31.Колебания струны: периодически потенциальная энергия (упругая деформация} переходит в кинетическую (движение), и наоборот (Т-90).
32.От струны в пространство уходят звуковые волны — чередующиеся области сжатого и разреженного воздуха (Т-97, Т-99).
Глава 9Создание мощной копии
Т-123. Одна из самых распространенных операций с электрическими сигналами — их усиление. Всякое электронное устройство — это своеобразный — мир электрических сигналов. Здесь они зарождаются и умирают, сюда и сигналы приходят из других устройств, из других электронных миров, чтобы, пробежав по многочисленным электрическим цепям, претерпев множество самых удивительных превращений, обернуться прекрасной мелодией, красочной картинкой на телевизионном экране или включением тормозного двигателя на космическом корабле.
Одна из самых распространенных операций с электрическими сигналами — это их усиление. Сигналы приходится усиливать из-за того, что тем или иным электронным устройствам для их нормальной работы нужны сигналы значительно более мощные, чем имеются в наличии.
Один пример мы уже упоминали (Т-122) — мощность электрических сигналов на выходе микрофона менее миллиардных долей ватта, а громкоговорителю требуются ватты. Такие же примеры можно найти в магнитофоне и электропроигрывателе, где после считывания записи с пленки или с пластинки появляются чрезвычайно слабые электрические сигналы. Еще пример: к антенне приемника радиоволны приносят электрический сигнал в тысячные доли микроватта, а громкоговорителю нужны все те же ватты.
И в телевизоре мощность сигнала нужно увеличить в миллиарды раз, чтобы можно было нарисовать картинку на экране. Усиление необходимо во многих устройствах автоматики и телеуправления, в таких, например, как автоматический контролер метро, который по слабенькому сигналу от фотоэлемента с силой выталкивает заградительные рычаги, если вы, задумавшись, забыли опустить пятачок.
Коротко говоря, электрический сигнал приходится усиливать во всех случаях, когда появляется несоответствие между «нужно» и «есть». А это несоответствие в электронных системах сбора, передачи, хранения и переработки информации наблюдается очень часто.
Т-124. Усилить электрический сигнал — это значит создать точно такой же о характеру изменения сигнал, но большей мощности. Начнем с примера, который не имеет никакого отношения к электронным схемам, но зато помогает легко понять, в каком именно смысле применяется слово «усиление», когда речь идет об электрических сигналах.
С некоторого времени знаменитая футбольная команда «Гювейч» из города N неожиданно для всей спортивной общественности начала вписывать в турнирную таблицу один ноль за другим. И болельщики только о том и говорят, как усилить любимую команду, как улучшить ее игру. Из всех высказанных предложений остановимся на двух.
Первое предложение. Резко увеличить время тренировок и занятий по тактике футбола. Улучшить питание футболистов, условия их отдыха. Результат— команда играет лучше, сильнее, происходит усиление команды.
Второе предложение. Тренера сменить. Команду расформировать, пригласить новых, более сильных игроков. Результат — команда играет лучше, сильнее, произошло усиление команды. Но, может быть, в этом случае правильнее было бы говорить не об усилении, а о замене? Нет, нет и нет — отвечают болельщики. Замена игроков — это мелочь, второстепенная деталь. Главное в том, что команда с тем же названием «Гювейч», выступающая в той же форме (оранжевые майки, фиолетовые трусы), защищающая футбольную честь того же прекрасного города N и пока занимающая в турнирной таблице все то же последнее место, стала играть лучше. А значит, произошло не что иное, как усиление команды. Примерно такой смысл имеет слово «усиление» в радиоэлектронике. При усилении слабого электрического сигнала с помощью дополнительных источников энергии создается новый мощный сигнал, который, однако, сохраняет главную особенность слабого— характер изменения, форму графика. Иными словами, усиление слабого электрического сигнала — это создание его мощной копии.
Т-125. Усилители — большой класс систем, в которых слабое, маломощное воздействие управляет мощными потоками энергии. Давайте просверлим в нижней части ведра небольшое отверстие (это вполне может быть мысленный эксперимент, то, что в нем должно произойти, легко увидеть силой воображения, и наносить ущерб хозяйству, делая дырку в ведре, совсем не обязательно), наполним ведро водой и подставим под струю небольшую вертушку с лопастями, некоторое подобие рабочего колеся водяной мельницы (Р-76;1).
Р-76;1
Р-76;2
Вначале, когда воды в ведре много, из отверстия вырывается довольно сильная струя, колесо вращается быстро. По мере того как уровень воды падает, струя становится все более вялой и вращение колеса замедляется. Это нормальный процесс передачи энергии: потенциальная энергия поднятой на высоту воды переходит в кинетическую энергию струи, а она в свою очередь передается колесу-вертушке. Если не думать о потерях, то можно сказать, что сколько дает источник энергии (вода в ведре), столько и получает потребитель (вертушка). И на сколько уменьшится или увеличится энергия, которую поставляет источник, на столько же уменьшится или увеличится и энергия, получаемая потребителем.
