Реферат: Эйнштейн: изобретения и эксперимент
Герман Аншютц родился в известной мюнхенской семье; "искусство и наука стояли у его колыбели": его дед был видным художником, профессором Мюнхенской академии искусств, а отец - профессором физики и математики. Аншютц начал свою деятельность как гуманитарий - степень доктора философии он получил в 1896 г. за исследование, посвященное творчеству венецианских художников эпохи Возрождения. Увлекшись затем идеей о достижении Северного полюса, он участвует в двух полярных экспедициях и в начале 1901 г. высказывает мысль о том, что добраться до полюса можно на подводной лодке. Возникает проблема: как проложить курс - ведь внутри стальной лодки магнитный компас не действует, да и вблизи полюса - тоже. И гуманитарий Аншютц берется за решение фантастически сложной задачи - за создание гирокомпаса.
Эта работа, чуждая его прежним склонностям и в какой-то мере случайно встретившаяся на пути увлекающегося Аншютца, становится основной в его жизни. От дальнейших полярных путешествий он отказывается (вскоре Северный полюс был покорен Р. Пири), но упорно занимается проблемой гирокомпаса. Уже в октябре 1902 г. он создает первую модель. О дальнейших успехах в этом направлении и о первых испытаниях гирокомпаса на кораблях Аншютц докладывает в Морской академии в Киле в 1904 г., а в следующем году, будучи человеком не только энергичным, но и состоятельным, основывает в Киле фирму "Аншютц и Књ". Процветание фирмы во многом определялось исключительной одаренностью ее создателя, которого К. Магнус (крупный немецкий механик, специалист по гирокомпасам) называет гениальным изобретателем.
Интересно, что успеха в создании гирокомпаса достиг человек, начинавший работу как дилетант. Это находится и прекрасном соответствии с замечанием Эйнштейна о том, как делаются открытия: все знают, что реализация некоей идеи невозможна, но вот находится человек, который этого не знает, и у него все получается!
В результате энергичных усилий Аншютца - организатора и изобретателя - в середине 10-х годов германский флот, в том числе и подводный, был оснащен гирокомпасами, получившими его имя. Гироприборы Аншютца нашли себе и другие применения, например при прокладке буровых скважин, строительстве шахт; его гирокомпас был установлен на знаменитом дирижабле "Граф Цеппелин". Во время одного из рейсов дирижабль сделал круг почета над домом Аншютца в Мюнхене в знак признания заслуг его хозяина. Кстати сказать, этот дом Зоммерфельд называл "бесподобным храмом искусства": Аншютц был известным коллекционером.
Работы Аншютца и его гирокомпасы получили широкую известность не только на его родине, но и за рубежом, в частности в нашей стране. О них с высокой похвалой отзывался академик А. Н. Крылов.
Фирма Аншютца приносила ее основателю значительный доход, который он использовал для создания многочисленных фондов, призванных оказывать содействие ученым и деятелям искусства. На его средства организовывались выставки, лекции, поездки ученых. В трудные инфляционные времена Германии начала 20-х годов средствами фонда Аншютца пользовался и Эйнштейн.
К 1926 г. после многолетних упорных трудов фирмой Аншютца был разработан и запущен в серийное производство весьма сложный и совершенный гироскопический прибор - прецизионный артиллерийско-навигационный гирокомпас, за которым закрепилось название "Новый Аншютц" (поскольку на флоте до этого был популярен другой гирокомпас той же фирмы). Это был поистине замечательный прибор, значительно превосходивший по точности, надежности, устойчивости при качке и сроку службы все другие модели гирокомпасов. Конструкция его была высоко оценена специалистами; он имел и чисто коммерческий успех.
В статьях и книгах по гирокомпасам, хоть сколько-нибудь касающихся истории создания этих замечательных приборов, непременино отмечается тот факт, что в разработке "Нового Аншютца" принял участие Эйнштейн. Пожалуй, с наибольшей определенностью высказался по этому поводу один из основоположников гирокомпасного дела в нашей стране - инженер-контр-адмирал профессор Б. И. Кудревич *, отметивший, что "Новый Аншютц" - "результат десятилетней совместной работы (Г. Аншютца. - Авт.) с профессором Эйнштейном". Как рассказал одному из авторов этой книги профессор И. И. Гуревич, в 30-х годах на флоте новый навигационный прибор даже называли компасом Эйнштейна-Аншютца (именно в этом порядке).
* Кудревич располагал информацией "из первых рук": в начале 1928 г. он был командирован в Германию, в частности для ознакомления с деятельностью фирмы "Аншютц и Књ".
