).
Источником питания служит малогабаритный аккумулятор ти-
па Д-0,06. Сигнал, снимаемый с коллектора транзистора У2,
через конденсатор СЗ и щуп а подают на вход усилительного
каскада или всего усилителя. Щуп б пробника подключают к
общему проводнику испытываемого устройства.

18.	СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ 1

Для испытания и налаживания различных устройств, по-
требляющих ток до 0,3 А напряжением от 0 до 12 В, удобно
использовать сетевой блок питания со стабилизированным на-
пряжением.

Рассмотрим схему блока (рис. 247). Он состоит из пони-
жающего трансформатора Т1, двухполупериодного выпрямите-
ля VI с конденсатором С1, сглаживающим пульсации выпрям-
ленного напряжения, индикатора перегрузки (лампа Н1 и
резистор /?1) и стабилизатора на стабилитроне Г2 и транзисто-
рах УЗ, У4. Выходное напряжение блока можно плавно регу-
лировать переменным резистором /?3.

’ См: Борисов В. Г. Стабилизированный блок питания.—Радио,
1979, № 6.

РИС. 247.
При повышении силы тока нагрузки до 250 — 300 мА уста-
новленное этим резне юром выходное напряжение остается
практически постоянным.

Резистор /?2 и стабилитрон У2 стабилизируют напряжение
на переменном резисторе /?3 Грашнстор ИЗ является управ-
ляющим элементом Напряжение, создающееся на его нагру-
зочном резисторе #4, подаетсм непосредственно на базу регу-
лирующего транзистора У4 Нагрузка /?„ (усилитель, прием-
ник или другое устройство) включена в эмиттерную цепь
транзистора |Л1, и потребляемый сю ток течет через участок
эмиттер — коллектор этого транзистора.

Напряжение на выходе стабилитрона будет примерно на
0,3—0,4 В меньше, чем на базе транзистора УЗ. По мере уве-
личения силы тока нагрузки увеличивается падение напряже-
ния на лампе 111 и резисторе /?1. Сопротивление резистора
выбрано таким, чтобы при токе нагрузки 200—250 мА нить
лампы начинала заметно светиться, а при токе более 500 мА
ярко светиться.

Резистор /?5 нужен для того, чтобы и при отключенной на-
грузке регулирующий транзистор работал как усилитель тока.
Конденсатор С2 дополнительно сглаживает пульсации выпрям-
ленного напряжения и тем самым улучшает коэффициент пуль-
саций блока питания.

Роль трансформатора питания в выпрямителе может играть
трансформатор кадровой развертки телевизора (ТВК-110-Л-2)
или самодельный, дающий на вторичной обмотке напряжение
18—20 В.

Выпрямительный блок КЦ402Е можно заменить четырьмя
диодами серии Д226, Д229, Д7. •

Используются конденсаторы С1 и С2 типа К50-6, постоян-
ные резисторы типа МЛТ, переменный резистор типа СП или
СПО.

Резистор #1 проволочный, мощность рассеяния не менее
10 Вт. Он изготавливается из провода высокого удельного со-
противления (манганин, константан, нихром) толщиной 0,18—
0,2 мм с любой изоляцией. Сигнальная лампа типа МН6,3-0,26;
стабилитрон типа Д814Д можно заменить на Д813.

Транзистор У4 установлен на теплоотводящем радиаторе из
отрезка дюралевого уголка длиной 50 мм со стенками 30x30.

Налаживание блока питания сводится к подбору резисто-
ра /?2. Его сопротивление должно быть таким, чтобы при от-
ключенной нагрузке сила тока через стабилитрон была равна
15—18 мА.

Для удобства обращения с блоком питания целесообразно
поместить его в корпус и снабдить вмонтированным в него
вольтметром, который постоянно включен параллельно зажи-
мам Л1 и Х2.
10, ИЗМЕРИТЕЛЬ ЭМОЦИЙ1

РИС. ?48.

