Скорость можно измерять по одной-единственной фотографии с известной выдержкой. Изображение с сайта thesmokingtire.com
Даже если вы заметили, что какой-то быстрый процесс реально длится, по-настоящему измерить его длительность не так-то просто. Конечно, если у вас есть скоростная видеокамера, выдающая тысячу кадров в секунду, то никаких проблем нет — достаточно лишь снять явление, а потом изучить изображение кадр за кадром. Однако кое-что можно сделать и без таких навороченных устройств, а порой бывает достаточно и невооруженного, но натренированного взгляда.
Мы начнем рассказ с одного простого, но важного наблюдения:
| для того, чтобы измерить длительность механического движения, вовсе не требуется снимать процесс на видео! |
Для этого обычно достаточно одного фотоснимка, сделанного неподвижной фотокамерой с короткой, но известной выдержкой. Современные недорогие фотокамеры позволяют выставлять (или выставляют сами) выдержку вплоть до 1 миллисекунды и даже меньше, что полностью покрывает все наши исследовательские нужды в миллисекундном диапазоне. Метод измерения прост. Если выдержка слишком большая, движение на фотографии смазывается. При уменьшении выдержки смазывание тоже будет уменьшаться: снимок становится резче. Если вы знаете выдержку снимка и если вы можете измерить реальную длину смазанного участка, то вы найдете скорость и прочие характеристики движения.
Вот вам пример. Представьте себе, что вы стоите у финишной черты автомобильной гонки (инстинктом самосохранения в этом примере пренебрежем) и видите, что две машины летят к финишу корпус в корпус, лишь одна из них чуть-чуть опережает на финише другую. Вы хотите найти разницу во времени между этими двумя машинами. Конечно, вы могли бы просто послушать сводку результатов, но в вас проснулась исследовательская жилка — вы хотите самостоятельно измерить эту разницу и проверить чужие сообщения.
Будем считать, что вы знакомы с габаритами автомобилей и их деталей, так что сможете по фотографии определить все расстояния. Вам остается только запечатлеть пространственное (не временное!) опережение одной машины, а также измерить их скорость. И для этого вам достаточно сделать один-единственный снимок с хорошим качеством и с короткой выдержкой. Он, кстати, не обязательно должен быть сделан строго в момент финиша, снимок в непосредственной близости от финишной черты тоже подойдет.
Предположим, вы выставили на фотоаппарате выдержку t = 1/250 секунды (т. е. 4 миллисекунды) и получили картинку, показанную на рисунке. Зная параметры машин, вы оцениваете расстояние, на которое одна машина опережает другую, в Δx = 90 см. Изображение машин слегка смазано, и эту пространственную размазку вы оцениваете в d = 24 см. По формуле равномерного движения d = u·t вы находите скорость машины: u = 60 м/с = 216 км/ч, а затем и опережение по времени:
|
Итак, одна машина опередила другую на 15 миллисекунд, т. е. на полторы сотых секунды. И самое ценное здесь то, что вы это сделали сами и с приличной точностью.
Мерцающие огоньки Миллисекунды в нашей жизни