Рис. 44. Работа консолей, балок и стержневых систем.
а), в), д) и е) Сосредоточенные силы, б) и г) равномерно распределенная нагрузка.
штанги); две опоры (руки атлета) сопротивляются действию сил. Это и есть реакция опор. Реакция опор позволяет штанге оставаться в равновесии, но если силы
спортсмена сдадут, т. е. реакция опор станет меньше полезной нагрузки, штанга немедленно упадет.
Сумма проекций всех вертикальных сил на вертикальную прямую должна быть равна нулю, если всем силам, действующим вниз, приписать знак плюс, а силам, действующим вверх,-- знак минус. Только тогда балка будет оставаться в покое. В первом случае на рисунке слева полезная нагрузка -- сосредоточенная сила -уравновешена двумя реакциями опор. Во втором реакцией опор--мускульной силой атлета--уравновешены две полезные силы. Когда нагрузки симметричны, реакции опор равны, в противном случае та из опор оказывает большее сопротивление, возле которой сосредоточено больше сил. Рис. 44 показывает примеры полезных нагрузок и реакций опор.
В результате действия нескольких сил на балку она изгибается. Балка сопротивляется этому изгибу -- в ней возникают внутренние напряжения, препятствующие дальнейшему изгибу.
Чем ближе к середине балки действует сила, тем больше изгибающий момент. Конечно, момент зависит еще и от величины силы. Чем ближе к опорам действует сила, тем меньше изгибающий момент. Рассмотрим другой элемент, часто встречающийся в монтировках телескопов -- консоль (рис. 44, а, б) Консоль -это стержень, один конец которого свободен, а второй прочно зажат (заделан) в какую-то неподвижную опору. Если нагрузить консоль, все реакции сосредоточатся в единственной опоре. Одна из реакций будет сила, направленная навстречу полезной силе или группе сил, и ее величина будет равна алгебраической сумме (сумме с учетом знаков) всех полезных сил. Вторая реакция опоры -- крутящий момент, который стремится повернуть консоль навстречу вращению, вызываемому силой. На нашем рисунке крутящий момент силы действует по часовой стрелке и стремится опрокинуть консоль. Реактивный момент, приложенный к балке со стороны опоры, действует против часовой стрелки и стремится удержать консоль в покое. Сколько бы сил ни было приложено к консоли, реакция всегда будет состоять из силы и крутящего момента. Под действием внешних сил консоль изгибается. В каждом сечении консоли внутренние напряжения противостоят изгибающему моменту. Этот момент,
Рис. 45. Работа тонкого стержня на сжатие (а) и растяжение (б), (в) поперечный изгиб балки и рациональные сечения балок.
а значит, и внутренние напряжения, минимален на конце консоли и максимален возле самой опоры. Если у балки, нагруженной одной силой, "опасное" сечение расположено в районе приложения силы, то у консоли практически во всех случаях опасное сечение лежит возле опоры, поэтому чаще всего консоль имеет сечение, которое монотонно возрастает от конца консоли к опоре.
Изгиб, который мы рассмотрели, называется поперечным. Но возможен еще продольный изгиб. Например, на тонкую и длинную палочку установили большой груз. Палочка стремится изогнуться, она теряет устойчивость (рис. 45, а). Если ее немного поддержать, не давая изгибаться, то она может выдержать значи
тельно больший груз, но если она не имеет дополнительных опор по длине, она теряет равновесие и изгибается. С другой стороны, если на этой палочке тот же груз подвесить, чтобы она работала на растяжение (рис. 45, б), а не на сжатие, как до сих пор, то она выдержит и значительно большую нагрузку. Таким образом, длинные и тонкие стержни плохо работают на сжатие, но вполне хорошо на растяжение.
