Юный техник, 2011 № 02

РАССКАЖИТЕ, ОЧЕНЬ ИНТЕРЕСНО…

Ружье без пороха или как устроен самодельный фантастрон?

В Интернете появился видеоролик с демонстрацией ружья, которое некоторые юзеры сравнили с оружием инопланетян из фильма «Район 9». Автор признался, что потратил на свое изобретение, названное им 1.25kJ Coilgun, около двух лет жизни. На каком принципе работает это оружие и можно ли его использовать в военном деле?

Виктор Сумароков, г. Новосибирск.

На первый взгляд детище самодельщика выглядит весьма внушительно. На ложе надписи: «Опасность! Высокое напряжение! Не дотрагиваться!..» Возможно, установленный внутри конденсатор и в самом деле может ударить током. На испытании от выстрелов электромагнитного ружья скалываются стаканы, разбивается игрушечный самолет…

А если говорить о сути, подобное устройство демонстрировал нам в кабинете физики еще 40 лет назад наш школьный учитель Иван Тимофеевич. Правда, называлось оно тогда не инопланетным оружием, а куда проще — соленоидом. Да и работает он проще некуда.

Если внутрь катушки индуктивности заложить металлический стержень — например, гвоздь, а потом подать на катушку импульс тока, то наведенное в обмотке электромагнитное поле с силой швырнет сердечник на несколько метров.

Вспомнил я и рассказ учителя. Оказывается, еще в 30-е годы прошлого века с такой «игрушкой» ходил по кабинетам высокого начальства инженер Александр Казанцев, ставший впоследствии известным писателем-фантастом. Он силой электромагнитного импульса эффектно вгонял гвозди в двери высокопоставленных кабинетов, а потом рассказывал, что на таком же принципе можно построить пушку, которая будет посылать снаряды на десятки километров.

Кое-кого изобретатель впечатлил школьным опытом настолько, что ему даже дали возможность осуществить свою мечту на практике, предоставили лабораторию. Но, проработав несколько лет, А.П. Казанцев электромагнитную пушку так и не сделал, лишь описал ее потом в фантастическом романе «Пылающий остров». Воплотить изобретение на бумаге оказалось куда проще, чем в «железе».

Так получилось потому, что ни Казанцеву, ни десяткам изобретателей до и после него не удалось преодолеть главную трудность: быстро накапливать электрический заряд необходимой мощности. Ну а если электромагнитное орудие будет способно стрелять лишь один раз в сутки, какой от него толк на поле боя?

Нет таких пушек и по сей день, хотя за прошедшие десятилетия электротехника продвинулась далеко вперед и сейчас есть суперконденсаторы, способные двигать даже автобусы.

Так что создать свое электромагнитное ружье можете и вы. Но упражняться с высоковольтными конденсаторами мы бы вам не рекомендовали. С электричеством шутки плохи, а тут опасность примерно такая же, как если бы кому-то вдруг взбрела в голову блажь лезть с отверткой внутрь работающего телевизора. К тому же, уверяем, такое ружье в соревновании уступит обыкновенной рогатке.

Подобные электромагнитные ускорители масс, если и будут использовать на практике, то, наверное, не на Земле, а на Луне или в космосе (см. статью «По рельсам — на Луну?» в этом номере). Во всяком случае, еще лет сорок тому назад, когда американцы высадились на Луне, такую идею подал американский профессор физики Герард О'Нейл. По его мнению, электромагнитные катапульты окажутся эффективными для переброски контейнеров с грузами — например, с концентратами полезных ископаемых — с поверхности Луны на околоземную орбиту.

А российский изобретатель из Тюмени Владимир Золотухин предлагает использовать электромагнитные ускорители для перемещения межпланетных зондов внутри Солнечной системы.

Первые эксперименты, проведенные в лабораториях США и некоторых других стран, показывают, что такие конструкции и в самом деле могут оказаться вполне рентабельными.

