Приборы и инструменты
Инженерные шедевры России
Образцовые весы Крекшина Образцовыми эти весы были признаны в 1747 году на испытаниях в Зимнем дворце в присутствии императрицы Елизаветы Петровны. Их автор – механик Петр Крекшин. Его весы действительно отличались повышенной чувствительностью и точностью при большой
изменяло свою величину, то ртуть в шаре становилась легче или тяжелее, соответственно ослабляя или усиливая давление на воздух в маленьком шаре, из-за чего конец ртутного столба в капилляре смещался. Чем больше площадь сечения шара превышала площадь сечения капилляра, тем чувствительнее был прибор и тем большим смещением ртути отзывался на изменение силы земного притяжения. С этим прибором связан любопытный факт: в 1940 году на конференции гравиметристов в Ленинграде был показан прибор для измерения силы лунного притяжения. Им оказался… универсальный барометр Ломоносова.
6
нагрузке. У весов – массивное коромысло из стали длиною 64 см, средняя часть которого украшена латунными золочеными накладками, в верхней части коромысла – накладки с перекрещивающейся парой вензелей «E I П» (Елизавета Первая Петровна), под короной по сторонам стилизованные пальмовые ветви из стали, внизу цифры – 1747. Манера изготовления весов подчеркивает культуру «инструментального художества» ХVIII века, когда считалось обязательным декоративное оформление прибора или инструмента. В 1753 году на Сестрорецком заводе к весам Крекшина изготовлены бронзовые золоченые образцовые гири.
«Прожектор» Кулибина Этот фонарь можно было устанавливать как в помещениях, так и на воздухе, в этом случае свет от него мог быть виден за несколько верст.
Барометр Ломоносова В 1756 году М. В. Ломоносов* для наблюдения за изменением земного притяжения создал «универсальный барометр». Два запаянных шара (маленький и большой) соединялись П-образной трубкой (изгибом вниз). Средняя часть трубки представляла собой капилляр. В большой шар до половины была налита ртуть, над ней – пустота. Маленький шар был наполнен воздухом. Когда земное притяжение
Предшественником современного прожектора является зеркальный отражатель, изобретенный И. П. Кулибиным в 1779 году. При помощи особой системы зеркал, соединенных воедино выгнутой линией, он усиливал свет от слабого источника (одной свечи) в 500 и более раз, что давало очень сильный световой эффект, который напрямую зависел от количества зеркальных частиц.
Л. Л. Шамшуренков* изобрел в 1792 году «путеизмерительные часы» – верстомер (первый в мире спидометр). Это был прибор для измерения пройденного расстояния и определения скорости. Он устанавливался на задней оси «самобеглой» коляски (см. с. 112) и представлял собой круглый циферблат с разметкой до тысячи верст. Пройденные версты отмечались звоном колокольчика, а стрелка останавливалась у соответствующей отметки.
Ручной планиметр Ермакова В 1844 году изобретателем Николаем Ивановичем Ермаковым был создан геодезический прибор – ручной планиметр (или гиперболическая доска), удостоенный почетного отзыва Российской академии наук. Прибор представлял собой пластинку, на которую были нанесены прямоугольник 254х122 мм и набор гипербол. Построение кривых зависело от масштаба. Для удобства употребления кривые проведены для целых и полудесятин. Ручной планиметр имел масштаб 1:8400, он был прост и удобен в применении и перевозке, давал высокую точность измерения площадей. С его помощью можно было также построить фигуры определенной площади, получать площадь без перемножения цифр и т. д. Прибор Ермакова представляет собой образец аналоговой вычислительной техники середины XIX века.
Круговой планиметр Зарубина Русский изобретатель-самоучка Павел Алексеевич Зарубин создал круговой планиметр (прибор для измерения площадей по картам и чертежам), состоящий из двух рычагов, одним из которых обводят контур на карте. На конце обводного рычага закреплен штифт (грифель) для контура фигуры, а другой рычаг движется по так называемой направляющей. В линейном планиметре это прямая, в полярном – окружность. Принцип действия кругового планиметра Зарубина тот же, что и полярного планиметра немецкого профессора Якоба Амслера (параллельно избретенного им в том же 1854 г.), но пользование им проще и удобнее.
