Лупа времени

Н. КУДРЯШОВ

На кинематограф мы привыкли смотреть только как на особый вид зрелища или в иных случаях как на педагогическое средство. Однако такое представление о кинематографе весьма не полно. В наши дни кинематограф является не только массовым видом искусства и полезным наглядным пособием в педагогической практике, но и замечательным и во многих случаях незаменимым орудием научного исследования. Можно смело сказать, что многие научные открытия были сделаны благодаря киносъемочному аппарату.

Человеческий глаз хотя и является весьма совершенным оптическим прибором, но все же значительно ограничен в своей способности к наблюдению и закреплению в памяти быстрых движений. Более того, многие важные физические процессы, протекающие чрезвычайно быстро, совершенно не доступны для непосредственного наблюдения глазом. А между тем наука и техника в своей повседневной практике весьма часто встречаются с быстрыми движениями; таковы, например, быстрые движения отдельных частей механизмов, моторов, пропеллеров, движения воздушных и водных потоков, вспышки и взрывы, полет птиц, самолетов, снарядов, бомб и т. д.

Все подобные движения и действия разглядеть и изучить в естественных условиях невооруженным глазом невозможно, поэтому ученые и исследователи в течение долгого времени стремились найти способы, которые позволили бы наблюдать и изучать быстродвижущиеся тела.

*

Еще в 1882 г. французский профессор Марей построил для исследования полета птиц прототип современного киносъемочного аппарата. Этот аппарат, носивший название «фотографического ружья», дал возможность получать серии последовательных моментальных фотографий, т. е. фиксировать движущиеся предметы в ряде отдельных положений. В дуле «фотографического ружья» Марея помещался длиннофокусный фотообъектив, и в «казенной» части — диск с 12 фотографическими пластинками, расположенными по его окружности, и специальный быстродействующий фотографический затвор. При помощи своего «фоторужья» Марей получал снимки летящей птицы.

Еще в 1882 г. проф. Марей построил дли исследования полета птиц прототип современного киносъемочного аппарата —  «Фотографическое ружье».

Своими съемками Марей внес впервые некоторую ясность в определение сущности явлений, происходящих при гребном полете. По снимкам ему удалось проследить перемещение крыльев птиц в полете и установить, что при опускании крыльев вниз, уменьшая угол атаки, птица заносит крылья вперед и в этот момент несколько снижается; при взмахе же крыльев вверх, увеличивая угол атаки, птица заносит крылья назад и поднимается.

До исследований Марея по этому вопросу существовало большое число разноречивых мнений. Многие считали, что, наоборот, именно при ударе крыльями о воздух птица поднимается. На основе же серийных фотоснимков Марея в дальнейшем была разработана правильная теория гребного полета.

*

Сущность кинематографической съемки, как известно, состоит в том, что при помощи специального аппарата на длинную целлулоидную ленту фотографическим путем наносятся изображения отдельных моментов происходящего перед аппаратом действия.

Киносъемку можно представить как процесс разложения движущейся картины на отдельные неподвижные (статические) фазы.

Кинопроекция изображений на экран является обратным процессом — синтезом движущейся картины: последовательно представляемые нашему глазу отдельные фотоснимки сливаются в единую движущуюся картину.

В своей основе кинематограф имеет два свойства, которые делают его во многих случаях незаменимым орудием исследования.

Первое свойство кино — это его способность фиксировать явление так, как оно происходит в действительности.

Всякое физическое явление возможно запечатлеть на пленке; пленка сохранит изображение на долгие годы. Заснятую картину можно воспроизвести на экране любое число раз и детально изучить заснятый процесс.

Просматривая киноленту кадрик за кадриком и производя необходимые измерения по снимкам, можно получить точные данные для графического выражения скоростей и ускорений отдельных движущихся предметов, а также наблюдать картину их взаимодействия.

Справа: кусок киноленты, заснятой со скоростью 550 кадров в секунду. Слева: тот же процесс, заснятый с нормальной скоростью (24 кадра в секунду).

