"Неподвижная" скорость

Инж. З. МУРИН

2 тыс. оборотов в минуту — такова невероятная скорость вращения пропеллера самолета. В глазах — впечатление кольцевого воздушного вихря, затуманенного круговыми полупрозрачными струями, — больше ничего не видно! Как ведут себя лопасти? Не происходят ли в их материале или в сочленениях опасные деформации? Нет ли каких-либо неправильностей в этом сверхскоростном движении, неправильностей, которые могут повлечь за собой аварию?

Как увидеть лопасти настолько явственно и достаточно долго, чтобы суметь и успеть произвести наблюдения во время вращения? Для этой цели нужно добиться такого невероятного положения, чтобы во время своего сверхбыстрого вращения пропеллер одновременно был бы недвижим или медленно двигался. Глаз наблюдателя справился бы в таком случае с поставленной задачей, но ведь в самой постановке вопроса кроется столь явное противоречие, что преодоление его кажется абсурдом.

Английский ученый — физик и астроном —  Джон Гершель еще в начале прошлого столетия задал одному из своих друзей в такой же степени «абсурдный» вопрос: «Каким образом можно добиться того, чтобы обе стороны одной и той же монеты были бы видны одновременно?» Тем не менее ответ оказался очень прост: достаточно было поставить монету ребром на гладкую поверхность и сообщить ей пальцами быстрое вращательное движение; если затем всмотреться в монету со стороны, то получится зрительное впечатление от обеих ее сторон, как бы наложенных друг на друга.

Вопрос и ответ Гершеля, по сути дела, и решили современную «абсурдную» задачу о пропеллере, которую мы себе поставили в начале статьи.

Несколько позже Гершеля, в 1825 г., другой английский ученый, доктор Фиттон, еще более четко доказал возможность одновременного наблюдения изображений на двух сторонах одного и того же кружка. Придуманный им «прибор» состоял из небольшого белого картонного кружка; на одной его стороне была нарисована решетка, на другой — обезьянка. На концах диаметра кружка прикрепили концы шнурка. Вращая кружок вокруг этого диаметра (в обе стороны) с помощью шнурка, наблюдатели при некоторой определенной скорости вращения увидели обе стороны кружка одновременно, т. е. получилось так, что обезьянка сидит в клетке. Опыт Фиттона настолько прост, что его легко можно проделать в домашней обстановке. В чем же «секрет» Гершеля и Фиттона?

Опыт доктора Фиттона. На картонном кружке с одной стороны нарисована решетка, с другой — обезьянка. При быстром вращении кружка (с помощью шнурков, закрепленных по концам диаметра кружка) обе его стороны видны одновременно, т. е. обезьянка «попадает за решетку».

Разгадка кроется в особом свойстве сетчатой оболочки глаза: всякое зрительное впечатление сохраняется на ней в течение короткого промежутка времени, около 0,1 секунды, уже после того как причина, вызвавшая зрительное впечатление, исчезла. Поэтому, если кружок вращается со скоростью большей, чем один оборот в 0,1 секунды (11—12 оборотов в секунду), каждая его сторона запечатлевается на сетчатке глаза наблюдателя прежде, чем исчезает зрительное впечатление от другой стороны: оба изображения как бы налагаются друг на друга, и обезьянка «попадает за решетку».

Свойство устойчивости зрительного впечатления в человеческом глазу открыто также очень давно. Еще в 1765 г. французский ученый Арси произвел простейший опыт. На конце тонкой проволоки он закрепил кусок раскаленного угля и начал его вращать с большой скоростью в неосвещенной комнате. Когда скорость вращения достигла 10 и более оборотов в секунду, глаз наблюдателя перестал различать движение светящегося угля: получилось впечатление правильного сплошного огненного круга. Чем было вызвано такое зрительное впечатление?

Опыт Арси. Раскаленный уголь, закрепленный на конце проволоки, приводится в движение по кругу. Наблюдатель видит не отдельные светящиеся точки, а сплошной светящийся круг.

Изображение раскаленного угля в каждый момент его вращения на проволоке в любой точке круга запечатлевалось на сетчатке глаза наблюдателя и удерживалось в течение 0,1 секунды. Еще до того, как оно исчезало, уголь снова оказывался на той же самой точке круга, и отражение на сетчатке возобновлялось; поэтому и весь описываемый углем круг оказывался освещенным во все время быстрого вращения.

