Зеркало в технике

Б. ЛИДИН

Одним из наиболее грозных орудий современной морской войны являются подводные лодки. Их главное преимущество — это скрытность действия.

Подводная лодка может незаметно подойти к врагу и нанести ему удар раньше, чем он ее обнаружит.

Находясь на глубине, экипаж подводной лодки прекрасно знает, что делается на поверхности.

Подводная лодка имеет глаз — перископ; без него она утратила бы свои значительные преимущества.

Устройство перископа весьма простое. Самым замечательным является то, что принцип его работы основан на свойствах всем нам знакомого зеркала. Оказывается, что зеркало, которое является неотъемлемым предметом нашего быта, нашло самое широкое распространение в технике. Об этом мы расскажем несколько позже, а сейчас вернемся к перископу, в котором два обыкновенных плоских зеркала дают командиру подлодки возможность видеть происходящее на поверхности воды. Почему это происходит? Общеизвестно, что лучи света распространяются прямолинейно. Отклонение от прямолинейности наблюдается лишь при прохождении света через весьма маленькие отверстия.

Если на какой-нибудь предмет упадет луч света, то он может быть поглощен или преломлен, или отражен. При поглощении лучистая энергия света превращается в тепло, при преломлении луч света изменяет свое направление, вступая в другую среду. В случае отражения луч света как бы отскакивает от предмета, меняя свое направление, но оставаясь в той же среде. Явление отражения происходит всегда по определенному закону: угол падения равен углу отражения. Обычно при падении луча на какую-либо поверхность имеют место все три явления, каждое в различной степени. При падении луча на зеркальную поверхность происходит почти исключительно отражение. Плоским зеркалом может быть поверхность, настолько хорошо отполированная, что пучок параллельных лучей света после отражения сохраняет свою параллельность. Гладкая поверхность воды обладает свойством плоского зеркала. Хорошо отполированный, совершенно плоский кусок металла или кусок стекла также может служить зеркалом. Белая стена, покрытая известью и мелом, не может быть зеркалом, так как лучи света, отражаясь, не сохраняют своей параллельности вследствие неровности (шероховатости) стены.

Теперь разберем работу перископа. Командир подводной лодки отдал распоряжение выдвинуть перископ. Его верхний конец поднимается на поверхность воды. Лучи света падают на верхнее плоское зеркало перископа. Обычно это зеркало располагается под углом в 45° к горизонту; в этом случае горизонтально распространяющиеся лучи света упадут на зеркало также под углом в 45°. Под этим же углом лучи будут отражены и, следовательно, изменят свое направление с горизонтального на вертикальное. Таким образом, лучи, отраженные от первого зеркала, направились вниз, внутрь подводной лодки. Для того, чтобы уловить наблюдателю эти лучи и тем самым, видеть, что делается на поверхности, необходимо поставить второе плоское зеркало. Оно должно быть расположено параллельно первому и обращено к нему своей отражающей поверхностью. Роль второго зеркала перископа — направить лучи с поверхности в глаз наблюдателя. Следовательно, аппарат из двух плоских зеркал дает возможность командиру подводной лодки, не поднимая лодку на поверхность воды, видеть поле сражения и тем самым правильно руководить боем.

Перископы применяются не только подлодками. Очень часто они используются пехотными войсками для разведки, наблюдения и изучения поля боя, из-за различных прикрытий.

Перископы очень часто используются пехотными войсками для разведки, наблюдения и изучения поля боя, из-за различных прикрытий.

*

Люди с древних времен пытались применить зеркало в военном деле. До нас дошла легенда, которая рассказывает о том, что будто бы еще греческий ученый Архимед при защите своего родного города Сиракузы в Сицилии сконструировал громадное зеркало, с помощью которого он собирал лучи света, и, направив их на суда римлян, сжег весь вражеский флот.

Эту идею пытался реализовать французский ученый физик XVIII века Бюффон. Большим зеркалом, составленным из нескольких маленьких, ему удалось сжигать предметы на отдаленном расстоянии.

В наше время идею собирания солнечных лучей в качестве средства поражения по-новому разработал германский ученый Ноордунг. Чтобы поражать отдаленные объекты, невидимые с земли, он предложил с помощью ракетных летательных аппаратов поднимать гигантские зеркала в стратосферу.

Несмотря на эти попытки использовать зеркало в качестве боевого средства, осуществление их на практике мало вероятно. Основные недостатки работы таких зеркал — медленное зажигание, и то на незначительном расстоянии.

Зато другое свойство зеркала весьма широко используется в военной практике армий всех стран.

Мы знаем о страсти детей играть «солнечным зайчиком». Есть все основания думать, что эта игра натолкнула людей на мысль применить «зайчик» в качестве световой сигнализации.

Значение световой сигнализации особенно важно в боевой обстановке, так как из-за сильной стрельбы звуковые сигналы не всегда могут быть услышаны.

Наиболее распространенным светосигнальным прибором является гелиограф. Это прибор из плоского зеркала, поставленного на треногу. Он может быть использован днем в солнечную погоду и ночью при яркой луне. Лучи света, отражающиеся от зеркала со скоростью в 300 тыс. км/сек., направляются в глаз наблюдателя принимающего поста. Посылая лучами короткие и длинные сигналы, означающие точки и тире, с помощью азбуки Морзе можно передавать распоряжения, сообщения и т. п.

Световая сигнализация может проводиться с помощью нескольких плоских зеркал в зависимости от того направления, куда необходимо передать сигналы.

*

С развитием военной техники, в частности авиации, особым качеством которой является способность неожиданной и стремительной атаки ночью, возникла потребность видеть врага в темноте. Появились специальные аппараты под названием прожектора.

Каждый читатель, вероятно, видел красивую картину ночной световой разведки неба прожекторами, отыскивающими во время маневров «неприятельские» самолеты. Это зенитные прожекторы за работой!

Несколько слов об устройстве прожектора.

Если кусок металлического полого шара с внутренней стороны тщательно отшлифовать, то получится вогнутое сферическое зеркало, обладающее некоторыми свойствами, отличными от свойств плоского зеркала.

Центр шара условились называть центром зеркала. Линия, соединяющая середину зеркала с его центром, называется главной оптической осью зеркала. Если пустить на вогнутое зеркало параллельный пучок световых лучей, то последние после отражения от вогнутого зеркала пересекаются в одной точке. Эта точка называется главным фокусом зеркала. И наоборот, если в главном фокусе расположить сильный источник света, т. е. заставить лучи падать из фокуса расходящимся пучком света, то после отражения от зеркала лучи распространятся параллельно главной оптической оси.

Если пустить на вогнутое зеркало (вверху) параллельный пучок световых лучей, то они после отражения пересекаются в одной точке. Эта точка называется главным фокусом зеркала.

В выпуклом зеркале (внизу) при таких же условиях мы наблюдаем обратное явление. Это зеркало также имеет фокус и центр, но они у него расположены по другую сторону отражающей поверхности.

Вот это-то последнее обстоятельство и послужило основой для изготовления прожектора и ряда других оптических аппаратов.

Прожектор состоит из большого вогнутого зеркала, диаметром примерно в полтора метра. В фокусе вогнутого зеркала укрепляется сильный источник света, например, вольтова дуга или мощная электрическая лампа. Лучи света, испускаемые источником, попадают под определенными углами падения на зеркальную поверхность прожектора и после отражения распространяются параллельно главной оптической оси в виде мощного цилиндрического потока света. Сила света современных прожекторов доходит до одного миллиарда свечей и даже больше. Лучи света от прожектора могут освещать цель на расстоянии 5—8 км.

Прожектор состоит из большого вогнутого зеркала. Лучи, испускаемые источником света, попадают под определенными углами падения на зеркальную поверхность прожектора и после отражения распространяются в виде мощного цилиндрического потока света.

*

Посмотрите на себя в плоское зеркало, и вы увидите вашего двойника, равного вам роста и объема. Однако, вы наверное заметили, что ваши движения правой руки двойник проделывает левой рукой. Внимательно всмотритесь в ваше изображение, и вы заметите в нем ряд неточностей: бородавка, которая сидит у вас под правым глазом, у вашего двойника расположена под левым и т. д.

Опыт и теоретические рассуждения убеждают нас, что изображение предмета, полученное в плоском зеркале, всегда равно по величине самому предмету, но симметрично обратное, т. е. правая часть предмета является левой частью изображения в зеркале, и наоборот.

Обратимся теперь к непосредственному рассмотрению применений зеркала в измерительной технике.

Как измерить длину предмета?

На этот вопрос, вероятно, читатель без большого затруднения ответит так: приложить измеряемый предмет к масштабной линейке и подсчитать число делений линейки между концами предмета. Однако, отсчет получается много сложнее в том случае, когда к измерительному предмету нельзя приблизиться с масштабной линейкой или предмет не плоский и тем самым линейка не может быть вплотную приложена к исследуемому предмету. В этом случае возможна большая ошибка при измерении.

Для того, чтобы понять происхождение ошибки при таком измерении, проделайте такой опыт. Вытяните большой палец правой руки и закройте левый глаз. Заметьте, против какого предмета в комнате находится вытянутый палец. Теперь, не изменяя положения вашего пальца, закройте правый и смотрите левым глазом. Если в первом случае палец казался против переплета рамы окна комнаты, то во втором случае он как бы сдвинулся и приходится на середину стекла. Нечто подобное наблюдается при измерении длины предмета, к которому вплотную нельзя приложить масштабную линейку. Если наблюдатель расположит свой глаз несколько правее конца линейки, то ему будет казаться, что конец измеряемого предмета находится против меньшего деления линейки. Таким образом, измеренная длина будет меньше, чем на самом деле. Если глаз наблюдателя расположен левее, то длина предмета будет измерена с ошибкой, превышающей истинную величину. Этот кажущийся сдвиг концов предмета по отношению к масштабной линейке называется параллаксом.

Как более точно измерить длину предмета?

