Admin

Как создавалась система измерений СИ

Не так-то просто обеспечить единство измерений на земном шаре. В каждый момент человечество пользуется результатами всех предыдущих измерений, полученных за всю историю существования цивилизации. Вооруженные драгоценным опытом, жадно стремясь к новым знаниям, люди изобретают и создают все новые и новые средства измерений.

Эти миллиарды приборов должны иметь разные точности. Торговые меры могут позволить себе быть самыми неточными. Килограммовая гиря «имеет право» ошибаться на один грамм, а торговый метр — на один миллиметр. Измерительные инструменты и приборы заводских цехов в сотни раз точнее. Некоторые линейные измерения на современном производстве осуществляются с погрешностью в доли микрометров.

Еще точнее средства измерений, применяемые в научно-исследовательских институтах. Это образцовые меры и приборы 3-го, 2-го и 1-го разрядов, а в метрологических институтах — рабочие эталоны. Государственные эталоны и их копии хранятся в мировых метрологических центрах, они — самые точные.

Но где бы и с какой точностью ни производилось измерение, прямо или косвенно оно всегда основано на сравнении измеряемой величины с ее конкретной реализацией, принятой за единицу. И одна и та же физическая величина, один и тот же параметр должны любым прибором выражаться в одной и той же узаконенной единице на всем земном шаре. Таково требование нашего времени.

Выбор единиц физических величин — дело непростое.

Вспомним хотя бы трудности, возникшие у змеи и мартышки — героев мультфильма «Тридцать восемь попугаев». Как измерить длину удава? Мартышка предлагает «половинками всей длины». Но удав, сложившись пополам, не удовлетворяется ответом. Две половинки, так же, как и четыре четвертинки в следующем эксперименте, не дают необходимой информации о длине. В конце концов, друзья нашли несколько независимых от размеров удава единиц сравнения. Длина змеи оказалась равной длине тридцати восьми попугаев и одного попугайского крылышка, или длине пяти мартышек, или длине двух слоненков. Стоит отметить, что попугай - достаточно популярное домашнее животное. Он нетребователен к еде, занимает мало пространства, а выбор попугаев различных расцветок в зоомагазине https://zoostore.pro настолько велик, что каждый выберет тут птицу, которая ему по душе. И она станет его лучшим другом и соратником.

Не будем критиковать героев мультфильма. Отметим лишь, что принятая в подавляющем большинстве стран мира Международная система единиц (СИ) — плод многолетнего труда ученых разных стран. Метрология по сути своей — интернациональная наука, требующая постоянного международного сотрудничества ее специалистов — метрологов.

Раньше каждая развитая страна и каждая эпоха характеризовались своими единицами измерений. Вспомним художественную литературу. Известный роман Жюля Верна в русских дореволюционных изданиях назывался «80000 верст под водой». После революции его переводили то как «20000 лье под водой», то как «80000 километров под водой». Между прочим, есть основания считать, что писатель имел в виду лье не почтовое а морское, равное 5,55 км, и километров должно быть не 80000 а 111000.

Путаница может возникнуть при чтении романов И.В. Гончарова, если забыть перевести 23° тропической жары (по Реомюру) в 30 °С. Непонятен мороз в 5° у Джека Лондона, если не вспомнить, что он пользовался шкалой Фаренгейта и не перевести эту температуру в привычные —15 °С.
Конечно, нагляднее было бы использовать в тексте современные единицы физических величин, но тогда бы художественная литература потеряла национальный и временной колорит. Мы верим Ефремову, когда он пишет, что разъяренный Птолемей отбросил плащ и, подняв над головой камень в талант весом, двинулся к колеснице обидчика. Совсем не то впечатление было бы от этого эпизода, если бы мы узнали, что вспыльчивый македонец поднял камень весом в 26 кг.

И, наверное, никогда андерсеновскую Дюймовочку не переименуют в Миллиметровочку.

