Юный техник, 2003 № 06

Техническая характеристика:

Количество пассажиров… 555

Длина… 72 м

Размах крыльев… 79 м

Дальность полета… 14 500 км

Взлетная тяга… 37 т

Быстроходное купе Acura Integra Type-R (фирма-производитель входит в концерн Honda) было представлено публике в конце 1997 г. Мощность мотора машины составляет 190 л.с., но, несмотря на столь высокую величину, он не требует регулировок в течение первых 160 тыс. км пробега. Стандартное оснащение включает кондиционер, регулируемую рулевую колонку, стереосистему, электропривод стеклоподъемников, круиз-контроль. При этом базовая модель стоит сравнительно немного — меньше 20 000 долларов.

Техническая характеристика:

Тип… купе

Количество дверей… 2

Мест… 4

Объем двигателя… 1797 см3

Мощность… 190 л.с.

Привод… передний

Максимальная скорость… 230 км/ч

Время разгона до 100 км/ч… 6 с

Топливо бензин… А98

Длина… 4380 мм

Ширина… 1710 мм

Высота… 1338 мм

Полная масса… 1550 кг

Объем топливного бака… 50 л

ПОЛИГОН

Электронная «кобра»

В статье «Как ракета находит цель» мы рассказали о головках самонаведения ракет. Вот продолжение темы. Однажды некий студент очутился в обеденный перерыв в пустынной лаборатории секретного НИИ, где на испытательном стенде стояла новейшая ракета. Любопытство заставило студента подойти поближе, и тут ракета повернулась. Быть может, случайность? Студент двинулся было дальше, но ракета вновь повернулась, «глядя» на него своим стеклянным глазом. Это повторилось, когда герой сдвинулся еще на шаг в сторону. Его охватил ужас…

Так, если верить этому рассказу, студент впервые познакомился с ракетами, наводящимися на тепловое излучение тел. Вообще-то головки самонаведения ракет должны следить за пышущим жаром в тысячи градусов далеко в небе двигателем самолета. Но чувствительность их может быть достаточно высока, чтоб чувствовать, словно кобра, даже тепловое излучение находящегося рядом человека.

Возможно, рассказ о подобных устройствах подскажет вам выбор профессии. Но если вы даже поступите в институт, где занимаются такого рода устройствами, построить свою систему самонаведения удастся, в лучшем случае, лет через пять. Мы понимаем, что для вас, дорогие друзья, это огромный срок. А потому предлагаем приступить к делу уже сейчас.

На наших страницах вы видите простейшее устройство, которое может следить за перемещением источника света, например, лампы фонарика или луча лазерной указки (рис. 1).

Рис. 1. Общая компоновка и кинематическая схема следящего устройства.

Оно состоит из четырех фотосопротивлений, закрепленных на специальной платформе, способной поворачиваться относительно вертикальной и горизонтальной осей. Делается это при помощи двух электродвигателей, а работает каждый из них от своей электронной схемы. Датчики света установлены на сравнительно большом расстоянии друг от друга, линзы отсутствуют. Это упрощает систему, но яркий свет «притупляет» реакцию датчиков света, и лучше использовать ее при неярком освещении. Зато, когда система заработает, ее можно будет бесконечно совершенствовать. (Думаем, мы вместе постепенно доведем ее до совершенства.)

Для чего же может пригодиться такая следящая система? Все зависит от вас. Можете просто развлекаться, заставляя ее следить за лучом. Можете сделать из нее солнечные часы, поскольку она способна, как подсолнух, отслеживать положение солнца на небе. Заменив фотодатчики на микрофоны, можно будет сделать из нее звуколокатор (о том, как его сделать, мы расскажем в одном из следующих номеров). С ней можно, наконец, поехать на выставку и, получив приз, уехать очень далеко, например, в Гренобль. Да и вообще на базе этой следящей системы можно сделать множество замечательных игрушек, а то даже и вполне серьезных устройств.

