Билеты 1, 7, 10

1. В Германии создан портативный радиоприбор, предназначенный для поиска людей, засыпанных снежной лавиной или погребённых под обломками зданий после землетрясений, взрывов. Действие этого прибора, главный элемент конструкции которого – малых размеров радиолокатор, основано на эффекте Доплера – сдвиге частоты коротких радиоволн при их отражении от движущегося объекта.

Если находящийся под завалом человек жив – он дышит, у него бьётся сердце, то небольших при этом движений его тела достаточно, чтобы отражённая им волна приобрела чуть-чуть иную частоту (длину волны), чем излучённая радаром. Обнаружить пострадавшего, фиксируя такое изменение, можно за считанные минуты, причём на сравнительно большой глубине – даже под восьмиметровой толщей снега. (Для сравнения: хорошо натренированная служебная собака чует человека только через двухметровый снежный слой.)

 

2. В крупных фирмах и на предприятиях, несмотря на использование компьютеров, циркулируют потоки различных бумаг и документов, и некоторые из них бывает трудно найти. Чтобы облегчить поиск нужного документа, одна компания предложила систему, позволяющую оперативно следить за местонахождением любой папки, чертежа или фотографии не только в самом учреждении, но и в иногородних филиалах. Разработанный с этой целью способ заключается в следующем. На каждый документ наклеивают электронную этикетку размером с почтовую марку, внутри которой имеется плоская микросхема, излучающая сигнал о номере бумаги при получении «запроса» в виде специфического сигнала определённой частоты.

Поисковое устройство, антенны которого проведены во все комнаты и кабинеты учреждения, в момент поиска данного документа излучает радиоволны соответствующей длины волны и этими же антеннами пеленгуется сигнал микросхемы. При этом на плане учреждения, выведенном на экран компьютера, начинаем мигать точка, указывающая местонахождение нужной бумаги. Если фирма имеет филиалы в разных городах, поиск осуществляется по Интернету при условии, что филиалы оборудованы той же системой поисковых устройств и антенн.

 

3. В Институте нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН созданы пьезокристаллические датчики с полимерной плёнкой (сенсоры), которые столь чувствительны, что могут обнаруживать в воздухе сверхмалые концентрации газов и паров. Полимерно-пьезокристаллический сенсор представляет собой тонкую полупроницаемою мембрану, которой служит полимерная плёнка, нанесённая на пьезокристалл.

Под действием приложенного напряжения пьезокристалл колеблется с определённой частотой, зависящей от его массы. Когда мембрана сорбирует на себе какое-либо вещество, масса кристалла увеличивается, и частота его колебаний изменяется. Это изменение частоты регистрируется. А так как массы молекул различных веществ отличаются друг от друга, а плёнки разного состава улавливают молекулы лишь определённых веществ, удалось получить датчики, реагирующие на конкретные химические элементы и соединения: изменение частоты колебаний пьезокристалла каждого сенсора соответствует наличию того или иного вещества.

Так создан сенсор, срабатывающий при появлении в воздухе аммиака – весьма ядовитого газа; разработаны сенсоры для обнаружения опасного, очень ядовитого вещества – ракетного топлива – метилгидразина; сделан сенсор для выявления паров бензина, которые могут образовывать взрывоопасные смеси с воздухом, поэтому требуются непрерывные измерения концентрации паров бензина, чтобы избежать увеличения этой величины не выше критического значения.

 

4. Как известно, искривления позвоночника и нарушения осанки у детей и подростков могут повлечь за собой многие заболевания, а нарушения эти широко распространены. Проверку правильности осанки ребят медицинские работники проводят с помощью аппарата, созданного специалистами Московского энергетического института (технического университета) и Федерального НИИ медицинских проблем Минздрава РФ.

Аппарат содержит радиоизлучатель и радиоприёмник.У обследуемого ребёнка облучается область спины волнами миллиметрового диапазона. Эти волны не нагревают ткани организма и не проникают в него глубже, чем на десятые доли миллиметра, т. е. не оказывают какого-либо вредного влияния, но, отразившись от позвоночника, они улавливаются радиоприёмником и обрабатываются компьютером.

