Пьезоэлектричество

10. Как пьезоэлектрическая пластинка измеряет ускорение

Представьте себе следующий довольно обычный случай из повседневной жизни.

…По улице движется трамвай. Внезапно вожатый замечает на линии зазевавшегося пешехода; он быстро выключает ток и поворачивает рукоятку тормоза. Движение трамвая мгновенно замедляется: пробежав несколько метров, он останавливается. В этот момент пассажиры ощущают резкий толчок вперёд, по ходу вагона.

Убедившись, что опасность миновала, вожатый снова включает ток, и трамвай трогается, набирая скорость. При этом пассажиры вторично испытывают толчок, но теперь в сторону, обратную движению вагона.

В обоих случаях рывки, которые испытывали пассажиры, были вызваны силой, обусловленной инерцией (инерция — свойство тел сохранять состояние покоя или прямолинейного и равномерного движения). Инерцией объясняется и движение трамвая при выключенном моторе.

Влияние инерции не исчерпывается вышеприведённым примером. С ней человек встречается на каждом шагу. Часто можно наблюдать как движется с разгона автомобиль с выключенным мотором или, не работая педалями, едет велосипедист. Их движение также обусловлено инерцией.

Чем больше масса тела, то есть количество вещества в нём, тем больше и инерция. Тяжёлый вагон труднее сдвинуть с места или затормозить, чем лёгкую тележку. Поэтому иногда говорят, что масса — это мера инерции тел.

Между массой тела, его ускорением (приростом скорости за одну секунду) или замедлением (потерей скорости за одну секунду) и силой инерции существует прямая зависимость. Чем больше масса тела и его ускорение (или замедление), тем больше эта сила. Такой закон механики иногда формулируют следующим образом: сила равна произведению массы на ускорение.

Непрерывный рост скоростей современных машин придаёт особую важность вопросам измерения ускорений. Конструктор самолёта, зная возможную величину ускорения, рассчитывает, какие силы инерции будут воздействовать на машину в полёте, и отсюда находит необходимую прочность деталей. Правильность расчёта проверяется затем лётчиком-испытателем, испытывающим опытный образец самолёта в полёте. При выходе из пикирования, то есть из крутого, почти отвесного падения, самолёт резко теряет скорость, в этот момент детали машины и организм лётчика подвергаются громадной нагрузке, которая вызвана инерцией. Чтобы предупредить возможность разрушения самолёта, необходимо знать величину допустимого ускорения. Эта величина и устанавливается во время испытательного полёта.

Ускорение можно рассчитать, зная массу какого-либо тела и силу, действующую на него при движении с этим ускорением. Последнюю нетрудно измерить, например, с помощью пружинных весов или любого устройства для измерения давлений. На этом и основан принцип действия акселерографов — приборов, измеряющих величину ускорения.

Подобно манометрам акселерографы могут быть различных типов. Посмотрим, как устроен и работает пьезоэлектрический акселерограф, схематически изображённый на рис. 27.

Рис. 27. Схема пьезоэлектрического акселерографа.

Внутри камеры (корпуса) акселерографа подвешен на жёстких пружинах груз, масса которого заранее известна.

При измерениях камера перемещается вместе с испытуемым телом (поездом, самолётом и т. д.). Сила, воздействующая на груз в результате инерции, передаётся через пружины пьезоэлектрическому манометру. Под действием этой силы на электродах манометра выделяются электрические заряды, величина которых пропорциональна силе, а следовательно, и ускорению.

С помощью пьезоэлектрических акселерографов можно не только измерять ускорения, но решать и ещё более сложные задачи. Об одной из этих задач мы сейчас и расскажем.