Ar pabodo gyvenimas keturių sienų narve? Atsibodo apsauginė kaukė, kurią užkvėpuoji taip, kad per akinių stiklus nesimato aplinkinio pasaulio? Namai pabodo taip, kad svajojate nueiti į darbą ir… dirbti? Kai lauke 2020-ieji ir siaučia karantinas, iš nuobodulio gaidžiu užgiedos net didžiausiais namisėda ir tinginys…
Jūsų išsigelbėjimui pristatau bloge naują rubriką – „DIRBTUVĖS”. Čia ne tik pakalbėsiu apie fiziką bet ir pigiai (biudžetas iki 20-30 eurų) pagaminsime fotoninį žaisliuką. Tikiuosi, kad vaikams žaislai patiks, o tėvams praskaidrins atžalos zyzimą tekstas. Taigi… Pradėdam!
Ar žinote kas yra kaleidoskopas? Dažniausiai žmonės būna apsiskaitę ir pagalvoja apie spaudą – žurnalą arba skyrelį žurnale, kur iš neturėjimo ką veikti redaktoriai suverčia visą šlamštą, kuriam neatsirado vietos rimtame straipsnyje arba kuris buvo per trumpas padoriam tekstui. Lietuvoje tai vadinama kaleidoskopu. Aš dažniausiai susimąstau apie blogus dalykus juos skaitydamas, blogiau yra tik Palmyros horoskopai, nuo kurių mane apima egzistencinės tuštybės mintys.
Iš tikro kaleidoskopas yra prietaisas. Ne šiap sau tas, kur iš Didžiosios. Ne, optinis prietaisas, Įrenginys, kurį nagrinėja optika ir kuriame darbuojasi šviesos fotonai. Kaleidoskopas yra palyginus paprastas prietaisas. Jam pagaminti reikia dvejų arba trijų veidrodžių. Kartais veidrodžių būna keturi, bet tai yra reta versija. Pora veidrodžių kaleidoskope yra suglausta tam tikru kampu. Šio kampo parinkimas yra svarbus, kadangi nuo jo priklauso, ką mes regėsime kaleidoskope. Jis parenkamas taip, kad kaleidoskope mes matytume simetrinį vaizdą, praėjusį pro nuo mūsų toliau esantį kaleidoskopo galą.
Vaizdas tampa simetrinis, kadangi parinkus kampą, susidaro tam tikras skaičius atspindžių, dėl kurio mes pamatome daugybinį objekto atvaizdą, kuriame objektas yra dar ir išsukiotas.
Šis prietaisas atsirado prieš 200 metus Anglijoje. Lordas Davidas Briusteris 1816m, jį sugalvojo ir užpatentavo. D. Briusteris buvo šviesus žmogus, žinomas dėl savo aistros mokslui. Fizikos studentai jo nekenčia dėl jo aistros poliarizacijai ir su jo vardu susijusio kampo. Dėstytojai dėl to paties jį myli ir gerbia. Skaitytojas čia gali įžvelgti kartų konfliktą, bet toks jau prieštaringas daiktas tas gyvenimas.
Tais pačiais metais išėjo ir lordo Briusterio veikalas „Treatise on the Kaleidoscope„, kuriame jis išsamiai aprašė naują optinį prietaisą. Mokslininkas apskaičiavo, kad 24 stiklo gabaliukai galėtų sukurti net 1.4×10^33 atvaizdų. Žinoma, geras klausimas, kaip tuos veidrodėlius tiksliai išdėlioti ir kaip suskaičiuoti tokį milžinišką skaičių atspindžių. Knygoje Briusteris aprašė pačius efektyviausius kaleidoskopus – tiek pagal spalvines ir vizualines charakteristikas, tiek pagal praktinį įgyvendinamumą.
