Николай Вершинский - Окно в подводный мир
Уже довольно давно американскому физику Вуду удалось определить поле зрения глаза рыб. С помощью ряда остроумных опытов он нашел, что поле зрения каждого глаза рыбы составляет около 180°. Это очень много — видеть в целой полусфере одним глазом. Для сравнения можно сказать, что поле зрения человеческого глаза в воздухе не составляет и двух третей поля зрения рыбы. Если вспомнить, что глаза у рыб расположены по бокам головы, то надо признать, что рыбы могут видеть одновременно вперед и назад, т. е. просматривать почти все окружающее их пространство воды. Столь широкое поле зрения необходимо и при подводных телевизионных наблюдениях. Но современная оптика подводного телевидения еще далека от достижения этой цели, хотя, судя по сообщениям печати, уже имеются камеры, поле зрения которых в воде составляет несколько более 100°.
Использование передающей камеры с большим углом зрения позволяет сразу увидеть большой участок поверхности. Это особенно важно при проведении контрольных наблюдений в портах, где обычно вода мало прозрачна и поэтому передающую камеру нельзя отнести подальше от осматриваемого судна. Созданы объективы с углом зрения в 180° (в воздухе), но в подводном телевидении они пока не применяются Причиной этого является ряд недостатков, в том числе малая светосила.
А телевидение под водой нуждается в светосильных объективах, так как вследствие значительного ослабления света его под водой не хватает для обеспечения нормальной работы передающей трубки.
Каково же цветное зрение рыб? Кандидат биологических наук В. Р. Протасов нашел, что спектральная чувствительность глаз рыбы не охватывает всего видимого человеку светового диапазона. У разных рыб имеется различная чувствительность по спектру. Например, рыбы, проводящие всю жизнь в чистых «голубых» водах (например, акула), совершенно не видят красных лучей. Глаза других рыб, как, например, живущего в мутной воде сома, наоборот, имеют максимум чувствительности в области красных лучей. Максимальная спектральная чувствительность глаз различных рыб примерно совпадает с максимальной прозрачностью воды, в которой живет данный вид.
Итак, рыбы довольно хорошо приспособлены для видения в воде, чего нельзя пока сказать про современные передающие трубки.
«ДАЙТЕ МНЕ ТОЧКУ ОПОРЫ!..»
Это восклицание, приписываемое знаменитому ученому древности Архимеду, мы не раз вспоминали при разработке механизма для поворота передающей камеры в воде. Предание говорит, что Архимед был намерен с помощью рычага сдвинуть земной шар. Наша задача была значительно скромнее: требовалось лишь найти способ уверенного управления в воде положением маленькой передающей камеры. Однако и это оказалось не так уж просто.
Как это часто бывает в науке, над решением одной задачи одновременно работали в разных странах.
Видимо, одним из первых некоторых успехов в этой области добился Торрингтон, в Канаде. Он использовал для поворота своей камеры гребные винты, приводимые в движение небольшими электромоторами. Камера Торрингтона имела три таких винта, которые и обеспечивали ее поворот в различных направлениях. Но этот способ не очень удобен по нескольким причинам. Например, для того чтобы удержать камеру под водой в определенном направлении, необходимо часто подрабатывать винтами. При наличии течения или волнения может случиться так, что придется заставлять винты работать непрерывно. И это тоже очень неудобно. Работающие винты создают вокруг струи воды, которые могут распугать наблюдаемых животных, а при наблюдениях: у дна струи от винтов могут поднять ил со дна и взмутить воду. Кроме того, работающие винты создают шум, который иногда может быть очень нежелательным. Надо было найти какой-то другой, лучший способ.
Английские ученые предложили использовать принцип перископа. В этом случае сама передающая камера с трубкой остается неподвижной, а вращается перископическая головка. Но и у этого способа есть свои недостатки. Наблюдаемый предмет может оказаться за пределами поля зрения камеры. Кроме того, во многих случаях желательно, чтобы поворачивалась вся камера целиком. Это совершенно необходимо, например, если на самой камере укреплены ловушки для отлова наблюдаемых животных.