С. ЗИГУНЕНКО

НАУЧНЫЕ ЗАБАВЫ

Физика без приборов

ВОДОЛАЗ ИЗ СПИЧКИ

Для эксперимента запаситесь: пустой стеклянной бутылкой, спичкой, водой и карандашом.

Наполните бутылку водой почти по самое горлышко. Сломайте спичку, и часть ее с серной головкой опустите в бутылку. Посмотрите, утонет ли кусочек спички? Теперь закупорьте горлышко бутылки большим пальцем и несколько раз нажмите им на горлышко. Что при этом произойдет?

Давайте разберемся в том, что видели. Дерево — пористый материал, в котором содержится воздух. Поэтому его удельная масса невелика и дерево не тонет. Даже если серная головка выступает как дополнительный груз, спичка все равно будет держаться на воде.

Нажатием пальца на горлышко вы увеличиваете давление воздушной прослойки в бутылке, и спичка нырнет в глубину. Регулируя пальцем давление, можно заставить спичку плавать и нырять.

Совет: длина кусочка спички с серной головкой должна быть 3–5 сантиметров.

Можно провести эксперимент и с оставшейся частью спички, сначала завернув ее во влажную ткань и оставив так на час. При этом может оказаться, что спичка станет хуже нырять. Почему?

Вы сообразили правильно. Если завернуть спичку во влажную ткань, в поры дерева проникнет вода, спичка набухнет и станет тяжелее.

Продолжим эксперимент. Замените стеклянную бутылку на пластиковую. Вместо спички киньте в бутылку небольшой карандаш. Посмотрите, что при этом получится. И тут вы увидите, что карандаш перемещается хуже, чем спичка с головкой. Дело в том, что стенки пластиковой бутылки эластичные, они раздаются при увеличении давления, а сам карандаш имеет куда больший объем, чем спичка, а потому опять-таки реагирует на изменение давления слабее.

САМОДЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТ

Запаситесь мотком изолированной проволоки, батарейкой, гвоздем, скрепкой, а также клейкой лентой — скотчем.

Обмотайте тонкую изолированную проволоку вокруг гвоздя не менее 50 раз так, чтобы концы проволоки остались свободными. Зачистите концы провода от изоляции. Прикрепите скотчем один конец проволоки к положительному полюсу батарейки, другой — к отрицательному. Поднесите к конструкции из батарейки, проволоки и гвоздя скрепку, и вы увидите, как она притянется, прилипнет к проволочной спирали.

Дело в том, что, когда электрический ток проходит через проволоку, возникает магнитное поле. Булавка (или скрепка) начнет двигаться к гвоздю. Большое значение имеют толщина проволоки и количество ее витков вокруг гвоздя. Чем толще проволока и больше витков, тем сильнее электромагнит, который сможет притянуть более тяжелый предмет, например другой гвоздь. Но чем сильнее электромагнит, тем быстрее разрядится батарейка.

Впервые подобные опыты проводил еще в XIX веке замечательный английский ученый-самоучка Майкл Фарадей — основатель учения об электромагнетизме.

Внимание: не пытайтесь использовать в качестве источника напряжения квартирную электрическую розетку. Напряжение в 220 В смертельно опасно для жизни!

«УМЕНЬШАЮЩАЯСЯ» МОНЕТА

Для опыта вам необходимы две монеты (5 рублей и 2 рубля), бумага, ножницы и ручка.

Положите монету в 2 рубля на лист бумаги и обведите ее ручкой. Вырежите обведенный кружочек ножницами. Попытайтесь просунуть пятирублевую монетку через полученное отверстие так, чтобы бумага не порвалась.

Если вы будете действовать аккуратно, то к вашему удивлению монета как бы уменьшится и пройдет через отверстие. Почему? Получится ли такой «фокус», если точно такое же отверстие прорезать в плотном картоне?

