Когда человек на заре своего существования первый раз взял в руки палку, он сделал ее своим оружием для защиты и нападения. Лишь много времени спустя она стала и орудием труда. На ней очень удобно вдвоем переносить груз. Пользуясь ею, можно легко поднимать и передвигать тяжести.

Обыкновенная палка стала рычагом — самым простым механизмом.

Проделайте такой опыт. Возьмите не очень длинную палку, просуньте ее под ручку чемодана и, пригласив на помощь товарища, приподнимите вдвоем чемодан.

Если чемодан находится точно посередине, то каждый из вас будет нагружен одинаково. Но сдвиньте чемодан к одному из концов палки, и сразу все изменится. Более легким груз покажется тому, кто держит длинный конец. Изменились плечи рычага, изменилось и соотношение сил, которые удерживают груз в поднятом положении.

Руки каждого из вас являются опорой рычага, и если расстояние до груза будет меньшим, то нагрузка на эту точку опоры будет большей.

А теперь проделайте другой опыт. Возьмите небольшую палку и около одного из ее концов сбоку вбейте гвоздь. Наденьте на этот конец утюг (гвоздь нужен для того, чтобы утюг не соскользнул на пол) и положите рычаг на спинку стула. Держа рычаг за свободный конец, двигайте его, то приближая точку опоры к грузу, то удаляя от него.

Вы убедитесь, что, чем больше расстояние от руки до точки опоры, тем легче удержать груз. Тот же результат вы получите, если будете передвигать руку вдоль рычага к точке опоры, оставляя неизменным расстояние от опоры до груза.

Этот опыт можно и видоизменить.

Положите конец палки на спинку стула, отодвинув утюг немного дальше от конца. Держа палку за другой конец и двигая утюг, вы получите такой же результат, что и в первом опыте, когда с товарищем поднимали чемодан.

Рычаги разных видов встречаются в повседневной жизни на каждом шагу: тачку легче везти, если у нее длинные ручки; гвоздь выдернуть легче, если гвоздодер имеет большую длину; гайку завернуть значительно легче ключом с длинной рукояткой.

А вспомните описание строительства египетских пирамид. Какие глыбы камня египтяне передвигали с помощью рычагов!

Но рычаг, облегчая человеку работу, сам не является источником энергии.

Здесь действует один из замечательных законов механики, который упрощенно выглядит так: выигрыш в силе — проигрыш в пути. Иной раз стоит пожертвовать более коротким путем, чтобы выиграть в силе. Работа все равно будет одна и та же, но сделать ее легче потому, что увеличению пути соответствует и увеличение времени. А за больший промежуток времени работу сделать легче — это ясно каждому.

При конструировании машин бывает и наоборот, когда жертвовать приходится силой, чтобы выиграть в пути, выиграть во времени.

Это можно наблюдать на ременных и зубчатых передачах различных машин. Большое колесо, например, делает один оборот, а маленькое, связанное с ним, за это же время успевает сделать несколько оборотов.

Вы, наверное, не раз убеждались, что ведро воды, когда вы его достаете из колодца с помощью ворота, кажется гораздо легче, чем когда вы его несете в руке. А ведь ведро одно и то же и воды в нем столько же.

Дело в том, что ворот — это тот же рычаг, только несколько видоизмененный. И здесь действует закон: выигрыш в силе — проигрыш в пути.

Чем длиннее плечо рукоятки по сравнению с радиусом самого вала, тем больше будет и выигрыш в силе. А проигрыш в пути легко подсчитать. Измерьте длину веревки, на которой из колодца поднимается ведро, и сравните ее с длиной окружности, которую описывает рука при вращении ворота, умноженной на количество оборотов рукоятки.

Ворот и его родственница лебедка с давних времен помогали и теперь помогают человеку при перетаскивании, подъеме и опускании тяжелых грузов.

Далее в нашей галерее простейших механизмов почетное место занимают блоки.

Один блок — это, по сути дела, обыкновенный равноплечий рычаг с опорой в центре. Он не дает никакого облегчения в работе. Он только изменяет направление движения, что во многих случаях тоже имеет большое значение.

Но людей это не удовлетворяло, и механики додумались сделать так, чтобы и в работе блоков получался выигрыш в силе. Стали применять системы блоков, одну из которых, называемую полиспастом, мы и рассмотрим.

Возьмите толстую проволоку в виде прута, наденьте на нее четыре катушки из-под ниток и укрепите концы прута между неподвижными опорами. Между катушками надо проложить небольшие шайбочки, сделанные или из толстой проволоки, или из кусочков картона. Это нужно для того, чтобы уменьшить трение катушек между собой.

Из другого куска толстой проволоки, четырех катушек и шайбочек соберите подвижную часть полиспаста.

Концы проволоки с нанизанными на нее катушками загните по два раза под прямым углом, затем концы скрутите и сделайте из них крючок для груза. Получится проволочная рамка с катушками и с крючком.

Накиньте на одну из висящих катушек кусок шпагата и, привязав один конец к какому-нибудь грузу, например пресс-папье, потяните за другой. Выигрыша в силе не будет, потому что у вас получился обыкновенный блок. Чтобы как-то замерить усилие, которое вы прикладываете для подъема пресс-папье, к свободному концу веревки привяжите тугую резинку. Когда вы за нее потянете, она удлинится. Замерьте сантиметровой линейкой ее новую длину и сравните с прежней.

Теперь возьмите конец шпагата и привяжите к верхнему пруту, пропустите шпагат под первую катушку нижней, подвижной части полиспаста, перекиньте через первую катушку наверху, потом через вторую катушку подвижной части, и так далее, пока другой конец шпагата с привязанной к нему резинкой не будет перекинут через последнюю верхнюю катушку.

На крючок подвижной части полиспаста подвесьте то же самое пресс-папье. Потяните за резинку и измерьте ее растяжение теперь. Она растянулась значительно меньше, чем раньше. Теоретически выигрыш в силе должен быть восьмикратным. Но в вашем опыте он будет немного меньше из-за трения веревки и из-за несовершенства блоков.

Поднимите привязанный к резинке (резинка служит, как и раньше, измерителем силы — динамометром) утюг на какую-либо высоту. Заметьте, на сколько при этом растянулась резинка. А затем положите наклонно гладкую доску так, чтобы ее верхний конец был на той же высоте, на какую вы поднимали утюг.

Теперь с помощью той же резинки начните тащить вверх утюг, но уже по наклонной доске. Проделать это будет значительно легче, и ваш «динамометр» — резинка удлинится меньше.

Таким образом, за счет увеличения пути мы можем затратить меньшую силу для подъема груза на одну и ту же высоту. Кстати вспомните, что на крутую гору подниматься значительно труднее, чем на пологую.

К семейству наклонных плоскостей относятся колун для колки дров и винт. А простой автомобильный домкрат (винт, вращаемый длинной рукояткой) есть не что иное, как наклонная плоскость, как бы навернутая на стержень-ворот. В этом легко убедиться. Возьмите лист бумаги, вырежьте из нее прямоугольный треугольник — это наклонная плоскость.

Проведите по его гипотенузе красную черту и наверните его на карандаш, начав с самого маленького катета. Получится винтовая линия.

Когда мы вращаем рукояткой винт домкрата, он вывинчивается из своего корпуса — гайки, поднимая груз, положенный сверху. А ведь с помощью такого несложного приспособления можно одной рукой поднять груженый автомобиль — несколько тонн!

Существуют и другие винты, которые ввинчиваются не в гайку, а в воздух или в воду.

Воздушные винты (пропеллеры) применяются как движители самолетов и вертолетов, а гребные винты приводят в движение и крошечную моторную лодочку, и огромный океанский пароход.

Сделайте игрушку, которая будет летать наподобие вертолета.

Возьмите катушку, вбейте в ее торцовую часть (по обе стороны отверстия) по небольшому гвоздику без шляпок. Затем вырежьте из жести силуэт удлиненной восьмерки, загните в разные стороны его лопасти, проделайте в его середине два отверстия, чтобы в них свободно могли входить вбитые в торец катушки гвоздики без шляпок.

Наденьте катушку с пропеллером на толстый гвоздь, тоже без шляпки, вбитый в торцовую часть палочки, которая будет служить ручкой. Намотайте на катушку веревочку и сильно потяните ее за конец. Жестяной пропеллер взлетит высоко вверх.

Если на косточки конторских счетов положить тяжелую книгу, то ее можно очень легко передвигать по ним, еле дотрагиваясь пальцем.