Русская пурка Исаева Первый прибор для определения количества зерна в русской метрической системе предложил в 1860-е годы хлеботорговец Исаев. До этого применялись пурки (хлебные весы) немецкого и американского производства, чьи меры массы и объема отличались от принятых в России. Пурка Исаева состояла из цилиндра с воронкой, мерки, чаши для гирь. Коромысло весов подвешивалось на составном штативе, ввинчивающемся в упаковочный ящик. Зерно насыпалось в воронку цилиндра, устанавленного на мерку, объем которой был равен 1/32 четверика. Затем зерно взвешивалось, причем на гирях проставлялся условный вес, т. е. заранее умноженный на коэффициент, позволяющий получить вес четверти данного хлеба.
Русская пурка Исаева давала результаты измерений более точные, чем импортные, и применялась до 1930-х годов, пока не была введена метрическая система мер и принят стандарт на литровую пурку.
Приборы и инструменты
Верстомер Шамшуренкова
7
Инженерные шедевры России
Часы Кулибина Часы Кулибина, хранящиеся в Эрмитаже, – шедевр механического искусства. Целая феерия, сопровождающаяся музыкой, разыгрывалась миниатюрными героями внутри этих небольших, с утиное яйцо, часов. Особый механизм приводил в действие фигуры крохотного театра-автомата, устроенного в часах. На исходе каждого часа створчатые дверки открывали «златой чертог», в котором разыгрывалось представление, сопровождаемое музыкой и звоном колоколов. При помощи особых стрелок можно было вызывать действие театра-автомата в любой момент. Часы состоят из 427 миниатюрных деталей тончайшей работы с часовым, боевым и курантовым механизмами. Каждый из этих механизмов имеет свой особый суточный завод. Отсчитывая часы и минуты, часы бьют каждый час, полчаса и четверть часа. Часы воспроизводили различную музыку: духовные стихи и гимн, сочиненный в честь императрицы самим Кулибиным.
8
отсчета времени по тени, отбрасываемой гномоном. Рядом – отвес с фигурным кронштейном, необходимый для установки часов в строго горизонтальном положении. Укрепленная сбоку шкала широт в виде изогнутой латунной пластины оцифрована в диапазоне от 55° до 90°. На платине с компасом выгравированы названия городов: С. Петербург 60°; Киев 50°27’; Казань 55°44’; Ревель 59°26’; Москва 55°47’; Воронеж 51°40’.
Солнечные часы Захавы Поистине уникальны универсальные наклонные складные переносные солнечные часы, изготовленные в 1817 году на Тульском оружейном заводе известным механиком, машиностроителем, конструктором автоматических станков Павлом Дмитриевичем Захавой. В них использован метод измерения времени по изменению солнечного азимута. Часы рассчитаны на измерение солнечного истинного При измерении времени часы устанавливают в горизонтальном положении, используя отвес в виде лиры, и ориентируют по компасу в направлении север – юг.
Солнечные часы Шишорина Универсальные наклонные солнечные часы, которые можно было использовать на различных географических широтах, были изготовлены известным русским механиком Осипом Ивановичем Шишориным приблизительно в 1785 году. В центре горизонтальной платины часов размещена магнитная стрелка для ориентации по меридиану. К платине крепится подвижное латунное посеребренное кольцо с римскими цифрами для
после создания часов Хавским представители 26 государств в Вашингтоне приняли решение о введении поясного времени с единым нулевым Гринвичским меридианом.
Часы вятских умельцев Бронниковых Уникальные карманные механические часы с пружиной, простым балансиром, цилиндровым ходом, показывающие часы, минуты, секунды, выполненные целиком (кроме волоска
Часы Хавского с поясным временем Часы («Указатель часов всего земного шара северного полюса») созданы по расчетам специалиста по русской хронологии Петра Васильевича Хавского в середине XIX века гравером Д. Гавриловым. На циферблаты часов вынесены названия 135 городов, меридианы которых можно определять относительно нулевых точек Москвы, Парижа и острова Ферро (самого западного из Канарских островов). Специальная шкала позволяет переводить время церковное в гражданское и наоборот. Назначение этой шкалы могут понять историки, которым приходится работать с древними летописями, счет времени в которых вели в соответствии с церковным исчислением. С помощью этой шкалы Хавский точно вычислил гражданское время Куликовской битвы 1380 года. Сражение началось в 12 часов дня и продолжалось 3 часа. Только через четверть века
Никольская улица в Москве, где находился магазин П. В. Хавского
Приборы и инструменты
времени в широтах от 45° северной широты до 90° (северного полюса), то есть они действуют практически на всей территории России. Откидной указатель в виде треугольника крепится на диске с часовой шкалой так, что линия продолжения основания треугольника идет по направлению север – юг. Положение диска с часовой шкалой можно менять и устанавливать под определенным углом по шкале широт (обычные солнечные часы рассчитаны для одного конкретного населенного пункта, на новом месте в них корректируют угол наклона часовой шкалы). Тень от указателя отмечает по часовой шкале истинное солнечное время.
