Наблюдение быстрых движений

Если нужно произвести наблюдение за быстро-вращающимся валом, то пользуются прибором, который называется стробоскопом.

Чтобы понять действие этого прибора, начнем с кино.

Движущееся изображение на экране, как известно, складывается из быстро сменяющих друг друга (24 раза в секунду) неподвижных изображений. В те мгновения, когда лента передвигается на один кадр, объектив киноаппарата закрыт специальной заслонкой— обтюратором. Однако наши глаза не успевают заметить этого, и мы видим на экране четкое движущееся изображение.

Проделайте во время киносеанса такой опыт. Быстро проведите перед глазами вытянутой рукой с раздвинутыми пальцами. Вам покажется, что силуэт руки движется скачками.

Почему это происходит? Вы видите движущуюся руку в момент, когда обтюратор пропускает на экран свет. Когда же наступает на мгновение темнота, рука хотя и продолжает двигаться, но не будет видна. При следующей вспышке света вы видите руку уже на новом месте и т. д. В те промежутки времени, когда рука движется в темноте, она выпадает из наблюдения и вам кажется, что рука движется не плавно, а скачкообразно.

Напряжение в электросети имеет частоту 50 периодов в секунду. Электрическая лампочка вследствие этого 100 раз в секунду загорается и гаснет. И, хотя ее волосок не успевает полностью охладиться, все же небольшое ослабление света происходит. В этом легко убедиться на опыте.

Сделайте из толстого белого картона кружок диаметром 4 сантиметра. Нарисуйте на нем черной тушью четыре одинаковых сектора, чередуя их с такими же по размен рам белыми секторами. Проткните центр кружка спичкой — получится волчок.

Запустите его при электрическом свете. В определенный момент, когда волчок несколько замедлит свое вращение, на поверхности его диска появятся темные секторы, вращающиеся в ту же сторону, что и волчок. Далее вращение секторов постепенно замедляется, затем после мгновенной остановки изображение секторов начинает вращаться все быстрее и быстрее, но в обратную сторону.

Это явление объясняется так: если за одну сотую долю секунды, когда свет немного ослаб, диск волчка повернулся точно на четверть оборота, то в следующий момент, когда свет загорается ярче, мы увидим рисунок секторов без изменений, точно в таком же положении, как и накануне затемнения. Так как секторы нарисованы совершенно одинаковые, никто не заметит, что каждый черный сектор передвинулся на место такого же черного соседнего сектора. Поэтому у нас создается впечатление, что диск стоит на месте. Но если диск волчка за момент затемнения поворачивается не на четверть оборота, а немного больше или меньше, то происходит постепенное набегание лишних или вычитание недостающих долей круга, и нам будет казаться, что секторы вертятся либо по ходу вращения волчка, либо против его вращения.

Эти три случая и показаны на схеме, где цифрами 1, 2, 3, 4 обозначены спицы «колеса», сплошной стрелкой — его вращение, пунктирной — кажущееся вращение спиц.

При дневном освещении, при свете керосиновой лампы или при освещении от источника постоянного тока описанного явления не произойдет.

Проделав этот же опыт при лампе дневного света, можно получить особенно хороший результат. В такой лампе происходит полное погасание, потому что не сказывается сглаживающее влияние раскаленного волоска.

Проделайте еще один опыт. Изготовьте из толстого картона диск диаметром 20–22 сантиметра, прорежьте в нем на равных расстояниях 12 отверстий в виде вытянутых от края диска к его центру трапеций. Размер этих трапеций должен быть примерно такой: высота — 5 сантиметров, ширина оснований — 2 и 1 сантиметр. Насадите диск на граненый карандаш и, быстро вращая его, смотрите сквозь его прорези на запущенный волчок с четырьмя нарисованными секторами.

Регулируя скорость вращения большого диска, можно добиться, что нарисованные секторы будут либо стоять неподвижно, либо вращаться в ту или другую сторону.

Обтюратор перед съемочным киноаппаратом, подобно диску в только что проделанном опыте, искажает характер вращения колес со спицами.

Для того чтобы измерить скорость вращения вала, на него надевают диск с черными секторами и освещают прерывистым светом. Зная частоту вспышек света, вычисляют скорость вала.