Kadangi kaleidoskopai kūrė iš tikro magiškus vaizdus, jie greitai tapo populiarus anų laikų Vakarų Europoje, tiesa, JAV jie pasiekė tik 1870 metais. Su jų populiarumu yra susijusi viena istorija apie lordo Briusterio bandymą užsidirbti. Lordas manė, kad kaleidoskopas turi milžinišką praktinę vertę, kadangi jis leido menininkams kurti be galo daug gražių piešinių. Tapetai, ornamentai, medvilnės piešiniai, artistai galėtų panaudoti tokį prietaisą bet kur. Lordas nutarė patentuoti prietaisą ir sutarė su vienu gamintoju, jos kaleidoskopas bus gaminamas jo gamyklose. Tačiau gamintojas pasirodė gobšus – jis parodė kaleidoskopą Londono optikams, manydamas, kad galės papildomai užsidirbti. Londono optikai nebūtų mokslo žmonės ir kaleidoskopą nukopijavo lyg kokie kinai. Dabar tai vadinama plagiatu, o anuomet tai buvo vadinama galimybe. Nespėjo gamintojas pagaminti pakankamai patentuotų originalų, kaip Londonas buvo jau užtvindytas padirbtais kaleidoskopais. Per 3 mėnesius Londone ir Paryžiuje buvo parduoda daugiau nei 200 000 padirbtų kaleidoskopų. Didžioji dalis kaleidoskopų buvo labai prastos kopijos, sudariusios klaidingą įspūdį apie kaleidoskopą. Paties lordo Briusterio vertinimu, gal tik keletas tūkstančių buvo tinkamai nuplagijuoti kaleidoskopai, likusi dalis buvo vos ne iš psichologinio dispanserio pabėgusių beždžionių rankų darbas…
Lordas Briusteris per porą metų sėkmingai suvaldė krizę – jau 1819m. savo pakartotiniam knygos leidime jis įvardijo gerą tuziną „akredituotų” gamintojų, pas kurios kvietė įsigyti kaleidoskopus.
Kaleidoskopų būta įvairiausių. Ir ilgų, ir trumpų. Esminis skirtumas, vertas paminėjimo, buvo sąlygotas kampo tarp veidrodžių. Kampai nurodomi patente įvarūs: 18°, 20° or 22 1/2° buvo įvardijami kūrėjo kaip labiausiai malonūs akiai, Knygoje lordas minėjo ir kitus kampus – 45°, 36° ir 30° yra pagrindiniai knygoje nagrinėjami pavyzdžiai. Lordas išnagrinėjo virš 100 įvairiausių variantų. Labiausiai jis rekomendavo trijų veidrodžių kaleidoskopus: su lygiais kampais (60°, 90°) ir nelygiais (pvz., 90°, 45° ir 45° arba 90°, 60° ir 30°).
Pradžioje kaleidoskopai buvo naudojami panoramos apžvalgai, vėliau atsirado žaislai – uždaros tebelės, kurių gale buvo pabarstoma smulkinta spalvota medžiaga arba net patalpinamas vanduo su spalvintais burbulais. Ir nors Viktorijos laikais kaleidoskopų buvo aibių aibė, dabar jų svarba sumenko ir mes geriausiu atveju pamatome parduotuvėje pigų vaikų žaislą. Jį nėra sunku ir pasigaminti pačiam.
Tačiau aš noriu papasakoti Jums apie fiziką ir kartu pasigaminti ne paprastą, o lazerinį kaleidoskopą! O savo pasakojimą pradėsiu nuo bangų! Ar kada nors užsidavėte klausimu, kodėl muilo burbulas šviečia įvairiausiomis spalvomis? Kodėl benzinas arba alyva ant kelio dangos yra tokia spalvota, nors buteliuke šios medžiagos bespalvės? Arba kodėl drugelių sparnai tokia gražūs ir keičia spalvas, kuomet mes žvelgiame į juos kitu kampu? Sužinokime!