9
баланса и пружины) из дерева, с успехом демонстрировались на всероссийских и международных выставках, где не раз отмечались наградами (1870, 1896 гг.). Нигде в мире таких часов не делали, а в России этот редкостный промысел бытовал только в одном месте – в Вятской губернии. Созданием карманных часов занимались три поколения Бронниковых – Семен Иванович, его сыновья – Михаил и Николай, а также внук Николай Михайлович. Фамильным секретом мастеров остался подбор для каждой детали своей породы дерева. Механизмы часов выполнены по самой простой кинематической схеме с минимальным количеством деталей. Так, в обычных карманных часах имеются мосты или платины, на которые выведены вексельные колеса и трибы, приводящие в действие систему стрелок. В часах Бронниковых эти колеса находятся непосредственно на циферблатной доске. Завод и перевод стрелок осуществляются ключом, без применения ремонтуара. Все детали выполнены с большой тщательностью, хорошо отшлифованы и подогнаны друг к другу. Оси и трибы, наиболее подверженные износу, сделаны из кости. Значение работ Бронниковых в том, что они показали вершины творческих поисков в применении и обработке дерева и кости.
Инженерные шедевры России 10
Высотомер Менделеева Занимаясь в 1870-е годы исследованиями упругости газов, Д. И. Менделеев* изобрел оригинальный научный прибор – дифференциальный барометр. Он был наполнен вместо ртути нефтяным маслом, обладающим плотностью в 15–16 раз меньшей, чем у ртути, что позволило повысить точность измерения давления в 15–16 раз. Столь чувствительный прибор оказался пригоден для барометрического нивелирования (определения высоты положения предметов над уровнем моря). Он представлял собой герметически закрытый цилиндр, помещенный в водяную ванну и имевший два вывода через тонкие металлические трубки. Одна из трубок снабжена краном, при помощи которого воздух в сосуде соединялся с атмосферой, а другая герметически соединена манометрической трубкой, до половины заполненной нефтяным маслом. Периодически открывая кран, можно легко определить изменение атмосферного давления по манометру. В высотомер включался и дифференциальный термометр с нефтяным маслом, который позволял определять температуру с точностью до тысячных долей градуса.
Аналитические весы Менделеева Д. И. Менделеев опроверг математические основы конструирования весов, сформулированные Л. Эйлером в 1738 году. Для исследований в области физики газов ему потребовались максимально точные весы, и он создал новую физическую теорию весов, учитывающую особенности их конструкции и свойства материала. Произведенные расчеты показали, что можно достичь требуемой точности взвешивания (1/15 мг при нагрузке 1 кг) при длине коромысла, в 4 раза меньше общепринятой. В 1874 году он заказал весы собственной конструкции парижскому мастеру Ж. Саллерону, который привлек
к ним внимание французских ученых. С разрешения Менделеева весы были обследованы в Консерватории науки и ремесел. Оказалось, что по точности они превосходили все остальные и при этом были миниатюрны: их высота 15 см, длина коромысла 12 см.
Арифмометр Однера Самыми распространенными счетными машинами в мире были арифмометры петербургского инженера В. Т. Однера*, открывшие путь к зарождению российского счетного машиностроения. В 1871 году он начал их разработку, а серийный выпуск был освоен в 1886 году. Особенность конструкции арифмометра заключается в применении зубчатых колес с переменным числом зубцов – «колес Однера». В каждом колесе девять зубцов, угол между двумя зубцами принимался за единицу разряда чисел. Для каждого разряда отводилось отдельное колесо. При наборе нужного числа из тела колеса рычажком выдвигалось равное устанавливаемой цифре количество зубцов. При одном полном обороте рукояткой зубцы, войдя в зацепление с промежуточными шестернями, поворачивали колесо счетного механизма на угол, соответствующий этому числу, и происходила передача числа в счетчик. В России арифмометры В. Т. Однера выпускались до конца 1960-х годов.