МЛ39-МП-+2

рые содержат большое число
ется, например, кисть руки;

Определять степень эмоциональной устойчивости каждого
человека можно при помощи прибора, разработанного и изго-
товленного в клубе юных техников Новосибирского академго-
родка.

Известно, что сопротивление определенных участков тела
человека зависит от деятельности потовых желез. Ею управ-
ляет нервная система, Любое эмоциональное возбуждение или
нервно-психическое напряже-
ние заставляет потовые желе-
зы работать интенсивнее, что
в конечном счете приводит к
уменьшению сопротивления
кожи человека.

Для измерения сопротив-
ления кожи применяется при-
бор, схема которого изобра-
жена на рис. 248.

Электроды укрепляются
на тех участках кожи, кото-
потовых желез. Удобной явля-
)дин электрод прикладывают к

ладони, другой — к ее тыльной стороне. Соединительными
проводами электроды подключаются к гнездаАм XI и Х2 при-
бора. Потенциометром 1 устанавливают силу тока во внешней
цепи (через руку человека) в пределах 20—50 мкА. Сила то-
ка контролируется стрелочным прибором Р\. Регистрация из-
менений силы тока, связанная с изменением электропроводи-
мости кожи, а следовательно, и с эмоциональным возбужде-
нием, осуществляется прибором Р2.

Закрепив электроды на руке, с помощью 7?4 стрелку прибо-
ра Р2 устанавливают’ на 0. При появлении раздражителя
(звук, свет, прикосновение) стрелка прибора отклоняется. Если
у человека хорошая эмоциональная устойчивость, отклонения
стрелки будут незначительными.

Электроды изготавливаются из цинка, свинца или меди и
перед наложением на кожу покрываются пастой, состоящей из
двух частей глицерина, одной части спирта и двух частей мел-
кого абразива.

1 См.: Терских
1975, № 9.

Измеритель эмоций.— Моделист-конструктор,
ПРИЛОЖЕНИЕ

ОПРАВКИ ДЛЯ НАВИВКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ

ПРУЖИН (РАЗМЕРЫ ДАНЫ В МИЛЛИМЕТРАХ)

Диаметр провода	0,2	0,3	0.4	0,5	0,6	0,8	1,0	1,5	2,0	2,5
Диаметр пружины	Диаметр оправки							*  «		
4	3,2	3,1	2,8	2,5	2,3	•				
5	4.0	4,0	3,8	3,5	3,2	2,7				»
6		5,0	4,8	4,5	4,2	3,6	2,9		 »	
8			6,7	6,4	6,1	5,5  7,7	4,8			
10				8,7	8,1		6,7	5,5		4,8
12					10,0	9,3	8,5	7,3	5,1  9,0	
15					12,8	12,1	11,7	10,2		7,6
18							14,3	13,1	11,9  13,8	10,4
20							16,2	15,0		12,2
22								16,9	15,6	14,1
25								19,7	18,5	17,0
30									23,5	,22,9
35									28,7	26,9
					—						

• /




ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И БАТАРЕИ

Наимено- вание	Сопротив- ление на- грузки	Длительность разряда, ч	Размер, мм	Масса, г
236	200	20	0 10X44	10
314	200	38	0 14X38	15
316	200	60	0 14X50	20
332	20	6	0 22X37	30
336	20	10	0 20X58	45
343	20	12	0 26X49	52
373	20	40	0 34X61	115
374	20	50	0 34X75	130
376	20	65	0 34X91	165
Рубин 1	100	125	62X21X63	150
Крона ВЦ	900	(преры- вистый) 80	16X26X48,5	40
РЦ-53	120	24	0 15,6X6,3	4,6
РЦ-55	120	50	0 15,6X12,5	9,5
РЦ-63	60	27	0 21X7,4  0 21X13	10
РЦ-65	60	53		18
РЦ-73	40	32	0 25X8,4	17
РЦ-82Т	25	35	0 30X9,0	30
РЦ-83	25	35	0 30X9,0	28
РЦ-85	25	55	0 30X14	39
ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ,	,	,	........................................3

VIII КЛАСС

Глава 1. Измсршмс времени, скорости, ускорения

§ I. Использование периодических процессов для изме-
рения времени..................................	.	.	5

1.	Задание на конструирование и изготовление отметчи-
ка времени............................................. 7

Лабораторная работа № 1. Измерение ускорения при
равнопеременном движении с самодельным отметчиком
времени ............................................... 8

• 2. Измерение скорости .	.	. ;....................