Возьмем для примера самый простой случай движения какого-нибудь тела по траектории любого вида и посмотрим, что может дать киносъемка для исследования этого движения. Засняв движущийся предмет киноаппаратом и проанализировав полученные снимки, мы можем точно определить форму пути (траекторию), по которому проходит тело, определить положение движущегося тела в отношении линии пути в ряде промежуточных моментов, построить график зависимости пути по времени, построить график ускорения, определить продолжительность всего процесса.

Если перед аппаратом работает какой-либо механизм, имеющий несколько движущихся деталей, то мы можем точно установить взаимодействие всех движущихся деталей, доступных для наблюдения с одной точки.

Киносъемочный аппарат французской фирмы Андре Дебри «Гранд витесс», делающий до 300 снимков в секунду.

Водяная капля, падающая на поверхность воды. Снято со скоростью 300 кадров в секунду. Видно, как упавшая капля вызывает отделение, от поверхности воды следующей капли.

*

Второе важное и замечательное свойство кино — это его способность замедлять или ускорять движение. Это свойство особенно важно для изучения быстрых или весьма замедленных процессов. И тут, пожалуй, ни один другой прибор или способ не в состоянии конкурировать с киноаппаратом.

Изменение «масштаба времени» заключается в том, что меняется соотношение скорости съемки и скорости проекции киноленты на экран. При нормальной киносъемке производится экспонирование 24 кадров (отдельных изображений на киноленте) в секунду; для того, чтобы на экране движение было воспроизведено в том же темпе, в каком оно происходило в действительности, через проекционный аппарат также должны пройти 24 кадрика в секунду.

Если же точное соотношение скоростей съемки и проекции будет нарушено, мы получим на экране или ускорение, или замедление движения.

Если, например, скорость съемки составляет 1 тыс. кадров в секунду, а скорость проекции равна 24 кадрам в секунду, то, следовательно, заснятое нами действие будет протекать на экране во столько раз медленнее, во сколько раз скорость проекции меньше скорости съемки. В данном случае мы получим на экране замедление движения в \(\frac{100}{24}=41,67\) раза.

Иначе говоря, какой-либо процесс, происходивший в действительности в течение 1 секунды, будет протекать на экране перед глазами исследователя в течение 40 с лишним секунд. Если, например, мы засняли бы со скоростью 1 тыс. кадров в секунду прыжок парашютиста, то на экране мы получили бы возможность весьма подробно рассмотреть и изучить все стадии процесса распускания купола парашюта.

По снимкам киноленты мы можем составить полную картину прыжка парашютиста и изучить все стадии процесса распускания купола парашюта.

Но не только быстрые движения помогает изучить кинематограф. Если какой-либо процесс протекает чрезвычайно медленно, в течение нескольких дней или, быть может, месяцев, то, наоборот, замедленная киносъемка дает возможность увидеть на экране продолжительный процесс в течение нескольких минут. Так, например, можно наглядно показать все стадии и характер процесса старения материала или процесса роста растения.

*

Области применения киносъемки с научно-исследовательской целью чрезвычайно обширны. Приведем несколько примеров.

При испытаниях двигателей внутреннего сгорания очень важно получить возможность разглядеть взаимодействие отдельных частей двигателя во время его быстрой работы. Это помогает выяснить те незначительные на первый взгляд дефекты, которые в общей сложности сильно сказываются на мощности или продолжительности работы двигателя. Невооруженным глазом невозможно, конечно, наблюдать за работой кулачка на распределительном валике, который может неправильно взаимо-

действовать с клапаном двигателя. Высокочастотная киносъемка приходит здесь на помощь и дает возможность конструктору установить правильность формы кулачка, а также соответствие или несоответствие силы клапанной пружины.

При исследованиях дизельмоторов необходимо изучить картину впрыскивания горючего в цилиндр мотора и процесс воспламенения и сгорания. Эта задача также весьма просто решается при помощи высокочастотной киносъемки.

