Как устроены вещи, которые мы принимаем за данность

Каждый день мы пользуемся десятками устройств, внутри которых лежат десятилетия инженерных находок. Десять примеров — и что из них можно взять в свои проекты.

1. Сенсорный экран смартфона

Под стеклом лежит прозрачная сетка электродов из оксида индия-олова: одни идут строками, другие — столбцами. Контроллер по очереди подаёт сигнал на строки и измеряет, сколько заряда «перетекает» в каждый столбец. Палец проводит ток и обладает собственной ёмкостью: там, где он касается, связь между строкой и столбцом уменьшается. Так получается карта касаний сразу для нескольких пальцев — это называется проекционно-ёмкостный экран.

Поэтому экран не реагирует на обычную перчатку (она изолятор) и реагирует на сосиску (в ней вода и соли). А мокрый экран «глючит»: капли тоже меняют ёмкость.

2. Акселерометр и гироскоп размером с песчинку

Телефон знает, как его повернули, благодаря MEMS — микромеханическим структурам, вытравленным в кремнии, как микросхемы. Внутри акселерометра — крошечная масса на кремниевых пружинках с гребёнкой пальцев, вставленных между неподвижными пальцами. Когда телефон ускоряется, масса отстаёт, зазоры между пальцами меняются, а с ними и электрическая ёмкость. Схема меряет изменение ёмкости в тысячные доли пикофарады.

Гироскоп устроен хитрее: масса в нём постоянно колеблется. При вращении на колеблющееся тело действует сила Кориолиса, перпендикулярная колебаниям, — по её величине и вычисляют скорость поворота.

3. GPS: навигация с помощью часов

Спутник GPS не знает, где вы. Он лишь непрерывно передаёт: «я такой-то спутник, сейчас на моих атомных часах такое-то время, и вот мои точные координаты». Приёмник сравнивает время отправки со временем приёма и, умножив задержку на скорость света, получает расстояние до спутника. Расстояние до одного спутника задаёт сферу, до трёх — точку. Но часы в телефоне неточные, поэтому нужен четвёртый спутник: он позволяет вычислить и ошибку собственных часов приёмника.

Точность нужна чудовищная: свет проходит 30 см за наносекунду. А ещё приходится учитывать теорию относительности: из-за слабой гравитации на орбите и скорости спутника их часы уходят вперёд примерно на 38 микросекунд в сутки. Без поправки ошибка позиционирования росла бы примерно на 10 км каждый день.

4. Микроволновая печь

Магнетрон — вакуумная лампа, в которой электроны летят по спирали в магнитном поле мимо резонансных полостей и возбуждают электромагнитную волну частотой 2,45 ГГц. Молекулы воды полярны (у них есть «плюс» и «минус»), и переменное поле крутит их туда-сюда миллиарды раз в секунду. Трение молекул превращается в тепло. Распространённый миф — что частота подобрана под «резонанс воды»; на деле это просто разрешённый для таких устройств диапазон, где волна прогревает еду на несколько сантиметров вглубь.

Внутри камеры волны отражаются от стенок и образуют стоячую волну с горячими и холодными точками. Отсюда вращающийся поддон: он проводит еду через разные точки. Металлическая сетка на дверце работает как стена для волны: её отверстия намного меньше длины волны (~12 см), поэтому микроволны не выходят, а свет — проходит.

5. Холодильник и кондиционер

Холодильник не «производит холод», он перекачивает тепло изнутри наружу. Хладагент циркулирует по замкнутому кругу:

1. Компрессор сжимает газообразный хладагент — тот сильно нагревается.
2. В решётке на задней стенке (конденсатор) горячий газ отдаёт тепло комнате и превращается в жидкость.
3. Жидкость проходит через узкую трубку (капилляр), давление резко падает.
4. Внутри морозилки (испаритель) жидкость при низком давлении закипает и испаряется, забирая тепло у продуктов — точно так же, как вас охлаждает испаряющийся пот.
5. Газ снова возвращается в компрессор.

