Наукове приладобудування

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Людина може вважати, що недарма прожила життя, якщо вона народила дітей, посадила дерево, написала книгу або зробила новий прилад. Новий прилад — новий орган почуттів. Він розповідає про не побачені до нього фарби світу, про не почуті до нього звуки. Світ гудів від радіохвиль – їх випромінювали зірки і Сонце, грозові хмари і краплі дощу, вулкани і снігові лавини, люди і планети. Але тільки поява радіо дозволила не тільки почути, але й дізнатися, що є голоси, якими розмовляє Всесвіт. З’являється новий прилад — і починають розмовляти риби, інший — і засвітилися рентгеновими променями темні плями космосу, третій, четвертий…— і світ суцільних речей виявився зробленим з мережива атомів, а самі атоми, неподільні, стали ділитися.

Незрозуміло, як люди стають винахідниками, приладобудівниками. Як прийшла Попову думка про радіоприймач? Тепер пояснити все просто — і антену, і кохерер, і дзвінок. Але Попов жив у світі, де існувало 115,586.412 предметів (ви самі можете перерахувати, якщо вам здається, що я помилився). Як зумів вибрати Попов ці три? Так, звичайно, і знання, і праця, і… і талант, і щастя. Народження нового приладу — це диво. Але дивом виявляється лише те, що неймовірно, чого неймовірно важко досягти.

Нелегкий шлях людей, що придумують прилади. Першовідкривачі — люди небезпечної професії: нерідко поверхневим людям вони здаються шарлатанами. Нічого не поробиш – діалектика: наші радощі – продовження неприємностей, наші засмучення – коріння, з яких виростають квіти щастя.

Є у Веллса історія про людину, що потрапила в країну сліпих. Його розповідям, розповідям зрячого, просто не вірили. Їх приймали за маячню, за небезпечні вигадки. Його телескоп хотіли розбити… Вибачте, телескоп — це вже з іншої історії, невигаданої історії людства….

І зараз приладобудівники непросто. У приладобудівники йдуть подвижники, але не змучені, схудлі подвижники святого писання, а оптимістичні, повнокровні сучасні подвижники.

У мене був знайомий, який купив три квитки якоїсь лотереї. «Навіщо?» – запитав я. «мені потрібні автомобіль і будинок», – відповів він. «Як же ти їх отримаєш?» – здивувався я. «виграю». «У лотерею?!» «В лотерею». «Навіщо ж ти тоді купив третій квиток?» Ну, хіба мало що, — зніяковів мій друг, — все-таки… лотерея.» Цей хлопець був нестримним песимістом в порівнянні з приладобудівником, – як приладобудівник в порівнянні з розробником метеорологічних приладів.

Метеорологічні прилади створити настільки важко, що ні Господь Бог, ні пані Природа за це не зважилися взятися. Але ж вони могли б це зробити, володіючи в своєму розпорядженні необмеженими засобами і часом. А нам на цей прилад відвели… ні, я не буду називати ні суму, ні час. Навіщо я розповідаю вам, дорогий читачу, про прикрощі і радощі творців приладів, якщо вони для вас знаходяться по той бік бар’єру?

Проробимо дослід: читач змінює професію, стає приладобудівником. Вашу руку, дорогий друже! Обережніше, не спіткніться: бар’єр все-таки зависокий. Отак… Тепер перенесіть іншу ногу… Відмінно. Отже…

Зелена змійка на екрані осцилографа танцювала: вона то легко, витонченим піруетом переносилася з одного краю екрана до іншого, то вибивала часту дрібну дріб, погойдуючись на одному місці, а потім раптовим ривком перекидалася куди-небудь убік, щоб і там повторити свої вигадливі па, дивуючи і відвагою їх, і їх різноманітністю.

Танці осцилографної змії програмою робіт не передбачалися, на них не відводилося ні коштів, ні часу. Промінь осцилографа повинен був різко відхилятися вгору і швидко повертатися назад, прокреслюючи на екрані гострий кут імпульсу, що показує величину маси краплі, що падає на пьезокварцевый датчик. Але ось вже який місяць імпульс не з’являвся.

