Приблизим линзу к зеркалу на 2,5 мм так, чтобы новое расстояние между линзами и зеркалом стало 1177,5 мм, или, что все равно, линза отодвинется от фокальной плоскости на 2,5 мм. Подсчет покажет, что в этом случае эквивалентное фокусное расстояние fсист увеличилось до 4800 мм или в 4 раза. Теперь для получения максимального увеличения с нашим 150-миллиметровым зеркалом нужен окуляр с фокусным расстоянием 16 мм. Можно поступить так: рассчитать 3-- 4 различных положения линзы Барлоу для того, чтобы, имея один окуляр, получить несколько различных увеличений.
В качестве примера с нашим зеркалом, 16-милли-метровым окуляром и линзой выберем четыре увеличения--300, 240, 190, и 150. Для 150-миллиметрового зеркала этим увеличениям будут соответствовать выходные зрачки диаметром 0,5; 0,625; 0,75; 1,0 мм. Эта последовательность самых сильных увеличений телескопа требует очень короткофокусных окуляров. С линзой же Барлоу и одним окуляром с фокусным расстоянием 16 мм можно получить четыре увеличения плюс еще одно, когда окуляр применяется без линзы Барлоу -- в 75 раз.
Если же использовать еще и окуляр с фокусным расстоянием, например, 50 мм, то можно получить такой ряд увеличений без линзы и с линзой, перемещаемой на те же отрезки вдоль оптической оси: 24 раза (зрачок выхода 6,25 мм), 48 раз (зрачок 3,12 мм), 57,5 раза (зрачок 2,6 мм), 72 раза (зрачок 2,1 мм), 96 раз (зрачок 1,56 мм). Таким образом, достаточно иметь всего два окуляра и одну линзу Барлоу, чтобы получить практически весь набор увеличений, интересующий любителя астрономии.
Линза Барлоу устанавливается в трубке, длина которой соответствует минимальному увеличению. К этой трубке имеются несколько трубок-вкладышей, которые вставляются вместо окуляра, когда необходимо получить большее увеличение, а окуляр вставляется уже во вкладыш. Познакомившись с методикой расчета линзы Барлоу, читатель сможет без особого труда вычислить все необходимые параметры линзы Барлоу и ее трубки-оправы *).
*) Нужно, однако, помнить, что одиночная линза Барлоу страдает хроматической аберрацией. Для резкого уменьшения хроматизма линза Барлоу должна быть склеена из двух линз -положительной из стекла Ф2 и отрицательной из стекла К8. Отрицательная линза (К8) двояковогнутая, оба радиуса кривизны равны окончательному фокусному расстоянию двух линя, деленному на 2. Так, если фокусное расстояние нужной нам линзы Барлоу равно 40 мм, то обе поверхности отрицательной линзы имеют радиус кривизны 20 мм. Положительная линза (Ф2) -плосковыпуклая. Радиус кривизны выпуклой поверхности равен радиусу отрицательной линзы. В нашем случае он равен 20 мм. После изготовления линзы нужно сложить вместе и вставить в оправу, но лучше их склеить канадским бальзамом или бальзамином.
37. ПРОСТОЙ РАСЧЕТ ОКУЛЯРА РАМСДЕНА И ЛИНЗЫ БАРЛОУ
В том случае, когда у читателя нет возможности подобрать готовый окуляр, можно изготовить линзы для него самостоятельно. Они изготавливаются из витринного стекла толщиной 7--10 мм. По своим оптическим свойствам оно близко к стеклу К8.
Познакомимся с конструктивными элементами окуляра Рамсдена. Две его линзы имеют совершенно одинаковые радиусы кривизны и в нашем случае одинаковые диаметры. (Строго говоря, глазная линза окуляра должна быть несколько меньше полевой, но это необязательное условие, и поэтому ради простоты изготовления мы сделаем обе линзы одного диаметра.) Предположим, нам надо отшлифовать линзы для окуляра, имеющего фокусное расстояние 30 мм. Это слабый окуляр. С линзой Барлоу он может дать средние увеличения. Лучше начинать со слабых окуляров, так как сильные окуляры потребуют довольно мелких линз, а к их изготовлению надо переходить, имея уже некоторый опыт.
Фокусное расстояние каждой из линз равно f == 2R, где R -- радиус выпуклой поверхности. Фокусное расстояние плосковогнутой линзы Барлоу численно также равно 2R.
Начнем с того, что определим фокусное расстояние каждой из линз. Для этого эквивалентное фокусное расстояние нашего окуляра, равное 30 мм, разделим на 0,77 (см. 35), получим 38,9 мм, т. е. радиус кривизны равен 19,5 мм. Эту величину можно выдержать с точностью до 1 мм, поэтому фокусное расстояние может получиться в пределах 29--31 мм. Это совершенно не страшно.
В профессиональном производстве для шлифовки выпуклых поверхностей применяются вогнутые шлифовальники. Любитель, имеющий доступ к токарному станку, может без особого труда изготовить металлические шлифовальнички, но мы опишем более простой способ в условиях любителя -- шлифовку на стеклянном шлифовальнике.
Во всех случаях у окуляра Рамсдена диаметры линз составляют примерно 0,8 фокусного расстояния окуляра . Однако по причинам, которые будут объяснены несколько позже, заготовку для линзы нужно брать процентов на 20 больше, чем окончательный диаметр линзы. Это означает, что диаметр заготовки для линзы окуляра Рамсдена должен быть равен его фокусному расстоянию, в нашем случае 30 мм.
Для определения толщины заготовки начертим поперечное сечение линзы на миллиметровке в масштабе 2:1, т. е. в два раза больше натуральных размеров, и измерим максимальную толщину линзы, прибавив 1 мм (толщина линзы на краю). Она равна 8 мм. Это толщина обычного витринного стекла.
38. ШЛИФОВКА, ПОЛИРОВКА И КРУГЛЕНИЕ ЛИНЗ ОКУЛЯРА И ЛИНЗЫ БАРЛОУ
Заготовки для линз высверливаем с помощью трубчатого сверла вручную или на сверлильном станке с минимальной скоростью шпинделя. На рис. 40, а показаны детали приспособлений для этих целей. Сверление производится в точности так же, как и вырезание
Рис. 40. Изготовление мелких линз.
а) Высверливание заготовки. 1 -- сверло, 2--патрон сверлильного станка, 3--кусок стекла, 4--пластилиновый бортик. б) Шлифовка линзы на токарном станке. 1 -- заготовка, 2 -- стеклянный шлифовальник, 3--оправка из катушки для ниток. в) Оправка для шлифовальника. 1 -- стекло, 2 -- смола, 3 -оправка.
заготовки для основного зеркала. Надо помнить, что большие скорости вращения шпинделя сверлильного станка могут стать причиной серьезных неприятностей, если сверло и его хвостовик окажутся не вполне соосными. В этом случае центробежные силы так велики, что сверло может отломиться от хвостовика и с большой скоростью отлететь в сторону. Поэтому масса сверла должна быть минимальной. Для этого минимальной должна быть высота его стенок, на 2--3 мм больше
толщины стекла, на которого вырезается заготовка. Толщина цилиндрических стенок должна быть 0,5-- 1 мм, а основания ("дна") цилиндра--3-- 4 мм. Диаметр хвостовика должен быть максимально возможным для патрона, в котором он будет зажиматься, Так же, как и в случае вырезания заготовки основного зеркала, на рабочем краю сверла ножовкой должны быть сделаны 3--4 пропила для того, чтобы абразив легче проваливался в прошлифованную канавку.
При вырезании применяется грубый абразив (No 10--20) с обилием воды, которая помогает абразиву проваливаться в канавку, а отработанному шламу подниматься наверх. Чтобы вода не растекалась, а абразив не разбрасывался в стороны, вокруг рабочего места на стекле делается пластилиновый бортик достаточной высоты -- 2--3 см. Чтобы с противоположной стороны стекла не было больших сколов, к куску витринного стекла смолой подклеивается тонкий лист стекла.
Для контроля кривизны поверхности необходимо изготовить шаблон. В случае достаточно больших линз, как, например, наша, можно аккуратно вычертить остро заточенным гвоздем, вставленным в циркуль, дугу необходимого радиуса на куске жести. После этого аккуратно вырезается рабочая часть шаблона и подравнивается полукруглым надфилем. Можно выточить на токарном станке плоское кольцо с внутренним радиусом, равным радиусу линзы и разрезать на 3--4 шаблона.