Таким образом, причина частых визитов Эйнштейна в Киль как будто не вызывает сомнений - он сотрудничал с Аншютцем в разработке чудо-компаса. Но каков был конкретный вклад Эйнштейна в эту работу? К сожалению, об этом мало что известно. Нам встретилось лишь одно прямое указание, исходящее от уже упоминавшегося выше К. Магнуса *: "Центрирование шара, по совету А. Эйнштейна, с которым Аншютц был дружен, осуществлялось магнитным способом с помощью катушки, расположенной внутри гиросферы".
* Особую достоверность придает этому указанию тот факт, что Магнус был учеником М. Шулера, одного из основоположников гирокомпасного дела, который в период с 1908 по 1922 г. занимал руководящие посты в фирме Апшютца.
О чем тут идет речь, что это за гиросфера? Здесь нужно хоть немного рассказать о конструкции "Нового Аншютца".
Этот гироскопический прибор двухроторный - в нем механически связаны взаимно перпендикулярные оси двух вращающихся со скоростью 20 000 об./мин роторов, по 2,3 кг каждый (эти гироскопные роторы являются также роторами двух-, трехфазных асинхронных двигателей переменного тока). Оба гироскопа (ротора) помещены внутрь полой герметичной сферы (поэтому она и называется гиросферой), в которой, помимо них, находится ряд других конструкционных элементов.
При слове "гироскоп" большинству из нас наверняка рисуется известное устройство с быстровращающпмся ротором, ось которого закреплена в кольцах карданова подвеса. Конечно, карданов подвес, обеспечивающий ротору полную свободу поворотов вокруг трех взаимно перпендикулярных осей, - находка необычайно остроумная. Но для мореходного гирокомпаса такой подвес не годится: компас должен месяцами указывать строго па север, не сбиваться ни при штормах, ни при ускорениях и переменах курса судна. Однако точно сбалансировать карданову подвеску ротора невозможно; на гироскоп всегда будут действовать вращательные моменты, под влиянием которых ось ротора будет поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной вектору действующего вращательного момента. Одна из особенностей гироскопа заключается в том, что он интегрирует, накапливает такие толчковые отклонения.
Рис. Гироскоп с тремя степенями свободы
В результате с течением временя ось ротора (а именно она-то и является в гирокомпасе аналогом стрелки магнитного компаса) будет поворачиваться, или, как говорят моряки, "уходить". Недаром гироскописты любят рассказывать анекдот о том, как па заре гирокомпасного дела один такой прибор был установлен на самолете. Когда вылетевший из Берлина самолет приземлился в Голландии, пилот, исходя из показаний гирокомпаса, был уверен, что он прилетел в Швейцарию.
В "Новом Аншютце" кардановых колец нет - гиросфepa диаметром 25 см с двумя гироскопами (двухгироскопная система в отношении качки несравненно устойчивее одногироскопной) свободно плавает в жидкости, трение о которую практически нулевое; снаружи она не касается никаких подпорок, стенок и т.д. К ней даже не подходят электрические провода: они ведь способны передавать какие-то механические усилия и моменты. Естественно, у читателя может возникнуть законный вопрос: от чего же в таком случае "питаются" электродвигатели гироскопов? Найденному решению этой проблемы никак не откажешь в остроумии: у гиросферы имеются выполненные из электропроводного материала "полярные шапки" и "экваториальный пояс". Против этих электродов в жидкости находятся аналогичные, но неподвижные электроды, к которым подключены фазы электропитания. Жидкость, в которой плавает сфера, - это вода, в которую добавлено немного глицерина для придания ей антифризных свойств и кислоты, делающей воду электропроводящей. Таким образом, трехфазный ток "подается" в гиросферу прямо через поддерживающую ее жидкость, а затем уже изнутри (по проводам) разводится к статорным обмоткам гироскопных двигателей. При этом, конечно, приходится смириться с некоторым "перемешиванием" фаз в электропроводной жидкости.
Свободно плавающая в жидкости гиросфера, если бы мы не знали, что она начинена гироскопами, могла бы показаться просто чудом: она упорно и с огромной точностью устанавливается одним из своих диаметров в направлении север-юг (по нанесенным на нее делениям моряки и определяют это направление). Впрочем, это чудо сродни чуду "самопроизвольной" ориентации магнитной стрелки, столь глубоко поразившему Эйнштейна, по его признанию, еще в раннем детстве.
