Сколько бензина в бочке (Глава вторая)

'- Интересно узнать, сколько в этой бочке бензина? - сказал сэр Джон и зажег спичку.
Покойнику было двадцать четыре года'.
Жутковатая, но поучительная история. Читатель должен твердо усвоить - всякое неосторожное обращение со спичками ведет к беде, а если спички да еще бензин!.. В предисловии мы несколько легкомысленно подошли к этому вопросу. Спешим исправиться и посвящаем эту главу вопросу о том сколько бензина в бочке.

Вы уже поняли - для того чтобы ответить на этот вопрос, нельзя подходить к бочке с зажженной спичкой. Нельзя подходить к ней и с электрическим фонариком, потому что в фонарике может возникнуть искра и продолжение истории будет таким же. Можно, наконец, просто отравиться парами бензина. К бочке с бензином вообще лучше не подходить. Ну, а как же быть, если действительно надо знать, сколько бензина?

Авторы уже достаточно явно продемонстрировали свое пристрастие к мамонтам и мылу, автомобилям и лягушкам. Поэтому посмотрим сначала, как отвечает на вопрос о количестве бензина в баке шофер автомобиля. Для этого он пользуется специальным прибором - указателем уровня бензина. Открываем книгу "Автомобиль "Москвич" модели 407^*" и узнаем следующее.

^*(Л. И. Белкин, Я. В. Горячий, И. В. Новоселов, Е. М. Ютт. Автомобиль "Москвич" модели 407. М., "Машиностроение", 1961.)

Указатель уровня бензина устроен так, как показано на рис. 1. В баке на поверхности бензина плавает поплавок, укрепленный на рычаге. Противоположный конец рычага перемещается вдоль пластинки из изоляционного материала, на которой намотана проволока, обладающая большим удельным электрическим сопротивлением. Один конец этой проволоки соединен с корпусом автомобиля (массой), а второй - с клеммой. Сам рычаг и, главным образом, та его часть, которая касается проволоки (чуть было не забыли сказать, что эта часть металлическая и, следовательно, проводит электрический ток!), также соединен с массой. Вся только что описанная конструкция называется датчиком и укрепляется в верхней части бензобака.

Кроме датчика имеется еще указатель. Указатель состоит из двух электромагнитов, расположенных под прямым углом так, как показано на рис. 1. Электромагниты действуют на якорек, к которому прикреплена стрелка. Магнитные поля электромагнитов притягивают якорек, причем поле одного электромагнита тянет его в одну сторону, а поле второго - в противоположную.

Рис. 1 Указатель уровня бензина

Проследим теперь схему электрических соединений. Один конец обмотки правого электромагнита соединен с массой. Второй конец этой обмотки соединен с концом обмотки левого электромагнита, и оба они соединены с клеммой датчика. Указатель установлен на приборной доске перед глазами шофера и в противоположном конце автомобиля по отношению к месту расположения бензобака. Следовательно, соединение указателя с датчиком осуществляется с помощью длинного электрического провода. Именно потому что провод длинный, шоферу и удается последовать нашему совету и не подходить к бензобаку, когда ему нужно узнать, сколько в этом баке бензина.

Продолжим, однако, рассмотрение схемы соединений. Оставшийся свободным конец катушки левого электромагнита через ключ зажигания соединяется с положительным полюсом аккумуляторной батареи. Отрицательный полюс батареи соединен с массой.

Посмотрим, как работает описанная конструкция. Когда бак полон, поплавок находится в верхнем положении, а противоположный конец рычага находится в крайнем нижнем положении. Легко видеть, что в этом случае (и при включенном зажигании) электрический ток течет по цепи: положительный полюс аккумуляторной батареи - замок зажигания - катушка левого электромагнита - провод к датчику - свободный конец рычага - корпус автомобиля - отрицательный полюс аккумуляторной батареи. По обмотке правого электромагнита ток не течет вообще, потому что, как легко убедиться, она замкнута накоротко. По обмотке левого электромагнита течет максимально возможный ток, и поле этого электромагнита заставляет стрелку отклоняться в крайнее правое положение, где имеется отметка П, что значит "полный".

По мере уменьшения количества бензина поплавок опускается вниз, а свободная часть рычага перемещается вверх. Пусть, например, бензобак опорожнен наполовину. Тогда свободная часть рычага (она называется ползунком) установится точно посередине изоляционной планки с намотанным на нее проводом (конструкция, состоящая из планки с проводом и ползунка, называется реостатом). Теперь мы имеем следующий путь протекания тока: положительный полюс аккумуляторной батареи - замок зажигания - по-прежнему обмотка левого электромагнита. Но пройдя по этой обмотке, ток разветвляется. Часть тока течет по обмотке правого электромагнита и, пройдя по ней, через корпус автомобиля возвращается к отрицательному полюсу аккумуляторной батареи; другая часть протекает по проводу реостата и затем через корпус также возвращается к отрицательному полюсу. Теперь на стрелку действуют магнитные поля обоих электромагнитов, причем, как уже отмечалось, в противоположных направлениях. Правда, поле правого электромагнита слабее, поскольку часть тока, протекающего по обмотке левого электромагнита, ответвляется в реостат. Поэтому стрелка устанавливается вертикально, против отметки ½ (полбака).

