Техника твоими руками

При заводах, фабриках, в научно-исследовательских институтах всегда есть лаборатории. В них тщательно изучают и проверяют продукцию, которую выпускает или собирается выпускать предприятие. Например, на электроламповом заводе проверяют, как долго может гореть лампочка, как она переносит сотрясения, перегрузки тока, сколько она потребляет электрической энергии. Все это нужно знать, чтобы выпускать лампочки еще лучшего качества.

Когда повар варит суп, он пробует, достаточно ли в нем соли, хорош ли суп на вкус, не надо ли в него еще чего-либо положить.

Нечто подобное происходит и при варке стали. На предприятиях, где варят сталь, существуют так называемые экспресс-лаборатории, которые по взятым пробам быстро определяют, правилен ли состав стали, не надо ли в нее добавить, пока не поздно, те вещества, которые делают ее тверже или, наоборот, мягче, в зависимости от будущего назначения.

Заводские лаборатории следят за тем, чтобы устранить все недостатки, какие могут быть обнаружены в производимых вещах.

Мы познакомимся с приборами, которые служат для различных измерений, необходимых в процессе производства. Познакомимся также и с некоторыми приборами, нужными для изучения уже готовых изделий.

Конечно, познакомиться сразу со всем, что есть на производстве, невозможно, поэтому рассмотрим только некоторые приборы, сделаем их модели и уясним принцип их работы.

Измерение размеров

Когда рабочий обрабатывает какую-нибудь деталь, ему обязательно надо ее измерять; если это круглая деталь, то, кроме других размеров, нужно знать диаметр. Ведь деталь должна точно соответствовать чертежу.

Есть несколько способов измерения круглых деталей в зависимости от их размеров. Мы рассмотрим только некоторые приборы. Они могут пригодиться вам при изготовлении моделей и в проведении опытов.

Для измерения больших диаметров существует прибор, называемый кронциркулем. Кронциркули применяют разных размеров в зависимости от измеряемых деталей. Это металлический циркуль с кривыми ножками. Его легко сделать из толстой 2—3-миллиметровой проволоки. Надо изогнуть два куска проволоки и заострить концы. Другие концы, которые должны быть соединены вместе, нужно с помощью плоскогубцев и тисков навернуть на толстый гвоздь. Затем надо обрезать ножовкой или напильником лишнюю часть гвоздя и расклепать его оставшуюся часть. Обе половинки должны туго раздвигаться, а острые концы находиться друг против друга. В сжатом состоянии концы кронциркуля должны соприкасаться. Измерив деталь кронциркулем и приложив его к линейке, легко узнать результат.

Сравнительно небольшие детали измеряются штангенциркулем. У него ножки прямые и расположены параллельно, прямо на металлической линейке. Одна ножка закреплена неподвижно на конце, а другая передвигается вдоль линейки и сразу показывает размер измеряемой детали.

Для измерения очень тонких деталей, имеющих доли миллиметра, применяют микрометр — винт с круговой шкалой. Изготовить его довольно сложно. Если вам понадобится измерить диаметр тонкой проволоки, то сделать это нужно так. Намотайте проволоку на круглый карандаш плотно — виток к витку. Затем измерьте расстояние между первым витком и последним, разделите эту величину на число витков, и вы получите диаметр проволоки. Чем больше будет витков и чем плотнее намотана проволока, тем точнее будет результат измерения.

Измерение веса

Лабораторные весы отличаются высокой точностью. Это коромысловые весы: на одну чашечку кладется гиря, на другую — взвешиваемый предмет. Сделать самим такие весы нетрудно, нужно только позаботиться о том, чтобы коромысло опиралось на какое-нибудь острие, например острую грань треугольной призмочки, выточенной напильником из кусочка стали. Гирьки надо сделать из кусочков жести, обрезая их ножницами и подгоняя вес по эталону, то есть настоящей гирьке, взятой как образец.

Измерение температуры

Температуру обычно измеряют термометром, который наверняка есть и у вас дома. До изучения физики вы уже знали, что при нагревании ртуть расширяется и показывает измеряемую температуру. Термометр хорошо выполняет свои обязанности, когда измеряется температура воздуха, воды, тела.