Но как же гиросфера может плавать в поддерживающей жидкости в полностью погруженном и безразличном состоянии? Для этого ведь, согласно закону Архимеда, должен соблюдаться совершенно точный баланс между ее весом и весом вытесненного раствора. Соблюсти такой баланс очень нелегко, но, даже если он и достигнут, неизбежные в этом случае температурные колебания (а следовательно, и изменения удельных весов) обязательно его нарушат. В результате шар либо вынырнет, либо пойдет ко дну. Кроме того, необходимо еще как-то сцентрировать гиросферу в горизонтальном направлении, не то она приткнется к одной из стенок окружающего сосуда и, таким образом, окажется уязвимой для толчков и ускорений, столь пагубных для точности показаний.
Именно на этом этапе объяснения устройства "Нового Аншютца" нам наконец становится понятной приведенная выше фраза Магнуса о конструкторском вкладе Эйнштейна в создание гирокомпаса. Эйнштейн придумал, как осуществить центровку гиросферы в вертикальном и горизонтальном направлениях. Его идея достаточно проста.
Рис. Схема индукционной подвески Эйнштейна
Вблизи дна внутрь гиросферы помещается кольцевая обмотка, подключаемая к одной из фаз поданного в шар переменного тока, сама же гиросфера окружается еще одной полой металлической сферой (с прорезями для наблюдения за делениями шкалы и для уменьшения ее закорачивающего действия по отношению к токам, проходящим через жидкость).
Создаваемое внутренней обмоткой гиросферы переменное магнитное поле наводит в окружающей ее, например алюминиевой, сфере вихревые токи. Согласно закону Ленца, эти токи стремятся воспрепятствовать изменению магнитного потока, которое произошло бы при любом смещении внутренней сферы относительно внешней. При этом происходит автоматическая стабилизация гиросферы. Если она, например, в результате повышения температуры стала тонуть (ведь удельный вес жидкости при нагревании вследствие ее расширения уменьшается), зазор между донными частями сфер сократится, отталкивающие силы возрастут (они обратно пропорциональны квадрату ширины зазора), так что гиросфера по высоте не сместится, а останется на старом месте. Аналогичным образом стабилизируется гиросфера и в горизонтальном направлении.
Мы видим, что переменное электромагнитное поле эйнштейновской обмотки центрирует и поддерживает гиросферу; оно принимает на себя ту часть ее веса, которая не скомпенсирована архимедовой выталкивающей силой. Недаром эту обмотку конструкторы назвали обмоткой "электромагнитного дутья": подобно тому как воздушная подушка создается воздухом, нагнетаемым вентилятором, так и электромагнитное поддерживание можно образно представить себе "выдуванием" обмоткой магнитных силовых линий.
В различных отраслях современной техники все болев широкое применение находят сейчас исключающие трение и касание способы подвески, при которых подвешиваемый объект парит, или, как теперь часто говорят, левитирует. Существуют магнитные, электростатические подвески; большое внимание привлекает в наши дни сверхпроводящая магнитная подвеска (ее действие основано на том, что сверхпроводник "не пускает в себя" магнитное поле), которую уже в недалеком будущем планируется использовать в системах скоростного наземного транспорта.
Странно было бы, если бы современная техника обошла стороной подвеску на вихревых токах. И действительно, такая подвеска - ее теперь принято называть индукционной электромагнитной - используется. Все шире применяют сейчас так называемую бестигельную плавку металлов и полупроводников, основанную на том, что переплавляемую массу удерживает переменное электромагнитное поле находящейся под ней катушки (индуктора), по которой проходит переменный ток высокой частоты. Это же переменное магнитное поле, наводя мощные вихревые токи, расплавляет вещество. Таким способом получают высокочистые (ведь плавка идет в вакууме и раскаленный тигель - обычный источник загрязнений - отсутствует) кремний, германий, алюминий, олово, а также такие тугоплавкие металлы и сплавы, тигли для плавки которых создать невозможно.
С проникновением левитации в технику возник и интерес к систематизации соответствующих устройств, к сбору имеющейся по этому вопросу литературы (пока еще не слишком обширной). В 1964 г. в Англии в серии библиографических обзоров по узлам приборов и устройств вышел один специально посвященный магнитным и электрическим подвескам, в котором собрана, видимо, вся имевшаяся на то время информация по подобным системам, начиная с доклада, прочитанного в 1839 г. в Кембридже С. Ирншоу, "О природе молекулярных сил, управляющих состоянием светоносного эфира", - доклада, в котором была сформулирована знаменитая теорема Ирншоу о невозможности стационарной подвески тел в постоянном электрическом или магнитном поле.