*2. Задание на конструирование и изготовление измери-
тели скорости..........................................13

Лабораторная работа № 2. Градуирование самодельного
измерителя скорости ................................... —

§ 3. Измерение ускорений .	.	.	.	.	.	.	.14

3.	Задание на конструирование и изготовление измери-
теля ускорений .	. '................................П

Лабораторная работа № 3. Градуирование самодельного
измерителя ускорения .................................. —

Глава 2. Двигатели, передачи и рабочие органы машин
§ 4. Что- такое машина .	. . .......................19

§ 5.	Двигатели.........................................21

Лабораторная работа X? 4. Измерение скорости вращения
вала микроэлектродвнгателя стробоскопическим методом 24
Лабораторная работа № 5. Измерение максимального кру-
тящего момента на валу микроэлектродвнгателя ,	. 25

§ 6.	Передаточные механизмы............................26

Лабораторная работа № 6. Определение модуля зубча-
того колеса............................................34

4.	Задание на конструирование и изготовление редукто-
ра к микроэлектродвигателю .............................—

Лабораторная работа № 7. Измерение максимального
крутящего момента на ведомом валу редуктора и опре-
деление КПД редуктора..................................35

§ 7.	Исполнительные органы машин. Движители .	. 36

Лабораторная работа № 8. Измерение максимальной тя-
ги воздушного винта....................................40

Глава 3. Конструирование и моделирование
§	8.	Инженерное	конструирование.....................41

§	9.	Методы конструирования......................44

§	10.	Инженерный	расчет...........................49

§	11.	Технология.............................51

5.	Задание на изготовление цилиндрической витой пру-
жины ..................................................53

Лабораторная работа № 9. Измерение жесткости само-
дельной пружины .	,	. —
6.	Задание на конструирование и изготовление пружин-
ной пушки .	,....................................54

§ 12.	Моделирование...................................—

§ 13.	Художественное конструирование.................56

7. Задание на конструирование и изготовление модели
автомобиля...........................................58

Лабораторная работа № 10. Испытание модели авто-
мобиля .	.	,	•	.	  59

IX КЛАСС

Глава 4. Детали машин и механизмов

§ 14.	Надежность машин ......... 60

§ 15.	Сопротивление материалов........................62

8.	Задание на конструирование и изготовление прибора
для измерения прочности	нити и проволоки .... 68

Лабораторная работа № II. Исследование прочности
нитей	 —

§ 16.	Материалы	техники..............................69

§ 17.	Прочность	конструкции .........................73

9.	Задание на конструирование и изготовление модели
моста	«,*•*«..*• 78

Глава 5. Измерение электрических величин

§ 18.	Измерение силы тока.............................

10.	Задание па конструирование н изготовление прибо-

ра для измерения силы тока.............................86

Лабораторная работа № 12. Градуирование самодельно-
го измерителя силы тока..................................—

§ 19.	Измерение напряжений..............................87

11.	Задание на конструирование и изготовление прибора
для измерения напряжения................................89

§ 20.	Измерение сопротивлений...........................90

12.	Задание на конструирование и изготовление комби-
нированного электроизмерительного прибора . . .	,93

Глава 6. Элементы автоматических устройств

§21. Электрические измерения неэлектрических величин —

13.	Задание на конструирование и изготовление датчика
неэлектрической величины .............................. 106

