Moderne Erfindungen
Kamera
In diesen Tagen der Einwegkameras, Digitalkameras und Kamerahandys ist es schwer vorstellbar, dass Menschen ihre Erinnerungen nicht auf Knopfdruck in Farbe aufzeichnen konnten. Vor 1888 war die Fotografie teuer und die notwendige Ausrüstung umständlich. Aber dann entwickelte George Eastman Rollfilm und patentierte die erste tragbare Kodak-Handkamera. Die Kamera war mit Film vorinstalliert, und nach 100 Belichtungen schickte der Besitzer die gesamte Kamera an die Eastman Kodak Company, wo der Film entfernt und entwickelt wurde. Kodak lud neuen Film in die Kamera und schickte die Bilder und die Kamera an den Besitzer zurück. Mit anderen Worten, Eastmans Slogan ‚Sie drücken den Knopf und wir erledigen den Rest‘ war sehr genau!
Eine Kamera kann eine sehr komplexe Maschine mit Fokussiermechanismen, Blitzen und anderen Funktionen sein, benötigt aber im Grunde nur drei Hauptelemente:
- Linse. Licht wird von einem Objekt in alle Richtungen reflektiert. Eine konvexe Linse biegt die Lichtstrahlen und fokussiert sie so, dass sie in einem einzigen Punkt zusammenlaufen. An diesem Punkt wird ein umgedrehtes, umgekehrtes ‚reales Bild‘ des Objekts gebildet. (Sie können sehen, wie eine Linse das Licht fokussiert, indem Sie eine Linse über ein weißes Blatt Papier vor ein Fenster halten. Das Sonnenlicht sollte als kleiner heller Strahl auf dem Papier erscheinen. Um ein Bild aufzunehmen, muss ein Kameraobjektiv das von der Szene davor reflektierte Licht auf einen kleinen Bereich auf einer lichtempfindlichen Oberfläche fokussieren.
- Lichtempfindliches Material. In einer Kamera fokussiert das Objektiv das Licht auf einen Punkt auf dem Film. Der Film wird mit Chemikalien behandelt, die bei Lichteinwirkung eine chemische Reaktion eingehen und so das Bild aufnehmen. Da er lichtempfindlich ist, muss der Film in einem dunklen Raum entwickelt werden. Die Entwicklung umfasst mehrere Schritte und verschiedene Arten von Chemikalien, bevor Sie ein Bild für Ihr Sammelalbum fertig machen.
- Verschluss. Da der Film sehr lichtempfindlich ist, wird er ruiniert, wenn er zu lange belichtet wird. Der Verschluss ist der Teil der Kamera zwischen Objektiv und Film – er steuert, wann und wie lange Licht den Film erreichen kann. Wenn Sie ein Bild aufnehmen, öffnet sich der Verschluss, sodass Licht auf den Film trifft, und schließt sich dann fast sofort. Wie lange der Verschluss geöffnet bleibt (Belichtungszeit) hängt davon ab, wie empfindlich Ihr Film ist und wie viel Licht vorhanden ist. An hellen, sonnigen Tagen muss der Verschluss viel weniger Zeit offen bleiben als nachts.
Sie fragen sich vielleicht, warum das reale Bild verkehrt herum und umgekehrt ist. Dies liegt daran, dass Licht, das von der Unterseite eines Objekts abprallt, von der Linse nach oben gebogen werden muss und Licht von oben nach unten gebogen werden muss. Sie werden sich kreuzen, also wenn sie das Bild machen, wird es verkehrt herum sein. Das Gleiche passiert von Seite zu Seite, weshalb das Bild auch umgekehrt wird.
Der früheste Kameratyp wurde Camera obscura genannt, was lateinisch für ‚dunkler Raum‘ ist. Es bestand aus einem dunklen Raum mit einem winzigen Loch, durch das Licht hindurchtreten konnte. Das Loch wirkte wie eine Linse, weil es nur Licht als einen einzigen schmalen Strahl eindringen ließ; dieser Strahl erzeugte ein umgekehrtes Bild von äußeren Objekten an der Wand gegenüber dem Loch. Da Aristoteles diese Art von Kamera in seinen Schriften erwähnt, wissen wir, dass sie bereits 300 v. Chr. zur Betrachtung der Sonne verwendet wurde! Schließlich bestand die Camera Obscura aus einer großen Schachtel und hatte Linsen, um das Bild mit der rechten Seite nach oben zu drehen. Historiker glauben, dass Künstler wie Johannes Vermeer diese verwendeten, um ein Bild der Szene zu sehen, die sie malen wollten.
