Текст книги "100 великих чудес техники"

И еще, как оказалось, можно изменить конструкции самой ПЗС-матрицы. В Японии недавно разработали так называемую супер-ССО-матрицу. В отличие от уже привычной прямоугольной структуры расположения фотодиодов, образующих единичный элемент изображения – пиксел, в супер-ПЗС-матрице фотодиоды имеют восьмиугольную форму и располагаются друг относительно друга под углом сорок пять градусов. Благодаря такой «сотовой» структуре фотодиоды стоят ближе друг к другу, то есть увеличилась относительная площадь, занимаемая ими. В результате значительно увеличилась эффективная площадь поверхности, с которой снимается свет. В конечном счете увеличивается чувствительность такой матрицы, то есть повышается уровень сигнала с единицы площади ПЗС-матрицы и, как следствие, снижаются паразитные шумы. По мнению компании-производителя, таким образом, увеличивается эффективная поверхность в 1,6 раза, улучшается цветовоспроизведение и соотношение «сигнал – шум», расширяется динамический диапазон, уменьшается расход энергии, увеличивается чувствительность и разрешение изображений.

Фотография, получаемая с такой супер-ПЗС-матрицы с разрешением в 1,3 мегапиксела, по качеству практически аналогична получаемой с традиционной «квадратной» матрицы с разрешением в 2,1 мегапиксела.

Цифровая камера все еще дороже обычных. Впрочем, в действительности она не так уж и дорога, если учесть ее преимущества. Она экономит время, а расходы по ее обслуживанию, в отличие от пленочной, можно свести практически к нулю. Ведь память цифровой камеры можно использовать многократно, аккумуляторы перезаряжать, а снимки не выводить на бумагу, а хранить только в электронном виде.

Современные часы

Время быстротечно. Чтобы уловить его ритм, человек придумал часы. Солнечные, лунные и звездные часы – механизм их подсказан самой природой, – на Востоке знали уже в глубокой древности. В V веке до нашей эры с ними познакомились греки, а два столетия спустя – римляне. Но пользоваться природными часами можно было лишь в ясную погоду. Тогда на помощь пришли водяные, огненные и песочные часы.

На рубеже XII–XIII веков появились часы механические. Имя изобретателя неизвестно, но придуманная им конструкция механизма в основных деталях сохранилась до нашего времени – достойный памятник неизвестному гению.

Первые колесные башенные часы начали отмерять почасовым боем время лондонцев на башне Вестминстерского аббатства в 1288 году, а в России они зазвонили на Спасской башне в 1404 году по указу сына Дмитрия Донского великого князя Василия Дмитриевича.

В XV веке часы с гирями украшали интерьеры дворцов, а изобретение пружины в начале XVI века в Нюрнберге позволило заключать механизм в корпус любой формы.

Ко второй половине XV века относятся самые первые упоминания об изготовлении часов с пружинным двигателем, который открыл путь к созданию миниатюрных часов. Источником движущей энергии в пружинных часах служила заведенная и стремящаяся развернуться пружина, которая представляла собой эластичную, тщательным образом закаленную стальную ленту, свернутую вокруг вала внутри барабана. Внешний конец пружины закреплялся за крючок в стенке барабана, внутренний – соединялся с валом барабана. Стремясь развернуться, пружина приводила во вращение барабан и связанное с ним зубчатое колесо, которое, в свою очередь, передавало это движение системе зубчатых колес до регулятора включительно. Конструируя такие часы, мастера должны были решить несколько сложных технических задач. Главная из них касалась работы самого двигателя. Ведь для правильного хода часов пружина должна на протяжении длительного времени воздействовать на колесный механизм с одной и той же силой. Для этого необходимо заставить ее разворачиваться медленно и равномерно. Толчком к созданию пружинных часов послужило изобретение запора, не позволявшего пружине распрямляться сразу. Он представлял собой маленькую щеколду, помещавшуюся в зубья колес и позволявшую пружине раскручиваться так, что одновременно поворачивался весь ее корпус, а вместе с ним – колеса часового механизма. Так как пружина имеет неодинаковую силу упругости на разных стадиях своего разворачивания, первым часовщикам приходилось прибегать к различным хитроумным ухищрениям, чтобы сделать ее ход более равномерным. Позже, когда научились изготовлять высококачественную сталь для часовых пружин, в них необходимость отпала.