А что делать, если нужно измерить температуру в тысячу градусов? Обыкновенный, стеклянный термометр для этого не годится — он расплавится.

Для измерения высоких температур применяют специальные термометры. Существуют, например, термопары. Они основаны на следующем принципе. Если взять две пластинки из разнородных металлов, например медную и железную, концы их спаять, то при нагреве этого спая и охлаждении свободных концов по пластинкам потечет электрический ток. Чем выше температура нагрева спая, тем большей величины идет ток. На шкале прибора, измеряющего ток, проходящий по пластинкам, нанесены деления в градусах. Термопара может измерять очень высокую температуру.

Но бывают такие температуры, когда и термопара не выдержит, может расплавиться, несмотря на защитный кожух из тугоплавких материалов. Тогда применяют оптический пирометр — термометр для измерения температуры раскаленных тел. Чтобы понять, как он работает, проделайте такой опыт.

Возьмите лист белой бумаги и на его середине сделайте масляное пятно: потрите бумагу пальцем, смазанным маслом. Если этот листок осветить сзади свечой, вы увидите на темном фоне светлое пятно. Если же вы поставите свечу перед листком, то увидите на светлом фоне темное пятно. Однако можно осветить листок сзади и спереди так, что никакого пятна не будет видно — листок будет казаться совершенно чистым.

Теперь представьте себе, что вы смотрите на раскаленную металлическую балку через трубку, в которую вставлена маленькая электрическая лампочка.

Специальное устройство (небольшой реостат) позволяет регулировать накал лампочки. Вы увидите на фоне раскаленной балки яркий волосок лампочки.

Если накал лампочки уменьшить, то волосок, хотя он и светится, будет выделяться темным силуэтом на фоне раскаленного металла.

Изменяя степень накала волоска лампочки, можно добиться, что он не будет виден. Это будет соответствовать такому положению, когда фон и волосок светятся одинаково. А каждой определенной температуре нагретого тела соответствует и определенная яркость свечения. Чем сильнее нагрет металл, тем ярче он светится.

Если мы знаем температуру нити лампочки при разной степени ее накала, то легко можем узнать и температуру фона. Для этого нужно так отрегулировать накал нити, чтобы она перестала быть видимой, то есть слилась с раскаленным фоном. Это значит, что раскаленный металл имеет ту же температуру, что и нить. Число градусов определяется по шкале, совмещенной с устройством регулировки накала лампочки.

Измерение давления

Давление жидкостей и газов измеряется манометрами. Они бывают жидкостные и механические.

Чтобы сделать модель жидкостного манометра, возьмите небольшую стеклянную трубку и, осторожно нагревая ее среднюю часть над пламенем свечи, медленно согните в виде латинской буквы U. При этом одна сторона должна получиться немного длиннее другой.

Затем укрепите трубку на вертикальной дощечке при помощи жестяных скобок. Налейте в нее подкрашенной воды и на короткое колено наденьте резиновую трубку. Вдоль длинного колена на дощечке нанесите произвольные деления. В настоящих манометрах деления соответствуют килограммам, приходящимся на поверхность в 1 кв. сантиметр. Давление в 1 килограмм на 1 кв. сантиметр соответствует 1 атмосфере.

Модель манометра готова. Если вы подуете в резиновую трубку (но не очень сильно), то увидите, что в другом колене вода поднимается. Чем больше давление воздуха, тем выше поднимается вода.

Модель механического манометра можно изготовить из небольшой воронки. Натяните на воронку (желательно стеклянную или пластмассовую) тонкую резину от старой волейбольной камеры, резиновой перчатки или воздушного шарика и укрепите ее на подставке. На суженную часть воронки наденьте длинную резиновую трубку с маленькой грушей, укрепленной на конце. Место соединения груши и трубки нужно обмотать изоляционной лентой, чтобы не проходил воздух.

Над резиновой перепонкой укрепите на тонкой оси рычаг с шариком на коротком конце. Шарик должен перетягивать свой конец и касаться середины натянутой резины. Другой, длинный конец рычага сделайте в виде стрелки. Он должен передвигаться вдоль дугообразной шкалы с делениями. Деления тоже будут произвольные. Когда манометр никакого давления не показывает, стрелка должна стоять на нуле.

