2.2 Stakleni disk kao podloga za zrcalo
Postupak brušenja pretvara komad stakla u jednu od najpreciznijih tvorevina koju ljudska ruka moze izraditi, u plohu sa to cnošcu od nekoliko milijuntinki milimetra! Nanošenjem tankog metalnog sloja ova površina postaje zrcalo koje cemo ugraditi u naš astronomski dalekozor. Sva staklena masa ispod zrcalne površine ima samo jednu jedinu ulogu: da sluzi kao nosa c tankom metalnom sloju zrcala i da cuva njegov oblik neovisno o optere cenjima kojima je zrcalo u toku upotrebe izlozeno. Ako je ku cište zrcala dobro izradeno, ta optere cenja poticu samo od vlastite tezine zrcala. Kako za vrijeme promatranja astronomski dalekozor mijenja svoj polozaj, mijenja se i polozaj zrcala prema smjeru sile teze pa se i optere cenje zrcala nastalo zbog tezine materijala od kojeg je ono izradeno, mijenja. Debljina materijala od kojeg je zrcalo izradeno mora biti dovoljno velika da zrcalo pod djelovanjem ovog optere cenja ne mijenja primjetno svoj oblik. Staro pravilo je da se za podlogu zrcala uzima stakleni disk cija debljina je jednaka 1/6 njegovog promjera. Iskustvo i teoretski racun deformacije zrcala zbog vlastite tezine pokazuju medutim da je moguce izraditi sasvim dobra zrcala i na dvostruko tanjim staklenim diskovima. Razlog ovog odstupanja je taj što je pravilo 1/6 izvedeno iz iskustava profesionalnih opticara koji za obradu stakla koriste strojeve. Opterecenja kod strojne obrade znatno su veca nego kod ru cnog brusenja, pa je bolje da je staklo deblje.
Pored toga grubi racuni pokazali su da je kod podupiranja zrcala u tri to cke potrebna ova debljina stakla. Ovi ra cuni nisu uzimali u obzir ovisnost potrebne debljine o promjeru i obi cno su radeni za staklene diskove promjera 150 mm, jer je vecina amaterskih reflektora tridesetih, cetrdesetih i pedesetih godina, kad su se amateri masovnije poceli baviti vlastitom izradom zrcala, bila ovog promjera. Nešto modernije i detaljnije proracune izvršio je poznati ruski opticar D. Maksutov (ref1, str. 73 75). Njegovi rezultati sakupljeni su u tabeli 2.1 i grafi cki prikazani na slici 2.3.
Tabela 2.1: potrebna debljina staklenog diska za zrcalo astronomskog dalekozora u ovisnosti o promjeru zrcala i broju to caka u kojima je ono poduprto.
-
promjer
(mm)
10 100 140 200 250 350 - debljina (mm)
- 3 tocke 0,08 8 16 32 50 98
- 6 tocaka 2,6 5,2 10,6 16,5 33
- 9 tocaka 14 27
Slika 2.3: [veci crtez 12Kb]Potrebna debljina zrcala u ovisnosti o njegovom promjeru i nacinu podupiranja prema racunima D.D.Maksutova.
Vidimo da prijelaz sa 3 na 6 to caka podupiranja zna cajno smanjuje potrebnu debljinu zrcala, dok prijelaz na još veci broj to caka mnogo manje smanjuje potrebnu debljinu.
Na malim skicama sa strane prikazane su to cke u kojima se podupire zrcalo.
Slika
2.4:
[14
Kb] izgled difrakcione slike koju daje prenapregnuto zrcalo, oslonjeno u
3 to cke (ref. 1, str. 70).
Ovaj proracun uzima u obzir samo deformacije zrcala nastale zbog njegove vlastite tezine. To zna ci da ku cište zrcala mora biti tako izradeno da dodatno ne optere cuje zrcalo. Takoder, kod izrade zrcala moze doci do razlu citih mehani ckih opterecenja koja mogu deformirati stakleni disk i onemoguciti postizanje potrebne tocnosti zrcalne plohe. Zbog toga su proracunate debljine podloge za promjere ispod 100 mm premalene, pa je za zrcala manja od 10 mm preporu cljivo koristiti staklo debljine 8 do mm, neovisno o promjeru zrcala.