41. РАЦИОНАЛЬНЫЕ ПОПЕРЕЧНЫЕ СЕЧЕНИЯ
Теперь рассмотрим форму поперечного сечения балок. Во время поперечного изгиба с нагрузкой, действующей вертикально вниз, верхний пояс балки сжимается, тогда как нижний растягивается (рис. 45, в). Средние же слои деформируются мало. Внутренние напряжения в балке прямоугольного сечения распределяются следующим образом: вдоль оси симметрии усилия равны нулю и пропорционально возрастают по мере продвижения к крайним (верхнему и нижнему) поясам, достигая максимума как раз на самых внешних слоях. Очевидно, что средние слои балки работают с большой недогрузкой. Поэтому можно вместо прямоугольного сечения выбрать такое, где площадь поперечного сечения средних слоев будет меньше. Одним из самых распространенных сечений подобного рода является двутавр (рис. 45, г). Почти аналогичным образом работает и швеллер (рис. 45, д). Вспомним, что тонкие стержни, к которым можно отнести и двутавр со швеллером, плохо работают на сжатие и хорошо на растяжение. Вспомним также, что изгибаемая балка работает своими верхними слоями на сжатие, а нижними на растяжение, конечно, если сила действует вертикально сверху вниз. Теперь ясно, что у двутавра можно резко уменьшить сечение нижнего пояса и сохранить прежним сечение верхнего. В пределе мы получим новое сечение -- тавр (рис. 45, ж). Если подобную операцию проделать и со швеллером, получится уголок (Рис. 45, е). Существуют равнобокие и неравнобокие уголки. У последних одна из полок в сечении длиннее. Подчеркнем, что все эти элементы хорошо работают только в положениях, указанных на рис. 45, г, д,е, ж сверху.
Жесткость горизонтального стержня, нагруженного вертикальными силами, пропорциональна первой степени ширины его сечения и третьей степени высоты
Рис. 46. Жесткость стержней различного сечения. а) Изменение массы при одинаковой жесткости, 6) изменение жесткости при одинаковой массе, в) изменение массы при одинаковой жесткости.
этого сечения. Например, увеличение ширины прямоугольного бруса в два раза увеличит его жесткость тоже в два раза. Увеличение же высоты бруса в два раза увеличит его жесткость в 8 раз (рис. 46, а). При
этом подразумевается, что все силы действуют вертикально. Если они действуют горизонтально, то жесткость пропорциональна кубу ширины. Чтобы не было путаницы, считается, что высота сечения стержня имеет то же направление, что и направление сил. Тогда увеличение высоты всегда значительно выгоднее увеличения ширины. В этом смысле неравнобокий уголок выгоднее устанавливать так, чтобы его большая полка была вертикальной (ее направление совпадает с направлением сил).
Большой интерес представляют полые сечения (рис. 46, б, в), так как при одинаковой площади сечения полые элементы сопротивляются значительно лучше сплошных. На атом основании существует даже мнение, что труба "работает" лучше, чем сплошной стержень того же диаметра. Это ложное мнение. Если наружный диаметр трубы и стержня одинаковы, то стержень "работает" лучше. Но если мы несколько увеличим диаметр трубы против диаметра сплошного стержня, но при этом площадь сечения возьмем для трубы меньше (на деле это означает, что на трубу пойдет меньше материала, и она будет легче), то можно добиться того, что они будут работать одинаково хорошо, а мы, применив трубу, сэкономим материал и добьемся значительного облегчения. То же самое можно сказать, сравнивая сплошной брус с полым коробом (рис. 46, б).
42. СТЕРЖНЕВЫЕ СИСТЕМЫ
В некоторых случаях выгоднее вместо сплошного сечения взять отдельные стержни в самых напряженных поясах (правая колонка на рис. 44). Так, консоль превращается в кронштейн (рис. 44, а, б), а балка -- в плоскую ферму (рис. 44, в -- е). Консоль имеет растягиваемый верхний и сжимаемый нижний пояса, поэтому выгодно нижний пояс делать из достаточно толстого стержня, а верхний -- из тонкой трубы, называемой растяжкой или вантой.
Очень интересная система -- ферма. Она представляет собой комбинацию стержневых треугольников, построенных так, что одна из сторон треугольника служит основанием другого треугольника. При этом любые нагрузки, приложенный, в вершинах треугольников, вызывают в стержнях только растяжение или сжатие и никогда изгиб. Это позволяет применить значительно более тонкие стержни, чем в сплошных балках при той же жесткости. Нагружение стержня в середине его пролета в фермах нерационально и никогда не применяется.
Здесь нужно оговориться, что это относится только к случаю, когда стержни соединены между собой шарнирами, как, например, показано на рис. 44. На практике вместо шарниров часто применяют жесткое соединение стержней. В этом случае ферма работает несколько иначе, но в основном она остается фермой с ее основными свойствами.
