XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Перископ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Снежная зима – это здорово! Вокруг столько больших сугробов. Конечно же, любимая игра всех мальчишек – это взятие снежной крепости. И мы не исключение. В ходе игр мы поняли, что нам нужен прибор, с помощью которого можно было бы проводить незаметные наблюдения, сделать невидимое видимым, видеть «сквозь непрозрачные предметы», например через сугроб.
В фильмах о подводниках я видел такие приборы, которые позволяли командиру вести из погружённой в воду лодки наблюдение за обстановкой на поверхности моря, определять направление на цель, расстояние до цели. Этот прибор для подводной лодки необходим в такой же мере, как человеку глаза.
А в фильмах о Великой Отечественной войне солдаты или их командиры, находясь в траншее, также могли наблюдать за противником и быть незамеченными.
Прибор называется перископ, что основной частью этого прибора является зеркало.
Ну, поскольку, опыт работы с зеркалами у меня уже имелся, так как в я собрал калейдоскоп, в котором тоже основным элементом является призма из зеркал, то я подумал, что смастерить перископ я сумею. Конечно не сам перископ, ведь это сложная система, а его модель.
Гипотеза: можно изготовить модель перископа своими руками из подручных материалов.
Цель проекта: собрать действующую модель перископа и оценить возможность ее практического применения.
Для этого необходимо решить следующие задачи:
-
Изучить принцип работы и устройство перископа.
-
Подобрать материал для изготовления модели.
-
Собрать модель перископа из подручных материалов и оценить его возможности.
-
Познакомиться с возможностями применения перископических систем в различных областях техники.
Я думаю, что наш проект имеет практическую значимость. Его можно использовать как дополнительный материал на уроках физики, так как перископ является оптическим прибором, который работает на законах света, а также на мероприятиях посвященных Дню науки, которые каждый год проходят в нашей школе.
Также с помощью нашего прибора можно осматривать труднодоступные места.
1. Основная часть
1.1. Первые перископы. История изобретения
Сначала я решил узнать, что такое перископ в энциклопедическом словаре. В нем дается такое толкование: перископ (от греческого periskopeo – смотрю вокруг, осматриваю), оптический прибор для наблюдений из укрытий (окопов, блиндажей), из танков, подводных лодок [1].
Многие знания получены людьми из собственных наблюдений за природой. Наблюдая, человек черпает идеи для собственных изобретений. Предположительно, что прототипом перископа стал гиппопотам. Устройство глаз гиппопотама подсказало идею создания перископов на подводных лодках. Уши и глаза гиппопотама расположены на самом верху черепа. Так ему удобнее осматривать и "обнюхивать" окрестности. При виде опасных объектов - льва или человека - он мгновенно исчезает.
А кто же изобрёл перископ? История перископа насчитывает почти шесть веков. Впервые он был испробован в 1430-х годах на религиозном фестивале в Аахене (Германия). Придумал устройство первый типограф Европы немецкий изобретатель Иоганн Гутенберг, более известный как изобретатель книгопечатания (рис.1). Оно позволяло паломникам смотреть поверх голов людской толпы.
Рис.1
В 1644 году французский монах Марен Мерсенн изложил в письменном виде идею применения специального оптического прибора для рассматривания предметов, находящихся на поверхности неподалёку от погружённой в воде субмарины.
В 1647 году, идея перископа встречается в работе Яна Гевелия, польского астронома, конструктора телескопов, под названием «Селенография, или описание Луны» и предлагается использовать его для военных целей.
В 1798 году французский изобретатель Мартнер представил властям свой проект подводной лодки с идеей перископа. Мартнер предлагал использовать для рассмотрения предметов на поверхности моря длинную трубку, верхний конец которой всегда оставался бы выше уровня воды. [3]
В 19 вeкe в Пapижe нa нaбepeжнoй нeдaлeкo oт Лувpa пpoxoжим дeмoнcтpиpoвaлиcь мaгичecкиe зepкaлa, c пoмoщью кoтopыx мoжнo былo бecпpeпятcтвeннo cмoтpeть cквoзь тoлcтыe кaмeнныe cтeны (рис.2)
Этo уcтpoйcтвo cocтoялo из зpитeльнoй тpубы, paзъятoй пo cepeдинe (кудa был пoмeщeн тoлcтый кaмeнь) и coдepжaщeй чeтыpe плocкиx зepкaлa пoд углoм 450. Taк впepвыe peклaмиpoвaлcя нoвый oптичecкий пpибop – пepиcкoп (рис.3) [5].
