Горизонты техники для детей, 1973 №3

Если бы вам предложили нарисовать, как вы представляете себе работу астронома, то, пожалуй, на вашем рисунке появились бы Луна, звёзды и огромная подзорная труба, через которую астроном наблюдает за небесными телами. И вы не ошиблись бы, поскольку астрономы именно так работают, Но, конечно, не все. Некоторые фотографируют звёздное небо. Другие принимают радиосигналы от приборов, работающих на спутниках. Ведь на Земле часто бывает такая погода, что нельзя вести астрономические наблюдения. Поэтому телескопы начали посылать в Космос. Они летают вокруг Земли и информируют астрономов о том, что «видят».

Не удивит ли вас факт, что около четырёхсот лет назад никто и не слышал о зрительных трубах? Великий польский астроном Николай Коперник рассматривал небосвод невооруженным глазом. Приборы, какими он пользовался, служили только для определения положения звёзд и планет на небе. Зрительные трубы появились лишь в конце XVI века одновременно с микроскопом. Впервые зрительную трубу для астрономических наблюдений применил в 1609 году английский астроном Томас Гарриот, а год спустя — итальянский физик Галилео Галилей. Благодаря построенной трубе, состоящей из двух линз — собирающей и рассеивающей — Галилей открыл горы на Луне и четыре спутника Юпитера, хотя увеличение трубы было совсем небольшое. Немного позднее немецкий, астроном Иоганн Кеплер, работавший в Чехии, построил трубу другой конструкции. По сути дела, труба Кеплера — прототип применяемых в настоящее время телескопов. Она состояла из двух собирающих линз, из которых первая (объектив) давала в фокусе, допустим, изображение планеты, а вторая (окуляр) — увеличивала данное изображение как лупа, см. рис. 1.

Рис. 1. 1 — объектив, 2 — окуляр

Астрономы, наблюдающие за небесными телами, заметили: чем больше фокусное расстояние объектива, тем бóльшее увеличение даёт зрительная труба. Вот почему начали появляться телескопы огромных размеров. Известный телескоп гданьского бургомистра Яна Гевелия был длиной в 49 метров. Разумеется, подобные громоздкие телескопы было очень трудно направить на нужную звезду. Астрономы прибегали к другому решению: объектив помещали на высокой башне или дереве, а сами ходили по земле с окуляром в руке и искали место, соответствующее фокусу объектива. У труб Кеплера был один недостаток: вокруг наблюдаемой звезды создавался цветной ореол, снижающий резкость изображения. Чтобы устранить этот недостаток, английский физик Исаак Ньютон в 1668 году изобрёл телескоп другой конструкции, см. рис. 2.

Рис. 2. 1 — окуляр, 2 — плоское зеркало, 3 — сферическое зеркало

В нем роль объектива выполняла не собирающая линза, а сферическое вогнутое зеркало. Изображение объекта возникало в его фокусе, расположенном внутри телескопа. Между зеркалом и его фокусом Ньютон поместил второе плоское зеркало. Оно так направляло лучи вбок, что фокус находился за пределами телескопа, названного рефлектором. За изображением, созданным в фокусе, наблюдали через окуляр, как в трубе Кеплера. Поскольку зеркало телескопа Ньютона было сделано из зеркально-полированного металла, оно не особенно хорошо отражало световые лучи. Поэтому изображения планет получались тёмными. Для получения лучшего изображения шлифовали зеркала большого диаметра.

В середине XVIII века был изобретен ахроматический объектив, состоящий из двух линз — собирающей и рассеивающей — изготовленных из разных сортов стекла. Такой объектив уже не давал цветных ореолов. Рефракторы[2] переживали свою вторую молодость. Оказалось, что объектив большего диаметра позволяет увидеть менее яркие звёзды и одновременно дает более отчетливое изображение. Астрономы начали строить рефракторы всё больших размеров. Самый большой из них — с объективом диаметром 102 см — был построен в 1897 году в США. Однако, оказалось, что при таком огромном объективе нельзя избежать цветных ореолов, а толстые линзы поглощают слишком много света. Практика опровергла целесообразность постройки подобных рефракторов-гигантов.

