Электроника?.. Нет ничего проще! - Жан-Поль Эймишен

Любознайкин, открывает своему другу тайну, скрывающуюся под хорошо известным словом «ускорение», и рассказывает, как это ускорение измеряют. Речь пойдет также о преобразователях, чувствительных к звуку, теплоте и, наконец, к свету (знаменитые фотоэлектрические элементы, с которыми так хотел познакомиться Незнайкин).

Незнайкин. — Надеюсь, что ты, Любознайкин, не займешь весь сегодняшний вечер разговорами о механических преобразователях. Откровенно говоря, мне кажется вполне достаточно того, что я о них услышал.

Любознайкин. — Успокойся. Прежде чем перейти к другой теме, я намерен рассказать тебе лишь о преобразователях положения, т. е. о таких преобразователях, которые позволяют превратить в электрический сигнал положение подвижного элемента.

Н. — Мне представляется, что многие приспособления, о которых ты говорил мне вчера, могли бы оказаться полезными для этой цели. Например, потенциометр с линейной намоткой катушки или же конденсатор переменной емкости.

Л. — Совершенно верно. Можно также использовать (рис. 17) пластинку, больше или меньше перекрывающую световой поток, оставшаяся часть которого измеряется фотоэлементом (этот прибор скоро станет предметом нашего разговора). Но перейдем к преобразователям скорости; рассмотрим для начала способы измерения угловой скорости (или частоты вращения).

Рис. 17. В зависимости от положения подвижной заслонки изменяется освещенность фотоэлемента.

Н. — Здесь, должно быть, можно использовать регулятор с шарами, как в паровых машинах; ты прекрасно знаешь, что он представляет собой ось, на которой вращаются два шара, соединенных с нею рычагами: когда ось вращается быстро, центробежная сила разводит эти шары в стороны.

Л. — Да, это вполне реально. Но значительно проще соединить ось с маленькой динамомашиной (рис. 18); величина создаваемого ею напряжения пропорциональна частоте вращения, на таких приборах указывается, на сколько вольт увеличивается напряжение на один оборот в секунду оси динамомашины. Можно также соединить ось с валом маленького электрогенератора переменного тока и измерять частоту тока.

Рис. 18. Динамомашина вырабатывает напряжение, величина которого пропорциональна скорости вращения; измеряя напряжение, можно определить скорость вращения.

Н. — Все это очень хорошо, но динамомашина или генератор переменного тока, должно быть, тормозят движение оси?

Л. — Совершенно верно, но, если вал приводится в движение дизелем мощностью в 1000 л. с., это не имеет большого значения. Однако в случае использования генератора переменного тока можно избежать какого бы то ни было торможения: на вращающемся валу крепится небольшой магнит; вращаясь поблизости от катушки, он наводит в ней электрический ток.

Если ты не хочешь создавать никакого торможения, то можно также укрепить на валу диск с отверстиями, который n раз перекрывает луч света, попадающий на…

Н. — … фотоэлектрический элемент! Я полагаю, что пока не изучу эти элементы, я не пойму электронику!

Л. — Да, они используются очень широко. Но сначала позволь мне рассказать тебе о преобразователях скорости, используемых для измерения скорости прямолинейного движения.

Н. — О! В этом случае к движущемуся предмету привязывают нить и наматывают ее на барабан. Здесь, как в математике, «приводят к предыдущему случаю».

Л. — В предложенной тобой системе есть положительные качества. Можно также укрепить на подвижном предмете магнит, перемещающийся в катушке: наводимое в этой катушке напряжение будет функцией скорости перемещения.

Прежде чем закончить этот раздел, я хотел сказать тебе несколько слов о преобразователях ускорения или акселерометрах.

Н. — Постой. Ведь ускорение не что иное, как изменение скорости. Значит можно было бы ограничиться преобразователем скорости и по его показаниям рассчитать ускорение.

Л. — В какой-то мере ты прав. Но только отчасти; прежде всего ты руководствуешься классическим представлением, по которому ускорение представляет собой изменение лишь абсолютного значения скорости, а это справедливо только для прямолинейного движения. В этом конкретном случае действительно можно удовлетвориться преобразователем скорости, передавая его показатели на дифференцирующую схему…

Н. — Ну, это совсем не то!..

Л. — Это намного проще, чем ты думаешь. Но ускорение имеет несколько иной, чем ты себе представляешь, смысл: ускорением называют всякое изменение скорости как по абсолютной величине, так и по направлению. Так, например, на поворотах у автомобиля, идущего с постоянной скоростью, возникает ускорение; ты чувствуешь это ускорение, потому что сила (именуемая центробежной) прижимает тебя к дверце машины точно так, как воздействует на тебя сила при изменении абсолютного значения скорости машины, идущей по прямой дороге.

Н. — Ну, эти-то силы я хорошо знаю. У одного из моих приятелей есть спортивный автомобиль; когда он срывается с места, я едва удерживаюсь, чтобы не вылететь на заднее сидение, а каждый раз, когда он тормозит, я рискую пробить своей головой ветровое стекло.

Л. — Познакомь меня со своим другом: если когда-нибудь он предложит мне поездку в машине, то я смогу сэкономить деньги на железнодорожном билете… А пока, представь себе, Незнайкин, что в машине своего друга ты сидишь на безукоризненно ровном и гладком сидении и что (для твоего же блага) привязан веревками к четырем преобразователям силы…

Н. — Это мне совсем не понравится…

Л. — Сейчас это не столь существенно. Главное в том, что, обладая определенной массой, твое тело будет иметь тенденцию сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения[4]…

Н. — Ах, Любознайкин! Ведь от природы я совсем не такой инертный!

Л. — Сейчас речь идет не о твоем характере, а о законе физики. Всякий обладающий массой предмет стремится оставаться неподвижным или сохранять постоянную по величине и направлению скорость (иначе говоря, равномерное прямолинейное движение). Для измерения твоей скорости к тебе нужно приложить силу в направлении движения (чтобы увеличить скорость), в обратном направлении (чтобы уменьшить скорость) или в направлении, перпендикулярном движению (чтобы изменить направление скорости). Однако, когда к тебе прикладывают силу, ты реагируешь с такой же, но противоположно направленной силой (здесь также проявляется не твой характер, а закон физики о действии и противодействии). Проявляемая тобою сила воздействует на преобразователи, а они показывают, какому усилию или усилиям подвергаешься ты в каждый момент…

Н. — Совершенно независимо от моего желания и воли…

Л. — Но тем не менее подвергаешься. Система, состоящая из автомобиля, тебя и преобразователей силы, представляет собой акселерометр, который в каждый момент показывает ускорение автомобиля.

Н. — Так, значит, для создания акселерометра требуется автомобиль, человек и…

Л. — Где твоя серьезность, Незнайкин? Ты несомненно прекрасно понимаешь, что для этой цели достаточно иметь (рис. 19) соединенную с подвижным предметом А коробочку В, в которой предмет, обладающий массой М, соединен с преобразователем силы F (на пьезоэлектрическом элементе, на потенциометрах или иной конструкции). Но обычно устанавливают несколько акселерометров, как правило, три, чтобы обнаружить ускорения в трех направлениях: два в горизонтальной плоскости и одно в вертикальной (последнее не представляет интереса для автомобиля). В автомобиле вертикальное ускорение возникает лишь при езде по рытвинам…!

Рис. 19. Акселерометр представляет собой коробку В, прочно соединенную с подвижным предметом А. В этой коробке сила инерции массы М воздействует на преобразователь силы F, когда А испытывает ускорение.

Н. — Нужно набраться терпения и постараться не думать о морской болезни.