Физика в строительстве

   Теодолит устанавливается на треноге или трегере, имеющих четыре винта (или в некоторых современных теодолитах – три винта) для его быстрого горизонтирования. Перед использованием теодолит должен быть установлен строго вертикально над измеряемой точкой (отцентрован), и его вертикальная ось должна быть выровнена с местной силой тяжести (выровнен). В ранних моделях теодолитов это делалось с помощью свинцового, лазерного или оптического отвеса, в поздних используется ватерпас. Для быстрого и точного центрования и выравнивания существуют специальные методы.

 

4 Голография и топографическая интерферометрия

 в строительстве.

 

     За последние  годы в практику строительства  начинает внедряться сочетание  голографии с интерферометрией  — топографическая интерферометрия. 

      Классическая  интерферометрия возникла давно.  Она использовалась в оптике, металлографии, физике. Однако имела  ряд существенных ограничений,  которые не допускали ее широкого  применения в технике. В основном  эти ограничения сводились к  требованию, чтобы у образца, подлежащего испытанию, была зеркальная тщательно отполированная поверхность и, кроме того, образец должен был иметь правильную геометрическую форму. Окончательные результаты измерений можно было получить только после дополнительных расчетов. Поэтому классические интерференционные методы относились к пассивным лабораторным методам.

      Так продолжалось  вплоть до 1947 г., т.е. до момента  изобрения голографии. Дальнейшее ее развитие и послужило основанием для создания топографической интерферометрии.

     Чем же она  отличается от классической интерферометрии?  Для того чтобы это понять, напомним, что означает термин  волновой фронт. Волновым фронтом  в оптике называется такая  поверхность, которая образована  в пространстве точками, расположенными  на одном и том же расстоянии  от источника света и на  которой фаза постоянна. 

     Единственной  существенной разницей между  голографией и обычной интерферометрией  является то, что в основе голографии  — запись волновых фронтов,  тогда как интерферометрия используется  для их сравнения. Это создает  большие преимущества топографической  интерферометрии. Техника топографической  интерферометрии добавляет к  уже известным возможностям обыкновенное  интерферометрии дополнительные  возможности исследования таких  явлений, которые раньше считались  недоступными для наблюдения, например, деформаций равномерно движущегося  объекта, вибраций, рельефа сложных  поверхностей и т.п. 

     Особенностью  топографической интерферометрии  является возможность исследования  предметов неправильной формы  и даже диффузно отражающих  предметов, а также исследования  процессов, происходящих в закрытом  объеме.

    Перейдем теперь  к принципу интерферометрии и  топографической интерферометрии. 

    Принцип классической  интерферометрии заключается в  сравнении двух волновых фронтов,  из которых один создан исследуемым  предметом, а другой — эталонным  предметом. В результате интерференции  получается интерференционная картина,  по которой судят об отличии  исследуемого волнового фронта  от эталонного.

     Принцип топографической  интерферометрии заключается в  регистрации на голограмме амплитуды  и фазы световой волны. Известно, что топографическое изображение  формируется с помощью когерентного  света. Голограмма регистрирует  всю информацию, содержащуюся в  волновом фронте от объекта,  и даже мельчайшие детали его  поверхности. Интерференция между  восстановленным волновым фронтом  голограммы и волновым фронтом деформированного объекта дает общую картину, как изменялся объект в целом.

     Что нового  в классическую интерферометрию  внесла топографическая интерферометрия?  Прежде всего — это интерферометрия  пространственных предметов, позволяющая  установить различие форм сложных  трехмерных объектов. Во-вторых, возможность  исследования объектов не только  с поверхностями оптического  качества, но и любыми другими.  В-третьих, возможность воспроизвести  форму зарегистрированной волновой  поверхности в те моменты времени,  когда предмет уже может не  существовать. Это обычно делается  так. Голограмму помещают на  то место, где она экспонировалась,  а предмет убирают. Сразу же  восстановится световая волна,  рассеивающая предмет во время  экспозиции.

    Существует несколько  способов топографической интерферометрии.  Самый простой — это способ  двойной экспозиции. Сначала получают  голограмму исследуемого объекта  в первоначальном состоянии, т.е.  не нагруженного, не нагретого  и не деформированного. Затем  объект подвергают внешним воздействиям. На фотопластинку записывается  голограмма измененного состояния  объекта. 

    При восстановлении  изображения объекта с двукратноэкспонированной голограммы наблюдается результат интерференции полей, существовавших в разные моменты времени: во-первых, волнового поля, несущего информацию о первоначальном состоянии объекта, во-вторых, волнового поля, несущего информацию об измененном состоянии объекта. В результате на изображение объекта накладывается сеть интерференционных полос, по которым определяют происшедшие с ними изменения.

    Способ двойной  экспозиции применяют для излучения  поверхностной деформации непрозрачных  тел под влиянием нагрузки, тепла  или холода, а также для обнаружения  трещин и раковин в этих  телах. 

    Другой практический  способ топографической интерферометрии  — это способ реального масштаба  времени. Он аналогичен способу  двойной экспозиции. Разница между  ними лишь в том, что при  использовании способа реального  масштаба времени вместо второй  голограммы голо-графическое изображение непосредственно интерферирует с предметом, с которого получена голограмма. При восстановлении опорный пучок освещает голограмму и предмет, с которого получена голограмма. Отраженные волны интерферируют между собой. Благодаря этому способу можно сравнивать реальный предмет с "идеальным", представляемым, например, голограммой, синтезированной на ЭВМ. Очень часто в строительной технике необходимо испытать сложнейшие гидротехнические сооружения. Нужно, например, выявить внутренние напряжения, которые возникают в процессе эксплуатации плотины. С помощью голографии это можно сделать еще до начала строительства плотины на ее модели. С модели снимают голограмму, которая становится своего рода шаблоном.