Jei lankėte mokyklą (arba bent jau žinote grupės Pink Floyd albumų viršelius), spėju, kad žinote, kad šviesą sudaro septynios pagrindinės spalvos: raudona, oranžinė, geltona, žalia, žydra, mėlyna ir violetinė. Mes tuom įsitikiname, kada ją praleidžiame pro trikampę prizmę – balta dienos šviesa praėjusi pro ją pavirsta spalvomis, kurios iškeliauja skirtingomis kryptimis. Kitas geras pavyzdys būtų vaivorykštė. Tiek stiklo, tiek vandens lūžio rodikliai skyriasi skirtingoms spalvoms, skirtingų spalvų šviesa keliauja lengvai kitokiais šviesos judėjimo greičiais, Dėl šios priežasties mes ir regime šiuos reiškinius.
Jei mes norime suprasti muilo burbulo paslaptis geriau, mes turime suvokti bangų savybes. Kadangi visos bangos elgiasi panašiai (tiek šviesos, garso arba jūros bangos), pažvelkime į bangų elgesį jūroje. Kuomet jūros banga savo kelyje sutinka plyšį, ji nusklinda pro jį pakeitusi savo formą! Iš bangos, kuri juda tiesiai, banga virsta sferine, jūros banga juda nebe tiesiai, o juda nuo plyšio į visas puses!
Fizikoje šis reiškinys vadinasi difrakcija. Difrakcija mokykloje apibrėžiama, kaip bangos „užlinkimas už kampo, nepaaiškinamas nei atspindžiu, nei lūžiu”. Sutikite skamba vos ne dramatiškai! Dažniausiai mūsų gyvenimuose už kampo užlinkstame mes arba koks draugas-pijokelis ir tai mes negalime paaiškinti nei lūžiu, nei atspindžiu. Negi mes bangos?
Aukštojoje mokykloje (Lietuvoje tokios kartais turi universiteto vardą) paaiškina, jog difrakcija yra procesas, kuris vyksta, kuomet banga sutinka bet kokią kliūtį. Sakoma, kad tai yra bangos atsiradimas geometrinio šešėlio srityje, tuomet bangos atsiranda ten, kur jų neturėtų būti, jei jos sklįstų tiesiai. Difrakcija pasireiškia tuomet, kuomet kliūtis matmenys yra palyginami su atstumu tarp bangos keterų, kurį fizikai vadina bangos ilgiu.
Difrakcija yra įdomus ir intriguojantis reiškinys. Ko gero įdomiausia yra stebėti žmogaus reakcija, kuomet jam į rankas įduodi difrakcinę gardelę. Difrakcinė gardelė tai toks plastmasės gabaliukas, kuriame labai aštrių peiliu arba lazerio spinduliu yra pripjaustyta juostelių, tarp kurių atstumas yra mažesnis už bangos ilgį.
Difrakcinės gardelės įdomi savybė yra gebėjimas atskirti spalvas. Ji skirtingais kampais, lyg prizmė, nukreipia skirtingas baltos šviesos spalvas. Difrakcinės gardelės veikia dėl kito reiškinio – bangų sudėties arba interferencijos. Kita įdomi difrakcinės gardelės savybė yra gebėjimas padalinti lazerio spindulį į daug spindulių. Šią savybę išnaudoja kinai per Alibaba siekdami parduoti savo pigius ir greitai degančius lazerinius pointerius. Gudrūs kinai patalpina lazerinės rodyklės galvutėje įmantrią difrakcinę gardelę ir parduoda užkėlė šimteriopai kainą patikliam vakariečiui kaip „super-duper” sistemą, nors realiai bet kuris Lietuvos fizikas studentas už centus padarys tą patį.
Kuomet mes turime vieną plyšį, pro kurį keliaują šviesos bangą, ekrane už plyšio mes stebime vaizdą, panašų į tą, kurį matėme vandenyne. Sferinės bangos iš kiekvieno plyšio taško atkeliauja iki ekrano, o ten susideda arba (jei norite sužavėti paną filologę) interferuoja ir mes matome gražų bangos padidėjimą. Interferenciją stebime, kuomet viena banga sąveikauja su kita. Jos gali ne tik susidėti, bet ir atsiimti. Kuomet bangos susideda, sakome jos „interferuoja konstruktyviai), kuomet – atsiima, sakome kad interferencija yra destruktyvi. Geras pavyzdys yra dvejų sferinių bangelių vandens paviršiuje sudėtis. Ten kur susitinka dvi keteros, jos vieną kita sustiprina, o ten kur įduba sutinka keterą, jos atsiima.
