НОВОСТИ  КНИГИ  ЭНЦИКЛОПЕДИЯ  ЮМОР  КАРТА САЙТА  ССЫЛКИ  О НАС






предыдущая главасодержаниеследующая глава

Карета короля

В детстве я думал, что все компасы одинаковы и судовой компас ничем не отличается от обычного сухопутного компаса путешественников, туристов, офицеров. Я представлял себе, что, управляя кораблем, рулевой поглядывает на небольшую коробочку с циферблатом, над которым, подрагивая, вращается красно-голубая стрелка.

Однако мое неведение вскоре было рассеяно. Мне посчастливилось увидеть настоящий корабельный компас и услышать при этом очень интересную историю. Ее рассказал мне старый отставной моряк.

Он подвел меня к деревянной тумбе, увенчанной сияющей медной головой, огромной, как шлем водолаза, и сказал: "Вот это и есть компас". Он так и сказал: "компас", потому что все моряки и по сию пору говорят не компас, а компас. На месте лица у медной головы были плоские раздвигающиеся дверцы, а на месте ушей - медные цилиндры, каждый размером с молочную бутылку. Моряк раздвинул дверцы, и я, привстав на цыпочки, заглянул внутрь. Там было совсем темно. Но моряк что-то сделал, в медных ушах-бутылках вспыхнули лампы, и внутри стало светло. Но и тогда я не сразу понял, каков же он - морской компас. Я не видел ни привычной красно-голубой стрелки, ни черной карболитовой коробочки. Вместо них передо мной был начищенный до золотого блеска медный котелок размером с большое блюдце. Он имел форму опрокинутого полушария и сверху был закрыт плоским стеклом. Под стеклом в прозрачной жидкости плавало широкое плоское кольцо со множеством делений - картушка.

"Это и есть настоящий корабельный компас", - повторил моряк. Он просунул руку сквозь дверцы, легонько надавил на правый край котелка, и компас послушно накренился вправо. Моряк поочередно надавливал на все края котелка, и тот, повинуясь даже самому легкому прикосновению, накренялся. А потом и мне было разрешено притронуться к компасу, и я сам почувствовал, как легко и послушно уходит под пальцем край компаса. Компас словно висел на незримой тончайшей нити.

"Видишь, как хитро устроено! УМНЫЙ человек придумал!- сказал моряк. - А знаешь, зачем так сделано?"

Я не знал. Тогда-то моряк и поведал мне похожую на легенду историю, которую теперь, почти тридцать лет спустя, мне хочется рассказать вам.

Но не будем забегать вперед. Начнем по порядку. Начнем, как это делают инженеры и ученые, с вопросов.

Почему у магнитного морского компаса такое необычное устройство? Почему малейшее прикосновение заставляет его накреняться во все стороны? Почему котелок компаса заполнен жидкостью?

Рассмотрите внимательно обычный школьный компас. Стрелка его вращается на тоненькой, как игла, металлической опоре. Такая игла почти не создает трения, она почти совсем не мешает стрелке поворачиваться в направлении север-юг. Накрените слегка компас. Один конец стрелки чуть подымится над циферблатом, а другой опустится. Однако присмотритесь внимательнее - стрелка-то, оказывается, по-прежнему горизонтальна, ее положение относительно поверхности Земли осталось все тем же, изменилось лишь положение коробочки компаса. Если еще сильнее накренить ее, то один конец стрелки начнет задевать за стекло, и компас не сможет работать.

На море даже в штиль есть волны, даже в самую спокойную погоду корабль покачивает на волнах. А когда по морю катятся штормовые валы, качка становится столь сильной, что обычный компас не смог бы работать. Судовой же "компас устроен так, что качка не влияет на его работу: он и в самую сильную бурю исправно держит свою ответственную вахту; он не может прекратить работу, он должен всегда показывать направление стран света. На корабле все может качаться: кастрюли и сковородки в камбузе, люстра в кают-компании, но не компас. При любом шторме картушка компаса должна оставаться неизменно спокойной и параллельной поверхности моря, она должна повиноваться только одной силе - силе притяжения к магнитным полюсам Земли.

Как добиться этого? Может быть, стоит подвесить компас к потолку рулевой рубки? Корабль будет раскачиваться, а компас останется недвижимым, потому что сила тяготения к центру Земли всегда будет удерживать нить, на которой подвешен компас, в вертикальном положении. Подвесив компас на нити, мы действительно добьемся того, что он будет оставаться неподвижным относительно поверхности моря. Сам он уже не будет раскачиваться. Но любое прикосновение, любое дуновение ветерка будет поворачивать и раскачивать его. А это означает, что компас превратится в бесполезный маятник, он не сможет правильно показывать направление стран света. Следовательно, компас нужно каким-то способом закрепить, чтобы он не мог поворачиваться вокруг оси, чтобы его не раскачивали случайные прикосновения. Но как только мы закрепим его, то есть свяжем стержнями или даже пружинами с кораблем, на него сразу же начнет передаваться качка.