Рассмотрим, наконец, случай, когда бак пустой. Поплавок находится в крайнем нижнем положении, а ползунок реостата соответственно в крайнем верхнем. Электрическое сопротивление реостата при этом очень велико и доля протекающего по нему тока ничтожна. Практически весь ток от аккумуляторной батареи протекает по обмоткам правого и левого электромагнитов. Они действуют на стрелку с одинаковой силой, но в противоположных направлениях, стрелка поэтому вообще не отклоняется и стоит на отметке 0 (бак пустой).

Ниже мы подробно обсудим работу только что описанной конструкции, а пока зададим один-единственный вопрос: зачем в указателе два электромагнита? Казалось бы, вполне можно обойтись одним. Действительно, ведь сила притяжения электромагнита пропорциональна силе протекающего по его обмотке тока, сила тока в сною очередь обратна электрическому сопротивлению цепи, а сопротивление цепи, как мы только что установили, зависит от положения поплавка. Поэтому, на первый взгляд, было бы вполне достаточно одного электромагнита, включенного последовательно с аккумуляторной батареей и реостатом, а для того чтобы создать силу, действующую в противоположном направлении по отношению к силе магнитного поля, можно было бы использовать пружину, что и делается в большинстве электроизмерительных приборов. Однако на самом деле все обстоит гораздо сложнее. Дело в том, что сила тока в цепи зависит не только от сопротивления этой цепи, но и от напряжения на ее концах (закон Ома). А напряжение аккумуляторной батареи изменяется со временем в значительных пределах, в частности, оно зависит от числа оборотов двигателя. Поэтому в конструкции с одним электромагнитом положение стрелки зависело бы не только от количества бензина в баке, но и от напряжения аккумулятора. При неисправном (севшем) аккумуляторе шофер, только что заливший бак до горловины, мог бы, например, с удивлением убедиться, что указатель показывает одну четверть.

В конструкции с двумя электромагнитами сила, действующая на стрелку, численно равна разности воздействий двух магнитных полей и, следовательно, зависит от разности токов, протекающих по обмоткам, а не от абсолютного значения силы тока, поступающего от аккумулятора. Но даже несмотря на подобные ухищрения, описание принципа действия указателя уровня бензина в цитированной выше книге сопровождается такой фразой: "Указатель служит для приблизительного контроля расхода бензина и не пригоден для определения точного расхода бензина, так как точность его показаний недостаточна".

При внимательном рассмотрении поражает обилие физических процессов, привлекаемых для решения такой, казалось бы, простой задачи, как определение уровня жидкости в резервуаре. Изменение уровня жидкости (линейное механическое перемещение) с помощью поплавка и рычага преобразуется во вращательное механическое перемещение ползунка. Вращательное механическое перемещение с помощью реостата преобразуется в изменение электрического сопротивления. Изменение электрического сопротивления в соответствии с законом Ома преобразуется в изменение силы электрического тока. С помощью электромагнита изменение силы электрического тока преобразуется в изменение напряженности магнитного поля. И, наконец, с помощью системы электромагниты - якорь изменение напряженности магнитного поля преобразуется в изменение механической силы, действующей на стрелку, т. е. в конечном итоге - в пеперемещение стрелки.

Кибернетики любят оперировать с понятием "черный ящик". Черный ящик - это нечто, имеющее вход и выход. Само понятие вводится обычно? а. связи со следующей задачей. Известно, как изменяется выход при заданных изменениях на входе. Требуется узнать, что у черного ящика внутри. Мы уже знаем, как устроен указатель уровня бензина, но если все же подойти к нему с позиции черного ящика, то окажется, что на входе у нас механическое перемещение и на выходе - тоже механическое перемещение. А вот внутри - длиннейшая цепь преобразований. И все это для того, чтобы избавить шофера автомобиля от печальной судьбы сэра Джона.

Конечно, какой бы ценой ни достигалась охрана безопасности и здоровья человека, эту цену мы все равно не будем считать слишком большой. Но достигается ли поставленная цель таким сложным и хитроумным способом? Так и подмывает задать вопрос: а нельзя ли привязать к поплавку, плавающему в бензиновом баке, веревку, перекинуть эту веревку через пару блоков, а второй конец привязать к стрелке указателя? Конечно, нельзя. Веревка со временем будет растягиваться, кузов автомобиля деформироваться и все это в конечном итоге приведет к потере точности. Но ведь и описанный нами указатель неточен, как об этом недвусмысленно предупреждают авторы его описания. Еще один аргумент против конструкции с веревкой - это то, что веревка может оборваться. Так мы подходим к проблеме надежности. Но не будем спешить с выводами и рассмотрим вначале еще несколько конструкций автомобильных контрольно-измерительных приборов.

