49. Огни в зеркале

А Вы наблюдаете в зеркале огни городской улицы, освещенной самыми разными светильниками. Если покачивать зеркало, то изображения огней растягиваются в светящиеся замысловатые кривые. Легко добиться, чтобы эти кривые были близки по форме к окружностям. Почему кривые от одних ламп оказываются сплошными, а от других - пунктирными? Сколько штрихов будет на окружности, если зеркало совершает в секунду пять полных качаний?

Б Осветительная сеть питается переменным током частоты 50 Гц. Однако будьте бдительны: эта цифра может вас подвести.

B При вращении зеркала изображение лампы перемещается М по замкнутой кривой. Яркость каждой точки кривой соответствует яркости лампы в тот момент времени, когда ее изображение находится в данной точке. Если яркость лампы постоянна во времени, то и все точки кривой имеют одинаковую яркость (предполагается, что вращение зеркала равномерно). В противном случае кривая выглядит пунктирной.

Лампы уличного освещения питаются переменным током. Поэтому яркость всех уличных светильников должна пульсировать. Однако глубина пульсации яркости у разных источников различна. Меньше всего она у накальных ламп. Накальная нить не успевает остыть в те моменты, когда ток через нее равен нулю, поэтому пульсация ее яркости не превосходит 10-15%. Такая разница в яркости обнаруживается с трудом. Поэтому и кривая в зеркале кажется имеющей практически равномерную яркость.

Люминесцентные ("дневного света" и др.) и газосветные (например, неоновые) лампы менее инерционны: в моменты, когда ток обращается в нуль, они гаснут почти полностью.

Вычислим частоту пульсации лампы. Согласно закону Джоуля Ленца количество тепла, выделяемое током в накальной нити, пропорционально квадрату силы тока; равно нулю, когда ток равен нулю, и положительно как при отрицательной, так и при положительной полуволнах тока, т. е. нить нагревается (и остывает) дважды за период тока.

Итак, яркость накальной лампы пульсирует с частотой вдвое большей, чем частота тока. Это же имеет место и у люминесцентной лампы. Поэтому, если зеркало совершает 5 качаний в секунду, а частота тока в сети равна 50 Гц, то на кривой будет обнаружено

Пульсация силы света, излучаемого люминесцентной лампой, оказывается вредным явлением. Если цех освещен солнечным светом, то все быстро вращающиеся детали станков сливаются в сплошные круги/Люминесцентной же лампой цех освещается периодически (100 раз в секунду), вращающаяся деталь будет видна в тех положениях, в которых ее застигнет импульс света, отчего она перестает сливаться в круг, в глазах рабочего начинает "рябить", что быстро его утомляет.

Еще хуже, если деталь совершает ровно 100 ^об/_с: тогда каждый импульс света будет застигать ее в одном и том же положении, и она будет казаться неподвижной (сравните с задачей о винте самолета в кино). Колесо, имеющее 10 спиц, будет казаться неподвижным при 10 ^об/_с, 20 спиц - при 5 ^об/_с и т. д. Это явление называется стробоскопическим эффектом (от греческих слов "стробос" - вертушка и "скопео" - вижу). Ясно, что если рабочий примет вращающуюся деталь за неподвижную, то это может привести к несчастному случаю.

Можно ли, однако, устранить этот вредный эффект? Можно. Надо, чтобы одна лампа зажигалась тогда, когда гаснет другая, для чего следует питать две лампы со сдвигом фазы на 90°. Поскольку на всех заводах есть трехфазная сеть, то практически удобно собирать лампы по три в одном светильнике и питать их от разных фаз сети (со сдвигом на ± 120с).

Стробоскопический эффект может принести также и пользу. Если плавно менять частоту пульсаций источника света, то вращающаяся деталь станет казаться неподвижной, когда число оборотов детали и число пульсаций в секунду станут равными. Если мы знаем частоту пульсаций, то этим самым мы измерим и число оборотов детали. Приборы, измеряющие скорость вращения по этому методу, называются строботахометрами (от греческого "тахос" - скорость).

Интересный случай стробоскопического эффекта приводится в книге голландского ученого М. Миннарта (см.: Миннарт М. Свет и цвет Ё природе.- М.: Физматгиз, 1958). Велосипедист, проезжающий со скоростью 5 ^м/_с по улице, вымощенной брусчаткой с размером бруска 5 см и освещенной люминесцентными лампами, видит брусчатку неподвижной относительно самого себя. Это происходит потому, что за одно мерцание лампы велосипедист смещается вперед ровно на один брусок, поэтому при каждой вспышке света он видит рисунок мостовой неизменным (хотя каждый брусок в рисунке при этом замещается его соседом). При увеличении скорости велосипедист начинает медленно "обгонять" брусчатку. Наоборот, при небольшом уменьшении скорости, ниже 5 ^м/_с, брусчатка сама начинает "обгонять" велосипедиста, как бы убегая из-под колес велосипеда вперед.