Но — к делу. Электроника «кобры» состоит из двух одинаковых каналов управления. Один из них отвечает за перемещение следящей системы по вертикали, другой — по горизонтали. Поскольку каналы управления одинаковы, рассмотрим работу одного из них (рис. 2).

Рис. 2. Схема канала управления.

Основа схемы — операционный усилитель DA1, на вход которого поступают сигналы от датчиков освещенности R1 и R2. Когда они освещены одинаково, напряжение на резистор R5 не поступает, и на выходе DA1, а также на выходе усилителя мощности, состоящего из транзисторов VT1 — VT4, напряжение равно нулю. Ротор мотора Ml находится в покое.

Если на один из фоторезисторов падает больше света, чем на другой, на вход операционного усилителя поступает сигнал рассогласования. После усиления он попадает на двигатель и заставляет его вращаться, поворачивая головку самонаведения в той или иной плоскости до тех пор, пока освещенность фоторезисторов не сравняется. Головка самонаведения окажется нацеленной на источник света, и напряжение на двигателе упадет до нуля.

Коэффициент усиления DA1 определяется соотношением резисторов R8 и R5. Если вы считаете, что его нужно увеличить, повысьте номинал R8.

С помощью переменного сопротивления R9 вы можете выставить «ноль» на выходе операционного усилителя при отсутствии сигнала на его входе (отключив при налаживании сопротивление R5 от движка резистора R2). Переменный резистор R2 позволяет скомпенсировать некоторую разницу параметров фоторезисторов R1 и R2.

Выходной каскад схемы достаточно мощен, чтобы обеспечить работу практически любых малогабаритных электромоторчиков. Поэтому можете использовать любой доступный с напряжением питания от 3 до 6 В. Если выходные транзисторы при макетировании схемы будут заметно греться, при окончательном монтаже лучше установить их на радиаторы площадью около 100 см2, вырезанные, например, из дюралевого или алюминиевого уголка.

Источник питания — двухполярный. Он должен обеспечивать ток для двух электродвигателей. Остальные элементы схемы потребляют по сравнению с ними мало электроэнергии. Если не сумеете найти стабилитроны, можно обойтись и без них. Тогда резисторы R4 и R6 можно исключить из схемы.

Теперь о механике. Система слежения состоит из двух одинаковых механических схем, работающих независимо друг от друга, каждая в своей плоскости.

На рисунке 1 показана классическая кинематическая схема, построенная на шкивной передаче. Крутящий момент передается с электродвигателя на поворотную ось системы слежения через понижающий редуктор, который необходим, чтобы повысить силу электродвигателя, но и для снижения его оборотов: при большой скорости вращения фотодатчики могут не успеть отследить «цель». Схема управления плавно регулирует подачу питания на электродвигатели и тем самым замедляет скорость их вращения. Но, поскольку обычные двигатели быстроходны, в кинематическую схему включен постоянный двухступенчатый редуктор, понижающий скорость вращения в 30 раз (для двигателя со скоростью вращения 3600 об/мин.).

На схеме показаны редукторы со следующими отношениями: ступень 1–1:5; ступень 2–1:6. Если при постройке системы слежения будет возможность использовать червячный редуктор — это наилучший вариант, установка получится намного компактней. В крайнем случае, можно сделать редуктор, надев на вал электродвигателя резиновый кембрик, соприкасающийся со шкивом. В этом случае, правда, придется изобретать еще узел, поджимающий их друг к другу.

На валу горизонтального слежения размещается скользящая электроконтактная группа промышленного образца. Ну а если такой не найдете, увеличьте длину монтажных проводов, а саму систему настройте с помощь ограничителей на угол поворота, не превышающий 360°.

На рисунке показана приблизительная компоновка узлов и деталей. Крышки картеров снимаются, не нарушая крепеж вращающихся деталей, которые размещены так, чтобы легко было заменить пассики.

Следящая система, как вы заметили, опубликована под рубрикой «Полигон». Вы тоже можете ее совершенствовать. Присылайте в редакцию свои варианты механики и электронной части. Будем достраивать систему вместе.

Ю. ПРОКОПЦЕВ, А. АНТОНОВ, А. ИЛЬИН

ЭКСПЕРИМЕНТ

Шарики и физика

Для изучения газовых законов аппаратуры в школах мало. Но даже если ее достаточно, работа с ней трудоемка, а получаемые результаты выглядят невразумительно. Однако посмотрите, как изящно решаются эти проблемы с помощью такого простого прибора, как воздушный шарик.

Надуйте шарик до предела и, завязав, вынесите на улицу. В морозный день шарик вскоре заметно уменьшится в размерах. Если, например, температура в комнате плюс 20 °C, а на улице — минус 20 °C, то объем шарика уменьшится на 15 %, а диаметр — на 5 %. Если вы в комнате измерите периметр шарика портновским сантиметром, то обнаружите вполне ощутимое (на 3–5 см) его «похудение» после пребывания на улице. (Для таких опытов лучше применять шарики большие.)

Надуйте шарики разного размера и натяните их на противоположные концы трубки (рис. 1).

Воздух начнет перетекать из одного шарика в другой. Думаете, большой шарик будет надувать маленький? Нет, маленький шарик надувает большой!

Причина в упругости оболочки. Обращали внимание: резиновый шарик в первые моменты трудно надувать. Когда преодолеете «мертвую» точку, дело пойдет легче. Тут проявляет себя универсальное свойство всех материалов. Вначале они сопротивляются растяжению с большей силой, но по мере дальнейшего растяжения она ослабевает. Наступает даже так называемый «предел текучести», когда для дальнейшего удлинения увеличения силы почти не требуется. У металлов такое состояние предшествует разрушению, а резина, из которой делают воздушные шарики, его прекрасно переносит. У сильно раздутого шара оболочка теряет способность активно сжиматься, и ее давление на газ очень мало. Оболочка шарика маленького размера способность к сокращению не потеряла. Поэтому он и надувает большой.

Возьмите пустую бутылку, пропихните внутрь воздушный шарик, а горловину, оставшуюся снаружи, наденьте на горлышко бутылки. Затем попытайтесь надуть шарик внутри бутылки. Даже если это будет огромная двухлитровая бутыль, у вас ничего не получится. Вообще-то, от вашего дуновения шарик раздуется, но на ничтожно малую величину: давление в бутылке повысится и станет равным давлению в шарике, после чего рост его объема прекратится.

Перед вами на одном уровне висят два шарика. Как, не касаясь шариков руками, их соединить? Решение предельно простое, но не очевидное — подуть между шариками (рис. 2).

Давление воздуха в струе всегда меньше атмосферного. Вот сила атмосферного давления с боков и приблизит шарики друг к друга. Сильная струя воздуха от фена или пылесоса позволяет сделать красивейший опыт. Подведите струю воздуха под шарик и отпустите его. Вначале струя поднимет шарик вверх до точки равновесия, где сила тяжести уравновешивается силой давления.

Казалось бы, после этого шар должен соскользнуть со струи и упасть. Нет, он неподвижно зависнет в этой точке, и его не сможет выбить из струи даже боковой удар. Дело в том, что скорость воздуха в середине струи меньше, чем по бокам.

В соответствии с законом Бернулли давление воздуха меньше в том месте, где больше скорость, то есть в середине струи. Поэтому при малейшем смещении шара вбок возникают силы, стремящиеся возвратить его в прежнее положение.

Слышали рассказы о йогах и факирах, которые преспокойно лежат на досках, утыканных множеством гвоздей? Похоже на чудо?

А вот какой опыт поставил физик С.Н. Кириллов. Надуйте воздушный шарик до больших размеров и положите его на острия гвоздей, вбитых в доску (рис. 3).