Следующим на очереди у нас стоит указатель температуры воды, но для того чтобы разобраться в его конструкции, надо узнать сначала, что такое биметаллическая пластинка. Биметаллическая пластинка - это, собственно, не одна, а две пластинки, сваренные одна с другой. Одна из этих пластинок выполнена из инвара - сплава, обладающего практически нулевым температурным коэффициентом линейного расширения. Вторая пластинка выполнена из хромо-никелевой стали, у которой температурный коэффициент линейного расширения относительно велик. Если нагреть биметаллическую пластинку, то одна ее половина удлинится, а вторая - нет. Это приведет к тому, что вся пластинка изогнется в сторону своей инваровой части.

Рассмотрим теперь конструкцию указателя температуры. Указатель состоит из цилиндрической гильзы (рис. 2), внутри которой находится биметаллическая пластинка. Пластинка покрыта слоем изоляционного термостойкого материала, поверх которого намотана проволока из металла с большим удельным электрическим сопротивлением, такая же точно, как та, из которой изготовляют спирали электроплиток. Один конец этой проволоки соединен с биметаллической пластинкой, а второй - подсоединен к клемме, расположенной в торцевой части гильзы. На конце биметаллической пластинки имеется электрический контакт. Второй электрический контакт соединен с гильзой, а сама гильза - с корпусом автомобиля (массой). Все только что описанное устройство представляет собой датчик, только на этот раз не датчик уровня, а датчик температуры.

Указатель также содержит биметаллическую пластинку, покрытую слоем изоляционного материала, поверх которого намотана проволока с большим удельным электрическим сопротивлением. Один конец биметаллический пластинки жестко крепится к корпусу указателя, а второй через тягу соединен со стрелкой. Оба конца намотанной проволоки соединяются с клеммами, расположенными на корпусе указателя. Материалы и размеры обеих биметаллических пластинок подобраны таким образом, что при температурах, не превышающих 100 °С, пластинки практически не изгибаются. Пока пластинка датчика не изогнута, расположенный на ее конце контакт касается контакта, укрепленного на корпусе датчика.

Проследим теперь электрическую цепь (см. рис. 2). От положительного полюса аккумуляторной батареи через замок зажигания электрический ток поступает в обмотку биметаллической пластинки указателя. Ток проходит по этой обмотке, затем - по длинному проводу, идущему от приборной доски до двигателя, и, минуя клемму датчика, в обмотку биметаллической пластинки. Пройдя по этой пластинке, ток через замкнутые контакты поступает в корпус автомобиля и через него возвращается к отрицательному полюсу аккумуляторной батареи.

Рис. 2 Электрическая цепь

Под действием тока обмотка биметаллической пластинки датчика нагревается. Нагревается и сама пластинка и, нагреваясь, изгибается вверх. Контакт, расположенный на конце пластинки, отходит от контакта, укрепленного на корпусе, и цепь тока разрывается. С этого момента биметаллическая пластинка датчика начинает остывать. Остывая, она постепенно выпрямляется, контакты снова замыкаются и все начинается сначала.

Сила тока в цепи выбрана так, чтобы нагрев пластинки происходил очень быстро. За какие-нибудь доли секунды биметаллическая пластинка датчика нагревается, изгибается и контакты разрываются. При этом температура проволоки при протекании по ней тока настолько высока, что время нагрева практически не зависит от температуры датчика. А вот остывает пластинка медленно, и время ее остывания, очевидно, зависит от температуры датчика, а следовательно, и от температуры окружающей датчик среды - чем выше температура датчика, тем медленнее остывает пластина.

Таким образом, по электрической цепи указателя температуры ток протекает не непрерывно, а в виде коротких импульсов, длящихся несколько долей секунды. Количество таких импульсов в единицу времени - их частота - зависит от температуры датчика: чем выше эта температура, тем меньше частота. При нагревании датчика до температуры 100 °С число импульсов тока составляет от 5 до 20 в минуту.

Если бы биметаллическая пластинка указателя представляла собой точную копию биметаллической пластинки датчика, то она также периодически нагревалась бы и остывала и стрелка указателя совершала бы колебания, но здесь применяется одна хитрость, о которой, между прочим, почему-то ничего не сказано в цитированной выше книге. А дело в том, что биметаллическая пластинка указателя значительно толще и массивнее пластинки датчика. Поэтому в перерывах между импульсами тока пластинка указателя практически не успевает остыть и ее температура оказывается равной средней (по времени) температуре обмотки, а эта последняя очевидно, зависит от количества электричества, протекающего по обмотке в единицу времени, т. е. от частоты следования импульсов тока.

