Исследование строения тканых материалов на основе анализа дифракционной картины

Приложение

Рис. 1. Дифракция света уличного фонаря на ткани шторы.

Рис. 2.1.1. Установка для исследования:

а) общий вид;        

б) выполнение измерений.

Рис. 2.1.2. Дифракционная картина, полученная с помощью одномерной дифракционной решетки.

б)

а)

Рис. 2.2.1.  Дифракционная картина, полученная с помощью двумерной дифракционной решетки.

Рис. 2.2.2.  Дифракционная картина, полученная с помощью двух скрещенных под углом α одномерных дифракционных решеток с разным периодом.

Рис. 2.3.1. Дифракционные картины, полученные с помощью двух скрещенных под углом α одномерных дифракционных решеток с одинаковым периодом:

а) α = 0о.

б) 0о < α < 90о.

в) α = 90о.

Рис. 3.1.1.  Дифракционная картина, полученная с помощью ткани хлопкового волокна.

Рис. 3.1.2.  Дифракционная картина, полученная с помощью ткани мелкоузорчатого переплетения нитей.

Рис. 3.1.3. Выбранные для исследования образцы тканых материалов, полученные с помощью них дифракционные картины:

а) натуральный шелк;

б) подкладочная ткань;

б)

в) капрон;

г) вискоза.

Рис. 4.1. Дифракционные картины, полученные при прохождении лазерного излучения через пропуски нитей в ткани:

а) близна (пропуск нескольких нитей);

б) прометка (пропуск одной нити.)

Рис. 4.2. Дифракционная картина, полученная  от ткани:

а) без перекоса нитей;

б) с перекосом нитей.

Содержание

Введение                                                                                                3

Глава 1. Теоретический анализ явления дифракции                                        5

Глава 2. Выявление общих закономерностей дифракции

на дифракционных решетках и ткани                                                        8

2.1. Создание и тестирование лабораторной установки.                        –

2.2. Сравнение дифракционной картины

на двумерной решетке и ткани                                                        9

2.3. Влияние угла между щелями в двумерной решетке

на вид дифракционной картины                                                                10

Глава 3. Исследование возможности определение характеристик

тканых материалов на основе анализа дифракционной картины                        11

3.1. Отбор образцов ткани для исследования с учетом

вида волокна и способа переплетения                                                –

3.2. Измерение плотности образцов ткани дифракционным методом   13

Глава 4. Исследование возможности выявления дефектов ткани

дифракционным способом                                                                        15

Заключение и выводы                                                                                17

Список использованных источников и литературы                                        20

Приложение        21

Введение

Однажды мы наблюдали интересное явление: если посмотреть вечером через штору мелкого полотняного плетения на светящийся уличный фонарь, то перед глазами предстает красивая симметричная картина. Вместо одной светящейся точки видно много пятен, расположенных правильным узором (Приложение. Рис. 1). Узор изменится, если потянуть штору, например, по диагонали. Это явление нас заинтересовало, и мы убедились, что похожую картину дают и другие ткани. Мы выяснили, что замеченное нами явление объясняется дифракцией света на двумерной решетке.

Изучая литературу, посвященную дифракции света на ткани, мы нашли много материала о применении дифракционных методов для изучения структуры ткани и определения ее характеристик. Стандартный дифракционный способ анализа, описанный в работе М.И.Сухарева, Л.И.Раздвильчука и др. «Оптический анализ структуры ткани» [6], заключается в том, что исследуемый образец участка материала освещают параллельным пучком монохроматического света перпендикулярно его поверхности и анализируют симметрию и взаимное расположение основных максимумов в дифракционной картине, наблюдаемой на экране, который установлен за образцом в фокальной плоскости объектива. По симметрии расположения и величине расстояний между соседними максимумами судят о величине периодов в геометрической структуре исследуемой ткани.

В патенте «Дифракционный способ определения ряда основных характеристик ткани и тканеподобных материалов», выданному Г.П. Мещеряковой [3] описывается способ контроля геометрических характеристик тканей и определения таких характеристик строения ткани, как длина и высота раппорта, размеры сквозных пор в ткани, диаметры нитей основы и утка, по которым определяются линейное заполнение по основе и по утку. Одновременно определяются пороки внешнего вида такие, как раздвижки нитей, местные утолщения основы и утка, нарушения переплетения, перекос ткани. Для расчета указанных характеристик используются формулы, основанные на теории дифракции на двумерных решетках.