Если вы нажмете на грушу, давление воздуха в ней возрастет, резиновая перепонка приподнимется, и стрелка пойдет по шкале вниз. Когда вы освободите грушу, стрелка вернется на свое прежнее место — к нулю.

Этот манометр в дальнейшем нам еще понадобится: мы из него сделаем пневматическое реле.

Измерение уровня

Самый простой способ измерения уровня в закрытом резервуаре — это водомерное стекло. Стеклянная трубка вставляется в металлическую согнутую под прямым углом трубку, ввинченную в нижнюю часть резервуара. По принципу сообщающихся сосудов в стеклянной трубке жидкость всегда будет находиться на том же уровне, что и в резервуаре.

Но существуют и другие способы измерения уровней. Здесь мы рассмотрим один из них.

Если на дно большой бочки с водой поместить слегка надутый и присоединенный к резиновой трубке воздушный шарик, а второй конец трубки присоединить к самодельному манометру, то его стрелка сдвинется с нуля. Давление воды всегда зависит только от высоты столба жидкости в резервуаре. Поэтому можно проградуировать шкалу прибора, отливая воду из бочки и замеряя с помощью сантиметровой линейки высоту водяного столба. Конечно, точность здесь будет зависеть от чувствительности прибора.

В промышленности подобный способ измерения уровня жидкостей применяется тогда, когда приходится иметь дело с очень большими резервуарами. Следует, однако, помнить, что при малых количествах жидкости, когда ее давление ничтожно, прибор не дает точного показания.

Измерение количества

На многих заводах и фабриках по одним трубам течет вода, нефть или какая-нибудь другая жидкость, необходимая для производства, по другим идет пар, воздух или газ.

Во всех этих случаях нужно точно знать, какое количество вещества прошло по данной трубе за определенное время.

На небольшом приборе мы постараемся понять, как происходит измерение количества проходящего воздуха.

Количество проходящего потока воздуха через какое-то определенное сечение зависит от скорости потока. Если размер отверстия известен и известна скорость воздуха, прибор сам будет отсчитывать объем, проходящий за единицу времени.

Итак, необходимо узнать только скорость. А скорость потока, как известно, связана с давлением. Если подуть в трубку пульверизатора, то в ней создастся разрежение и жидкость поднимется по вертикальной трубке. Этот опыт нам уже знаком.

Теперь сделайте такой прибор. Возьмите две металлические трубки диаметром 3 сантиметра и длиной 5—10 сантиметров. Проложите между трубками жестяной кружок с отверстием диаметром 1 сантиметр и пропаяйте место соединения трубок и кружка, чтобы получилась одна целая перегороженная трубка. Жестяной кружок с отверстием посередине будем называть диафрагмой.

На расстоянии 1 сантиметра по обе стороны диафрагмы проделайте в трубке по отверстию и вставьте в них концы U-образного манометра, но изготовленного с одинаковыми коленами. Места соединений надо замазать пластилином, чтобы не проходил воздух. Если вы подуете в один конец трубки, то вода в манометре обязательно передвинется. В ближнем колене она опустится, а в дальнем — поднимется.

В промышленных установках в манометр наливают ртуть. На ней плавает поплавок, соединенный с рычагом, который сразу записывает на бумажной ленте или бумажном диске количество проходящих по трубе жидкости или газа.

Измерение электротока

Когда электрический ток проходит по проволоке, он ее нагревает. Чем больше ток, тем сильнее нагревается проволока.

Можно сделать несложный тепловой амперметр — прибор для измерения величины тока.

Укрепите горизонтально между двумя вбитыми в деревянную дощечку гвоздями тонкую медную проволоку. К ее средней части прикрепите сверху конец рычажка, а снизу — пружинку, которая должна оттягивать проволоку вниз. Если присоединить к концам проволоки три батарейки от карманного фонаря, соединенные последовательно, то проволока нагреется, удлинится, пружинка оттянет ее немного вниз, а длинный конец рычажка передвинется по шкале. Если бы на ней стояли правильные деления в единицах измерения тока, то мы бы узнали, какой величины ток идет по проволоке в данный момент.

