CC BY
41
Провожу опыт. Прокатываю валик из оргстекла по поверхности полимерной (фторопластовой) пленки. Пленка электризуется. Показываю, как наэлектризованная пленка притягивается и «прилипает» к металлической поверхности. Затем над поверхностью пленки через ситечко потряхиванием распыляю порошок дисульфида молибдена (твердая смазка для подавления адгезии (схватывания) у сопрягаемых поверхностей деталей из титана и титановых сплавов) и студенты видят, как его частицы «прилипают» к поверхности пленки и стряхнуть их с нее уже невозможно. Получилось коррозионностой-кое, подавляющее адгезию (схватывание) уплотнение. Осталось лишь намотать такую модифицированную пленку в один или несколько слоев на резьбовой конец титановой трубы и произвести свинчивание.
Говорю, что вам продемонстрирован способ уплотнения резьбовых соединений, включенный в реестр изобретений [4].
А какое техническое решение можно получить, рассмотрев колебательное движение металлического шара в электростатическом поле?
Создать установку для приготовления смеси экологически вредных жидкостей (корродирующих, ядовитых, радиоактивных), в которой перемешивание, ввод смешиваемых жидкостей и вывод смеси происходит в закрытой камере и при необходимости в автоматическом режиме [5].
Рассматриваю принцип работы установки и привожу формулу изобретения.
Обычно после подобных обсуждений студенты говорят: «Да это же так просто». В ответ привожу слова Лауреата Нобелевской премии Альберта Сент-Дьёрдьи: «Изобретать - значит видеть то, что видят другие, а думать иначе, чем думают другие».
Список литературы
1. Янко В.М. Физические явления как основа содержания курса общей физики в высшем техническом учебном заведении//: Журнал Московского физического общества: Серия "Б" "Физическое образование в вузах".-М., 1996.- Т1. -№2. -С.35-40.
2. Капица П.Л. Эксперимент. Теория. Практика. -М.: Наука, 1987. -С. 224.
3. Алфавитно-предметный указатель к международной классификации изобретений. -М.: Госкомизобретений, 1992.
4. Янко В.М., Лифшиц О.З., Веретенников Ю.Н. Способ уплотнения резьбовых соединений (А.С. №1171638 - Бюллетень изобретений №29, 1989).
5. Янко В.М. Установка для перемешивания жидкостей. (Патент РФ №2078059 - Бюллетень изобретений № 12, 1997).
Е.Ю. Левченко, В.Г. Вапнярчук
Курганский государственный университет;
levchenko@zaural.ru
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ НА БАЗЕ СОВРЕМЕННЫХ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ ДЛЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ФИЗИКИ И ЭКОЛОГИИ
В работе рассматриваются перспективы использования нового измерительного оборудования на базе микроконтроллеров AVR. Обсуждаются конструктивные особенности многофункциональных измерительных приборов для проведения исследований физических параметров окружающей среды. Показано, что серия приборов CAPI, разработанная авторами удовлетворяет современным технологическим и эргономическим требованиям.
In work are considered prospects of the use the new measuring equipment on the base microcontroller AVR. The constructive particularities multifunctional measuring instrument are discussed for undertaking the studies physical parameter surrounding ambiences. It is shown that series instrument CAPI, designed author satisfies modern technological.
Важной компонентой экологической экспертизы и оценки состояния среды обитания человека является оперативное изучение и мониторинг физических загрязнений. Одна из проблем, с которой сталкивается физическая экология, - необходимость одновременного измерения сразу нескольких физических величин, проведение предварительной математической обработки на месте измерения, зачастую в полевых условиях. Чтобы оценить состояние физических (в перспективе химических и биологических) загрязнений специалист-эколог должен на месте провести основные измерения параметров среды, чтобы потом перейти к использованию высокоточной и дорогой лабораторной экспертизы.
Эффективным решением поставленных задач является использование многофункциональных цифровых измерительных комплексов на базе современных микроконтроллеров AVR. Такого рода комплексы должны сочетать в себе следующие качества:
• многоканальность. К измерительному блоку можно подключать сразу несколько измерительных преобразователей, конструктивно выполненных в виде измерительного щупа;
• автономность. Низкое энергопотребление, характерное для современной электронной техники. Это позволит работать с измерительным блоком в полевых условиях. Для энергопитания используются портативные источники (батареи, аккумуляторы);
• интеллектуальность. Основным управляющим элементом цифрового измерительного комплекса является микроконтроллер - микроЭВМ, работающая по собственной специализированной программе. Программа, управляющая работой прибора, выполняет несколько основных функций - функцию управления процессом измерения (переключение каналов измерения, настройка параметров входных цепей, запуск аналого-цифрового преобразования), функцию математической обработки результата измерения, функцию вывода результата на индикатор;
• наглядность. В качестве индикатора результатов измерений используется цифровой или графический жидкокристаллический дисплей. Современные дисплеи имеют низкое энергопотребление и встроенный микроконтроллер, позволяющий выводить информацию в виде цифр, букв или графиков;
• совместимость с компьютерной системой. Микроконтроллер цифровой измерительной системы обладает аппаратными средствами, которые позволяют передавать по последовательному каналу (RS232) данные от прибора в компьютерную систему. Далее данные могут быть включены в базу данных и обработаны сложными математическими методами.