   Затем прилагают  к наиболее ответственным участкам  модели нагрузку и снова делают  голограмму. При сравнении обеих  голограмм способом двойной экспозиции  выявляют созданные нагрузкой  деформации и определяют опасные  места. При сооружении плотины  эти места усиливают. 

    Метод голографической  интерферометрии для обнаружения  воздействия нагрузки и температуры  на бетон был применен впервые  проф. Ю.М. Баженовым. 

    Таковы некоторые  возможности голографической интерферометрии.  За последние годы голографическая  интерферометрия начала широко  применяться в строительстве  и уже в ряде случаев ее  результаты превзошли результаты  исследования конструкций, которые  до сих пор велись методом  фотоупругости.

 

4.1 Физические принципы голографии.

 

      Голография – метод получения объемного изображения объекта, путем регистрации и последующего восстановления, волн изобретенный английским физиком венгерского происхождения Д. Габором в 1948 г.

      Волны могут быть при этом  любые – световые, рентгеновские, корпускулярные, акустические и т.д.

       Слово «голография» происходит от греческого όλοτ, что означает «весь», «целый». Этим изобретатель хотел подчеркнуть, что в голографии регистрируется полная информация о волне – как амплитудная, так и фазовая.

      В обычной фотографии регистрируется лишь распределение амплитуды (точнее ее квадрата) в двумерной проекции объекта на плоскость фотоснимка. Поэтому, рассматривая фотографию под разными углами, мы не получаем новых ракурсов, не можем, например, увидеть, что делается за предметами, расположенных на переднем плане.

Голограмма же восстанавливает  не двумерное изображение предмета, а после рассеянной им волны. Смещая точку наблюдения в пределах этого  волнового поля, мы видим предмет  под разными углами, ощущая его  объемность и реальность.

     Физическая основа голографии – учение о волнах, их интерференции и дифракции, зародившееся еще в XVII веке при Гюйгенсе. Уже в начале XIX века Юнг, Френель и Фраунгофер располагали достаточными познаниями, чтобы сформулировать основные принципы голографии. Этого, однако, не случилось вплоть до работ Габора, хотя многие ученые во второй половине XIX и начале XX века – Кирхгоф, Рэлей, Аббе, Вольфке, Бе6рш, и Брэгг – подходили к принципам голографии достаточно близко. Можно было объяснить это тем что они не имели технических средств для реализации голографии. Однако это не так: Габор в 1947 году также не имел лазера и делал свои первые опыты со ртутной лампой в качестве источника света. И тем не менее Габор смог с полной определенностью сформулировать идею восстановления волнового фронта и указать метод ее осуществления. Не смотря на это, трудности связанные с получением голограмм, оставались столь существенными и развитие голографии шло так медленно, что к 1963 году Габор «почти забыл о ней».в 1963годуамемреканцы Э. Лейт и Ю. Упатниекс впервые получили лезерные голограммы. За год до этого они предложили свою «двулучевую схему», значительно усовершенствовав исходную схему Габора.

    В соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля действие исходной, первичной, волны в произвольной точке А можно заменить действием виртуальных источников, расположенных на достаточно обширной, удаленной от точки А поверхности. Эти источники должны колебаться с той же амплитудой  рассеянной каким-либо предметом. и той фазой, которые заданы дошедшей до них первичной волной, рассеянной каким-либо предметом (Рис1.) Элементарные  сферические волны, испускаемые вторичными источниками, интерферируя, восстановят за поверхностью копию первичного волнового поля. Глаз или любой другой приемник не сможет отличить эту копию от поля волны, рассеянной самим предметом, и наблюдатель, таким образом, увидит мнимое изображение этого предмета, хотя он уже убран.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

 

     Физика - область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Законы физики лежат в основе всего естествознания. 

      Термин «физика» впервые появился в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры. Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимичны, поскольку обе дисциплины пытаются объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика выделилась в отдельное научное направление.

       В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал первый в России учебник физики в переводе с немецкого языка. Первый отечественный учебник под названием «Краткое начертание физики» был написан первым русским академиком Страховым.

      В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров.

     Физическое понимание процессов, происходящих в природе, постоянно развивается. Большинство новых открытий вскоре получают применение в технике и промышленности. Однако новые исследования постоянно поднимают новые загадки и обнаруживают явления, для объяснения которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.

   

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы.

 

- Ландсберг Г. С «Общий курс физики: оптика.» - М: «Наука.»,1976 г.

 

- Кузнецов, О. Ф.       Геодезическое обеспечение строительства и эксплуатации сооружений [Текст] : учеб. пособие для вузов / О. Ф. Кузнецов . - Оренбург : ГОУ ОГУ, 2008. - 202 с. + черт. - Библиогр.: с. 179. - Прил.: с. 180-201. - ISBN 978-5-7410-0718-1.

 

- Кузнецов, О. Ф.        Основы использования и ремонта топогеодезических инструментов [Текст] : спец. курс для вузов / О. Ф. Кузнецов, Т. Г. Обухова . - Оренбург : ОГУ, 2007. - 129 с

 

- Легких, Б. М. отопление и вентиляция жилого здания [Текст] : метод. указ. к курсовому проектированию / Б. М. Легких . - Оренбург : ГОУ ОГУ, 2009. - 27 с

 

- Ресурсы Интернет.