ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ
О РЫЧАГАХ, ЗЕРКАЛАХ, ЛИНЗАХ, ПРИЗМАХ И ИХ БЛИЖАЙШИХ РОДСТВЕННИКАХ
Ум человеческий открыл много диковинного в природе и откроет еще больше, увеличивая тем самым свою власть над ней.
В. И. Ленин
Все самые совершенные, самые сложные современные машины действуют, подчиняясь тем же физическим законам, что и орудия каменного века. Действия всех орудий и машин основаны на различных превращениях энергии.
За много тысячелетий до нашей эры были созданы простейшие машины: топор, рычаг, клин, блок, способные производить преобразование — трансформацию — механической энергии. В современной технике применяются самые разнообразные преобразователи химической, электромагнитной, ядерной энергии.
С развитием науки, совершенствованием техники человечество получает доступ ко все новым источникам энергии, открывает способы все более совершенных ее преобразований.
Среди всех прочих видов энергии особо важное значение имеет электромагнитная энергия. Широко применяются в современной технике различные трансформаторы электромагнитной энергии — устройства, преобразующие поток электромагнитной энергии без изменения частоты колебаний. Это совершенно общее определение. Частные случаи — это трансформаторы, изменяющие концентрацию, направление электромагнитного потока, соотношение между током и напряжением.
При классификации трансформаторов могут применяться и термины, характеризующие конструктивные признаки. Для трансформаторов, выполненных в виде спиралей, охваченных общим магнитным потоком, уместен термин «катушечные трансформаторы»
(с ферромагнитным, в частности стальным, сердечником и без сердечника). Для электромагнитных колебаний высоких частот применяются «трансформаторы-линии», «трансформаторы-волноводы», «трансформаторы-зеркала».
В этой главе сделана попытка в популярной форме представить зависимости между конструкциями трансформаторов электромагнитной энергии и мощностью и частотой колебаний потока электромагнитной энергии.
Хочется надеяться, что рассказ о трансформаторах будет не только занимательным, но окажется и полезным для практической исследовательской и конструкторской работы читателя.
Искусство в конечном результате преодолевает и как бы обманывает природу ... Это имеет место в разных механических приспособлениях, применяемых, например, для подъема огромных тяжестей малой силой при помощи рычагов, воротов, блоков...
Галилео Галилей, «Беседы, касающиеся двух новых отраслей науки».
12-1. Трансформация сил и путей
Взрослый мужчина может без особого напряжения поднять одной рукой груз весом в один-два десятка килограммов на высоту в несколько сантиметров. При этом выполняется работа около одного килограммометра.
Чтобы раздавить скорлупу крепкого грецкого ореха, достаточно сжать ее на несколько миллиметров. Для этого необходимо усилие примерно в сотню килограммов, а работа раздавливания ореховой скорлупы (произведение силы на путь) меньше одного килограммометра. Но вряд ли человек средней силы раздавит просто, невооруженной рукой, крепкий грецкий орех.
Рис. 12-1. Подъем царь-колокола на звонницу в Кремле в 1668 году.
Пример применения простейших механических трансформаторов — преобразователей сил и путей.
Поочередно — то под один край колокола, то под другой, противоположный, — подводился конец длинного бревна. Вблизи края колокола бревно опиралось на сруб. Другой, свободный конец бревна при помощи блоков и ворота оттягивался вниз. Конец бревна под колоколом — короткое плечо рычага — приподнимал край колокола. В сруб под колоколом наращивалось новое бревно, а рычаг переносился на другую сторону. Приподымался другой край колокола — и сруб наращивался еще на одно бревно.
К ушкам колокола были прикреплены цепи, перекинутые через горизонтальные валы. Эти цепи подтягивались деревянными платформами, загруженными камнем, и тем уравновешивали некоторую часть веса колокола (полный вес колокола был около 150 т). Однако основное усилие для подъема развивалось рычагом. Подъем колокола продолжался девять месяцев.
Пользуясь щипцами, орехи дробит ребенок. В щипцах сила руки прикладывается к длинному плечу рычага. На скорлупу ореха щипцы давят с силой, в несколько раз большей силы руки. При помощи щипцов работа, производимая рукой, преобразуется: уменьшается путь, увеличивается сила.
«Преобразовывать» — по-латыни «трансформировать». Многие устройства, которые производят преобразование работы (энергии), принято называть трансформаторами.