В 1832 г. бельгийский физик Плато и венский профессор Штампфер почти одновременно изобрели очень простой прибор, основанный на свойстве устойчивости зрительных впечатлений. Штампфер назвал свой прибор «стробоскопом» —  от двух греческих слов: «стробос» — вращение и «скопео» — смотрю, т. е. прибор, позволяющий «видеть при помощи вращения». В том виде, в котором стробоскоп был построен Штампфером, этот прибор сохранился до нашего времени в качестве занимательной игрушки для детей. На общей оси укреплены 2 диска; ось с дисками может вращаться. На одном диске прорезаны радиальные щели, на другом — с внутренней его стороны по кругу наклеены рисунки, изображающие отдельные последовательные фазы какого-либо движения, хотя бы галопа лошади. Наблюдатель начинает быстро вращать ось с дисками, приближает свой глаз к заранее выбранной точке первого диска и... видит через мелькающие прорези скачущую лошадь: изображение каждой фазы галопа еще не успевает исчезнуть в глазу, как оно заменяется следующей очередной фазой, и т. д., пока в глазу не отразятся непрерывно все последовательные фазы движения лошади. Если последовательные рисунки изображают весь цикл движения, т. е. все фазы одного скачка лошади вплоть до его повторения, то во все время вращения диска наблюдатель будет видеть ровный галоп. Движения лошади нет, но иллюзия ее движения налицо. Кинематограф, который воспроизводит на экране движения, разделенные на отдельные, последовательные фазы, является поэтому частным случаем стробоскопа.

Стробоскоп Штампфера. Ось с 2 дисками приводится в быстрое вращательное движение. Перед наблюдателем мелькают прорези первого диска, и сквозь них он видит в «движении» неподвижные фигурки (людей, животных), изображенные на картинках второго диска. (Рис. слева.)

Фотографии для стробоскопа, изображающие отдельные фазы прыжка галопирующей лошади. Такое «быстрое» фотографирование начало развиваться в самом, конце прошлого столетия именно в связи с появлением стробоскопа, т. е. стробоскоп предвосхитил технику позднее изобретенного кинематографа.

Стробоскопическим явлением, или устойчивостью изображения на нашей сетчатой оболочке, объясняется, однако, и такое явление, когда у нас получается иллюзия полной неподвижности или медленного движения какого-либо предмета, в то время как на самом деле он двигается с большой скоростью. В качестве примера вернемся к кинематографу, о котором мы уже упомянули. Кто из нас не был удивлен следующим «трюком»? Экипаж трогается с места. Когда его скорость достигает некоторой определенной величины, колеса вдруг останавливаются и начинают скользить по земле, затем опять начинают вертеться и иногда опять останавливаются. Объяснение этого явления простое. Кадры фильма меняются со скоростью 16 штук в секунду, устойчивость изображения на сетчатой оболочке определяется в 0,1 секунды; отсюда ясно, что если изображения следуют одно за другим через промежутки времени в 1/16 секунды, то следующее изображение появляется раньше, чем исчезает впечатление от первого. Этим и объясняется непрерывность движения на экране. Предположим, что скорость вращения колеса равна одному обороту в 1/16 секунды; каждый раз, когда аппарат делает новый снимок, колесо находится в одном и том же положении и кажется неподвижным.

Возьмем, еще лучше, такой случай, когда колесо имеет, скажем, 10 спиц, тогда положение колеса через каждую 0,1 часть оборота, т. е. через 1/160 секунды, будет совпадать с начальным; на экране и в том и в другом случаях колесо будет казаться неподвижным. Это будет и в том случае, если колесо будет делать 16, 32, 48, 64 и вообще кратное 16-ти число оборотов в секунду.

Если скорость вращения колеса будет несколько выше скорости смены кадров киноаппарата, то на экране получится впечатление движения, но только очень замедленного. Если, наоборот, скорость колеса будет ниже, то колесо на экране будет вращаться в обратном направлении, так как в момент каждого следующего снимка колесо будет опаздывать относительно предыдущего положения. Из этих объяснений понятно, как можно наблюдать быстрое вращение колеса с любой желательной степенью замедления. Для этого достаточно только довести скорость его вращения до величины, близкой к скорости смены кадров в киноаппарате. В этом и заключается метод стробоскопии.