Сейчас в недорогих часах пружину просто делают достаточно длинной, рассчитанной примерно на 30–36 часов работы, но при этом рекомендуют заводить часы раз в сутки в одно и то же время. Специальное приспособление мешает пружине при заводе свернуться до конца. В результате ход пружины используется только в средней части, когда сила ее упругости более равномерна.

Изобретателем современных механических часов по праву считается нидерландский ученый Х. Гюйгенс, который в 1657 году применил маятник в качестве регулятора хода часов.

Позднее маятник сменился балансом – маленьким маховым колесом, которое колеблется около положения равновесия, вращаясь, то в одну, то в другую сторону. Так появились карманные, а потом и наручные часы.

Индивидуальные часы в XVI и в начале XVII века были редкостью, диковинкой, их изготавливали по индивидуальному заказу только очень состоятельных людей.

Привычная круглая или «луковичная» форма часового корпуса характерна для второй половины XVII века. В более раннее время были популярны часы-игрушки, оформленные в виде шара, креста, раковины или книжечки. Основные центры часового дела – Блуа, Париж, Лондон, Амстердам.

Нередко корпус имел восьмигранную форму и выполнялся из прозрачного материала. Это мог быть горный хрусталь, аметист, дымчатый топаз разных оттенков. Прозрачный граненый корпус позволяет наблюдать движение мельчайших деталей механизма. Циферблатного стекла еще не знали, и циферблат закрывала крышка, иногда прозрачная, иногда с прорезным орнаментом.

Нам с нашей привычкой торопиться было бы трудно точно определить время по таким часам. Ведь у них только одна часовая стрелка. Минутная появилась лишь во второй половине XVII века.

Впрочем, подобные часы предназначались не только для измерения времени. Они были предметом роскоши, украшением костюма. Их весьма условно можно назвать карманными. Такие часы подвешивали на цепи, носили на шее. В России их называли «воротными», от слова «ворот».

В XVI–XVII веках интерьерные и индивидуальные часы привозили в Россию иноземные купцы, а государям они часто доставались в качестве посольских даров. Особо ценились те, что «чудные хитростию и искусством работы».

В XIX столетии в Швейцарии появились ставшие позднее знаменитыми часовые фирмы, например «Патек Филипп». Сегодня она принадлежит к немногочисленной «высшей лиге» швейцарских часовых фирм, более того – даже в этом узком элитарном кругу она умудрилась выделиться особо.

У истоков основанной в 1839 году фирмы стояли, как это ни парадоксально звучит, два славянина – поляки Антон Норберт Патек де Правджич и Франц Чапек. Первый был офицером-аристократом, бежавшим в Швейцарию после подавления Николаем I польского восстания; второй – часовщиком, также эмигрировавшим из Польши.

Начав со сборки часов из покупных механизмов и корпусов собственной разработки, «Патек Филипп» со временем добилась мирового признания, разработав шедевры часовой механики. Среди заказчиков фирмы в середине XIX века были королевские дворы всей Европы, а один из клиентов – римский папа Лев XIII, проникшись уважением к изделиям фирмы, даже удостоил Патека графского титула.

Практически все великие марки не избежали кризисов, и «Патек Филипп» не стала исключением. В 1930-е годы финансовые проблемы поставили фирму на грань выживания, а спасли ее новые хозяева – семья Штерн, которой она и принадлежит по сей день. Нынешний президент «Патек Филипп» Филипп Штерн является представителем уже третьего поколения владельцев марки.

К швейцарским классикам принято относить фирмы, обладающие полным производственным циклом. Это фирмы, самостоятельно производящие часовые корпуса, механизмы, окончательную сборку, а также имеющие свои традиции и более чем столетнюю историю. Стоит добавить, что «Патек Филипп» до сих пор является мануфактурой, существующей абсолютно автономно от каких-либо финансовых или отраслевых холдингов, что на фоне почти повального поглощения концернами именитых часовых марок тоже само по себе уникально.