Девиация – погрешности в показаниях компаса, вызванные влиянием судового железа и электрического тока. Чтобы пользоваться компасом нужно было или научиться учитывать погрешность, или устранить девиацию. Благодаря трудам известных в морской навигации специалистов И. П. Де-Коллонга и А. Н. Крылова* проблема девиации была успешно решена. Генерал-майор И. П. ДеКоллонг в 1875 году сконструировал прибор для измерения компенсации полукруговой и креновой девиации, названный «дефлектором», а его ученик А. Н. Крылов в 1886 году изобрел дремоскоп – прибор для механического вычисления девиации на любом курсе корабля, по известным ее коэффициентам. Эти приборы использовались на всех флотах мира: без них невозможно было бы пользоваться компасом.
Самосчеты Буняковского
году. Назначение прибора – «определение механическим путем итога большого числа слагаемых, написанных подряд». Самосчеты Буняковского были просты по конструкции и предназначались для вычисления средних месячных и годовых температур и высот барометра. Они стали одним из первых отечественных изобретений в области вычислительной техники.
Сейсмографы Голицына Начало инструментальной сейсмологии в России положил Б. Б. Голицын* в начале ХХ века. Он разработал первый в мире электродинамический сейсмограф, служивший для регистрации сейсмических волн и получения трехмерного представления о колебаниях грунта. В приборе использовалась трехкомпонентная установка: один вертикальный и два взаимно-перпендикулярных горизонтальных маятника, ориентированных по сторонам света. Электрический сигнал индуцировался в проволочной рамке на подвижном конце инерционного вертикального маятника. Электрический сигнал преобразовывался
Известный русский математик XIX века Виктор Яковлевич Буняковский обратил внимание на неудобство обычных счет (в деревянной раме), которое связано с переносом единиц из низшего разряда в высший. Он изобрел прибор, который назвал русскими самосчетами, объясняя название тем, что «с одной стороны, в приборе постановка цифр имеет большое сходство с перекидыванием косточек, а с другой, что числа на нем складываются сами, причем единицы различных разрядов сами размещаются по соответствующим местам». Первый прибор был изготовлен в механической мастерской Академии наук в 1867 гальванометром, оснащенным самописцем (перо или зеркало), в сейсмограмму и регистрировался на бумаге или фотобумаге. Приборы Голицына позволили получать сейсмограммы с невиданными до тех пор отчетливостью и ясностью записи, определять координаты очага землетрясения.
Сейсмографы системы Голицына получили распространение во всем мире.
Приборы и инструменты
Приборы для измерения девиации
11
Инженерные шедевры России 12
Барометрический высотомер В 1883 году А. Ф. Можайский*, создавая первый в мире самолет, предусмотрел в числе его приборов барометрический высотомер. На первых самолетах не было приборной доски, и для измерения высоты полета применялся наколенный высотомер. Чувствительным элементом, воспринимающим атмосферное давление, в приборе служил блок анероидных коробок, каждая из которых состояла из двух спаянных между собой гофрированных мембран. При подъеме статическое давление воздуха, воздействовавшее на внешние поверхности мембран, уменьшалось, вследствие чего мембраны под влиянием собственной упругости разжимались. Перемещение мембран при помощи рычажков и зубчатой пары передавалось на стрелку, которая поворачивалась относительно неподвижной шкалы, отградуированной в единицах высоты. Анероидный блок помещался в герметичный металлический корпус, где на задней стенке было сделано отверстие для передачи статического давления внутрь корпуса. Имелись две шкалы: неподвижная (статического давления) и подвижная (высоты). Стрелка при помощи рычагов и зубчатого сектора была связана с анероидным блоком. Для ее установки на величину статического давления, соответствующего данному полету, на задней стенке прибора имелся винт, а для установки шкалы высот в нулевое положение использовалось специальное приспособление – кремальера.
Модель паровой машины Чебышева Уникальный механизм – модель паровой машины с «прямилом Чебышева*» – был построен в XIX в. на заводе Императорского технического училища. Она служила наглядным пособием для будущих инженеров. Машина представляет собой массивную литую конструкцию высотой чуть более 1 м, с маховиком диаметром около 70 см. Обнаженный внутренний механизм хорошо просматривается во время работы. Основа его – движущиеся части параллелограмма (вместо традиционного шатуна), передающие движения поршня сразу на вал. Параллелограмм преобразует прямолинейное движение в круговое вращательное. Для наглядности части машины
окрашены в красный и черный цвета. Созданием паровой машины с параллелограммом Чебышева блестяще подтверждена практическая применимость аналитического метода определения линейных и кинематических параметров механизма из условия приближенного воспроизведения заданной зависимости на основе развитой Чебышевым теории наилучшего приближения функций. Этим были заложены основы аналитических методов приближенного синтеза механизмов.