Итак, чем меньше температура датчика, тем чаще следуют импульсы тока, тем выше температура биметаллической пластинки указателя, тем более изогнута эта пластинка и соответственно тем больше отклонение стрелки. Такой вывод кажется парадоксальным, но на самом деле здесь таится глубокий смысл. Предположим, что повышается температура воздуха, окружающего автомобиль, это повышение температуры, очевидно, подействует как на работу датчика, так и на работу указателя. Другими словами, и тот и другой будут работать с ошибками. Но при выбранной системе (чем выше температура датчика, тем ниже температура биметаллической пластинки указателя) эти ошибки будут иметь противоположные знаки и, следовательно, взаимно компенсироваться. То же самое будет происходить при изменении напряжения аккумуляторной батареи. Ясно, что уменьшение этого напряжения при прочих равных условиях должно повлечь за собой уменьшение средней температуры обеих биметаллических пластинок. Но этот эффект опять-таки действует в противоположных направлениях в датчике и указателе.

И снова мы имеем длиннейшую цепь преобразований. С помощью биметаллической пластинки температура преобразуется в механическое перемещение (деформацию пластины), механическое перемещение преобразуется в частоту следования импульсов электрического тока. Эта частота преобразуется в температуру и, наконец, температура с помощью второй биметаллической пластины преобразуется в механическое перемещение. На входе черного ящика - температура, на его выходе - перемещение стрелки.

Чтобы покончить с контрольно-измерительными приборами автомобиля, рассмотрим еще и конструкцию указателя давления масла. Датчик указателя давления масла (рис. 3) содержит биметаллическую пластину, цепь обмотки которой соединена с таким же точно указателем, как в случае датчика температуры, и с аккумуляторной батареей. Действует эта часть конструкции точно так же, как это было только что описано, и повторять описание мы, естественно, не будем. Единственное отличие состоит в том, что если в датчике температуры один из контактов был укреплен на конце биметаллической пластины, а второй жестко закреплен на корпусе датчика, то в датчике давления второй контакт укреплен на гибкой мембране, которая прогибается при увеличении давления масла, и этот контакт поднимается вверх.

Рис. 3 Датчик указателя давления масла

Как и в предыдущем случае, при протекании по цепи тока биметаллическая пластина датчика нагревается очень быстро, за несколько долей секунды, до температуры, значительно превышающей температуру окружающей среды. Затем она начинает медленно остывать. Но вот длительность остывания, очевидно, зависит от того, насколько высоко поднят контакт, соединенный с мембраной. Чем выше этот контакт, тем меньший путь надо пройти концу биметаллической пластины до замыкания контакта, тем скорее заканчивается процесс остывания. Частота следования импульсов тока оказывается прямо пропорциональной измеряемому давлению. При величине давления 2 кг/см² импульсы в цепи следуют с частотой порядка 70 в минуту. Читатель легко убедится самостоятельно - для указателя давления справедливо все то, что было сказано по поводу указателя температуры в части компенсации ошибок, возникающих из-за изменения температуры внешней среды и напряжения аккумуляторной батареи.

И снова черный (а для нас прозрачный) ящик, на входе которого на этот раз давление, а на выходе перемещение стрелки. Внутри ящика давление с помощью мембраны преобразуется в механическое перемещение, перемещение в результате сложных процессов нагревания и охлаждения - в частоту эчектрических импульсов, частота - в температуру, а затем в перемещение уже известным нам способом.

В связи с конструкцией датчика давления имеет смысл обратить внимание на одно обстоятельство. Если рассмотреть только часть описанной последовательности преобразований, начиная от мембраны и кончая стрелкой указателя, то мы получим черный ящик, на входе которого действует механическое перемещение, а на выходе получается также механическое перемещение. Если вместо мембраны на конце рычага с поплавком укрепить подвижной контакт, го такая система окажется пригодной и для измерения уровня бензина в баке. При этом она сохранит все свои преимущества в части компенсации ошибок. И в то же время по сравнению с описанным выше указателем уровня бензина эта новая конструкция будет обладать еще одним весьма существенным преимуществом. Представим себе автомобиль, едущий по проселку или по булыжнику. Поплавок в баке такого .автомобиля непрерывно подпрыгивает. Если указатель выполнен так, как это было описано выше, то прыгает и стрелка. Всякий, кто ездил на автомобиле по неровным дорогам, знает, что определить уровень бензина на ходу не - так-то просто.

Стрелка на приборной доске судорожно мечется от отметки О до отметки П.