После этого результаты обследования выводятся на экран в виде графической и цифровой информации, полученной с помощью специально разработанной программы для компьютера: она позволяет рассчитать параметры осанки ребёнка и сравнить их с нормативными для его возраста. Продолжительность обследования не превышает 5 минут. За разработку и внедрение аппаратуры для лечения и функциональной диагностики с использованием низко интенсивных электромагнитных колебаний в миллиметровом диапазоне длин волн были вручены Государственные премии РФ.

 

5. Ведущие индустриальные страны производят свыше 1млрд подшипников в год каждая для нужд своей машиностроительной промышленности. Главное требование к подшипникам – долговечность. Чтобы предотвратить разрушение работающего подшипника, важно иметь возможность быстро определять его состояние во время эксплуатации. Известно, что при локальной динамической перестройке структуры материала, в частности при увеличении микротрещин, возникают упругие волны с частотой 60 кГц и выше.

Источниками акустической эмиссии служат зоны контакта тел качения с дорожками колец, которые перемещаются в пространстве. Датчик, устанавливаемый на неподвижном кольце подшипника, преобразует акустико-эмиссионный (АЭ) сигнал в электрический, который затем усиливается до уровня чувствительности измерительной аппаратуры. Далее отфильтровывают узкий диапазон частот электрический колебаний (210 – 250 кГц), отсекая низкочастотные помехи. После детектирования получают модулирующую функцию узкополосной частотной компоненты, дающую зависимость суммарной энергии различных источников акустической эмиссии в подшипнике от времени. Так как различные источники повреждений дают различный набор АЭ излучения в общем спектре АЭ излучений, то для их разделения используют спектральный анализ.

 

6. Первое научное исследование Алессандро Вольта было посвящено лейденской банке. В 1775 г. А.Вольта создаёт электрофор. «Что же такое электрофор? Железное блюдечко, на нем смоляная пластина, сверху вторая лепёшка из железа с деревянной ручкой и в придачу маленькая лейденская баночка – пузырёк, обложенный фольгой, и с проволочкой, торчащей через пробку».

Принцип действия электрофора состоит в том, что заряд, сообщённый сургучу при трении кошачьей шкуркой, может быть увеличен при повторении цикла опускания железной пластины на сургуч и отведения её назад. Талант экспериментатора позволили А.Вольта создать ещё ряд приборов.

В 1795 г. при изучении (наряду с Л. Гальвани) «животного» электричества великий физик писал, что «всё действие возникает первоначально вследствие прикосновения металлов к какому-нибудь влажному телу или к самой воде», всё сводится «к действию соответствующим образом приложенных проводников….,к свойству…вызывать и приводить в движение электрический флюид там, где несколько таких проводников разного класса и сорта встречаются и соприкасаются между собой.

И в 1799 г. учёный создаёт прибор, который открыл новую эпоху – эпоху электричества – «Вольтов столб». Называя изобретённый им прибор «искусственным электрическим органом», А.Вольта писал, что этот прибор «по своим действиям сходен с лейденской банкой или, ещё лучше со слабо заряжённой электрической батареей, но который, однако, действует непрерывно, то есть его заряд после каждого разряда восстанавливается сам собой; одним словом, этот прибор создаёт неуничтожимый заряд, даёт непрерывный импульс электрическому флюиду».

 

7. В настоящее время всё шире применяются электромагнитные аппараты. Магнитные поля различных органов человека дают большую информацию о них. Регистрация магнитных полей позволяет проследить за течением крови в сосудах, за ходом биохимических процессов в клетках, установить количество железа в лёгких людей, работающих в сталелитейной промышленности и т. д.

В последнее время разработан и начинает применяться в медицинской практике новый прибор – магнитный интроскоп, служащий для исследования внутренних органов человека. Он основан на явлении ядерного магнитного резонанса. С его помощью получают изображения любого нужного сечения тела без всякого ущерба организму.

