نعلم جميعًا من الأفلام أن طرف المنظار الذي يطل من الماء ويكشف موقع الغواصة • "منظار افتراضي" تم تطويره في التخنيون يسمح لأول مرة بمراقبة ما يحدث فوق السطح بالكامل تحت الماء البحر * سيتم الكشف عن المنظار ضمن ليلة العلماء في التخنيون يوم الخميس القادم
بقلم إيرين بيبا، مراسلة "مختبرة" *
على مر السنين، حدثت بعض التغييرات في البنية الفيزيائية والميكانيكا الداخلية للمنظار، ولكن بقي شيء واحد كما هو: لرؤية ما يحدث فوق سطح البحر، يجب أن يخرج حتى المنظار الحديث الأكثر تقدمًا من الماء . وعندما يتم استخدام المنظار كسلاح حربي غرضه مراوغة سفن العدو، فمن الواضح أن هذا البروز ليس خطوة ذكية. ولهذا السبب يحاول العلماء والمهندسون منذ أكثر من عشر سنوات تصميم منظار افتراضي - جهاز قادر على رؤية ما يحدث خارج الماء دون الاضطرار إلى الارتفاع فوق مستوى سطح البحر. وقد أحرزت مجموعة من الباحثين في التخنيون الآن تقدمًا مثيرًا للإعجاب في هذا الصدد.
المناظير: تاريخ موجز
تم تصميم المنظار الأول، بحسب المعلومات المتوفرة لدى البحرية الأمريكية، عام 1854 على يد كيميائي فرنسي يدعى إيدمي إيبوليت ماري ديفي. لقد كانت مجرد أسطوانة طويلة، تم تثبيت مرآة عند كل طرف منها بزاوية 45 درجة. وفي العقود التي تلت ذلك، جرت عدة محاولات لتحسين الجهاز، وكان أحد الإصدارات عبارة عن أسطوانة تم تثبيت ثمانية موشورات بداخلها.
وكان المنظار الحديث الذي نتذكره من السينما نسخة محسنة من هذه النماذج. الإصدار الجديد، الذي حصل على براءة اختراعه في عام 1911 من قبل الدكتور فريدريك كولمورغن، استبدل سلسلة العدسات (أو المنشور) بزوج من التلسكوبات. وهذا الهيكل يلغي تماما الحاجة إلى تثبيت العدسات على طول الأسطوانة والمرايا في أطرافها، كما أتاح بناءها بأطوال مختلفة وتقليل الفتحة الخارجة من الماء. أسس كولمورجان شركة قامت بتطوير التلسكوب وإتقانه، ولا تزال هذه الشركة - كولمورجان - تعمل حتى اليوم.
لقد خضع التصميم الأصلي لـ Kollmorgen للعديد من التحسينات على مر السنين - إضافة الرؤية الليلية، والتعرف على أنماط النجوم، والتكبير البصري والهوائيات للاتصالات عبر الأقمار الصناعية - لكن الهيكل العام ظل دون تغيير تقريبًا. فقط في الستينيات قامت البحرية الأمريكية بتطوير المنظار من النوع 18، والذي تم تجهيزه بكاميرات تلفزيونية تنقل الصور في جميع أنحاء الغواصة وتقوم بتسجيلها أيضًا.
وقبل نحو عقد من الزمان، استبدلت البحرية الأمريكية المناظير في الغواصات الهجومية "فيرجينيا" بصواري فوتونية، وهي أذرع تلسكوبية تم تركيب في أعلاها كاميرات رقمية وكاميرات تعمل بالأشعة تحت الحمراء. وبما أن هذه الأجهزة لا تحتوي على مرايا ولا تلسكوبات، فلا داعي لوضع غرف تحكم تحتها. ولذلك، قامت البحرية بنقل MIK (مركز المعلومات القتالية) بعيدًا عن جوانب الغواصة وخفضته إلى الطابق السفلي، حيث توجد مساحة أكبر بكثير.
المناظير في المستقبل
تتمتع الصواري الضوئية بالعديد من المزايا، أهمها حقيقة أنها توجه الغواصة إلى العصر الرقمي. ومع ذلك، فإنها تجبر المستخدم أيضًا على "إلقاء نظرة خاطفة" فوق سطح الماء، وبالتالي فهي ليست خلسة حقيقية.
