Научное приборостроение

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Человек может считать, что недаром прожил жизнь, если он родил детей, посадил дерево, написал книгу или сделал новый прибор. Новый прибор — новый орган чувств. Он рассказывает о не увиденных до него красках мира, о не услышанных до него звуках. Мир гудел от радиоволн — их излучали звезды и Солнце, грозовые облака и капли дождя, вулканы и снежные лавины, люди и планеты. Но только появление радиоприемника позволило не только услышать, но и узнать, что есть голоса, которыми разговаривает Вселенная. Появляется новый прибор — и начинают разговаривать рыбы, другой — и засветились рентгеновыми лучами темные пятна космоса, третий, четвертый…— и мир сплошных вещей оказался сделанным из кружева атомов, а сами атомы, неделимые, стали делиться.

Непонятно, как люди становятся изобретателями, приборостроителями. Как пришла Попову мысль о радиоприемнике? Теперь объяснить все просто — и антенну, и кохерер, и звонок. Но Попов жил в мире, где существовало 115,586.412 предметов (вы сами можете пересчитать, если вам кажется, что я ошибся). Как сумел выбрать Попов эти три? Да, конечно, и знания, и труд, и… и талант, и счастье. Рождение нового прибора — это чудо. Но чудом оказывается лишь то, что невероятно, чего невероятно трудно достичь.

Нелегок путь людей, придумывающих приборы. Первооткрыватели — люди опасной профессии: нередко поверхностным людям они кажутся шарлатанами. Ничего не поделаешь — диалектика: наши радости — продолжение неприятностей, наши огорчения — корни, из которых вырастают цветы счастья.

Есть у Уэллса история о человеке, попавшем в страну слепых. Его рассказам, рассказам зрячего, просто не верили. Их принимали за бред, за опасные вымыслы. Его телескоп хотели разбить… Извините, телескоп — это уже из другой истории, невыдуманной истории человечества….

И сейчас приборостроителю непросто. В приборостроители идут подвижники, но не измученные, исхудалые подвижники святого писания, а оптимистичные, полнокровные современные подвижники.

У меня был знакомый, который купил три билета какой-то лотереи. «Зачем?» — спросил я. «Мне нужны автомобиль и дом», — ответил он. «Как же ты их получишь?» — удивился я. «Выиграю». «В лотерею?!» «В лотерею». «Зачем же ты тогда купил третий билет?» «Ну, мало ли что, — смутился мой друг, — все-таки… лотерея». Этот парень был безудержным пессимистом по сравнению с приборостроителем, — как приборостроитель по сравнению с разработчиком метеорологических приборов.

Метеорологические приборы создать настолько трудно, что ни Господь Бог, ни госпожа Природа за это не решились взяться. А ведь они могли бы это сделать, располагая неограниченными средствами и временем. А нам на этот прибор отвели… нет, я не буду называть ни сумму, ни время. Зачем я рассказываю вам, дорогой читатель, о горестях и радостях создателей приборов, если они для вас находятся по ту сторону барьера?

Проделаем опыт: читатель меняет профессию, становится приборостроителем. Вашу руку, дорогой друг! Осторожнее, не споткнитесь: барьер все-таки высоковат. Вот так… Теперь перенесите другую ногу… Отлично. Итак…

Зеленая змейка на экране осциллографа танцевала: она то легко, изящным пируэтом переносилась с одного края экрана на другой, то выбивала частую мелкую дробь, покачиваясь на одном месте, а потом внезапным рывком перебрасывалась куда-нибудь в сторону, чтобы и там повторить свои затейливые па, удивляя и удалью их, и их разнообразием.

Танцы осциллографной змеи программой работ не предусматривались, на них не отводилось ни средств, ни времени. Луч осциллографа должен был резко отклоняться вверх и быстро возвращаться назад, прочерчивая на экране острый угол импульса, показывающий величину массы капли, падающей на пьезокварцевый датчик. Но вот уже который месяц импульс не появлялся.

— …без этого прибора нам не обойтись, — заканчивает заведующий лабораторией свое сообщение на семинаре.
— Людей и так не хватает, — говорит Главный пессимист,— а вы хотите заняться новой разработкой.
— Идеи нет, нет идеи! — восклицает Главный скептик.
— В НИИ дождя ловят капли на окрашенную промокашку и измеряют размеры пятен, — благодушно сообщает Главный оптимист.
— Выходила девка замуж, только парня не нашла, — высказывается механик, сидящий у приоткрытой двери, чтобы дым папиросы уходил в коридор.
— А вы что скажете? — обращается к Главному завистнику (есть и такая нештатная должность в лаборатории) завлаб.— Ведь ваша дипломная работа так и называлась «Измеритель капель дождя».
— Да ничего хорошего я не сделал,— говорит завистник,— прочитал почти сотню статей, понял, что прибор надо ставить на самолет, а как его надо сделать, так никто и не придумал. Я и потом смотрел литературу: ничего толкового не нашел. Вот на эту химеру вы и людей найдете и средства, а помочь мне ни тем, ни другим вы не хотите, а я один, как перст, должен…
— Зря я вам, выходит, пятерку за диплом поставил, — недовольно говорит завлаб. — Прошу всех подумать и, если подкорка у кого-либо выделит подходящую эманацию, известите меня. Вас,— обращается он к вам,— прошу сделать обзор существующих приборов и методов измерения.
— Вот всегда так,— говорит Главный завистник,— я этим занимался, а поручают неизвестно кому.
— Но я же этим никогда не интересовался,— протестуете вы.
— Вот и прекрасно. Необходим непредвзятый взгляд со стороны,— говорит завлаб.
— В помощь, — снова говорит вам завлаб,— мы сумеем выделить механика и студента-практиканта. Конечно, если у вас возникнет хорошая идея.
— А как ее, хорошую-то определить? — спрашивает скептик.
— По щекам, — отвечает завлаб. — Когда появляется хорошая идея, холодеют щеки.

Новый прибор создают, как новый вид растения или животного, а растят и воспитывают, как щенка. И так же, как скрещивая лучшие породы комнатных собак, нельзя создать гончую (у родителей нет генов длинных ног и могучих легких), нельзя, не заложив в основы прибора желательных свойств, сделать его хорошим. Только сделав прообраз, похожий на вашу мечту о приборе, вы сможете приступить ко второму этапу — воспитанию. Вы укрепляете здоровье прибора, закаляете его, прививаете ему полезные привычки и умение вести себя правильно даже в трудных обстоятельствах, оберегаете от бессмысленного своеволия, устраняете дурные привычки. Так и только так возможности вашего питомца становятся действительностью, возникает прибор.

Основные свойства прибора определяются его чувствительным элементом. Барабанная перепонка уха, сетчатка глаза, вкусовые сосочки языка дают нам возможность познакомиться с окружающим миром; но принципы, на которых построены эти органы, определяют и пределы такого знакомства.

В поисках подходящих генов для прибора вы прочитываете дипломную работу Главного завистника и восемьдесят семь статей и патентов, по которым она написана. Еще сотню статей и патентов, вышедших после диплома. Капли измеряли по следу, оставленному ими в муке, насыпанной в противень, по следу на засвеченной фотопленке и еще десятками похожих способов, хитроумных, но совершенно не подходящих для вашего прибора: только спустя много времени после измерения можно было определить, что же увидел прибор. Вы просматриваете приборы, использующие рассеяние или поглощение света, создаваемые каплей, изменение емкости конденсатора при появлении в нем капли, но и их отвергаете. Слишком нежны: обледенение, вода облаков быстро выведут их из строя. И они не перспективны: чем быстрее летит самолет, на котором они будут установлены, тем хуже они будут измерять, а ведь самолеты летают все быстрее и быстрее, значит, ваш прибор быстро состарится. Где же и как найти гены, полезные для вашего прибора? Прав был Главный скептик, говоря: «Нет идеи».