Выточим или подберем оправку для крепления на ней заготовки линзы. Оправка имеет форму цилиндра, который вставляется в патрон токарного станка (рис. 40, б) или крепится переходной муфтой на верхней части шпинделя сверлильного станка. К торцу приклеивается заготовка. Чтобы заготовка имела достаточно жесткое основание, в оправке нужно проточить углубление, в которое будет заливаться смола, тогда как заготовка ляжет на бортик этого углубления. Для того чтобы во время приклеивания избыток смолы мог вытечь, в бортике надфилем надо пропилить 3--4 радиальные канавки.
Нагреем оправку на электроплитке и, положив в углубление на торце кусочек смолы, подождем, пока он расплавится. Теперь снимем оправку, установим ее на ровную поверхность стола и положим на смолу заготовку. Избыток смолы вытечет через канавки и заготовка плотно ляжет на бортик углубления.
Теперь нужно сделать оправку (рис. 40, в) для шлифовальника. Она выглядит точно так же, но, кроме того, должна легко вращаться вокруг своей оси, когда ее держишь в руках. С этой целью цилиндр оправки надевается на другую трубку подходящего диаметра, трущиеся части при этом должны быть смазаны маслом. Еще лучше если цилиндр оправки будет вращаться в шарикоподшипниках. У каждого любителя может найтись готовое приспособление подобного рода. Так же, как и заготовка линзы, стеклянный шлифовальник представляет собой круглый кусок стекла этого же, что и заготовка для линзы, диаметра и толщиной на 1--2 мм больше*).
*) Об изготовлении металлических шлифовальников см. Приложение 1
Шлифовальник наклеивается на торец оправки. Устанавливаем оправку с заготовкой линзы в патрон токарного станка. Включаем станок со скоростью около 300 об/мин (5 об/с), наносим на заготовку абразив No 20 или No 10, подводим середину шлифовальника к краю заготовки линзы под некоторым углом и начинаем шлифовку, делая небольшие качательные движения шлифовальником по радиусу заготовки. Довольно быстро край заготовки линзы начнет сошлифовываться, а в центре шлифовальника образуется углубление. Очень быстро углубление распространится почти до самого края. Когда вся поверхность линзы примет выпуклую форму и кусочек несошлифованного в центре стекла исчезнет, проверим кривизну линзы шаблоном, приложив шаблон вогнутой стороной к выпуклой поверхности линзы. Если кривизна линзы равна или немного меньше, переходим к микропорошку М40. Если кривизна превышает кривизну шаблоны, линзу и шлифовальник надо поменять местами, и шлифовку вести с давлением на края шлифовальника.
После окончания шлифовки порошком М40 переходим к порошку М20 и на нем заканчиваем шлифовку линзы. Теперь наливаем немного смолы на шлифовальник и, смочив линзу водой, формуем на ней полировальник. При таких больших скоростях патрона токар
ного станка или шпинделя сверлильного станка полировка идет очень быстро, но вместе с тем смола быстро разогревается и становится слишком мягкой.
Для этих целей приготовим смолу потверже (добавив в нее канифоли до 70--80% по объему) и каждые 2--3 минуты формуем полировальник, давая остыть и линзе.
Вторую поверхность линзы шлифуем, приклеив ее к оправке выпуклой стороной. Шли-фовальником может
Рис. 41. Кругление линзы.
служить металлический пруток диаметром 30 мм с плоским торцом и вращающийся в оправке так же, как и стеклянный шлифовальник. Шлифовку можно начинать с порошка М20. Добившись того, чтобы на плоской стороне линзы не осталось несошлифованных участков, сразу переходим к полировке. Разумеется, шлифовка и полировка плоской стороны ведутся через центр с нормальным выносом. Некоторая выпуклость, образовавшаяся при этом, нам не страшна.
Не вдаваясь в подробности, отметим, что точность изготовления линз для окуляра значительно ниже, чем точность зеркала, поэтому всю работу можно вести без строгого контроля кривизны поверхности. Однако для линз окуляра чрезвычайно важно, чтобы на них не было следов матовости и царапин. Это относится ко всей поверхности обеих сторон полевой (первой) линзы и особенно к центральной части глазной (второй) линзы.
Стеклянный шлифовальник, имеющий плосковогнутую форму, мы используем в качестве линзы Барлоу, конечно, отполировав его поверхности.