На металлургических заводах, на которых прокатывают раскаленные добела тяжелые стальные болванки, чтобы получить из них рельсы и различные виды стальных балок для строительства, широко применяют большие стальные ролики рольганги.

Рольганг — это стальная самодвижущая дорога. Он состоит из расположенных параллельно друг другу роликов, которые приводятся в движение электрическими двигателями.

Вращаясь, ролики легко перемещают нагретую стальную болванку к валкам клети прокатного стана.

Ролики и шарики с давних пор применяют для уменьшения трения при перетаскивании тяжелых предметов. В этом случае трение скольжения заменяется трением качения, которое значительно меньше, но об этом будет специальный разговор в главе с опытами по трению.

О катках мы упомянули для того, чтобы заключить краткий обзор простейших механизмов и приспособлений, которые человек придумал и постепенно совершенствовал для облегчения своего труда.

Все описанные выше простые механизмы и приспособления оказались настолько жизнеспособными, что применяются и в наши дни, а порою в видоизмененной форме встречаются в сложнейших современных машинах и приборах.

Человек с древнейших времен пользуется энергией ветра. Когда еще не была изобретена паровая машина, наряду с ветряными двигателями, в основном на мельницах, существовали и водяные. Но в мореходстве ветер был совершенно незаменим: только парусные суда, начиная от небольших лодок и шхун и кончая тяжелыми фрегатами, бороздили моря и океаны.

И даже теперь, когда используется очень много разнообразных источников энергии, мы не пренебрегаем и энергией ветра. Огромным количеством ветряков различных конструкций вырабатывается электрический ток, приводятся в действие насосы и мельницы.

Маленькую простую модель ветряка можно сделать за пять минут. Это известная детская игрушка из куска бумаги, булавки и палочки. Разрежьте квадратный кусочек бумаги по его диагоналям, не доходя до центра. Загните поочередно к середине квадрата четыре конца бумаги, проткните их булавкой, укрепите булавку на палочке, и модель готова. Если нет ветра, то достаточно подуть, чтобы ветряк стал быстро вращаться.

Но можно сделать и более совершенную модель ветряного двигателя. Начнем с того, что подберем для его вала ровную круглую палку. На одном из ее концов нужно укрепить крестовину из узких дощечек, а к ним приделать четыре фанерные лопасти, расположив их под некоторым углом к воображаемой плоскости крестовины. Вал должен легко вращаться в проволочных или вырезанных в деревянных дощечках отверстиях — подшипниках. Другой конец вала надо заострить и упереть в неподвижную дощечку — подпятник.

Это нужно для того, чтобы во время вращения вал не сдвигался с места под напором ветра, который будет давить на крылья ветряка.

Когда вы построите модель ветряка, отрегулируете ее, выбрав лучшее расположение лопастей и добившись наименьшего трения в подшипниках, можно подумать и об использовании вращения вала.

Конечно, энергия небольшого ветряка настолько мала, что ее не удастся применить для каких-нибудь хозяйственных целей, но вы можете к ветряку добавить механизм для демонстрации превращения кругового движения в возвратно-поступательное.

Вырежьте из середины вала кусок длиной в несколько сантиметров и соедините его с половинками вала с помощью двух дощечек такой же длины, как и вырезанный кусок. Получится так называемое колено. Серединка вала как бы съехала со своего места.

При этом надо позаботиться, чтобы вал сохранил свою первоначальную прочность, чтобы он остался таким же крепким, каким был раньше.

Вокруг колена оберните 2-миллиметровую проволоку и загните меньший конец несколько раз вокруг большего. Петля должна быть очень свободной. Такая деталь называется шатуном. Прикрепите к его свободному концу с помощью петелек прямой кусок такой же проволоки. Это будет шток. К его концу приделайте деревянный поршенек и поместите его в стеклянной трубке. Получилась модель насоса.

Шток должен двигаться только в вертикальном направлении. Поэтому при сборке просуньте его в расположенные друг над другом и укрепленные на неподвижной подставке две катушки.

Наша работа закончена. Дождитесь подходящего ветра — ветряк начнет вращаться, и шатун будет то поднимать поршень насоса, то опускать его.

Из всех двигателей, широко использующих даровую природную энергию, водяной двигатель совершил самое сказочное развитие — от простых водяных колес мельниц на маленьких речках до мощных турбин гидроэлектростанций на крупнейших реках мира.

Сделайте небольшую модель водяного колеса.

Из четырех не очень широких тонких деревянных дощечек с вырезами в середине соберите восьмиконечную звездочку, если смотреть с торца. Это и будет водяное колесо. Из ровной длинной палочки изготовьте вал и укрепите на нем колесо. Вставьте вал в подшипники и установите колесо на ручейке или в специальном желобе, по которому течет вода. Можно устроить маленький водопад, чтобы на лопасти колеса падала струя воды, вытекающая из какого-нибудь водоема или из водопроводного крана.

Затем укрепите на валу под прямым углом друг к другу и на некотором расстоянии друг от друга две деревянные палочки с лопатообразными концами.

Такое приспособление называется кулачками. Кулачки должны по очереди нажимать на концы расположенных на оси рычагов. Ось должна проходить так, чтобы более короткая часть рычагов находилась со стороны вращающегося вала с кулачками. А на длинных концах рычагов нужно укрепить в виде молоточков толстые палочки с тупыми концами. Это исполнительные органы нашей машины.

При вращении водяного колеса кулачки будут по очереди нажимать на концы рычагов. Длинный конец одного из рычагов при этом будет подниматься, а когда кулачок соскользнет с короткого конца рычага, молоточек опустится и ударится о подложенную под него дощечку.

Удары будут ритмично повторяться все время, пака крутится колесо.

То, что мы с вами соорудили, — совсем не игрушка. Это довольно точная модель настоящей водяной машины, так называемой толчеи. Толчея еще в недавнее время широко применялась в Средней Азии для обмолота риса.

Сделайте еще одну модель — модель современной гидротурбины. Модель будет очень упрощенная, но тем не менее она даст некоторое представление о работе настоящих гигантских турбин наших гидроэлектростанций.

Для модели мы используем перевернутую горлышком вниз бутылку из-под молока, предварительно отрезав у нее дно. Ее надо установить на горлышко, отрезанное от другой такой же бутылки. Стык горлышек необходимо сделать водонепроницаемым с помощью прокладки из воска или пластилина. В самой узкой части разместится турбинная камера. Здесь будет находиться ротор, или рабочее колесо, водяной турбины.

Ротор делается так. Вырежьте из жести кружок, сделайте четыре прорези и загните края. Ротор надо надеть на ось — тонкий, толщиной в 3–4 миллиметра, металлический прут — и закрепить пайкой. Ось удерживается подшипником, установленным сверху, а нижний конец ее находится в подпятнике, помещенном внизу. Подшипник сделайте из катушки от ниток, а подпятник — из такой же катушки со вставленной до половины ее отверстия деревянной палочкой. Но это еще не все.

Надо из воска или пластилина сделать и поместить в узкой части турбинной камеры, над ротором, направляющий аппарат с косыми отверстиями. Эти отверстия создадут нужное направление потоку воды, который, попадая на лопатки ротора турбины, заставит его вращаться. В центре направляющего аппарата установите металлическую трубку, через которую свободно должна проходить ось турбины.

А теперь, когда все сделано, остается лить в модель воду и наблюдать ее работу.

Каменный уголь, нефть и другие виды топлива обязаны накопленной в них энергией солнцу.

Но человек этим не довольствуется, он считает, что солнце можно заставить работать и без каких-либо посредников — прямо брать у него энергию.

Ученые много работают над этой проблемой и добились крупных успехов в создании солнечных котлов.

Чтобы убедиться в том, что солнце, если его лучи умело поймать, способно стать топкой парового котла, проделайте следующий очень простой и наглядный опыт.

В летний солнечный день возьмите большую двояковыпуклую линзу и расположите ее так, чтобы в ее фокусе появилось маленькое, в виде точки, изображение солнца. Если вы направите его на бумажку, она загорится.

А теперь проделайте другой опыт.

В плоскую круглую баночку из-под ваксы налейте воду. Закройте баночку крышкой и залепите края пластилином, чтобы вода не вытекала. Покрасьте крышку черной матовой краской. Затем возьмите глубокое блюдце или небольшую кювету для проявления фотографий, постелите на дно немного ваты, чтобы накопленное тепло не уходило, и положите на нее баночку с водой. Блюдце плотно накройте куском чистого стекла, но оно при этом не должно касаться баночки. Выставьте блюдце, накрытое стеклом, на солнце, подложите что-нибудь под блюдце, чтобы оно стояло наклонно и чтобы солнечные лучи падали на стеклянную крышку под углом 90°.

Лучи солнца проходят сквозь стекло, и принесенное ими тепло как бы застревает под этим стеклом. Вода в баночке сильно нагревается.

На этом принципе устроены большие нагревательные приспособления, которые нагревают воду для нужд сельского хозяйства, для бытовых целей и т. д. На этом же принципе устроены и парники для выращивания растений весной, когда наружный воздух еще недостаточно теплый.

Громоздкие трансмиссии, как уже говорилось, заменены отдельными электрическими двигателями. Но внутри самих машин механическую энергию необходимо передавать узлам, выполняющим работу, для которой и предназначена машина. Для этого служат валы, шестерни, ременные передачи и так далее. Их модели мы сейчас и построим.

Лучше всего для наглядности сделать стенд, на котором в виде коллекции будут собраны все основные механизмы для передачи движения.

Эту коллекцию вы сможете постепенно пополнять. Как только где-нибудь увидите новое устройство для передачи механической энергии, сразу же его упрощенную модель помещайте на стенд. Это такое же увлекательное занятие, как коллекционирование марок, монет, растений, насекомых и т. п.

Возьмите небольшой кусок фанеры, установите его вертикально, а на нем расположите, укрепив с помощью деревянных подставочек-подшипников, следующие приспособления для передачи энергии (на фанере можно сделать поясняющие надписи и схемы).

Сделайте из круглой палочки вал и укрепите его в подшипниках. К одному концу вала приделайте ручку.

Вал — самое простое устройство для передачи энергии от двигателя к исполнительному механизму.

Часто бывает нужно, не останавливая двигатель, отключить от него исполнительный механизм. Сделайте такой же вал, как и в предыдущем случае, но укрепите его на четырех подшипниках. В середине, между вторым и третьим подшипниками, вал должен быть разрезан. В разрезе нужно поместить два фанерных кружка. Один кружок прикрепите гвоздиком и клеем к торцу левой половины вала, а другой укрепите на деревянной втулочке на конце второй половины вала. Втулочка может скользить по валу, но не должна проворачиваться на нем. Для этого сделайте вдоль ее сквозного отверстия желобок, а на валу приклейте соответствующий выступ, сделанный из кусочка дерева.

На втулочке вырежьте кольцевой паз, в который должна входить изготовленная из толстой проволоки вилка переключателя. Вилку укрепите на фанерном стенде так, чтобы она находилась над валом. Снабдите переключатель маленькой рукояткой. К фанерным кружкам в тех местах, где они должны соприкасаться, приклейте резиновые кружки, чтобы муфта не пробуксовывала.

У вас получилась так называемая фрикционная муфта, работа которой основана на трении.

Если вы повернете рычаг переключателя так, чтобы фанерные кружки соприкасались, то при вращении за ручку, заменяющую двигатель, весь вал будет вращаться, потому что вследствие большого трения фанерные кружки с наклеенной на них резиной будут как бы представлять собой одно целое. Если вы повернете переключающую рукоятку, диск на правой половине вала отойдет вправо — правая половина вала отключится и вращаться не будет.

Очень часто приходится передавать вращение под некоторым углом. Например, у автомобилей вращение вала двигателя передается к задним колесам с помощью карданного вала.

Сделайте вал, состоящий из двух половинок, расположенных на четырех подшипниках. Соединяются половинки вала с помощью крестовины, состоящей из двух скрепленных между собой наглухо перекладин — толстых проволочек. Каждая из перекладин крестовины соединена со своей половиной вала через подшипники на дугообразной вилке.

Из фанеры вырежьте лобзиком два зубчатых колеса разных размеров с одинаковыми по величине, но разными по количеству зубьями. Укрепите их на стенде и приделайте к одному из колес ручку. Чтобы колеса не выскакивали из зацепления друг с другом, нужно место зацепления зубьев прижать полоской плексигласа. А если у вас найдется большой кусок плексигласа, можно сделать прозрачную крышку, которая будет и украшать прибор, и прижимать шестеренки к фанерному стенду. Шестерни лучше покрасить в разные цвета.

Вырежьте из фанеры лобзиком три кружка: два — одинаковых размеров, а один — немного меньшей величины.

Склейте их столярным клеем, поместив меньший кружок между двумя одинаковыми, чтобы их центры совпадали. Положите склеенные кружки под пресс и дайте клею высохнуть.

Затем вырежьте кружки другого размера и проделайте то же самое.

У вас будут два фанерных колеса — шкивы разной величины с желобками по их ободу.

Прикрепите к одному из шкивов такую же ручку, какую вы сделали к зубчатому колесу. Укрепите фанерные шкивы на стенде и соедините их веревочкой. Это будет модель ременной передачи.

Как уже говорилось, этот стенд можно дополнить еще и другими видами механических приспособлений для передачи энергии — например, сделать модели червячной передачи, конических шестерен, приспособления для передачи прерывистого движения (Мальтийский крест), гибкого вала, кулачкового устройства, преобразователя кругового движения в возвратно-поступательное и многих других устройств, взятых прямо из жизни.

Существует увлекательная наука, изучающая сопротивление материалов.

Увлекательная она потому, что раскрывает перед изучающими ее тайну прочности домов, башен, мостов, железнодорожных линий, различных машин, грандиозных плотин, туннелей, арок, самолетов, кораблей, подводных лодок и многого другого — всего не перечислишь.

Конечно, эта наука применяется не во всех случаях жизни. Например, когда строят небольшой пешеходный мостик, вряд ли кто делает его точный расчет. Берут материалы — балки и настил, достаточно прочные «на глаз», способные выдержать тех нескольких человек, которые могут одновременно пройти по такому мостику.

Другое дело, когда строится железнодорожный мост. Здесь надо подсчитать все возможные нагрузки, учесть все силы, какие могут действовать на готовый мост, вплоть до бокового давления ветра.

Но не только при постройке грандиозных сооружений нужно делать расчеты на прочность. Хорошо ли было бы, например, если поднятый за ручку стеклянный кувшин, наполненный водой, вдруг оторвался от ручки и разбился на мелкие куски?

Значит, при изготовлении кувшина надо было задуматься: а какой же толщины сделать ему ручку, чтобы получилось прочно, красиво и чтобы материал лишний не потратить.

Наука о сопротивлении материалов изучает все виды изгибов, поломок, разрывов, то есть все виды деформации, которые могут произойти с различными материалами, изучает способы расчетов, не допускающих появления этих деформаций.

На простых опытах мы познакомимся с теми случаями, когда прочность недостаточна и материалы не выдерживают нагрузок.

Но, прежде чем приступить к опытам, познакомимся с тем, что такое прочность.

Прочностью различных строительных материалов и деталей машин называют их способность противостоять воздействующим на них силам. Эта способность зависит и от того, хрупкий или эластичный взят материал, и от того, какой он толщины, длины, формы.

Все сложные деформации, то есть изменения первоначальной формы и размеров различных деталей, можно свести к некоторым простейшим видам деформаций.

Проделаем несколько опытов, которые помогут нам познакомиться с этими деформациями.

Сила в этом случае действует на деталь наружу, стремясь растянуть и разорвать ее. Например, когда вы едете в трамвае и держитесь за подвешенную ручку, она испытывает растяжение.

Палочка из пластилина, изображающая в нашем опыте балку с круглым сечением, при растяжении начинает утончаться и затем в наиболее тонком месте разрывается.

При сжатии сила направлена внутрь тела. Она стремится сдавить, смять его. Кубик, сделанный из пластилина, не выдержав чрезмерной нагрузки, расплющивается.

Когда действуют силы, стремящиеся переместить в разные стороны соседние участки тела, происходит деформация, называемая срезыванием или скалыванием.

Соедините заклепкой из пластилина или хлебного мякиша две линейки или дощечки с одинаковыми круглыми отверстиями. Затем сдвиньте линейки в разные стороны, и вы увидите, что пластилиновая заклепка срезана в том месте, где линейки соприкасались друг с другом.

Эта деформация может возникнуть у так называемых балок — деталей, имеющих длину значительно большую, чем их сечение. Сила в этом случае действует перпендикулярно к продольной оси балки.

Спичка в наших опытах будет миниатюрной балкой. Укрепленная на двух опорах, она при нажатии на ее середину ломается в месте нажима.

Спичка, закрепленная у одного своего конца, под действием силы ломается в месте крепления.

Излом происходит всегда в том месте, где больше так называемый изгибающий момент — произведение силы на плечо (расстояние от точки приложения силы до места крепления балки).