Рис.2 Рис.3
В 1834 году русский генерал Карл Шильде (рис.4) установил на своей подводной лодке простейший зеркальный перископ (рис.5). Он состоял из короткой медной трубы, в каждом конце которой находились металлические зеркала, расположенные под углом 450 по отношению к горизонту. Изобретение перископа Шильдером держалось в строгом секрете.
Рис.4 Рис.5
Первый настоящий и работоспособный перископ запатентован в 1845 году американской изобретательницей Сарой Мэтер. Ей удалось серьезно усовершенствовать это устройство и довести его до практического применения в вооруженных силах.
Французский изобретатель и ученый Ипполит Мария-Дэви в 1854 году приспособил перископ для военно-морских сил. Его устройство состояло из двух развернутых под углом 450 зеркал, которые размещались в трубе.
Работоспособный призматический перископ для подводной лодки был впервые реализован в США во время гражданской войны 1861-1865 гг., американцем Томасом Х. Доути.
В 1872 году инженер бельгийской армии Доденар создал более совершенный призматический перископ, установив его на примитивной подводной лодке.
В 1886 году французы М.Гарнье и Г. Ромацотти изобрели оптический перископ с двояковыпуклыми линзами, что улучшило чёткость изображения. [5]
Таким образом, перископ был изобретен как прибор для наблюдения. Но со временем все чаще использовался, усовершенствовался и несколько раз повторно изобретался из-за практических нужд в военном деле.
1.2. Устройство перископа, принцип работы
Рассмотрим устройство прибора и принцип его действия.
Простейший перископ (рис.6) представляет собой трубу, состоящую из трех секций: одной вертикальной и двух горизонтальных. В местах соединения секций установлены плоские зеркала (рис.6а), а лучше прямоугольные равнобедренные призмы (рис. 6б). Получим призменный перископ. Зеркала или призмы параллельны и составляют угол 450 с осью трубы. Свет на верхнее плоское зеркало или призму падает под углом 450 и поэтому отражается также под углом 450 (по закону отражения света), отклоняясь, следовательно, на 900 в направлении по часовой стрелке. Затем, свет отклоняется на 900 в направлении против часовой стрелки на нижнем плоском зеркале или призме. Зеркала, дважды преломляют световой луч под прямым углом и смещают его. Изображение, пойманное верхним зеркальцем, передается на нижнее, в которое смотрит наблюдатель.
Изображение, полученное наблюдателем, является прямым, мнимым и появляется на более низком уровне, чем тот, на котором находится предмет.
Рис.6
Недостатками применения зеркал в перископах являются их потускнение и отслаивание амальгамы. Поэтому в точных приборах применяются призмы, например, в перископе подводной лодки. Стеклянные призмы не подвержены влиянию погоды, и их не так легко повредить. Более того, призма полностью внутренне отражает свет, в то время как при каждом отражении от зеркала происходит потеря 9% света [4].
Таким образом, устройство и принцип работы простейшего перископа понятен. Зная, как меняется направление светового луча при попадании на плоское зеркала, можно объяснить работу данного прибора. Но перископы, которые имеют практическое применение, конечно же, представляют сложную оптическую систему.
1.3. Области применения перископов
Перископ нашел широкое применение в военной технике.
Простейший перископ, только с добавлением двух простых линз, использовался на фронтах Первой мировой войны, когда широкое распространение получили окопы (рис.7).
Рис.7 Рис.8
В это же время солдаты использовали перископическую винтовку (рис.8), которая стала продуктом солдатской смекалки, результатом простой идеи — совместить винтовку и траншейный перископ, так чтобы снайпер мог целиться и стрелять, не поднимая головы над бруствером, и не подставляясь под вражеский огонь (Приложение 1).
В Русской императорской армии подобное устройство (известное как гипоскоп) использовалось на пулемётах Максим вьючного типа.
Создание и распространение танков (Приложение 2) и бронетранспортеров полностью перевернуло представление о военном транспорте, но их применение без специальных средств наблюдения было бы сильно затруднено. Поэтому активно стали использоваться перископы, что позволяло тяжелой бронетехнике держать под контролем ситуацию «за бортом» (рис. 9).
Рис.9 Рис.10
Существует также вариант более укрепленного перископа —«протектоскоп» — устройство в танке или бронеавтомобиле. Оно предоставляет военным обзор, снижая риск подвергнуться огневому воздействию противника (рис.10).
Перископ на подводной лодке.
Перископ является обязательным прибором любой подводной лодки (рис. 11,12). Его применяют для наблюдения из подводного положения (с "перископной глубины") за навигационной обстановкой на поверхности моря и для обнаружения летательных аппаратов противника. При погружении на большую глубину выступающие трубы перископов втягивают в корпус лодки (Приложение 3).
Рис.11 Рис.12
Для наблюдений в лесу.
Мачтовый перископ служит для наблюдения отдаленных предметов или в лесу, заменяя неудобные и громоздкие вышки. Он может достигать высоты 9—26 м и состоит из мачты, служащей для укрепления оптической системы, монтируемой внутри двух коротких труб большого диаметра. Окулярная труба укреплена на лафете внизу мачты, а объективная - на выдвижной верхушке мачты.
Перископы нашли применение и в повседневной жизни.
Они используются для исследования недоступных внутренних частей изделий, оборудования, для визуального досмотра транспортных средств при техническом обслуживании и оценке работоспособности, труднодоступных и плохо освещенных мест в помещениях (узкого чердака, колодца и т.п.). Устройство незаменимо в работе правоохранительных органов, служб безопасности (например, обзора входной двери, для просматривания мест, куда доступ человека физически затруднён или опасен).
В настоящее время также используется перископическая система зеркал для праворульных автомобилей, упрощающая обгон слева (рис. 13). В информационном зеркале системы водитель видит ситуацию на соседней левой полосе, и спереди, на встречном участке [7].
Рис.13
Перископы используют и в медицине. Благодаря развитию волоконной оптики появились перископы, которые позволяют врачам осмотреть человеческое тело изнутри без необходимости выполнения хирургических операций. Такие типы перископы называются эндоскопами (рис.14) и просто незаменимы в медицине для диагностики или эндоскопических операций (рис. 15).
Рис.14 Рис.15
Таким образом, мы видим широкую область практического применения перископов.
1.4. Недостатки перископа
Перископы как приборы для наблюдений наряду с положительными моментами имеют также и недостатки.
Как и любое другое оптическое средство наблюдения, он не пригоден к использованию ночью и при плохой видимости.
Кроме того, это не скрытное средство наблюдения. Выдвинутый из-под воды перископ может быть обнаружен зрительно и радиолокационными станциями противника.
С помощью перископа невозможно точно определить расстояние до цели, что снижает вероятность попадания торпеды в цель.
И, наконец, дальности обнаружения целей в перископе невелики.
Поэтому перечисленные недостатки перископа явились причиной поиска и создания новых средств наблюдения для подводных лодок—радиолокация и гидроакустика.
Итак, перископ — один из простейших, но при этом интереснейших оптических приборов. Применяется для смещения линии зрения наблюдателя. Имеет широкий диапазон применения. Как прибор для наблюдения, он удобен для «видения» через головы толпы на гонках и соревнованиях, на спортивных играх.
Но наука не стояла на месте, так что со временем перископы становились все более сложными в техническом плане: вместо зеркал стали использоваться призмы и волоконная оптика. Также расширилась и сфера применения — сейчас перископы активно используются не только в военных, но и в научных целях.
2. Практическая часть
2.1.Подбор материала для изготовления модели перископа
Изучив устройство простейшего перископа, и проанализировав изученный материал, нужно было определиться с выбором материала и оборудования для изготовления модели этого прибора. Поскольку цель проекта изготовить прибор из подручного материала и без лишних затрат, то надо постараться и найти все что необходимо дома.
Для создания своего перископа, я использовал: твёрдый картон, 2 зеркала, скотч, клеевой пистолет (рис16). Весь этот материал я нашёл дома. Специальный материал для изготовления модели я не покупал.
Рис.16
Зеркала я попросил у деда. Но у него они оказались только размером 11х11 см. Уменьшать размеры зеркал я не стал просить, так как узнал, что от размера зеркал зависит и полученное изображение.
Поэтому размеры моего перископа стали зависеть от размеров зеркал. И мне пришлось искать картон большого размера и желательно белого цвета, так как мой перископ должен быть не заметным на белом снегу. Ведь первоначально его я задумал для использования во время взятия снежной крепости. И очень кстати пришёлся картон белого цвета из- под тары для торта.
Малярный скотч хорошо соединяет картон, в отличие от простого скотча, поэтому я его использовал для соединения частей трубы. Посмотрим что же у нас получилось по затратам. Выполним расчет затрат на изготовление нашей модели (таблица 1).