Астрономы вновь обратились к отражательным зеркальным телескопам, называемым рефлекторами. Во второй половине XIX века для изготовления зеркал стали применять стекло, покрытое тонким слоем серебра. Такие зеркала очень хорошо отражали световые лучи, а кроме того, полностью устранили цветную кайму на изображении наблюдаемых объектов. Зеркальные телескопы победили окончательно.

Крупнейший современный рефлектор работает в обсерватории в Маунт-Шломар (Калифорния) и имеет зеркало диаметром 5,08 м. Наблюдатель сидит в кабине, расположенной внутри телескопа. Она прикрывает Всего лишь 13 % света. Еще больший телескоп строится сейчас в СССР. Его зеркало будет диаметром 6 м.

В настоящее время все чаще работают телескопы с двумя зеркалами. Главное зеркало — вогнутое, с отверстием посредине. Лучи, отраженные от него, падают на небольшое выпуклое зеркало и собираются в фокусе вне главного зеркала. Созданное там изображение объекта можно рассматривать через окуляр, см. рис. 3.

Рис. 3. 1 — вогнутое зеркало, 2 — выпуклое зеркало, 3 — окуляр

Вместо этого в фокусе нередко устанавливаю фотопластинку и тогда получают снимок звезды. С помощью призмы можно разложить свет звезды и получить спектр, состоящий из множества светлых и темных линий. Исследуя спектр, астрономы могут определить температуру звезды и её химический состав.

Такие телескопы дают резкие изображения лишь на небольшой поверхности фотопластинки.

Для фотографирования больших участков неба был построен специальный телескоп, обладающий значительным полем зрения и минимальными потерями света. В честь конструктора его назвали телескопом Смита. Он оборудован сферическим зеркалом, см. рис. 4.

Рис. 4. 1 — сферическое зеркало, 2 — фотопластинка, 3 — стеклянная корректировочная пластина.

А поскольку астрограф Смита давал нерезкое изображение, перед его зеркалом установили стеклянную корректировочную пластину, благодаря которой изображение становилось резким почти на всей поверхности фотопластины. Таким телескопом были выполнены снимки всего неба. Сейчас астрографы Смита есть почти в каждой обсерватории.

Самый молодой из оптических телескопов — так называемый менисковый. Появился в нашем веке. Этот прибор характеризует большая точность зеркал и объективов. Есть несколько уникальных менисковых телескопов, которые хорошо себя зарекомендовали в наблюдениях небесных светил. Новые телескопы называют еще именем Максутова, советского ученого, разработавшего систему прибора.

Строятся специальные телескопы для Наблюдения за Солнцем — обычно в виде высокой полой башни. В ее нижней части, под землей помещают неподвижное главное зеркало, а на верху — второе зеркало, направляющее лучи Солнца внутрь. Такая конструкция позволяет получить изображение нашего дневного светила больших размеров, использовать сложную и громоздкую аппаратуру для исследования солнечного света.

Как видите, раньше астрономы занимались изучением исключительно видимого излучения. Лишь сорок лет назад ученые обнаружили, что из Космоса поступают на Землю радиоволны. После второй мировой войны астрономы начали исследовать радиосигналы, используя для этой цели радары, применяемые в военной технике. Позднее они приступили к постройке радиотелескопов. Так как радиоволны длиннее световых, радиотелескопы должны быть больших размеров, чем обычные телескопы. Их зеркала можно изготавливать из металлической сетки. Чем больше длина волны, тем больше могут быть ячейки этой сетки. Самый большой радиотелескоп находится в Джодрел-Бэнк (Великобритания). Диаметр его зеркала равен 76 м.

Не думайте однако, что источники радиоволн видны в радиотелескопе как звезды. По внешнему виду радиотелескоп напоминает радиоприемник, а его зеркало собирает радиосигналы антенной, помещенной в фокусе. Если антенна направлена на радиоисточник — в приемнике слышен громкий сигнал. Обычно он усиливается и поступает в самопишущее устройство, где производится запись.

