Микросекунды: 3. Пределы механического затвора

На микросекундном масштабе времен механическое движение замирает — и это создает значительные трудности для его экспериментального изучения. Предположим, мы хотим сделать фотоснимок какого-то микросекундного процесса. Пусть это будет не банальное мигание светодиода, а что-то более сложное, не слишком яркое и не слишком контрастное. Для того чтобы его запечатлеть, нам потребуется фотокамера с выдержкой в микросекунды. Конечно, сейчас, в эпоху электроники и оптотехнологий, это не такая уж и большая проблема. Но представим себе, что мы хотим сделать такой снимок по старинке, исключительно механическими методами, физически открыв и закрыв затвор камеры.

Модель механического затвора на пружинке

Рассмотрим простую физическую модель такого устройства. Пусть у нас есть маленькая, но жесткая сжатая пружина, на которой держится легкая непрозрачная шторка с прорезанным внутри нее окном. Мы отпускаем пружину, и она всю свою силу упругости тратит на разгон шторки. На короткое время перед фотопленкой проскакивает открытое окно, и таким образом на пленке запечатляется кадр с короткой выдержкой.

Нас интересует простой вопрос: какую по порядку величины выдержку можно достичь таким методом?

В подобных задачах-оценках точные численные величины обычно не даны, ведь это задачи «жизненные», нужные величины можно оценить и подставить самостоятельно. Попробуем это сделать. Типичные размеры устройства — сантиметры (для определенности: 4 см). Ширину окна возьмем равной d = 4 мм. Из повседневного опыта мы можем себе представить, насколько жесткими бывают маленькие пружинки. Положим, наша пружинка в момент максимального сжатия может выдавать силу 100 Н. К ней прикреплена шторка массой несколько грамм, да и сама пружинка сколько-то весит; примем для определенности полную массу разгоняемого груза в 5 грамм.

Когда мы отпускаем пружину, она распрямляется и разгоняет массу 0,005 кг силой в 100 Н. По второму закону Ньютона, ускорение получается a = F/m = 2·10⁴ м/с². Это в две тысячи раз больше ускорения свободного падения; иными словами, шторка испытывает перегрузки в 2000 g. Теперь по формулам равноускоренного движения находим максимальную скорость, которую приобретает эта шторка на дистанции L = 4 см: v_max = 40 м/с. Если окно проскакивает перед пленкой на последнем этапе разгона, то время экспозиции получается примерно t ≈ d/v_max = 100 мкс.

Итак, даже при таких довольно экстремальных механических параметрах мы только-только выбрались в область сотен микросекунд. Ни о каких единицах микросекунд тут речи нет. И это не какая-то особенность конкретной разобранной нами схемы, а общее правило — можно сказать, эмпирический закон природы:

раз механическое движение замирает на микросекундах, изучать такие времена с помощью механического же устройства нереально.

Преодолеть этот «механический барьер» можно либо с помощью электроники (как это и делается в современных сверхскоростных видеокамерах, способных выдавать порядка миллиона кадров в секунду), либо с помощью импульсного света. В первом случае свет на чувствительную матрицу падает всегда, но лишь оцифровывается в определенные короткие интервалы времени. А во втором случае изучаемый предмет находится в темноте и лишь однократно освещается коротким световым импульсом. В каком состоянии этот световой импульс застал прибор, в таком он и будет запечатлен на снимке. Сильно усовершенствованный вариант этой методики используется в методе накачки-зондирования, основной рабочей лошадки всей современной физики сверхбыстрых процессов.