Die Camera obscura erreichte nur die Hälfte dessen, was eine moderne Kamera kann – sie fokussierte das von Objekten reflektierte Licht in einen einzigen schmalen Strahl, der ein reales Bild der Objekte erzeugte. Aber das erzeugte nur das Bild; es zeichnete es nicht auf. Erst im frühen 19.Jahrhundert entwickelten Wissenschaftler lichtempfindliche Platten, die das Bild empfangen konnten. Und die frühen Methoden waren nicht sehr effizient – fotografische Bilder waren das Ergebnis von 8 Stunden oder mehr Belichtung. Schließlich erfand ein Franzose namens Daguerre die Daguerreotypie – ein Prozess des Fotografierens auf Metallplatten. Die Belichtungszeit war erheblich kürzer – etwa 10 bis 20 Minuten –, aber immer noch lang genug, um zu erklären, warum die Leute auf diesen alten Fotos nicht versucht haben zu lächeln! Durch die Bemühungen vieler verschiedener Menschen wurde die Belichtungszeit Mitte der 1800er Jahre auf wenige Sekunden reduziert. Als Eastman herausfand, wie man den Film so rollt, dass er in eine Handkamera passt, wurde die Fotografie für die Massen verfügbar, und Kameras sind seitdem unverzichtbar!
Die Kameratechnologie schreitet weiter voran. Die heutigen Digitalkameras verzichten komplett auf Film. Das Licht wird auf einen Halbleiter fokussiert, der es elektronisch aufzeichnet, anstatt chemisch wie Film. Dann werden die elektronischen Impulse in die 1s und 0s der Computersprache umgewandelt und erzeugen ein Bild, das aus winzigen farbigen Punkten oder Pixeln besteht. Diese Bilder können einfach geändert, in der Größe geändert, per E-Mail gesendet oder auf Websites hochgeladen werden.
Möchten Sie Ihre eigene Camera Obscura machen? Es wird auch eine Lochkamera genannt, und Sie können eine mit diesem wissenschaftlichen Projekt machen.
Staubsauger
Stellen Sie sich vor, Sie möchten Ihre Teppiche in den frühen Jahren des 20. Sie müssten einen Staubsaugerdienst von Tür zu Tür anrufen, der eine riesige Pferdemaschine zu Ihnen nach Hause schicken würde. Schläuche würden durch Ihre Fenster geführt und an das benzinbetriebene Vakuum draußen auf der Straße angeschlossen. Nicht sehr praktisch, oder? Und als 1905 das erste tragbare elektrische Vakuum erfunden wurde, wog es 92 Pfund … auch nicht sehr praktisch!
Staubsauger haben im Laufe der Jahre viele Modifikationen erfahren, von einfachen Teppichkehrmaschinen bis hin zu leistungsstarken elektrischen Saugmaschinen. Der Staubsauger, wie wir ihn kennen, wurde 1907 von James Murray Spangler erfunden. Er benutzte einen alten Lüftermotor, um eine Absaugung zu erzeugen, und einen Kissenbezug an einem Besenstiel für den Filter. Er patentierte seine Saugkehrmaschine, aber bald darauf kaufte William H. Hoover sein Patent und gründete die Hoover Company, um die Staubsauger herzustellen. Die zehntägige kostenlose Testversion von Hoover und der Verkauf von Tür zu Tür brachten bald Staubsauger in Häuser im ganzen Land. Im laufe der jahre Hoover hinzugefügt komponenten (wie die ‚beater bar‘) zu entfernen schmutz in die teppich so die vakuum könnte saugen es up.