Ответы на эти вопросы таковы. Бумага довольно эластична. Если сложить ее по диаметру вырезанного отверстия, образуется прямая линия. Теперь растяните бумагу, и пятирублевая монетка вполне протиснется в отверстие.

А вот с картоном дело сложнее. Протолкнуть пятирублевую монету сквозь малое отверстие, не нарушив его границ, вряд ли удастся.

Из этого опыта, кстати, следует довольно интересный вывод. Чем тоньше материал, тем он эластичнее. Это верно по отношению и к бумаге, и к резине, и ко многим другим материалам.

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Эстрадные акустические системы

Мы уже говорили об усилителях звука и регуляторах тембра (см. «ЮТ» № 12 за 2010 г. и «ЮТ» № 1 за 2011 г.). Но даже самый хороший усилитель ничего не стоит без акустической системы (АС), способной достойно воспроизвести звук. С этим обычно и возникают проблемы.

Дело в том, что промышленно выпускаемые «фирменные» АС, в просторечии «колонки», в основном предназначены для домашнего звуковоспроизведения. Эстрадных колонок выпускают мало, производство их полукустарное, стоят они от «очень дорого» до «запредельно дорого» и далеко не всем по карману. Да использовать готовое и неинтересно!

Прежде всего, заметим, что паспортная мощность АС не должна быть меньше мощности самого усилителя, иначе динамики колонки будут перегружаться и искажать звук. Паспортная мощность АС равна сумме мощностей входящих в нее головок, а последняя указывается в названии самой головки на первом месте.

Например: головка 4ГД-35 имеет паспортную мощность 4 Вт. Остальные знаки маркировки: Громкоговоритель Динамический, заводской номер. Для обозначения широкополосных динамиков добавляют букву Ш, низкочастотных — Н, высокочастотных — В. В многополосных АС (обычно бывают двух- и трехполосные) паспортную мощность определяют по мощности низкочастотных (НЧ) головок. Среднечастотные (СЧ) и высокочастотные (ВЧ) головки могут иметь и меньшую мощность, поскольку относительное содержание СЧ- и ВЧ-составляющих в спектре реальных звуковых программ, как правило, меньше, чем НЧ.

Приступая к проектированию АС для музыкальной группы, настоятельно рекомендуем ознакомиться с литературой по этому вопросу. «Юный техник» уже затрагивал эту тему с акцентом на домашнее звуковоспроизведение (см. статью «Получи звучание Hi-End!» в ЮТ № 9 и 10 за 2008 г). Перечитайте ее, поскольку там много сведений о динамических головках и их параметрах, повторять которые здесь не стоит.

Поговорим про АС преимущественно для озвучивания залов большой площади. Лучше всего этот вопрос решен в кинотеатрах.

Если вы рассмотрите трехполосную АС большой мощности, снизу увидите две НЧ-головки с большими диффузорами, сильными магнитами и мягким подвесом, обеспечивающим большой ход диффузора.

Выше — рупор для СЧ-головки, а сверху — маленький рупор ВЧ-головки. Эти рупоры обеспечивают направленность звука в кинозал и увеличивают отдачу головок. Рупор НЧ-головок оказался бы слишком большим, но помогает установка АС в передних углах кинозала, и роль рупора в какой-то мере выполняют стены, пол и потолок. Изготовить подобную АС вряд ли окажется вам по силам, но у нее наряду с достоинствами (широкой полосой частот, большой отдачей и высоким качеством звука) есть и существенный недостаток — АС совершенно неподъемна, и для транспортировки ее с места на место нужен чуть ли не грузовик!

Нам же необходима легкая, но мощная АС, желательно небольших габаритов. Рупоры по этой причине отпадают сразу. Начнем с выбора головок. В принципе, можно найти мощную широкополосную головку с высокой отдачей, вот пример:

75ГДШ-38 (сейчас выпускается под названием 100ГДШ-33).