Все перечисленные качества цифровых измерительных систем на базе микроконтроллеров позволяют рассматривать предлагаемое направление как перспективное с точки зрения развития инструментальной базы физических и экологических измерений, получения новой оперативной информации о состоянии окружающей среды. Целью работы является демонстрация перспектив и возможностей использования измерительных приборов на базе современных микроконтроллеров в физических и экологических измерениях.
Наш проект предполагает разработку нескольких программируемых измерительных комплексов, объединенных общей технологической структурой и общим названием - CAPI (Computer Assistant Physical Investigation - «Компьютерный помощник в физических исследованиях»). Проект предусматривает подход, в рамках которого физические измерения можно проводить в два этапа. Сначала с использованием интеллектуального измерительного устройства производить серию измерений, а затем, если необходимо, обрабатывать результаты, передавая данные в мощный персональный компьютер.
В качестве интеллектуальных измерительных приборов в проекте используются программируемые измерительные комплексы на базе микроконтроллеров семейства ATmega фирмы ATMEL [1]. Микроконтроллеры этого семейства обладают эффективной RISC-архитектурой, достаточно большой памятью, а также блоками многоканального аналого-цифрового преобразователя, что позволяет использовать их в качестве измерительных модулей.
Современный микроконтроллер представляет собой однокристальную микроЭВМ, оснащенную измерительной и коммуникационной периферией. Он работает по программе, первоначально разработанной на языке Ассемблер, а затем с помощью программатора записанной в память программы (FLASH-память). При включении питания микроЭВМ начинает обрабатывать команды. Программа управляет работой всех функциональных узлов микроконтроллера. Важно, что при изменении измерительных задач в большинстве случаев не требуется замены электронных компонентов - необходимо лишь изменять программный код, записанный во flash-память. Перепрограммирование микроконтроллера производится непосредственно внутри измерительного блока без демонтажа устройства и изменений конструкции.
Основные преимущества использования подобных программируемых измерительных комплексов заключаются в следующем:
• для работы с прибором от пользователя не требуется специальной подготовки. После соединения датчика с измерительным блоком датчик автоматически распознается программой и прибор готов к работе в качестве измерителя конкретной физической величины: температуры, давления, влажности, освещенности и т.д.;
• результаты измерения обрабатываются программой и выводятся в цифровом формате с учетом размерности в единицах измерения конкретной физической величины - вольты, градусы, килобары и т.д.;
• приборы просты в изготовлении, имеют минимум электронных компонентов (в пределе - одна микросхема, которая интегрирует в себе основные измерительные узлы) и, как следствие, невысокую стоимость, что является экономическим обоснованием проекта;
• работа измерительного прибора полностью определяется программой, которую можно изменять и совершенствовать;
• измерительный блок имеет малые габариты и современный дизайн оформления, удовлетворяет требованиям техники безопасности;
• измерительный прибор легко можно связать с персональным компьютером с помощью встроенного последовательного интерфейса, далее полученные данные обработать мощными статистическими и математическими программами.
Серия приборов CAPI включает три измерительных комплекса (рис.1), имеющих общую структуру построения основных электронных компонентов и одинаковый измерительный интерфейс. Это позволяет использовать одинаковые датчики и измерительные преобразователи с
разными приборами серии. Каждый прибор серии выполняет свой круг научно-измерительных задач. Приборы имеют малое энергопотребление и могут использоваться с автономным питанием от малогабаритного аккумулятора.
CAPI-MICRO. Самый простой цифровой измерительный прибор, к которому можно подключить только один измерительный датчик, не имеет интерфейса с персональным компьютером. В зависимости от подключенного датчика CAPI-MICRO может выполнять функции цифрового вольтметра, амперметра, барометра, термометра и т.д. Датчики автоматически распознаются прибором, программа обработки сигнала выводит на светодиодный индикатор результаты измерения в соответствующих физической величине единицах измерения. Приборы данного типа имеют небольшие размеры, простую конструкцию и яркие светодиодные индикаторы.
CAPI-LAB. Измерительный комплекс, предназначенный для проведения лабораторных исследований. Имеет набор кнопок управления и жидкокристаллический дисплей, на котором отображаются результаты измерения и настройки прибора. Имеет последовательный интерфейс для передачи данных в персональный компьютер. Может работать с двумя измерительными датчиками одновременно. Прибор может работать автономно и показывать данные на встроенном дисплее, а может накапливать данные в памяти или выполнять функции измерительного интерфейса, передавая данные в компьютер в реальном масштабе времени.
CAPI-ECO. Современный переносной измерительный комплекс для проведения измерения физических параметров окружающей среды. Может использоваться проведение исследовательских проектов в области экологии. Предусмотрено подключение модуля космической навигации для точного определения места и времени измерения. Наличие GPS-модуля позволяет интегрировать физические измерения с геоинформационными системами. Прибор накапливает информацию об измерениях в памяти (до 1000 значений), которая затем может быть считана в персональный компьютер через последовательный COM-порт.
Основными обязательными компонентами всех измерительных приборов серии являются:
• однокристальная микроЭВМ, оснащенная измерительным интерфейсом - многоканальным АЦП, аналоговым компаратором, таймером-счетчиком (микроконтроллер семейства ATmega);
• система вывода цифровой информации (жидкокристаллический символьный дисплей или светодиодные семисегментные индикаторы, сигнальные светоди-оды);
• система ручного управления и ввода информации (кнопки);
• встроенный стабилизированный блок питания датчиков и измерительных преобразователей ±15 В;
• блок питания (сетевой адаптер = 9 В);
Прочие электронные компоненты являются вспомогательными и необходимы для оптимизации работы основных узлов. Блок-схема прибора CAPI-ECO приведена на рис.2.
Практическое использование приборов серии CAPI не представляет трудностей для пользователя. Измерительный интерфейс устроен таким образом, что программа управления измерениями автоматически распознает датчик и определенным образом производит математическую обработку сигнала, выводя результат на индикатор в реальных единицах измерения конкретной физической величины. Таким образом, при использовании
а) прибор CAPI-MICRO (слева разъем внешнего датчика, справа - разъем питания) со светодиодным семисегментным индикатором
в) прибор САР1-ЕС0 для измерений физических параметров окружающей среды
б) прибор САР1-1АВ с жидкокристаллическим дисплеем
Рис.1. Программируемые измерительные комплексы серии САР1
г) GPS-модуль для прибора САР1-ЕС0
приборов CAPI-MICRO пользователю нужно только подключить датчик к прибору В случае САР1-1_АВ необходимо дополнительно настроить прибор с помощью кнопок управления. Эта процедура по сложности сравнима с использованием мобильного телефона. Работа с прибором САР1-ЕСО более сложна и требует изучения руководства пользователя.
Вёп. 2. Аёге-пбаш '{дгадаиёдоаНаг ёдгадёдаёииаг ёШёаёпа САР1-ЕСО
Набор измерительных преобразователей и датчиков, которые используются с приборами серии САР1 определяется основными видами энергетических (физических) загрязнений. Последние делятся на:
1)механические (шумы, вибрации, инфразвук, ультразвук);
2) электромагнитные (электростатические, магнито-статические поля);
3)радиационные (электромагнитные поля промышленной частоты, ИК- и УФ-излучение, СВЧ-излучение и излучение радиодиапазона, рентгеновское и гамма-излучение).
Кроме того, для правильной интерпретации измерений необходим непрерывный мониторинг основных термодинамических параметров окружающей среды -температуры, давления, влажности, скорости движения воздушных масс.
Современный уровень развития технологии позволяет использовать для измерения перечисленных параметров интегрированные датчики и измерительные преобразователи, выполненные таким образом, что они могут непосредственно подключаться к цифровым измерительным системам. При таком подходе аналоговая часть (усилитель, устройство выборки) является частью датчика, ее работа скрыта от пользователя. Большинство измерительных преобразователей выполнены из полупроводниковых материалов.
Единство конструктивных решений и стандартизация выходного сигнала современных датчиков позволяет решить проблему их подключения к цифровому измерительному прибору, который можно будет использовать для изучения физических параметров окружающей среды.
Использование многофункциональных измерительных комплексов на базе современных микроконтроллеров переведет экологические измерения на качественно новый уровень, позволит прослеживать и устанавливать связи между различными техногенными загрязнениями непосредственно на месте.
Список литературы
1. Мортон Дж. Микроконтроллеры AVR. Вводный курс /Пер. с англ. -М.: Изд. дом «Додека-XXI», 2006. - 272 с.
2. Куклев Ю.И. Физическая экология: Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 2001. - 357 с.
Работа выполнена при поддержке Правительства Курганской области (грант №308 А/П-05).