При продольном изгибе сила действует вдоль оси балки, как и при сжатии.

Эту деформацию можно проследить, например, нажимая на линейку, поставленную вертикально. Пока сила незначительна, линейка выдерживает сжатие, а затем теряет устойчивость, сразу выгибается и может сломаться.

Валы во время работы и болты, когда затягивают на них гайки, испытывают скручивающее усилие. Силы, вращающие детали, стремятся повернуть одно поперечное сечение относительно другого в параллельной плоскости.

Зажмите один конец пластилинового валика и вращайте его за другой. Вы убедитесь, что частицы валика, стремясь передвинуться под действием вращающей силы, не выдерживают дальнейшего перенапряжения, отрываются друг от друга, и валик ломается.

Когда конструируют машины, всегда учитывают, как направлены силы, действующие на их отдельные детали. Высчитывают величину этих сил и берут детали таких размеров, чтобы они могли выдержать все приложенные к ним нагрузки.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Сейчас автоматы широко применяются не только в промышленности, но и в быту.

Вы можете, опустив монету в аппарат, поговорить с товарищем по телефону-автомату, можете позавтракать в закусочной, где завтрак отпускается автоматически из стеклянного шкафа, а кофе наливается в подставленный стакан из специального крана.

На станциях метро вы можете получить билет у автомата, опустив в него соответствующее количество монет. Автоматы продают спички, тетради, карандаши.

Можно даже сфотографироваться у механического фотографа и получить через несколько минут готовые фотографии.

А на заводах сейчас автоматизация производства все больше и больше вытесняет ручной труд. Рабочий только следит за работой станков-автоматов и регулирует их в случае непредвиденной разладки.

Существуют уже автоматические линии, цехи-автоматы и даже заводы-автоматы, на которых деталь переходит от одного автомата к другому до тех пор, пока не будет совершенно готова.

Сложные автоматы, удивляющие необычной четкостью работы, часто называют «умными машинами». «Умными» они становятся только в результате творческой работы их создателей — конструкторов.

Но если внимательно рассмотреть автоматы, то оказывается, что даже самые сложные из них состоят из простых элементов. Каждая их деталь выполняет очень несложную работу. Работа отдельных деталей автомата сводится в основном к тому, что они либо включают какую-то электрическую цепь, либо ее выключают, либо посылают электрический ток, либо его задерживают, либо поворачивают деталь на определенный угол, либо передвигают ее, подставляя под сверло или фрезу, и т. д.

Мы познакомимся с отдельными элементами, из которых складываются автоматические устройства, а затем сделаем несколько простейших автоматов.

Первое, с чего мы начнем изучать отдельные детали автоматов, — это реле.

Реле — очень простой по устройству прибор. Его назначение — автоматически, под действием различных внешних воздействий, замыкать или размыкать электрическую цепь.

Какие воздействия сказываются на реле? Их может быть много. Это или давление, или температура, или изменение положения какого-либо предмета, подъем или опускание жидкости, звуковые колебания, вспышка света и т. д. Но чаще всего для воздействия на реле используется электрический ток.

Изготовим сначала пневматическое реле — реле, которое работает от изменения давления газа или жидкости.

Вы уже сделали модель механического манометра.

Усовершенствуйте ее. Над натянутой на воронку резиновой перепонкой укрепите на стоечке вместо рычажка со стрелкой два контакта, сделанные из латунных полосок шириной 0,5 сантиметра и длиной 4–5 сантиметров. К одной из пластинок припаяйте медный контакт — кусочек толстой медной проволоки. Его надо обточить напильником, чтобы он имел вид конуса.

Между нижней пластинкой с напаянным контактом и резиновой перепонкой проложите кружок, отрезанный от бутылочной пробки.

К контактам подведите два провода. Один провод присоедините к электрической лампочке от карманного фонаря, а другой — к полюсу батарейки. Второй полюс батарейки присоедините ко второму контакту лампочки.

Надо хорошо оформить пневматическое реле, укрепить его детали на установленной вертикально гладкой доске, покрашенной масляной краской. Для лампочки следует сделать из толстой проволоки патрончик, а для второго контакта укрепите латунную закругленную пластинку, в которую он будет упираться.

Если нажать грушу, давление воздуха внутри воронки возрастет, резиновая перепонка поднимется и нажмет на контакт. Электрическая цепь замкнется, и лампочка загорится. При ослаблении давления воздуха контакты разомкнутся. Применив длинную трубку, можно приводить в действие реле на расстоянии, даже из соседней комнаты.

Вместо электрической лампочки может быть установлен маленький электрический двигатель, который сейчас выпускается для юных техников. Он работает от батарейки для карманного фонаря.

Пневматические реле применяются в промышленности там, где нужно ограничить давление воды, пара, воздуха или, наоборот, дать тревожный сигнал о необходимости увеличить давление.

Иначе оно называется термореле. Под влиянием определенной температуры оно способно выключить электрическую цепь или, наоборот, включить ее, дать сигнал о повышении температуры или привести в действие механизм для ее изменения. В некоторых случаях это реле играет роль регулятора, который, периодически включая и выключая электрическую цепь, предохраняет какой-нибудь нагревательный прибор от перегрева.

Для изготовления такого реле возьмите полоску алюминия длиной 10 и шириной 1 сантиметр, вырезанную из негодной кастрюли, и такую же полоску жести. Сложите их вместе и по средней линии, проведенной вдоль полосок, склепайте заклепками, изготовленными из толстой медной проволоки. Заклепки расположите на расстоянии 1,5 сантиметра друг от друга. Получится так называемая биметаллическая пластинка.

Один конец этой пластинки (с той стороны, где жесть) надо припаять оловом к стерженьку из кусочка толстой медной проволоки, установленному на деревянной дощечке. К этому же концу надо припаять провод. Около другого конца пластинки (с той стороны, где жесть) укрепите на расстоянии 2–3 миллиметров второй медный стерженек. Это будет неподвижный контакт. К нему тоже припаяйте кусок провода. Затем оба провода соедините через батарейку для карманного фонаря с электрической лампочкой.

Если поднести к биметаллической пластинке горящую спичку, пластинка нагреется и изогнется. Железо и алюминий при нагревании расширяются неодинаково: алюминиевая пластинка удлинится больше, и поэтому алюминиевая сторона при нагревании всегда будет выпуклой. Конец пластинки дойдет до неподвижного контакта и замкнет электрическую цепь. Как говорят, реле сработало. Лампочка будет гореть.

Когда пластинка остынет, электрическая цепь разомкнется.

Иначе его можно назвать «сигнализатор уровня». Для того чтобы вода не перелилась через край резервуара, делают устройство, которое дает сигнал о том, что сосуд наполнился. Конечно, можно, кроме сигнала, еще включить приспособление, которое прекратит доступ воды в сосуд, но мы ограничимся сигнализацией.

На краю сосуда — например, литровой банки — установите жестяную скобу с ушками, в которых на оси укрепите рычаг, сделанный из миллиметровой медной проволоки. На том конце рычага, который обращен внутрь сосуда, укрепите большую пробку — поплавок.

Под наружным концом рычага укрепите металлическую пластинку с конусообразным контактом. Один провод присоедините к неподвижному контакту, другой— припаяйте к оси рычажка. Остальную проводку сделайте, как и в предыдущих реле. Когда вы будете наливать в банку воду и она дойдет до определенного уровня, пробковый поплавок поднимется, наружный конец рычага замкнет контакт, и электрическая лампочка загорится.

Намотайте на пустую катушку от ниток медную изолированную проволоку диаметром 0,3–0,5 миллиметра. Наматывать проволоку надо по возможности виток к витку, ровными рядами. Сначала намотайте один ряд, затем другой и т. д. Затем витки могут ложиться и не совсем ровно, немного перехлестываться. Нужно намотать как можно больше проволоки. Концы проводов надо закрепить. Они должны затем присоединяться к батарее от карманного фонаря.

Укрепите катушку вертикально на деревянной подставке на высоте 1–2 сантиметров. В катушку, прежде чем ее укрепить, надо вставить небольшой гвоздь шляпкой вниз. Наверху на катушке укрепите медную пластинку с припаянной к ней медной проволочкой. Шляпка гвоздя должна лежать на такой же медной пластинке, установленной на деревянной подставке. К ней тоже должна быть припаяна проволочка. Еще одну проволочку нужно припаять к гвоздю около его шляпки.

Для передвижения изделия в автомате могут применяться различные механические устройства.