Полоса воспроизводимых частот, Гц… 50–16 000

Номинальное сопротивление, Ом… 8/16

Паспортная мощность, Вт… 25

Пиковая мощность. Вт… 150

Чувствительность, дБ/Вт/м… 97

Резонансная частота. Гц… 55

Диаметр звуковой катушки, мм… 44

Наружный диаметр, мм… 345

Высота, мм… 140

Широкая полоса в ней достигнута благодаря двум диффузорам: основной, диаметром чуть ли не 1/3 метра, воспроизводит НЧ и СЧ, а малый конус, вклеенный в центре, — ВЧ. По конструкции она очень напоминает старые головки завода «Кинап» — 2А-9, 4А-18 и т. п. (маркировка у них была своя, отличающаяся от стандартной), заслужившие самые лестные отзывы.

Особо надо остановиться на таком параметре, как чувствительность — ведь всегда желательно получить звук погромче (не в ущерб качеству, разумеется) при той же мощности усилителя. Чувствительность — это уровень громкости на расстоянии 1 м от головки при подведении электрической мощности в 1 Вт. Она обычно составляет от 84 до 100 дБ, чаще же от 87 до 92 дБ. По чувствительности 75ГДШ-33 (97 дБ) — отличная головка. Ранее указывали отдачу — звуковое давление, создаваемое головкой на расстоянии 1 м при подводимой электрической мощности в 0,1 Вт. Эти два параметры эквивалентны, и для быстрой оценки параметров головок приводим таблицу соответствия.

Что же делать, если мощных головок нет, зато можно найти устаревшие динамики мощностью 3…6 Вт от выброшенной бытовой радиоаппаратуры?

Будем строить так называемый групповой излучатель! В нем на одной передней панели АС (отражательной доске) размещают от четырех до десятка однотипных головок. Все они должны работать синфазно, создавать единую акустическую волну. Такое решение все чаще используют и производители «фирменной» аппаратуры (см. фото). Две подобные стереоколонки, поставленные рядом или одна на другую и соединенные вместе, образуют весьма эффективный групповой излучатель из четырех динамиков.

При совместной работе нескольких диффузоров увеличивается их эффективная площадь, колеблющаяся «присоединенная» масса воздуха, и в результате возрастает отдача. На низких частотах увеличение чувствительности оценивают в 6 дБ для четырех головок, 8 дБ для шести и 9 дБ для восьми. Одновременно расширяется полоса эффективно воспроизводимых частот в области более низких, примерно на треть или половину октавы, по сравнению с полосой пропускания одиночной головки в том же корпусе.

Кроме того, двух абсолютно одинаковых головок не бывает, они обязательно имеют разные резонансные частоты, пики и провалы на частотной характеристике. При совместной работе общая частотная характеристика АС выравнивается.

В печати сообщают также, что глубину корпуса группового излучателя допустимо уменьшить в 1,5…2 раза по сравнению с глубиной АС с одной головкой.

Другими словами, АС может быть изготовлена достаточно плоской и ее можно поставить на полу у стены или даже повесить на стену.

Как соединять головки?

Это зависит от их сопротивления R_г и того сопротивления нагрузки R, которое нужно усилителю. При параллельном соединении N однотипных головок общее сопротивление АС уменьшается в те же N раз (рис. 1).

При последовательном соединении головок R увеличивается в N раз (рис. 2).

На практике часто применяют смешанное соединение (рис. 3), позволяющее подобрать нужное значение R, изменяя число последовательно включенных головок в группе и число параллельных групп.

В другом варианте головки сначала параллельно соединяют в группы, затем группы — последовательно. На схеме (рис. 3) при этом добавляется соединение, показанное штриховой линией. Полярность включения головок очень важна: при подаче на АС постоянного напряжения (например, от гальванического элемента) все диффузоры должны двигаться в одну сторону, что соответствует синфазному включению. Хотя бы одна головка, работающая в противофазе, резко понижает отдачу. На схемах одноименные выводы головок помечены точками.