Теперь надо выполнить кругление и центровку линз. Дело в том, что во время шлифовки линза могла принять форму, когда ее оптическая ось не совпадает с осью цилиндра заготовки. На рис. 41 внизу видно, что надо сошлифовать заштрихованную часть нашей линзы, и тогда геометрическая и оптическая оси совпадут. Нагреем оправку линзы, установим ее в патрон токарного станка и будем его вращать от руки, наблюдая за бликами на поверхности линзы от лампочки. Если эти блики совершенно неподвижны, ось патрона
Рис. 42. Вертикальный шпиндель для шлифовки мелких линз. 1 -- линза на оправке, 2 -- шпиндель, 3 -- шкив, 4 -- мотор, 5 -- тазик
станка и оптическая ось линзы совпадают, что нам сейчас и надо, но если блики совершают вращательные движения вместе с вращением патрона, то надо несколько переместить линзу на оправке, пока не затвердела смола. Опыт быстро подскажет, в каком направлении надо двигать линзу, чтобы блики остановились. Добившись этого, дадим смоле затвердеть и приступим к круглению. Если сейчас включить станок (с прежней скоростью), один из краев линзы будет "бить". Если к краю подвести кусочек 2-миллиметровой латуни или стали, как показано на рис. 41 вверху, линза будет одним краем стучать по нему. Подмажем абразивом No 10--20 кусок латуни и, осторожно подведя латунную пластинку на суппорте, начнем сошлифовывать край линзы. Время от времени будем измерять штангенциркулем диаметр линзы. Как только он станет равным 27 мм, прекратим кругление и изготовим фаски. Для этого нужны такой же кусочек латуни и абразив. Латунь должна быть установлена в суппорте
под углом 45є к краю линзы. Полумиллиметровые фаски предохранят линзу от сколов.
Вообще говоря, даже небольшой кружок телескопостроения или любитель, имеющий навыки в работе с металлом, могут построить простой станок для шлифовки линз -- так называемый вертикальный шпиндель (рис. 42). Желательно предусмотреть возможность переводить вертикальный шпиндель в горизонтальное положение, когда необходимо сделать кругление. В простейшем случае весь станок, выполненный в виде ящика, может устанавливаться набок.
* ЧАСТЬ ВТОРАЯ. МЕХАНИКА ЛЮБИТЕЛЬСКОГО ТЕЛЕСКОПА *
39. КОЕ-ЧТО О "СОПРОМАТЕ"
Сопромат -- сопротивление материалов --наука о нагрузках, действующих на конструкции, и о сопротивлении конструкций этим нагрузкам. Наука эта довольно сложная и требует знания высшей математики. Однако мы постараемся остаться верными своему принципу объяснять все "на пальцах". Рассмотрим работу конструкций с качественной стороны.
Зачем мы ввели параграф о сопромате в книгу о телескопостроении? Дело в том, что телескоп дает большие увеличения, и это, кроме положительной стороны, имеет и отрицательную: вместе с увеличением видимых размеров предметов увеличивается и дрожание изображения из-за дрожания инструмента в руках, от ветра, от случайных прикосновений к нему и т. п. На первый взгляд эти дрожания настолько малы, что о них вообще не стоит говорить. Но если вспомнить, что при увеличении, например, в 100 раз во столько же увеличивается дрожание изображения объекта в поле зрения, то станет ясно, что это не пустяк. В самом деле, дрожание изображения предмета с видимой амплитудой в 10' уже мешает наблюдать мелкие детали. Если при увеличении в 100 раз изображение предмета в окуляре дрожит с размахом в 10', то в действительности дрожание телескопа в 100 раз меньше.
Это значит, что он дрожит с размахом в 6". Если труба 150-миллиметрового телескопа с фокусным расстоянием 1200 мм укреплена в середине, то ее конец при этом дрожит с размахом 0,02 мм. Две сотых миллиметра, и мы уже не можем рассматривать мелкие детали! А что же будет при большем увеличении? Дрожание
плохо сконструированной и выполненной монтировки, равно как и трубы телескопа,--дело слишком серьезное: поверьте опыту любителя, не раз терпевшего неудачи.
40. НАГРУЗКИ И ДЕФОРМАЦИИ
Начнем с того, что на каждую конструкцию -- простую или сложную -- всегда действует два типа нагрузок: полезные нагрузки и реакции самой конструкции, стремящейся уравновесить полезные нагрузки. Например, на рис. 43, а показана балка, опертая на две опоры по концам. В середине пролета на нее действует
Рис. 43. Изгибающий момент балки.
а) Схема сил, б) эпюра (график) изгибающих моментов, в) рациональные формы балок.