Уважаемая редакция!

Говорят, что в одном из давних номеров вашего журнала был описан способ изготовления особо острой иглы, на кончике которой едва умещается всего лишь несколько атомов. Расскажите, действительно ли можно самому сделать такую иглу?

С.Бармыков ,

Москва

Стоит отметить, что игла — одно из величайших изобретений человечества. Первобытная одежда из шкур и тончайшее платье королевы — все это делается при помощи иглы. Тончайшая трубочка с острым концом — игла шприца — спасла миллиарды жизней. Сегодня при помощи острейших иголок мы можем «разглядывать» и передвигать отдельные атомы, соединяя их в цепочки необычных и хитроумных молекул. Существует у иглы и множество других применений. Но давайте по порядку.

Все ли иглы одинаково остры? Попробуйте рассмотреть иглу для вышивания под микроскопом при увеличении 30–40 крат (рис. 1).

Вы не поверите глазам своим, увидев железное бревно с закругленным концом. Радиус кончика вышивальной иглы нетрудно измерить. Он равен примерно 0,01 — 0,05 мм. При этом площадь его поперечного сечения составит 0,00008 — 0,0002 мм2. Если нажать на иглу с силой всего один кг, то, как показывает расчет, на ее кончике должно развиться давление от 5 до 20 тыс. атм. Однако подобные расчеты, часто попадающиеся в учебной литературе, не учитывают прочности как острия, так и материала иглы.

Лучшая сталь выдерживает на смятие давление 200–300 кг/мм2. Как только эта величина будет превышена, кончик сомнется, площадь его увеличится и давление в дальнейшем как бы замрет у этого предела. Если же острие тонкое и удлиненное, то оно согнется задолго до достижения давления, равного пределу прочности материала.

Получается парадокс: для того чтобы игла лучше прокалывала, ее следует… слегка затупить (рис. 2).

Колющее свойство иглы основано на ее способности концентрировать силу. Однако ее свойства этим не ограничены.

Намотайте на толстую иглу примерно 100 витков проволоки диаметром 0,05 мм и подключите к звуковому генератору. При подаче частоты 5 — 10 кГц игла тонко запищит (рис. 3).

Так проявляется магнитострикционный эффект — изменение длины иглы под действием магнитного поля обмотки. Если бы мы имели просто стальной стержень с ровно обрезанными концами, то колебания каждого из них имели бы одинаковую амплитуду. Но у иглы амплитуда колебаний острого конца сильнее. Можно сказать, что острие иглы концентрирует звуковую энергию. При помощи тела, имеющего форму иглы, удается настолько увеличить плотность звукового потока, что он начинает разрушать прочнейшие стали, сверхтвердые сплавы и даже алмаз. Это явление используют в ультразвуковых станках.

Игла из прозрачного материала концентрирует на острие свет, входящий в нее через торец. На этом явлении основаны устройства для повышения яркости изображения, даваемого объективом. Они представляют собою блок из спеченных между собою конических стеклянных стержней. Концентрация энергии в таких блоках получается весьма значительной. Известны опыты, когда их широкие торцы помещали в фокус вогнутого зеркала, наведенного на солнце (рис. 4).

Яркость солнечного света на узком конце повышалась настолько, что стекло плавилось и испарялось. Любопытно, что в этих опытах достигалась температура, превышающая температуру поверхности Солнца, что недопустимо с точки зрения термодинамики. Тем не менее, достоверность этих опытов зафиксирована в академических изданиях.

Интересные явления наблюдаются при подключении иглы к источнику напряжения. Вот простой опыт. Установите на деревянной подставке швейную иглу и соедините с обычной школьной электростатической машиной. Подав напряжение, вы услышите легкое потрескивание, а в темноте увидите на кончике иглы сияние или искры. Ясно, что на острие скапливаются электрические заряды. Почему это происходит?