Minimalna debljina staklenog diska od kojeg se još moze izraditi dobro zrcalo, ovisi i o iskustvu brusaca. Iskusni amateri u stanju su raditi sa znatno tanjim diskovima od neiskusnih.
Naprimjer, Bob Kestner, covjek koji je izradio mnoštvo zrcala promjera izmedu 300 i 600 mm, preporu cuje slijedece minimalne debljine staklenih diskova, u ovom slu caju od Pyrex stakla (ref.2, str):
Tabela 2.2:
minimalne debljine
Pyrex stakla za izradu zrcala po preporuci B. Kestnera.
debljina (mm) 25 40
Ove minimalne debljine preporu cuju se ISKUSNIM amaterima, dakle onima koji su izradili nekoliko dobrih zrcala promjera 15 do 30 cm. Onim drugima još uvijek se preporu cuje da za svoje prvo zrcalo uzmu stakleni disk debljine 1/8 do 1/6 promjera.
Osim mehanickih opterecenja zrcalo mijenja svoj oblik i zbog promjena temperature. Staklo se, kao i svaki drugi materijal, na toplini rasteze. Ovo rastezanje nije veliko, ali je dovoljno da izazove promjene oblika plohe zrcala kad ono nije svugdje iste temperature. Razlike u temperaturi pojedinih dijelova zrcala, naro cito izmedu površine i sredine, nastaju kad se vanjska temperatura prebrzo mijenja, tako da se temperatura zrcala ne stigne izjednaciti sa temperaturom okoline. Zbog toga se unutar staklenog
Tabela 2.3: koeficienti
toplinskog raztezanja raznih vrsta stakala
________________________________________________________
pyrex (boral) 33 x 10E 7
kvarcno staklo 5.6 x 10E 7
diska javljaju razlike u temperaturi koje dovode do nejednakog toplinskog rastezanja pojedinih dijelova staklenog diska a time i do promjene oblika zrcalne plohe. Ova pojava moze kod loše izradenog astronomskog dalekozora i kod naglih promjena temperature potpuno unistiti kvalitetu slike.
Promjene oblika zrcala koje nastaju zbog promjena temperature smanjuju se na dva nacina: izradom zrcala iz stakla sa malim koeficientom toplotnog rastezanja i konstrukcijom astronomskog dalekozora koja omogucava brzo izjednacavanje temperature instrumenta i okoline. Posebno je vazno da se instrument ne iznosi iz tople prostorije u hladnu noc prije samog promatranja ili da preko dana ne bude izlozen direktnom suncevom svjetlu.
Najbolje je instrument sat dva prije po cetka promatranja (najranije nakon zalaska Sunca) postaviti na mjesto promatranja.
Ako je on montiran u kucici ili kupoli, odmah nakon zalaska Sunca treba je otvoriti da bi se do pocetka promatranja dobro provjetrila. Dobra cirkulacija zraka naime prilicno ubrzava izjedna cavanje temperature.
Što se tice stakla od kojeg se izraduju zrcala, ono je kod nas odredeno cijenom i mogucnoscu nabavke. Amateri u razvijenim zemljama koriste gotovo iskljucivo vatrostalno staklo poznato pod imenom Pyrex (Duran 50 i Tempax u SRNJ, Boral kod nas). Mnoga odlicna zrcala izradena su medutim u od obicnog prozorskog stakla (i Mt. Wilson 100"!!), kod cega su narocito popularni stari brodski prozori jer su pristupacne cijene i imaju potreban oblik i debljinu. Kod nas se nazalost i prozorsko staklo, a kamoli brodski prozori, teško nabavlja. Najveca debljina prozorskog stakla koja se moze naci u slobodnoj prodaji je 10 mm, a vrlo rijetko se naide na nešto deblje ( 15 do 20 mm).