– …без цього приладу нам не обійтися, — закінчує завідувач лабораторією своє повідомлення на семінарі.
— Людей і так не вистачає, — каже Головний песиміст,— а ви хочете зайнятися новою розробкою.
– Ідеї немає, немає ідеї! — вигукує Головний скептик.
– У НДІ дощу ловлять краплі на пофарбовану промокашку і вимірюють розміри плям — благодушно повідомляє головний оптиміст.
— Виходила дівка заміж, тільки хлопця не знайшла, — висловлюється механік, який сидить біля відчиненої двері, щоб дим цигарки йшов в коридор.
— А ви що скажете? – звертається до головного заздрісника (є і така нештатна посада в лабораторії) завлаб.— Адже ваша дипломна робота так і називалася «Вимірювач крапель дощу».
— Та нічого хорошого я не зробив,— говорить заздрісник,— прочитав майже сотню статей, зрозумів, що прилад треба ставити на літак, а як його треба зробити, так ніхто і не придумав. Я і потім дивився літературу: нічого розумного не знайшов. Ось на цю химеру ви і людей знайдете і кошти, а допомогти мені ні тим, ні іншим ви не хочете, а я один, як перст, повинен…
– Даремно я вам, виходить, п’ятірку за диплом поставив, – незадоволено говорить завлаб. — Прошу всіх подумати і, якщо підкірка у кого-небудь виділить відповідну еманацію, сповістіть мене. Вас,— звертається він до вас— прошу зробити огляд існуючих приладів і методів вимірювання.
— От завжди так,— каже Головний заздрісник,— я цим займався, а доручають невідомо кому.
– Але я ж цим ніколи не цікавився, – протестуєте ви.
– Ось і чудово. Необхідний неупереджений погляд з боку, – говорить завлаб.
— В допомогу, — знову говорить вам завлаб,— ми зуміємо виділити механіка і студента-практиканта. Звичайно, якщо у вас виникне гарна ідея.
-А як її, хорошу-то визначити? — запитує скептик.
— По щоках, — відповідає завлаб. – Коли з’являється гарна ідея, холодіють щоки.

Новий прилад створюють, як новий вид рослини або тварини, а ростять і виховують, як цуценя. І так само, як схрещуючи кращі породи кімнатних собак, не можна створити гончу (у батьків немає генів довгих ніг і могутніх легенів), не можна, не заклавши в основу приладу бажаних властивостей, зробити його гарним. Тільки зробивши прообраз, схожий на вашу мрію про прилад, ви зможете приступити до другого етапу — виховання. Ви зміцнюєте здоров’я приладу, закаляєте його, прищеплюєте йому корисні звички і вміння вести себе правильно навіть у важких обставинах, оберігаєте від безглуздого свавілля, усуваєте погані звички. Так і тільки так можливості вашого вихованця стають дійсністю, виникає прилад.

Основні властивості приладу визначаються його чутливим елементом. Барабанна перетинка вуха, сітківка ока, смакові сосочки язика дають нам можливість познайомитися з навколишнім світом; але принципи, на яких побудовані ці органи, визначають і межі такого знайомства.

У пошуках відповідних генів для приладу ви прочитуєте дипломну роботу головного заздрісника і вісімдесят сім статей і патентів, за якими вона написана. Ще сотню статей і патентів, що вийшли після диплома. Краплі вимірювали по сліду, залишеному ними в борошні, насипаному у деко, по сліду на засвіченій фотоплівці і ще десятками схожих способів, хитромудрих, але абсолютно не підходящих для вашого приладу: лише через багато часу після вимірювання можна було визначити, що ж побачив прилад. Ви переглядаєте прилади, що використовують розсіювання або поглинання світла, створювані краплею, зміну ємності конденсатора при появі в ньому краплі, але і їх відкидаєте. Занадто ніжні: обмерзання, вода хмар швидко виведуть їх з ладу. І вони не перспективні: чим швидше летить літак, на якому вони будуть встановлені, тим гірше вони будуть вимірювати, адже літаки літають все швидше і швидше, значить, ваш прилад швидко постаріє. Де ж і як знайти гени, корисні для вашого приладу? Прав був Головний скептик, кажучи: «Немає ідеї».