Кондиционер и тепловой насос — та же машина. Тепловой насос зимой «выкачивает» тепло из холодного уличного воздуха в дом и на каждый киловатт электричества переносит 3–4 киловатта тепла: он не греет, а переносит.

6. Оптическая мышь

Внизу мыши стоит крошечная камера низкого разрешения (порядка 20×20–30×30 пикселей) и светодиод или лазер, светящий под острым углом, чтобы подчеркнуть микрорельеф стола. Камера делает тысячи снимков в секунду, а встроенный процессор сравнивает каждый кадр с предыдущим и ищет, на сколько пикселей сдвинулась картинка. Это та же задача, что решают системы зрения роботов, — оптический поток.

7. Маленькая зарядка для телефона

Старые блоки питания были тяжёлыми из-за трансформатора на 50 Гц: чем ниже частота, тем больше нужен сердечник. Современная зарядка сначала выпрямляет сетевое напряжение, затем транзистор нарезает его импульсами с частотой в десятки и сотни килогерц. На такой частоте трансформатор может быть крошечным. После него — снова выпрямление и сглаживание, а обратная связь через оптрон регулирует ширину импульсов так, чтобы на выходе держалось ровно нужное напряжение.

Зарядки на нитриде галлия (GaN) ещё меньше: GaN-транзисторы переключаются быстрее и с меньшими потерями, значит, можно поднять частоту и уменьшить детали. А протокол USB Power Delivery позволяет телефону и зарядке «договориться»: сначала идёт 5 В, потом по линиям связи телефон запрашивает 9, 15 или 20 В — и только тогда зарядка их выдаёт.

8. Индукционная плита и беспроводная зарядка

Под стеклом индукционной плиты — плоская катушка, по которой течёт переменный ток частотой 20–100 кГц. Её переменное магнитное поле наводит в дне кастрюли вихревые токи, и дно греется само. Стекло при этом нагревается только от горячей посуды. Поэтому плите нужна посуда из ферромагнитного материала: в нём нагрев намного эффективнее, а алюминиевая или медная кастрюля почти не греется.

Беспроводная зарядка (стандарт Qi) — та же индукция, но вторая катушка стоит в телефоне и собирает энергию полезно, а не греет металл. Если между телефоном и зарядкой положить монету, она начнёт нагреваться — поэтому зарядки умеют обнаруживать посторонние предметы.

9. QR-код, который читается даже порванным

Три больших квадрата по углам — метки, по которым камера находит код и определяет его поворот при любом наклоне. Маленькие квадраты и пунктирные линии между метками помогают выровнять сетку даже на изогнутой поверхности.

Самое умное — коррекция ошибок Рида–Соломона. К данным добавляются избыточные байты, вычисленные по специальным формулам. В зависимости от уровня (L, M, Q, H) код восстанавливается при повреждении от 7 до 30% площади. Поэтому в середину QR-кода можно вставить логотип — для программы это просто «повреждение», которое она исправит. Та же математика защищает данные на компакт-дисках, в спутниковой связи и в памяти SSD.

10. Лифт

Кабина висит на тросах, переброшенных через шкив лебёдки, а с другой стороны тросов — противовес, примерно равный массе кабины плюс 40–50% максимального груза. Мотор поднимает не всю кабину, а только разницу, поэтому ему хватает в разы меньшей мощности. Трос не наматывается на барабан, а держится на шкиве за счёт трения, которое создаёт вес кабины и противовеса.

От падения защищают ловители: если кабина разгоняется быстрее допустимого, отдельный ограничитель скорости затягивает клинья, которые заклинивают кабину на направляющих. Эта система работает механически, без электричества, — и стоит со времён Элиши Отиса, который в 1854 году на выставке в Нью-Йорке стоял на поднятой платформе и приказал перерубить её трос: платформа опустилась лишь на несколько сантиметров и замерла.