Для этого необходимо наблюдателю расположить свой глаз так, чтобы конец измеряемого предмета и его глаз находились на одном перпендикуляре к плоскости, проведенной через масштабную линейку. В этом случае ошибка на параллакс будет сведена к нулю. Последнее требование не так легко выполнить. Однако, плоское зеркало чрезвычайно упрощает эту задачу. Узкая полоса плоского зеркала вделывается в масштабную линейку. Глаз наблюдателя располагается таким образом, чтобы измеряемый предмет покрыл свое изображение в зеркале. Отсчитанное на линейке в этом случае число делений будет с большой точностью соответствовать истинной длине предмета.

Описанный метод нашел широкое применение при изготовлении всевозможных измерительных приборов, как газовые термометры, вольтметры, амперметры и т. д.

В электроизмерительных приборах (амперметры, вольтметры и т. п.) зеркалу придают форму изогнутой тонкой полоски, на фоне которой движется стрелка прибора.

Принцип действия многих электроизмерительных приборов сводится к следующему: в магнитном поле подвешивается рамка, через которую пропускают электрический ток. Вследствие взаимодействия рамки с током и магнитного поля рамка поворачивается на некоторый угол, величина которого зависит от силы протекающего по проводникам рамки тока.

Однако, чувствительность этого прибора можно увеличить во много раз, если прикрепить к рамке небольшое плоское зеркало.

На зеркало, находящееся внутри прибора, пускается луч света от электрической лампы, который отражается от зеркала и попадает на экран или шкалу, расположенные перед прибором. На экране появляется небольшое светлое пятно —  «зайчик». Если пустить незначительный ток в прибор, то рамка вместе с зеркалом повернется на некоторый угол, а вместе с тем возрастет угол падения луча света на зеркало прибора. Согласно закону отражения света от плоских зеркал, угол отражения света в свою очередь увеличится на ту же величину, и «зайчик» передвинется вдоль шкалы.

Луч света из источника А попадает на зеркало, находящееся внутри прибора. Отражаясь, этот луч попадает на экран или шкалу В, образуя там световое пятно —  "зайчик". Если теперь пустить незначительный ток в прибор, то рамка с укрепленным в ней зеркалом повернется на некоторую величину, что вызовет перемещение зайчика вдоль шкалы. По величине этого перемещения можно определить силу пропущенного тока. Если бы в рамке не было зеркала, то учесть или измерить величину угла перемещения этой рамки составляло бы большую трудность.

По величине передвижения светлого пятна по шкале можно рассчитать величину пропущенного через прибор электрического тока.

Описанная методика измерений нашла себе широкое применение при точных измерениях (магнитомер, крутильные весы, зеркальный гальванометр, осциллограф и т. д.).

*

Отчего мы видим предметы?

Светящийся предмет, электрическая лампа, свеча и т. д., излучает световые волны (электромагнитные волны), которые попадают через зрачок в наш глаз. На сетчатке глаза оканчиваются разветвления зрительных нервов, которые под влиянием попавшего света испытывают определенные раздражения. Эти раздражения передаются в центральную нервную систему нашего мозга, где и создаются зрительные впечатления.

Если сам предмет света не излучает, то для того, чтобы его увидеть, необходимо этот предмет осветить солнечными лучами, или лучами какого-либо постороннего источника света. Лучи в этом случае падают на предмет, частично поглощаются, а частично отражаются.

Отраженные лучи проникают на сетчатку нашего глаза, и освещенный предмет зрительно воспринимается нами.

В целом ряде случаев мы не можем увидеть предмет, так как лучи, им отраженные, не могут попасть в наш глаз вследствие поглощения лучей какой-либо промежуточной средой.

Ваши зубы осматривает зубной врач. Для этого он усадил вас против окна или направил лучи света яркой лампочки вам в рот. Лучи отражаются от ваших зубов, попадают в глаза врача и дают ему возможность исследовать состояние вашего рта. Доктор желает осмотреть внутреннюю полость пораженного болезнью зуба. Однако, лучи света, упавшие на полость, не попадают после отражения в глаза врача, так как этому мешает внешняя оболочка зуба. Некоторые лучи от полости зуба после отражения распространяются вверх и поглощаются нёбом нашего рта. Как быть в этом случае? Как рассмотреть внутреннюю полость зуба?

На помощь приходит зеркало. В руках врача всегда находится ручка от маленького зеркала, введенного в полость рта. Расположив соответственным образом зеркало, врач заставляет распространяющиеся вверх лучи света изменить свое направление и попасть ему в глаз. При самых ответственных операциях таких человеческих органов, как нос, ухо, горло, зеркало — необходимейшая принадлежность.

При осмотре этих органов врачи пользуются вогнутым зеркалом, имеющим небольшое отверстие в середине. С помощью резиновой тесемки зеркало укрепляется на лбу доктора таким образом, чтобы он, во-первых, видел через отверстие исследуемую область, и, во-вторых, чтобы лучи света, отраженные от зеркала, ярко освещали пораженное место.

При осмотре горла врач пользуется вогнутым зеркалом. Лучи света, отраженные от зеркала, ярко освещают пораженное место.

Так зеркало помогает человеку рассматривать то, что глаз не может воспринять непосредственно.