Все будет выглядеть совсем иначе, если использовать конструкцию указателя уровня бензина с биметаллическими пластинами. Вспомним, что здесь положение стрелки определяется средней температурой биметаллической пластины указателя. Последняя в свою очередь зависит от среднего количества электрических импульсов в единицу времени. При езде по неровной дороге при одном и том же количестве бензина в одну какую-то секунду может последовать больше импульсов (поплавок от толчка подскочил вверх), а в следующую за ней секунду - соответственно меньше (поплавок опустился ниже уровня). Но среднее количество импульсов за период, равный тепловой постоянной времени^* биметаллической пластины, будет оставаться постоянным. Следовательно, как бы ни трясся автомобиль, стрелка указателя будет оставаться на месте и правильно показывать уровень бензина.

^*( Тепловой постоянной времени называется время, в течение которого температура изменяется в е раз, т. е. примерно в 2,7 раза.)

Конструкции указателей с биметаллическими пластинами оказываются еще сложнее, чем мы предполагали. Кроме преобразований, одних физических величин в другие (перемещения или температуры в частоту импульсов и т. д.), в этих конструкциях выполняется еще и математическая операция усреднения. Выполняет эту операцию та же биметаллическая пластина благодаря присущей ей тепловой инерции.

Настала пора обобщить полученные сведения. Современная индустрия использует бесчисленное количество видов всевозможных измерительных приборов и систем. Чтобы описать хотя бы важнейшие из них, понадобилась бы толстая книга. Мы сознательно выбрали здесь контрольно-измерительные приборы автомобиля. Во-первых, автомобили настолько прочно вошли в наш быт, что вряд ли сейчас найдется человек, который не видел бы приборной доски шофера. Наверное, однако, далеко не все, даже постоянно имея дело с этими приборами, заинтересовались их принципом действия. Во-вторых, автомобиль существует уже без малого сотню лет и современная его конструкция впитала в себя огромный опыт многих поколений инженеров и изобретателей. Наконец, как это ни странно на первый взгляд, описанные конструкции приборов достаточно просты. Если бы современный инженер задался целью сконструировать ловушку для мамонтов, то дело наверняка не обошлось бы без радиоактивных изотопов, счетчиков Гейгера, лазеров и тому подобной технической экзотики. По всем этим соображениям описанные выше приборы мы вправе считать достойными представителями современного контрольно-измерительного вооружения.

Какие же общие черты можно заметить у трех приборов, рассмотренных выше? Каждая из них состоит из четырех основных частей: датчика, линии связи, приемника и источника питания. Рассмотрим их поподробнее.

Датчик выполняет две основные функции. Он измеряет некоторую физическую величину (в нашем случае перемещение, температуру или давление) и преобразует ее в другую физическую величину. Измерение - это всегда сравнение физической величины с некоторой другой физической величиной той же природы - эталоном. С этой точки зрения мы можем выделить два различных случая. В датчике уровня бензина величина механического перемещения (длина) сначала сравнивается с длиной пластины из изоляционного материала, а затем результат такого сравнения преобразуется в пропорциональную перемещению величину электрического сопротивления. Другими словами, здесь сначала выполняется измерение, а затем преобразование. В датчике температуры величина температуры сначала с помощью биметаллической пластины преобразуется в механическое перемещение, это перемещение затем в результате сложного электротермического процесса преобразуется в интервал времени остывания. А вот время остывания уже сравнивается с эталонной величиной интервала времени, причем роль эталона в данном случае играет время нагревания пластины электрическим током. Следовательно, здесь операция преобразования предшествует операции измерения. То же самое имеет место и в случае датчика давления. Заметим, что выходной величиной датчиков давления и температуры является в нашем случае отношение двух интервалов времени.

Линия связи служит для передачи значений физической величины, полученных на выходе датчика, на некоторое расстояние. В современных контрольно-измерительных приборах эти расстояния могут изменяться от нескольких сантиметров до нескольких тысяч километров. Используются весьма различные так называемые носители сигналов, а следовательно, и различные физические конструкции линий связи. В рассмотренных нами приборах в качестве носителя сигналов выступал электрический ток и соответственно линия связи представляла собой электрический провод. Правда, в указателях температуры и давления роль электрического тока была весьма своеобразной. Здесь использовалась не столько сила тока - мы уже отмечали с удовлетворением, что абсолютная величина этой силы мало влияет на показания приборов, - но главным образом моменты времени, когда этот ток включался и выключался.

В современной контрольно-измерительной технике используются самые различные средства связи. Это могут быть и трубопроводы, заполненные жидкостью, по которым передается давление, и радиолинии, и оптические (особенно лазерные) линии, и многое другое. Но сама линия связи является неотъемлемой частью как простейших, так и самых сложных приборов.