Staubsauger arbeiten nach dem Bernoulli-Prinzip, das besagt, dass mit zunehmender Luftgeschwindigkeit der Druck abnimmt. Luft strömt immer von einem Hochdruckbereich in einen Niederdruckbereich, um den Druck auszugleichen. Ein Staubsauger hat einen Ansaugstutzen, an dem Luft eintritt, und einen Auslassstutzen, an dem Luft austritt. Ein Ventilator im Vakuum drückt Luft mit hoher Geschwindigkeit in Richtung der Auslassöffnung, wodurch der Druck der Luft im Inneren nach dem Bernoulli-Prinzip gesenkt wird. Dies erzeugt eine Absaugung – die Luft mit höherem Druck von außerhalb des Vakuums strömt durch den Ansaugstutzen ein, um die Luft mit niedrigerem Druck zu ersetzen. Die einströmende Luft trägt Schmutz und Staub von Ihrem Teppich mit sich. Dieser Schmutz wird im Filterbeutel eingeschlossen, aber die Luft strömt direkt durch den Beutel und aus dem Auspuff. Wenn der Beutel voller Schmutz ist, verlangsamt sich die Luft und der Druck steigt an. Dies senkt die Saugleistung Ihres Vakuums, weshalb es nicht so gut funktioniert, wenn der Beutel voll ist.
Machen Sie einen Staubsauger
Ein Staubsauger kann Schmutz vom Teppich saugen, da Hochdruckluft von außen in Richtung Niederdruckluft im Inneren strömt. In einem elektrischen Vakuum bewirkt ein Ventilator, dass sich die Luft im Vakuum schnell bewegt, was den Luftdruck senkt und eine Absaugung verursacht. Die höhere-druck luft von außerhalb der vakuum ist angesaugt in zu ersetzen die low-druck luft, bringen schmutz und staub mit es zu gefangen werden in die filter tasche.
In diesem Projekt können Sie einen Handpumpenstaubsauger herstellen, der den Luftdruck im Inneren ändert und mit einem Kolben anstelle eines Lüfters eine Absaugung erzeugt. Befolgen Sie die Anweisungen, um Ihr Vakuum herzustellen, und lesen Sie dann die Erklärung, wie es funktioniert! Ein Erwachsener muss beim Schneiden helfen.
Was Sie brauchen:
- 2- liter kunststoff soda flasche
- Ping-pong ball
- rasierklinge, box cutter, oder sharp schere
- Band
- Gewinde
- Papier
- Tissue papier
Was Sie Tun:
1. Schneiden Sie den Boden der Sodaflasche etwa 1/3 des Weges von der Basis ab. Schneiden Sie nun einen Schlitz auf einer Seite des unteren Drittels der Flasche ab – so können Sie ihn in den oberen Teil der Flasche schieben, damit er als Kolben fungieren kann.
2. Schneiden Sie einen 6 ‚x3‘ Papierstreifen ab und falten Sie ihn der Länge nach zur Hälfte, um zusätzliche Festigkeit zu erzielen. Kleben Sie jedes Ende dieses Streifens auf den Boden der Flasche, um einen Griff für Ihren Kolben zu machen.
3. Schneiden Sie im oberen Teil der Flasche ein 3/4-Zoll-Loch etwa 1-1 / 2 Zoll unter dem Hals. Dieses Loch führt zum Filterbeutel.
4. Machen Sie einen Filterbeutel für Ihr Vakuum mit einem 6 ‚x4‘ Stück Seidenpapier. Falten Sie das Papierrechteck in zwei Hälften und kleben Sie die Seiten zu einer Tasche zusammen. Kleben Sie dies über das Loch, das Sie in der Nähe des Flaschenhalses gemacht haben.
5. Kleben Sie ein Ende des Fadens auf den Tischtennisball. Legen Sie den Ball in den oberen Teil der Flasche. Führen Sie das freie Ende des Fadens durch die Mündung der Flasche und kleben Sie es an die Außenseite der Flasche, so dass der Tischtennisball nur leicht unter dem Hals hängt.
Wie funktioniert dieser Apparat, den Sie gerade gemacht haben? Drücken Sie den unteren Teil der Flasche in den oberen Teil und ziehen Sie ihn dann scharf zurück. Dies verringert den Luftdruck in der Flasche, da jetzt ein größerer Raum für die gleiche Luftmenge vorhanden ist. Die Luft mit niedrigerem Druck in der Flasche saugt an und zieht Luft mit höherem Druck von außen durch den Mund. Drücken Sie nun den Kolben wieder ein; Dies komprimiert die Luft und erhöht den Druck, so dass Luft aus der Flasche zurückströmt. Der Tischtennisball funktioniert wie ein Ventil – wenn Sie den Kolben hineindrücken, drückt er den Ball in den Flaschenhals, so dass die Luft durch das Loch mit dem Filterbeutel austritt und nicht durch den Mund austritt.