Щипцы для орехов — пример простейшего механического трансформатора. Отношение сил и путей — это коэффициент трансформации. В щипцах коэффициент трансформации можно принять равным отношению плеч. Обычно это отношение — несколько единиц.
Более сложный механический трансформатор, в котором, так же как и в щипцах, выигрывают в силе и теряют в пути и скорости, — это домкрат. С его помощью человек средней силы может приподнять автомобиль, груженый железнодорожный вагон. У домкрата коэффициент трансформации — несколько сотен или даже тысяч.
Весло в лодке, как и щипцы, — механический трансформатор, но весло уменьшает силу и увеличивает путь.
Примером механического трансформатора, повышающего скорость, может быть зубчатая передача в часах. Коэффициент трансформации здесь равен нескольким десяткам — в такое число раз секундная стрелка движется быстрее, чем конец ходовой пружины.
В механике известно много приспособлений для изменения соотношений между силой и путем (скоростью). Блоки, зубчатые колеса, эксцентрики, кулачки, винты, червячные передачи — все это механические трансформаторы сил и путей.
12-2. Согласование переменных нагрузок
Автомобильный двигатель внутреннего сгорания работает наиболее экономично при определенной скорости. Но автомобиль должен иметь возможность перемещаться с различными скоростями. В зависимости от дороги и от режима движения ведущие колеса автомобиля должны создавать разные тяговые усилия. Поэтому между двигателем и ведущими колесами помещается трансформатор с переменным коэффициентом трансформации.
При трогании с места надо преодолеть не только сопротивление движению, но и инерцию машины.
Водитель включает первую передачу. Обороты двигателя передаются к ведущим колесам со значительным замедлением. Усилие на колесах большое, но скорость их вращения мала. Но вот автомобиль набрал скорость. Водитель включает прямую передачу. Скорость вращения колес велика. Усилие, передаваемое на колеса, мало. На хорошей дороге, на ровном участке большого тягового усилия и не нужно. Начался подъем — и водитель снова переходит на вторую или даже первую передачу, снова уменьшает обороты ведущих колес при неизменных оборотах двигателя и увеличивает усилие на ведущих колесах.
Коробка скоростей дает возможность приспособить двигатель к разным нагрузкам. Разные дороги, разные сопротивления движению коробка скоростей согласует с данными двигателя. Благодаря коробке скоростей на разных дорогах можно получать от двигателя наибольшую полезную отдачу.
Иногда вместо коробки передач с шестернями применяют иной тип механического трансформатора с изменяющимся коэффициентом трансформации — например, с первичным двигателем соединяется центробежный (или иной) насос, а на ведущем валу ставится гидравлическая турбина или другой гидродвигатель, который приводится во вращение потоком жидкости от насоса. В такой системе можно плавно менять скорость приводного гидродвигателя и развиваемое этим гидродвигателем усилие при одном и том же числе оборотов насоса и одном и том же усилии, создаваемом первичным двигателем на своем валу. Гидротрансформатор ценен тем, что коэффициент трансформации можно менять плавно в отличие от коробки скоростей с шестернями. Гидропередача применена, например, на некоторых современных автомобилях.
12-3. Трансформаторы механических колебаний
Один из распространенных механических трансформаторов сил и путей — это рычаг. Обширная область применения рычагов — трансформация колебательного движения. Рычажная передача применяется в паровозе для привода колес. При помощи рычажной передачи приводится в движение и мембрана патефона.
Один конец рычага (острие иголки) скользит по извилистым бороздкам пластинки, другой конец перемещает центр мембраны. На примере рычага удобно рассмотреть зависимость конструкции трансформатора от величины передаваемой мощности и от частоты колебаний.
В учебниках физики для средней школы доказывается, что перемещения концов рычага обратно пропорциональны длине его плеч. В щипцах для орехов отношение плеч — это и есть коэффициент трансформации. Но не всегда этот закон является достаточно точным отражением действительности.
Рычаг из любого, самого прочного материала всегда имеет некоторую гибкость. Опора рычага не является абсолютно жесткой. Чем больше усилие, передаваемое данным рычагом, тем больше отличается отношение перемещений плеч от отношения их длин.
Прогиб плеч рычага и его опоры можно уменьшить за счет снижения напряжений в материале. А это ведет к увеличению размеров при заданном усилии.