«Патек Филипп» производит не более двадцати тысяч часов в год, а минимальная цена на изделия этой фирмы 5–6 тысяч долларов. Производственная программа «Патек Филипп» довольно разнообразна и редко подвергается коррекциям. Основу производства составляют коллекции «Калатрава», «Эллипс», «Наутилус».

На примере последней коллекции можно рассмотреть «классическое» направление в производстве часов. Как пишет в журнале «Компания» Юрий Хнычкин: «Коллекция «Наутилус» обязана своим названием характерной форме сглаженного восьмиугольника ободка корпуса, копирующей судовой иллюминатор. Эта деталь – характернейшая для «Наутилуса» – не только придает часам совершенно особую форму, что облегчает визуальное опознавание модели, но интересна еще и тем, что ободок объединен в одно целое с корпусом: весь корпус «Наутилуса» (разумеется, кроме задней крышки) выполняется из цельного бруска стали или золота и не имеет соединений (подобной конструкцией обладают знаменитые "Rolex Oyster", но справедливости ради надо отметить, что у «Rolex» в силу особенностей конструкции имеется вращающийся ободок, выполненный, естественно, отдельно от корпуса). Прелесть такого корпуса в том, что он позволяет добиться стопроцентной защищенности механизма. Другая особенность "Наутилуса", выдающая модель, что называется, с головой, – чередование шлифованных больших и полированных центральных звеньев на браслете (эта черта отсутствует у моделей, выполненных на ремешке). «Наутилус» – часы отчетливо выраженного спортивного стиля. Механизм обычно с автоматическим заводом, у женских моделей – кварцевый. Водонепроницаемость гарантирована до глубины 120 метров, для моделей с кварцевым механизмом – до 60 метров. Корпус выполняется из желтого или белого золота, стали и даже платины, может быть декорирован бриллиантами. Несмотря на кажущуюся массивность, «Наутилус» очень элегантен и отличается не слишком большой толщиной корпуса (около 8 миллиметров). В качестве «опции» предлагается модель с индикатором запаса хода – дополнительным малым циферблатом, указывающим, на сколько еще хватит завода пружины. При этом индикатор лишен обычных для такой функции цифровых обозначений, перегружающих и без того небольшой циферблат, а указывает запас хода лишь схематично – наподобие указателя уровня топлива в баке автомобиля».

В лучших механических часах в наши дни неточность хода очень мала: не более 0,0001 секунды за сутки. Но изобретатели продолжали добиваться большей точности часов. На смену механическим часам пришли электронные. Взамен колебаний маятника или баланса стали использовать, например, упругие колебания кристалла кварца. Если к противоположным поверхностям кварцевой пластинки подвести переменный электрический ток, кристалл начнет совершать колебания, причем частота колебаний кварца отличается постоянством. Это позволило создать очень точные кварцевые электронные часы, в которых радиотехнический генератор вырабатывает ток высокой частоты, а кварцевый кристалл играет роль маятника, поддерживая строгое постоянство колебаний тока. Функции «шестерен» выполняют различные электронные схемы. Проходя через них, ток преобразуется и подводится к электродвигателю, который и вращает стрелки часов. Стабильность частоты колебаний обеспечивает равномерность движения стрелок и погрешность не более 1 мкс.

Тем не менее даже кварцевые часы имеют существенные недостатки. Главные из них – зависимость колебаний кварца от температуры окружающей среды и изменение частоты колебаний с течением времени.

Представителем направления, которое можно назвать хай-тек, является японская фирма «Касио», которой удалось создать в наручных часах записную книжку и даже инфракрасный пульт дистанционного управления, но и это уже стало достоянием истории. Последний же писк моды – наручный проигрыватель музыкальных файлов формата MP3. Он впервые интегрирован в модель Casio WMP-1V. В роли интегрированного носителя выступает флэш-карточка. Плейер вмещает 33 минуты цифровой музыки наилучшего качества. На передней панели музыкальных часов расположено 6 клавиш управления плейером. Емкости литиевого аккумулятора хватает на 4 часа воспроизведения. Столько же времени занимает и его полная зарядка. Для загрузки новых файлов часы подключаются к персональному компьютеру. Скорость загрузки данных – 70 секунд на четырехминутный MP3-файл. В комплект поставки входят программное обеспечение для синхронизации с ПК, зарядное устройство, стереонаушники и блок питания. Музыкальные часы компактными не назовешь, они выполнены в «спортивном» стиле. Но весят не много – всего 70 граммов.

Другие интеллектуальные часы той же фирмы содержат встроенный органайзер, записи которого синхронизируются с настольными или карманными компьютерами. Часы оборудованы специальным 4-разрядным процессором, имеют 24 Кбайт памяти, информативный дисплей с графическим, разрешение которого 48x10 пикселов, и цифровым с 12 символами-полями. Органайзер часов можно назвать достаточно емким. В частности, «Ежедневник» рассчитан на 340 записей, «Контакты» – до 100 записей, «Дела» – до 340 записей и, наконец, «Блокнот» может сохранять до 8100 символов. Синхронизация часов с компьютерами производится по инфракрасному интерфейсу на дистанции до 20 сантиметров. Часы достаточно компактны – всего 5x3,7x1,3 сантиметров.

Но и это не последнее чудо. «Касио» удалось встроить в часы наручную цифровую камеру. Крохотная CMOS-матрица обеспечивает разрешение 28800 пикселов. Реальные размеры снимка – 20x20 миллиметров, 120x120 точек. Конечно, такой снимок для домашнего альбома не подойдет. Однако задача такой камеры – быть всегда под рукой и сфотографировать не для выставки, а для дела. Возможностей малютки вполне хватит для того, чтобы, например, сфотографировать телефонный номер с настенного объявления. Передача данных ведется по инфракрасному интерфейсу. Кстати, любой снимок можно сразу подписать – 24 знакоместа для этого вполне достаточно, а потом отправить не только на компьютер, но и на другие часы «Casio Wrist Camera». Вес наручных часов-фотоаппарата – 32 грамма. Пользоваться ими предельно просто: дисплей часов переводится в режим цифрового видоискателя и остается лишь нажать на большую кнопку затвора.

В борьбе за точность ученые создали молекулярные часы, в которых используют способность определенных молекул поглощать и излучать электромагнитные колебания строго определенной частоты. Еще более точными «хранителями времени» оказались атомы некоторых элементов, например цезия. Неточность хода атомных цезиевых часов составляет 1 секунду за 10000 лет. Но и этот показатель удалось превзойти с помощью квантовых часов, в которых используются электромагнитные колебания водородного квантового генератора. Неточность таких часов – 1 секунда за 100000 лет!

Существуют и так называемые радиоактивные часы. С их помощью ученые измеряют очень большие промежутки времени – тысячи, сотни тысяч и даже миллионы лет. Например, возраст археологической находки или какой-нибудь горной породы. Принцип измерения основан на законе радиоактивного распада ядер химических элементов. Различные элементы распадаются с разной скоростью. Например, период полураспада (количество атомов уменьшается вдвое) урана-238 равен 4,5 миллиарда лет, урана-235 – 700 миллионам лет, а углерода-14 – «всего» 5500 лет. Сравнивая соотношение тех или иных элементов в изучаемом образце со скоростями их распада, ученые могут определить возраст исследуемого объекта в интервале от сотен до миллиардов лет.

Цифровое спутниковое телевидение

Передача информации на большие расстояния была и остается одним из самых важных с практической точки зрения применений искусственных спутников Земли. На первом специализированном связном американском спутнике в 1963 году был передатчик мощностью всего в 5 ватт и ненаправленная передающая антенна. Оттого на Земле сигналы спутника удавалось принимать только специальной антенной размером около тридцати метров. Чтобы выделять слабый сигнал на фоне шумов, на входе наземного приемника пришлось установить сложный и дорогой квантовый усилитель, охлаждаемый жидким гелием.

Космическая техника развивалась, и в 1970-х годах стало возможным выводить спутники связи на так называемую геостационарную орбиту, когда спутник как бы подвешен постоянно над одной точкой земной поверхности. Выросла мощность передатчика, а бортовые антенны заменили направленными, способными формировать узкий луч электромагнитной энергии, «освещающий» сравнительно небольшую часть земной поверхности. То есть мощность излучения не разбрасывалась во все стороны, а направлялась в основном адресату.