Придумать такую конструкцию подвески компаса, чтобы она полностью предохраняла компас от качки и в то же время намертво удерживала бы его от поворотов вокруг оси, было нелегким делом.

"Это было очень трудным делом, - сказал старый моряк. - В те годы, когда начинались великие морские путешествия, когда Колумб доплыл до берегов Вест-Индии, а Магеллан совершал первое кругосветное плавание, нужда в хорошем морском компасе стала особенно острой. И многие умные головы крепко задумывались над тем, как правильно подвесить компас. Но тщетно. Ни один корабельный мастер, ни один капитан, ни один рулевой не додумались до правильного решения этой важнейшей для мореплавателей задачи. Мне, моряку, стыдно говорить об этом, но ответ нашел совершенно сухопутный человек, не сумевший бы отличить фок-мачты от грот-мачты. Его звали Кардан. Он был знаменитый на всю Италию и даже на всю Европу врач, математик, философ и астролог*.

* (Правильнее называть его не Кардан, а Кардано. Джеронимо Кардано родился в 1501 году, через девять лет после первого похода Колумба и за пятнадцать лет до плавания Магеллана. Умер Кардано в 1576 году. Он учился в Павии, в городе, где впоследствии разыгрался великий спор между гальванистами и вольтаистами.)

Ты уже изучаешь алгебру, - продолжал моряк. - И наверное умеешь решать уравнения третьей степени. А знаешь ли ты, что при этом ты пользуешься уравнениями Кардана? Он был первым, кто вывел формулы для их решения. Правда, многие утверждают, что на самом деле преуспел в этом не он, а другой знаменитый итальянский математик - Тарталья. Будто бы именно Тарталья первым нашел решение кубических уравнений и под строжайшим секретом написал о своем успехе Кардану. А Кардан якобы обманул Тарталью и опубликовал его решение под своим именем. Тарталья во всеуслышание обвинил Кардана, и они долгое время оспаривали друг у друга честь открытия.

И, возможно, так оно и было на самом деле: возможно, Тарталья прав. Кардан действительно был странным человеком. В нем уживалось многое - и гениальность, и шарлатанство, и авантюризм. Он любил почести и богатство, врачевал сильных мира сего, домогаясь славы великого врача. Ему хотелось прослыть великим философом. Его философские сочинения, как зеркало, отражают всю странную и противоречивую натуру этого человека. В них самые дикие, самые темные суеверия перемешаны со смелыми, подчас гениальными мыслями и догадками. Кардан первым предложил обучать слепых чтению и письму на ощупь, а глухонемых - объясняться знаками. Он первым стал утверждать, что животные не созданы богом специально на потребу человеку. Не боясь всесильной католической церкви, Кардан говорил и писал, что животные появились на Земле и существуют независимо от человека.

И вот именно он, Кардан, - тут уж никто не оспаривает его первенства - придумал, как правильно подвесить компас. По правде говоря, о компасе-то он вовсе и не помышлял. Служа датскому королю, он изобрел карету, в которой тело его величества короля Дании могло без мук выдерживать путешествия по разбитым, не мощеным дорогам того времени. Какие бы рытвины и колдобины ни встречались на пути кареты датского короля, ее знатный седок чувствовал себя не хуже пассажиров современных комфортабельных лимузинов. Кузов этой кареты не был связан с колесными осями, а висел в двух поворотных рамах особой конструкции, которые мы и называем "карданов подвес".

Карданов подвес
Карданов подвес

Видишь, компас тоже укреплен в двух входящих друг в друга круглых рамках. Внешняя рамка связана с кораблем, но может поворачиваться вокруг собственной оси в направлении, перпендикулярном продольной оси корабля. Внутренняя рамка связана с внешней, а через нее и с кораблем; она тоже может поворачиваться вокруг собственной оси, параллельной продольной оси корабля. Когда качка бортовая и судно накреняется влево и вправо, внешняя рамка остается неподвижной, а внутренняя под действием силы тяжести поворачивается, стремясь сохранить прежнее положение. А во время килевой качки то же самое происходит с внешней рамкой, она удерживает компас от колебаний при килевой качке. Если же качает и так и этак, поворачиваются обе рамки, и компас все равно остается в покое. Когда же корабль поворачивает, меняет курс, рамки оказываются намертво связанными с ним, а следовательно, и котелок компаса тоже. Но плоской картушке, плавающей на поверхности жидкости, ничто не мешает оставаться в неизменном положении и правильно указывать направление стран света.

Если хочешь, проверь сам. Налей в тарелку воды, положи на ее поверхность бумажку и поворачивай тарелку вокруг оси. Ты увидишь, как вода поворачивается в обратную сторону. На самом же деле вращение воды только кажущееся. Она остается почти неподвижной, а вращается только тарелка. Если же накренить тарелку, то поверхность воды неизменно остается параллельной земной поверхности: это сила притяжения к центру Земли заставляет занимать ее такое положение. Такое свойство воды и любой другой жидкости не забыты строителями компасов. Если карданов подвес не сумеет полностью уберечь картушку от качки, это доделает за него жидкость. Потому-то котелок компаса и сделан в виде полушария: если его чуточку накренить, жидкость перетечет так, что ее поверхность, а значит, и плавающая на ней картушка останутся в горизонтальном положении.

Хитро устроен корабельный компас! Конечно, не сразу после изобретения Кардана компасы стали такими совершенными. Но главное - подвес стали применять благодаря изобретению удивительного итальянца. Конец его жизни был тоже удивительным. К старости Кардан разорился, ему запретили врачевать, и пришлось ему заняться составлением гороскопов. Молва говорит, что он трижды составлял гороскоп самому себе. Первые два не сбылись. И тогда, чтобы доказать свое умение, Кардан в год смерти, предсказанный третьим гороскопом, уморил себя голодом".

Вот и вся история, рассказанная мне старым моряком. Она и впрямь похожа на легенду. Но почти все в ней - правда. Одного только я нигде не сумел узнать - действительно ли Кардан изобрел свой подвес специально для кареты датского короля. Во всех книгах говорится, что подвес изобрел именно он, а зачем - не написано. Может быть, кареты вовсе и не было. Но моряк, рассказавший мне эту историю почти тридцать лет назад, был очень стар; а узнал он ее в ранней молодости от другого старого моряка. И значит, легенде этой больше ста лет. А может быть, и значительно больше. Не исключено, что это флотское предание еще со времен самого Кардана хранит ту правду, которую трудно теперь разыскать на пожелтевших страницах пахнущих стариной книг.

Где только не применяется карданов подвес! Вы встретите его и на кораблях, и на самолетах; его используют в боевых ракетах и на космических кораблях.

Разумеется, он нужен не только для подвески магнитных компасов. Да и сами магнитные компасы уже значительно потеснены и все чаще уступают место своим младшим братьям - гирокомпасам. Путешественникам наших дней путь указывает не магнитная стрелка, а волчок, вращающийся в кардановом подвесе с бешеной скоростью - в десятки и даже сотни тысяч оборотов в минуту.

У такого волчка есть одно замечательное свойство: ось, вокруг которой он кружится, сохраняет в пространстве неизменное направление. Прежде чем раскрутить волчок, мы можем направить его ось на Полярную звезду, и тогда он будет точно указывать на север.

Если у вас есть велосипед, проделайте простой опыт. Снимите переднее колесо с вилки, крепко возьмитесь за концы оси и попросите кого-нибудь раскрутить колесо как можно сильнее. После этого попробуйте изменить плоскость вращения колеса. Оказывается, это очень трудно. Потребуется немалая сила, чтобы ось колеса изменила свое направление в пространстве.

Говорят, изобретатель гироскопа решил подшутить над вокзальным носильщиком. В его чемоданах были спрятаны гироскопы. Прежде чем подозвать носильщика, он включил гироскопы и лишь после того, как они хорошенько раскрутились, отдал ему чемоданы. Ничего не подозревая, тот поднял их и понес по перрону. Но когда носильщик хотел повернуть за угол, чемоданы, точно живые, стали вырываться из его рук: они заставляли его двигаться в прежнем направлении. Перепуганный носильщик отказался тащить норовистые чемоданы. Он был убежден, что в них заперта нечистая сила.

Тан устроен примитивный гироскоп. Ротор гироскопа (металлический тяжелый диск) приходится раскручивать рукой
Тан устроен примитивный гироскоп. Ротор гироскопа (металлический тяжелый диск) приходится раскручивать рукой

Если история с носильщиком правдива, то можно сразу же сказать, что подшипники осей волчков были жестко скреплены с чемоданами, и волчки могли вращаться только вокруг своей оси. Иными словами, они не были установлены в кардановых подвесах. Если бы они находились в подвесах, то носильщик ничего не почувствовал бы. Он мог бы поворачивать чемоданы и так и этак, и рамки подвесов при этом тоже поворачивались бы, но в противоположную сторону, сохраняя неизменным направление осей вращения волчков гироскопов.

Гироскопы применяются не только в гирокомпасах, но и во многих других очень важных приборах. Таков, например, гировертикаль. Само название говорит о том, что этот прибор применяется в тех случаях, когда необходимо знать точное направление вертикали, или, что то же самое, точное направление к центру Земли.

Где нужно знать это направление?

Прежде всего в строительстве. Каменщикам, кладущим стену, необходимо точно знать направление: возводя стены, они непременно сверяются с вертикалью, иначе стены рухнут. Однако нужен ли им сложный гироскопический прибор - гировертикаль? Конечно, нет! Простой отвес - конический грузик на нити - точно указывает направление к центру Земли.

На самолетах и на других объектах, движение которых отличается от равномерного прямолинейного, отвесом пользоваться нельзя. При непрямолинейном или при неравномерном движении возникают силы, отклоняющие отвес от истинной вертикали. На самолете он будет висеть строго вертикально, если самолет летит точно по прямой и с неизменной скоростью.

Но самолетам редко приходится летать так. Представьте себе фотокамеру, установленную на самолете. Чтобы фотографировать землю, нужно камеру направить строго вниз. Естественно, что самолет не может лететь по идеальной прямой, он может попадать в воздушные ямы, в зоны сильных ветров. Ему приходится маневрировать, менять скорость, совершать виражи. Но как в этих условиях удерживать строго вертикальное направление камеры?

Инженеры решили эту задачу. Разработаны специальные устройства стабилизации положения камер. Их сердцем является гировертикаль. Она не боится ни болтанки, ни кренов; она всегда занимает вертикальное положение в пространстве. Гировертикаль жестко связана с камерой, укрепленной в кардановом подвесе. Благодаря этому камера при любых маневрах самолета сохраняет неизменное направление в пространстве и позволяет производить точное фотографирование.

А вот другой пример. Вы, конечно, знаете, что на искусственном спутнике Земли и на космической ракете сила тяготения отсутствует; на спутнике, на ракете с выключенными двигателями все находится в состоянии невесомости. Но и на спутниках, и на межпланетных станциях часто необходимо с очень высокой точностью знать некоторое истинное и неизменное направление в пространстве. Только зная его, космонавты или автоматы могут управлять полетом космического корабля или автоматической межпланетной станции. Отвес, разумеется, здесь совсем непригоден. Его заменяет гироскоп.

К сожалению, у всех нынешних гироскопов есть один очень важный недостаток: ось вращения волчка гироскопа на может долго сохранять неизменным направление в пространстве. Со временем она начинает отклоняться, и чем дольше работает гироскоп, тем больше такое отклонение. Недостаток этот вызван извечным врагом инженеров - трением. Трение в подшипниках оси волчка, трение самого волчка о воздух уводит ось гироскопа. Чем сильнее трение, тем скорее ось меняет свое направление.

Какими только методами ни борются инженеры с трением в гироскопах! Они придумали конструкции гироскопов, в которых волчок вообще не касается опор, а держится на двух воздушных подушках; в других конструкциях волчок вращается в высоком вакууме, в третьих его "подвешивали" в магнитном поле. Трение удалось свести к ничтожной величине. Но полностью устранить его невозможно. А значит, ось вращения волчка хоть и совсем незаметно, всегда будет менять свое направление в пространстве.

И все-таки гироскопы применяют очень широко. За это мы должны быть благодарны инженерам, которые нашли способы исправлять ошибки гироскопов.

Так, в гирокомпасах направление оси регулярно сверяется с направлением стрелки магнитного компаса. Если ось отклонилась, специальное устройство производит коррекцию, то есть заставляет ось занять прежнее положение. Гировертикали приходится проверять по... отвесу, или, что то же самое, по не качающемуся маятнику. В те моменты, когда самолет летит по прямой с неизменной скоростью, маятник занимает строго вертикальное положение и производится коррекция гировертикали. Это не особенно удобно, однако другого выхода нет.

А как проверять, корректировать гироскопы на межпланетном корабле, где ни компас, ни маятник уже не могут помочь? Каким ориентирам можно довериться в холодной черной пустоте космоса? О, в космосе полно великолепных ориентиров! Это - звезды. Любая из них, кроме Солнца, настолько далека, что, пролетев сотни миллионов и миллиарды километров, мы практически не заметим даже малейшего изменения направления на далекий космический маяк.

Звездная ориентация, или астроориентация, позволяет с замечательной точностью устанавливать положение межпланетных кораблей в пространстве. Только астроориентация дает возможность установить в космосе "верх" и "низ", "лево" и "право". Только благодаря ей можно очень точно задавать положение корабля в межзвездном пространстве, ориентировать его так, чтобы телевизионные камеры смотрели на поверхность Луны, Марса или Венеры; чтобы радиоантенны были направлены прямо на Землю.

Вы, конечно, слышали об автоматической межпланетной станции "Зонд-3". Она была запущена 18 июля 1965 года в сторону Луны и вскоре передала на Землю замечательные изображения обратной стороны Луны. Но на этом ее миссия не закончилась, она продолжила свой полет в дальнее космическое пространство, продолжила передачу важной научной информации. 15 сентября 1965 года она находилась на расстоянии 12,5 миллиона километров от Земли, но радиосвязь с Землей продолжала оставаться отличной. А это значит, что антенны "Зонда-3" были направлены точно в сторону Земли, и, следовательно, автоматическая межпланетная станция занимала в пространстве строго определенное положение; она как бы "знала", где находится Земля, и поворачивалась, ориентировалась так, чтобы радиолуч шел к родной планете.

Маршрут
Маршрут

В газетном сообщении тех дней говорилось: "Для отработки систем, позволяющих изменять направление полета, 16 сентября с испытательными целями была успешно проведена коррекция траектории полета "Зонда-3". Система астроориентации автоматически сориентировалась по Солнцу и звезде Канопус, повернула станцию в определенное положение, заданное командами с Земли, и поддерживала с высокой точностью эту ориентацию. Затем была запущена корректирующая двигательная установка, изменившая скорость полета станции на 50 метров в секунду под углом 45 градусов по направлению на Землю. Контрольные сеансы радиосвязи со станцией подтвердили правильность выполнения корректирующего маневра".

По звезде Канопус ориентировалась и американская автоматическая межпланетная станция "Маринер-4", сфотографировавшая в июле 1965 года Марс.

По звездам, как мы знаем, можно не только ориентироваться, но и навигировать, то есть двигаться в таком направлении, чтобы попасть в заданную точку пространства. Астронавигация как на Земле, так и в космосе позволяет с высокой точностью прибывать в нужный пункт.

Пожалуй, хватит доказывать пользу гироскопов. Она теперь ясна вам. Но стоит сказать еще несколько слов об их недостатках. Итак, нам известно, что трение уводит ось гироскопа. Но это не единственный недостаток. Трение создает еще одну существенную трудность. Из-за него да и вследствие других причин гироскопы недолговечны. На кораблях и на самолетах недолговечность гироскопов не столь страшна. Но вряд ли кто из будущих космонавтов согласится полететь в многолетнее межзвездное странствие, имея на борту космического корабля недолговечные гироскопы.

Инженеры уже сегодня серьезно задумываются над тем, как сделать гироскопы надежными, долговечными.

Один из путей подсказывают инженерам физики. Они предлагают использовать для создания надежных гироскопов некоторые физические явления в атомах вещества. Другой путь, быть может, подскажет бионика. Правда, в живой природе не обнаружены органы, действующие по принципу волчка. Но важен-то не волчок, нужно, чтобы на самолетах, на морских судах и особенно на космических кораблях было всегда и точно известно некоторое неизменное направление. И если можно обойтись без волчка, это даже лучше: устройство с бешено вращающимся волчком - очень сложное, дорогое и довольно тяжелое устройство. У инженеров есть золотое правило: если можно обойтись в машине или приборе без вращающихся частей, разумнее всего отказаться от них, ибо вращающиеся детали всегда менее надежны, чем неподвижные.

Какой же принцип может предложить бионика?

Задав этот вопрос, я долго не мог найти на него ответа. Работа над книгой остановилась на несколько недель. А ведь, начиная писать о бионике, я не сомневался, что отлично знаю ответ.

Тогда я хотел рассказать о колеблющихся с очень большой частотой усиках бабочек. Их усики-антенны, подобно камертонам и маятнику Фуко, свисающему с центрального купола Исаакия, имеют замечательное свойство, роднящее их с гироскопами, - плоскость, в которой они колеблются, занимает неизменное положение в пространстве. Инженеры создали приборы, действующие по принципу усиков-антенн бабочки. Такие приборы называются гиротронами. Но широкого распространения они не получили, потому что имеют почти все те же недостатки, что и гироскопы, но уступают им по точности.

Вот упоминанием об усиках-антеннах я и собирался завершить главу, посвященную бионным гироскопам. Но, спросив себя по совести, действительно ли усики-антенны единственное, что может предложить природа инженерам, я не мог сказать уверенно: да, единственное. Что-то мешало мне утверждать это. В конце концов я понял, что именно. Это была мысль о многообразии и мудрости инженерных решений природы.

Почти любому живому существу необходимо уметь ориентироваться, а значит, необходимо и знание некоего неизменного в пространстве направления. А раз так, то природа, несомненно, изобрела не только колеблющиеся усики-антенны для бабочек; ей пришлось позаботиться и о других живых существах. И действительно, природа создала и иные органы ориентации. Разумеется, большинство из них так или иначе реагируют на силу тяготения, всегда существовавшую на Земле и дающую точное направление вертикали. У позвоночных животных главным ориентиром является уже известный вам вестибулярный аппарат. Он-то и сообщает мозгу об истинной вертикали, о направлении к центру Земли. Благодаря ему мы всегда знаем, где верх, а где низ.

Но есть и другие органы, способные указывать некое неизменное в пространстве направление. Они способны работать даже и тогда, когда сила тяготения отсутствует или же заменяется силами перегрузки во время старта ракеты или виража самолета. Какие же это органы?

Конечно, глаза! Это было давно известно мне, но тут я впервые понял, что глаз во многих случаях может заменить гироскоп. Это требуется от него на Земле, но особенно потребуется в космосе. В обычных условиях глаз действует в полном согласии с вестибулярным аппаратом, и вполне возможно, что в начале жизни различать верх и низ зрительные центры мозга обучаются под руководством вестибулярного аппарата. Но потом и глаза, и органы равновесия сообщают мозгу о верхе и низе. Нормально зрение лишь дублер, но в условиях необычных, когда данные, сообщаемые мозгу глазами и органами равновесия, противоречат друг другу, с нетренированным человеком происходят не очень-то приятные вещи: после качелей, карусели, медицинского вращающегося кресла, после центрифуги он теряет ориентацию - мир кружится перед глазами, земля ускользает из-под ног, а небо уходит куда-то в сторону.