Изучение напряжений

Для того чтобы узнать, как распределяются напряжения на отдельных участках детали, к которой приложена нагрузка, существует очень наглядный способ. Изучаемую деталь (например, крюк) изготовляют из прозрачной пластмассы и, нагрузив ее, рассматривают через специальный прибор, в котором освещение производится не обычным светом, а поляризованным. Что это за свет, будет рассказано дальше.

Глядя в прибор, вы ясно видите прозрачный крюк и в нем цветные полосы. Они располагаются в толще пластмассы соответственно тому, как распределено в частицах крюка напряжение от груза. Линии напряжения можно сфотографировать и затем изучать. Ясно видно, какая часть крюка подвержена большей опасности сломаться.

Модель подобного прибора мы с вами сейчас изготовим, только свет у нас будет не настолько сильный, чтобы увидеть все, что можно увидеть с помощью настоящего прибора.

Свет представляет собой электромагнитные волны. Волны эти поперечные и распространяются подобно волнам, идущим по воде, причем колебания волн происходят не в одной плоскости, а в разных направлениях.

Если луч света отразится от какой-либо поверхности, он приобретает особое свойство — становится поляризованным. Волны, которые образуют поляризованный луч, расположены только в одной плоскости, подобно тому как располагаются волны у веревки, если привязать один ее конец, а другой двигать вверх и вниз. По веревке бежит волна, расположенная в одной плоскости. Через вертикальную щель такие веревочные волны пройдут легко, а вот если щель повернуть на 90°, то волны погасятся и через щель не пройдут.

Похожее явление происходит и со светом. Если поляризованный луч света заставить отразиться второй раз, но уже от другой поверхности, расположенной перпендикулярно первой, то луч света исчезнет совсем. Будет темно.

Вот такой поляризованный свет мы сейчас и получим. Прибор для его наблюдения можно сделать за 10 минут. Для этого надо иметь две банки из-под кофе (они картонные, и в них удобно вырезать отверстия) и два кусочка стекла размером 6X9 сантиметров.

В банках вырежьте прямоугольные отверстия и вставьте в них наклонно стёкла, предварительно закоптив их на свече.

Поставьте банки одна на другую отверстиями друг к другу. Перед нижней банкой укрепите лист бумаги и осветите его электролампочкой. Свет, пройдя через прямоугольное отверстие нижней банки, отражается от черного зеркала, идет вверх, отражается от второго, верхнего черного зеркала и попадает в наши глаза. Мы видим светлый прямоугольник нижней банки. Теперь, внимательно следя за его изображением, начинайте поворачивать верхнюю банку. Освещенный прямоугольник постепенно будет темнеть, пока совсем не исчезнет.

А теперь положите между круглыми отверстиями банок два прозрачных стекла, зажав между ними смятый кусочек белого целлофана. Глядя в прибор, вы увидите, что целлофан цветной. Там, где целлофан сложен вдвое, будет один цвет, где он сложен втрое, вчетверо и т. д., будут другие цвета.

Поляризованный свет, проходя через неоднородной толщины слои, по-разному преломляется и приобретает окраску, которая может еще меняться при повороте верхней банки по отношению к нижней.

Поляризованный свет широко применяется не только для исследовательских работ. Если в фары автомобилей вставить стекла, пропускающие только поляризованный свет, который будет гаситься специально изготовленным стеклом для кабины водителя, то при встрече машин ночью шоферы не будут ослепляться светом.

Изучение обтекания

Вы, конечно, слышали об аэродинамической трубе. В большой трубе, через которую с огромной скоростью прогоняют воздух, устанавливают модель самолета или его деталь — например, крыло. По их поведению в воздушном потоке судят об аэродинамических качествах будущего самолета.

Иногда бывает так. Конструктор рассчитал самолет, а когда сделал по своим расчетам модель и стал испытывать ее в трубе, оказалось, что модель ведет себя не так, как он предполагал. И тогда производятся новые расчеты, новые поиски правильного решения.

