Пьезоэлектричество - Плонский Александр Филиппович - Страница 10

Убедившись, что опасность миновала, вожатый снова включает ток, и трамвай трогается, набирая скорость. При этом пассажиры вторично испытывают толчок, но теперь в сторону, обратную движению вагона.

В обоих случаях рывки, которые испытывали пассажиры, были вызваны силой, обусловленной инерцией (инерция — свойство тел сохранять состояние покоя или прямолинейного и равномерного движения). Инерцией объясняется и движение трамвая при выключенном моторе.

Влияние инерции не исчерпывается вышеприведённым примером. С ней человек встречается на каждом шагу. Часто можно наблюдать как движется с разгона автомобиль с выключенным мотором или, не работая педалями, едет велосипедист. Их движение также обусловлено инерцией.

Чем больше масса тела, то есть количество вещества в нём, тем больше и инерция. Тяжёлый вагон труднее сдвинуть с места или затормозить, чем лёгкую тележку. Поэтому иногда говорят, что масса — это мера инерции тел.

Между массой тела, его ускорением (приростом скорости за одну секунду) или замедлением (потерей скорости за одну секунду) и силой инерции существует прямая зависимость. Чем больше масса тела и его ускорение (или замедление), тем больше эта сила. Такой закон механики иногда формулируют следующим образом: сила равна произведению массы на ускорение.

Непрерывный рост скоростей современных машин придаёт особую важность вопросам измерения ускорений. Конструктор самолёта, зная возможную величину ускорения, рассчитывает, какие силы инерции будут воздействовать на машину в полёте, и отсюда находит необходимую прочность деталей. Правильность расчёта проверяется затем лётчиком-испытателем, испытывающим опытный образец самолёта в полёте. При выходе из пикирования, то есть из крутого, почти отвесного падения, самолёт резко теряет скорость, в этот момент детали машины и организм лётчика подвергаются громадной нагрузке, которая вызвана инерцией. Чтобы предупредить возможность разрушения самолёта, необходимо знать величину допустимого ускорения. Эта величина и устанавливается во время испытательного полёта.

Ускорение можно рассчитать, зная массу какого-либо тела и силу, действующую на него при движении с этим ускорением. Последнюю нетрудно измерить, например, с помощью пружинных весов или любого устройства для измерения давлений. На этом и основан принцип действия акселерографов — приборов, измеряющих величину ускорения.

Подобно манометрам акселерографы могут быть различных типов. Посмотрим, как устроен и работает пьезоэлектрический акселерограф, схематически изображённый на рис. 27.

Рис. 27. Схема пьезоэлектрического акселерографа.

Внутри камеры (корпуса) акселерографа подвешен на жёстких пружинах груз, масса которого заранее известна.

При измерениях камера перемещается вместе с испытуемым телом (поездом, самолётом и т. д.). Сила, воздействующая на груз в результате инерции, передаётся через пружины пьезоэлектрическому манометру. Под действием этой силы на электродах манометра выделяются электрические заряды, величина которых пропорциональна силе, а следовательно, и ускорению.

С помощью пьезоэлектрических акселерографов можно не только измерять ускорения, но решать и ещё более сложные задачи. Об одной из этих задач мы сейчас и расскажем.

11. Изучение вибраций

Почти любое движение сопровождается вибрациями.

Вибрируют движущиеся части и основания станков, крылья самолётов, вращающиеся роторы электрических моторов, паровых турбин и гидрогенераторов, дрожат мосты, когда по ним проходят поезда, и т. д.

Вибрации возникают в результате воздействия сил, периодически изменяющих своё направление. Такие нагрузки, называемые знакопеременными, представляют большую опасность для любого механизма или сооружения.

Известны случаи поломки осей, валов, лопаток турбин, разрушение мостов и зданий, причина которых заключалась в знакопеременных нагрузках.

При определённых условиях размах колебаний во время вибрации резко возрастает. Так, не особенно сильная вибрация грунта, вызываемая, например, работой бензинового движка, способна иногда раскачать многоэтажное здание; строевой шаг взвода солдат — разрушить мост и т. д.

Частота вибраций (она показывает, сколько раз в единицу времени меняется нагрузка) может изменяться в широких пределах — от десятой доли до сотен и даже тысяч колебаний в секунду.

Положим, что с вибрирующим телом жёстко связана камера акселерографа. Тогда на его груз будет воздействовать сила, пропорциональная ускорению вибрирующего тела. Однако это ускорение периодически меняется по величине и характеру (ускорение — замедление) в соответствии с изменением нагрузки. Поэтому и сила, воздействующая на груз, носит знакопеременный характер. Следовательно, в цепи пьезоэлектрической пластинки возбуждается переменный электрический ток. В этом случае стрелка электрического прибора, изменяющего величину зарядов, будет колебаться с частотой вибрации, и мы не сможем уловить её показаний.

Однако эти неуловимые колебания стрелки можно зарисовать на бумаге. Для этой цели используются особые приборы — самописцы.

На рис. 28 показано, как работает простейшее самопишущее устройство.

Рис. 28. Схема простейшего самопишущего устройства.

На барабан, вращающийся со строго постоянной скоростью, наматывается бумажная лента. Поперёк этой ленты скользит стрелка электрометра особой конструкции. На конце стрелки укреплено пишущее перо, которое оставляет на ленте свой след. Если бы лента была неподвижна, то при вибрациях перо двигалось бы вверх-вниз по одному и тому же месту. Но поскольку лента в свою очередь перемещается, перо чертит на ней извилистую линию — кривую вибраций.

Эта зарисованная на бумаге картина вибраций может быть легко расшифрована. Высота пиков на кривой показывает величину размаха колебаний вибрирующего тела. Зная скорость вращения барабана и число пиков на отрезке ленты, легко найти и частоту вибрации.

Однако при высокой частоте вибраций самопишущие устройства оказываются непригодными. Вследствие того, что детали самописца обладают инерцией, пишущее перо не успевает следовать за быстрыми движениями вибрирующего тела.

В этом случае пьезоэлектрический акселерограф соединяется с осциллографом. На экране осциллографа непосредственно наблюдается светящаяся кривая вибраций — осциллограмма, которую легко зафиксировать с помощью фотоаппарата. Примеры осциллограмм даны на рис. 29.

Рис. 29. а) Кривая колебаний крыла самолёта после удара, б) кривая вибраций фундамента паровой турбины, в) колебания неотрегулированного электромотора.

Исследовать высокочастотные вибрации возможно только при помощи пьезоэлектрических акселерографов.

12. «Ухо» хирурга

Казалось бы, зачем хирургу слух? Врачи во время операций руководствуются зрением и особым профессиональным чувством осязания, которое у опытных хирургов достигает необычайной остроты. Рука хирурга по её гибкости, чуткости и быстроте движений сравнима лишь с рукой музыканта.

А слух, нужен ли он для успеха операции?

В операционной, где нередко решается судьба человеческой жизни, царит абсолютная тишина. Движения хирурга и ассистентов совершенно бесшумны — люди понимают друг друга без слов. В этот момент еле слышный звук уже отвлекает внимание, ничтожный шорох раздражает. Одно единственное слово, сказанное «под руку», может причинить непоправимый вред.

Вот почему многие хирурги были бы, вероятно, не прочь на время операции «выключить» собственные уши, как выключают громкоговоритель, когда он мешает.

А между тем слух может стать таким же верным помощником хирурга, как осязание или зрение. Более того, богатство наших слуховых ощущений, если его суметь использовать, сулит хирургам новые возможности. Ведь зрение не может проникнуть в глубокую рану, не может обнаружить в ней осколков металла или костей.