Для передвижения отдельных деталей может быть использовано движущееся полотно — конвейер. Между двумя валиками нужно натянуть сшитую из материи ленту шириной 4–5 сантиметров и длиной примерно 30 сантиметров. К одному из валиков нужно приделать ручку. При вращении валика конвейер может перемещать какие-либо предметы из одного конца в другой.

Для перемещения сыпучих или тестообразных тел может быть использован механизм, похожий на винт обыкновенной мясорубки. Такой винтовой валик называется винтом Архимеда. При его вращении мясо передвигается от загрузочного отверстия к режущему приспособлению мясорубки.

Существуют пневматические приспособления для захватывания детали специальными присосками.

Когда деталь прилипнет к присоскам, удерживаемая наружным атмосферным давлением, рычажное устройство переносит ее, а затем, когда это нужно, присасывающее устройство выключают, и деталь отпускается.

Простой опыт покажет, как даже небольшое разрежение удерживает сравнительно тяжелый предмет.

Наполните рюмку до краев водой, накройте ее листком промокательной бумаги, а сверху положите стеклянную пластинку. Прижмите пластинку к рюмке и переверните все вместе вверх дном. Через некоторое время промокательная бумага впитает часть воды, и в рюмке над водой образуется пустое пространство. Рюмка крепко присосется к пластинке. Оторвать ее от пластинки удастся, только применив некоторое усилие.

Небольшие перемещения детали или материала для ее изготовления осуществляются с помощью поворотного устройства карусельного типа. Диск, на котором расположены детали, поворачивается на определенный угол, подставляя деталь под тот или иной инструмент. Когда очередная операция завершена, диск поворачивается еще немного и т. д. Пройдя все операции, деталь может быть снята с поворотного диска.

Для передвижения различных изделий используются всевозможные рычажные устройства, толкатели, захватывающие приспособления и т. д. А часто бывает и так, что изделия сами себя транспортируют, скользя по гладкой поверхности и подталкивая друг друга.

Перейдем теперь к приспособлениям, которые дают возможность машине самой реагировать как на данные ей распоряжения, так и на всякие случайности и непредвиденные обстоятельства. Для этого существуют так называемые концевые выключатели. Один из подобных выключателей мы рассматривали, когда говорили о жидкостном реле — сигнализаторе уровня.

Но обычно, когда говорят о концевых выключателях, имеют в виду контактные устройства, приводимые в действие либо частью машины, либо изготовляемой деталью.

Предположим, деталь дошла до определенного места и должна идти обратно или по другому направлению. Она нажала контакт, включила другой конвейер и отправилась в нужном направлении. То же может происходить, когда нужно оградить действие какого-нибудь механизма, чтобы он не переходил заданный предел. Во всех подобных случаях делается контактное приспособление, с помощью которого происходит либо остановка этого механизма, либо поворот его в другую сторону.

Существует еще одно очень важное устройство, необходимое для успешной работы автоматов, — регулятор. Задача регулятора следить, чтобы соблюдался заданный машине режим. Если вопрос идет о температуре печи, термический регулятор строго следит, чтобы температура была не выше и не ниже определенных пределов. Если это регулятор давления, например воздуха, то с помощью пневматического реле он регулирует величину давления.

Мы разберем на практике работу одного из стариннейших регуляторов скорости — центробежного регулятора. Под действием центробежной силы грузики, укрепленные шарнирно, расходятся в стороны. Верхний шарнир опускается вдоль оси и, нажимая на специальное приспособление, связанное с рычагом, уменьшает, например, доступ пара в рабочий цилиндр паровой машины. Скорость вращения снижается, грузики под действием пружины возвращаются в прежнее положение, и доступ пара в цилиндры увеличивается. Таким образом, малейшее отклонение скорости от заданной автоматически устраняется и скорость держится на одном уровне.

Чтобы проследить это на опыте, сделайте волчок из картонного кружка и тонкой деревянной палочки. Из тонкого картона вырежьте узкую полоску, сделайте из нее кольцо, проделайте в нем два отверстия и наденьте кольцо на ось волчка. По бокам к картонному кольцу прикрепите два пластилиновых шарика, а низ кольца прикрепите к диску волчка. Если вы запустите этот волчок, то под действием центробежной силы шарики разойдутся, картонное кольцо растянется в стороны и его верх опустится вдоль оси волчка. Чем больше скорость, тем сильнее сожмется картонное кольцо.

Клапаны применяются во многих машинах и приборах. Они широко используются в двигателях внутреннего сгорания, в различных водоподъемных устройствах, насосах для жидкостей и газов, в паровых машинах и т. д.

Прежде чем рассказать, как это делается, напомним, что, когда вы хотите послушать какую-то музыку, вы выбираете граммофонную пластинку, ставите ее на диск патефона, включаете его и слушаете музыку. Вы, ставя пластинку, даете задание патефону, задаете ему нужную программу. При желании можно заменить пластинку — патефон проиграет и другую.

Для выполнения автоматом определенной программы устанавливают специальные диски-шайбы. Диски, вращаясь, нажимают на поставленные против них рычаги, которые либо сами выполняют нужную работу, либо подготавливают другие механизмы для выполнения этой работы, например, замыкают контакты, включают какие-то двигатели, исполнительные механизмы и т. п.

Обычно каждый диск «заведует» одной определенной несложной работой: например, один диск пододвигает заготовку на рабочее место, другой в это же время включает сверло, третий пододвигает сверло к заготовке, сверлит отверстие и отодвигает сверло обратно. Первые два диска затем выключают сверло и отодвигают деталь. Каждый диск делает свое дело.

Для того чтобы это пояснить на примере, вырежьте из фанеры маленький диск в виде эллипса.

Насадите его на ось, пропустив ее не через середину эллипса, а несколько сбоку, как показано на рисунке.

В заключение расскажем еще об одном способе «разговора» с машинами. Можно давать распоряжение машине в письменном виде.

«Письмо» пишется на карточке или на бумажной ленте. И пишется оно особым способом — с помощью отверстий.

Раньше существовали механические пианино — пианолы. Вы могли, совершенно не умея играть на пианино, даже не имея никакого представления о музыке, исполнять такие произведения, которые под силу только виртуозу.

Осуществлялось это с помощью программного устройства.

Программа задавалась бумажной ленте шириной около 30 сантиметров. Она наматывалась на катушку диаметром 10 сантиметров.

Бумажная лента вся была покрыта отверстиями. Конечно, отверстия располагались не как попало, а в строго определенных местах. Это была запись звуков в виде отверстий.

Лента вставлялась в специальное гнездо и могла перематываться на другой валик. На ее пути находилась металлическая планка со множеством отверстий, расположенных в один ряд. Отверстий было ровно столько, сколько клавиш на пианино.

Стоило вам начать нажимать ногами по очереди на специальные педали, как сейчас же приходил в действие компрессор. Он гнал сжатый воздух через пластинку с отверстиями, а лента начинала двигаться. В зависимости от того, какое отверстие ленты совпадало с отверстием планки, извлекался звук соответствующей высоты. Как вы знаете, в рояле и пианино звук получается от удара молоточка по струнам. Все молоточки в пианоле связаны с устройством, которое с помощью сжатого воздуха заставляло их в нужный момент ударять по струнам.

Вы только вставляете валик в специальное гнездо да нажимаете ногами на педали, а за вас фактически играет тот музыкант, который исполнял данную вещь во время записи.

Здесь мы рассмотрели программное устройство, работающее с помощью сжатого воздуха, но чаще осуществляют программирование с помощью электричества. На карточке или ленте, как мы говорили, есть отверстия. Когда вставляют такие карточки или ленты в машину, она как бы читает слова языка отверстий и выполняет задание.

Чтобы это понять, проделаем такой опыт.

Возьмите кусочек толстой рисовальной бумаги, вырежьте на ней через одинаковые промежутки несколько круглых отверстий диаметром с копейку.

На доске укрепите две латунные пластинки с выпуклыми концами. Пластинки должны этими выпуклостями плотно касаться друг друга, чтобы контакт был надежным. К пластинкам присоедините через батарейку реле или электрическую лампочку. По реле идет ток, и оно замыкает свои контакты, а если присоединена лампочка, то она горит. Вставьте между контактными пластинками кусочек заготовленной бумаги с отверстиями. Цепь разомкнется, и реле выключится, а лампочка погаснет.

Теперь протащите бумагу через контактные пластинки. Отверстия, вырезанные на ней, проходят через место соприкосновения контактов. Каждый раз, когда контакты проскакивают в отверстие, цепь замыкается — будет срабатывать реле или зажигаться лампочка.

Мы с вами познакомились с отдельными элементами автоматов. Чтобы лучше понять принципы работы автоматов, сделаем несколько простых моделей автоматических устройств.