Однажды мне пришлось покрутиться в медицинском кресле вскоре после того, как у меня было воспаление среднего уха. Ничего не подозревая, я сел в кресло, положил руки на подлокотники, наклонил голову вниз, закрыл глаза, и кресло медленно и плавно повернули несколько раз. Когда кресло останавливалось, мне велели выпрямиться и открыть глаза. Видимо, у меня еще не все было в порядке с вестибулярным аппаратом, потому что, открыв глаза, я на миг почти потерял сознание, а когда через какие-то секунды пришел в себя, почувствовал, что меня изо всех сил держат двое санитаров, с такой силой я стремился занять казавшееся мне нормальным положение. На самом же деле я стремился "вынырнуть" из кресла почти горизонтально вбок. При этом я даже видел, как пол и потолок переместились на место стен и бешено вращаются вокруг меня. Сигналы из вестибулярного аппарата оказались для мозга более важными, чем сигналы от глаз; мозг больше верил полукружным каналам, чем глазам, и даже заставил их видеть то, чего не было на самом деле, - вращающуюся комнату, причем стены были под ногами и над головой, а пол и потолок поменялись местами со стенами. Потом, когда я совсем выздоровел, медицинское вращающееся кресло уже не действовало на меня столь сильно. Что же касается тренированных людей: летчиков, космонавтов, балерин, акробатов, то на них это кресло и вовсе не влияет.

На море, в воздухе, в космосе, в цирке, на спортивных снарядах именно глаз позволяет определять некоторое точное и неизменное направление в пространстве и ориентироваться по нему.

И хотя глаз не укреплен в кардановом подвесе, природа позаботилась о том, чтобы изменения положения нашего тела в пространстве во время прыжков, бега и других разнообразных движений не влияли на неизменность направления взгляда. Она изобрела конструкцию, ничуть не уступающую карданову подвесу.

Подойдите к зеркалу и, пристально глядя себе в глаза, поверните голову слева направо, справа налево; кивните головой сверху вниз и снизу вверх, накрените голову с боку на бок. Вы увидите, что зрачки ваших глаз как бы незримо связаны со своими отражениями.

Задумывались ли вы когда-нибудь, почему глаза имеют почти точно шаровую форму? Признаться, и я долго не задумывался над этим. Но теперь мы легко поймем, что не только законы оптики руководили природой, когда она создавала глаз. Природа сделала глаз шарообразным, чтобы он мог легко поворачиваться в орбите вокруг всех трех осей нашего трехмерного пространства. Глаз может вращаться относительно вертикальной оси (слеза - направо), относительно горизонтальной оси (вверх - вниз) и относительно другой горизонтальной оси, совпадающей с оптической осью глаза. Благодаря такой конструкции он, как и гироскоп в кардановом подвесе, может оставаться направленным в неизменную точку пространства при различных движениях тела. Только у гироскопа для этого сделаны две рамки подвеса и три пары подшипников, а глаз, имея шаровую форму, может в своей орбите поворачиваться в любую сторону без осей и рамок.

Природа снабдила его тремя парами глазодвигательных мышц. Одна пара поворачивает глаз влево и вправо, другая- вверх и вниз, а третья пара, пара косых мышц, может поворачивать глаз относительно оптической оси. Не надо только забывать, что глаз не может поворачиваться полностью на 360° ни по одной из осей; как правило, не может этого и гироскоп. В отличие от карданова подвеса, в котором движение рамок происходит под действием силы земного притяжения (как в магнитном компасе) или силы волчка, сопротивляющегося изменению направления оси вращения (как в гироскопе), глазодвигательные мышцы управляются сигналами, поступающими из мозга. Эти три пары мышц являются исполнительными органами еще одного замечательного автомата зрительной системы - автомата слежения. Он перемещает глаза в орбитах таким образом, что мы можем сопровождать взором летящую птицу или самолет, стремительный пинг-понговый шарик и любой другой движущийся объект. Этот же автомат позволяет нам следить и за неподвижными и за движущимися предметами из окна автомобиля, поезда, сквозь смотровую щель танка или иллюминатор самолета. При этом мы всегда разберемся, кто движется: мы, объект или же и мы и объект.

Глазодвигательные мышцы поворачивают глаз вправо и влево, вверх и вниз, и относительно оптической оси
Глазодвигательные мышцы поворачивают глаз вправо и влево, вверх и вниз, и относительно оптической оси

Вы, вероятно, не раз видели в кино кадры, в которых дома, деревья, дорога качаются, как пьяные. Только усилием воли мы заставляем себя понять, что деревья, дома, дорога были неподвижными, а качалась камера в руках оператора. Почему же кинооператор, держа камеру, не может сделать того, на что способны его глаза? Да потому, что во время качки (в телеге, автомобиле или на корабле) руки оператора не в силах удерживать камеру так, чтобы она не перемещалась относительно линии горизонта и неподвижных предметов; руки не в силах сделать с камерой то же, что делают глазодвигательные мышцы с глазом. Если укрепить кинокамеру в кардановом подвесе, связанном с гировертикалью, кадры, отснятые даже с переваливающегося по рытвинам и оврагам танка, будут неподвижными.

Глазодвигательные мышцы нужны не только для того, чтобы глаз мог следить за движущимися предметами. Они выполняют и другую не менее полезную работу - управляют движением глаз, когда мы разыскиваем что-либо; поворачивают глаза, когда мы читаем, пишем, рассматриваем картину или статую. Эти мышцы, пожалуй, самые быстродействующие в человеческом организме. Мы уже говорили, что, осматривая картину или предмет, глаза перемещаются очень быстрыми скачками, совершая до 120 скачков в минуту, причем длительность самого скачка составляет всего лишь три сотых секунды. Но помимо скачков, глаз под воздействием глазодвигательных мышц непрерывно совершает небольшие, но быстрые колебания, которые называются тремором и по некоторым данным имеют частоту до 120 колебаний в секунду. Тремор весьма важен для работы глаза, особенно при рассматривании тонких линий и границ между темными и светлыми участками изображений.

Словом, глазодвигательные мышцы выполняют необыкновенно нужные задачи. И обо всех не стоит сейчас рассказывать. Мы познакомимся лишь с теми свойствами автомата слежения, которые позволяют уподобить глаз гироскопу; поговорим о том, как глаз сопровождает движущиеся объекты.

Мы уже знаем, что область пространства, видимая желтым пятном и особенно центральной ямкой, очень мала. А область пространства, воспринимаемая боковым зрением, очень велика. Желтое пятно и центральная ямка позволяют нам подробно рассматривать мельчайшие детали; боковое же зрение дает лишь самое общее представление об окружающем. С его помощью мы неважно видим даже крупные предметы, а мелкие неподвижные предметы не видим совсем. Но, подобно сетчатке лягушки, периферические области сетчатки человеческого глаза великолепно замечают самые мелкие движущиеся объекты. Боковое зрение - бдительный страж, немедленно передающий сигналы в мозг о том, что в поле зрения появился некий движущийся объект. Чтобы узнать, что же это за объект, мозг подает команду глазодвигательным мышцам, и они немедленно наводят глаза таким образом, что изображение нарушителя границы поля зрения захватывается центральной ямкой.

И пока мы рассматриваем привлекший внимание объект, глаз неотрывно сопровождает его, следит за ним. Сигналы-команды, идущие из мозга, так управляют всеми тремя парами глазодвигательных мышц, что изображение объекта все время находится в области центральной ямки.

Всякий ли объект мы успеваем сопровождать?

Нет, далеко не всякий. И это известно каждому. Когда объект перемещается быстро или производит совершенно неожиданные маневры, глаз может не уследить за ним и даже вовсе потерять его.

Ученые выяснили все это путем кропотливых лабораторных опытов. Чтобы понять, насколько быстро и точно успевает глаз следить за объектом, им пришлось создать специальный прибор, простой по замыслу, но довольно сложный по исполнению.

Представьте себе небольшой белый экран, на который из оптического проектора падает световой зайчик. Он может быть неподвижным, но по желанию экспериментатора может совершать на экране различные движения. Перед экраном сидит испытуемый. Задача довольно проста: он должен неотрывно сопровождать взглядом бегающий по экрану зайчик.

Как проверить, насколько точно глаза испытуемого следят за зайчиком?

Разные исследователи делали это по-разному. Но, пожалуй, наиболее удобно проверять это с помощью второго светового зайчика, отбрасываемого на экран крохотной лампочкой, укрепленной на глазу испытуемого. На фотографии, помещенной в книге, вы можете увидеть, как это делается. Под веки вкладывается так называемая контактная линза. Она плотно прилегает к глазному яблоку и поворачивается вместе с ним. К наружной поверхности линзы приварен стеклянный стерженек, на конце которого и укреплена лампочка. Направление луча света, выходящего из лампочки, строго совпадает с направлением взгляда, с оптической осью глаза. Это означает, что зайчик от лампочки попадает точно в ту точку экрана, куда смотрит глаз. Поворачивается глаз, а с ним вместе поворачивается лампочка, и по экрану бежит световой зайчик. Когда зайчики совпадают, глаз точно направлен на первый зайчик.

Затем начинается опыт. Два световых зайчика словно бы играют в салочки. Но не совсем обычные: водит всегда один и тот же зайчик - тот, который отбрасывается на экран глазом испытуемого. Движения двух зайчиков снимаются кинокамерой. Кроме того, специальные электронные приборы измеряют скорость и форму движения светового зайчика, управляемого глазом.

После окончания опыта по кинокадрам и показаниям электронных приборов проверяют результаты. Это довольно кропотливое дело. Приходится просматривать под специальным микроскопом тысячи кинокадров и измерять расстояния между изображениями зайчиков, расшифровывать многие десятки метров осциллограмм, на которых перья самописцев вычертили сигналы с электронных схем.

Однако результаты вполне стоят затраченного труда. Они очень интересны.

Когда зайчик, направленный из проектора на экран, совершает правильные колебательные движения, глаз очень точно следует за ним. Оба световых зайчика почти сливаются, они движутся по экрану синхронно даже при частоте колебаний первого зайчика до двух периодов в секунду. Это значит, что за одну секунду глаз успевает пройти полный путь: влево - вправо - влево - вправо. Если же еще больше повысить частоту колебаний, глаз начнет отставать. При частоте колебаний первого зайчика три периода в секунду глаз и вовсе не успеет следить за ним.

Проверили ученые и другой вид движений - скачки. При этом первый зайчик остается некоторое время неподвижным, потом мгновенно перескакивает в новое положение и снова замирает, снова совершает скачок и замирает. Так делается много раз подряд. Следя за прыгающим зайчиком, глаз сначала запаздывает. Первый скачок он совершает с отставанием примерно на одну десятую секунды. Но довольно быстро приноравливается, и разрыв во времени значительно сокращается. Особенно малым становится он, когда скачки первого зайчика происходят через равные интервалы времени. Мозг запоминает их длительность и поворачивает глаз, даже не дожидаясь скачка первого зайчика.

Мозг научается предсказывать будущее положение зайчика и дает команду на скачок заранее. Он не только предугадывает, когда произойдет скачок, но и поворачивает глаз на нужный угол. Мозг в этом случае делает примерно то же, что и вычислитель для наводки зенитных орудий, над которым в свое время работал Винер.

Интересно отметить, что способность мозга упреждать, предсказывать будущее положение движущегося объекта пропадает под влиянием даже ничтожных доз наркотика и алкоголя. А ведь именно эта способность играет особо важную роль при вождении самолета, автомобиля. Вот почему в автомобильных авариях чаще всего виноваты пьяные шоферы, вот почему столь непреклонно и строго запрещается управлять машиной даже при самом легком опьянении.

Нередко приходится слышать, что электронные системы по своему быстродействию значительно превосходят живой организм. В общем это утверждение верно. Но если говорить о способностях глаза следить за движущимися объектами и тех же способностях радиолокационных систем, то глаз вполне может потягаться почти с любой из них. Мы уже говорили, что глаз успевает следить за колеблющимся зайчиком при частоте колебаний до двух периодов в секунду. Примерно таковы и возможности локаторов, у которых скорость поворота антенны задается гироскопом. В отдельных случаях глаз может поворачиваться с угловой скоростью до пяти тысяч градусов в секунду. На это не способен ни один гироскоп. Итак, глаз может послужить прообразом для технических устройств, задачей которых является определение некоторого неизменного в пространстве направления. Такого рода электронный глаз, будучи установленным на судне, самолете, межпланетном корабле, мог бы неотрывно смотреть на какую-нибудь заданную звезду, например на тот же Канопус. Ни качка, ни эволюции самолета или ракеты не помешали бы ему это сделать. Однако в одном глаз уступает гироскопу. Если хотя бы на несколько минут лишить его возможности смотреть на звезду, он забудет, в каком направлении она находилась. Ему заново придется отыскивать ее на небосводе. Гироскоп же запоминает это положение. Зато, потеряв звезду, гироскоп никогда не сумеет самостоятельно отыскать ее вновь.

Мы уже говорили о том, что в необычных условиях, например в невесомости, органы чувств начинают работать несколько иначе, чем на земле. Данными о работе органов чувств и особенно глаз очень интересуется космическая медицина. Пока ей удалось узнать не так уж много. Но недавно американские космонавты установили интересный и необычный факт.

Космонавт
Космонавт

Вернувшись из космоса, один из них заявил, что он настолько ясно видел наземные предметы, что, пролетая над Тибетом, различал отдельные хижины и ДЫМ, шедший из труб, а в другом месте ему удалось видеть даже автомобили. Ученые не поверили сообщению космонавта. Они решили, что это был оптический обман. И действительно, чтобы с высоты в сотни километров замечать столь малые объекты, надо иметь необыкновенно острое, поистине орлиное зрение. Зрение же космонавта, десятки раз обследованное на Земле, было нормальным зрением здорового человека.

Однако следующие космонавты подтверждали, что и они вполне ясно видели мелкие объекты, в особенности длинные, вытянутые тела.

Как теперь считают ученые, причина этому - невесомость. В невесомости глазодвигательным мышцам легче работать, и благодаря этому мелкие колебания глаза - тремор - совершаются с несколько большим размахом и, возможно, несколько большей частотой. Это и увеличивает зоркость глаза.

предыдущая главасодержаниеследующая глава









© Злыгостев А.С., 2001-2019
При использовании материалов сайта активная ссылка обязательна:
http://animalkingdom.su/ 'Мир животных'

Рейтинг@Mail.ru