Всякое перемещение одного конца рычага передается к его другому концу не мгновенно, а в течение какого-то конечного отрезка времени. В стали, например, механическое возмущение передается со скоростью нескольких километров в секунду. Если колебать один конец стального стержня, то второй конец будет повторять эти колебания с запаздыванием. При колебаниях вдоль стержня будет бежать волна.
При передаче колебательного движения закон «перемещение плеч обратно пропорционально их длинам» справедлив, лишь когда размеры рычага значительно меньше длины волны механических колебаний в материале, из которого сделан рычаг.
12-4. Трансформаторы волн
Если приставить к уху рожок, то слышимость улучшается. Рожок своим широким раструбом воспринимает звуковые волны с большой площади, концентрирует их и через маленькое отверстие направляет к барабанной перепонке. Слуховой рожок — это трансформатор звуковых колебаний, работающий как повыситель концентрации.
Рупор громкоговорителя также является трансформатором звуковых колебаний звуковых волн, но он дает понижение концентрации волн. Мембрана громкоговорителя совершает колебания с большим размахом. Площадь мембраны невелика. Вблизи мембраны поток звуковых волн имеет большую плотность. Рупор, постепенно расширяющийся от мембраны к раструбу, передает звуковые колебания все большей массе воздуха. Амплитуда колебаний при этом понижается.
Рис. 12-2. Схематический продольный разрез человеческого уха.
Пример сочетания волнового трансформатора (раструба и мембраны) с трансформатором сил и путей (косточки- рычаги).
Барабанная перепонка перемещается под влиянием звуковых колебаний воздуха, проходящих в слуховой проход. Молоточек прочно связан с перепонкой и при ее движениях поворачивается вокруг своей оси. С молоточком связана сочленением маленькая косточка, называемая наковальней, а последняя соединена со стременем, которое приводит в колебание части внутреннего уха. Эта сложная передача превращает колебания барабанной перепонки, совершающиеся с относительно большим размахом (амплитудой), в колебания стремени с меньшим размахом
Уменьшение размаха колебаний (пути перемещения) дает увеличение силы. Во внутреннем ухе колеблющиеся частицы (чувствительные нервные окончания) расположены в жидкости, т. е. в среде значительно более плотной, нежели воздух, и, следовательно, с меньшим, нежели у воздуха, отношением перемещения к силе. Система сочлененных косточек между барабанной перепонкой и средним ухом является согласующим трансформатором, который обеспечивает малые потери звуковой энергии (высокий к. п. д.) при передаче звуковых колебаний во внутреннее ухо.
Рупоры и слуховые рожки — это примеры трансформаторов, размеры которых могут в несколько раз превышать длину трансформируемой волны механических колебаний.
Среди трансформаторов электромагнитных колебаний наблюдается еще большее разнообразие конструкций, чем среди механических трансформаторов. Трансформатором электромагнитной энергии называют всякое устройство, преобразующее поток электромагнитной энергии без изменения частоты его колебаний.
Свет — это электромагнитные колебания с частотой от 3·1014 до 3·1015 Гц, электромагнитные волны длиной в десятые доли микрона. Пример трансформаторов световых колебаний — телескоп и микроскоп.
Телескоп воспринимает световой поток на огромную поверхность своего объектива (зеркала или линзы) и через окуляр сводит этот поток на маленькую площадь: на фотопластинку или зрачок глаза. Телескоп — это трансформатор, увеличивающий концентрацию светового потока. В больших телескопах поперечник зеркала в сотни раз больше поперечника зрачка глаза. Коэффициент трансформации, т. е. увеличение плотности светового потока, достигает сотни тысяч.
По-иному работает микроскоп. Сильный световой поток направляется на изучаемый объект. Свет, прошедший сквозь объект (при изучении прозрачных объектов, срезов тканей, бактерий и т. д.), или отраженный свет (при изучении непрозрачных объектов, как металлы и некоторые минералы) воспринимается объективом микроскопа. Затем объектив и окуляр микроскопа расширяют этот световой поток. На сетчатке глаза рисуется увеличенное изображение. Микроскоп — это пример оптического трансформатора, который уменьшает концентрацию светового потока. Часто применяется коэффициент трансформации порядка нескольких сотен. Таким же трансформатором, уменьшающим концентрацию светового потока и увеличивающим его размеры, является и кинопроекционный аппарат. Пучок света, прошедший через маленький кадр, распределяется по большому экрану.