§ 22.	Электрический преобразователь. Электромагнитное
реле............................................. - Ю7

Лабораторная работа № 13. Составление и сборка элек-
трических цепей с электромагнитным реле . .	,	.114

§ 23.	Электрический преобразователь. Усилитель тока —
Лабораторная работа № 14. Исследование транзисторного
усилителя тока......................	.	....... 120

§ 24.	Электронное реле.................................121

14.	Задание на конструирование и изготовление элек-
тронного реле...........................................124

§ 25.	Исполнительные органы автоматических устройств —

Глава 7. Автоматизация производственных процессов

§ 26.	Устройства автоматического контроля и сигнали-
зации ...................................................128

§ 27,	Устройства автоматической защиты...................130

§ 28.	Устройства автоматического управления .	.	.134

§ 29.	Устройства автоматического регулирования	.	. 138

15.	Задание на конструирование, изготовление и исследо-
вание автоматического устройства ........................141
X КЛАСС

Глава 8. Дистанционное управление машинами и механизмами

§ 30.	Генераторы электрических колебаний .	.	,	.М2

§ 31.	Усилители электрических колебаний ..... 146

§ 32.	Радиоприемник ,	.	.	.....................151

§ 33.	Телемеханика....................................152

§ 34.	Электропитание электронных устройств .	.	.158

16.	Задание на конструирование, изготовление и исследо-
вание: а) усилителя низкой частоты; б) генератора
электрических колебаний; в} ныпрямителя переменного
тока .................................................169

Глава 9. Достижения физики и технический прогресс

§ 35.	Роль физики в научно-технической революции . —

§ 36.	Физика и революция в технике......................171

17.	Задание на конструирование, изготовление и исследо-

вание прибора или устройства для базового промышлен-
ного или сельскохозяйственного предприятия . .	.	.174

Возможные варианты решений .........................175

1.	Отметчик времени ..........	—

2.	Стробоскоп ......................................177

3.	Измеритель скорости............................  179

4.	Измеритель скорости ветра .......................180

5.	Измеритель ускорений.........................182

6.	Редуктор к микрсэлектродвигателю.............184

7.	Пружинная пушка для стрельбы на заданное рас-
стояние .	 185

8.	Самоходное шасси для модели автомобиля	...	.	—

9.	Прибор для измерения прочности нити и	проволоки	187

10.	Модель моста.................................188

11.	Прибор для измерения силы тока...............189

12.	Комбинированный электроизмерительный	прибор	.	150

13.	Датчики неэлектрических величин..............193

14.	Электронное реле времени .	.	: .............194

15.	Устройство автоматического управления .	. .	.196

16.	Приставка к телефонному аппарату.............199

17.	Пробник ...........................................—

18.	Стабилизированный блок питания .....	200

19.	Измеритель эмоций . ’ . .........................202

Приложение . ......................................  203
Станислав Андреевич Хорошавин

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЕ

МОДЕЛИРОВАНИЕ

Редактор Л. Л. Величко

Художник В. Ф. Г ромов

Художественный редактор В. М. Прокофьев

Технический редактор Г. В. Субочева

Корректор А. А. Гусельникова

ИБ № 6943

Сдано в набор 20.09.82. Подписано к печати 28.01.83.
Формат бОХЭО'Лв. Бум. типограф. № 3. Гарнит. лит. Пе-
чать высокая. Усл. печ. л. 134-форз. 0,25. Усл. кр.-отт.
13,75. Уч.-изд. л. 13,45-ффорз. 0,50. Тираж 132 000 экз.
Заказ № 4237. Цена 50 коп.
I

Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Про-
свещение» Государственного комитета РСФСР по делам
издательств, полиграфии и книжной торговли.

Москва, 3-й проезд Марьиной рощи, 41.

Типография им. Смирнова Смоленского о-блуправления из-
дательств, полиграфии и книжной торговли, г, Смоленск,
пр. им. К). Гагарина, д. 2.