Способ контроля структурных геометрических параметров тканых материалов, описанный в  [8], позволяет определять характеристики структуры ткани, в том числе и не пропускающей свет, за счет анализа дифракционной картины, возникающей при освещении лазерным источником света фотографического изображения ткани, полученного на фотопленке.

Описанные способы используют достаточно сложный математический аппарат для получения расчетных формул и  требуют применения специфического оборудования. Таким образом, перед нами встала проблема использования явления дифракции для определения структурных характеристик ткани и  выявления ее дефектов с применением доступного математического аппарата и лабораторного оборудования.

Цель работы: Исследовать строение тканых материалов и проверить возможность выявления дефектов ткани на основе анализа дифракционной картины в условиях школьной лаборатории.

Для достижения цели были поставлены задачи:

1. Провести теоретический анализ явления дифракции на двумерных решетках и рассмотреть упрощенную математическую модель этого явления.
2. Изучить возможность использования оборудования школьной лаборатории для выявления общих качественных закономерностей явления дифракции на дифракционных решетках и образцах ткани.
3. Исследовать возможности определения характеристик тканых материалов на основе анализа дифракционной картины, используя упрощенную математическую модель, оценить точность метода.
4. Исследовать возможность выявления дефектов ткани дифракционным способом.
5. Разработать рекомендации по практическому использованию предложенного метода.

Глава 1. Теоретический анализ явления дифракции

Волны любой природы обладают способностью огибать препятствия. Это явление называется дифракцией. Дифракция волн наблюдается особенно отчетливо в случаях, когда размеры препятствий меньше длины волны или сравнимы с ней. Наблюдать дифракцию света нелегко, так как длина световой волны очень мала.

Частным случаем дифракции является дифракция  плоской волны на узкой длинной щели. Такого рода дифракция называется дифракцией Фраунгофера. Чтобы этот тип дифракции осуществить, достаточно точечный источник света поместить в фокусе собирающей линзы, а дифракционную картину исследовать в фокальной плоскости второй собирающей линзы, установленной за щелью (Рис.1). Разность хода от вторичных источников, расположенных на щели шириной b, определяется углом φ между нормалью к плоскости щели и направлением распространения лучей. Если на отрезке укладывается целое число длин волн, то световые волны, собираемые линзой в точке Р полностью гасят друг друга. Условие минимума можно записать в виде:

Рисунок 1.  Дифракция на одной щели.

,  где k=1, 2, 3, …

Максимумы располагаются между минимумами в виде светлых параллельных полос. 

Дифракционная картина от двух щелей существенно отличается от картины дифракции на одной щели. Положения минимумов и максимумов, характерных для одной щели не меняются при добавлении еще одной щели. Однако волны от щелей являются когерентными и интерферируют между собой. В результате появляются минимумы, называемые дополнительными. Если через d обозначить расстояние между щелями, которое равно d=a+b, где а – расстояние между щелями, а b – ширина щели, то условие дополнительных минимумов запишется так:

, k=0, 1, 2, …

Если же разность хода составляет целое число длин волн, то волны усиливают друг друга и возникают новые максимумы, называемые главными максимумами. Углы, определяющие направления на главные максимумы, удовлетворяют условию:                

Рисунок 2. Распределение интенсивности света для одной и для двух щелей

, k=0, 1, 2, …

На рисунке 2 для сравнения приведено распределение интенсивности света на экране для одной и для двух щелей.

Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками. Величина d=a+b, где а – ширина непрозрачного участка, а b – ширина щели, называется периодом решетки. Число щелей в решетке обозначим N. Тогда за решеткой интерферируют N когерентных световых пучков. Положение главных максимумов не зависит от числа щелей и определяется условием

, k=0, 1, 2, …

Остаются на местах и первичные минимумы, характерные для одной щели, но появляются новые дополнительные минимумы, положение которых определяется из условия, что разность фаз колебаний от отдельных щелей равна . Теперь между двумя главными минимумами располагается N - 1 дополнительных минимумов. Это приводит к тому, что главные максимумы очень резко очерчены и интенсивность света в них велика. На рисунке 3 приведено распределение интенсивности света в зависимости от числа щелей.

Рисунок 3. Распределение интенсивности света в зависимости от числа щелей.

