Картинка Freepik

Зима — это «не только красивое слово, но и очень важное дело» (© какой-то очень известный фильм).

Вообще говоря, глядя в окно и наблюдая за проявлениями зимы в виде снега, льда и низкой температуры, сразу вспоминается один интересный эксперимент из области физики, электричества и не только...

▍ Эксперимент с ледяным ведром

Например, в 1843 году Майкл Фарадей провёл эксперимент, который получил в истории название «эксперимента с ледяным ведром».

Но слово «ледяной» не должно вводить в заблуждение, так как лёд здесь участвует весьма отдалённо: в процессе Фарадей просто использовал ведро, которое ранее применялось для хранения льда.

Суть эксперимента заключалась в следующем: искомое ведро (оловянное) устанавливалось на деревянную табуретку, чтобы обеспечить изоляцию от земли.

Внешняя часть этого ведра была соединена проводом с так называемым «электрометром» — инструментом для обнаружения статического электричества, представляющим собой стеклянную бутылку без дна, установленную на землю.

В горловину бутылки вставляется пробка, сквозь которую проходит металлический стержень, на конце которого укрепляются две пластинки из золота — это исторически первая конструкция, разработанная в 1787 году.

При этом металлический стержень как спускается внутрь бутылки, так и выходит из пробки несколько наружу.

Благодаря кулоновским силам одноимённые заряды отталкиваются, и при придании статического заряда пластинкам они, в норме свисая со стержня в виде перевёрнутой латинской буквы V, начинают всё сильнее расходиться друг от друга, пропорционально величине заряда.

Таким образом, наблюдая за степенью расхождения усиков, делают вывод о величине статического заряда.

Теперь, если коснуться стержня неким предметом, заряженным статическим электричеством, то заряды распределятся по стержню и усики отклонятся.

Что любопытно: усиков даже не обязательно касаться непосредственно. Достаточно поднести к стержню заряженный предмет, чтобы появилась электростатическая индукция. В результате заряды на стержне и пластинках перераспределяются: на поверхности стержня, расположенной поблизости от заряженного предмета, собираются заряды противоположного знака, в то время как заряды одинакового знака с этим заряженным предметом отталкиваются от него и собираются на оставшейся поверхности, в том числе на пластинках.

Как мы уже знаем, заряды одного знака отталкиваются. Поэтому листочки, покрытые зарядами одного знака, начинают расходиться в стороны. Причём чем больше заряд, тем сильнее их отклонение.

Чтобы эксперимент был корректным, электрометр обычно разряжают перед началом, кратковременно заземляя его, например, касаясь стержня рукой.

Однако вернёмся обратно к эксперименту Фарадея.

В ходе своего эксперимента он использовал небольшой латунный шарик, который был подвешен на шёлковой нити, после чего шарик заряжался электростатическим зарядом с помощью лейденской банки или электростатической машины.

Далее этот шарик опускался в это ведро таким образом, чтобы в процессе он не коснулся стенок.

По мере опускания шарика в ведро пластинки электрометра, соединённые проводом с внешней стороной ведра, начинали расходиться всё сильнее, а стенки ведра за счёт перераспределения приобретали следующий заряд: внутренняя часть ведра была заряжена противоположным знаком шарику, а внешняя — одинаковым зарядом с ним.

По мере опускания шарика в ведро, пластинки электрометра расходились всё сильнее, стабилизируясь на некотором положении, после того как шарик был внутри ведра, опустившись ниже его краёв.

Любые дальнейшие перемещения шарика внутри ведра больше не приводили к каким-либо отклонениям полосок.

Этот эксперимент был поставлен Фарадеем для экспериментальной демонстрации явления электростатической индукции.

▍ Электростатическая индукция

На первый взгляд, этот эксперимент может показаться просто познавательным фактом, не имеющим практического применения, и восприниматься как нечто оторванное от реальной жизни и являющееся частью истории.

Однако это вовсе не так. Совсем недавно мы рассматривали весьма любопытные применения электростатической индукции, которые все интересны, каждое по-своему. Однако если попытаться выбрать самое интересное, то, на мой взгляд, таковым является индуцирование зарядов противоположного знака на поверхностях, например, стенах и потолках, для перемещения по ним роботов!

Краткая схема такого индуктора показана ниже, а прочитать подробнее обо всей этой теме вы сможете по ссылке выше:

Картинка: mdpi.com

А это более подробная схема:

Картинка: mdpi.com

Как можно видеть, индуктор представляет собой обыкновенную кулинарную фольгу, покрытую сверху скотчем (чтобы устранить вероятность утечек через коронный разряд), снизу отделённую от поверхности стены/потолка — изолятором.

На фольгу подаётся высокое напряжение, что индуцирует заряды противоположного знака на целевой поверхности стены или потолка. Благодаря кулоновским силам это притягивает индуктор к поверхности.

Подобными индукторами могут быть покрыты гусеницы, иные манипуляторы роботов, позволяющие им перемещаться по этим поверхностям:

Крайняя простота устройства делает его привлекательным для самостоятельного повторения в собственных конструкциях.

▍ Необычные источники звука

Однако ошибочно считать, что практическое применение электростатического принципа ограничивается только приводами роботов. Например, вот тут мы ранее разбирали удивительный тип звукоизлучателя — электростатические динамики, которые отличаются весьма детализированным звуком. Простота их конструкции (они могут быть изготовлены, например, из металлизированной полимерной плёнки, как та, в которую упаковывают цветы на праздники) позволяет создавать динамики даже весьма большого размера.

