И тут появился изобретатель

Задача 26. Сверхточный кран

Заведующий химической лабораторией пригласил изобретателя и сказал:

— Нам надо управлять потоком газа, который по этой металлической трубе идет из одного сосуда в другой. У нас есть краны с притертой стеклянной пробкой, но они не обеспечивают требуемой точности: трудно регулировать величину отверстия, по которому перетекает газ.

— Конечно, — сказал изобретатель, — вы бы еще самоварный кран поставили.

Химик сделал вид, что не расслышал замечания.

— Можно, — продолжал он, — поставить резиновую трубку и зажим. Но и это не дает нужной точности.

— Зажимы, — усмехнулся изобретатель. — Бельевые прищепки…

Тут химик не выдержал:

— Сотни лет так работаем. Попробуйте-ка придумать кран не сложнее «прищепки» или «самоварного крана», а по точности раз в десять лучше.

— Капелька хитрости плюс физика девятого класса. Надо сделать так…

Что предложил изобретатель?

Для нас с вами кран — типичная вепольная система: корпус В1, поворачиваемая деталь В2 и поле механических сил Пмех. Под действием поля Пмехдеталь В2 перемещается относительно корпуса В1, благодаря чему зазор между В1 и В2 становится шире или, наоборот, сужается. Веполь уже есть, но работает он неважно. Следовательно, придется заменить веполь, использовать другое поле. Какое именно — электрическое, магнитное, электромагнитное, тепловое?

Здесь хитрости кончаются и начинается физика. В учебнике физики для девятого класса есть целая глава о тепловом расширении. А нам как раз и надо менять ширину зазора между В1 и В2.

Откроем учебник. Вот и описание опыта: сквозь нагретое кольцо проходит шар, который до этого не проходил. Рисунок кольца и шара — готовая модель нашего крана.

Сравним полученное решение с авторским свидетельством № 179 489: «Устройство для дозировки малых количеств газа, состоящее из корпуса, и стержня, плотно пригнанного к внутренней поверхности корпуса, отличающееся тем, что, с целью дозировки малых количеств газа с высокой степенью точности, корпус изготовлен из материала, имеющего большой коэффициент теплового расширения, а стержень — из материала, коэффициент теплового расширения которого значительно меньше, чем у материала корпуса».

Наверное, вы уже поняли, как работает такой кран. При нагревании корпус расширяется сильно, а стержень — слабо. Возникает зазор. Чем сильнее нагрет корпус, тем больше зазор. Смысл изобретения, как видите, в том, что вместо движения больших деталей, «железок», предложено использовать растяжение и сжатие кристаллической решетки.

Кстати, растягивать и сжимать кристаллическую решетку можно не только тепловым полем. «Некоторые кристаллы, например кварц, сегнетова соль и турмалин, в электрическом поле меняют свои размеры: в зависимости от направления поля они сжимаются или растягиваются», — это из учебника физики для десятого класса. Называется это явление обратным пьезоэффектом. Ну а то, что обратный пьезоэффект можно использовать для создания микрокрана, вы и сами уже догадались.

Есть еще один похожий эффект — магнитострикция: магнитное поле растягивает (или сжимает) некоторые металлы. Тоже подходящий ответ для задачи о кране.