يعمل يوآف شيشنر، الأستاذ في كلية الهندسة الكهربائية في التخنيون، على تطوير منظار أفضل. لقد كرس السنوات القليلة الماضية للتعامل مع المشاكل الرئيسية المتعلقة بتطوير المنظار الافتراضي الذي سيكون قادرًا على تسجيل النشاط فوق مستوى سطح البحر من الماء.
العقبة الرئيسية أمام بناء المنظار تحت الماء هي انكسار الضوء عند التقاطع بين الماء والهواء. هذه الظاهرة مألوفة لدى أي شخص سبق له أن غاص في بركة ونظر إلى الأعلى، أو وضع ملعقة في كوب من الماء: عندما تخترق أشعة الضوء الماء، فإنها تنكسر، وهذا يعني أن الأجسام الموجودة خارج الماء (أو داخل الماء، مثل الملعقة) تبدو مشوهة. كلما كان سطح الماء متموجًا، كلما انحرفت أشعة الضوء في اتجاهات مختلفة، ونتيجة لذلك، أصبحت الكائنات الموجودة بالخارج مشوهة أكثر.
للحصول على صورة واضحة من وجهة نظر تحت الماء، يجب علينا تصحيح التشويه الناتج في وسط الهواء والماء. إحدى الطرق للقيام بذلك هي قياس الموجات وفهم كيفية تأثير حركة الماء في أي لحظة على الصورة الناتجة. يبدو هذا التحدي معقدًا للغاية بحيث لا يمكن تحقيقه، ولكن في علم الفلك تم تنفيذ مثل هذا التصحيح منذ سنوات عديدة. "رؤية الفضاء من خلال تلسكوب أرضي يمر عبر الغلاف الجوي"، يوضح شيشنر مصدر الإلهام لحله الرائد، "لذلك يجب على علماء الفلك قياس التشوهات التي يسببها الغلاف الجوي لأشعة الضوء وتصحيحها. ولهذا الغرض يستخدمون النجم المرشد، أي جسم سماوي معروف شكله، أو يصنعون مثل هذا الجسم الافتراضي من خلال تسليط الليزر نحو الغلاف الجوي العلوي، ومن ثم قياس التشوهات التي تحدث فيه.
لسوء الحظ، في وسط البحر لا يوجد الكثير من الأشياء التي يمكن أن تكون بمثابة نجم مرشد، باستثناء شيء واحد: الشمس! لذلك، صمم شاشنر نظامًا للتصوير الفوتوغرافي يستخدم الشمس (أو القمر ليلاً) كنقطة مرجعية ثابتة تسمح بإزالة التشويه في الصور. هذه هي الطريقة التي تعمل بها الكاميرا: نصف مجال رؤية الكاميرا مغطى بمجموعة من الثقوب - قطعة معدنية تم عمل ثقوب فيها على مسافة 1.8 سم من بعضها البعض. يتم تركيب ناشر ضوء شبه شفاف أسفل مجموعة الثقوب، مما يسمح لنقاط الضوء المنبعثة من الثقوب بالهبوط على السطح وبالتالي يكشف للمستخدم في أي اتجاه تتحرك عند دخول الماء.
"إذا لم يكن الماء ساكناً تماماً، فإن الأشعة تتكسر وتتشوه بشكل مختلف في كل ثقب، وستكون المسافة بين النقاط المسقطة على الشاشة غير متساوية لأن الأمواج تسبب اضطرابات. النقاط لا تستقر في مكانها المتوقع، وهذا السلوك الجامح يشكل مصدرا مهما جدا للمعلومات بالنسبة لنا. ومن خلال التقاط لقطة الشاشة وقياس حركة النقاط، يمكننا قياس التشويه."
النصف الآخر من مجال رؤية الكاميرا غير مغطى، ولكنه يشير ببساطة إلى الهدف (الشمس أو أي جسم آخر) ويلتقط صورة ضبابية. سبب تقسيم الكاميرا هو أنه من الضروري التقاط الصورتين في نفس الوقت من أجل "رسم خريطة" للتشويه الناتج عن الماء بشكل صحيح. تعتبر الشمس نقطة مرجعية ثابتة فعالة بشكل خاص في حالة تحرك الجسم المطلوب. بمجرد التقاط الصورة، يتم تحليلها بواسطة خوارزمية مخصصة تقارن الصورتين وتحسب التشويه وتزيله.