Не только одно движение вращающегося колеса может быть проанализировано при помощи стробоскопии. Предположим, что из находящегося в темноте крана регулярно капает вода, причем капли падают через равные промежутки времени. Предположим также, что мы имеем возможность освещать падающие капли на пути между краном и местом падения почти мгновенными вспышками. Капли за бесконечно короткий момент вспышки будут казаться неподвижными. В то же время этот промежуток времени будет слишком коротким, чтобы можно было произвести какие-либо наблюдения. Но мы знаем, что всякое зрительное впечатление удерживается на нашей сетчатой оболочке в течение 0,1 секунды. Если мы произведем новую вспышку раньше, чем через 0,1 секунды, то получим новую картину падения капель, которые уже продвинулись на некоторое расстояние. Для нашего глаза в этом случае получится впечатление непрерывного движения, так как второе изображение отразится на сетчатой оболочке нашего глаза раньше, чем первое исчезнет, «забудется».

Можно сделать еще лучше. Предположим, что за время до второй вспышки капли продвинулись на такое расстояние, что вторая капля вышла из крана и заняла в момент второй вспышки такое же точно положение, какое занимала предыдущая в момент первой вспышки. Второе впечатление на сетчатой оболочке при второй вспышке будет в точности равно первому, поскольку все капли похожи одна на другую. В этом случае капли будут казаться нам неподвижными и наблюдатель будет иметь достаточно времени, чтобы изучить закон образования капли и ее изменения на пути падения.

Отсюда видно, что, поскольку явление периодично, т. е. через равные промежутки времени проходит одни и те же фазы, стробоскопия позволяет нам сделать его неподвижным. Необходимо сделать одно замечание. В объяснении, которое мы привели относительно остановки колеса или его обратного вращения на кинематографическом экране, мы предполагали (это имеет место и в действительности), что число снимков в секунду постоянно, а скорость вращения колеса меняется. Это позволило нам изложить принцип стробоскопии.

На практике же поступают иначе, так как скорость движущегося тела обыкновенно бывает постоянной. Поэтому для получения такой же скорости наблюдения приходится менять периоды вспышек, подгоняя их так, чтобы получилось впечатление неподвижности.

Уже во времена Штампфера нетрудно было прийти к такому выводу. Но тогда еще не было нужды в наблюдении сверхскоростных явлений в неподвижном состоянии, не было еще современных скоростей. Приборы, построенные на принципе устойчивости зрительного впечатления, служили главным образом забавными игрушками Такая судьба постигла прибор доктора Фиттона (тауматроп), стробоскоп Плато и Штампфера (известный у немцев под названием «колеса жизни»), зоотроп, или «волшебный барабан», Хорнера и др. Только в XX в., когда исключительно выросшие скорости поставили в науке и технике вопрос об исследовании их в институтах и лабораториях промышленности, стробоскоп получил свое научное и практическое применение.

Зоотроп, или «волшебный барабан», Хорнера. При быстром вращении цилиндра (хотя бы по часовой стрелке) прорези с большой скоростью передвигаются вправо, а фигурки, нарисованные на внутренней поверхности цилиндра (под прорезями), — влево. Такое устройство еще больше ускоряет смену зрительных впечатлений в глазу, который не успевает «забыть» предыдущее изображение. Если фигурки изображают отдельные фазы расчлененного полного цикла какого- либо движения (скачок лошади, шаг человека, прыжок зверя), то у наблюдателя получается зрительное впечатление непрерывного движения (лошадь скачет галопом, человек быстро шагает и т. д ).

В современных стробоскопах прорези наблюдательного диска заменены осветительными вспышками, интервалы между которыми могут регулироваться. Для этой цели можно применить или диафрагму, качающуюся перед глазами наблюдателя, или луч света, прерываемый периодически такой же диафрагмой. Неоновая лампа в качестве источника света позволяет получать весьма кратковременные зажигания и затухания. Для этого надо только иметь периодический прерыватель тока. В качестве прерывателя применяют вибрирующую струну, дрожание которой поддерживается при помощи электромагнита. К этой струне прикреплены 2 контакта, погружающиеся при каждом колебании струны в 2 стаканчика с ртутью, замыкая или размыкая ток, питающий неоновую лампу. Изменяя натяжение струны, можно изменять частоту ее вибрации, а следовательно, и частоту зажигания лампы.