Двумерная решетка представляет собой скрещенные перпендикулярно друг другу решетки с периодами d1 и d2. Пусть ось Х перпендикулярна щелям первой решетки. Ось Y – щелям второй.   Условия для максимумов вдоль осей X и Y примет вид:

, k1=0, 1, 2, …

, k2=0, 1, 2, …

Если в каждой решетке число щелей N1 и N2 достаточно велико, то максимумы будут очень острыми и в них сосредоточится практически вся световая энергия дифрагировавших волн. В результате на экране, расположенном за двумерной решеткой получится дифракционная картина в виде четких, симметрично расположенных световых пятен, каждому из которых соответствуют два целочисленных индекса k1 и k2.

Если углы дифракции малы, координаты главных максимумов вдоль оси Х и Y можно определить в соответствии с выражениями:

                                    ,
где  – длина волны, d1, d2 – периоды первой и второй решетки, R – расстояние от решетки до экрана, k1 и k2  – целочисленные индексы.

Если решетки взаимно не перпендикулярны, а составляют какой-либо угол между собой, положение максимумов будет зависеть от угла между штрихами решеток.

Полученные закономерности можно использовать для исследования строения тканых материалов и проверки возможности выявления дефектов ткани на основе анализа дифракционной картины в условиях школьной лаборатории.

Глава 2. Выявление общих закономерностей

дифракции на дифракционных решетках и ткани

1. Создание и тестирование лабораторной установки

Для наблюдения дифракции на дифракционных решетках и образцах ткани использовалось оборудование школьной лаборатории L-микро. Модуль, состоящий и полупроводникового красного лазера, блока питания и держателя для оптических элементов, с помощью магнитов закреплялся на вертикально расположенной стальной пластине (Приложение. Рис. 2.1.1, а). Дифракционные решетки с разными периодами и образцы ткани закреплялись на магнитном держателе, расположенном на расстоянии 6см от выходной линзы лазера (Приложение. Рис. 2.1.1, б). При этом лазерное излучение направлялось перпендикулярно поверхности решетки.

Дифракционная картина наблюдалась на белом экране, расположенном на некотором удалении. Она представляла собой максимумы в виде ярких светящихся точек, расположенных на одной линии на одинаковом расстоянии друг от друга (Приложение.  Рис. 2.1.2). В нашем распоряжении были три дифракционные решетки с периодами 0,002мм, 0,0067мм и 0,02мм. Наблюдения показали, что расстояние между максимумами на экране зависит от периода решетки и расстояния от решетки до экрана. Мы подобрали такое расстояние от решетки до экрана, чтобы дифракционная картина не выходила за пределы экрана для всех решеток. Оно оказалось равным 1,78м. При этом для решетки с d = 0,002мм расстояние между соседними максимумами составляло 60см, а для решетки с периодом d = 0,02мм – примерно 6см.

Для того чтобы проверить, можно ли в этих условиях пользоваться приближенными формулами, полученными для малых углов дифракции, мы измерили длину волны лазерного излучения. Из формулы дифракционной решетки d sin φ = k λ можно определить длину волны . Для максимумов первого порядка k = 1. Для малого угла φ можно допустить, что , тогда длину волны лазера можно вычислить по формуле . Было измерено расстояние 2X между двумя максимумами первого порядка и расстояние между экраном и дифракционной решеткой R.

Результаты измерений и вычисления представлены в Таблице 1. Здесь d – порядок решетки, R – расстояние от решетки до экрана, X – расстояние между центральным максимумом и максимумом первого порядка,   – длина волны.

Таблица 1. Измерение длины волны излучения полупроводникового лазера.

Завод-изготовитель оборудования указывает значение длины волны лазера 0,65 – 0,67мкм. Наши результаты попадают в этот диапазон за исключением первой дифракционной решетки, для которой дифракционный угол нельзя считать малым.

Вывод: приближенная формула может быть использована для анализа дифракционной картины, даваемой тканями на данной установке при условии малости дифракционного угла.

2.2. Сравнение дифракционной картины на двумерной решетке и ткани

Двумерная решетка из комплекта L-микро представляет собой очень мелкую сетку полотняного плетения. Решетка крепилась на магнитный держатель и освещалась лазерным излучением. Расстояние от решетки до экрана R составляло 1,78м. Полученная на экране дифракционная картина имела вид двух скрещенных под прямым углом дифракционных полос, состоящих из отдельных пятен, расположенных на равном расстоянии друг от друга (Приложение. Рис. 2.2.1). При замене дифракционной решетки на образцы ткани мы получили похожие по структуре картины, которые отличались меньшей яркостью и четкостью пятен. Для увеличения яркости картины экран затенялся. Наблюдая дифракционные картины от тканей разного качества, мы обнаружили, что в некоторых случаях дифракционные максимумы видны четко, в других случаях положение максимумов точно фиксировать не удается. При этом расстояния между пятнами в горизонтальном и вертикальном направлениях чаще всего оказывались неодинаковыми. Это может объясняться тем, что расстояния между долевыми и поперечными нитями в образцах ткани различны.