Difrakcinėje gardėlėje plyšių daug. Panagrinėkime du artimus plyšius. Pro juos praėjusios dvi artimos sferinės bangos susidės vienur ir atsiims kitur. Bangos interferuos ir susidarys savotiškas dryžuotas vaizdas, jei mes pastatysime ekraną. Ekrane bus taškai, kur bangos susidės, ir bus taškai, kur jos atsiims. Skirtumą nulems atstumas ekrane ir kelio eigos skirtumas tarp plyšių. Kur kelio eigos skirtumas bus lygus bangos ilgių skaičiui, mes stebėsime sudėtį, kur eigos skirtumas bus lygus pusei bangos ilgio, bangos vieną kitą naikins. Fizikai sako, kad mes stebėsime difrakcinius maksimumus ir minimumus. Kitaip tariant bus kryptis ir kampai, kuriais šviesa stiprins viena kitą ir bus kryptys, kur silpnins ir mes nieko nematysime. Būtent tas ir vyksta difrakcinėje gardelėje dėl didelio kiekio mažų plyšių.
Galite su nuostaba paklausti, tiek daug perskaitėme, o kaip ten su tuo muilo burbulu? Ar autorius nepamiršo dar? Oj, ne! Nepamiršau! Matote, spalvos, kurias regime muilo burbule atsiranda dėl to, kad šviesa atsispindi nuo burbulo priekinio ir galinio paviršių. Tos dvi šviesos dalys susideda ir atsiima skirtingomis kryptimis. Jos interferuoja. Burbulo storis kinta, jis yra skirtingas skirtingose burbulo taškuose. Dėl šios priežasties atsiranda spalvos. Plonesniame taške mes matome mėlyną spalvą, storesniame – raudoną. Spalvos mums kažką pasako apie burbulo storį. Panašiai atsiranda spalvos ir benzino dėmėje, tik ten šviesa atsispindi nuo priekinės ir galinės kuro dėmės sienelių.
Ką gi? Pakalbėjome apie mokslą, apie meną. Laikas imtis kaleidoskopo! Mums prireiks:
| Dedamoji | Specifikacija | vnt. | kaina € / per vnt, | Tiekėjas |
| Plastikinis vamzdis | 1m 75mm diameter | 1 | 2.24 | https://goo.gl/p5zK8Z |
| Plastikinis vamzdis | 1m 50mm | 1 | 1.12 | https://goo.gl/YSQnXF |
| Plexiglass | XT 3mm | 1 | 8.87 | https://goo.gl/qGiPkk |
| Elementas | DURACEL industrial batteries | 2 | 5.2 | https://goo.gl/Sr2rrY |
| Jungiklis | _ks.2k.1A/250VAC 9x13mm, SPST, black | 1 | 0.87 | https://goo.gl/VNoYwR |
| Mygtukas | OFF‐ON _ks,2k.3A/125VAC DPST green with light diode, round | 1 | 1.68 | https://goo.gl/B3yXHa |
| Motoriukas | DC motor with reductor (30RMP) + wheel | 1 | 8.83 | https://goo.gl/TKCt2t |
| Modulis – konverteris | LM2596 DC‐DC Buck Converter Adjustable Power Supply Step Down Module | 1 | 1.95 | goo.gl/wbqg3C |
| RGB lazeriai | 1 | 5 | http://www.ebay.co.uk/itm/391444405530 | |
| Mėlynas lazeris „ebay.co.uk” | 1 | 3.6 | https://goo.gl/NeP4Mm | |
| raudonas lazeris | 1 | 2.5 | https://goo.gl/CDAsQ6 | |
| žalias lazeris | 1 | 5.95 | https://goo.gl/FDfXn9 | |
| Difrakcinės gardelės | 3 | 0.4 | EYEST |
Savo darbą pradėkime nuo šių dalių. Ant stalo jos atrodo taip:
Lazeriniam kaleidoskopui mums reikia dvejų grandžių. Vieną grandinę sudaro a) trys lazeriai (viršuje iš kairės), b) DC-DC perėjimas, c) jungiklis ir d) prijungimas prie elemento. Antrą grandinę (viduryje) sudaro a) motoriukas, b) DC-DC perėjimas, c) mygtukas ir d) prijungimas prie elemento. Be abejo turite dar du elementus ir nuotraukoje matote išmontuotų lazerinių rodiklių dalys. Šių dalių litavimas yra sudėtingiausia darbo dalis, ypač jei turite mažai patirties.