Мы будем оперировать не с воздухом, а с водяными видимыми струями.

Возьмите гладкую доску, поместите в тазу с небольшим наклоном. Вода должна вытекать из распылителя лейки. Для того чтобы получились равномерные струи, надо вбить в доску на расстоянии 1 миллиметра друг от друга ряд гвоздей. Вода, проходя через такой «частокол», разбивается на струи. С этим прибором можно проделать много интересных опытов.

Вы можете сделать из дерева несколько предметов, например: клиновидный брусок, цилиндр, прямоугольник, треугольник, модель крыла самолета, различные обтекаемые и необтекаемые предметы — и увидеть, как струи обходят препятствие на своем пути, как они сжимаются и расширяются.

Меняя наклон доски и напор воды, изменяя скорость потока, можно получить очень наглядное представление о том, какая форма более обтекаемая, а следовательно, меньше тормозится воздухом или водой.

Изучение вихрей

При конструировании самолетов и судов очень важно изучить не только обтекание, но и вихревые явления, которые сопутствуют движению самолета в воздухе, а судна — по воде.

Некоторые вихревые явления используются и в промышленности. Так, например, гигантские водяные воронки, созданные искусственно, могут служить для переправки лесосплавного материала под плотинами гидроэлектростанций.

Излишки воды, скопившейся в водохранилище перед плотиной, обычно спускают через специальные окна в плотине. Но бревна в этих окнах могут застрять. Чтобы этого не случилось, делают специальное отверстие внизу плотины и ставят перегородки, создающие водоворот. Бревна, скопившись около водоворота, по одному ныряют в воронку и выходят по другую сторону плотины.

Вихревые явления часто встречаются в природе. Они бывают очень разнообразны. Это и смерчи — мощные вращающиеся потоки воздуха, увлекающие с собой воду или песок и производящие опустошения на своем пути. Это и водовороты, опасные для жизни неосторожных купальщиков.

Несколько опытов по созданию искусственного вихревого движения можно проделать без сложного оборудования.

Возьмите небольшую деревянную коробку и вырежьте в ее дне ровное круглое отверстие. А ту сторону коробки, где должна быть крышка, заклейте плотной рисовальной бумагой, предварительно намочив ее. Когда бумага высохнет, она будет натянута, как кожа на барабане.

Поставьте коробку на боковую грань и наполните ее дымом. Для этого положите в середину коробки консервную банку с тлеющей ватой.

Щелкая пальцем по натянутой бумаге, вы создадите серию красивых дымовых колец, вылетающих одно за другим. Механизм возникновения колец очень прост. При каждом щелчке пальцем внутри коробки создается повышенное давление. Дым резко вырывается из отверстия. У краев отверстия вследствие торможения потока дыма образуется кольцевое разреженное пространство. Туда устремляются оторвавшиеся от основного потока частицы дыма, образуя вихревое кольцо. Энергия вихревого кольца настолько велика, что кольцо гасит спичку, расположенную на значительном расстоянии от места его возникновения.

Создать искусственный смерч трудно, зато легко получить как бы его негативную модель. Этой моделью будет служить водяная воронка.

Здесь все наоборот: среда, образующая смерч, и сам вихревой столб как бы поменялись веществами, из которых они состоят.

И образуется воронка не снизу вверх, как у природного смерча, а, наоборот, сверху вниз, увлекая с собой в пучину плавающие на поверхности воды предметы.

Для этого опыта возьмите большую прозрачную бутылку, отрезав у нее предварительно дно. Для уменьшения диаметра горлышка вставьте в него короткую резиновую трубку. Зажмите пальцем трубку, налейте в бутылку воду и отнимите палец— вода спокойно будет выливаться из бутылки. Если же, перед тем как открыть отверстие, вы быстро помешаете палочкой воду, придав ей вращательное движение, то, открыв трубку, увидите красивую длинную воронку, уходящую узким концом в горлышко бутылки. Бросьте в воду маленькие кусочки спичек — они стремительно нырнут в воронку и выскочат через трубку наружу.

Наблюдение быстрых движений

Если нужно произвести наблюдение за быстро-вращающимся валом, то пользуются прибором, который называется стробоскопом.

