Вы знаете как работают кварцевые часы?
Как работают часы? Очень просто, скажете вы, заводим пружину, а она, раскручиваясь, передвигает стрелки с помощью шестеренок. А почему стрелки движутся так равномерно? А чем объясняется равномерность их движения в старых часах с гирями и маятником, где они перемещаются благодаря опусканию груза? Ответить на это легко в любых часах равномерный ход обеспечивает устройство, действующее по принципу резонанса.
Но что такое резонанс? Вы давно с ним знакомы, хотя и не подозреваете этого. Вспомните качели. Достаточно, сидя на качелях, выведенных уже из состояния равновесия, в надлежащий момент выпрямлять и сгибать ноги, и разгон качелей увеличивается. Все дело в том, чтобы сделать это вовремя, в такт колебаниям качелей. Попробуйте разогнать качели не в такт, а таким образом, чтобы колебания качелей были быстрее или медленнее их собственных (свободных) колебаний), и вы убедитесь, что для этого нужна значительно большая сила. Стоит теперь отпустить качели и тут же восстановится собственный ритм колебаний. Колебания такого рода и называются резонансными колебаниями. То же самое происходит с маятником, который ведет себя, как маленькие качели с пружиной, колебания которых мы вызываем, и вообще с любой колебательной системой. У каждой из них есть свои собственные колебания с собственными амплитудами. И если частота внешней силы соответствует этому ритму, если внешняя сила действует в такт собственным колебаниям, то даже в том случае, когда она слаба, амплитуда колебаний системы увеличивается. Это объясняется тем, что действие внешней силы с каждым колебанием (толчком) увеличивает разгон качелей или маятника. В этом случае мы говорим, что сила действует в резонанс с колебательной системой. Более того, качели или маятник всегда ведут себя так, будто стремятся к собственным резонансным колебаниям.
Теперь вам понятно, почему маятниковые часы могут ходить столь ритмично? Маятник, благодаря собственным колебаниям, регулирует движение часового механизма. Принцип работы пружинных часов тот же. В них есть тонкая пружинка, так называемый волосок, собственные резонансные колебания которой регулируют скорость движения всего механизма.
А могут ли часы быть кварцевыми? Какое ваше мнение, что это означает? Прежде всего объясним, что такое кварц. Это вид кристалла, так же, как кристалл соли, сахара или других твердых тел. Из маленьких кристаллов состоят, например, все металлы. Это хорошо видно, если разломать металлический предмет и через лупу взглянуть на поверхность излома. Однако кристалл кварца обладает совершенно особыми свойствами. Если его зажать между двумя пластинками, то на зажатых (то есть подвергающихся деформации) поверхностях появляются электрические заряды, а между зажимающими пластинками возникает электрическое напряжение. Это в свою очередь вызывает деформацию кварцевого кристаллика он начинает сокращаться или вытягиваться в зависимости от направления напряжения. Если мы приложим к поверхности кристалла кварца переменное напряжение, кварц будет сокращаться или вытягиваться в такт изменению напряжения. Кристалл кварца пружинист и ведет себя с этой точки зрения, как стальная пружинка: если она длинная, то колеблется медленно, а чем больше мы ее укорачиваем, тем больше ускоряются ее колебания. А если мы сократим ее так, что от нее останется только небольшая стальная пластинка? Она тоже будет колебаться, только очень быстро, амплитуда же ее колебаний будет незначительна. То же самое происходит с пластинкой кристалла кварца: амплитуда его колебаний очень мала, а скорость, вернее, частота их, огромна. Более того, как и все колебательные системы, он стремится к резонансной частоте колебаний.
Если напряжение, приложенное к поверхности кварца, не совпадает с резонансной частотой колебаний кварцевой пластинки, то колебания кварца будут незначительными. Если же частота напряжения совпадает с частотой собственных колебаний пластинки, то колебания кварца становятся сильнее, так же, как и колебания качелей, когда мы раскачиваем их в такт собственным колебаниям.
Усиление напряжения резонансной частоты кварца можно использовать для привода синхронного электродвигателя, то есть такого, дело оборотов которого в минуту всегда стабильно, если частота изменений напряжения постоянна. Этот двигатель, в свою очередь,благодаря надлежащим образом подобранным зубчатым передам приводит в движение стрелки часов:
Проследим еще раз за последовательностью действий. У нас есть устройство, получающее ток от батареи, генератор. Он дает переменное напряжение. Кварц берет от этого напряжения только ту часть, которая изменяется с частотой собственных колебаний кварцевой пластинки так же, как маятник или волосок в обычных часах используют из движения заведенной пружины или опускающихся гирь только ту скорость, которая нужна, чтобы привести стрелки в движение. Напряжение, взятое кварцем, приводит в движение двигатель, а он передвигает стрелки.
Зачем все же нужен кварц? Разве нельзя сразу прибегнуть к генератору, вырабатывающему напряжение постоянной частоты? Это было бы очень сложно напряжение батареи для этого недостаточно. Батарея расходуется, а любое изменение напряжения нарушает работу генератора. А кварц, колеблясь с одинаковой частотой, независимо то внешних факторов, отбирает напряжение той же частоты. Он играет роль фильтра, допускающего к электрическому двигателю переменное напряжение строго определенной частоты, равной его собственной резонансной частотой.. Практически построить генератор, который вырабатывал бы напряжение одной определенной частоты, нельзя: мы всегда сталкиваемся с суммой таких напряжений. А синхронный двигатель, приводимый в движение таким смешанным напряжением, не сможет ходить ритмично. Строго говоря, даже колебания кварца это сумма колебаний разной частоты. Однако они столь незначительно отличаются друг от друга, что сумма ошибок в показаниях лучших кварцевых часов не превышает 0,1 секунды в год.
Кварцевые часы используются для очень точных измерений длительного времени в лабораториях. Изготовляются и ручные кварцевые часы, получающие питание от маленькой батареи, энергии которой обычно достаточно на год.
Число просмотров: 775
Комментарии: 0