Таблица 1. Расчет затрат на изготовление изделия.
|
№ п/п |
Наименование используемых материалов |
Стоимость (руб.) |
|
1. |
Картон из под тары для торта |
0 руб. |
|
2. |
Малярный скотч |
126 руб. |
|
3. |
Зеркала 2 шт. |
0 руб. |
|
4. |
Стержень для клеевого пистолета |
15 руб. |
|
Итого |
141 руб. |
Таким образом, можем сделать вывод, что наш перископ стоит 141 рубль. Все необходимые материалы, будем считать, нашлись в бросовом материале. Поэтому и затраты на изготовление изделия минимальные.
2.2. Изготовление и испытание перископа
После того, как нашёл необходимый материал, начал изготовление модели.
Таблица 2. Этапы изготовления перископа
|
1.На картоне расчертил развертку трубы перископа. Ширина 4 полос (граней ) равна стороне зеркала (у меня 11 см) плюс припуски для склеивания. 2.Склеил полосы с помощью малярного скотча. Получилась труба длиной 70 см, это максимальная длина моего картона. |
|
|
3.Положил зеркало на трубу (отступив 5 мм от края), разметил вырез карандашом. Сделал вырез по разметке с трёх сторон. Его удобнее было сделать канцелярским ножом. |
|
|
4. Опустил вырезанную часть внутрь. На неё удобно крепить зеркало. Вставил зеркало в вырез под углом 450. |
|
|
5. Закрепил с помощью клеевого пистолета зеркало, чтобы оно находилось неподвижно. |
|
|
6.Сделал аналогичный вырез на другом конце трубы перископа с противоположной стороны. И также вставил и закрепил зеркало под углом 450. |
Перископ готов. Можно проводить испытания моего прибора. Посмотрите мой фотоотчет в приложении 4.
Находясь за большим сугробом снега, я мог наблюдать и быть незаметным (фото 1). Правда конец перископа был виден из-за горы, но это и есть его недостаток. Или находясь за деревом, я также проводил наблюдение (фото 2).
Но больше всего, мне понравилось, стоя на земле посмотреть вдаль и видеть объекты, которые находятся на достаточном расстоянии (фото 3). Видел их я ближе, и это опять недостаток перископа, когда невозможно точно определить расстояние до объекта.
Еще я провел такой эксперимент, поставил игрушку на верхнюю полку шкафа (это примерно чуть больше 2 м от пола). Просмотрел в перископ и увидел игрушку на уровне глаз (фото 4). Здорово, значит можно искать какие то предметы на верхних полках и не вставать на стул.
Итак, закончив проект, мы можем сказать, что можно создать простейшую модель перископа своими руками. И в этом была наша цель. Но своей главной функции – наблюдение из укрытия она не потеряла.
С помощью моего перископа, глядя в одно окошко, я могу наблюдать, что творится, скажем, за углом или по ту сторону большого снежного сугроба, наблюдать из-за укрытия.
Заключение
Теперь и вы знаете, как сделать простую модель перископа. Подведем итоги нашей работы.
В ходе изучения материала различных источников, я узнал историю создания оптического прибора - перископ, устройство и принцип действия, области применения этого прибора, его недостатки. Понял, насколько важен перископ в военной технике и на подводной лодке. Он необходим в такой же мере, как человеку глаза. Перископ всё шире используется и в мирных целях. Наука не стоит на месте, и прибор, который был очень простым на стадии изобретения, становится все сложнее и сложнее, и имеет широкое применение.
Мы изготовили простейшую модель перископа своими руками. И сделали это с минимальными затратами. Это было совсем не сложно. Поэтому цель нашей работы достигнута, гипотеза подтвердилась.
Работа доставила мне огромное удовольствие!!! Было здорово увидеть результаты своей работы. Ещё больше впечатлений было от того, когда я заглянул в окошко своего перископа и практически узнал, что представляет этот прибор, и где я могу его использовать.
Мою модель вполне можно использовать на уроке физики при изучении темы «Световые явления», на кружке, на внеклассных мероприятиях по физике.
Я думаю, ребятам будет интересно заглянуть внутрь перископа.
Список использованных источников
1.Советский энциклопедический словарь /Гл.ред.А.М.Прохоров. – с 564-е изд.- М.: Сов.энциклопедия, 1986.-1600с., ил.
2. Класс!ная физика для любознательных [Электронный ресурс].- Режим доступа: URL: http://class-fizika.narod.ru/.
3. СССР. Оптические приборы. Часть 2 Всё о Второй мировой Режим доступа: URL: https://wwii.space/
4.Перископ. Материал из Википедии - свободной энциклопедии [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF.
5. Перископ. Физика от А до Я. http://globalphysics.ru/physics/lens/269-periskop.html
6.Перископы и военный транспорт: история использования и значение Перископ: что это такое и как его изобрели? Режим доступа: URL:http://somanyhorses.ru/
7.Кругозор - перископ для автомобиля, универсальная перископическая система зеркал- Режим доступа: URL: http://www.pravorul.ru/
8.Тарас, А.Е. История подводных лодок 1624-1904 Гл.7 Появление перископа Режим доступа: URL:https://arsenal-info.ru/b/book/2303083435/171
Приложение 1
Применение перископов в военной технике
Траншейный перископ
К началу войны на вооружении Красной Армии находились два типа перископов траншейных типа «Труба Разведчика» — ТР-4 и ТР-8. Перископ предназначался для наблюдения из укрытия за полем боя, поиска целей, измерения дальностей по угломерной сетке, измерения углов между целями, корректировки стрельбы и т.д. За время войны было выпущено более 110 тысяч шт. [4]
ТР-4 с чехлом ТР-8 с чехлом
Глаза ДОТа (Долговременная огневая точка)
П ерископы применялись в поздних советских предвоенных ДОТах. Каземат командира гарнизона оснащался наблюдательными приборами (перископы, сфероскопы и т.д.). С их помощью «коменданты ДОТов» – именно так называлась эта должность – наблюдали за полем боя. Подъемный перископ устанавливается в покрытии сооружения в обсадную бронетрубу и ничем не демаскировал его. В случае интенсивного артобстрела он опускался, и труба закрывается сверху поворотной бронекрышкой, управляемой изнутри при помощи специальной штанги [4].
Приложение 2
Применение перископов в военной технике
Танковый перископ
Танковый перископ был изобретен и запатентован польским инженером Рудольфом Гундляхом (Рис.1) в 1935 году. Устанавливался на польские танкетки TKS и танки 7ТР. Это было первое устройство, позволяющее командиру танка иметь 360-градусный обзор из своей башни с помощью одного перископа. Вращая перископ и позволяя командиру танка смотреть назад через второй окуляр, ему больше не нужно было менять положение, чтобы заглянуть за башню. Обзор для водителя или наводчика стал более безопасным.
Незадолго до войны патент был передан англичанам.Он выпускался как танковый перископ Vickers MK.IV и встраивался во все танки Второй мировой войны.После падения Польши Германия, СССР и Румыния захватили некоторое оборудование, позволившее им скопировать изобретение. В СССР перископ выпускался под маркой МК-4, устанавливался и устанавливается на все типы бронетехники (включая Т-34 и Т-70) с 1944 года. В конце Второй мировой войны эта технология была принята на вооружение во всем мире и использовалась в основном без изменений в течение почти 50 лет, пока ее не заменили электронные устройства.
Рис.1
Приложение 3
Применение перископов на подводных лодках
Появление новых технических средств наблюдения на подводных лодках — радиолокации и гидроакустики — не заменило перископ. Эти средства дополнили его, особенно в условиях плохой видимости (туман, дождь, снег).
С помощью перископа командир подводной лодки определяет направление (пеленг) с подводной лодки на цель, курсовой угол корабля противника, расстояние до цели, скорость ее, а также момент торпедного залпа.
Ч тобы противник не заметил перископ, размеры его выступающей из-под воды части должны быть минимальными. Но для успешного наблюдения за воздушными целями головку перископа вынужденно делают утолщенной, чтобы можно было разместить в ней необходимую оптику зенитного наблюдения. Поэтому в настоящее время на подводной лодке устанавливают два перископа: перископ атаки (командирский) и зенитный. (Фото 1).
Перископ атаки служит для обнаружения противника и наблюдения за ним во время торпедной атаки в светлое время суток при хорошей видимости.
С помощью зенитного перископа можно вести наблюдение за воздухом и поверхностью моря, т. е. от горизонта до зенита. Поэтому зенитный перископ используется чаще, чем перископ атаки.
Перископ стал уже не оптическим, а оптико-электронным прибором. К оптической системе добавился оптический ночной канал. В нем специальные схемы усиливают естественное освещение. А также, имеются каналы инфракрасный и телевизионный для низкого уровня освещенности. Картинка с последних сразу выводится на дисплеи в центральном посту. Перископы оборудуются различного вида дальномерными устройствами, которые почти мгновенно определяют дистанцию до объекта. Обязательно наличие фото- или видеокамеры для документирования и стабилизации.
Приложение 4
Подведем итоги нашей работы
|
Фото 1. |
Фото 2. |
|
Фото 3. |
Фото 4. |