Магнитный интроскоп работает без всяких контрастных веществ, применяемых при обычных видах рентгеновского просвечивания. С его помощью могут быть обнаружены дефекты тканей и опухоли глубоко внутри организма. Возможен также физико-химический контроль за состоянием биологических жидкостей и тканей человека.

Принцип работы прибора следующий. Пациент помещается в рабочем пространстве электромагнита. Попеременно включается и выключается ток через обмотку. При этом испускаются радиосигналы атомами водорода, содержащимися в огромном количестве во внутренних органах человека. Ядро каждого водородного атома является крошечным магнитиком, обычно ориентированным в пространстве произвольно. Но при включении магнита они поворачиваются в одну и ту же сторону. Когда же электромагнит выключается, то происходит поворот ядра и испускается слабый радиосигнал. Радиосигналы отрабатываются на ЭВМ и преобразуются в изображения тех или иных органов тела человека, на которых отчётливо видны признаки заболеваний. Внедрение этого метода в клинику требует создания высокооднородных и высокостабильных полей в объёме, достаточном для размещения человека.

8. В новых источниках энергии могут быть использованы явления разложения и окисления органических веществ, приводящие к выработке электроэнергии. Известно, что в придонном слое океана образуется электричество, там как бы имеется гигантский топливный элемент.

Принцип работы такого элемента следующий. Топливный элемент состоит из двух секций, разделённых полупроницаемой перегородкой. Внутри секций – инертные катоды. Анодная секция содержит «топливо» - смесь морской воды с органическими веществами, а также катализатор – бактериальные клетки. В катодную секцию помещают морскую воду с кислородом. При работе такого элемента, как и в придонном слое океана, топливо окисляется и выделяется энергия, за счёт которой во внешней цепи возникает электрический ток. Достоинство такого элемента – дешевизна, так как в нём используются «бесплатные» продукты. Время же работы может быть бесконечно большим, если в катодную секцию ввести живые водоросли с добавлением в воду неорганических солей, необходимых для их питания, и освещать элемент солнечным светом.

В другом биохимическом элементе для ускорения процесса распада применяют другой вид бактерий, благодаря чему реакции ускоряются в миллионы раз. Такой источник даёт напряжение 0,5 – 1 В. В связи с тем, что могут быть использованы бактерии сточных вод, в частности бактерии из кишечника человека, возникает возможность создания систем с замкнутым циклом для космических полётов.

 

9. Среди объектов нанометрового масштаба углеродные нанотрубки привлекают большое внимание специалистов, поскольку обладают особым сочетанием параметров и отличаются проявлением ряда новых физических эффектов.

Открыты эти нанотрубки менее 15 лет назад. В 1991 году японский исследователь С. Иджима наблюдал с помощью электронного микроскопа сажу, образующуюся в результате напыления графита в плазме электрической дуги. В ней он обнаружил тонкие цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких нанометров и длиной до нескольких микрометров. Они представляли собой один или несколько свёрнутых в трубку графитовых слоёв, торцы которых имели полусферическую головку. Теперь их называют углеродными нанотрубками.

Исследования выявили, что нанотрубки имеют необычные физические свойства. Так, для них характерна, например, удивительная прочность в сочетании с упругостью и двойственность электрических свойств: одни трубки обладают хорошей проводимостью, превышающей даже проводимость меди и серебра, другие (их большинство) являются полупроводниками. Установлена связь между геометрической структурой нанотрубки и её электрическими свойствами: то, какой проводимостью (металлической или полупроводниковой) она будет обладать, определяет угол ориентации графитовой плоскости относительно оси трубки.

Обладают нанотрубки и ярко выраженным магнитосопротивлением: их проводимость сильно зависит от индукции магнитного поля (главным образом от направления относительно оси трубки). Ещё одно свойство углеродных нанотрубок – возникновение холодной эмиссии электронов при действии вдоль оси трубки электрического поля. В этом случае напряжённость поля в окрестностях трубки в сотни раз превышает ту, что существует внутри неё. В результате сила эмиссионного тока становится большой при сравнительно слабом поле.