Ртутный термометр Бари Высокоградусный ртутный термометр инженера А. В. Бари относится к техническим ртутным стеклянным барометрам с неравномерной шкалой. Был разработан в конце XIX века для измерения широкого спектра температур (от минус 10°С до + 355°С) в процессе нефтепереработки. Прибор выпускался в 1900–1913 годах из специального термометрического стекла. Для предотвращения испарения ртути при нагревании капилляр был заполнен малоактивным газом. Шкала прибора была сделана укороченной, при этом сохранялись две основные точки для точной выверки термометров. Бари применил неравномерную шкалу для создания высокоградусных технических термометров, что позволяло ускорить процесс измерения температуры и использовать их в различных технологических процессах. Термометр Бари – один из первых отечественных термометров данного вида, воплотивший в себе лучшие конструктивные решения того времени для измерения высоких температур.
Для подтверждения своих теоретических выводов по собственным математическим моделям П. Л. Чебышев сконструировал около 80 уникальных механизмов. «Стопоходящая машина» – остроумный и сложный механизм, имитирующий движение ног лошади, а «гребной механизм» – движение рук гребца. «Парадоксальный механизм» состоит из шести звеньев, соединенных шарнирами. Созданием этого механизма Чебышев практически доказал, что можно подобрать такие размеры звеньев, что если ведущее звено, вращаясь по часовой стрелке, совершает один оборот, то ведомое звено будет делать два оборота, а за один оборот ведущего звена против часовой стрелки ведомое звено будет делать четыре оборота. Так же уникальны и все остальные механизмы, созданные П. Л. Чебышевым.
Катетометр Менделеева В 1866 году в С.-Петербурге в мастерской Г. К. Брауэра был изготовлен ртутный катетометр, сконструированный Д. И. Менделеевым*. Прибор был предназначен для измерения температуры, атмосферного давления газов и жидкостей. Все металлические части катетометра изготовлялись из материала с одинаковым коэффициентом расширения, что «позволяло избежать возможных натяжений, каковыми обладают тянутые и паянные трубы». Подвижные части прибора снабжались противовесами, позволяющими уравновешивать катетометр. Самая важная его особенность состояла в том, что трубы снабжались окулярными микрометрами.
Прибор располагался на латунном треножнике с тремя уравнительными винтами – ножками. На штанге имеелась сантиметровая линейка на 22 деления и желоб, по которому перемещалась зрительная труба с помощью микрометрического винта (латунного колеса). На зрительной трубе с окуляром имелись шкала с делениями от 0 до 60 и цилиндрический противовес. Наблюдаемое поле регулировалось с помощью винта.
Аэродинамическая труба С первых шагов развития авиации стала развиваться методика испытания моделей самолетов и их частей в аэродинамических трубах, которые Н. Е. Жуковский назвал «галереями для создания искусственного потока воздуха». Они давали возможность определять силы, действующие на самолет в различных его положениях, исследовать вопросы устойчивости, изучать картину распределения давления по поверхности крыла, фюзеляжа и т. д. В воздухоплавательном кружке, организованном в 1908 году при Московском императорском техническом училище (ныне МГТУ им. Баумана), проектированием плоской аэродинамической трубы занимался студент А. Н. Туполев*. Первоначально скорость потока в трубе доходила до 22 м/с. В 1915–1916 годах трубу реконструировали: вентилятор «Сирокко» был заменен вентилятором типа «НЕЖ», улучшена диффузорная часть трубы. В результате при том же электромоторе мощностью 23 л. с. максимальная скорость потока в трубе повысилась до 36 м/с.
Приборы и инструменты
Механизмы Чебышева
13
Инженерные шедевры России 14
Говорящие часы В 1938 году были выпущены две отечественные установки для сообщения текущего времени (для Москвы и Ленинграда), разработанные московским НИИ связи. Техническая схема основана на принципе звукового кино с использованием механических, электрических и оптических элементов. В комплект установки входят первичные часы, подающие электрические импульсы на механизм звукозаписи. Каждую минуту звукосниматель переводится на очередную дорожку. После 59 минут звукосниматель возвращается в исходное положение. Звуковое устройство состоит из алюминиевого барабана, на который наклеены фонограммы фраз часов и минут, и звукоснимателя. Барабан непрерывно вращается со скоростью 30 об/мин.