В качестве параметра, который характеризовал бы не только передатчик, но и антенну, ввели так называемую эквивалентную излучаемую мощность – произведение мощности бортового передатчика и коэффициента усиления передающей антенны (имеется в виду эффект усиления, связанный с тем, что энергия концентрируется и излучается лишь в определенном направлении). Значение эквивалентной мощности достигло сотен, а затем и тысяч ватт. В результате наземные антенны удалось уменьшить в два-три раза, а для усилителя более не требовалось охлаждения жидким гелием. И все же о непосредственном приеме сигнала на домашний телевизор в этот период можно было только мечтать – стоимость приемной станции составляла около миллиона советских рублей.

Первая в мире распределительная телесистема «Орбита» начала действовать в СССР в 1967 году. Затем аналогичные системы появились в США, Канаде, Индонезии, Индии и в других странах. В 1977 году группа европейских стран организовала консорциум «Евтелсат» для обмена телепрограммами в сети «Евровидения». Основой сети стали три ведущих и один резервный спутник «Евтелсат-1», которые использовались и для передачи коммерческих ТВ-программ в диапазоне 11 ГГц. Еще несколько программ в этом диапазоне транслировались через спутники международной системы «Интелсат» и коммерческий спутник «Астра».

Сегодня многие телезрители обзаводятся собственными приемными системами, позволяющими принимать программы распределительных систем. В 1983 году, когда начались первые передачи через спутник «Евтелсат-1», Для этого требовалась приемная антенна диаметром не менее трех метров и оборудование стоимостью 20000 долларов.

Понадобились годы труда ученых и инженеров, чтобы сделать реальностью «тарелку» диаметром в 60 сантиметров, которую можно установить на балконе где-нибудь в Ижевске или Омске и принимать прямо со спутников десятки программ из разных стран.

Попробуем проследить, как телевизионные программы приходят к зрителю транзитом через спутник на примере «НТВ-плюс». Эта система непосредственного спутникового вещания (СНВ) в России действует и постоянно развивается с середины 1990-х годов.

С февраля 1999 года в этой сети начал работу спутник «Бонум-1», специально подготовленный для цифровой передачи. Современное оборудование цифровой компрессии и цифровой передачи позволяет передать через один ствол (транспондер) спутника вместо одной аналоговой программы до шести цифровых телевизионных, а при статистическом уплотнении – до 8-10 и даже 10–12. Но стоимость оборудования спутника и приемной установки значительно возрастает. В то время, когда создавалась первая сеть непосредственного спутникового вещания, цена цифрового тюнера превышала на мировом рынке тысячу американских долларов, цена же аналогового – в двадцать раз меньше. Это предопределяло выбор аналогового способа. Однако к 1999 году стоимость цифрового тюнера на мировом рынке опустилась примерно до 200 долларов. Это позволило полностью перейти на цифровое вещание. Так, с 1 ноября 1999 года «НТВ-Плюс» перешло на цифровое вещание.

Преимущества цифрового вещания несомненны. Во-первых, это – снижение затрат на спутник (в расчете на одну программу) в 6-10 раз; улучшение пороговых свойств приемника; повышение реального качества изображения и звука. Во-вторых, это – предоставление потребителю дополнительных услуг, таких как воспроизведение программы передач на экране телевизора, удобный выбор каналов, возможность введения пароля и возрастного ограничения телезрителей, звуковое сопровождение на нескольких языках, передача данных, изменение программного обеспечения приемников по эфиру и т д.

Можно выбрать и вид приема: индивидуальный или коллективный. Если ограничиться только коллективным приемом, то можно уменьшить мощность спутника, поскольку приемная антенна имеет больший размер. Вместе с тем при этом будет потеряна часть потенциальной аудитории. Ведь даже в Европе, при широком развитии кабельных сетей, число индивидуальных спутниковых абонентов составляет почти пятьдесят процентов. Что говорить о России, где практически отсутствует опыт функционирования платных кабельных сетей и договорных отношений между вещателем и владельцем кабельной сети. Поэтому выбор в пользу индивидуального приема становится очевидным, что, впрочем, не исключает коллективного приема.