Больше всего хлопот астрономам доставляет атмосфера Земли. Она пропускает лишь световые и радиоволны. Радиоволны можно принимать в любое время и при любой погоде. Световые волны более капризны. Наблюдения небесных светил можно вести лишь безоблачной ночью. Все другие волны, например, инфракрасные или рентеновы лучи задерживаются земной атмосферой. Может быть, в недалеком будущем на Луне, лишенной атмосферы, возникнут астрономические обсерватории, в которых будут работать астрономы, прилетевшие с Земли.

Как Генри Кавендиш взвесил Землю

Было уже поздно, и в комнате царил полумрак. Генри Кавендиш, несмотря на свои шестьдесят семь лет, бодро прохаживался по комнате. Он очень любил тишину и одиночество. Присутствие людей и шумные разговоры всегда мучили его. Учёный привык быть в одиночестве, целые дни и недели обдумывать и проводить новые опыты, и ни на что не сменил бы такую жизнь. Химия влекла его издавна.

Ведь химические эксперименты постоянно расширяли запас знаний человека об окружающем мире, способствовали развитию других наук, вызывали к жизни новые открытия. Генри Кавендиш не стремился к славе, он даже не собирался публиковать результатов своих работ, хотя провёл множество химических опытов.

Как раз недавно химик познакомился с описанием интересного эксперимента. Он сразу же решил использовать прочитанное, чтобы взвесить Землю. Учёный уже давно мечтал об этом. Правда, у нового замысла было мало общего с химическими экспериментами, какими он занимался последнее время. Но осуществление проекта требовало вовсе не меньшей точности.

Вскоре нужная аппаратура была готова. Стоя у порога соседней комнаты, Кавендиш рассматривал аппаратуру с таким интересом, как будто видел её первый раз. Он был явно доволен своим делом. «Наконец-то завтра можно приступить к измерениям», — подумал химик. Он пригладил седые волосы, запер на ключ лабораторию и направился в столовую.

После ужина Генри Кавендиш продолжал сидеть в столовой. Тусклое освещение и удобное мягкое кресло склоняли к размышлениям. Уже немолодой учёный раздумывал о своём соотечественнике Исааке Ньютоне и его законе всемирного тяготения. «Как ни странно, но даже левая рука человека притягивает правую, хотя эта сила настолько мала, что практически не ощущается. Если бы мы взяли гирю определенной массы, то Земля притягивала бы её с силой, величину которой можно измерить с помощью пружинных весов. Эта сила, представляющая собой ни что иное, как вес гири, зависит от массы гири и всей Земли, от расстояния центров их масс и постоянного коэффициента». Именно он больше всего интересовал учёного. Ведь зная его величину, а также вес и массу гири, и ее расстояние от центра Земли, можно определить массу нашей планеты, т. е. как бы взвесить Землю.

Утро следующего дня было тёплое и солнечное. Оно как бы предвещало удачу. Обычно в хорошую погоду Кавендиш работал с ещё большим воодушевлением. Вот и сегодня он чуть свет пришёл в лабораторию, желая ещё раз всё проверить и исключить возможность какой-либо неожиданности. Справедливости ради стоит добавить, что к любому опыту ученый готовился тщательно. И поэтому неприятные неожиданности случались крайне редко.

Аппаратура, освещенная первыми солнечными лучами, как будто только и ждала, когда Генри Кавендиш разрешит ей работать. Но спокойный взгляд учёного всё ещё продолжал блуждать по лебёдкам, проволокам и другим деталям.