На рис. 47 показаны различные случаи, когда разомкнутые конструкции выгодно заменить замкнутыми, а прямоугольники из стержней -- системой треугольников.
Рис. 47. "Разомкнутые" и "замкнутые" системы.
43 НЕБЕСНАЯ СФЕРА И СИСТЕМЫ НЕБЕСНЫХ КООРДИНАТ
Прежде чем перейти к описанию монтировок телескопов, необходимо кратко рассказать о небесных координатах.
Небесная сфера -- воображаемая поверхность, не имеющая определенного радиуса. Мы видим эту сферу изнутри, и ее центр находится точно там, где расположен наблюдатель.
Рассмотрим основные точки и круги небесной сферы (рис. 48), для чего выделим из двух сфер, изображенных на рисунке, наружную. Точки пересечения
воображаемой оси вращения небесной сферы с самой сферой называются полюсами. Северный полюс мира (Р) виден в северном полушарии Земли, южный (Р') -- в южном. Близ Северного полюса расположена Полярная звезда. Близ Южного нет сколько-нибудь заметной звезды.
Рис. 48. Подвижная и неподвижная экваториальные системы координат.
Неподвижная система нанесена на наружную сферу, подвижная -- на внутреннюю. Горизонт и меридиан, не участвующие в суточном вращении, на подвижную сферу нанесены штриховыми линиями.
Высоту полюса мира над горизонтом можно измерять в градусах, она равна географической широте места наблюдений (j).
Большой круг сферы, проходящий через точку севера (С, полюс (Р), зенит (Z) и точку юга (Ю), называется небесным меридианом. Меридиан делит небо на два полушария -- восточное и западное.
Линия пересечения плоскости земного экватора с небесной сферой называется небесным экватором. Каждая точка экватора удалена от полюса на 90є. Малые круги, плоскости которых параллельны плоскости экватора и вдоль которых происходит суточное движение светил, называются суточными параллелями.
Экватор проходит через точки востока (В) и запада (З). В южной части неба он максимально поднимается над горизонтом. Точка пересечения экватора с меридианом поднимается над горизонтом на высоту 90є-j.
Для уверенного поиска светил, особенно слабых и невидимых невооруженным глазом, созданы системы небесных координат. Мы рассмотрим только две из них -неподвижную (первую) экваториальную (наружная сфера на рис. 48) и подвижную (вторую) экваториальную (внутренняя сфера). Разделение сферы на две -условное, нужное для того, чтобы яснее различать обе системы.
В обеих системах координат одна координата общая. Эта координата указывает кратчайшее на небесной сфере расстояние светила от небесного экватора. Она называется склонением светила (d).
Если светило лежит на экваторе, его склонение равно 0є. Склонение северного полюса +90є, южного --90є. Склонение звезды Денеб (a Лебедя) равно 44є55', склонение звезды Ригель (b Ориона) равно --8є19'.
Вторая координата в каждой системе своя. В первой системе (наружная сфера на рис. 48) -- это часовой угол (t). Часовой угол измеряется от меридиана до светила. По мере вращения небесной сферы часовой угол светила непрерывно меняется, поэтому его удобно измерять в часах, минутах и секундах (ч, м, с или латинскими буквами h, m, s) от меридиана по ходу вращения небесной сферы (по часовой стрелке). Каждый час часового угла равен 15є в угловой мере. Предположим, сейчас меридиан пересекает Капелла (a Возничего), и ее часовой угол равен нулю. Через час часовой угол Капеллы станет 1h (15є), еще через полтора часа 2h 30m (37є,5). Эта система удобна для снабжения телескопа координатным кругом по часовому углу, но неудобна для составления каталогов и звездных атласов. Для каталогов принята вторая (подвижная) система координат (внутренняя сфера на рис. 48). Склонение здесь определяется так же, как и в первой системе, а вместо часового угла служит прямое восхождение (a), которое отсчитывается от так называемой точки весеннего равноденствия до светила против вращения небесной сферы (против часовой стрелки). Так как точка весеннего равноденствия (g) участвует в суточном вращении небесной сферы, вся система координат оказывается подвижной относительно наблюдателя, но
неподвижной относительно звезд. Прямое восхождение отсчитывается также в часах, минутах и секундах. Если сейчас меридиан пересекает светило с прямым восхождением 0h0m, то час спустя его пересечет светило с прямым восхождением 1h0m.