Приемник, так же как и датчик, выполняет функции преобразователя и (правда, не всегда) функции, если можно так выразиться, вторичного измерителя. В рассмотренных нами случаях все приемники преобразовывали поступающую на их вход величину в величину перемещения стрелки. Приборы такого типа так и называются стрелочными, используются они для непосредственного наблюдения. Перемещение стрелки здесь сравнивается с эталоном - шкалой. Это и есть вторичное измерение. Кроме стрелочных, современная контрольно-измерительная техника располагает широчайшим ассортиментом всевозможных приемников. В их числе можно назвать самописцы, регистрирующие результаты измерения в виде кривой на бумажной ленте, печатающие приборы, которые не только печатают результаты измерения в виде цифр, но подчас сопровождают эти данные своими собственными комментариями, а также приемники, преобразующие входной сигнал в физическую величину иной природы, удобную для дальнейшего использования. Эти последние представляют для нас наибольший интерес. Как уже отмечалось, в некоторых приемниках преобразование не ограничивается получением физической величины, значения которой пропорциональны o значениям величины на входе. В приемниках могут выполняться весьма сложные математические операции. К этому вопросу мы тоже еще вернемся в дальнейшем. Источник питания обеспечивает работоспособность всех остальных элементов системы. В нашем случае в качестве источника питания каждый раз выступала электрическая батарея. Наличие источника питания чрезвычайно характерно для современных методов измерения. Легко сделать вывод, что процесс измерения всегда сопровождается затратами энергии. Энергия нужна хотя бы для того, чтобы просто отклонить стрелку прибора. Однако, как это было продемонстрировано, эксплуатация современных контрольно-измерительных приборов требует значительно больших затрат. Например, для того чтобы нагреть биметаллическую пластинку указателя давления или температуры, требуется мощность в несколько ватт, а следовательно, несколько ваттчасов на каждые сто километров пути. Откуда брать эту энергию? Когда мы измеряем, например, температуру воздуха с помощью обычного ртутного термометра, то энергия, требующаяся для расширения ртути, поступает из атмосферы, т. е. от самого объекта измерения. Но отбирая энергию у объекта измерения, мы тем самым изменяем его режим, т.е. искажаем результаты измерения. В случае атмосферы это, конечно, не страшно - атмосферу градусником не охладишь. Но при объектах меньших размеров подобное влияние измерительного прибора может оказаться весьма существенным. Отсюда и потребность в источнике энергии.

Вернемся теперь к ловушке для мамонтов. Располагая уже солидным запасом знаний в области контрольно-измерительной техники, мы сразу обнаружим и здесь знакомые черты. Действительно, ведь бамбуковый шест - не что иное, как контрольно-измерительный прибор, предназначенный для измерения местоположения мамонта. Та его часть, которая непосредственно касается лба мамонта, представляет собой датчик. Этот датчик сравнивает положение мамонта с эталоном (точка, где шест упирается в землю) и преобразует линейное перемещение мамонта в упругую деформацию шеста. Часть шеста, простирающаяся от лба мамонта до камня, представляет собой линию связи. Наконец, самый кончик шеста - это приемник. Изменяя свое местоположение, он создает условия для возникновения дальнейшей цепи событий. А вот чего здесь нет, так это источника энергии! Роль источника вынужден был взять на себя мамонт, именно поэтому умные мамонты стали обходить ловушку и тем самым создали предпосылку для технического прогресса. Как мы уже отмечали, прогресс начался с использования мыла. Ну, а раз мы уже поговорили и об автомобилях, и о мамонтах, и о мыле, пора переходить к лягушкам.

Контрольно-измерительная система лягушки - это ее нервная система. Нервная система состоит из отдельных нервов или, точнее, нервных клеток, называемых нейронами. Конструкция нейрона показана на рис. 4. Нейрон состоит из тела клетки, имеющего множество отростков - дендритов. Кроме коротких разветвленных отростков - дендритов, тело клетки имеет один длинный отросток - аксон. Длина аксона изменяется в зависимости от назначения нейрона и может достигать метра и более. Аксон заканчивается ответвлениями, подобными дендритам тела клетки. Нормально эти ответвления контактируют с дендритами других нейронов. Точки таких контактов называются синапсами.

Рис. 4 Конструкция нейрона

Поскольку наша книжка не посвящена биологии, принцип действия нейрона мы будем рассматривать значительно менее подробно, чем принцип действия указателя бензина. Это объяснение чрезвычайно своевременно пришло нам в голову, так как в противном случае пришлось бы признаться, что принцип действия нейрона в точности еще не известен современной науке. Но кое-что все же можно сказать.

Каждый нейрон, взятый в отдельности, представляет собой типичный контрольно-измерительный прибор. Роль датчиков здесь играют окончания дендритов. Нормально дендриты реагируют на изменение электрического потенциала, хотя в отдельных случаях могут реагировать и на другие раздражения.

Результаты измерения (то, что здесь речь идет именно об измерениях, будет показано ниже) передаются по дендриту к телу клетки, которая играет роль приемника. Тело клетки возбуждается и посылает электрический импульс по аксону.