10. Углеродные нанотрубки представляют собой тонкие цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких нанометров и длиной до нескольких микрометров из одного или нескольких свёрнутых в трубку графитовых слоёв, торцы которых имеют полусферическую головку.

Особенность многостенных нанотрубок состоит в том, что они имеют относительно большие расстояния между графитовыми слоями (в среднем примерно 0,34 нм), которые могут быть расположены один в другом, как в «матрёшке», или в сечении иметь вид спирали. Эти расстояния достаточны, чтобы между слоями могли поместиться атомы или молекулы некоторых веществ. Таким образом, нанотрубка представляет собой уникальную ёмкость для их хранения после адсорбции частиц на поверхности стенок.

Не мене важно то, что легко предсказуемое изменение вследствие этого свойств самих нанотрубок действительно обнаружено. Оно позволяет создавать разнообразные структуры на основе многостенных нанотрубок.

Так, совсем недавно при создании материала, который бы менял окраску в случае изменения окружающей среды и одновременно обладал бактерицидным действием, исследователи получили молекулу, обладающую нужными свойствами. Кроме того, смесь таких молекул во время эксперимента сама собой собралась в красивый коврик, состоящий из совершенно одинаковых по размеру углеродных нанотрубок.

Учёные обнаружили, что синтез выбранных веществ привёл к образованию молекул, способных сворачиваться и самоорганизовываться в нанотрубки. После некоторой обработки трубки выстраиваются в «коврик с ворсинками» (торчащими вертикально нанотрубками). И происходит это при комнатной температуре всего за несколько часов. Полученный материал имеет обеззараживающую поверхность, меняющую цвет. Проверка показала, что в присутствии, например, кишечной палочки нанотрубки изменяют свой оттенок, повреждая вместе с тем клетки бактерий.

11. Канадские учёные изобрели новый способ получения электричества из проточной воды. Новое устройство называется «электрокинетическая батарея». Электрокинетическая батарея – на самом деле довольно примитивное устройство.

Она представляет собой небольшой стеклянный сосуд, который пронизывают сотни тысяч микроскопических каналов. Благодаря создаваемому двухслойной средой электрическому полю, сосуд работает как обычная нагревательная батарея. Вода в нём, протекая по каналам, образует положительный заряд на одном конце сосуда и отрицательный на другом. В результате вырабатывается энергия.

Экспериментальный прибор был создан в Университете Альберта в Канаде. В силу своих небольших размеров он и энергии вырабатывает немного, но глава группы учёных Лари Костюк полагает, что создать мощную машину труда не составит. Нужно будет всего лишь оснастить прибор большим фильтром. Теоретически электрокинетическая батарея – довольно любопытное изобретение. Впрочем, пока непонятно, какую практическую пользу можно из неё извлечь. В принципе, увеличенные копии таких батарей можно поставить где–нибудь на быстрых реках. Может быть, в будущем обычные электрические батарейки типа А–4 можно будет заменить крошечными копиями устройств, в которых будет использоваться вода под давлением. Но всё это требует долгих дополнительных научных изысканий.

12. Разлагающие свет призмы и дифракционные решётки не могут удовлетворить современную оптику, которая часто требует более качественного («тонкого») разделения волн. Предложенный новый оптический элемент представляет собой комбинацию из тонкой стеклянной пластинки толщиной около 0,1 мм и составной линзы.

Обращённая к линзе поверхность пластинки разделена: её нижняя половина полностью пропускает падающий свет, верхняя – полностью отражает. Другая же её поверхность пропускает только 5% падающего света, а остальной свет отражает. Когда световой пучок входит в пластинку, то распространяется внутри неё, испытывая многократные отражения.