Чтобы понять действие этого прибора, начнем с кино.

Движущееся изображение на экране, как известно, складывается из быстро сменяющих друг друга (24 раза в секунду) неподвижных изображений. В те мгновения, когда лента передвигается на один кадр, объектив киноаппарата закрыт специальной заслонкой— обтюратором. Однако наши глаза не успевают заметить этого, и мы видим на экране четкое движущееся изображение.

Проделайте во время киносеанса такой опыт. Быстро проведите перед глазами вытянутой рукой с раздвинутыми пальцами. Вам покажется, что силуэт руки движется скачками.

Почему это происходит? Вы видите движущуюся руку в момент, когда обтюратор пропускает на экран свет. Когда же наступает на мгновение темнота, рука хотя и продолжает двигаться, но не будет видна. При следующей вспышке света вы видите руку уже на новом месте и т. д. В те промежутки времени, когда рука движется в темноте, она выпадает из наблюдения и вам кажется, что рука движется не плавно, а скачкообразно.

Напряжение в электросети имеет частоту 50 периодов в секунду. Электрическая лампочка вследствие этого 100 раз в секунду загорается и гаснет. И, хотя ее волосок не успевает полностью охладиться, все же небольшое ослабление света происходит. В этом легко убедиться на опыте.

Сделайте из толстого белого картона кружок диаметром 4 сантиметра. Нарисуйте на нем черной тушью четыре одинаковых сектора, чередуя их с такими же по размен рам белыми секторами. Проткните центр кружка спичкой — получится волчок.

Запустите его при электрическом свете. В определенный момент, когда волчок несколько замедлит свое вращение, на поверхности его диска появятся темные секторы, вращающиеся в ту же сторону, что и волчок. Далее вращение секторов постепенно замедляется, затем после мгновенной остановки изображение секторов начинает вращаться все быстрее и быстрее, но в обратную сторону.

Это явление объясняется так: если за одну сотую долю секунды, когда свет немного ослаб, диск волчка повернулся точно на четверть оборота, то в следующий момент, когда свет загорается ярче, мы увидим рисунок секторов без изменений, точно в таком же положении, как и накануне затемнения. Так как секторы нарисованы совершенно одинаковые, никто не заметит, что каждый черный сектор передвинулся на место такого же черного соседнего сектора. Поэтому у нас создается впечатление, что диск стоит на месте. Но если диск волчка за момент затемнения поворачивается не на четверть оборота, а немного больше или меньше, то происходит постепенное набегание лишних или вычитание недостающих долей круга, и нам будет казаться, что секторы вертятся либо по ходу вращения волчка, либо против его вращения.

Эти три случая и показаны на схеме, где цифрами 1, 2, 3, 4 обозначены спицы «колеса», сплошной стрелкой — его вращение, пунктирной — кажущееся вращение спиц.

При дневном освещении, при свете керосиновой лампы или при освещении от источника постоянного тока описанного явления не произойдет.

Проделав этот же опыт при лампе дневного света, можно получить особенно хороший результат. В такой лампе происходит полное погасание, потому что не сказывается сглаживающее влияние раскаленного волоска.

Проделайте еще один опыт. Изготовьте из толстого картона диск диаметром 20–22 сантиметра, прорежьте в нем на равных расстояниях 12 отверстий в виде вытянутых от края диска к его центру трапеций. Размер этих трапеций должен быть примерно такой: высота — 5 сантиметров, ширина оснований — 2 и 1 сантиметр. Насадите диск на граненый карандаш и, быстро вращая его, смотрите сквозь его прорези на запущенный волчок с четырьмя нарисованными секторами.

Регулируя скорость вращения большого диска, можно добиться, что нарисованные секторы будут либо стоять неподвижно, либо вращаться в ту или другую сторону.

Обтюратор перед съемочным киноаппаратом, подобно диску в только что проделанном опыте, искажает характер вращения колес со спицами.

Для того чтобы измерить скорость вращения вала, на него надевают диск с черными секторами и освещают прерывистым светом. Зная частоту вспышек света, вычисляют скорость вала.