Поверх шарика поместите кусок фанеры, а на него поставьте блюдо, которое вы будете загружать, например, гирьками. Самое удивительное, что шарик, лежащий на остриях, выдерживает груз до 3 кг, но не лопается! При проведении опыта важно не допускать перекоса, поэтому желательно сделать каркас с боковыми направляющими. Гвозди следует забивать равномерно по всей плоскости на расстоянии 10–15 мм друг от друга, а острия их полезно слегка затупить.

А вот еще удивительный опыт.

Всегда ли в пламени горит резина?

Налейте в шарик воды и поместите в пламя горелки или свечки. Резина только закоптится и не более того, пока вся вода не выкипит из шарика (рис. 4).

Стенка шарика очень тонкая, и тепло огня свечи проходит через нее в воду. Температура оболочки поднимется лишь чуть выше 100 °C, оставаясь в пределах, которые резина еще выдерживает. Нечто подобное встречается в системах охлаждения ракетных двигателей.

Жар в них такой, что сантиметровая стенка из жаропрочного сплава прогорает за доли секунды. Однако тонкая, как бумага, стенка из бронзы, охлаждаемая с одной стороны потоком керосина, прекрасно этот жар выдерживает.

В продаже встречаются шары из толстой резины диаметром в полметра и более. Надуйте такой шар до максимального размера и попытайтесь его утопить. Это веселое, но невыполнимое задание. Для того чтобы понять, в чем дело, подсчитайте объем вашего шара.

Это можно сделать по классической формуле, но для наших целей достаточно точен упрощенный способ. Возведите диаметр шара в куб и разделите на два. Если диаметр выразить в дециметрах, то объем получится в литрах. Так, например, шар диаметром полметра, или пять дециметров, имеет объем 5 x 5 x 5/2 = 62,5 литра. Литр воды весит примерно 1 кг. Следовательно, чтобы утопить такой шар, нужно приложить силу в 62,5 кг, а это не так-то легко.

Реактивное движение отнюдь не достижение нашего времени. Первыми освоили его кальмары и прочие головоногие моллюски сотни миллионов лет назад. Они движутся, выбрасывая струю воды сокращением мускулатуры стенок полости своего тела. Это позволяет, например, кальмарам выпрыгивать из воды и пролетать до сорока метров.

Чтобы почувствовать, как это у них получается, надуйте шарик и, не завязывая, выпустите его из рук. Он взметнется и полетит от вас, выбрасывая струю воздуха. Обычно траектория движения такого шарика хаотична. Но его можно превратить в модель ракеты. Простейшим стабилизатором, который сделает полет устойчивым и относительно прямолинейным, может послужить кусок бумажной ленты, привязанной нитками к отверстию шарика (рис. 5).

В литературе описаны стабилизаторы и других типов. В любом случае следует пользоваться шариками удлиненной формы.

А со сферическим шариком можно провести конкурс «чей шарик улетит дальше». Для этого натяните параллельно на расстоянии около метра друг от друга две или больше лесок. На каждую леску предварительно наденьте трубочку для сока длиной 3–5 см (рис. 6).

Участники конкурса надувают шарики, широким скотчем прикрепляют их к трубочкам и по команде отпускают. Кто выигрывает, наверное, догадались.

Г.ТУРКИHА

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Слышишь — просит пить цветок!

Состояние почвы характеризуется ее объемным сопротивлением между погруженными в почву «точечными» электродами. Для двух электродов, отстоящих один от другого на 30 мм и углубленных в цветочный грунт на 15 мм, были измерены показатели сопротивления через различные интервалы времени, начиная с 15 минут после полива сухой земли и кончая несколькими днями после него. Полученная зависимость показана на рисунке 1, где шкала времени построена в логарифмическом масштабе.

Как видите, влажность почвы тесно связана с ее электропроводностью. И это позволяет построить простой прибор, подающий сигнал, когда пора полить цветок. Схема сигнального устройства приведена на рисунке 2.