Процесс резания металла, характер и последовательность образования трещин при испытаниях на предельные нагрузки различных деталей, процесс электросварки и т. п. — все это поддается исследованию методом киносъемки.

Интересны исследования процесса закалки металлов при помощи киносъемки. Для выяснения принципиальной разницы между закалкой металла в соленой и пресной воде была произведена киносъемка со скоростью 800 кадров в секунду. На снимках можно было ясно увидеть, как от закаливаемого куска металла отлетают кристаллики соли, осевшие сначала на его поверхности при испарении жидкости. Очевидно, эти отлетающие кристаллики и способствуют более быстрому отводу тепла от закаливаемой детали. В пресной же воде охлаждение протекает медленнее, так как сама вода является плохим проводником тепла.

Высокочастотная киносъемка значительно облегчает усовершенствование и разработку нового огнестрельного оружия.

Кинематографом пользуется и современная аэродинамика. При помощи особой оптической системы можно получить на снимках картину воздушных волн и завихрений, например, можно заснять летящую пулю и образуемые ею воздушные волны.

Мы уже упоминали о работах проф. Марея по фотографированию летящих птиц. Сейчас производится съемка не только птиц, но и насекомых. Например, проф. Маньян (Франция) снимал различных насекомых в полете (жучков, мух, стрекоз). На основе изучения этих снимков были составлены схемы движения их крыльев во время полета.

Таким образом, кинематограф дает новые данные, которые позволяют совершенствовать современные летательные аппараты и работать над созданием автожиров, геликоптеров, геликостатов, мускулетов и т. п.

*

Многие ученые называют высокоскоростной киносъемочный аппарат «лупой времени» за его способность фиксировать такие подробности, которые недоступны непосредственному наблюдению.

Весьма большое значение имеют высокочастотные киносъемки для выяснения причин, по которым возникает пожар самолета при ударе его о землю во время посадки на большой скорости с работающим мотором.

В самом начале применения самолетов почти каждая авария при неудачной посадке заканчивалась пожаром и гибелью летного состава. В 1922 г. материальный отдел военно-воздушного флота США построил специальную подвесную дорогу с крутым наклоном и толстой бетонной стеной у ее нижнего конца. Сверху спускался самолет с работающим мотором и разбивался о бетонную стену. Весь этот процесс заснимался киносъемочным аппаратом со скоростью от 500 до 1 тыс. кадров в секунду. Эти съемки показали основные причины возникновения пожаров на самолетах. Теперь все современные авиаконструкторы используют в своей работе те результаты, которые были получены при этих испытаниях.

*

Киносъемочный аппарат оказался также весьма полезен для определения прогиба крыла самолета при различных нагрузках. Раньше подобного рода испытания производились на земле примитивным способом: самолет переворачивался вверх колесами и на крылья накладывались мешки с грузом; затем вычерчивалась кривая зависимости изгиба крыла от величины нагрузки, после чего экспериментальная кривая сравнивалась с кривой, вычисленной теоретически. Такого рода испытание весьма сложно, особенно это относится к тяжелым типам машин, ведь их также пришлось бы переворачивать на спину!

Применение киносъемочного аппарата весьма упрощает такие испытания. Одновременно кинематографический метод предотвращает всякую возможность ошибок. Для такого опыта киносъемочный аппарат укрепляется на самолете таким образом, что объектив направляется вдоль крыла. На конце крыла устанавливаются две вертикальные шкалы: одна у передней кромки крыла, а другая у задней. В кадровой рамке съемочного аппарата укрепляется тонкая проволочка, служащая индикатором. Расположена она таким образом, что проходит поперек изображений шкал, укрепленных на крыле.