«Терменвокс» Первый в мире электромузыкальный инструмент изобрел Л. С. Термен* и продемонстрировал его в ноябре 1920 года в Политехническом институте Петрограда. Им оказался… прибор, измеряющий диэлектрическую постоянную газов, применяемый в Физико-техническом институте и сконструированный Терменом. В основе изобретения лежало физическое явление изменения давления или температуры газа в емкости конденсатора, что влияло на частоту электроколебаний генератора. В своей установке Термен использовал в качестве преобразователя катодное реле, аналогичное тому, что применялось на радиостанциях для приема сигналов на слух, присоединил к ней головные телефоны, и она «запела». По высоте тона можно было судить об изменении емкости колебательного контура. Чуткий прибор реагировал на любое изменение положения руки,
в результате им можно было «дирижировать». Первой мелодией, исполненной при его помощи, было соло из балета Минкуса «Фиамета». По фамилии изобретателя инструмент был назван «Терменвокс» («голос Термена»). С осени 1921 года инженер-музыкант выступал в лучших концертных залах мира, демонстрируя «радиомузыку».
Стереометр Дробышева Известный геодезист и изобретатель Ф. В. Дробышев разработал в 1934 году конструкцию стереометра с помощью которого стало возможным делать рисовку горизонталей на аэроснимках. Спустя год был освоен серийный выпуск настольной модели такого прибора марки СТД-1. В стереометре через стереоскоп рассматривают два соседних хорошо освещенных снимка, наблюдая объемное изображение местности с высоты «птичьего полета». Вначале, корректируя специальными микрометренными винтами, компенсируют неизбежное небольшое различие масштабов изображений на снимках стереопары, а затем добиваются их точного взаимного ориентирования. Над каждым снимком в приборе натянута капроновая нить. В поле зрения стереоскопа обе нити сливаются, образуя измерительную нить. Изменяя с помощью микрометренного винта, расположенного на стереометре слева, расстояние между снимками, можно увидеть перемещение этой нити в пространстве изображения местности. Правой рукой наблюдатель отмечает штрихами на аэрофотоснимке пересечения нитью поверхности местности, которые образуют кривую линию равных высот, то есть горизонталь. Пользуясь столь несложными приемами, вычерчивают топографические карты.
Изучая свойства жидкого гелия, академик П. Л. Капица* обнаружил, что гелий-II (изменивший свойства под воздействием температур ниже 2,19 К) обладает чрезвычайно малой вязкостью. Это фундаментальное свойство жидкого гелия было названо явлением сверхтекучести. Для демонстрации одного из проявлений сверхтекучести П. Л. Капица в 1939 году построил упрощенный прибор, получивший название «паучок». Он состоит из двух стеклянных колпачков, запаянных внизу, к которым прикреплено шесть капилляров в виде ножек паука. Стеклянный колпачок покоится на острой игле и может вращаться. «Паучок» целиком погружен в жидкий гелий-II, налитый в четырехстенный дьюаровский сосуд. Если посредством луча нагревать гелий, находящийся внутри «паучка», то из каждой ножки он начнет вырываться струей, реактивная сила которой заставляет прибор вращаться. Однако внутри его не происходит уменьшения количества гелия. Это объясняется тем, что гелий вползает в сосуд по стенке капилляра в обратном направлении в виде очень тонкой поверхностной пленки. За серию работ по экспериментальному изучению свойств жидкого гелия и открытие явления сверхтекучести П. Л. Капица в 1978 году был удостоен Нобелевской премии.
Ультразвуковой микроскоп В конце 1940-х годов советский исследователь С. Я. Соколов сконструировал растровый ультразвуковой микроскоп, использовав свойство акустических колебаний с частотой от
2х104 до 109 Гц поглощаться материалом поразному, в зависимости от его плотности. Ультразвук, пройдя сквозь массивный образец, меняет свою интенсивность в соответствии со структурой образца и попадает на кварцевую пластину, та деформируется, и на ее поверхности появляются заряды, распределение которых соответствует интенсивности ультразвуковых колебаний в разных точках. Зонд микроскопа сканирует поверхность пластины, считывая получившуюся картину. Основное достоинство прибора – большая глубина проникновения ультразвука: он обнаруживает микропоры в металле, удаленные от поверхности на десятки сантиметров. Ультразвуковые микроскопы используют для наблюдения физических процессов и химических реакций, протекающих в жидкостях.