Ви сидите в кріслі зубного лікаря. За вікном – мокра з плямами відваленої штукатурки глуха стіна. Під вікном – залізний дах якоїсь прибудови, по ній барабанить дощ. Чути навіть удари окремих крапель. Типовий для літератури вираз почуттів героя через ландшафт і погоду. Бур з противним дзижчанням вгризається в зуб. Ви стійко терпите ще двадцять ударів крапель, ще десять… і несподівано (еманація підкірки) вас осіняє думка, ні, не думка — думища! Тобто в той момент, коли вона приходить, — думища. Потім, коли її почнуть упаковувати в конструкцію, одягати в нудний сірий картон звіту, разпластають і засушать на аркушах статті в науковому журналі і занафталинять в сильно урізаному вигляді на сторінці монографії, ця думка почне зменшуватись, стане думкою, ідеєю, прийомом, міркуванням. Одна, одна, одна з багатьох.

Але це в майбутньому. А зараз думка опановує вами, вам вже не до лікаря, не до хворого зуба, не до бормашини. Дуже вже цікава і прекрасна думка. І вірна думка, це вже точно – вірна, раз щоки холодіють. Невже все так просто?!

— Хворий, можете закрити рот. Хворий, ви мене чуєте? Закрийте рот.
— Доктор, а які асоціації викликає у вас стукіт крапель по даху?
— Вчора я знову втратила парасольку, а складану неможливо купити. Ну, відкрийте рот.
— Доктор, еврика!
– Рот!

Господи, як часто ми відкриваємо і закриваємо рот, мокнемо під дощем. Чому ж так рідко при цьому в свідомості виникає чітка конструкція приладу для вимірювання розмірів крапель дощу?

У сотні тисяч лабораторій світу щодня йдуть десятки мільйонів співробітників. По-різному одягнені, різного кольору шкіри, високі і низькі, гомінкі й мовчазні, експериментатори і теоретики — всі вони, хто терпляче, хто поспішно, прагнуть викласти велике мозаїчне панно науки, що зображує життя, природу, істину. Кожен кладе в це гігантське панно розміром в життя людства небагато: хтось один-два шматочки смальти, хтось пересуне неправильно визначений камінчик, хтось тільки приготує шматочок смальти, комусь вдасться накидати ескіз, за яким інші викладуть свою смальту, а хтось поправить цей ескіз, але кожен відчуває найвище щастя в момент, коли відчує, що він став співавтором мозаїки науки. Людина приходить додому і говорить близькому другу:

– Знаєш, я зметикував. Розміри крапель дощу можуть бути виміряні по силі їх удару об мікрофон. Розумієш, чим сильніше удар, тим більше буде електрична напруга. Будь-який сучасний мікрофон розрахований на вимірювання акустичних тисків в тисячі, сотні тисяч разів менших, ніж тиск, створюваний краплею, що ударяє об мікрофон, встановлений на сучасному літаку. Значить, є дикий запас по чутливості, ймовірно, можна буде обійтися без підсилювача. Чим швидше летить літак, тим сильніше імпульс. Значить, прилади будуть працювати в міру вдосконалення літаків все краще і краще.
— Угу (ага, ого),— відповідає він. – Молодець, значить, зметикував. А я взяв квитки в кіно: йде закордонний детектив, кажуть — блиск.
– А конструкція приладу, – продовжуєте ви, – виходить дивно проста: пластинка мікрофона, обтічний до неї і тримач. Такій штуці ніякі потоки води, ніяке обмерзання не страшно. Таким приладом навіть цвяхи забивати можна.
– Та ти молоток, – каже близький друг.— Я думаю, що перед кіно ми могли б трохи пройтися.
– Не я молоток,— пояснюєте ви, – а прилад виходить, як молоток.
– Ви обидва молодці, – неуважно відповідає кращий друг.

Але ж це найближчий друг! І не зрозуміти автору нового медичного препарату винахідника, який створив лазер, так само, як автор лазера не зрозуміє творця приладу, що вимірює електропровідність повітря, бо треба самому відчути опір середовища, а воно кожен раз інше.