Массовый характер сети спутникового вещания и необходимость передачи сигналов «открытия» по эфиру заставляет применять сложные системы закрытия. Это необходимая защита от многочисленных «хакеров». Сейчас в «НТВ-Плюс» используется цифровая система закрытия фирмы «France Telecom» (Франция). Фактов ее «пиратского» раскрытия пока не обнаружено, а если это произойдет, меры противодействия предусмотрены.

Выбор основных энергетических параметров системы «НТВ-Плюс» был обусловлен многолетним опытом создания спутников в России и других странах, а также имеющимся на рынке массовым приемным оборудованием, целесообразным размером антенн приемной установки. Для системы «НТВ-Плюс» стали использовать спутник с ЭИИМ 50–48 дБВт. При современных малошумящих усилителях и тюнерах с улучшенными пороговыми свойствами сигнал можно принимать с антеннами диаметром 45–60 сантиметров. При зоне покрытия, соответствующей европейской части России, достаточна мощность ствола на спутнике в 80-100 Вт.

Существенное значение при создании системы имел выбор полосы частот. На международной конференции в Женеве в 1977 году приняли план распределения частотных каналов и позиций спутников на геостационарной орбите. Для западного полушария аналогичный план был принят в 1983 году. Каждая страна восточного полушария получила не менее пяти частотных каналов шириной 27 МГц. В соответствии с планом каждый спутник должен обслуживать одну или несколько территорий, соответствующих границам одной страны. Советский Союз получил 70 частотных каналов на пяти орбитальных позициях.

Другие системы, работающие в диапазоне 12 ГГц, по праву можно назвать «непосредственным спутниковым телевещанием», поскольку на прием не требуется получать разрешение передающей стороны, а цена приемной установки сегодня не больше цены высококачественного телевизора.

Еще в Советском Союзе планировалось создание спутниковой системы в диапазоне 12 ГГц, в частности спутников, рассчитанных на передачу одновременно четырех ТВ-программ в одном широком луче (территории Казахстана, Украины), двух лучах среднего размера (Белоруссия, Узбекистан и другие республики Средней Азии) и одном узком луче (Прибалтика, Закавказье). Мощность бортовых передатчиков предполагалась такой, чтобы для индивидуального приема подходили антенны диаметром 1,1 метра, а для коллективного приема, где влияние оказывают взаимные помехи, – 1,5 метра.

Для размещения спутника «Бонум-1» Государственной комиссией по радиочастотам было выдано разрешение на использование одной из российских позиций в диапазоне СНВ.

«Спутник – самый важный элемент системы, – пишет в журнале «Радио» Л. Кантор. – В системе СНВ используется спутник типа HS376, изготовленный американской компанией Hughes (кстати, их изготовлено уже более 50). Спутник высоконадежен, рассчитан на срок службы 12 лет. Конструкция его необычна. Он имеет форму цилиндра, по всей поверхности которого расположены элементы солнечной батареи. Вращение всего наружного «стакана» способствует стабилизации положения оси спутника в пространстве. Внутренняя часть спутника, на которой расположена приемно-передающая антенна, остается неподвижной (т е. как бы вращается относительно наружного «стакана» в обратную сторону).

Спутник управляется со станции, расположенной под Москвой. Как показывает опыт, эксплуатационные его параметры поддерживаются с высокой точностью: погрешность сохранения позиции на орбите и наведения антенны существенно меньше заданной величины ±0,1 градуса. Для этого регулярно проводятся сеансы коррекции с помощью установленных четырех корректирующих двигателей и необходимого запаса топлива.

Наведение антенны спутника осуществляется либо по сигналу маяка, совмещенному с сигналами телеуправления, либо по диску Земли. Луч передающей антенны имеет специальную форму, соответствующую необходимой зоне обслуживания. Предусмотрена также возможность переключения передатчиков на второй облучатель, позволяющий сформировать зону восточнее основной. Полезная нагрузка спутника – восемь рабочих стволов с гибким резервом (из трех передатчиков), создающих в указанной зоне ЭИИМ не менее 50 дБВт. Все стволы работают круглосуточно, в том числе в периоды, когда спутник оказывается в тени Земли и его аппаратура питается от аккумуляторных батарей».