Юный техник, 2015 № 12

СДЕЛАЙ ДЛЯ МЛАДШЕГО Что может биометалл?

В XVIII веке английский часовщик Джон Харрисон ломал себе голову, стараясь сконструировать для моряков особо точный хронометр. Он-то и додумался впервые использовать биметаллические пластины, с помощью которых компенсировал влияние изменения температуры окружающего воздуха на точность хода часов.

В простейшем виде, как сказано выше, биметаллическая пластина представляет \ собой две полоски различных металлов, скрепленные друг с другом. При изменении температуры такая пластинка изгибается, поскольку металлические полоски имеют разный коэффициент теплового расширения.

В наши дни биметаллические пластины широко применяют в различных бытовых и промышленных устройствах, например, в термометрах и термовыключателях, которые регулируют работу электрических утюгов и чайников, а также в детских игрушках. Но перейдем к самоделкам. Только должны предупредить: несмотря на кажущуюся простоту — вырезал и склепал вместе пластинки — мастера говорят, что самодельные пластины работают плохо. Поэтому надежнее отыскать и использовать готовый биметаллический элемент. Его можно позаимствовать у вышедшего из строя электрического чайника с автоматикой отключения при закипании, утюга с терморегулятором или купить в магазине электротоваров.

Биметаллический термометр.

Самое простое устройство, которое вы можете сделать, — это биметаллический градусник. Пластинка, склепанная из тонких полосок листовой стали и алюминия, укрепляется (например, привинчивается с помощью болтов и гаек) одним концом на металлическую основу. На другой конец биметаллической пластинки приклеивается стрелка из пластика или картона. При нагревании или охлаждении металлического основания биметаллическая пластинка изгибается в ту или другую сторону, а стрелка перемещается но шкале. Заметное отклонение стрелки от первоначального положения можно наблюдать при нагревании или охлаждении пластин примерно на 10 °C.

Показания удобно отслеживать по градуированной шкале, которую вы тоже прикрепляете к основанию.

Предварительную градировку производят с помощью обычного спиртового термометра, а как могут выглядеть такие устройства, показано на иллюстрациях.

Установка, наглядно показывающая, как биметаллическая пластина изгибается при нагревании.

Устройство биметаллических качелей.

В этой игрушке был использован элемент из биметаллического термометра, который отличается от описанного выше тем, что полоска в данном случае свернута в спираль. Если вы найдете такую «улитку», то можете сделать для младшего брата или сестры игрушечные качели, которые начинают качаться как бы сами собой, стоит только поднести к ним чашку с горячей водой или зажженную свечу.

Общий вид устройства представлен на фотографии. Чтобы такая система была как можно чувствительней к теплу, для ее регулировки используется противовес из латунного винта с одной или с двумя гайками. По мере необходимости вы можете перемещать гайки вверх или вниз по резьбе, добиваясь плавного и регулярного хода качелей.

Сами качели сделаны из проволоки. В данном конкретном случае использована заготовка в виде металлической вешалки для одежды. К ней и припаиваются все остальные элементы.

На снимках приведены два варианта конструкции таких качелей с закрученной улиткой биметаллической пластинкой. В принципе, существует еще и третий вариант, пожалуй, самый простой, — с биметаллической проволокой. Купить ее трудно, но можно попробовать заменить ее плоской биметаллической пластиной, изначально согнутой дугой.

Как только биметаллический элемент нагреется, он изменит свою геометрию. Возникнет механическое усилие, и качели перейдут из одного состояния в другое. Если вы уберете чашку с горячей водой или погасите свечу, пластинка постепенно остынет и восстановит форму, а качели вернутся в первоначальное положение. Тщательной регулировкой противовеса можно добиться того, что качели будут качаться более-менее регулярно даже без вашей помощи.

Регулятор хода качелей (вверху) и вариант устройства качелей со спиральной биметаллической пластиной (внизу).

И, наконец, упомянем еще одно интересное устройство — двуногий шагоход с применением биметаллических пластин, который создали инженеры из Токийского университета, использовав биметаллические пластины для изготовления шагающей конструкции Thermobot. Она может «ходить» по нагретой поверхности благодаря нагреванию и охлаждению пластин. Свою работу ученые представили на международной конференции по интеллектуальным системам и робототехнике IROS-2015 в Гамбурге (Германия).

Как уже говорилось, при нагревании биметаллической пластины один металл расширяется сильнее другого, в результате чего она изгибается. Последующее охлаждение возвращает ей первоначальную форму. Японцы применили это свойство к изготовлению шагохода. Особая развесовка ног приводит к тому, что после заваливания набок противоположная нога отклоняется вперед. Таким образом, Термобот и делает шаги, приподнимая одну ногу за другой, подобно человеку, пытающемуся пробежать по горящим углям.

Схема движения Термобота.

Работоспособность Термобота сохраняется только при определенных условиях, а именно: чтобы биметаллические пластины эффективно охлаждались, необходимо, чтобы поверхность для ходьбы была значительно теплее окружающей среды. В идеале разница температур должна составлять не менее 50 градусов. В эксперименте, записанном на видео, Термобот вышагивал но поверхности, нагретой до 170 °С, при температуре окружающего воздуха 26 °C.

Пока сложно представить себе практическое применение подобной технологии. Поэтому японцы ныне стараются доработать Термобот так, чтобы он функционировал при меньшей разнице температур. Тогда из него может выйти, например, забавная игрушка, не требующая электрического источника питания.

Публикацию подготовил Л. ПЕТРОВ