Интересно, что, так называемые звездные сутки начинаются в момент, когда меридиан пересекает точка весеннего равноденствия g В этот момент звездное время всегда равно 0h. Значит, прямое восхождение светил, пересекающих в данный момент меридиан, равно звездному времени в данный момент. Например, если сейчас меридиан пересекает Вега (a Лиры), прямое восхождение которой равно 18h34m, то звездное время равно 18 ч 34 мин. Это очень удобно, так как, взглянув на часы, идущие по звездному времени, мы можем сразу узнать прямое восхождение светил, проходящих меридиан. Предположим, сейчас 5 ч звездного времени. Это значит, что меридиан проходят звезды с прямым восхождением 5h. Но нам надо найти слабую галактику, прямое восхождение которой 3h. Так как прямое восхождение отсчитывается против вращения небесной сферы, нам надо повернуть телескоп к западу от меридиана на 2h. Но этому соответствует часовой угол 2h. Значит, установив на координатном круге телескопа часовой угол 2h, мы приведем галактику в поле зрения.
Звездные сутки--время полного обращения Земли относительно звезд -- на 4 минуты короче солнечных. Дело в том, что благодаря обращению Земли вокруг Солнца мы видим, как оно постепенно перемещается среди созвездий. Каждые сутки оно перемещается приблизительно на 1є к востоку, двигаясь в том же направлении, что и Земля, при вращении вокруг оси. Поэтому солнечные сутки на 4 минуты длиннее звездных. Мы живем по солнечному времени, но телескоп поворачивать за звездами надо со скоростью один оборот за звездные сутки. Это и вынуждает нас мириться с некоторыми неудобствами. О том, как перенести гражданское время, по которому мы живем, в звездное, можно прочесть в соответствующих руководствах [23, 24].
Итак, чтобы найти на небе звезду, которую мы не видим простым глазом, или если и видим, но не можем ее выделить среди мириад звезд, нужно воспользоваться координатными кругами телескопа и координатами звезды, которые можно найти в каталогах или на подробных картах, а для слабых планет (Уран, Нептун) и астероидов -- в астрономическом календаре. Координаты комет публикуются в кометных циркулярах. Во всех этих случаях мы можем путем несложных вычислений по прямому восхождению определить часовой угол светила.
44. ТИПЫ МОНТИРОВОК
Каждый телескоп снабжается штативом, позволяющим направлять телескоп в любую точку небесной сферы и закреплять его в этом положении. Так как небесная сфера совершает суточное движение, штативы телескопов, называемые монтировками, нередко снабжаются часовыми приводами, которые чаще всего представляют собой электромоторчик мощностью в 7--15 ватт, который через систему шестерен вращает весь телескоп со скоростью один оборот в сутки.
Большинство земных зрительных труб снабжается так называемыми азимутальными монтировками. Азимутальная монтировка имеет две оси -вертикальную и горизонтальную. На рис. 49 показаны несколько азимутальных монтировок для небольших телескопов.
Первая монтировка (а) представляет собой образец чрезвычайной устойчивости и простоты. Ее нижний конец опирается на два ролика, катящиеся по куску гладкой доски. У окулярного конца -- две ручки, связанные с роликами стержнями. Вращая ручку, мы заставляем вращаться ролики, а телескоп медленно поворачивается по горизонтали. Для грубого наведения по высоте выдвигаем две ножки, а для тонкого вращаем винт, который поднимает или опускает верхний конец. Эта монтировка предложенная в прошлом веке А. Холкомбом, в наше время переживает свое возрождение. Она пригодна для визуальных наблюдений, особенно комет и объектов Мессье, и фотографических наблюдений Солнца.
Вторая монтировка (б) предназначена для рефлекторов, с помощью которых ведутся только визуальные наблюдения туманностей, скоплений, галактик и комет. Эта довольно простая монтировка делается из многослойной фанеры (8--10 мм) с небольшим использо
ванием металлических деталей. Она подробно описана ниже ( 53). Это так называемая азимутальная вилка.