Почему нельзя точно управлять движениями камеры в воде? Нет точки опоры. Вот когда мы вспомнили Архимеда! Камера висит на конце длинного и относительно тонкого троса или кабель-троса. Ни тот, ни другой не обладают достаточным сопротивлением на скручивание. Если взять электрический моторчик, подвесить его на конце длинного троса, а к его валу прикрепить передающую* камеру, то при включении моторчика в сеть начнет вращаться… Как вы думаете, что? Вопреки ожиданию, вертеться начнет… статор мотора! Он будет закручивать трос, на котором подвешен, а передающая камера будет оставаться на месте! Происходит это потому, что момент инерции у тяжелой камеры обычно значительно больше момента инерций легкого электромоторчика. Но если сделать момент инерции поворотного устройства во много раз больше, чем момент инерции передающей камеры, то с помощью мотора камера сможет поворачиваться.
Как, однако, это сделать? Ведь увеличить момент инерции любого предмета — это значит увеличить его массу и увеличить расстояние этой массы от оси вращения. Но увеличить массу — значит сделать предмет более тяжелым. А это очень нежелательно. Передающая камера подводной телевизионной установки не должна весить на воздухе больше 50 килограммов, иначе с ней трудно обращаться во время качки судна. Массу механизма поворота желательно сделать по крайней мере в 10 раз больше массы камеры: десятикратное увеличение момента инерции камеры является минимальным. Лучше, если масса поворотного механизма будет больше, например, в 100 раз. Тогда при повороте камеры вращающий ее механизм будет оставаться практически неподвижным. Но в этом случае слишком уж тяжелой получается вся комбинация из камеры и механизма для ее поворота.
Выход был все же найден.
Любое тело, находящееся в воздухе или в воде, как бы присоединяет к себе некоторое количество окружающего его воздуха или воды. Иначе говоря, во всех движениях данного тела принимает участие некоторое количество окружающего его вещества. Присоединенная масса зависит от формы тела. Для тел хорошо обтекаемой формы она мала. Наоборот, для тел плохо обтекаемой формы присоединенная масса велика. Например, для хорошо обтекаемого тела веретенообразной формы (для дирижабля) присоединенная масса (вычисленная от его объема) составляет всего лишь 8 процентов. У шара присоединенная масса равна 50 процентам, а для плоской пластинки она еще больше. Вот эту-то массу и удобно использовать для стабилизации механизма поворота. Следует лишь снабдить его кожух плоской пластинкой достаточных размеров. При погружении в воду к пластинке присоединится значительная масса окружающей ее воды — и необходимый высокий момент инерции обеспечен. А поднимать и спускать камеру будет нетрудно, так как стабилизатор из легкого сплава весит мало!
Первый опыт мы сделали в лаборатории. Вместо передающей камеры Александр Сергеевич Абрамов, инженер и главный механик лаборатории, взял кусок здоровенной трубы из красной меди и подвесил ее к потолку на тонком тросе. Труба повисла над полом в горизонтальном положении. К трубе снизу он прикрепил электромоторчик с редуктором, на выходном валу которого укрепил в качестве стабилизатора флажок из фанеры. Под трубу снизу подставил большой противень с водой, в которую погрузился флажок. Большинство сотрудников лаборатории с недоверием смотрело на странное сооружение. Но при включении тока в цепь моторчика тяжеленная труба вдруг начала медленно вращаться! Правда, стабилизатор в воде тоже не оставался на месте. Но все же это был успех.
Были сделаны необходимые вычисления, и конструктор Б. Рыхлов разработал компактный механизм, который был способен поворачивать шаровидную передающую камеру в море.
Спустя несколько месяцев мы производили испытания нового устройства в Голубой бухте. В чистой воде у борта экспедиционного судна «Форель» было хорошо видно, как большой и тяжелый стальной шар, повинуясь воле оператора, поворачивался в любом направлении: вправо и влево, вверх и вниз; а большой стабилизатор, прикрепленный к корпусу, в котором был заключен механизм, оставался практически неподвижным. Стоял, что называется, как вкопанный. Это была уже настоящая победа!
Присоединенная масса, многим казавшаяся мифической, работала великолепно!
ОТ САНЕЙ К ПОДВОДНОМУ ВЕРТОЛЕТУ
Представим себе, что мы решили осмотреть с помощью подводной телевизионной установки какой-то участок морского дна. Для этого мы спустим передающую камеру в море, попросим капитана дать самый малый ход и будем буксировать нашу камеру. Но дно моря редко бывает ровным, и очень скоро может случиться так, что иллюминатор камеры зароется в ил, а то. еще хуже, камера ударится о скалу. Как же надо поступать, чтобы этого не случилось? Первоначально мы применили для буксировки камеры… сани. Да, более или менее обычные стальные сани, которые едут на буксире у судна по морскому дну, а на санях укреплена передающая камера, объектив которой смотрит на дно.