А теперь на пути воды поставим заслонку и, двигая ее вперед-назад, будем менять поток воды. Казалось бы, в самом процессе передачи энергии не произошло никаких изменений: кто давал энергию, тот и дает, кто получал, тот получает, сколько энергии было отдано, столько и получено. Но в действительности заслонка внесла в эту систему нечто принципиально новое: легким движением руки перемещая заслонку, можно значительно менять интенсивность потока воды. Образно говоря, затрачивая микроватты, можно менять мощность потока на целые ватты. И вывод: с помощью заслонки мы и создали усилитель, создали систему, в которой слабое воздействие управляет мощными потоками энергии.
Усилительные системы чрезвычайно распространены в природе, в технике их роль тоже очень велика и, может быть, даже еще до конца не осознана. Вот лишь несколько примеров, показывающих, что могут механические, гидравлические, химические, биологические, экономические и разные прочие усилители.
Легкое дуновение ветра лишь слегка подтолкнуло огромную скальную глыбу, нависшую над краем пропасти, глыба пошла под откос, перегородила горный поток, заставила его изменить русло и постепенно смыть огромную гору.
Небольшое количество катализатора, введенного в химический реактор, резко изменило ход химических процессов, во много раз ускорило превращение одних веществ в другие.
Разумные указания консультанта-технолога позволили лучше использовать производственные мощности завода и увеличить выпуск продукции на сумму, во много раз превышающую зарплату консультанта.
Вирус, попав на командный пункт живой клетки, заставил ее так изменить свою работу, что клетка начала сама огромными тиражами выпускать вирусы.
Все эти примеры не более чем информация к размышлению. А вот следующий пример, который представлен в виде привычного уже мысленного эксперимента, открывает прямой путь к настоящим усилителям электрических сигналов.
События разворачиваются в простейшей электрической цепи, в которую входит источник энергии — аккумулятор, нагрузка — лампочка и еще переменный резистор — реостат, выполненный в виде вертикально натянутой проволоки со скользящим контактом (Р-76; 2). Подвижный контакт этот ходит по проволоке настолько легко, что если подвесить к нему стограммовую гирьку, то контакт буквально за секунду переместится сверху вниз, изменив сопротивление реостата от 9 Ом до 1 Ом.
А сейчас мы выполним несколько простейших арифметических операций, и они приведут нас к выводу, важнейшему для всей электроники.
Для начала вспомним про две расчетные формулы: I = U: R и Р = I2R (Р-22;3 и Р-27;2). Согласно этим формулам, напишем два выражения — для тока в цепи лампочки: Iл = Uг:(Rл+ Rр) (он определяется суммой двух сопротивлений — лампочки Rл и реостата Rр) и для мощности, которая выделяется в лампочке, Рл = I2∙Rл. Теперь, пользуясь этими выражениями, подсчитаем ток в цепи и мощность, выделяемую в лампочке, для двух случаев — когда сопротивление реостата равно 9 Ом и когда оно равно 1 Ом, после того как движок реостата опустился вниз. Вот результаты этих несложных расчетов (сопротивление лампочки — 3 Ом).
В случае, когда Rp = 9 Ом (движок вверху), получим: ток Iл — 12 В: (3 Ом + 9 Ом) = 1 А и мощность Рл = I2 А ∙ 3 Ом = 3 Вт. В случае, когда Рл = 1 Ом (движок внизу), получим: ток I = 12 Вт: (3 Ом + 1 Ом) = 3 А и мощность Рл = 32 А ∙ 3 Ом = 27 Вт.
И наконец, последняя арифметическая операция. Теперь нетрудно подсчитать, что мощность 1 Вт, затраченная на перемещение подвижного контакта (100 г ∙ 1 м = 1 Дж; 1 Дж/1 сек = 1 Вт), приводит к изменению электрической мощности, которую получает нагрузка, лампочка на 24 Вт (от 3 до 27 Вт), и это можно назвать эффектом усиления: за изменение на 1 Вт мы получили изменение на 24 Вт.
Управляющий сигнал — перемещение движка реостата — сам ничего нагрузке не добавил и не убавил. Всю энергию лампочка получает только от аккумулятора. А эффект усиления появился только потому, что на одном перекрестке встретились, сошлись в одном физическом процессе два совершенно разных явления, две различные зависимости, до этого не знавшие друг друга, не имевшие друг к другу никакого отношения, — зависимость сопротивления реостата от положения движка и зависимость тока в цепи от сопротивления реостата. Такие пересечения физических процессов, таки