При каждом проходе небольшая часть (5%) входного пучка выходит наружу, формируя множество слабых пучков, как будто бы испускаемых множеством когерентных источников. Эти пучки интерферируют и взаимно усиливаются при распространении в определённых направлениях, зависящих от длины волны, что и обеспечивает разложение света. В диапазоне волн вблизи 1,55 мкм, которые обычно используются в оптической связи, при изменении длины волны на 1 нм угловая дисперсия этого элемента в 10-20 раз больше, чем у дифракционной решётки. Эффективность такого рода оптического элемента обусловлена его компактностью (размер 1х1х0,1мм) и возможностью разделять световые пучки, разделяющиеся длинами волн меньше, чем на 1 нм.

13. Для фиксирования гравитационных волн, излучаемых массивными космическими телами, с целью доказательства их существования в современной астрофизике используют лазерный интерферометр.

Гравитационные волны излучаются массивными космическими телами и их излучение напоминает излучение электромагнитных волн электрическими зарядами. Аналогично тому, как электромагнитной волне соответствует поток фотонов, гравитационным волнам сопоставляют поток гравитонов-частиц с нулевой массой.

В интерферометре складываются две когерентные волны, и образуется устойчивая интерференционная картина в виде системы полос. Если длина пути, по которому проходит одна из волн, меняется, полосы смещаются пропорционально этому изменению. При регистрации интерферометрическим методом гравитационных волн одна из когерентных световых волн направляется на зеркала, приклеенные к массивным цилиндрам, вибрация которых под воздействием гравитационных волн должна вызвать колебания интерференционной картины, а современные электронные методы позволяют обнаружить смещения в сотые доли микрона.

Простейшая схема интерферометра такова. Пучок света от источника И направляется на полупрозрачную пластинку – светоделитель СД, расщепляющий пучок на два луча 1 и 2, которые падают на зеркала М₁ и М₂.После отражения от них лучи возвращаются к светоделителю, который вновь делит каждый из них на две части.

Отражённая от зеркала М₁ часть пучка 1 возвращается к источнику, а прошедшая поступает на фотоприёмник Ф; прошедшая часть пучка 2, наоборот, возвращается к источнику, а отражённая поступает на приёмник. Таким образом, на приёмнике совмещаются два пучка, прошедшие разные расстояния и возникает интерференционная картина. В гравитационном детекторе зеркала соединены с массивными телами и, если гравитационная волна достигнет интерферометра, она сместит эти тела, изменив тем самым разность хода световых пучков. Поскольку относительное движение массивных пробных тел, вызываемое гравитационной волной, пропорционально расстоянию между ними, длина плеч интерферометра должна быть порядка нескольких километров.

 

 

14. В лазерном интерферометре LIGO использован стабилизированный по частоте и интенсивности излучения лазер на иттрийалюминиевом гранате, генерирующий световые волны с длиной волны 1,06 мкм в инфракрасной области спектра и мощностью излучения 6 Вт.

Важные элементы интерферометра – зеркала З, З_1, З_2.Одно (З) расположено после лазера и отражает только 3% падающего на него света. Два других З₁ иЗ₂ установлены после светоделителя и отражают каждое 97% света. В результате такой разницы отражательных способностей между зеркалами З и З ₁, а также З и З₂ образуются так называемые рециркуляторы длиной 20 м, в которых свет, отражаясь, «циркулирует», при каждом проходе пропуская в плечи интерферометра лишь 3% энергии. Таким образом, в рециркуляторах накапливается световая энергия, мощность излучения увеличивается до 100 Вт.

Аналогичный процесс происходит и с отражённым от концевых зеркал светом, а так как длина плеч интерферометра LIGO равна 4 км, в соответствующих им рециркуляторах мощность излучения составляет уже 4 кВт. Число проходов света может достигать 400. По оценке специалистов при этих данных можно обнаружить относительное смещение пробного тела около 10^-20, что соответствует удлинению плеча на полмикрона.

Все оптические элементы лазерного интерферометра исключительно высокого качества, поверхности отшлифованы с погрешностью 1/1300 длины волны света. Каждое плечо заключено в вакуумированную трубу, надёжно изолированную от Земли для устранения сейсмических сотрясений, применено особое оборудование для предотвращения вибраций в широком диапазоне частот и тепловых излучений.