М.С. Таранов, Е.Ю. Левченко
Курганский государственный университет;
levchenko@zaural.ru
КЛАССИФИКАЦИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ЯВЛЕНИЙ, ВКЛЮЧАЕМЫХ В КУРС ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ
Описаны критерии и основания классификации нелинейных процессов, которые могут составить основу спецкурса в рамках курса теоретической физики высшей школы. Приведено методическое обоснование цикла задач для введения в нелинейную физику. Полученные результаты могут служить содержательной и методической основой спецкурса «Моделирование нелинейных процессов».
The Described criteria and basis to categorizations of the nonlinear processes, which can form the base course within the framework of course theoretical physicists high school. The methodical motivation of the cycle of the problems is Brought for introduction to nonlinear physicist. The Got results can serve profound and methodical base course «Modeling of the nonlinear processes».
Активный процесс модернизации курса физики средней и высшей школ до сих пор далёк от завершения, что, с одной стороны, характерно для непрерывного развития физической науки, а с другой, требует выработки критериев отбора материала для соответствующих учебных курсов как высшей школы, так и профильного уровня средней школы (старшей ступени). Одной из наиболее быстро развивающихся областей физики нового столетия является класс нелинейных задач и явлений. Данная область является интегрирующей для различных направлений физики, кажущихся далёкими друг от друга, по существу применяемого математического аппарата и единообразию изучаемых структур. Кроме того, важность полученных здесь результатов за последние пятьдесят лет достигла уровня, допускающего включение в учебные курсы. Речь идёт о необходимости изучения класса важнейших физических процессов и явлений, как нелинейных по существу, так и допускающих модельное описание с помощью нелинейных дифференциальных уравнений.
Современные результаты теории турбулентности в гидродинамике и физике плазмы, самоорганизации различных сред (синергетика и диссипативные структуры, их связь с симметрией задачи, сведение к размерным параметрам), модели клеточных автоматов и теории эволюции уже могут быть включены в курс теоретической
физики в содержательном аспекте. Достаточно упомянуть о методах квантовой теории поля в статистической турбулентности, о бурно развивающейся теории дисси-пативных структур в теплопроводности, чтобы стало ясно, что вопрос о выборе определённым образом классифицируемого ряда принципиальных задач нелинейной физики, разработке содержания и методов изучения цикла нелинейных процессов, включаемых не только в курс физики университетов, но и колледжей, школ (на соответствующем уровне), представляется актуальным.
Простейшие закономерности нелинейных процессов могут быть выявлены и обсуждены уже на уроках физики в профильных классах школы старшей ступени при соответствующей тщательной методической подготовке. Сюда относятся вопросы трения в вязкой жидкости, зависимости силы торможения от скорости тела в газе, колебания маятника, точка подвеса которого совершает заданные колебания, преломление света в среде с переменным коэффициентом преломления и ряд других.
Прежде всего, необходимо классифицировать сами нелинейные задачи. Основной принцип классификации - содержательный, то есть выделение физической величины или величин, изменение которых не подчиняется принципу «локальной детерминированности»: бесконечно малое изменение данной величины F не пропорционально её значению в данной пространственно-временной точке хт, т.е. dF(xm)/dxm № C■F(xm). Это обстоятельство обозначает изучение больших и относительно быстрых флуктуаций и, соответственно, новых подходов к моделированию таких процессов в виде причинно-следственных уравнений. Отказ от принципа локальной детерминированности позволил применить новые топологические идеи для описания возникающих решений на основе идей фрактальной размерности многообразия. Поиски уравнений, описывающих нелинейные процессы и методы их приближённого решения, являются эвристической основой для развития новых направлений математики - теории функционалов и пространств дробной (фрактальной) размерности, широко применяемых в описании турбулентности. Принципиален и математический аспект - для нелинейных уравнений не справедлив принцип аддитивности, применяемый в решении линейных дифференциальных уравнений. Общее решение не может быть представлено как сумма частного решения неоднородного уравнения и общего решения однородного. Отсюда следует более сложный вопрос о существовании и числе решений достаточной гладкости, их аналитическом виде. Важную роль в ряде нелинейных процессов играют начальные и граничные условия, проблема устойчивости решения по начальным данным, а также асимптотика решений (установившийся режим). Представляет физический интерес обсуждение причин (сценариев) возникновения нелинейного изменения величин, например, сценарии возникновения турбулентного движения в гидро- и газовой динамике, физике плазмы.
Для построения логически связного курса задач, необходимо классифицировать нелинейные задачи и методы поиска их решений. Здесь, очевидно, не обойтись без введения в теорию разностных схем уравнений в частных производных, компьютерное моделирование которых будет основой численных расчётов в курсе. Необходимость компьютерного моделирования решений и их интерполяции - простой и достаточно эффективный путь непосредственного исследования уравнений, их устойчивости. Другим основанием для классификации является возможность изучения новых свойств линейной задачи в связи с учётом фактора, вносящего нелинейность, и возможная оценка степени влияния нелиней-
