Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
В помощь читателю
Миллисекунды
Микросекунды
Остановившийся мир
И всё-таки он движется!
Пределы механического затвора
Наносекунды
Пикосекунды
Фемтосекунды
Аттосекунды
Зептосекунды
Йоктосекунды
От секунды до года
Астрономические времена
Сонолюминесценция
Фолдинг белков
Возбужденные атомы
Ядерные распады
Элементарные частицы
Движение континентов
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram





Главная / Масштабы: времена / Микросекунды / Пределы механического затвора

Микросекунды: 3. Пределы механического затвора

На микросекундном масштабе времен механическое движение замирает — и это создает значительные трудности для его экспериментального изучения. Предположим, мы хотим сделать фотоснимок какого-то микросекундного процесса. Пусть это будет не банальное мигание светодиода, а что-то более сложное, не слишком яркое и не слишком контрастное. Для того чтобы его запечатлеть, нам потребуется фотокамера с выдержкой в микросекунды. Конечно, сейчас, в эпоху электроники и оптотехнологий, это не такая уж и большая проблема. Но представим себе, что мы хотим сделать такой снимок по старинке, исключительно механическими методами, физически открыв и закрыв затвор камеры.

Модель механического затвора на пружинке

Модель механического затвора на пружинке

Рассмотрим простую физическую модель такого устройства. Пусть у нас есть маленькая, но жесткая сжатая пружина, на которой держится легкая непрозрачная шторка с прорезанным внутри нее окном. Мы отпускаем пружину, и она всю свою силу упругости тратит на разгон шторки. На короткое время перед фотопленкой проскакивает открытое окно, и таким образом на пленке запечатляется кадр с короткой выдержкой.

Нас интересует простой вопрос: какую по порядку величины выдержку можно достичь таким методом?

В подобных задачах-оценках точные численные величины обычно не даны, ведь это задачи «жизненные», нужные величины можно оценить и подставить самостоятельно. Попробуем это сделать. Типичные размеры устройства — сантиметры (для определенности: 4 см). Ширину окна возьмем равной d = 4 мм. Из повседневного опыта мы можем себе представить, насколько жесткими бывают маленькие пружинки. Положим, наша пружинка в момент максимального сжатия может выдавать силу 100 Н. К ней прикреплена шторка массой несколько грамм, да и сама пружинка сколько-то весит; примем для определенности полную массу разгоняемого груза в 5 грамм.

Когда мы отпускаем пружину, она распрямляется и разгоняет массу 0,005 кг силой в 100 Н. По второму закону Ньютона, ускорение получается a = F/m = 2·104 м/с2. Это в две тысячи раз больше ускорения свободного падения; иными словами, шторка испытывает перегрузки в 2000 g. Теперь по формулам равноускоренного движения находим максимальную скорость, которую приобретает эта шторка на дистанции L = 4 см: vmax = 40 м/с. Если окно проскакивает перед пленкой на последнем этапе разгона, то время экспозиции получается примерно t ≈ d/vmax = 100 мкс.

Итак, даже при таких довольно экстремальных механических параметрах мы только-только выбрались в область сотен микросекунд. Ни о каких единицах микросекунд тут речи нет. И это не какая-то особенность конкретной разобранной нами схемы, а общее правило — можно сказать, эмпирический закон природы:

раз механическое движение замирает на микросекундах, изучать такие времена с помощью механического же устройства нереально.

Преодолеть этот «механический барьер» можно либо с помощью электроники (как это и делается в современных сверхскоростных видеокамерах, способных выдавать порядка миллиона кадров в секунду), либо с помощью импульсного света. В первом случае свет на чувствительную матрицу падает всегда, но лишь оцифровывается в определенные короткие интервалы времени. А во втором случае изучаемый предмет находится в темноте и лишь однократно освещается коротким световым импульсом. В каком состоянии этот световой импульс застал прибор, в таком он и будет запечатлен на снимке. Сильно усовершенствованный вариант этой методики используется в методе накачки-зондирования, основной рабочей лошадки всей современной физики сверхбыстрых процессов.

Назад: И всё-таки он движется!  |  Далее: Наносекунды

 

Комментировать
 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия