Вес, время и температура. Установление точного местоположения объекта

Люди занимались измерением массы, времени и расстояний с древнейших времен. Однако инструменты для измерения температуры, давления, точного местоположения объекта и скорости разработаны только за последние четыре столетия.

Современная жизнь нуждается в еще более сложных измерениях; она зависит от точности и согласованности действия целого комплекса машин и механизмов- будь то в промышленности, на транспорте, в медицине или в метеорологии. Среди этих инструментов есть сравнительно простые, для повседневного пользования, например микрометр, измеряющий толщины с точностью до 0,0002 мм. Но имеются и особые инструменты, обеспечивающие точные, эталонные значения измеряемых величин. Так, атомные часы согласуют свои показания с частотой колебаний атомов цезия-133 (точно 9 192 631 770 раз в 1 с).

Микрометр - стандартный измерительный прибор для точных измерений в промышленности. Состоит из винта или шпинделя, ввинченного в неподвижную гайку-скобу.

По мере вращения шпинделя по часовой стрелке он упирается в образец, толщину которого измеряет. Образец оказывается слегка зажатым между шпинделем и упором (металлическим вкладышем напротив шпинделя). Измеряемая толщина определяется числом оборотов шпинделя и считывается по шкале.

Вес, время и температура. Современные химические весы [5] основаны на одном из старейших принципов измерения: неизвестный вес, соответствующий данной массе, можно найти, уравновесив его известным весом. Древние египтяне уже 7000 лет назад умели взвешивать зерно и золото, уравновешивая их каменными противовесами на весах ; это были два лотка, подвешенных на коромысле с помощью шнурков. Римляне ввели в конструкцию весов важное усовершенствование-они поставили центр коромысла на треугольную призматическую опору, поэтому весы сделались более чувствительными к малым нагрузкам.

Взвешивание- самый точный способ измерения массы. Высокочувствительные химические весы снабжены установочными гайками [1] для юстировки. При правильной юстировке весов вертикальная стрелка, укрепленная в центре коромысла, укажет точно на нулевую отметку в нижней части колонны весов. Разновес помещают на одну из чашек, взвешиваемое вещество-на другую. Для уточнения массы пользуются рейтаром - маленькой гирькой [2], скользящей вдоль коромысла по градуированной шкале

Измерение времени солнечными, песочными и колесными часами также известно издавна. Водяные часы (клепсидры) были известны китайцам уже в 11 в. до н. э. В XIV в. появились колесные часы, приводимые в Движение гирями и системой зубчатых передач, связанных с ходовым колесом-устройством для передачи движения часовой стрелке. Галилей предложил регулировать ход маятником [2], что позволило увеличить точность хода и способствовало созданию точных хронометров.

Маятник определенной длины имеет постоянный период. Чем длиннее маятник, тем его период больше. Галилей воспользовался маятником для управления ходовым колесом часов. На ходовом колесе Галилея [1] рядом с каждым храповым зубом имелся выступающий штырек. Когда маятник двигался влево [А], собачка ходового колеса [2] поднималась и связанный с ней рычажок толкал штырьки, а ходовое колесо поворачивалось. Движение маятника вправо [Б] освобождало собачку, останавливая ходовое колесо

В 1593 г. Галилей изобрел газовый термометр (столбик газа в термометре находился под слоем воды). Более точный спиртовой термометр появился в 1641 г., а в 1714 г. Габриель Фаренгейт (1686-1736) разработал ртутный термометр и предложил температурную шкалу, названную его именем. Почти 30 лет спустя швед Андерс Цельсий (1701-1744) ввел в употребление термометр со 100°- ной шкалой между точкой кипения См. также воды (100°) и точкой ее замерзания (0°). Часы

Медицинский термометр [8] предназначен для измерения температуры тела человека в интервале 35-45°С. Высокие температуры [9] измеряют оптическим термометром, сопоставляя цвет раскаленного объекта с цветом нити накаливания, нагреваемой электрическим током.

Медицинский градусник - обычный ртутный стеклянный термометр с очень тонким капилляром (3) . Сужение [4] позволяет ртути свободно вытекать из резервуара [5]; течь в обратном направлении [7] ртути препятствует поверхностное натяжение Показания видны на шкале [2], пока термометр не встряхнут [6]. Корпус термометра служит увеличительным стеклом (сечение [1]) для облегчения считывания показаний, если держать термометр под правильным углом зрения.

По Международной практической температурной шкале температура определяется в абсолютных градусах Кельвина (выше 0 К или - 273°С). Реперными точками являются точки плавления золота [1], серебра [2] и цинка [3]; точка кипения воды [4] и ее тройная точка [5], при которой пар, лед, вода находятся в равновесии; точка кипения [6] и тройная точка [7] для кислорода; точка кипения неона [8]; тройная точка [И] и точка кипения [9] водорода при атмосферном давлении и при 25 мм рт. ст. [10]. Внутри определенных интервалов температуру измеряют: пирометр [12], платино-родиевая термопара [13], платиновый термометр сопротивления [14] и жидкостный стеклянный термометр [15].

Установление точного местоположения объекта. Навигация на море и в воздухе будет успешной, если положение корабля или самолета можно определить относительно какой-нибудь известной точки. Инструменты для измерения положения Солнца, Луны и звезд над горизонтом постоянно совершенствовались с момента изобретения астролябии, т.е., вероятно, с 3 в. до н.э. Положение небесных тел определять умели, но на качающейся палубе корабля делать это было достаточно трудно. В 1730 г. Джон Хэдли (1682-1744) изобрел зеркальный квадрант, который приводил изображения горизонта и наблюдаемого объекта на одну прямую. В широкое употребление вскоре вошел секстант [1] - видоизмененный квадрант. Прибор получил свое название по угловой длине шкалы, составляющей 1/16 долю окружности (60°); он позволил морякам измерять углы между любыми точками небосвода и точнее определять положение корабля.

Секстант и по сей день - основной навигационный инструмент, очень простой в обращении. Его держат так, чтобы горизонт был виден через зрительную трубу [1]. Подвижное плечо [2] с зеркалом [3] поворачивают до тех пор, пока изображение Солнца, отраженное от этого и другого, наполовину посеребренного, зеркала [5], не совпадет с линией горизонта. На шкале [6] с нониусом, отмечающим доли делений основной шкалы, читается угловое расстояние между Солнцем и горизонтом. Темное стекло [4] гасит солнечные лучи. Секстант применяется и в астрономии

Измерение абсолютного движения относительно «неподвижных» звезд значительно улучшилось с созданием гироскопа [3]. Его изобрел французский физик Жан Фуко (1819-1868), стремясь экспериментально доказать, что Земля вращается вокруг своей оси. Ось вращающегося диска гироскопа помещена на карданном подвесе и сохраняет первоначальную ориентацию в пространстве независимо от гравитационных и магнитных сил. Автоматическое управление всякого рода современными машинами и механизмами, от космических кораблей до нефтяных буровых установок, производится с помощью гироскопических устройств.

Гироскоп состоит из диска с тяжелым ободом, подвешенного на карданном подвесе и укрепленного так, что он может вращаться вокруг оси в любой плоскости с наименьшим трением.

Если скорость вращения гироскопа будет постоянной (диск можно вращать электродвигателем), то и ось вращения диска сохранит свое положение в пространстве.

Так как Земля вращается, а ось вращения гироскопа сохраняет свою первоначальную ориентацию в пространстве, то карданный подвес поворачивается относительно диска. Впервые гироскопы нашли применение в морской артиллерии.

Давление, скорость и радиация. В 1643 г. Эванджелиста Торричелли (1608-1647), итальянский математик и физик, обнаружил, что давление воздуха на уровне моря равно давлению столба ртути длиной 76 см. С высотой атмосферное давление падает. Это наблюдение позволило Торричелли разработать первый барометр. Изменения атмосферного давления вскоре использовали для оценки высоты гор и предсказания погоды. Теперь давление жидкостей и газов можно измерять не только ртутным барометром, но и другими инструментами, например, барометром Бурдона [7], запатентованным этим французским часовщиком в 1850 г.

При измерении давления барометром Бурдона жидкость или газ направляют в сплющенную криволинейную трубку, запаянную с одного конца. При повышении давления трубка стремится распрямиться. Перемещение запаянного конца трубки, усиленное системой рычагов, связывается со стрелкой, показывающей приложенное давление на шкале.

Точные измерения скорости движущегося экипажа стали возможны только в 1920 г. благодаря созданию магнитного спидометра [4]. Современный спидометр часто монтируется вместе со счетчиком пройденного пути-ходометром. Новые величины измеряются новыми методами. Так, фотоиндикатор [6] позволяет людям, работающим в условиях повышенной радиоактивности, следить за уровнем радиации.

Скорость автомобиля фиксируется на спидометре, соединенном гибким тросиком с коробкой передач. Тросик вращает магнит [1] с насаженным на него маховичком [2]. Указатель жестко связан с маховичком, вращению которого противодействует волосковая пружина [3]; она уравновешивает силу магнита и сохраняет указатель спидометра неподвижным, если скорость движения автомобиля постоянна.