Промышленное применение стробоскопии способствовало изобретению ряда специальных приборов за рубежом и у нас в СССР.

Конструкция советского стробоскопа принадлежит инженеру Машковичу. На выставке в московском Политехническом музее прибор инженера Машковича демонстрируется с помощью исключительно интересного опыта. Черный диск с белой чертой по радиусу вращается с большой скоростью; у конца белого радиуса на окружности диска прикреплен кусок белой ваты, мелькающий перед глазами в своем быстром круговом движении; в это время начинаются вспышки красного света, освещающего вращающийся диск только в те мгновения, когда белый радиус направлен вниз, а вата занимает свое нижнее положение. Зритель видит диск неподвижным, а клок ваты — висящим внизу. Обслуживающий установку работник подносит к верху диска обыкновенную гребенку. И тут начинается совершенно «непонятное» для непосвященного зрителя явление: вата, расположенная внизу, как бы теряет (незаметно) свои волокна, которые почему-то попадают на гребень, попрежнему находящийся на верху. Проходит немного времени, и вся вата перекочевывает с нижней части диска на зубцы гребенки. При этом зритель не наблюдает никакого движения диска, ваты или гребня — все неподвижно!

Справа — советский стробоскоп инж. Мошковича. Источник вспышек — неоновая трубка (слева) и синхронизатор (справа).

Слева — деталь стробоскопа —  неоновая трубка — источник вспышек.

Фактически это, конечно, не так: неподвижен только гребень в руках обслуживающего работника, все остальное — диск, вата — вращается с огромной скоростью, и зритель убеждается в этом, как только прекращаются вспышки и зажигается нормальный свет. Стробоскоп сделал скорость диска и ваты неподвижной.

Применение стробоскопии бесчисленно, так как она дает возможность изучения различных движений, будь то движение механических деталей или движение жидкостей или газов. Фотографирование с выдержкой в одну миллионную секунды является прекрасным подспорьем для стробоскопии, так как оно дает возможность фиксаций наблюдений. При помощи стробоскопии можно изучить работу двигателей, клапанов, пружин, кулачков, можно определять величину скручивания и изгиба валов и их вибраций, наблюдать смазку, движение газов во всасывающем трубопроводе, исследовать работу турбин, локомотивов, гребных винтов и пр.

Колесо турбины Пельтона, сфотографированное во время своего рабочего движения. Благодаря стробоскопу вращающееся с огромной скоростью колесо воспринято на пленку, как неподвижное, и может быть исследовано. (См. верхнее фото).

Стробоскоп определяет деформации лопастей вращающегося пропеллера. Два совмещенных снимка, произведенных в одну миллионную долю секунды, отчетливо показывают изгиб верхней лопасти.

Наконец, интересным и очень ценным применением стробоскопии является измерение скоростей, контроль над работой двигателей, над их вибрацией, анализ работы металлообрабатывающих станков и т. п. Современные тахометры —  счетчики оборотов — обычно рассчитаны на скорость до 10 тыс. об/мин. А как быть, если необходимо замерить скорость порядка 20 тыс. об/мин и выше? На помощь приходит все тот же стробоскоп. Частота вспышек синхронизируется со скоростью наблюдаемого объекта; когда достигается полная синхронизация, наблюдаемый объект представляется неподвижным, и наблюдатель знает, что каждая вспышка соответствует полному обороту (или колебанию); так как число вспышек в секунду известно, то и число оборотов легко может быть установлено.

Даже в медицине, в той ее области, которая называется, ларингологией (наука о болезнях уха, горла и носа), стробоскоп может быть применен для наблюдений в неподвижном виде голосовых связок человека, колеблющихся с огромной частотой. Стробоскоп как будто останавливает их колебания, и врач может произвести исследование неподвижных связок в момент их неистового дрожания.

Изучение вибрации и состояния голосовых связок человека с помощью стробоскопа и ультрабыстрой фотографии.

Из забавной игрушки XIX в. стробоскоп вырос в могущественный фактор развития науки, техники, промышленности, который может быть приспособлен для решения ряда важнейших задач во всех этих областях.