Jetzt setzen ihre vakuum zu arbeiten! Versuchen Sie, Semmelbrösel oder winzige Papierkugeln aufzusaugen. Wenn Sie den Kolben herausziehen, werden sie in die Flasche gesaugt, und wenn Sie den Kolben hineindrücken, werden sie in den Filterbeutel gedrückt.
Experimentieren Sie, um herauszufinden, wie Sie Ihr Flaschensauger am besten verwenden können. Funktioniert es besser, den Kolben schnell zu pumpen? Sollten Sie den Kolben schneller herausziehen als hineindrücken? Können Sie sich Ideen vorstellen, um das Design und die Effizienz Ihres Vakuums zu verbessern? Probieren Sie es aus!
Die Erfindung des Mikrowellenofens
Manchmal erfinden Menschen Dinge, weil sie es versuchen – sie haben eine Idee und experimentieren mit Möglichkeiten, sie auszuführen. Andere Zeiten Erfindungen passieren, ohne dass jemand für sie planen; dies ist, wie der Mikrowellenherd erfunden wurde.
Während des Zweiten Weltkriegs arbeitete eine Reihe von Wissenschaftlern an der Verbesserung von Radarsystemen für Flugzeuge. Diese Systeme benötigten Magnetrons – Vakuumröhren, die hochfrequente Radiowellen erzeugen – und sie brauchten viele davon. Aufgrund ihrer Komplexität konnten sie jedoch nur mit einer Rate von weniger als 20 pro Tag hergestellt werden. Dann entwickelte Percy Spencer, ein Mitarbeiter der Firma Raytheon, einen Weg, um das Magnetron zu vereinfachen und die Produktion zu steigern. Dank seiner Innovationen stieg die Produktion auf 2.600 Magnetrons pro Tag, was die Kriegsanstrengungen erheblich unterstützte.
Kurz nach Kriegsende entdeckte Spencer zufällig eine andere Verwendung für Magnetrons. Er setzte seine Radarforschung in einem Raytheon-Labor fort, und als er vor einem Magnetron stand, stellte er fest, dass der Schokoriegel in seiner Tasche schmolz. Seine Neugier wurde lebendig und er testete schnell die Wirkung des Magnetrons auf ungeknalltes Popcorn. Als die Kerne explodierten, wusste er, dass er wirklich etwas vorhatte!
Die Magnetrons emittierten Energie in Form von hochfrequenten Radiowellen, Mikrowellen genannt. (Erfahren Sie mehr über Radiowellen und elektromagnetische Strahlung in unserem Artikel über Energie.) Bei dieser Frequenz passieren Mikrowellen Glas, Keramik und Kunststoff, werden aber von Wasser, Fetten und Zuckern absorbiert. Diese Energieaufnahme ‚regt‘ die Atome an und die Nahrung erwärmt sich.
Spencer und Raytheon begannen mit der Entwicklung des Mikrowellenofens und produzierten 1947 die erste kommerzielle Version. Es kostete $ 5.000, wog 750 Pfund und war 5’6′ groß. Nicht nur das, Es wurde auch ein Wasser-Kühlmittel-System verwendet, für das überall dort, wo die Mikrowelle verwendet wurde, zusätzliche Rohrleitungen installiert werden mussten. Wie Sie sich vorstellen können, war es kein sofortiger Erfolg.
Der Erfolg war vielleicht nicht sofort, aber in diesem Fall war er unvermeidlich. Kontinuierliche Entwicklung und technologischer Fortschritt produzierten schließlich die kleinen, effizienten Mikrowellen, die wir heute in fast jedem Haus in Amerika haben. Und alles begann mit einem klebrigen, klebrigen Unfall!
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Lesen Sie mehr über Alexander Graham Bell, Thomas Edison und die Gebrüder Wright und bauen Sie Ihre eigene Glühbirne! Finden Sie all dies in unserer ersten modernen Erfindungen Wissenschaft Lektion.