Ионизационная камера Многослойная ионизационная камера – уникальный научный прибор, с помощью которого в 1939–1940 годах в Лаборатории физики атомного ядра Ленинградского физико-технического института под руководством академика И. В. Курчатова* его учениками Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком было сделано открытие нового вида радиоактивности – спонтанного деления ядер урана. Ученые использовали созданный ими детектор нейтронов – камеру деления большой чувствительности, имеющую внутри электроды. Общая площадь пластин камеры равнялась 1000 см2. Нанесенный на электроды тонкий слой окиси урана затем покрывался сусальным золотом, чтобы в случае появления пылинки на поверхности электрода исключить пробой газового промежутка между пластинами. При проведении опытов был обнаружен мощный импульс, характерный для процесса деления. Для того чтобы исключить влияние космических частиц, ее окружили толстым слоем вещества. Камеру установили под 60-метровым слоем земли на станции метро «Динамо» в Москве, но эффект оказался прежним, и наблюдаемое явление было названо «спонтанным делением».
Приборы и инструменты
«Паучок»
15
Инженерные шедевры России 16
Радиоинтерферометр с независимым приемом В Научно-исследовательском радиофизическом институте (НИРФИ, г. Горький) в 1969 году впервые в стране под руководством В. С. Троицкого и В. А. Алексеева разработан и создан радиоинтерферометр с независимым приемом. Данный инструмент представляет собой комплекс разнесенных на большие расстояния антенн, на каждой из которых принятые сигналы синхронизируются сигналами высокостабильных стандартов частоты, что позволяет в ходе дальнейшей совместной интерференционной обработки полученных на каждой антенне когерентных сигналов определить положение и размеры их источника. Создание радиоинтерферометра с независимым приемом дало возможность объединять радиотелескопы, разнесенные на несколько тысяч километров, в единые наблюдательные комплексы – так называемый метод радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ) – ведущий метод современных радиоастрономических и координатных измерений. Метод РСДБ позволяет исследовать и использовать космические объекты с малыми угловыми размерами (до нескольких тысячных долей угловой секунды), недоступными другим оптическим и радиоинструментам. В настоящее время указанный метод имеет широкое применение в астрометрии, геофизике, используется в фундаментальных астрофизических исследованиях, а также применяется для решения прикладных задач космической навигации и экологии околоземного космического пространства.
Стандарт частоты
Стандарт частоты
Центр обработки
Профиль поверхности исследуемого образца
Профилометр
В НИРФИ в результате исследований по широкополосной когерентной оптике под руководством И. Е. Кожеватова использованно явление интерференции широкополосного оптического излучения при больших разностях хода лучей: на его основе разработан профилометр, защищенный патентами России (1997 г.), в котором используется источник света с переменной интенсивностью по спектру, его сигнал подается на исследуемую поверхность и по интерференционной картине, создаваемой падающим и отраженным сигналами, воссоздается структура этой поверхности. Профилометр предназначен для бесконтактного оптического контроля размерных параметров сложных объектов (профиля шероховатости и формы поверхности), обеспечивающего высокий динамический диапазон и предельную в современной метрологии точность измерений параметров поверхности ~ 1 нанометра. Прибор имеет большие перспективы для использования в машиностроении и Стандарт уже нашел применечастоты ние в исследованиях лазерных активных элементов и в рамках международной программы «Laser Interferometer Gravitationalwave Observatory». Выходной сигнал интерферометра при наблюдении дискретного источника
Под руководством академика А. В. Гапонова-Грехова изобретен (1965 г.) и в дальнейшем доведен до высокого технического уровня гиротрон – прибор, преобразующий энергию движения электронов, вращающихся в постоянном магнитном поле с субрелятивистскими скоростями, в электромагнитное излучение. Современные мощные гиротроны, созданные в Институте прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород) в тесном взаимодействии с нижегородской фирмой ГИКОМ, способны генерировать излучение мегаваттного (106 Вт) уровня мощности. Гиротроны и гиротронные комплексы используются для нагрева плазмы и управления параметрами в установках управляемого термоядерного синтеза, для высокотемпературной обработки материалов с целью создания материалов с новыми свойствами. Наряду с гиротроном на том же физическом принципе созданы мощные усилительные приборы – гироклистрон и гиро-ЛБВ (ЛБВ – лампа бегущей волны), используемые в радиолокаторах диапазона миллиметровых волн.