Посылка импульса по аксону - показатель того, что суммарный сигнал, принятый телом клетки, превысил определенный критический уровень, который мы и называем порогом. Заметим, что здесь мы снова сталкиваемся с измерением, т. е. сравнением с эталоном - порогом.

После посылки импульса величина порога резко возрастает. Это означает, что для генерации следующего импульса тело клетки должно принять от своей дендритной структуры неизмеримо больший суммарный сигнал. Клетка как бы временно истощается. Но постепенно величина порога падает до первоначального уровня и внешние сигналы, если они продолжают поступать, снова могут достаточно легко вызывать возбуждение клетки, сопровождающееся посылкой очередного сигнала.

Количество возбуждений тела клетки в секунду служит, таким образом, мерой величины итогового сигнала (т. е. числа сигналов), принятого дендритной структурой. Чем больше итоговый приходящий сигнал, тем большее число сигналов в секунду будет посылать клетка. Трудно удержаться здесь, чтобы не отметить поразительную аналогию с указателями температуры и давления.

Разберем теперь подробнее конструкцию аксона, поскольку он представляет собой самую простую часть нейрона и, кроме тото, есть основания полагать, что многое из сказанного об аксоне окажется справедливым и для деидритов. В разрезе аксон напоминает цилиндр, поверхность которого (оболочка) именуется мембраной (рис. 5). Внутри оболочка заполнена веществом, содержащим электрические заряженные частицы - ионы. Окружающая среда также содержит ионы, однако внутри преобладают ионы калия (К+), а снаружи - ионы натрия (Na+). Известно, что в точке контакта двух различных металлов возникает так называемая контактная разность потенциалов. Именно это обстоятельство, т. е. контактную разность потенциалов железа и меди, использовал в своих опытах Луиджи Гальвани. Калий и натрий - это металлы, и им присуще описанное свойство, поэтому нормально между содержимым оболочки аксона и окружающей средой поддерживается постоянная разность потенциалов величиной 70 мв, причем потенциал внутреннего наполнения аксона отрицателен по отношению к внешней среде. Отметим еще, что в нормальном состоянии мембрана аксона не пропускает через себя ионы калия и натрия.

Рис. 5 Аксон в разрезе

Если теперь с помощью какого-либо внешнего воздействия в определенной области аксона (мы будем называть эту область областью возбуждения) уменьшить разность потенциалов между внутренним содержанием аксона и внешней средой ниже определенного значения, называемого порогом, то свойства мембраны резко меняются. Мембрана начинает пропускать через себя ионы. Сначала внутрь аксона устремляются ионы натрия. Это сопровождается быстрым изменением напряжения, и процесс длится до тех пор, пока содержимое аксона в области возбуждения не достигнет потенциала, положительного относительно среды, величиной около 40 мв. Затем через мембрану начинают выходить наружу ионы калия, что также сопровождается изменением разности потенциалов, но уже в обратном направлении.

Только что описанный процесс будет продолжаться и в том случае, если вызвавшая его причина уже перестала действовать. Сам процесс называется разрядом, и, таким образом, область возбуждения после прекращения самого возбуждения превращается в область разряда.

Содержимое аксона в области разряда, как уже отмечалось, имеет положительный потенциал. То же содержимое в прилегающих к области возбуждения участках по-прежнему имеет отрицательный потенциал. Этот заставляет некоторые ионы двигаться параллельно мембране как внутри аксона, так и в окружающей среде. Перемещение ионов в свою очередь приводит к изменению разности потенциалов и к изменению свойств мембраны. Области разряда начинают перемещаться вдоль аксона в обе стороны от области возбуждения. В самой же области возбуждения начинается обратный процесс: натрий постепенно возвращается во внешнюю среду, а калий - внутрь аксона. Этот процесс называется процессом восстановления, а область возбуждения, которая затем была нами переименована в область разряда, становится теперь областью восстановления. Но потенциал внутри области восстановления к концу этого процесса становится отрицательным, и некоторые ионы начинают двигаться в обратную сторону вдоль аксона, а это опять-таки порождает процессы восстановления в смежных участках. Таким образом, вслед за движущимися вдоль аксона областями разряда отправляются в свое путешествие и области восстановления.

Поскольку возбуждение аксона в любой его точке порождает два импульса электрического напряжения, распространяющиеся вдоль аксона в обе стороны от области возбуждения, любая часть аксона может играть роль датчика, выполняющего функции измерителя (вспомним, что разряд возникает только в том случае, если внешний электрический сигнал превышает определенную величину порога - эталона) и преобразования исходной электрической величины в сложный электрохимический процесс. Все остальные части аксона играют при этом роль линии связи. По аксону, так же как и по электрическому проводу, распространяются электрические импульсы, однако аналогия здесь чисто внешняя.

