Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2001 № 10
Положим, что к моменту отрыва воздух в цилиндре остыл и температура его снизилась до 20 градусов. Тогда давление в цилиндре снизилось примерно в пять раз. На каждый квадратный сантиметр поршня будет действовать избыточная сила атмосферного давления в 0,8 кг.
Теперь найдем площадь поршня. Мера длины «локоть», примененная Леонардо, не ясна. В разных странах и в разные времена она могла составлять от 38 до 48 см. Исторические изыскания оставим для знатоков, а для простоты расчета примем локоть за 40 см. Тогда, умножив площадь поршня в см на 0,8 кг, получаем, что тепловая подъемная машина Леонардо да Винчи могла оторвать от земли груз в… одну тонну.
Неплохо? Наука еще ничего не знала об атмосферном давлении и свойствах газов, но Леонардо попал в цель.
Почти двести лет спустя над подобным устройством стал работать англичанин Денни Папен. Первоначально в цилиндре его двигателя вакуум создавался сгоранием пороха.
Но после нескольких взрывов Папен нашел другое решение. Он додумался наполнить цилиндр водяным паром. После охлаждения пар конденсировался, в цилиндре создавался вакуум, и поршень втягивался в цилиндр. На этом принципе впоследствии работали паровые машины Ньюкомена, которые почти на протяжении ста лет откачивали воду из шахт Англии. Таким образом, идея Леонардо удалять из цилиндра воздух посредством тепла и использовать возникающую при этом силу нашла применение.
Во времена Леонардо да Винчи построить его подъемную машину было нелегко. Трубы тогда не выпускались заводским способом. Цилиндр пришлось бы отливать подобно пушечному стволу. Канал его получался кривым и неточным. Если бы для него сделали металлический поршень, то зазор между стенками достигал бы сантиметра и машина не смогла бы работать. Но Леонардо это предусмотрел. Он упоминает слово «кожа». Речь, видимо, идет о поршне с кожаной манжетой, которая давлением всегда прижималась к стенке цилиндра независимо от его кривизны. Трудно сказать, в каких случаях сегодня пригодилась бы такая подъемная машина, но модель ее была бы интересна.
На рисунке 1 приводим проект такой модели.
Цилиндр сделан из стальной трубы диаметром 30–40 мм. Он покоится на трех ногах из проволоки диаметром 6 мм. Они заделаны в отверстия фланца, припаянного к нижней части трубы. Немного выше расположено отверстие для зажигания топлива. Оно имеет коническую форму и закрывается резиновой пробкой. Вверху — крышка на петле, также припаянной к трубе. В ее нижнее отверстие входит поршень с кожаной манжетой (рис. 3).
Остановимся на способе ее изготовления путем выдавливания. Для этого нужны слесарные тиски, колечко, отрезанное от трубы, из которой сделан цилиндр, точеная деревянная пробка и кусок кожи от сапога. Пробка должна входить в кольцо с зазором, равным толщине имеющегося куска кожи. Кромка ее должна быть закруглена и зачищена шкуркой.
Точно так же нужно обработать с внутренней стороны одну из кромок кольца.
Кусок кожи положите на ночь в холодную воду, а утром можете приступить к изготовлению манжеты (рис. 2).
Кольцо и пробку предварительно смажьте машинным маслом. Затем, положив кусок кожи шершавой стороной наружу, попытайтесь при помощи пробки вдавить его в кольцо. Это вам удастся лишь частично. После этого поставьте заготовку в тиски и плавно, без резких движений, вдвиньте пробку в кольцо до конца. В таком состоянии заготовка должна оставаться в тисках сутки — до полного высыхания кожи. После этого срежьте с краев излишек кожи и разберите приспособление. Должна получиться аккуратная кожаная манжета для поршня. Остается пропитать ее маслом и прикрепить к подъемному штоку.
Приступая к опытам, будьте осторожны. Все работы ведите в присутствии преподавателя. В качестве топлива используйте клок ваты с эфиром, как это делают медицинские сестры, ставя банки. Зажечь вату в цилиндре можно при помощи газовой зажигалки, а еще лучше — миниатюрной ювелирной горелки.
Успех опыта зависит от того, насколько быстро вы успеете закрыть все отверстия. Чем больше диаметр цилиндра, тем больше у вас будет на это времени: недаром Леонардо предлагал взять цилиндр диаметром в один локоть. Внимание! Применять порох или любые кислородосодержащие смеси абсолютно недопустимо!
Продемонстрировать четкую работу тепловой подъемной машины будет нелегко. Но ваши возможности велики, Леонардо рад был бы оказаться на вашем месте!
А.ИЛЬИН
ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Спецсигнал для «спецвилосипеда»
Лето кончилось, но, как говорится, готовь телегу зимой. В данном случае речь о велосипеде, точнее, о безопасности велосипедиста. Самая большая угроза — движущийся автотранспорт. Фара светит вперед и мало заметна. Кроме того, генератор для питания фары заметно тормозит движение, особенно не разгонишься. Сделать велосипедиста заметнее на дороге поможет задний фонарь. Но если в нем будет лампа накаливания, то нужна мощная батарея или тот же генератор, тормозящий движение.
Куда эффективнее проблесковый маячок на светодиоде. Для его работы достаточно одной пальчиковой батареи, а специальный генератор подаст на светодиод короткие, но мощные импульсы.
Обычно падение напряжения на светодиоде составляет примерно 1,6–1,8 В, и одной пальчиковой батарейки для его свечения было бы недостаточно. На рисунке 1 приведена схема питания светодиода с использованием удвоения напряжения питания.
Генератор на транзисторах разной проводимости (p-n-p и n-p-n) типа КТ3107Б и КТ3102Ж вырабатывает низкочастотные импульсы, поступающие на светодиод. Частота следования импульсов составляет около 0,5–1 Гц и определяется элементами R1 и С1, а продолжительность вспышки — элементами R2 и С1. С выхода генератора (транзистор VT2) короткие импульсы через резистор R4 подаются на базу транзистора VT3, в коллекторную цепь которого включен светодиод HL1 красного цвета (АЛ307КМ) и диод VD1.
Между выходом генератора импульсов и точкой соединения светодиода с диодом подключен накопительный конденсатор С2 большой емкости.
В период паузы между импульсами (транзистор VT2 закрыт и не проводит ток) конденсатор С2 заряжается через диод VD1 и резистор R3 до напряжения источника питания. Закрыт соответственно и транзистор VT1, так как потенциал на его базе мал. Время закрытого состояния транзисторов определяется процессом заряда конденсатора С1, при достижении нужного потенциала транзисторы VT1 и VT2 открываются, и происходит генерация короткого импульса. Отрицательно заряженная обкладка конденсатора С2 оказывается соединенной с положительной шиной питания через открытый транзистор VT2, диод VD1 запирается, и конденсатор С2 оказывается подключенным последовательно с источником питания. Импульс генератора отпирает транзистор VT3, и сопротивление между его К и Э становится малым, поэтому суммарное, практически удвоенное напряжение прикладывается к светодиоду. Следует яркая вспышка, накопительный конденсатор С2 разряжается. После этого процесс заряда-разряда конденсаторов С1 и С2 периодически повторяется.
Светодиоды допускают работу без повреждения при кратковременном импульсном токе, превосходящем номинальное значение. Для повышения надежности работы светодиодного излучателя с низковольтным питанием и расширения диапазона напряжения питания можно подбирать величину резистора R4, который позволяет ограничить ток светодиода.
Еще большую яркость вспышки светодиода можно получить при увеличении напряжения питания. Например, запитать генератор от двух аккумуляторов и периодически заряжать их.
Но поскольку аккумуляторы (например, типа ЦНК-0,45) имеют напряжение 1,25 В, следует увеличить величину резистора R1.
Любопытная особенность схемы такого генератора импульсов состоит в том, что она может работать при изменении полярности элементов. То есть светодиод и диод VD1 включаются наоборот, изменяется полярность включения конденсатора С2, а транзисторы p-n-p типа меняются на n-p-n и, соответственно, n-p-n типа на p-n-p. Изменяется и полярность подаваемого питающего напряжения.
Такая схема показана на рисунке 2.
Все резисторы малогабаритные мощностью 0,125 — 0,25 Вт типа ВС, МЛТ, ОМЛТ или С2-33. Конденсаторы типа К50-35 или аналогичные импортные на самую низкую величину рабочего напряжения — 6,3 или 10 В. Можно поставить и с большим рабочим напряжением, но они больше по размерам. Вместо транзисторов КТ3102А, К (n-p-n типа) можно применить КТ315Б, Г, Е, Н, Р, а вместо КТ3107А, Л (p-n-p типа) — КТ361Б, Г, Е, Ж, К или лучше КТ209В, Е, К. Следует иметь в виду, что схема будет работать лучше с транзисторами, имеющими большую величину коэффициента усиления. Светодиод красного цвета типа АЛ307КМ — самый яркий из доступных, и его можно заменить только на АЛ307ЛМ. При этом сила света может увеличиться почти в 4 раза. Еще возможен вариант применения импортного сверхяркого светодиода или отечественного типа АЛ336Б (или, еще лучше, АЛ ЗЗ6К).
