Такие часы давали удовлетворительную точность хода и были вполне пригодны для практики, если бы не было землетрясений. Землетрясения нарушали работу часов и точность их хода заметно снижалась.
На помощь пришла, как вы уже догадываетесь, знакомая нам кварцевая пластинка. Являясь наиболее совершенным из всех колебательных систем, кварцевый генератор создает электрические колебания исключительно высокой стабильности. Такие генераторы являются эталоном частоты. Высокостабильные генераторы и стали применять для хранения единицы времени.
Некоторым из вас известны так называемые синхронные электромоторы. Число оборотов их зависит от частоты переменного электрического тока, питающего мотор. Если частота питающего тока строго постоянна, то строго постоянно и число оборотов в единицу времени.
Подведем к такому мотору переменный ток, частота которого стабилизирована кварцевым резонатором, а вал электромотора соединим с часовыми стрелками при помощи зубчатого механизма. Все устройство в целом и будет называться кварцевыми часами (рис. 42). Такие часы будут спешить или отставать за сутки всего лишь на несколько десятитысячных долей секунды. Лучшие экземпляры кварцевых часов имеют исключительное постоянство хода: колебания суточного хода их не превышают 0,0001 секунды. Правда, прежде чем достигнуть такой точности хода, пришлось немало потрудиться.
Первое, что надо было сделать, — постараться уменьшить зависимость частоты, вырабатываемой кварцевым генератором, от изменений окружающей температуры. Для этого были исследованы многочисленные срезы кристаллов кварца и выбраны наименее зависимые от температуры. Кроме того, пластинки помещали в специальные термостаты, в которых поддерживалась постоянная температура: до нескольких долей градуса.
В Советском Союзе для этих целей группа кварцевых резонаторов была помещена в металлический цилиндр длиной 1,4 метра и диаметром 90 миллиметров. Цилиндр был опущен в подземную скважину на глубину 25 метров. Температура на этой глубине была исключительно постоянной. Как показали наблюдения, суточные отклонения колебаний у таких генераторов не превышают десятимиллионных долей процента.
Немало потрудились ученые и над явлением, называемым старением кварца. Дело в том, что в кристаллах кварца с течением времени происходят процессы, вызывающие самопроизвольное изменение частоты генераторов. Эти процессы еще полностью не изучены.
Для получения высокой стабильности частоты кварцевые пластинки подвергаются искусственному старению, для чего их многократно нагревают и охлаждают.
В короткий срок кварцевые часы получили широкое признание. Это самые точные часы, сконструированные человеком. Они дают возможность не только определять погрешность хода маятниковых часов, но и более точно изучать неравномерности вращения Земли.
ТВОРЧЕСКОЕ СОДРУЖЕСТВО
Пьезоэлектричество и ультразвук. На редкость плодотворным оказалось содружество этих физических явлений. Пьезоэлектрические приемники и излучатели ультразвука с успехом применяются в промышленности и народном хозяйстве.
Советский Союз стал родиной ультразвуковой дефектоскопии — области техники, занимающейся обнаружением изъянов в различных деталях («дефект» — недостаток, «скопео» — смотрю). В 1927 году советский ученый С. Я. Соколов предложил использовать ультразвуковые сигналы для обнаружения изъянов в металлических отливках.
Внутри металла дефекты невидимы для человеческого глаза, но не для ультразвука. Существуют два способа ультразвуковой дефектоскопии. Один из них основан на отражении ультразвуковых сигналов, другой называется способом сквозного прозвучивания.
Отражательный дефектоскоп в принципе не отличается от гидролокатора. Только вместо воды здесь металл, а вместо подводной лодки — дефект. Как и в гидролокаторе, кварцевая пластинка излучает «порцию» ультразвука, которая отражается от дефекта и в виде эхосигнала возвращается обратно. На экране электронно-лучевой трубки принятое кварцевой пластинкой эхо становится видимым, а зная скорость распространения звука в металле, можно определить место дефекта (рис. 43).
Еще проще способ сквозного прослушивания. Излучатель ультразвука прикладывается с одной стороны металлической детали. С противоположной стороны прикладывается приемник ультразвука.
Если деталь без изъянов, то ультразвуковой сигнал, пройдя толщу металла, воспринимается приемником, усиливается и стрелка индикатора отклоняется. Если же на пути луча встречается изъян, то в этом месте ультразвуковые колебания поглощаются, ультразвук не доходит до конца и стрелка прибора не отклоняется.
Дефектоскопы, использующие способ сквозного прослушивания, получили название теневых дефектоскопов. Поскольку они обычно работают же в импульсном режиме, устройство их значительно упрощается. Чаще всего теневые дефектоскопы применяют для контроля расслоения в тонких листовых материалах, контроля проволоки, проверки качества склеивания листов. Примеры применения теневых дефектоскопов приведены на рис. 44.
Трудно переоценить значение дефектоскопии в промышленности и народном хозяйстве. Ведь малейший дефект в ответственных деталях, таких, как коленчатый вал, может привести к выходу из строя всей машины. При помощи дефектоскопии можно проверить доброкачественность сварных швов и прочность железнодорожных рельсов. Достижения ультразвуковой дефектоскопии позволили не только заметить дефект, но и узнать его форму и размеры. Зоркий глаз дефектоскопа выявляет изъяны не только в металле, но и в бетоне, резине, пластмассе и других материалах.
В настоящее время большое распространение получили так называемые акустические методы Контроля состояния среды и измерения свойств вещества. При распространении ультразвука в среде он будет поглощаться. Величина поглощения зависит от свойств среды. Измерив при помощи чувствительного пьезокристалла величину этого поглощения, можно контролировать состояние и определять структуру различных сложных сред.
В атмосфере угольной шахты достаточно очень небольшого количества рудничного газа метана, чтобы произошел взрыв и пожар. На помощь пришел ультразвуковой контролер. Этот прибор сравнивает условия распространения ультразвука через исследуемый воздух и через тот же воздух, но очищенный от метана при помощи специального химического фильтра. По разности показаний стрелочного индикатора можно сразу определить процентное содержание метана.
Подобные ультразвуковые контролеры применяются и для проверки состояния твердых тел. Известно применение ультразвуковых колебаний для непрерывного наблюдения за отвердеванием и увеличением прочности бетонной кладки. Ценность этого способа в том, что нет необходимости для исследований этих процессов разрушать кладку, как это делалось раньше.