Staklo za izradu astronomskih
zrcala obicno se lijeva u diskove ili saca potrebne debljine. Nakon lijevanja
hladi se u posebnim pecima vrlo polagano kako bi se naprezanja u samom staklu
svela na najmanju mogucu mjeru. Ovaj postupak traje nekoliko dana do nekoliko
mjeseci, ovisno o debljini stakla.
Kod nas se nazalost ovako opušteno staklo ne moze lako nabaviti. I diskovi od Borala, ako uspijete doci do njih, i debelo prozorsko staklo hlade se znatno brze, pa nisu tako dobro opušteni kao stakla za astronomsku upotrebu. Srecom i ovi materijali mogu se koristiti bez vecih problema za izradu zrcala a izradena zrcala u najvecem broju slucajeva ne pokazuju nikakav utjecaj naprezanja preostalih u materijalu. Medutim moze se dogoditi da su naprezanja tolika da od tako napregnutog komada stakla nije moguce izraditi dobro zrcalo. Ovo se obicno manifestira kod poliranja na taj nacin da se ploha nikako ne moze dobro korigirati i da se njen oblik mijenja i samim stajanjem. U tom slucaju nema nam druge nego zrcalo izraditi na drugom staklenom disku ili sami opustiti taj.
2.3 Priprema staklenog diska za brušenje zrcala
Prije nego što pristupimo brušenju zrcalne plohe moramo stakleni disk prirediti za brušenje. Ako smo uspjeli nabaviti lijevani ili obrušeni disk mozemo odmah po ceti sa ravnanjem gornje i donje plohe diska. Ako pak nismo te srece, pa smo nabavili pravokutni ili nepravilni komad debelog stakla, moramo ga prvo pretvoriti u okrugli disk. S obzirom na to da se radi o staklu debljine nekoliko centimetara, zarezivanje obicnim rezacima za staklo i lomljenje po zarezanoj crti ne dolazi u obzir, barem ne u neiskusnim amaterskim rukama. Ovakvi pokušaji obicno završe lomom stakla pa ostajemo bez dragocijenog materijala. Da bi debelo staklo puklo po zarezanoj liniji, pogotovo kad je ona zakrivljena (kruznica!) potrebna je velika vještina kod zarezivanja pa se tog posla nerado prihva caju i iskusni staklorezaci. Pa što onda napraviti?
Postoji li u blizini
staklorezac sa pilom za staklo, mozemo ga zamoliti da nam staklo dovede u
priblizno kruzni oblik tako da pilom odreze kuteve kvadrati cnog komada stakla.
Potrebno je na ovaj na cin napraviti barem 15 do 30 rezova kako bi oblik
izrezanog stakla bio dovoljno blizu kruznom (slika 2.5a).
a. grubo rezanje pilom, 15 do 30 rezova.
Preostale neravnine moramo ukloniti rucnim ili strojnim brušenjem. Za rucno brušenje potreban nam je brusni kamen (onaj za nozeve) ili stara brusna ploca od karborunduma krupnoce 120 ili grublje. Obrezani komad stakla postavimo okomito na prikladnu podlogu, nabolje negdje vani jer je posao dosta prljav. Kao podloga moze posluziti svaka cvrsta ravna ploha visine obicnog stola, na koju mozemo staviti komad plasticne folije da se ne zaprlja.
Pored brusnog kamena potrebna nam je posuda u kojoj cemo vlaziti brusni kamen i dosta vode jer cemo cesto morati prati i sebe i stakleni disk. Stakleni disk postavimo okomito na podlogu i pridrzavamo ga jednom rukom (v. sliku 2.5b).
Slika
2.5:[19 Kb]
izrada okruglog
staklenog diska odrezivanjem kutova i rucnim brusenjem, b. rucno uklanjanje
preosta lih neravnina brusnim kamenom.
U drugu ruku uzmemo brusni kamen, dobro ga navlazimo i uz pritisak brusimo obod staklenog diska, pri cemu stakleni disk polagano zakrecemo kako bi cijeli rub bio jednolicno izbrušen.
Kod brušenja pomicemo kamen priblizno u ravnini staklenog diska kako bi se smanjila mogucnost odlamanja komadica stakla sa rubova diska. Brusni kamen mora stalno biti vlazan. Kad se sve neravnine preostale od rezanja izbruse, provjerimo mjerenjem nekoliko promjera da li disk ima kruzni oblik. Dovoljno je da odstupanja od kruznog oblika budu oko 1% promjera diska ili manja. Ako su veca, odredite koji dijelovi diska imaju najveci promjer i brusite samo njih, dok se oblik diska ne dovede dovoljno blizu kruznom. Kod ovog posla najvaznije je strpljenje jer on moze potrajati satima. Kasko je uz to i fizicki dosta naporan, potrebno se cesto odmarati. U literaturi se pod vremenom brušenja uvijek misli na efektivno vrijeme dakle na vrijeme trajanja samog brušenja. Pauze nisu uzete u obzir, što ne znaci da nisu radene i to cesto. Tako napr. kad naidete na podatak da za poliranje 500 mm zrcala treba 8 do 12 sati, to ne zna ci da se taj posao moze obaviti u jednom danu. Prije spomenuti Bob Kestner, polira tako velika zrcaka dnevno dva puta po 15 minuta jer je takav rad vrlo naporan. Izrada zrcala manjih od 200 mm ne zahtijeva velike fizicke napore, ali i tu treba prekinuti rad kad se osjeti zamor.
Individualno je da li ce se pauze raditi svakih 10 minuta ili svaki sat, što ovisi o snazi i pripremljenosti pojedinca.
Na kraju mozemo obod izradenog diska fino izbrusiti kamenom finoce 220 ili 400 kako bi se hrapavost od brušenja grubim kamenom smanjila, ali ovaj postupak uglavnom ima estetski karakter. Kamenom iste finoce moramo izraditi i fazete, ili zakošenja rubova diska. Disk postavimo vodoravno na podlogu i po cijelom obodu odbrusimo rubove diska pod kutem od oko 45 stupnjeva (slika 2.6) tako da oni budu 2 do 3 mm široki. Ovaj postupak neophodan je kako bi se sprije cilo odlamanje komadica stakla sa ruba diska kod brušenja zrcala. Kad god se fazeta zbog brušenja smanji ispod 1 mm, potrebno ju je ponovno izbrusiti!
Slika
2.6: [11
Kb] izrada
fazeta (zakošenih rubova) na staklenom disku.
Ne postoji li u blizini stakloreza c, ili je cijena njegove usluge previsoka, mozemo stakleni disk izrezati sami, uz upotrebu tzv. krunskog svrdla. Krunsko svrdlo (slika 2.7) je tanka metalna cijev sa nareckanim rubom. Ovaj rub maze se smjesom vode i grubog karborunduma. Krunsko svrdlo pritišce se na stakleni komad koji se reze i rukom se lagano okrece, bilo stalno u istom smjeru, bilo amo tamo. Na mjestu dodira svrdla i stakla brusni prah ce ubrzo izgrebsti kanal koji se polagano produbljuje. Postupak bušenja vrlo je spor, ali je njegovo trajanje usporedivo sa vremenom potrebnim da se grubo izrezani stakleni komad ru cno dotjera u okrugli oblik kao što je to opisano na prethodnim stranicama.
Slika
2.7: [21 Kb]
krunsko svrdlo
"domaca" izvedba
h=debljina drva+debljina stakla+2 do 3 cm
Naprimjer, ako je staklo debelo 20 mm a drveni disk 30 sa promjerom od 151 mm, dimenzije limene trake ce biti 474 x 60 70 mm.
Jednostavno krunsko svrdlo moze se vrlo jednostavno izraditi.
Prvo od komada daske ili panel plo ce debljine 2 do 3 cm izrezemo drveni disk ciji promjer je jednak promjeru buduceg zrcala.
Neravnine zaostale od rezanja mozemo obrusiti brusnim papirom, ako nam se cini da su prevelike. Od zeljeznog ili bakrenog lima debljine 0,5 do 1 mm izrezemo traku cija duzina je jednaka opsegu drvenog diska, a širina 2 do 3 cm veca od zbrojene debljine stakla i drvenog diska. Limenu traku omotamo oko drvenog diska, tako da se rub trake poklopi sa rubom diska, i prikucano je cavlicima. Pilom zarezemo slobodni rub limene trake svaka 2 do 3 cm 5 do 10 mm duboko. To cnost razmaka izmedu susjednih rezova je nevazna pa se ovaj posao moze obaviti i od oka. Isto tako je nevazna dubina ureza i njihova okomitost na rub trake. Kad se kod bušenja traka toliko istroši da se dubina ureza smanji na 2 do 3 mm, mozemo ih lako opet produbiti piljenjem.
Prije bušenja dobro je na donju stranu stakla koje ušimo smolom zalijepiti komad obicnog prozorskog stakla. Ovo staklo sprijecit ce odlamanje vecih komada stakla kad krunsko svrdlo proreze svoj put kroz staklo koje bušimo. Prije ljepljenja moramo oba komada stakla lagano zagrijati na 50 do 60 stupnjeva celzijusa. Najbolje je da uzmemo posudu dovoljno veliku da oba komada stakla stanu u nju. Na dno posade postavimo nekoliko drvenih letvica debljine 2 do 3 cm, a na njih oba komada stakla.
Posudu napunimo vodom na sobnoj temperaturi tako da za 2 do 3 cm prekriva stakla. Sve zajedno postavimo na pec i lagano zagrijavamo. Nemamo li termometar, mozemo se posluziti cinjenicom da u vodu temperature oko 50 stupnjeva mozemo na kratko umociti prst a da se ne opecemo. Istovremeno u nekoj maloj posudici rastopimo malo smole (bitumena) tako da bude tekuca, ali ne prevruca.
Najbolje je uzeti neku staru konzervu, jer se posuda jednom zamrljana smolom vrlo teško cisti, a staru konzervu mozemo nakon upotrebe baciti. Kad su stakla zagrijana, izvadimo ih iz vode i brzo osušimo brisanjem. Ne hvatajte stakla golim rukama jer cete se opeci, a staklo ce vjerojatno završiti u više komada na podu.
Za drzanje stakla upotrijebite kozne rukavice ili suhe krpe.
Jedno staklo postavimo na vodoravnu podlogu, najbolje na nekoliko slojeva novinskog papira koji ce zadrzati višak smole. Podloga ne smije biti metalna da se staklo ne bi prenaglo hladilo.
Rastopljenu smolu prelijemo kruznim pokretima preko stakla tako da pokrije cijelu njegovu površinu. Drugo staklo spustimo na smolu i micemo ga amo tamo uz pritisak da bi se višak smole istisnuo izmedu stakala. Kad zbog hladenja micanje postane preteško, opteretimo gornje staklo sa nekoliko kg tega koje postavimo na drvenu dašcicu i sve zajedno ostavimo da se ohladi, najbolje do sutradan. Ako izmedu stakala zaostane nekoliko mjehurica zraka, to nije toliko bitno. Zbog isparavanja rastopljene smole i njenog krajnje nezgodnog svojstva da se lako lijepi na sve što dotakne, najbolje je da cijeli ovaj postupak obavimo vani i u staroj odjeci. Odjecu zamrljanu smolom prakticki je nemoguce o cistiti.
Na ravnu i cvrstu podlogu
postavite nekoliko slojeva papira ili najlon foliju. Najbolje je koristiti prije
opisani radni stol ili dasku. Na tako pripremljenu podlogu postavite
sljepljena stakla tako da je ono koje se buši (debelo staklo) gore.
Staklo osigurajte od micanja, najbolje sa tri komadica drveta prikucana za
podlogu. U nekoj posudici, napr. cašici od jogurta, priredite smjesu
karborunduma i vode tako da izgleda kao zitko blato. Višak vode ne smeta jer ce
karborundum ubrzo sjesti na dno posude. Za bušenje je potrebno uzeti grubi
karborundum, najbolje finoce 120, makar se moze koristiti i 220. Grublji
karborundum buši brze, ali ostavlja i znatno grublju površinu. Bušenje
finocom vecom od 220 vrlo je sporo. Ako ne vjerujete, pokušajte! Zlicicom
zagrabite ovlazeni korund i nanesite ga po obodu krunskog svrdla. Svrdlo
prislonite na staklo i uz pritisak okrecite lijevo desno. Bušiti se moze i
okretanjem u istom smjeru, ali se pokreti lijevo desno lakše izvode. Dobro je
svrdlo opteretiti sa nekoliko kg tereta, kod vecih promjera i sa više od 10,
kako bi se uklonila potreba za stalnim pritiskanjem svrdla koje zamara mnogo
više od samog okretanja svrdla. Zvuk brušenja, ispo cetka vrlo glasan, ubrzo
ce se stišati što je znak da se brusni prah usitnio. Kad se to dogodi,
nadignite krunsko svrdlo i nanesite svjezi brusni prah. Mozete ga nanijeti i na
staklo po tragu koji je ostavilo krunsko svrdlo. S vremena na vrijeme, kad
se na staklu nakupi mnogo brusnog praha, operite svrdlo i staklo cistom vodom pa
onda nastavite brušenje. U po cetku treba paziti da se svrdlo uvijek okrece po
istom tragu, dok si ne ureze kanal koji ce ga voditi kod daljnjeg bušenja. Ovo
neki puta bas ne polazi od ruke. U tom slu caju mozete si pomoci tako da svrdlo
fiksirate sa tri letvice (vidi sliku 2.8). Vodite racuna o tome da se svrdlo
dade lagano okretati.
Slika 2.9: [11 Kb] oblik staklenog diska izrezanog krunskim svrdlom
Ako je svrdlo na ovaj nacin fiksirano, mozete na njega pri cvrstiti i drvenu rucku uz ciju pomoc cete ga lakše okretati.
Ne zaboravite opteretiti svrdlo!
Vec nakon nekoliko minuta bušenja svrdlo ce u staklu urezati plitki kanal, no dok prode kroz cijelu debljinu stakla potrebno je nekoliko sati rada, neki puta i mnogo duze ako je staklo debelo a svrdlo velikog promjera. Staklo debelo 10 mm moze se svrdlom promjera 100 mm uz karborudum finoce #120 probušiti za sat do dva rada ali za deblje staklo i vece diskove, pogotovo ako radite sa finijim brusnim prahom trebat ce mnogo više vremena.
Naoruzajte se dakle strpljenjem!
Stakleni disk izrezan na ovaj na cin bit ce gotovo savršeno okrugao, ali blago stozastog oblika. Stozast oblik potjece od toga da za se vrijeme bušenja lagano bruse i stijenke izbušenog kanala a ne samo njegovo dno (slika 2.9) pa kao krajnji rezultat dobivamo blago stozasti disk, ciji je gornji promjer oko 1 mm manji od donjeg. Ovakav blagi stozasti oblik uopce nije bitan za buduce zrcalo pa ga ne moramo posebno ispravljati.
Kad svrdlo prode kroz cijelu debljinu gornjeg stakla i to na svim tockama oboda diska (svrdlo moze otici malo koso ili staklo moze biti nejednako debelo) nastavite bušenje dok se svrdlo malo ne zareze u donje staklo. Zelite li biti oprezni, probušite i donje staklo skroz (zato je dobro da ono bude što tanje), ali udarite li ga drvenim cekicem, nece se dogoditi ništa loše i ono ce najvjerojatnije puknuti po zabrušenom tragu svrdla. U svakom slucaju, gornji disk ne ce biti oštecen (pazite da vam kod izbijanja drvenim cekicem ne padne na pod!). Da biste odvojili tanko staklo od debelog, diskove opet polagano zagrijte, ovaj puta ne nešto višu temperaturu, pa pritiskom na stranu skliznite tanko staklo sa debelog (rukavice!). Odvojene diskove ostavite da se polagano ohlade na zraku. Ostatak smole mozete oprati benzinom, alkoholom ili acetonom, vec prema zelji i otapalu koje vam je na raspolaganju. Zbog isparavanja i ovo pranje najbolje je napraviti vani.
Ne zaboravite na disku izraditi zaštitne fazete!