Вы сидите в кресле зубного врача. За окном — мокрая с пятнами отвалившейся штукатурки глухая стена. Под окном — железная крыша какой-то пристройки, по ней барабанит дождь. Слышны даже удары отдельных капель. Типичное для литературы выражение чувств героя через ландшафт и погоду. Бур с противным жужжанием вгрызается в зуб. Вы стойко терпите еще двадцать ударов капель, еще десять… и неожиданно (эманация подкорки) вас осеняет мысль, нет, не мысль — мыслища! То есть в тот момент, когда она приходит, — мыслища. Потом, когда ее начнут упаковывать в конструкцию, одевать в скучный серый картон отчета, распластают и засушат на листах статьи в научном журнале и занафталинят в сильно урезанном виде на странице монографии, эта мыслища начнет съеживаться, станет мыслью, идеей, идейкой, приемом, соображением. Одна, один, одно из многих.

Но это в будущем. А сейчас мысль овладевает вами, вам уже не до врача, не до больного зуба, не до бормашины. Очень уж интересная и прекрасная мысль. И верная мысль, это уж точно — верная, раз щеки холодеют. Неужели все так просто?!

— Больной, можете закрыть рот. Больной, вы меня слышите? Закройте рот.
— Доктор, а какие ассоциации вызывает у вас стук капель по крыше?
— Вчера я опять потеряла зонтик, а складной невозможно купить. Ну-ка, откройте рот.
— Доктор, эврика!
— Рот!

Господи, как часто мы открываем и закрываем рот, мокнем под дождем. Почему же так редко при этом в сознании возникает отчетливая конструкция прибора для измерения размеров капель дождя?

В сотни тысяч лабораторий мира каждый день идут десятки миллионов сотрудников. По-разному одетые, разного цвета кожи, высокие и низкие, говорливые и молчаливые, экспериментаторы и теоретики — все они, кто терпеливо, кто поспешно, стремятся выложить большое мозаичное панно науки, изображающее жизнь, природу, истину. Каждый кладет в это гигантское панно размером в жизнь человечества немного: кто-то один-два кусочка смальты, кто-то передвинет неправильно положенный камушек, кто-то только приготовит кусочек смальты, кому-то удастся набросать эскиз, по которому другие выложат свою смальту, а кто-то поправит этот эскиз, но каждый испытает высочайшее счастье в момент, когда почувствует, что и он стал соавтором мозаики науки. Человек приходит домой и говорит близкому другу:

— Знаешь, я сообразил. Размеры капель дождя могут быть измерены по силе их удара о микрофон. Понимаешь, чем сильнее удар, тем больше будет электрическое напряжение. Любой современный микрофон рассчитан на измерение акустических давлений в тысячи, сотни тысяч раз меньших, чем давление, создаваемое каплей, ударяющей о микрофон, установленный на современном самолете. Значит, есть дикий запас по чувствительности, вероятно, можно будет обойтись без усилителя. Чем быстрее летит самолет, тем сильнее импульс. Значит, приборы будут работать по мере совершенствования самолетов все лучше и лучше.
— Угу (ага, ого),— отвечает друг.— Молодец, значит, сообразил. А я взял билеты в кино: идет заграничный детектив, говорят — блеск.
— А конструкция прибора,— продолжаете вы,— получается удивительно простой: пластинка микрофона, обтекатель к ней и держатель. Такой штуке никакие потоки воды, никакое обледенение не страшно. Таким прибором даже гвозди заколачивать можно.
— Да ты молоток,— говорит близкий друг.— Я думаю, что перед кино мы могли бы немного пройтись.
— Не я молоток,— объясняете вы,— а прибор получается, как молоток.
— Вы оба молодцы, — рассеянно отвечает лучший друг.

А ведь это ближайший друг! И не понять автору нового медицинского препарата изобретателя, создавшего лазер, так же, как автор лазера не поймет создателя прибора, измеряющего электропроводность воздуха, ибо надо самому почувствовать сопротивление среды, а оно каждый раз другое.