І лише на семінарі в колі вузьких фахівців вас розуміють по суті. Фахівцям не потрібно читати лекцію, пояснюючи, що чутливий елемент повинен реагувати тільки на краплі і зводити до мінімуму реакцію на зміни температури, вібрації, тиску. Їм тому зрозуміло, чому з мікрофонів різних видів ви вибираєте пьезокварцевий. Тільки не здумайте на семінарі говорити про радість, що вас переповнює: це ще більш безглуздо, ніж розмова з другом.

Тільки дві обставини турбували вас при проектуванні приладу: по-перше, на датчик буде тиснути мінливий повітряний потік, і спричинені ним перешкоди можуть затушувати основний сигнал, а по-друге, не було зрозуміло, як протестувати прилад — зробити так, щоб і в лабораторії краплі з літаковою швидкістю вдарялися об приймач приладу.

Випадок допоміг вирішити першу трудність. Купуючи на ринку мандарини, ви випадково помічаєте, як шахраюватий продавець, допомагаючи великим пальцем гирі, обвішує покупців. Ви, як і все людство, прекрасно знали, що якщо тиснути на обидві чашки однаково, то ваги будуть здаватися врівноваженими. Але тільки для вас відкрилося, що якщо пьезокварцеву пластинку розрізати на дві однакові половини, то повітряні потоки будуть тиснути на них приблизно однаково, врівноважуючи одна одну, а краплі, вдаряючись, то в одну, то в іншу половинку приладу, будуть вибивати корисні сигнали.

Другу трудність вам, здається, вдалося подолати за допомогою психології — науки, що пророкує, як поведе себе дана людина в даних обставинах. Ви приходите до механіка і скаржитеся, що не знаєте, як відградуювати прилад — швидкість крапель аж надто мала.

– Заберіться вище, — каже механік, – і капайте.
— Не піде, – заперечуєте ви.
— Чому це не піде? — дивується механік.— В прольотах сходів можна капати метрів з двадцяти.
– Та я б з купола Ісаакія капав — відповідаєте ви, – але безглуздо.
– Чому?
– Тому що крапля набирає граничну швидкість на шляху завдовжки всього в кілька метрів, і швидкість її падіння в десятки разів менше швидкості літака.
— Може бути, закрутити датчик на обертовій штанзі зі швидкістю літака,— задумливо каже механік.
– Важкувато, – сумніваєтеся ви, оконтурюючи невигідний для роботи напрямок і гонячи механіка в потрібну вам сторону.
– Так, мабуть, – погоджується механік.— А якщо…

Тепер йдіть. Ваше завдання вже не давати ідеї, а тільки ліквідувати зайві, залишаючи головне. Тепер вже механік заражений завданням «Як зробити?». Вилікуватися від цієї хвороби можна тільки зробивши. Не позбавляйте механіка радості дійти до всього самому.

І ось готовий бункер, укріплений під стелею кімнати, в нього насипані кульки від шарикопідшипників. Механік натискає кнопку, і дозатор, придуманий ним, метає по кульці в секунду. Натиснута кнопка — і швидкість подачі кульок зростає в десять разів. Ще натиск — швидкість зростає ще в десять разів. Натиск — і подача зупинена.

– Толково, – говорите ви, – але кулька адже не крапля.
— А яка різниця? — дивується механік.— Швидкість його у вісім разів менше швидкості краплі, зате вага у вісім разів більше. Баш на баш — і весь єралаш.

Шарикомет барабанить по платівці, датчика, і на екрані осцилографа виникають імпульси. Класичні імпульси, ті самі, що виникли у вас в мозку, коли придумався прилад. В дозатор кладуть кульки іншого розміру, третього, четвертого… На екрані все відбувається з науки.

Всі сяють, всі раді. Ви, механік, практикант, лабораторія. Навіть Головний заздрісник лабораторії майже радісно бурмоче:
— Ну і що такого? Як повинно бути, так і вийшло.

Кожному бажаючому дають дивитися на осцилограф. Механік готовий стравити цілий бункер, навіть два або три, для будь-якого глядача. Замість сталевих кульок засипані свинцеві (шріт для мисливських рушниць), органічного походження (гречана крупа, пшоняна, перлова), якісь капронові кульки (з них тягнуть нитки для панчіх).

Приблизно так і відбувається наукове приладобудування

Автор: Ілля Янітов.