Для того чтобы убедиться в этом, мы использовали две решетки с периодами d1 = 0,0067мм и d2 = 0,02мм, которые закрепили с двух сторон магнитного держателя так, чтобы щели первой решетки располагались вертикально, а второй – горизонтально.  Особенность дифракционной картины, полученной от такой решетки (Приложение. Рис. 2.2.2) заключается в том, что расстояние между пятнами в горизонтальном ряду, определяемое периодом первой решетки, больше, чем в вертикальном, что подтверждает наше предположение.

Выводы: используемая нами установка позволяет получить дифракционную картину от образцов ткани, которая похожа на дифракционную картину, даваемую двумерной решеткой. Изучая дифракционную картину, можно получить информацию о частоте расположения продольных и поперечных нитей, образующих ткань.

2.3. Влияние угла между щелями в двумерной решетке на вид дифракционной картины

Чтобы изучить, какое влияние на вид дифракционной картины оказывает ориентация щелей двумерной решетки, использовались  две одинаковые дифракционные решетки с периодом d = 0,002мм. Они закреплялись на магнитном держателе и освещались светом полупроводникового лазера. При повороте одной из решеток изменялся угол между щелями дифракционных решеток. Вид дифракционной картины зависит от угла поворота α  щелей одной решетки относительно другой следующим образом:

1. α = 0о. Максимумы, полученные от обеих решеток, совпадают и располагаются на одной линии (Приложение. Рис. 2.3.1, а).
2. 0о < α < 90о. Максимумы располагаются относительно друг друга, создавая фигуру в форме ромба. Чем меньше угол поворота, тем ромб более вытянут   (Приложение. Рис. 2.3.1, б).
3. α = 90о. Максимумы располагаются относительно друг друга, создавая фигуру в форме квадрата (Приложение. Рис. 2.3.1, в).

Вывод: если в образце ткани продольные и поперечные нити будут идти не под прямым углом друг к другу, то это скажется на форме фигуры, созданной дифракционными максимумами.

Глава 3. Исследование возможности определение

характеристик тканых материалов на основе анализа

дифракционной картины

3.1. Отбор образцов ткани для исследования с учетом вида волокна и способа переплетения

Тканые материалы получают путем переплетения нитей основы (долевые) с нитями утка (поперечные). Нити могут быть изготовлены из натуральных и химических волокон. К натуральным относят волокна природного (растительного, животного, минерального) происхождения: хлопок, лен, шерсть и шелк. К химическим волокнам – волокна, изготовленные в заводских условиях. Химические волокна подразделяются на искусственные и синтетические. Искусственные волокна получают из природных высокомолекулярных соединений (целлюлоза, фиброин, кератин). Синтетические волокна получают путем синтеза из природных низкомолекулярных соединений (фенола, этилена, ацетилена, метана и др.).

При выработке тканей используют разнообразные переплетения нитей, т.е. порядок взаимного перекрытия основных нитей уточными. Переплетение нитей оказывает влияние на фактуру и внешний вид ткани. Чем проще переплетение, тем меньше повторяющийся участок — раппорт. К простым переплетениям относят полотняное, саржевое и атласное. Полотняное переплетение  имеет раппорт, состоящий из двух нитей основы и двух нитей утка, при этом основные и уточные нити перекрывают одна другую поочередно. Саржевое переплетение  характеризуется раппортом из трех и более нитей и наличием диагональных полос на поверхности ткани. Атласное переплетение имеет раппорт из пяти и более нитей. Мелкоузорчатые переплетения образуют на ткани мелкий узор и отличаются различными размерами раппорта по основе и утку.

Для исследования влияния вида волокна на дифракционную картину были отобраны образцы тканей полотняного переплетения, изготовленные из различных волокон: хлопчатобумажного, льняного, шерстяного, шелкового и химических волокон. Образцы поочередно закреплялись на магнитном держателе, долевая нить располагалась вертикально. Анализировался вид полученной дифракционной картины. Хлопок, лен, шерсть дают нечеткие картины: чуть различимые максимумы в виде неярких светящихся точек сливаются в одно неоднородное пятно (Приложение. Рис. 3.1.1). Это объясняется тем, что нити таких тканей имеют многочисленные ворсинки, на которых так же происходит дифракция. Исключением является шелк: дифракционная картина получается довольно четкой, так как шелковые нити гладкие.

Ткани из химического волокна, как и шелк, дают четкие дифракционные картины, так как нити не имеют ворсинок.

Для исследования влияния вида переплетения на характер дифракционной картины, были использованы образцы ткани из химического волокна с простым (полотняным, саржевым,  сатиновым) и мелкоузорчатым переплетением. Ткань с мелкоузорчатым переплетением дает очень нечеткую картину, и для исследования не подходит (Приложение. Рис. 3.1.2). Структура дифракционных картин, полученных для образцов с разными видами простого переплетения, оказалась одинаковой и пригодной для дальнейшего исследования.

Для дальнейших опытов были отобраны образцы тканей из натурального шелка и химического волокна полотняного переплетения, дающие хорошо различимую дифракционную картину (Приложение. Рис. 3.1.3, а – г). Основные характеристики выбранных образцов представлены в Таблице 2:

Таблица 2. Характеристики образцов ткани.

3.2. Измерение плотности образцов ткани дифракционным методом

Строение ткани определяется не только видом волокна и способом переплетения нитей, но и числом нитей, приходящихся на единицу длины ткани. Эту характеристику называют плотностью ткани. Ее определяют по двум направлениям – по основе и утку. Плотность ткани является важным фактором, влияющим на строение и фильтрационные свойства ткани.

Так как ткань можно считать двумерной дифракционной решеткой, то плотность ткани является  тем параметром ее строения, который может быть определен путем анализа дифракционной картины.

Для исследования образцы ткани закреплялись на магнитном держателе так, что долевая нить располагалась вертикально. На экране наблюдалась дифракционная картина, полученная при освещении образца светом полупроводникового лазера. Измерялось расстояние R от образца до экрана, которое было одинаковым для всех образцов, и расстояние X и Y между центральным и первым максимумами по горизонтали и вертикали. Периоды d1 и d2  двумерной дифракционной решетки, которую представляет собой данный образец, рассчитывались по формулам:

Чтобы  оценить погрешность  полученного  результата d, мы  воспользовались  формулой  ,  где  – относительная  погрешность,  определяемая  суммой  относительных  погрешностей  измерения  R,  λ  и  Х:   = R + λ +X. С учетом того, что наибольший вклад в эту погрешность вносит погрешность измерения расстояния между максимумами дифракционной картины Х (или Y), можно считать, что ; . Результаты измерений и вычислений с учетом погрешности приведены Таблице 3.

Таблица 3.  Измерение периодов двумерной решетки образцов ткани.

Плотность ткани, или число нитей на 1 см N1 и N2, рассчитывалась по следующим формулам:

, где L = 1см.

Погрешность определялась по формуле , где  определялась относительной погрешностью для  и .

Полученные результаты приведены в Таблице 4, где для сравнения приведены значения плотности ткани, полученные визуально путем подсчета числа продольных и поперечных нитей на 1см с использованием лупы и линейки.

Таблица 4. Значения плотности для образцов ткани.

Для визуального метода погрешность измерения плотности можно считать N = 4 см-1, так как штрих на линейке имеет определенную ширину, на которой укладывается две нити. С учетом погрешности измерения, полученные результаты можно считать совпадающими.

Вывод: используемый нами дифракционный способ можно использовать для определения плотности тканей из химических волокон и натурального шелка с простым видом переплетения. Другие характеристики ткани, такие как размеры сквозных пор в ткани и диаметры нитей основы и утка, данным методом определены быть не могут.

Глава 4. Исследование возможности выявления дефектов ткани дифракционным способом

Дефекты ткани, которые можно выявить, анализируя дифракционную картину, могут быть вызваны нарушением плотности и перекосом ткани. Дефектами первого вида являются:

1. близна — отсутствие одной или нескольких основных нитей на большем или меньшем протяжении;
2. прометки или пролеты — отсутствие уточной нити по всей ширине ткани или только по отдельной ее части;
3. недосека — наличие по утку разреженных полос вследствие уменьшения плотности нитей;
4. забоина — наличие по утку уплотненных полос вследствие увеличения плотности нитей.

Чтобы проверить возможность выявления подобных дефектов, на образце подкладочной ткани были созданы близна (выдернуты несколько расположенных рядом нитей основы), прометка (выдернута одна нить утка), забоина (нити утка сдвинуты) и недосека (нити утка раздвинуты). Ткань с дефектом медленно продвигалась относительно лазерного луча. При движении неповрежденного участка дифракционная картина оставалась неподвижной, вид ее не менялся.

Если луч попадал на близну,  расположенную вертикально, то на экране возникала яркая вертикальная полоса дифракционных максимумов, горизонтальные максимумы пропадали (Приложение. Рис. 4.1, а). Дифракционная картина была подобна той, которую дает  одномерная дифракционная решетка с горизонтальными щелями.

Прометка вызывает увеличение яркости дифракционной картины в одном направлении, совпадающем с направлением недостающей нити. Это можно объяснить увеличением потока света, попадающего на экран (Приложение. Рис. 4.1, б).

Забоина и недосека сказываются на изменении общей яркости дифракционной картины. Забоина вызывает снижение яркости, а недосека – увеличение, которое хорошо фиксируется визуально.

Перекос ткани, при котором нити основы и утка располагаются не перпендикулярно, вызывает заметное искажение дифракционной картины. При этом изменяется угол между рядами дифракционных максимумов. О степени перекоса можно судить по величине угла между рядами максимумов на дифракционной картине (Приложение. Рис. 4.2, а – б).

Вывод: используемый нами способ позволяет по изменению вида дифракционной картины выявить дефекты ткани, связанные с нарушением плотности или перекосом ткани.

Заключение и выводы

В работе сочетаются теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием положений теории дифракции на одномерной и двумерной решетках в приближении малого угла дифракции. В работе рассматриваются некоторые вопросы технологии текстильного производства, связанные с характеристиками тканых материалов и их дефектов. Для проведения экспериментальных исследований была собрана опытная установка на основе школьного комплекта оборудования L-микро. В установку входят: модуль, состоящий и полупроводникового красного лазера, блока питания и держателя для оптических элементов, стальная пластина для крепления модуля и два штатива. Дифракционные решетки и образцы ткани крепятся на магнитном держателе модуля так, чтобы излучение лазера направлялось перпендикулярно их поверхности. Дифракционная картина формируется на затененном белом экране, расположенном за дифракционной решеткой или образцом ткани перпендикулярно направлению лазерного луча. Для измерения линейных размеров используется линейка  с ценой деления 1мм.

С использованием описанной установки были получены дифракционные картины от образцов ткани из различных волокон с разными видами переплетения. Проведено качественное сравнение полученных дифракционных картин с аналогичными картинами, полученными от двумерных решеток, и выявлены общие закономерности. Для образцов ткани из натурального шелка и искусственных волокон полотняного переплетения на основе анализа дифракционной картины определена плотность ткани (число нитей на единицу длины) и выявлена возможность определения наличия дефектов ткани, связанных с изменением плотности ткани и перекосом нитей.

На основе проведенных исследований можно сделать выводы:

1. Приближенная формула может быть использована для анализа дифракционной картины, даваемой тканями на данной установке при условии малости дифракционного угла.
2. Используемая нами установка позволяет получить дифракционную картину от образцов ткани и качественно изучать закономерности дифракционной картины на основе сопоставления с дифракционной картиной, даваемой двумерной решеткой.
3. Изучая дифракционную картину, можно получить информацию о частоте расположения продольных и поперечных нитей, образующих ткань. По форме фигуры, созданной дифракционными максимумами, можно сделать вывод о взаимном расположении продольных и поперечных нитей в ткани.
4. Используемый нами дифракционный способ может быть использован для определения плотности тканей из химических волокон и натурального шелка с простым видом переплетения. Точность метода совпадает с точностью визуального метода измерения плотности.
5. Используемый нами способ позволяет по изменению вида дифракционной картины выявить дефекты ткани, связанные с нарушением плотности или перекосом ткани.

Предложенный в работе способ исследования тканых материалов и определения их характеристик на основе анализа дифракционной картины имеет ряд ограничений:

1. Предлагаемым нами способом нельзя исследовать ткани из ворсистых нитей.
2. Предлагаемым нами способом нельзя исследовать ткани сложных видов переплетения.
3. Предлагаемым нами способом можно определить только одну характеристику структуры ткани – ее плотность и нельзя определить длину и высоту раппорта, размеры сквозных пор в ткани, диаметры нитей основы и утка.
4. Точность определения плотности ткани предложенным способом не превышает точности визуального метода.

Новизна и практическая полезность работы заключается в том, что для определения структурных характеристик ткани и  выявления ее дефектов используется доступный математический аппарат и оборудование школьной лаборатории, что позволяет использовать предложенный способ для разработки практико-ориентированных лабораторных работ для школьников старших классов, изучающих физику на профильном уровне, и студентов специализированных технических учебных заведений.

План дальнейшего исследования на полгода.

Дальнейшую работу над данной темой можно вести в двух направлениях:

1. совершенствование метода измерения характеристик ткани и выявления ее дефектов;
2. создание методической разработки для школы или техникума.

План работы по первому направлению:

1. Увеличить точность измерения плотности ткани за счет увеличения расстояния между максимумами дифракционной картины. Этого можно добиться, увеличивая расстояние до экрана и применяя более мощный лазер.
2. Ввести элементы автоматизации, используя механизм протяжки ткани, датчики излучения и компьютерную обработку сигнала.

План работы по второму направлению:

1. Написать программу по обработке численных данных с помощью компьютера.
2. Составить методические рекомендации для проведения лабораторной работы.

Список использованных источников и литературы

1. Калмыкова Е.А., Лобацкая О.В. Материаловедение швейного производства: Учеб. Пособие,- Мн.: Выш. шк., 2001
2. Майер В. В, Вараксина Е. И. Экспериментальное исследование луча света. Потенциал № 11 (83) 11. 2011.
3. Мещерякова Г. П. Дифракционный способ определения ряда основных характеристик ткани и тканеподобных материалов. –  http://ru-patent.info/21/95-99/2199739.html.
4. Мякишев Г. Я. Физика. Оптика. Квантовая физика. 11 класс. Учебник для углубленного изучения физики. – Москва, Дрофа, 2006.
5. Симоненко В. Д., Табурчак О. В., Синицина Н. В. и др. Технология: учебник для учащихся 7 класса общеобразовательных учреждений (вариант для девочек). – М.: Вентана-Граф, 2004.
6. Сухарев  М. И., Раздвильчук Л. И. и др. Оптический анализ структуры ткани. – Изв. вузов, ТТП, 1978, N 5, с. 12-16.
7. Тюшев А. Н. Физика. Часть 2. Колебания. Волны. Волновая оптика. Электронная версия учебного издания.  – www.iv-k.ltd.ua.
8. Шляхтенко П. Г., Труевцев Н. Н. Способ контроля структурных геометрических параметров тканых материалов. – http://www.findpatent.ru/patent/216/2164679.html.

Приложение

Рис. 1. Дифракция света уличного фонаря на ткани шторы.

Рис. 2.1.1. Установка для исследования:

а) общий вид;        

б) выполнение измерений.

Рис. 2.1.2. Дифракционная картина, полученная с помощью одномерной дифракционной решетки.

б)

а)

Рис. 2.2.1.  Дифракционная картина, полученная с помощью двумерной дифракционной решетки.

Рис. 2.2.2.  Дифракционная картина, полученная с помощью двух скрещенных под углом α одномерных дифракционных решеток с разными периодами.

Рис. 2.3.1. Дифракционные картины, полученные с помощью двух скрещенных под углом α одномерных дифракционных решеток с одинаковым периодом:

а) α = 0о.

б) 0о < α < 90о.

в) α = 90о.

Рис. 3.1.1.  Дифракционная картина, полученная с помощью ткани хлопкового волокна.

Рис. 3.1.2.  Дифракционная картина, полученная с помощью ткани мелкоузорчатого переплетения нитей.

Рис. 3.1.3. Выбранные для исследования образцы тканых материалов, полученные с помощью них дифракционные картины:

а) натуральный шелк;

б) подкладочная ткань;

б)

в) капрон;

г) вискоза.

Рис. 4.1. Дифракционные картины, полученные при прохождении лазерного излучения через пропуски нитей в ткани:

а) близна (пропуск нескольких нитей);

б) прометка (пропуск одной нити.)

Рис. 4.2. Дифракционная картина, полученная  от ткани:

а) без перекоса нитей;

б) с перекосом нитей.