Предположим, нужно построить аппарат, который через определенное время должен выдавать точно отмеренную порцию воды.

Возьмите бутылку с отрезанным дном или ламповое стекло. Сделайте из пластилина или воска пробку и залепите ею горлышко бутылки или узкую часть лампового стекла. Затем палочкой проделайте в пробке отверстие и вставьте в него резиновую трубку, какие обычно употребляются для электропроводки. Согните дугой резиновую трубку внутри сосуда, а конец доведите до самой пробки. Нужно проследить, чтобы в месте изгиба трубка не зажималась. Подвесьте изготовленный сосуд на веревке к какой-нибудь перекладине и начните лить в него воду.

Как только вода дойдет до верха сосуда, трубка заполнится водой и начнет действовать как сифон. Вода из нее будет вытекать до тех пор, пока не опорожнится весь сосуд. Нужно так отрегулировать струю, наполняющую сосуд, чтобы она текла слабее струи, которая из него вытекает. Тогда прибор через определенные промежутки времени будет наполняться, а затем опорожняться. Каждый раз будет вытекать определенная порция воды.

Этот автомат известен очень давно. Его назвали «чашей Тантала». Почему же он так называется и кто такой Тантал?

Тантал никогда ничего не изобретал. Есть греческий миф о лидийском царе Тантале, которого Зевс осудил на вечные муки. В подземном царстве он очень страдал от жажды, и его страдания усиливались оттого, что он стоял по горло в воде, но напиться не мог. Как только он открывал рот, окружающая его вода исчезала. Потом снова вода прибывала, но, как только Тантал пытался напиться, она пропадала.

«Чашу Тантала» можно усовершенствовать, превратить в реле времени.

Что такое реле времени? Бывает нужно, чтобы какой-то аппарат начал работать не сразу, как только в него поступил сигнал о включении, а спустя некоторое время. Нужно, как говорят, сделать выдержку во времени.

Вот мы и превратим «чашу Тантала» в реле времени. Изменением величины петли резиновой трубки можно добиться, что вытекание воды будет происходить через точно заданное время.

Можно даже сдвоить такие сосуды. В этом случае вода из первого сосуда будет переливаться в расположенный под ним второй сосуд. Второй сосуд начнет действовать тогда, когда первый сосуд опорожнится либо полностью (если сосуды и трубки одинаковые), либо частично.

На сосудах можно укрепить контактное устройство, которое мы делали для сигнализатора уровня. Контакты могут либо замыкать какую-нибудь цепь, либо разрывать ее.

Можно сделать разные комбинации замыканий и размыканий с различной выдержкой времени. Этот прибор действует автоматически по программе, которая ему задана. Важно только, чтобы не изменились условия его работы: например, чтобы струи воды были постоянными.

Электрический прибор, который может через определенные промежутки времени включать и разрывать электрическую цепь, можно осуществить с помощью двух реле, соединенных по схеме, называемой «пульс-пара».

Где может применяться такая схема? Предположим, надо установить бакен для обозначения мели или установить несколько бакенов для указания глубокого русла реки, где могут плыть суда.

Совсем необязательно, чтобы фонари на бакенах горели непрерывно; вполне достаточно, если они будут мигать. А если бакены находятся в таких местах, к которым трудно подъехать, или по каким-либо причинам не имеет смысла держать в данном районе специального человека — бакенщика, — тогда устанавливают на бакене батарею с фонарем, который будет работать и ночью и днем не выключаясь. В целях экономии батареи паузу между зажиганиями лампочки выбирают подлиннее. Меняют батареи один раз в несколько месяцев, и фонари на бакенах работают без перебоя. Это бывает гораздо выгоднее, чем оплачивать специального бакенщика, который каждый вечер зажигал бы, а утром гасил фонари.

Пульс-пара дает возможность осуществить такую установку.

Нужно сделать два электромагнитных реле, одно из которых должно срабатывать с небольшим замедлением, то есть его контакты должны замыкаться не мгновенно, а чуть медленнее контактов другого реле.

Замедление должно быть очень небольшое, в долю секунды, и осуществить его можно с помощью слабой, тоненькой резинки, которая будет чуть притормаживать якорь-гвоздь, когда он втягивается в катушку.

У замедленного реле должны работать нормально разомкнутые контакты, то есть верхний контакт и упирающийся в него якорь-гвоздь.

В нашей стране особенно большое внимание уделяется механизации и автоматизации производства.

В семилетием плане развития народного хозяйства поставлены даже такие задачи, как переход от автоматизации отдельных машин к полностью автоматизированным цехам и заводам.

Почему же так важно, чтобы больше было автоматов и автоматических заводов?

Автоматы отлично выполняют заданную программу, они работают быстро, хорошо и очень облегчают труд человека. А то, что они производят, стоит значительно дешевле, чем при ручном труде.

Но все-таки полностью всю работу на предприятии доверять автоматам нельзя. Без руководства со стороны человека не могут обойтись даже самые совершенные машины. Руководить этими хитроумными аппаратами и механизмами все же должен человек.

У нас человек является полноправным хозяином и повелителем машин. Все сильнее растет его власть над техникой. Один человек порой может управлять множеством машин и механизмов, работающих автоматически и на большом иногда расстоянии друг от друга. Сложные мощные машины можно привести в действие или остановить слабым нажатием на кнопку. И сами машины немедленно докладывают языком цветных электрических лампочек или звуковых сигналов о том, работают они или остановились, обеспечены ли они всем необходимым для нормальной работы или нет. А в случае какой-либо поломки приборы сообщают о случившемся, указывая точно место, где это произошло.

Для того чтобы можно было управлять на расстоянии машинами-автоматами, составляющими иногда целые предприятия, существует специальная отрасль техники — телемеханика. Телемеханика — это механика на расстоянии. Она занимается управлением, контролем, измерением различных величин. Но все это делается на расстоянии, превышающем иногда десятки и сотни километров. Телемеханика как бы уничтожает расстояние.

Где же применяется телемеханика и когда она бывает особенно нужна?

Мы покажем это на небольшом примере. Из него вы увидите, что телемеханику можно применить только там, где производство автоматизировано. В самом деле, нельзя же представить себе, что мы на расстоянии будем управлять старыми деревянными ветряными мельницами.

Представьте себе, что из реки в определенных местах нужно качать воду в оросительные каналы. Предположим, что таких насосных станций несколько, например 10, и расположены они в 3–5 километрах друг от друга.

Что представляет собой каждая насосная станция? Ее основное оборудование — двигатель внутреннего сгорания и насос. На каждой такой насосной станции должен быть человек, а если станция работает круглые сутки, то два-три человека. Люди там должны жить оторвано от населенных пунктов, потому что место, откуда надо брать воду для орошения, не всегда расположено около населенного пункта. Чаще всего насосные станции располагаются вдалеке от городов и поселков. Привезут на машине продукты и почту раза два в неделю, а в остальное время никто туда и не заглянет.

Первое, что появляется на этих станциях из области механизации, — это телефонная связь, а иногда и мотоцикл. Затем на смену двигателю внутреннего сгорания, для которого надо привозить горючее, да еще издалека, ставится электрический двигатель. Управление упрощается. Нажал кнопку, двигатель заработал, и насос качает воду. Приборы показывают, нормально ли работает двигатель, — хорошо ли качает насос.

И вот уже напрашивается мысль: а что, если включать кнопку для пуска и остановки двигателя не здесь, на самой станции, а где-то в другом месте, например в ближайшем городе или поселке? Если там оборудовать специальный, как его называют, диспетчерский пункт, то с него можно успешно управлять работой всех десяти, а если надо, то и большего количества насосных станций.

От каждой станции на диспетчерский пункт идут свои провода.

Перед дежурным диспетчером расположены на щите схемы станций и цветные сигнальные лампочки.

Вот, например, видно, что вторая насосная станция не работает. Около ее схемы на щите горит зеленая лампочка. Согласно требованию старшего агронома необходимо оросить определенный район, а для этого нужно пустить в ход насосную станцию № 2.

Диспетчер нажимает кнопку 2, ток идет по проводам на станцию, там срабатывает сигнальное реле, которое приводит в действие более мощное реле, а оно включает электрический двигатель.

Насос качает воду. На щите у диспетчера зеленая лампочка погасла и зажглась красная.

Кроме этого, диспетчер видит на специальном приборе, который не только показывает, но и записывает, какое количество воды поступает по трубе в оросительный канал. Помните, мы с вами уже рассматривали прибор, измеряющий количество жидкости или газа, проходящего по трубе? Так вот подобный прибор стоит около насоса, измеряет количество воды, которую насос подает в оросительный канал, и сообщает эти сведения диспетчеру.