И только на семинаре в кругу узких специалистов вас понимают по существу. Специалистам не нужно читать лекцию, объясняя, что чувствительный элемент должен реагировать только на ударяющие капли и сводить до минимума реакцию на изменения температуры, вибрации, давления. Им поэтому понятно, почему из микрофонов разных видов вы выбираете пьезокварцевый. Только не вздумайте на семинаре говорить о радости, вас переполняющей: Это еще более бессмысленно, чем разговор с другом.

Только два обстоятельства беспокоили вас при проектировании прибора: во-первых, на датчик будет давить меняющийся воздушный поток, и вызванные им помехи могут затушевать основной сигнал, а во-вторых, не было понятно, как протестировать прибор — сделать так, чтобы и в лаборатории капли с самолетной скоростью ударялись о приемник прибора.

Случай помог решить первую трудность. Приобретая на рынке мандарины, вы случайно замечаете, как жуликоватый продавец, помогая большим пальцем гире, обвешивает покупателей. Вы, как и все человечество, прекрасно знали, что если давить на обе чашки одинаково, то весы будут казаться уравновешенными. Но только для вас открылось, что если пьезокварцевую пластинку разрезать на две одинаковые половины, то воздушные потоки будут давить на них примерно одинаково, уравновешивая друг друга, а капли, ударяясь, то в одну, то в другую половинку прибора, будут выбивать полезные сигналы.

Вторую трудность вам, кажется, удалось преодолеть с помощью психологии — науки, предсказывающей, как поведет себя данный человек в данных обстоятельствах. Вы приходите к механику и жалуетесь, что не знаете, как отградуировать прибор — скорость капель уж больно мала.

— Заберитесь повыше,— говорит механик, — и капайте.
— Не пойдет,— возражаете вы.
— Почему это не пойдет? — удивляется механик. — В пролетах лестницы можно капать метров с двадцати.
— Да я бы с купола Исаакия капал, — отвечаете вы, — но бессмысленно.
— Почему?
— Потому что капля набирает предельную скорость на пути длиною всего в несколько метров, и скорость ее падения в десятки раз меньше скорости самолета.
— Может быть, закрутить датчик на вращающейся штанге со скоростью самолета,— задумчиво говорит механик.
— Сложновато,— сомневаетесь вы, оконтуривая невыгодное для работы направление и гоня механика в нужную вам сторону.
— Да, пожалуй, — соглашается механик.— А если…
.
Теперь уходите. Ваша задача уже не давать идеи, а только ликвидировать лишние, оставляя главное. Теперь уже механик заражен задачей «Как сделать?». Вылечиться от этой болезни можно только сделав. Не лишайте механика радости дойти до всего самому.

И вот готов бункер, укрепленный под потолком комнаты, в него насыпаны шарики от шарикоподшипников. Механик нажимает кнопку, и дозатор, придуманный им, мечет по шарику в секунду. Нажата другая кнопка — и скорость подачи шариков возрастает в десять раз. Еще нажим — скорость возрастает еще в десять раз. Нажим — и подача остановлена.

— Толково,— говорите вы,— но шарик ведь не капля.
— А какая разница? — удивляется механик.— Скорость его в восемь раз меньше скорости капли, зато вес в восемь раз больше. Баш на баш — и весь ералаш.

Шарикомет барабанит по пластинке, датчика, и на экране осциллографа возникают импульсы. Классические импульсы, те самые, что возникли у вас в мозгу, когда придумался прибор. В дозатор кладут шарики другого размера, третьего, четвертого… На экране все происходит по науке.

Все сияют, все рады. Вы, механик, практикант, лаборатория. Даже Главный завистник лаборатории почти радостно бормочет:
— Ну и что такого? Как должно быть, так и получилось.

Каждому желающему дают смотреть на осциллограф. Механик готов стравить целый бункер, даже два или три, для любого зрителя. Вместо стальных шариков засыпаны свинцовые (дробь для охотничьих ружей), органического происхождения (гречневая крупа, пшенная, перловая), какие-то капроновые шарики (из них тянут нити для чулок).

Примерно так и происходит научное приборостроение

Автор: Илья Янитов.