Сверхмощные источники СВЧ-излучения В Институте прикладной физики РАН разработана теория стимулированного излучения пучков релятивистских электронов – электронов, движущихся со скоростями близкими к скорости света. На основе этой теории созданы сверхмощные источники импульсного микроволнового (СВЧ) излучения. В настоящее время приборы, основанные на стимулированном излучении релятивистских пучков электронов,
На фотографии: радар на основе наносекундного гигаваттного (109 Вт) генератора (совместная разработка институтов РАН и фирмы Marconi).
Низкочастотные гидроакустические излучатели Впервые в мире в Институте прикладной физики РАН разработаны низкочастотные гидроакустические излучатели и автономные излучающие комплексы, обладающие рядом уникальных характеристик. С использованием созданных излучателей реализованы пионерские эксперименты в различных глубоководных акваториях Мирового океана по дальнему распространению звука и исследованию возможностей акустической диагностики океана, в том числе, российско-американские эксперименты по акустической термометрии вод Арктического бассейна (1994, 1998–2000 гг.). Изменения средней температуры океанических вод тесно связано с глобальными климатическими изменениями и являются важным фактором, учет которого необходим для составления долгосрочного прогноза климата Земли. В результате выполненных исследований получены уникальные данные о сезонных и климатических вариациях состояния арктических вод и показана возможность регистрации глобального потепления океана методами низкочастотной акустики. Передовой опыт разработки технических средств гидроакустики использован также при создании излучающих и приемных антенных комплексов в целях акустического мониторинга мелководных акваторий океанского шельфа и окраинных морей РФ, измерений шумности судов, развития методов акустического проектирования малошумных подводных лодок нового поколения.
Приборы и инструменты
Гиротрон
обеспечивают мощности 107 – 1010 Вт при длительностях импульсов 10-9 – 10-7 с. Эти источники применяются в экспериментах по физике плазмы, моделированию элементов будущих ускорителей заряженных частиц и в радиолокации малоразмерных низколетящих целей, движущихся над сильно отражающей лесной или морской поверхностью.
17
Инженерные шедевры России 18
Ультразвуковые датчики В Нижегородском государственном техническом университете им. Р. Е. Алексеева разработаны научные основы и технология ультразвуковых систем на базе металлических волноводов продольных и изгибных волн. Основным элементом таких систем является датчик – источник первичной информации о процессах. Внедрение этой технологии позволяет создавать системы контроля процессов ранее недоступных для наблюдения, в частности, контроль двухфазных потоков и процессов при кипении и химических превращениях. Датчик содержит волноводный чувствительный элемент в виде стержня, кольца, пластины, помещаемый в область контроля, например, внутрь ядерного реактора, приемопередатчик ультразвуковых волн, расположенный вне объекта контроля в зоне с нормальной температурой, и акустическую волноводную линию связи между ними. При работе системы информация из области с экстремальными физическими параметрами выводится при помощи акустических сигналов, а не электрических, как обычно. Датчики внедрены для контроля уровня теплоносителя в ядерных реакторах (температура 360°С, давление 20 МПа, радиация), серийно производятся сигнализаторы уровня УСУ-1 и СЖУ-1, СЖУ-2 (температура минус 200°С – плюс 400°С), многофазные расходомеры нефтеводогазовой смеси «Ультрафлоу», датчики для контроля расплавов металлов (температура до 1100°С).
Способ контроля дискретных датчиков Новый способ контроля состояния дискретных источников сигналов и устройство для его осуществления был изобретен в Нижегородском государственном техническом университете им. Р. Е. Алексеева (проф. С. Г. Синичкин, 2007 г.). Его суть – в питании датчиков импульсным напряжением с большой скважностью (показывает во сколько раз время между импульсами больше длительности импульса), что позволяет задать большой ток через контакт датчика во время действия импульса, но при небольшой (в среднем) затрачиваемой мощности. При этом за счет простой схемы согласования обеспечивается требуемый входной ток контрольного устройства. В результате достигается значительная экономия энергии и повышение достоверности контроля состояния датчиков, которые не только определяют требуемую последовательность работы оборудования, но и часто обеспечивают безопасность обслуживающего персонала (так называемые блокировочные выключатели).
Контролируемый технологический процесс (или команда от оператора)
1 Источник импульсов
2
Дискретный датчик
3 Линия связи
4 Формирователь
R1
VD
R2
C
Rbx
5 Вход контрольного устройства