حسنًا، كيف تبدو الصور الملتقطة بواسطة هذا المنظار المبتكر، واسمه "ستيلا ماريس"؟ يقول شيشنر: "إنهم ليسوا مثاليين، لكن جودتهم تتحسن باستمرار". "لقد حققنا حتى الآن انخفاضًا كبيرًا في التشويه، حتى لو لم نقم بإزالته بالكامل. نحن نحاول أن نفعل شيئًا لم نفعله من قبل. على حد علمنا، واستنادًا إلى الأدبيات المهنية، لم يقدم أحد على الإطلاق منظارًا افتراضيًا. تحدث الناس عنه، ولكننا تمكنا من تقديم لأول مرة نظام أساسي وخام يعمل بنجاح. وكما ذكرنا فهذه هي النتائج الأولية."
ويعتزم شاشنر واثنان من طلابه، مارينا ألترمان ويوتشاي سابيرسكي، تطوير نسخة قابلة للتطبيق تجاريًا من النظام. بالإضافة إلى تحسين دقة الصور ووضوحها، يخطط شاشنر لتقليل حجم النظام (النظام الحالي عبارة عن صندوق كبير). "لدينا أرنب آخر في القبعة. النظام الحالي أولي للغاية وكبير وأخرق ولكنه جيد كطيار. نحن بحاجة إلى معرفة زاوية الشمس بالنسبة للنظام، ولهذا نستخدم بوصلة خام ومستوى أساسي. سيكون من الرائع لو تمكنا من إدخال مستشعر إلكتروني في النظام من شأنه أن يوفر لنا توجيهًا أكثر دقة للنظام. نعتزم أيضًا تحسين الدقة عن طريق تقليل المسافة بين الثقوب، على الرغم من وجود قيود معينة هنا: إذا كانت المسافة بين الثقوب قصيرة جدًا، فمن الصعب ربط نقاط الضوء بالثقوب الصحيحة.
ورغم أنه نظام أساسي، إلا أن شيشنر يقول إنه تلقى بالفعل استفسارات من جهات مهتمة بتطبيقه. ويقول إن المنتج النهائي قد لا يفيد الغواصات فحسب، بل أيضًا الغواصين الذين يسعون إلى معرفة توجهاتهم في الماء. وقد تساعد التكنولوجيا الجديدة أيضًا العلماء الذين يدرسون الحيوانات التي تقطع المياه بشكل متكرر - على سبيل المثال الحيتان والدلافين التي تقفز من البحر - في محاولة لفهم كيفية تنقلها بين الوسطين دون انقطاع. وعلى أية حال، فإن تطوير مثل هذا المنتج التجاري سوف يتطلب بضع سنوات أخرى.
* المقال مقتبس من مقال منشور على الموقع العلمي Tested بتاريخ 2 سبتمبر 2014
تعليقات 9
إيال
لقد استجبت لأبي، وليس لك. أفهم ما تقوله عن الأمواج ويبدو لي أنه صحيح. لقد قدمت استخدامًا مختلفًا للفكرة - اقتراب الغواص من سفينة شراعية. الزوايا هنا أعلى وأعتقد أيضًا أن مشكلة الأمواج أقل (بسبب القرب من اليخوت).
نسيم، اقرأ ردي الأول، أعتقد أن هناك فرق كبير جدًا بين المنظار الذي يرتفع إلى ارتفاع حوالي 3 أمتار فوق الماء وبين الذي يقتصر على مستوى سطح البحر، على ارتفاع 3 أمتار، مشكلة الاختباء الموجات التي تحدثت عنها تختفي بالكامل تقريبًا.
أما الأسماك فتصطاد الحشرات التي ترتفع عنها حوالي 70° - 90° ويتم ذلك أيضًا في بحيرة هادئة بدون أمواج... الأمر مختلف تمامًا عندما يتعين عليك مشاهدة هدف بعيد في الأفق وعلى ارتفاع 2 متر. يخفيها عنك الموج..
أبي
أفكارك تبدو جيدة بالنسبة لي، ولكن لا أعتقد أنك على حق في أن الفكرة ليس لها أي فائدة. يتم رفع المنظار إلى ارتفاع حوالي 3 أمتار فوق الماء، وبالتالي فإن المسافة إلى الأفق لن تتغير كثيرًا إذا كان المنظار تحت الماء.
يمكن أن تكون الفكرة مفيدة أيضًا للغواص الذي يريد الاقتراب من السفينة دون أن ينكشف. سيتمكن من رؤية ما هو موجود على متن السفينة من مسافة بعيدة دون أن يتمكن من رؤيته من على سطح السفينة. هناك أسماك بالفعل تستخدم الفكرة لصيد الحشرات، فربما عند الله براءة اختراع لها؟ (الأصح - كان لديه براءة اختراع... لقد مر أكثر من 20 عامًا)
بالنسبة للمستجيب أبي، الأمر مضحك، لكن بالأمس فقط كنت أفكر في فكرة مماثلة، إطلاق غواصة صغيرة على مسافة بضع عشرات أو مئات الأمتار من الغواصة الرئيسية، وجعلها تراقب وترسل الفيديو إلى الغواصة الأم... المشكلة هي أن مثل هذه المنشأة ستكشف عن الغواصة المأهولة، وأي شخص يتعرف على منشأة المراقبة المتنقلة (والأمر أسوأ من ذلك مع بالون المراقبة الذي يسهل اكتشافه) سوف يفهم على الفور أن هناك غواصة العدو في المنطقة التي تحتاج إلى الحذر منها... الأمر برمته المتعلق بالغواصات هو أن يكون سريًا، حتى لا يعرف أحد بوجودك هناك.
لن يكون لمثل هذا المنتج أي فائدة لأن المنظار يحتاج أيضًا إلى الارتفاع من أجل مراقبة اتجاه الأفق
سيكون من الحكمة إنشاء طائرة بدون طيار غواصة أو منطاد يمكن إطلاقه تحت الماء ليصعد إلى مكان آخر ويطير على ارتفاع عالٍ ويرسل الصور
ومن الممكن أيضًا إنشاء منظار خفي أو منظار يشبه النفايات أو منظار شفاف من المنشور والزجاج
http://www.tested.com/science/464266-inventing-modern-periscope/
وهناك مشكلة أخرى، في رأيي، ستجعل من الصعب تحقيق الفكرة، وهي أن مياه البحر، عدا عن التشويه الذي تحدثه، فإنها تمتص أيضًا نسبة كبيرة من الضوء الذي يمر عبرها، وهو مصدر ضوء قوي وواضح مثل ضوء الشمس. من المحتمل أن تكون الشمس مرئية، لكني أشك في مصادر الضوء الضعيفة مثل الأهداف البعيدة، مع أن كمية الضوء التي تأتي منها ضعيفة، وسيبتلع الماء جزءاً آخر منها...كمية الضوء الذي سيصل في النهاية إلى منشأة المشاهدة في الغواصة سيكون ضعيفًا جدًا.
آفي، لمعلوماتك، الرابط الموجود في نهاية المقال لا يعمل.
في ظاهر الأمر، تبدو الفكرة مثيرة للاهتمام للغاية، لكن يبدو لي أن هناك مشكلة رئيسية واحدة هنا يمكن ملاحظتها أيضًا في الصورة الأولى المرفقة هنا، وهي أن أمواج البحر تحد بشكل كبير من زاوية الرؤية... حتى لو يتم الحصول على صورة واضحة تمامًا، فإن أمواج البحر (التي عادة ما يتراوح متوسط ارتفاعها بين متر ونصف المتر) إلى مترين في عمق البحر) ستجعل من الممكن تمييز الأهداف القريبة جدًا فقط، وهي الأمواج التي تكون سيؤدي القرب من نقطة المراقبة إلى إخفاء الصورة التي تأتي من الأهداف في الأفق.
ربما يكون الحل الأفضل هو ببساطة نقل الصور من القمر الصناعي فوق المنطقة إلى الغواصة...