Lazerinį kaleidoskopą sudaro 4 mechaninės dalys:
Pirma dalis yra sudaryta iš plonesnio plastmasinio vamzdžio. Šioje dalyje mes patalpiname lazerius kartu su elementu ir įjungimo mygtuku skydėlyje, kurį išpjauname iš plastmasės.
Antra dalį sudaro per pusę perpjautas storas plastmasinis vamzdis. Šioje dalyje mes patalpinsime motorą, jo grandinę su mygtuku ir maitinantį elementą, Apie tai plačiau toliau tekste.
Trečia dalį sudaro antra pusė storesnio plastmasinio vamzdžio kartu su kaleidoskopu. Kaleidoskopą mes gaminsime iš trijų veidrodinio Plexiglass dalių. Ši dalis bus per perėjimą užmaunama ant antros dalies.
Pagaliau ketvirtą dalį (mažiausia) sudaro mažas gabaliukas storesnio plastmasinio vamzdžio, į kurį įstatyta dvi sukryžiuotas gardelės laikanti plastmasė. Apie tai plačiau irgi tolimesniame tekste.
Savo darbą pradėkime nuo svarbiausios dalės – lazerių. Lazeriniai pointeriai atkeliauja kaip vientisas prietaisas, kuri mes galime atsukti ir išmontuoti į dalis. Svarbiausia dalis yra lazeriukai, esantys rodiklių viršuje. Kadangi mes maitinsime nuo vieno elemento, mums nereikalingos visos antros dalys, o tik lazeriukų maitinimas. Lazeriukams paruošiame plastmasinį laikiklį, kuriame padarome skyles lazerių galvutėms. Patogumo dėlėi galime ten sumontuoti ir mygtuką, kuris įjungs lazerius. Šią dalį mes dėsime į plonesni plastmasinį vamzdelį, tad sužiūrėkime, kad plastmasinis apvalus laikiklis gerai tilptų į vamzdelį.
Toliau antroje lazerinio kaleidoskopo dalyje sumontojame motoriuką. Patogumo dėlėi motoriuką viduje įtvirtiname ant platformos, o platformos apačioje storesniame vamzdelyje padarome skylutė, kurioje įstatome mygtuką, kuris įjungs motoriuką. Motoriukas suks plonesnį vamzdelį kartu su lazeriais, tada plono vamzdelio apačioje irgi pagaminame platformą, kurioje padarome skylutę motoro rotoriui.
Trečioje dalyje mums reikia išsipjauti iš veidrodinio pleksiglaso 3 veidrodžius, kurių ilgiai turi atitikti trečio vamzdelio ilgį. Plotį veidrodžių susirandame pagal formulę trikampiui, įrašytam į žinomo skersmens A apskritimą, R = 1.7321 x A, čia A yra vamzdelio spindulys.
Sumontavę turėtume gauti kėrintį vaizdą!
Kiti failai būtini projektui: https://1drv.ms/u/s!AnKfh6DJKXslpfA_71u-IpGIGqCAPA?e=1hALB7