На поверхности шара, например, заряды распределены равномерно, и на каждый из них со стороны других зарядов действуют одинаковые силы отталкивания. Но если на поверхности шара появится выпуклость, то заряды, расположенные на ее вершине, будут отталкивать друг друга как бы под углом — слабее, чем на всей остальной поверхности. Это позволит им собраться теснее. Тоже самое ярче проявляется на кончике иглы (см. рис. 5).

Плотность зарядов повышается в десятки раз, соответственно возрастает и напряженность электрического поля, вызывающая свечение, ионизацию и даже движение воздуха. В последнем легко убедиться, если поставить перед острием иглы пламя зажженной свечи. При подаче на нее напряжения пламя заметно отклоняется (рис. 6).

Так свечу можно даже потушить. Этот опыт под названием «электрическое дуновение» известен более двухсот лет. Необходимое для этого напряжение у обычных швейных иголок лежит в пределах 1500–2000 В. А чем острее игла, тем оно ниже. Но заточить иглу непросто. Это связано со строением металла. При обычной механической обработке неизбежно отламывается крохотная частица на самом кончике иглы, и она остается тупой. Но пора наконец ответить на вопрос нашего читателя о том, как все же сделать иглу сверхострой.

Возьмите батарейку на 3–4,5 В, графитовый стержень от карандаша, банку, дно которой покрыто пластилином, и кусок спирали от старой электроплитки. Залейте в банку электролит — 10 %-ный раствор соляной кислоты или насыщенный раствор поваренной соли. Соберите устройство, как показано на рисунке 7.

ВНИМАНИЕ! РАБОТАТЬ В ЗАЩИТНЫХ ОЧКАХ И РЕЗИНОВЫХ ПЕРЧАТКАХ!

Буквально за считаные минуты кусок спирали начнет растворяться, причем особенно интенсивно вблизи поверхности электролита. Вскоре от него оторвется и упадет в пластилин готовая иголка. Она будет так остра, что разглядеть ее кончик в обычный микроскоп вы не сможете.

С такой иголкой можно проделать ряд интересных опытов. Вот один из них. Это кораблик, плавающий в небольшом лотке с водой под действием реактивной силы электрического ветра, стекающего с иголок.

Вырежьте кораблик из пенопласта и укрепите на его корме 4–5 иголок, соединенных общим проводом, один из концов которого опущен в воду. Над лотком укрепите металлическую линейку и соедините с одним из полюсов источника напряжения. Другой полюс соединен непосредственно с водой лотка. Прелесть опыта в том, что для его выполнения достаточно напряжения 220 В. Но брать это напряжение непосредственно из сетевой розетки абсолютно недопустимо по соображениям безопасности. Малейшая неосторожность при наличии воды поблизости может привести к поражению электрическим током. Этого можно избежать, соединив каждый из проводов с сетью через конденсатор емкостью не более 0,05 мкФ.

Установленная на кораблике батарея сверхострых иголок создает ветерок, способный погасить свечу. Это наводит на мысль о возможности создания абсолютно бесшумного электростатического вентилятора. Он состоит из двух сеток, соединенных с источником переменного напряжения 220 В. Сетки спаяны из медной проволоки диаметром 1 мм и укреплены на изоляционной рамке из оргстекла. В узлах одной из них впаяны сверхострые иголки. Возникающие на их концах ионы движутся под действием электрического поля в сторону второй сетки. Попадая на нее, ионы теряют свои заряды, нейтрализуются и продолжают движение уже как обычный ветерок.

Американский изобретатель И.Г.Прокофьев-Северский предложил электростатический летательный аппарат — ионокрафт. Его подъемная сила создавалась за счет реактивной тяги, вызванной электрическим ветром. Была испытана модель ионокрафта. Она представляла собою систему из очень легких сеток, скрепленных изоляционными стержнями. Модель бесшумно парила в комнате при подаче напряжения 10 000 В от источника, подобного преобразователю «Разряд», широко применяемому в школах.

А. ВОЛКОВ