На щите у диспетчера есть еще и другие приборы. Они показывают величину тока, идущего через двигатель и количество оборотов двигателя.

Все станции как бы собраны в одном месте, на щите, и диспетчер следит по приборам за их работой. В случае какой-либо неполадки на ту станцию, где эта неполадка произошла, посылается аварийная машина, чтобы можно было быстро произвести на месте нужный ремонт.

Все насосные станции заперты на замок. В них никого нет, и только реле порою щелкают в тишине, включая или останавливая двигатель по команде диспетчера.

Через определенные промежутки времени, примерно раз в неделю, а может быть, и реже, дежурный техник объезжает все станции и проверяет, в каком состоянии находятся механизмы, не надо ли чего заменить, как обстоит дело со смазкой, нет ли каких-нибудь признаков, что может произойти поломка. После проверки помещение запирается, и техник едет к следующей станции.

Это один из самых простых примеров применения телемеханики. Всех случаев, где она применяется и может применяться, не перечислишь, но еще об одной важной отрасли ее применения необходимо рассказать. Это применение телемеханики в энергосистемах.

В них без телемеханики не обойтись. Электрические станции дают свою энергию в общую высоковольтную линию, а из этой линии ее берут так называемые потребители— заводы, фабрики, жилые дома городов и поселков. Благодаря электрической энергии работают машины, горят лампочки. Но всю энергию надо очень умело распределять, чтобы всем ее хватило, да и чтобы неиспользованная энергия не оставалась.

За этим и следят диспетчеры энергетических систем. Перед ними на специальных светящихся схемах изображена вся энергетическая система. На схеме видно, откуда поступает электроэнергия и кто ее потребляет.

Телемеханика дает возможность диспетчеру быстро принимать решения, быстро откликаться на все, что происходит в линиях. Хорошо, когда все идет нормально, но бывают и аварии и поломки, а заводы должны работать, лампочки должны гореть… Диспетчер приводит в действие запасные машины, отключает неисправный участок, принимает меры, чтобы туда выехала бригада для ликвидации неисправности. Диспетчер — это главный хозяин на производстве. Он командует, распределяет энергию, устраняет недостатки. И ему очень облегчают работу автоматические приборы и телемеханика.

Телемеханических систем существует много. Но в основном к ним предъявляются такие требования: надежность и дешевизна. Эти требования предъявляются не только к системам телеуправления, но и к любым машинам, к любым приборам. Они должны быть как можно более дешевыми и как можно более надежными в работе.

Созданы специальные приборы и схемы их соединения, дающие возможность по небольшому количеству проводов передавать сигналы управления, получать обратно сигналы о выполнении той или иной работы и производить различные измерения на расстоянии.

При больших расстояниях до телеуправляемых объектов очень важно, чтобы в целях экономии было как можно меньше проводов.

В самом деле, предположим, что нужно управлять десятью механизмами, расположенными в одном месте. Тогда в случае многопроводной линии нужно самое малое одиннадцать проводов: по одному к каждому механизму и один провод обратный, общий.

При большом расстоянии такая линия будет стоить дорого. В случае же малопроводной линии достаточно иметь только два провода и приборы, которые обеспечивают управление по двум проводам.

Мы сделаем модель прибора, на которой продемонстрируем один из способов телеуправления несколькими объектами по двум проводам.

Для простоты возьмем не десять объектов, а только два, и этого будет достаточно, чтобы хорошо понять сущность телемеханики.

Представьте себе два одинаковых прибора, в которых по контактам непрерывно с одинаковой скоростью бегают пружинящие пластинки-щетки, вращающиеся от специальных электродвигателей. Если соединить проводом, идущим от батареи, обе щетки, к другому проводу через маленькие рубильники присоединить на первом приборе все контакты, расположенные по кругу, а на втором приборе — электромагнитные реле, то при равномерном вращении щеток мы по своему усмотрению можем включать любые реле.

Эти специальные приборы в дальнейшем будем называть переключателями или шаговыми распределителями.

В реальных условиях переключатели приводятся в движение не электрическими двигателями. У двигателей есть недостаток. Стоит только одному двигателю отстать от другого, как нарушится совпадение положения щеток. Одна щетка будет отставать от другой, и тогда команду будет воспринимать не то реле, которому она предназначена, а соседнее. Для устранения этого недостатка применяются другие способы передвижения щеток. Об одном из таких способов будет рассказано дальше.

Вы уже делали электромагнитные реле. Их можно использовать как исполнительные реле. А сейчас изготовьте более надежные реле для пульс-пары и для восприятия сигналов — будем их называть сигнальными реле. Всего надо изготовить еще шесть реле.

Возьмите пустую катушку из-под ниток и намотайте на нее как можно больше медной изолированной проволоки диаметром около 0,3 миллиметра. Наматывать следует аккуратно, ряд за рядом, но не обязательно так строго, как были намотаны нитки. Когда вы закончите намотку, закрепите нитками конец проволоки, чтобы она не разматывалась.

Возьмите железный гвоздь толщиной 4–5 миллиметров и сделайте из него букву «П». На одну из палочек этой буквы свободно должна надеваться катушка. Ножовкой или напильником отрежьте лишнюю часть гвоздя, выходящую над катушкой, оставив кончик не более 5 миллиметров. Другую часть гвоздя, находящуюся вне катушки, сделайте на 4 миллиметра длиннее. Это вы изготовили сердечник будущего реле.

Перевернув П-образный сердечник, укрепите его вертикально на деревянной дощечке с помощью скобки, сделанной из тонкого гвоздя, и закрепите оловом место их соединения, чтобы сердечник держался устойчиво. К длинной части сердечника надо припаять согнутую Г-образную узкую полоску жести (от консервной банки) шириной 5–6 миллиметров. Это якорь реле. Теперь наденьте на более короткую часть сердечника катушку, отогнув предварительно якорь. Затем верните его на место. Нужно, чтобы он на несколько миллиметров не доходил до короткой части сердечника. Реле почти готово. Осталось сделать контакты.

Один кусочек провода диаметром 0,3 миллиметра надо припаять к сердечнику, а другой — к тонкой медной пластинке, которую нужно укрепить на торцовой части катушки и подвести под конец якоря реле.

Все концы проводов (их четыре) надо вывести к зажимам, укрепленным на дощечке. Можно ограничиться даже вбитыми маленькими гвоздиками, а дальнейшие соединения осуществлять скручиванием зачищенных концов и пайкой.

Теперь осталось отрегулировать реле. Батарейка от карманного фонаря будет источником тока. Присоедините один конец провода катушки к полюсу батарейки и касайтесь другого полюса вторым концом. Надо добиться, чтобы жестяной якорек реле, притягиваемый сердечником, касался при этом медного контакта.

При отключении батарейки якорь благодаря своей упругости должен отходить вверх.

Лампочка, присоединенная к другой батарейке через провода, идущие от контактов, при включениях и выключениях реле должна загораться или гаснуть.

Три новых реле должны иметь нормально разомкнутые контакты, а три — нормально замкнутые. Нормально замкнутые контакты сделайте, расположив неподвижный контакт не под якорем, а над ним.

Пульс-пару сделайте из одного реле с нормально замкнутыми и одного реле с нормально разомкнутыми контактами.

Одно из реле пульс-пары должно срабатывать с некоторым замедлением. Для этого нужно к сгибу якоря припаять еще одну узенькую жестяную полоску (ее подберите опытным путем). Тогда вследствие увеличения упругости места сгиба якоря реле будет срабатывать немного медленнее.

Чтобы пульс-пара во время своей работы включала и выключала еще одну электрическую цепь, к реле с нормально замкнутыми контактами приделайте под якорь еще один контакт. При размыкании одного контакта другой при этом будет замыкаться и включать нужную электрическую цепь.

Для дальнейшей вашей работы необходимо изготовить два шаговых распределителя. С их помощью вы сможете, пользуясь минимальным количеством проводов, управлять несколькими приборами или механизмами.

Сделайте простейшие шаговые распределители. Они не будут настолько совершенны, чтобы само-контролироваться, но с их помощью вы сможете проследить, как работают более сложные устройства.

Шаговый распределитель состоит из электромагнита, якоря с собачкой, храпового колеса, щетки и диска с контактами.

В книге С. Д. Клементьева «Телеавтоматика» (Учпедгиз, 1955 г.) достаточно подробно описано, как сделать электромагнит и храповик.