При этом между звукоизлучающей мембраной и вторым электродом, расположенным напротив неё, прикладывается высокое напряжение в несколько тысяч вольт. Если модулировать это напряжение питания с помощью некоего сигнала, например, звуковой частоты, то мембрана будет колебаться, излучая звук:

Также, как можно было видеть по роликам выше, такие устройства достаточно простые и вполне могут быть собраны желающими.

Кстати говоря, раз мы уже затронули тему звука, вспомним и ещё один любопытный элемент, который в своих конструкциях самодельщики незаслуженно обходят вниманием: пьезозвукоизлучатель.

Связано это, наверное, с тем, что «нет музыкантов в своём отечестве» :-) Многие опасаются входить в тему звука, так как она остаётся для многих тёмным лесом, однако мы попробуем немного развеять эту тьму.

Стоит отметить, что сборка схем с такими излучателями гораздо проще, чем многие другие, а их крайне низкая стоимость (например, я покупал по 10 рублей за штуку!) позволяет каждому попробовать себя в роли музыканта.

Если попробовать грубо подразделить звукоизлучатели на виды (не слишком углубляясь в детали подвидов), то одним из самых простых являются обычные пьезопищалки или зуммеры:

Картинка: Handysun Store

Отличаются они тем, что начинают  излучать звук, который становится особенно громким, если он находится на частоте резонанса, обеспечено требуемое напряжение питания, а также правильно подобран корпус (как мы знаем, даже звуковые колонки без правильного корпуса не будут звучать хорошо).

Это самый простой вариант, так как на таких штуках нельзя сыграть разные частоты (вернее, попробовать сыграть-то можно, только они будут проваливаться по громкости, так как будут выходить из области резонанса).

Ниже есть хорошее видео, которое объясняет, как заставить такую «пищалку пищать громко» (там же есть и схема повышения напряжения для питания этого зуммера):

Однако пищать просто неинтересно — хотелось бы и какую-то мелодию!

Для этого нам понадобится пьезозвукоизлучатель другого типа:

Картинка: CarAccessories Store

В отличие от первого варианта, он позволяет излучать звук в диапазоне 20...20 кГц.

А как можно излучать, например, ноты мелодии? Очень просто: каждая нота — это всего лишь частота, которая имеет определённую длительность, а также определённый интервал между соседними нотами!

Вот здесь можно более подробно почитать про теорию этого процесса.

Этот пример несколько староватый и требует сборки своего устройства, однако хорошо даёт понять теорию воспроизведения звуков.

В наше же время можно пойти и более простым путём: взять Arduino и стандартные функции, например, ту же самую tone().

Именно такой пример и показан в видео ниже (кстати говоря, с 1:43 там можно найти и хорошую таблицу частот):

Это всё, конечно, интересно, но можно ли как-то ещё более усугУбить?

Можно: настоящие кулхацкеры играют музыку исключительно на двигателях, например, на тех, которые установлены в ЧПУ-станок (хотя это не обязательно, и можно просто на отдельных двигателях):

Насколько мне удалось разобраться в этом вопросе, основным источником звука являются пластины статора, которые колеблются со звуковой частотой при изменениях магнитного поля (могу ошибаться, буду рад любой дополнительной информации).

Вот здесь, мы подробнее рассматривали, как этого добиться. Так что желающие вполне могут попробовать свои силы в этом деле.

С другой стороны: «новогодние праздники, все отдыхают, какие сборки, о чём вы говорите...» :-))

Ок, тогда есть способ проще — труба Рийке («утренняя соловьиная трель», специально для соседей :-В):

Как можно видеть, эта госпожа имеет довольно убедительный голос:-)), по крайней мере, тесты ещё в 1970-х показали, что если взять канализационную трубу длиной 120х12 см и на расстоянии одной четверти от её нижнего конца укрепить нагревательную спираль от плитки, то от её звука будут дрожать стёкла :-))

А если труба будет «большее и длиньше»? Хммм....

▍ Робот, рисующий на песке

Понятно, что такие эксперименты наверняка ещё больше расшатают нашу и так подызношенную к концу года нервную систему, поэтому она наверняка начнёт усиленно просить преисполниться и слияния с бесконечно вечным более успокаивающего проекта, который, несмотря на простоту, является очень эффектным: робот, рисующий на песке шариком:

Такое устройство, честно говоря, является моей мечтой, на которую мне просто уже не хватает времени, может быть, его хватит у вас? ;-)

Кроме визуальной привлекательности, это устройство вполне может быть интересным бизнес-проектом для выпуска в серию. И кое-кто именно так уже поступил:

Причём эти роботы делятся как минимум на два типа: кругового типа и иные.

Кругового типа изготавливаются с применением коленчатого манипулятора, принцип действия которого и конструкция хорошо объяснены ниже:

А тут, собственно, как он работает:

Электроника там весьма несложная, и показанная в видео легко может быть заменена на ESP32, драйверы шаговых двигателей TB6600 (или аналогичные), шаговые двигатели можно взять такие же, как в проекте. Полное описание всех технических моментов проекта можно найти на github-e автора.

Альтернативный вариант, более привычный многим, на основе кинематики CoreXY можно найти здесь. Но далеко не последний, так как конкретных реализаций довольно много.

И вот, когда проект будет завершён, можно запустить готового робота, удобно расположиться перед ним и даже позвать соседей, которых мы недавно баловали трубкой Рийке (пускай порадуются, бедолаги, ещё раз :-) ).

Сидеть и смотреть на возникающие и исчезающие на песке узоры, думать о вечности, о мимолётности всего сущего, вытирать рукавом слёзы радости с бородатых щёк соседей -наконец-то дельный проект у него и наступит Благодать.


Всем добра :-)

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT ?