Наверное, можно пересчитать по пальцам тех жителей земного шара, которые за всю свою жизнь не видели хотя бы одной кинокартины. Кинематограф — удивительное изобретение, и о том, как оно началось, существует много интересных историй.
Рассказывают, например, что между губернатором штата Калифорния Леландом Станфордом и его приятелями как-то на скачках разгорелся спор о том, одновременно или неодновременно отрывает от земли все четыре ноги лошадь, скачущая галопом. Спор длился долго и бесплодно, пока губернатору не пришла в голову мысль обратиться к специалистам-фотографам. Дело происходило в 1872 году; фототехника в то время уже находилась на довольно высоком уровне. И один крупный специалист-фотограф — Эдвард Мейбридж взялся решить этот спор. Вдоль беговой дорожки ипподрома он установил 24 фотоаппарата с интервалами по полметра. К спусковым механизмам затворов этих аппаратов он привязал по нитке и протянул эти нитки через беговую дорожку. На противоположной стороне дорожки он установил длинный белый экран, на фоне которого скачущая лошадь была отчетливо видна.
Его исследовательская работа увенчалась полным успехом. Скачущая лошадь, разрывая нити, приводила в действие поочередно все 24 аппарата; в результате получались серии из 24 снимков, показывающих ее положения в различные моменты галопа. Фотограф извел в процессе опытов полмиллиона фотопластинок (так рассказывают!) и убедительно доказал, что лошадь, скачущая галопом, отталкивается от земли всеми четырьмя ногами в один момент.
Мейбридж опубликовал эти снимки в книге «Лошадь в движении», чем сильно оживил интерес к фотографированию движущихся объектов.
Так или иначе фактом является то, что в конце прошлого века изобретение кинематографа было технически подготовлено: это изобретение должно было быть сделано, и оно было сделано. Почти одновременно и с разных концов к этому изобретению шло столько людей, что до сих пор историки техники не могут разобраться не только, кто в конце концов изобрел кинематограф, но даже в какой стране было сделано изобретение. На эту честь претендуют с одинаковым жаром Америка, Англия, Франция и Германия.
Киносъемочная камера — фотографический автомат — позволяет сделать один за другим через одинаковые интервалы времени ряд снимков на светочувствительную пленку. Современные кинокамеры делают 24 снимка в секунду. В момент съемки — этот «момент» может занимать до 1/50 доли секунды — пленка должна оставаться неподвижной, а за оставшееся время механизм автомата должен продвинуть пленку точно на один кадр — на 19 миллиметров — и вновь ее остановить.
Вдоль обоих краев пленки — тонкой и непрочной — сделаны отверстия — перфорации. Их можно использовать для того, чтобы 24 раза в секунду продвигать и останавливать пленку. Механизм, который это делает, составляет сердце кинокамеры, и именно наличие его отличает кинокамеру от обычного фотоаппарата.
Разработаны и применяются десятки самых различных конструкций грейферов — так называют эти механизмы. Одна из них представляет собой простой шарнирный механизм.
Его ведущее звено получает мощность от небольшого электродвигателя или от заводной пружины. При нажатии пусковой кнопки он начинает равномерно вращаться. И с каждым оборотом зуб грейферного механизма входит в перфорацию и продвигает пленку на один шаг.
Казалось бы, все очень просто. Но это только кажется! Грейфер должен разгонять и останавливать пленку очень плавно, без резких рывков, иначе перфорация будет повреждена и пленка выйдет из строя. При этом зуб грейфера не должен двигаться поперек пленки, иначе он будет ее «пилить», и это сократит срок ее службы. Одно за другим предъявляются самые различные требования к механизму, на весь цикл работы которого отпускается всего 1/50 доля секунды.
И то обстоятельство, что существуют десятки самых разнообразных конструкций грейферных механизмов, свидетельствует не о том, что задачу протягивания ленты легко решить десятками различных способов, а как раз об обратном: инженеры и конструкторы десятками различных способов пытаются справиться с теми трудностями, которые возникают при решении технической задачи. В одних случаях они позволяют себе поступиться требованиями в отношении плавности, но зато уменьшить размеры механизма и упростить его схему. А в других — механизм приходится усложнять, чтобы обеспечить самое высокое качество его работы, тогда увеличиваются габариты и стоимость механизма.
Но вот фильм отснят и выходит на экран. Точнее говоря, его выводят на экран. И сделает это тоже автомат — кинопроекционный аппарат, в котором кинолента движется такими же скачками, какими двигалась пленка в кинокамере. 24 раза в секунду вам показывают на экране картинки, на каждой из которых герои фильма искусственно остановлены в последовательных положениях. 24 раза в секунду экран затемняется в то время, когда работает грейферный механизм, передергивая ленту от кадра к кадру.
Человеческий глаз инерционен. Он обладает свойством сохранять некоторое время полученное его сетчаткой зрительное впечатление. Говорят, он обладает «памятью зрения», которая измеряется несколькими сотыми долями секунды. И мы видим на экране вместо тысяч кадров с неподвижными изображениями один кадр, внутри которого совершаются самые сложные действия.
Вспомните, сколько радости и удовольствия доставили вам люди, создавшие кинематограф, создавшие его техническую основу — кинокамеру и киноаппарат, два рядовых автомата, и оцените по достоинству их труд и изобретательность.
Если вы посмотрите сквозь ресницы на горящую электрическую лампочку, находящуюся от глаз на значительном расстоянии, то вам покажется, что она окружена радужными кольцами. Эта картина является следствием дифракции света — явления, возникающего при прохождении света сквозь узкие отверстия или щели и связанного с разложением белого света на составляющие его цвета.
Не будет преувеличением сказать, что разложение света на цвета (получение его спектра) является одним из наиболее мощных средств, которые использует человек для изучения окружающего мира. Наука и техника сегодня уже не могут обойтись без спектрографа — прибора, предназначенного для фотографирования спектров различных излучений. С его помощью астрономы изучают звезды, физики — атомы, химики — молекулы, биологи — живые клетки, металлурги — сплавы.
Наиболее простой способ «рассортировать» цвета того или иного излучения состоит в том, что свет этого излучения пропускают через стеклянную призму. Впервые так сделал около трехсот лет тому назад Ньютон, изучая удивительный эффект разложения обычного белого света на все цвета радуги. Призмы еще до сих пор применяются в спектрографии. Однако сердцем современного мощного спектрографа теперь служит не призма, а дифракционная решетка — величайшее чудо механической точности.
Дифракционная решетка представляет собой серию очень узких параллельных канавок, прорезанных на пластинке, сделанной из специального стекла. Эти канавки так узки и так тесно расположены, что каждую из них трудно разглядеть в подробностях даже в микроскоп. До 2–3 тысяч таких канавок приходится на 1 миллиметр ширины решетки, все они должны иметь одинаковую ширину, глубину и профиль. И что самое главное, они должны быть абсолютно параллельны и находиться на совершенно одинаковых расстояниях одна от другой.
Отклонения от идеального расположения канавок не должны превосходить сотых долей микрона! Здесь нет опечатки. Именно сотых долей микрона!
Как ни поразительны дифракционные решетки, изготавливающие их автоматы — так называемые делительные машины — еще более удивительны.
Строятся они, конечно, несерийно. Во всем мире их сейчас не так уж много. И те, кому нужны точные дифракционные решетки, должны годами ждать выполнения своих заказов.
И при всем том по своей принципиальной схеме делительная машина ненамного сложнее простой мясорубки и, уж безусловно, намного проще пишущей машинки.
Канавку за канавкой прорезает алмазный резец двумя передними кромками. Он укреплен в ползуне, который движется вперед и назад по смазанным направляющим. Ход вперед — прорезана очередная канавка, ход назад — резец поднят, а в это время нижний стол, несущий заготовку, перемещается на один шаг. Следующий ход вперед — прорезана еще одна канавка. Весь процесс, как говорится, проще пареной репы. Машина работает не спеша сутки за сутками, без остановки; и когда она в течение нескольких суток наездит таким образом туда и сюда несколько километров, должна получиться дифракционная решетка чуть шире нашей ладони с канавками длиной с указательный палец.
Должна получиться! Но никто не знает, будет ли она удовлетворять тем фантастическим требованиям, которые к ней предъявляются. Не знают этого даже те, кто проводит около нее день за днем десятки лет и, уж конечно, хорошо изучил ее привычки, характер, норов. Почему? А вот почему.
К сотням, тысячам машин предъявляется требование — точность, точность и еще раз точность!
В делительной машине, как лучи света в увеличительном стекле, сконцентрированы и десятикратно увеличены те трудности, с которыми сопряжены попытки человека повысить точность любой машины.
Делительные машины работают на границе точности, на той границе, где начинает сказываться «жизнь» безжизненного металла, из которого сделаны их части.
Металл тверд, но не абсолютно! Небольшие усилия, которые нужно приложить, чтобы, повернув винт, передвинуть нижний стол машины, заставляют винт сжиматься. Конечно, на совершенно ничтожную величину — на десятые доли микрона. Но ведь это уже в 10 раз больше допустимой величины ошибки изготовления решетки! Упругие же деформации других деталей, изменения толщины смазочного слоя между винтом подачи и гайкой увеличивают неопределенность положения алмазного резца еще в несколько раз.
При таких сверхточностях начинает казаться, что детали машины изготовлены не из твердейшей стали, а из резины. С допуском в сотые доли микрона автомат должен перемещать пластинку из одного положения в другое и выдерживать эту точность на протяжении всего пути движения резца. А деформации, происходящие в процессе нормальной работы автомата, превосходят величину допуска в десятки раз. Так может ли вообще хоть сколько-нибудь удовлетворительно работать такой автомат? Оказывается, может! Надо только добиться, чтобы его детали и звенья при каждом ходе нагружались по возможности одинаковыми силами. Тогда они каждый раз будут деформировать механизм на одинаковую величину, и деформации не очень сильно скажутся на точности работы автомата.