В полете, когда самолет переходит в, пике, съемочная камера пускается в ход. Как только самолет достигает определенной скорости, он выравнивается, а киносъемочная камера фиксирует на пленке все отклонения крыла. По результатам съемки можно построить график зависимости прогиба крыла от нагрузки, а также определить жесткость крыла, т. е. его противодействие закручиванию.

*

Несколько лет назад испытания новых самолетов основывались только на личных наблюдениях летчика-испытателя. Естественно, что такое ответственное и трудное испытание, как, например, испытание самолета на прочность путем ввода его в крутое нике и вывода из пике при большой скорости, зависит во многом от психофизических качеств пилота, который не в состоянии иногда вести точный контроль за показаниями приборов. Во время такого опытного полета летчик-испытатель должен произвести различные наблюдения и записать целый ряд показаний всевозможных приборов, как, например: прогрессивность увеличения скорости, обороты мотора, направление, угол подъема и угол выравнивания, высоту, скорость воздуха, максимальное ускорение, требуемую мощность, потерю высоты и т. д.

Полагаться на память пилота в данном случае весьма трудно. И чтобы осуществить точную запись показаний всех приборов, применяется киносъемочный аппарат, который во время такого сложного полета периодически регистрирует все показания приборов, установленных на приборной доске в кабине летчика или летнаба. После проявления заснятой киноленты можно по снимкам прочесть все показания приборов, соответствующие любому моменту полета.

Киносъемкой пользуются для получения точной картины образования волны и брызг от фюзеляжа или поплавков гидросамолета, для определения скорости взлета или посадочной скорости, момента торможения при посадке и т. п.

*

Для высокочастотных киносъемок применяются аппараты особых конструкций, так как обычные киноаппараты дают возможность производить съемку со скоростью не более 50 кадров в секунду. Так как стандартная скорость проекции равна 24—25 кадрам в секунду, то, следовательно, при помощи нормального киносъемочного аппарата мы можем получить лишь двукратное замедление движения на экране. Большие скорости съемки возможны лишь особыми аппаратами, имеющими равномерное, а не прерывистое, как в нормальных аппаратах, движение пленки. Для получения резких (не смазанных) снимков эти аппараты снабжены специальным устройством — оптическим компенсатором — или же работают по принципу чрезвычайно коротких экспозиций.

Какое же максимальное число изображений в секунду можно получить при помощи высокочастотных киносъемочных аппаратов?

«Искровой кинематограф» проф. Булля, делающий до 100 тыс. снимков в секунду. Аппарат предназначен для съемки полета насекомых (жуков, мух, стрекоз). Образцы кинокадров, заснятых аппаратом Булля, — полет стрекозы.

В настоящее время уже достигнута частота в 3 млн. изображений в секунду (при помощи электрических искр). С такой частотой производились, например, снимки полета снаряда, чтобы определить его скорость при вылете из ствола орудия. Снимки, сделанные с подобной чудовищной скоростью, имеют ничтожные размеры — каждый снимочек занимает всего 3—4 кв. мм. Такие снимки нельзя пропускать через проекционный киноаппарат, нельзя даже сделать более или менее удовлетворительного увеличения на фотографической бумаге. Такая съемка имела одну лишь цель: определить скорость полета снаряда, а для этого не нужно видеть подробно все детали снаряда, а достаточно только отсчитать число снимков, на которых он запечатлелся, и, зная частоту съемки, легко определить скорость полета снаряда.

Схема движения крыльев мухи, составленная по материалам киносъемки.

Снимок автоматического револьвера. Этот снимок сделан с целью изучить действие выбрасывателя отработанных гильз.

Снимок летящей пули. Видны также воздушные волны, образуемые ею. Это достигнуто при помощи особого оптического метода съемки.

Это кадр киноленты, заснятой по методу высокочастотной съемки. На снимке видно, как молоток разбивает электролампочку.

Если съемка производится на кинокадр нормального формата (18×24 мм), то в этом случае практическим пределом следует считать скорость в 1500 кадров в секунду. Такая скорость позволяет замедлять движение на экране более чем в 60 раз.