Владимир Петров - Законы развития систем

Пример 7.217. Механические часы.

Первоначально появились большие башенные часы, механизм которых представлял собой набор механических частей (маятник, шестеренки, рычаги, пружины и т. д.).

Далее механические части уменьшились в размерах и создали карманные, а затем наручные механические часы. Механика совершенствовалась и уменьшалась. Размеры часов значительно уменьшились. Но тем нее менее принцип их работы оставался на макроуровне. Их принцип работы основывался на колебании механического маятника.

Переход на микроуровень осуществился с изобретением кварцевых часов.

Пример 7.218. Кварцевые часы.

В кварцевых часах в качестве колебательной системы стали использовать кристалл кварца. Маятник заменили кристаллом.

Работа кварцевого генератора основана на пьезоэлектрическом эффекте и резонансе.

На кристалл нанесены две или более проводящие плоскости — электроды, на которые подается напряжение. В результате пьезоэлектрического эффекта кварцевая платина сжимается, вызывая резонансные колебания и вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта на электродах и внешней цепи, создается противо-ЭДС, подобное работе катушки индуктивности в колебательном контуре.

Сигнал от кварцевого генератора поступает на шаговый двигатель, который приводит в действие механическую часть часов.

Таким образом, в кварцевых часах на микроуровень перешел только рабочий орган, остальные части электромеханические, т. е. работающие на макроуровне. Типичный пример закона неравномерности развития систем.

Окончательный переход на микроуровень произошел с появлением электронных часов, где исчезли все механические части. Циферблат в них работает на светодиодах или на жидких кристаллах.

Пример 7.219. Атомные часы.

Позже появились атомные часы, где в качестве источника колебаний используется сигнал перехода электрона между двумя энергетическими уровня атома.

В атомных часах два иона металлов находятся в электромагнитной ловушке на расстоянии нескольких микрон друг от друга. При воздействии на них лазером взаимодействие атомов позволяет выделять два состояния — условные 0 и 1. Колебания системы между этими состояниями — это отсчет времени. Один из таких атомов в ловушке при этом служит собственно «хранителем» времени, а второй необходим для «снятия показаний».

С 1967 года атом Цезия-133 является стандартом для измерений времени и частоты. Цезиевые часы считались самыми точными 381.

Стабильность атомных часов Δν / ν(где Δν — отклонение частоты νчасов за какой-то период времени) обычно лежит в пределах 10 —14—10 —15, а в специальных конструкциях достигает 10 —17.

Часы состоят из нескольких частей (рис. 7.180):

— квантового дискриминатора;

— кварцевого осциллятора;

— электроники.

Рис. 7.180. Схема работы атомных часов

Кварцевый осциллятор генерирует частоту (5 или 10 МГц). Осциллятор представляет собой RC-радиогенератор, у которого в качестве резонансного элемента используются пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла. Частота кварцевого осциллятора Voсравнивается в блоке сравнения с частотой атомной линии Va. Обнаруженная разница направляется в узел управления частотой кварцевого осциллятора и зануляется. Обычно стабильность кварцевого резонатора мала и составляет около Δν / ν= 10 — 7. Для повышения его стабильности используют точные колебания атомов, для чего его частота постоянно сравнивается с колебаниями квантового дискриминатора (атомов). При появлении разницы в колебаниях, электроника подстраивает частоту кварцевого осциллятора до нулевого уровня, тем самым повышая стабильность и точность часов до уровня Δν / ν= 10 — 14.

В 2005 году ученые Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали атомные часы на основе ионов атома ртути 382. Они оказались в 5 раз точнее атомных часов, использующих атом Цезия-137.

Их часы регистрируют переходы между энергетическими уровнями иона ртути, содержащегося в электромагнитной ловушке.

Ион ртути генерирует колебания на оптических частотах, которые намного выше микроволновых, использовавшихся в цезиевой аппаратуре, что позволит делать измерения намного точнее.

В 2009 году ученые из того же института в атомных часах использовали атом алюминия. Эти часы ученые назвали «Quantum Logic Clock» 383. Они почти в десять раз точнее ртутных.

Традиционные атомные часы очень большие. Инженеры DARPA разработали в 2004 году портативные атомные 384часы объемом 10 мм 3

Еще одним ярким примером перехода с макро- на микроуровень является история развития вычислительных машин .

Пример 7.220. Вычислительная техника.

Первая вычислительная машина (антикитерский механизм) была создана в Древней Греции. Она датируется 150—100 г. до н. э. Это механическая аналоговая вычислительная машина для расчета астрономических позиций. Машина также позволяла производить операции сложения, вычитания и деления.

Известны счетное устройство Леонарда да Винчи, суммирующая машина Паскаля и другие.

Принцип действия этих машин механический . Они состояли из валов и шестерен. Постепенно эти части уменьшались в размерах и был разработан арифмометр. Их заменили электромеханические вычислительные машины. Механические части двигались с помощью электрических двигателей.

На следующем этапе была разработана вычислительная машина на вакуумных лампах.

Далее были использованы транзисторы, а затем и микросхемы.

Сегодня процессор содержит миллиарды транзисторов. При их изготовлении используется нанотехнологии.

Это типичный пример перехода на микроуровень .

На мироуровень перешел рабочий орган компьютера — процессор, но до сегодняшнего дня еще остались части, использующие механику, например, жесткий диск, DVD-Rom, вентиляторы. Это пример закона неравномерности развития систем.

Имеются тенденции перехода этих частей на микроуровень.

Используются жесткие диски с флеш-памятью. Все чаще используются не DVD-диски, а флеш-память. Вентиляторы могут быть заменены элементом Пельтье и тепловыми трубами.

Пример 7.221. Микро-робот.

Инженеры из Университета Ватерлоо изобрели летающего микро-робота. Для перемещения из одной точки пространства в другую он использует магнитные поля Земли . Этот микро-робот весит 0,83 грамма. Робот оснащен несколькими крошечными электромагнитами, создающими вокруг робота трехмерное параболическое магнитное поле.

7.8.3. Переход на макроуровень

Закон перехода системы на макроуровень — это тенденция увеличения параметров системы.