Измерение скорости. Эффект Допплера

Скорость движения измеряют различными способами, зависящими от характера движения и от того, что движется (тела, молекулы, электрические заряды и т. д.). Существует несколько приборов для измерения скорости движения транспортных средств.

На автомобилях применяются указатели скорости, действующие на принципе использования свойств вращающегося магнита (рис. 5).

Вращательное движение карданного вала или одного из колес передается с помощью гибкого валика на магнит. Число оборотов магнита, таким образом, пропорционально скорости движения автомобиля.

Рис. 5. Указатель скорости автомобиля: 1 — магнит; 2 — картушка; 3—пружина; 4—шкала указателя скорости; 5 — гибкий валик

Магнит выполнен в виде незамкнутого кольца и обрамлен картушкой (обоймой), сидящей на своей оси; картушка удерживается в начальном положении спиральной пружиной. При вращении магнита картушка поворачивается, при этом угол поворота будет тем больше, чем больше скорость вращения магнита. С картушкой связана стрелка прибора? которая указывает на отградуированной шкале скорость движения.

Для измерения скорости морских и речных судов применяются механические или электромеханические приборы — лаги (рис. 6).

Рис. 6. Лаг для измерения скорости морских и речных судов: 1 — корпус лага; 2— вертушка; 3 — буксирный трос

Лаг буксируется судном. При движении лага вертушка вращается под действием воды. Вращение вертушки передается механически или через электропривод на счетчик, указывающий скорость движения судна.

Для измерения скорости самолетов применяются приборы, в которых используется эффект давления встречного воздуха, так называемое динамическое давление. На самолете устанавливают, обычно спереди крыла, приемник указателя скорости 1 (рис. 7), состоящий из двух трубок. Одна трубка 5 воспринимает динамическое давление, другая 6 — статическое, или атмосферное, давление. От приемника динамическое давление по тонкой трубке передается к манометрической коробке 3. Гофрированные стенки коробки под давлением воздуха могут прогибаться, поворачивая при этом через систему рычагов стрелку шкалы 4.

Рис. 7. Схема указателя скорости самолета: 1 — приемник указателя скорости, 2 — корпус прибора; 3 — манометрическая коробка, 4 — градуированная шкала, 5 — трубка динамического давления; 6 — трубка статического давления

Прибор фактически замеряет не скорость самолета, а разность между динамическим и статическим давлением.

Давление, оказываемое воздухом на движущийся предмет, пропорционально плотности воздуха и квадрату скорости движения. Зависимость показаний указателя скорости от плотности воздуха приводит к тому, что при увеличении высоты полета одна и та же скорость, показываемая прибором, будет соответствовать большей истинной скорости. Поэтому, чтобы узнать истинную скорость полета на той или иной высоте, необходимо вносить в показания прибора поправки. Поправки могут быть очень значительные (рис. 8). При больших скоростях полета, близких к скорости звука, переводить приборную скорость в истинную сложнее, так как приходится учитывать сжимаемость воздуха.

Рис. 8. График для перевода скорости полета по прибору в истинную скорость (без учета сжимаемости); Н—высота полета

На больших сверхзвуковых скоростях полета приемники воздушного давления имеют большие погрешности, из-за которых определение скорости полета становится неточным. В этом случае приходится изыскивать иные принципы определения скорости.

Особенно остро эта проблема стоит в ракетной технике, где от точности определения скорости полета зависит точность вывода спутника или космической ракеты на требуемую орбиту. Высота полета ракет так велика, что измерять скорость полета по изменению давления воздуха становится невозможно. Кроме того, при негоризонтальном полете (как раз обычном для ракет) давление будет зависеть не только от изменения скорости полета, но и от разницы в высоте.

Одним из применяющихся способов измерения скорости ракет является применение радиолокационной станции. Такой метод определения скорости ракеты обладает большой точностью и не нуждается в наличии сложной и громоздкой аппаратуры. В военном отношении этот способ имеет недостаток, заключающийся в том, что, как всякое радиосредство, он подвержен помехам.

Более удобной является автономная система определения скорости, основанная на использовании так называемого эффекта Допплера. Автономной она называется потому, что определяет скорость полета с помощью аппаратуры, находящейся исключительно на борту летательного аппарата. Эффект Допплера заключается в том, что при изменении расстояния между наблюдателем и источником колебаний происходит изменение частоты этих колебаний в точке наблюдения.

При быстром приближении источника звука тон его кажется выше, а при удалении — ниже. Изменение частоты колебаний пропорционально скорости между источником звука и наблюдателем. Эффект Допплера применим и для электромагнитных колебаний: при изменении расстояния между радиопередатчиком и радиоприемником частота радиосигнала, принятого приемником, отличается от частоты сигнала, посланного передатчиком.

На основе этого метода скорость полета определяют следующим образом. На ракете помещают передатчик, излучающий радиосигналы строго определенной частоты под некоторым углом вниз, к Земле. Так как ракета движется, радиосигналы ракеты приходят на Землю с несколько повышенной частотой. Земля будет отражать радиосигналы этой новой повышенной частоты, которые достигнут ракеты снова измененными в связи с ее движением. Таким образом получается удвоенное изменение частоты радиосигналов, что способствует повышению точности определения скорости движения ракеты.

На ракете происходит автоматическое измерение частоты сигналов, а так как изменение частоты пропорционально скорости полета, то таким образом достаточно точно определяется и скорость полета.

При однолучевой системе распространения радиосигналов можно определить скорость только в горизонтальном полете. Двухлучевая система позволяет находить и скорость бокового скоса, а применяя большее число лучей, можно определять и вертикальную скорость.

Наиболее совершенная и простая автономная система измерения скорости движения ракеты основана на измерении и суммировании изменения скорости. Эта система измерений называется инерциальной и совершенно не подвержена помехам. Измерение и суммирование изменения скорости движения, производящиеся с помощью гироскопов или специальных датчиков и электронных вычислительных устройств, позволяют судить не только о скорости движения, но и о пройденном пути ракеты.