Мы позволим себе привести здесь выдержку из этой книги.

«Берут стальной болтик длиной около 35 миллиметров. На длине 30 миллиметров от головки болтик обвертывают жестью так, чтобы его диаметр получился не менее 8 миллиметров. Это будет сердечник электромагнита. На него наматывают два-три слоя бумаги. Под головку приклеивают круглую щеку диаметром в 20 миллиметров, а внизу — квадратную щеку со стороной 20 миллиметров. На получившийся каркас аккуратно наматывают около 800 витков изолированного провода диаметром 0,25—0,30 миллиметра.

Сердечник вставляют в отверстие ярма электромагнита. Ярмо можно согнуть из десяти сжатых в тисках и пропаянных по ребрам полосок отожженной жести.

Якорь также можно спаять из нескольких слоев жести. С одной стороны припаивают к нему стальную проволочную спираль-подшипник, а с другой — П-образную проволоку — ось собачки. Собачку сгибают из жести. К этому же концу якоря сверху припаивают свернутую из струны пружинку, которая будет прижимать собачку к храповому колесу. С ярмом якорь соединяется посредством П-образной проволоки, а чтобы он не двигался из стороны в сторону, по обе стороны его надевают по нескольку проволочных колец. К ярму и якорю припаивают концы спиральной пружинки. Эта пружинка после выключения тока из обмотки электромагнита возвращает якорь обратно, до упорного регулировочного винта.

Корпус нужно сделать из полоски латуни шириной 30 миллиметров. На нижней стенке корпуса просверливают отверстия для крепления электромагнита, а на верхней стенке — для регулировочного винта. Под отверстие для регулировочного винта припаивают гайку. Вторая гайка на регулировочном винте нужна для его закрепления.

Храповик делают так. Проводят циркулем на кусочке плотной бумаги окружность радиусом около 50 миллиметров и делят ее на 24 части, затем проводят радиусы и окружности будущего храповика: наружную— диаметром 19 миллиметров и внутреннюю — диаметром 17 миллиметров. Затем карандашом прочерчивают косые зубцы. Чертеж храповика аккуратно обрезают ножницами и наклеивают на ровный кусочек жести. Осторожно пропиливают зубцы маленьким напильником. В центре храповика нужно просверлить отверстие для оси.

Стойки подшипника оси храповика выгибают из жести и припаивают к ним медные проволочные спирали. В них будет вращаться ось храпового колеса.

После этого собирают в корпусе электромагнит с ярмом и якорем, припаивают одну из стоек с подшипником, надевают на ось храповое колесо и замечают его место: храповик должен оказаться как раз под серединой собачки якоря. Когда отмечено место, храповик припаивают к оси. Если храповик не „бьет“, можно припаять стойку со вторым подшипником».

Затем к оси храповика нужно припаять латунную пластинку, изогнутую таким образом, чтобы она пружинила, касаясь укрепленного перед ней вертикально диска, вырезанного из фанеры, с расположенными по окружности шестью латунными контактами.

Когда от пульс-пары, описанной выше, будет поступать электрический импульс в электромагнит, якорь будет притягиваться, собачка — нажимать на зуб храпового колеса и латунная щетка передвигаться по диску распределителя.

Если вы на храповике сделали 24 зуба, тогда щетка будет замыкать очередной контакт после четырех передвижений по фанерному диску.

В качестве датчика импульсов для передвижения щеток шагового распределителя можно использовать и ручную кнопку.

На деревянной дощечке укрепите винтами на некотором расстоянии друг от друга две полоски жести с приделанными к концам деревянными ручками. Эти полоски должны легко поворачиваться вокруг винтов, которыми они прикреплены к дощечке. Около тех концов, где у полосок жести приделаны ручки, прикрепите винтами согнутые из жести неподвижные контакты включателей. Эти рубильники в схемах будут называться Руб 1, Руб 2 и т. д. Нужно так подогнать детали включателей, чтобы они легко замыкались и размыкались, обеспечивая надежный контакт.

На этой же деревянной дощечке рядом с каждым включателем укрепите по одной электрической лампочке от карманного фонаря и подведите к ним кусочки изолированной проволоки со свободными концами для дальнейших соединений. Способ крепления лампочек показан на рисунке.

Установите на некотором расстоянии друг от друга два маленьких электрических двигателя, работающих от карманной батарейки. На их оси наденьте велосипедные ниппельные резиновые трубочки. К ним должны прижиматься склеенные из фанеры диски диаметром около 25 сантиметров. В центре каждого диска укрепите контакт, который надо соединить с осью. К диску должна прижиматься контактная пластинка, укрепленная на подставке. При вращении фанерный диск должен периодически замыкать свои контакты. Эти контакты у обоих электрических двигателей будем называть в дальнейшем К1 и К2.

А теперь мы осуществим сначала так называемую многопроводную схему. Соедините проводами рубильник Руб 1, реле Р1, лампочку Л1 и контакт К1, а также Руб 2, Р2, Л2 и К2 с батареей. Контакты реле Р1 и Р2 нужно включить в цепь питания первого и второго двигателя.

Включите рубильник Руб 1, сработает реле Р1 и включит первый двигатель. Его маленький вал начнет вращаться, и контакт К1 будет периодически замыкать цепь лампочки Л1, и она будет мигать, сообщая, что двигатель работает. При включении Руб 2 второй двигатель начнет работать, сообщив об этом сигнальной лампочкой Л2.

Установку нужно смонтировать так, чтобы рубильники с лампочками были в одном месте, а двигатели и реле — на некотором расстоянии или даже в другой комнате.

Недостаток этой схемы — обилие проводов. А при большом количестве управляемых объектов может оказаться, что для управления сложными промышленными установками понадобятся сотни тысяч метров дорогостоящих проводов.

Это экономически невыгодно.

И вот возникает необходимость передавать на большие расстояния команду и получать ответ о ее выполнении или производить какие-либо измерения по малому числу проводов. Для этого применяется специальное устройство.

На рисунке изображена так называемая малопроводная схема (реле и их контакты на ней обозначены одинаково).

Выше мы уже познакомились с шаговыми распределителями. Надо иметь два таких распределителя: один на командном, другой на приемном пунктах. Приводятся они в движение с помощью описанной ранее пульс-пары или, если вы ее еще не сделали, с помощью кнопки. Нажимая на кнопку Кн, мы посылаем электрический импульс в электромагниты Э1 и Э2, которые передвигают щетки шаговых распределителей Ш1 и Ш2. Кнопка нажимается при передаче команды или когда вы хотите проверить, работают ли ваши механизмы. Кнопка снабжена пружинкой и при отнятии пальца должна размыкаться.

При передвижении рубильников Руб 1 и Руб 2 вправо срабатывают соответствующие реле на управляемых объектах. Их контакты замыкают цепи исполнительных реле Ир1 и Ир2, которые включают маленькие электродвигатели и замыкают цепи для питания исполнительных реле от отдельных батареек. Это нужно для того, чтобы реле не отпустили свои якоря раньше времени. Для остановки электродвигателей нужно обесточить исполнительные реле. Чтобы это произошло, поверните рубильники влево и переведите щетки шаговых распределителей на соответствующие контакты (нижние контакты шаговых распределителей). Сработают реле 1в и затем 2в. Они разомкнут свои нормально замкнутые контакты 1в и 2в.

Обращаем внимание на то, что надежность работы этих схем зависит от тщательности соединений.

На примере очень простых моделей мы познакомили вас с принципом передачи команд и проверкой их выполнения на расстоянии. В жизни это выглядит значительно сложнее, и работают установки с точными приборами контроля гораздо надежнее. Они обеспечивают возможность точной и быстрой проверки производственных процессов.

Вы можете сделать действующие модели и других устройств, проявив при этом свою смекалку.

* * *

На простых моделях и опытах с ними вы познакомились с некоторыми машинами и приборами, с принципами их работы. Конечно, это очень немногое из того, что вам еще предстоит узнать.

Но, если вы проделали все, что здесь описано, вы сможете кое-что придумать и сами, кое-что усовершенствовать, и это будут ваши первые шаги в изобретательстве.

Советуем все приборы, модели, которые вы сделаете, отнести в школу и хранить как пособия при изучении соответствующих разделов физики и для иллюстрирования докладов на занятиях технического кружка или на пионерских сборах.

А в заключение, как это часто бывает, когда после серьезного доклада или лекции показывают веселую кинокартину, давайте немного развлечемся. Вашему вниманию предлагается увлекательный театр объемных теней. Создать его нетрудно, а удовольствие он доставит и вам и всем, кому вы его покажете.