Надо сознаться, приготовленная аппаратура выглядела очень странно. И тому, кто впервые увидел бы её, трудно было бы разобраться в ней. Но учёный все тщательно обдумал. Он установил стержень с двумя проволоками, а к их концам прикрепил два больших металлических шара. С помощью системы рычагов, находящейся в соседней комнате, можно было поворачивать стержень, изменяя положение больших шаров относительно двух маленьких шариков, расположенных на концах деревянного бруса. Брусок Кавендиш подвесил на длинной гибкой проволоке. Если на брус подействует даже незначительная сила, произойдёт скручивание проволоки, на которой он подвешен. Поскольку угол скручивания проволоки строго зависит от силы, действующей на брус, угол может служить для её измерения. Зная величину этого угла, полученную в ходе соответствующих замеров, можно довольно легко подсчитать. силу, вызвавшую скручивание.

Убедившись в надлежащем порядке, Кавендиш закрыл дверь лаборатории и перешёл в соседнюю комнату. Проводимые измерения требовали такой точности, что даже малейшее движение воздуха могло сказаться на их результатах. Вот почему учёный вышел из лаборатории, а систему рычагов поместил в комнате рядом. Кавендиш хорошо знал: при каждом изменении положения больших шаров относительно маленьких будет изменяться сила, с какой большие свинцовые шары притягивают шарики, прикрепленные к деревянному брусу. В результате брус будет поворачиваться, проволока, удерживающая его начнёт скручиваться. Для за отклонением прибора в стену лаборатории была вмонтировала зрительная труба.

Учёный подошёл к рукояткам аппаратов, находящихся в лаборатории, и приблизил лицо к зрительной трубе. Изменяя установку шаров, он внимательно следил в зрительную трубу за перемещением шкалы с делениями.

Свои наблюдения учёный продолжал несколько дней. Наконец он собрал все данные двадцати трёх измерений: такое число измерений исключало случайные ошибки, а новые замеры, пожалуй, вряд ли бы уточнили полученные результаты.

Высчитав постоянный коэффициент и пользуясь законом всемирного тяготения, Кавендиш мог теперь определить массу Земли, а позднее… позднее также Луны, Солнца и других планет солнечной системы. Наклонившись над листами бумаги, учёный записывал головокружительные числа. Вышло почти 12 000 000 000 000 000 000 000 000 фунтов. Число с двадцатью четырьмя нулями произвело на учёного большое впечатление. Да, масса Земли огромна.

В этот момент Кавендиш даже как будто сильнее почувствовал земное притяжение, благодаря которому он так удобно сидел в своём глубоком кресле. «Но какова же средняя плотность нашей планеты?» — задумался учёный. Он быстро подсчитал объём Земли, а позднее массу планеты разделил на только что полученную величину. Во избежание ошибки он проверил свои вычисления. Нет, он не ошибся. Средняя плотность Земли почти в пять с половиной раз больше, чем плотность воды. Учёный хорошо помнил, что во время геологических экспедиций ему никогда не удалось найти такую тяжелую горную породу. Значит внутренняя часть Земли должна состоять из более тяжёлых веществ. Может быть, недра Земли содержат богатые месторождения железа?

Генри Кавендиш почувствовал усталость. Он встал от письменного стола и отправился на прогулку, какую обычно совершал перед сном. Шёл 1798 год.

Е.В.

По белу свету

ЛАЗЕРНЫЙ МАЯК

На восточном побережье Австралии построен первый в мире лазерный маяк высотой 60 м. Световые лучи лазера видны на расстоянии 40 км от берега.

Мощный свет маяка указывает путь судам даже в дождливую погоду и туман.

ВОДЯНЫЕ БУФЕРА

В США начат выпуск автомобильных буферов и дорожных барьеров наполненных водой. Водяные «подушки» изготовляют из пластмассовой фольги высокой прочности. Их снабжают специальными пробками, играющими роль клапанов безопасности. Во время автомобильной катастрофы вода стремительно вытекает из буфера.

Во время испытаний было обнаружено, что огромная сила при столкновении автомобилей расходуется на выталкивание воды из резервуара и в результате надежно защищает машины от повреждений, а пассажиров от тяжелых травм. Столкновение автомобилей, движущихся со скоростью 60 км/час, не вызывает опасных последствий.

Преимущество нового устройства — в возможности многократного его использования.

СОЛНЕЧНОЕ ОТОПЛЕНИЕ