Электрический ток в проводнике - это движение электронов. Если на концах проводника создается разность потенциалов, то под воздействием электрического поля электроны, расположенные в непосредственной близости от концов, слегка перемещаются. Это перемещение влечет за собой перемещение близлежащих электронов и т. д. Интересно заметить здесь, что сами электроны перемещаются относительно медленно, а весьма высокая скорость распространения электрического сигнала по проводнику - эта скорость близка к скорости света - определяется скоростью передачи воздействия от одного электрона к другому. Но при прохождении электрического тока свойства самого проводника не меняются. В то же время движение электронов в проводнике сопровождается выделением тепла и потерей энергии. Поэтому, по мере распространения по проводнику, энергия сигнала постепенно уменьшается и, если проводник достаточно длинен, сигнал может полностью исчезнуть, так и не дойдя до его конца. Аналогичные явления происходят и в том случае, если в качестве линии связи используется, скажем, трубопровод с жидкостью. Еще быстрее затухает энергия сигнала, передаваемого по радиоканалу.

Ничего подобного не наблюдается в случае аксона. Здесь передача сигнала обусловливается изменением свойств мембраны. Образование в одном месте области разряда приводит к соответствующим изменениям свойств мембраны и образованию процессов разряда в смежных областях. При этом каждая область разряда представляет собой как бы самостоятельный источник сигнала. Энергия этого сигнала не заимствуется у смежной области, а поступает из внешней среды (ионы калия). Поэтому, как бы ни был длинен аксон, проходящий по нему сигнал не затухает.

Последнее наблюдение имеет огромное значение. Оказывается, нервная система лягушки, а заодно и человека, имеет вполне "современную" конструкцию. Кроме датчиков, линии связи и приемника, она содержит также и источник питания. Это одна из причин весьма высокой надежности функционирования нервной системы.

В известном смысле конструкция нервной системы лягушки даже совершеннее конструкции системы электрооборудования автомобиля. Последняя имеет единственный источник питания - аккумуляторную батарею. Все остальные элементы системы подсоединяются к источнику с помощью проводов. Эти провода подчас очень длинны, а количество их крайне велико. Обрыв любого провода приводит к прекращению функционирования соответствующей части системы.

Источник питания нервной системы лягушки не сосредоточен в одном месте, как аккумуляторная батарея, а распределен повсюду. Нервная система как бы плавает в собственной энергетической ванне. Поэтому здесь невозможны отказы отдельных частей из-за прекращения питания. Может иссякнуть только общий запас энергии, например в связи со смертью организма. Но такой процесс исчерпания энергии происходит постепенно. Именно поэтому лапки лягушки продолжают действовать еще в течение сравнительно долгого времени после того, как их отделили от всего остального.

Наличие сосредоточенного источника питания имеет еще один существенный недостаток. Конструкторам электронных вычислительных машин и других сложных автоматических устройств хорошо известно, что по проводам электропитания распространяются паразитные сигналы (так называемые наводки), сплошь и рядом вызывающие неправильные срабатывания элементов. Ничего подобного не может быть, если каждый элемент имеет свой собственный источник питания, т. е. черпает энергию непосредственно из окружающей среды.

Подводя итоги, мы можем окончательно утверждать теперь, что в своих главных проявлениях нервная система живого организма построена по тому же принципу, что и искусственные контрольно-измерительные системы. Она содержит датчики, причем весьма разнообразные. Кроме рассмотренного нами электрического датчика, нервная система располагает оптическими датчиками (палочки я колбочки в сетчатке глаза), датчиками механических перемещений, обеспечивающими чувство осязания животных и человека, датчиками температуры, а также не воспроизведенными пока в технике датчиками запахов и химическими (вкусовыми) датчиками. Что касается слуха, то здесь используются датчики перемещений, воспринимающие давление воздуха в сложной акустической системе уха.

Нервная система живых организмов обладает весьма совершенными линиями связи, приемниками, способными выполнять математические преобразования, и, наконец, совершенной системой питания.

Естественным следствием подобной аналогии является то, что законы функционирования искусственных контрольно-измерительных систем и нервных систем живых организмов также оказываются аналогичными. Конечно, эта аналогия выдерживается только в общем. В отдельных деталях не может не быть различий. Например, скорость распространения сигнала по аксону в тысячи раз меньше скорости распространения электрического сигнала по проводнику. Имеются поразительные совпадения и в деталях, например отмеченная выше аналогия между работой тела клетки нейрона и биметаллической пластины датчика температуры. К слову сказать, при более подробном рассмотрении, которое мы, к сожалению, не можем провести в рамках нашей книги, эта аналогия оказывается еще более глубокой.

В данной главе мы достаточно поверхностно коснулись вопроса о том, что нужно для того, чтобы знать. Настала пора сделать следующий шаг и подумать, как использовать полученные знания.