Чаще других встречаются нам в художественных произведениях названия старых русской и английской систем единиц. Русская сажень была принята равной семи английским футам. А системы весов связаны не были, что создавало большие неудобства. Единицей веса и в России, и в Англии был фунт, но фунт русский (409,5 г) существенно отличался от фунта английского (453,6 г). Русский фунт делился на 96 золотников, что было очень удобно для изготовления фунтового разновеса. Так назывался набор гирь весом 1, 2, 3, 6, 12, 24 и 48 золотников. Ни одна гиря в наборе не повторялась, а все вместе они давали один фунт.

Английская единица длины — фут, принятая и в русской системе мер, тоже очень удобно делилась на более мелкие единицы длины. Фут равнялся 12 дюймам, а число 12 делится нацело на 2, 3, 4 и 6. Следовательно, футовый стержень можно было разрезать на 2, 3, 4 или 6 равных частей, тогда как метровый стержень — только на 2 или 5 равных частей. Может быть, именно поэтому англичане так долго были привержены к фунтам, футам и пинтам, вместо того, чтобы перейти к привычным для нас килограммам, метрам и литрам? Ведь у каждой системы единиц измерений есть свои достоинства и свои недостатки.

Да, каждая система единиц чем-то удобна, но обилие этих систем, т.е. масштабов измерений, мешало развитию хозяйственных отношений. К тому же, периодически возникало большое количество запутанных одноименных единиц измерения длин (мер) и весов.

В начале нашего века в Бруклине, например, использовались четыре фута разной длины. Многие земельные участки нельзя было обложить налогом, так как после обмера двух соседних участков разными футами один из участков формально мог исчезнуть А в начале XIX века в Бадене имели хождение 112 разных мер с одним и тем же названием «локоть».

Властители во все времена уделяли системе единиц большое внимание, поскольку от нее зависела казна государства и их личные доходы. Рассказывают, что в 1804 г. прусский король за один день «мирным путем» увеличил площадь своих владений. Он просто-напросто приказал таким образом уменьшить длину почтовой мили, чтобы вместо четырех старых миль учитывалось семь новых.

Еще в XVII столетии обсуждался вопрос о создании единого и устойчивого масштаба измерений. Но, как упоминалось выше, решающий шаг на пути к введению единой метрической системы был сделан только после Французской революции.

Заслуги создания основ единого масштаба и, можно ска-Л зать языка измерений история техники обычно приписывает группе французских ученых — П. Лапласу, Ж. Лагранжу, Ж. Деламбру, Ж. Борда и другим. Однако в последние годы тщательное изучение творческого наследия создателя универсального парового двигателя Дж. Уатта привело к мнению, что именно его следует считать инициатором метрической системы

Шотландский изобретатель, именем которого названа единица мощности (ватт), в 80-х годах XVII) века начал получать многочисленные заказы на паровые машины из разных стран. Из-за несоответствий в системах мер Уатг столкнулся с большими трудностями при оформлении технической документации на заграничные заказы. Это послужило толчком для начала работ по созданию универсального языка измерительной техники

Основные положения новой, метрической, системы мер и весов Уатт доложил в Бирмингеме в 1783 г. на заседании «Лунного общества». Все расчеты при применении новой системы существенно упрощались благодаря десятичному разбиению ее единиц. В том же году Уатт сообщил о своей работе швейцарскому ученому Де Люку, попросив его рассказать Лапласу об идее международной системы единиц. В 1786 г Уатт встретился в Париже с Лапласом и другими выдающимися учеными, с большой внутренней убежденностью отстаивал свою идею.

В 1793 г. Конвент революционной Франции принял метрическую систему мер. Было одобрено почти все то, что предложил Уатт. Даже за единицу веса был принят вес воды в объеме одной кубической единицы, как и хотел изобретатель. Вот только уаттовская единица длины не прошла. Он предлагал использовать длину секундного маятника, но в то время нельзя было воспроизвести секунду с нужной точностью.

Кроме того, Лаплас тогда был лично заинтересован в определении точных размеров Земли, нужных для его капитального труда «Небесная механика». Единицей длины была выбрана определенная часть меридиональной окружности. По поручению Конвента астрономы измерили отрезок парижского меридиана методом триангуляции, который и сейчас применяется в геодезии.

Уж коль мы ведем рассказ об Уатте, имеет смысл вспомнить и об истории «лошадиной силы» — первой в метрологии единицы мощности, которую ввел этот талантливый механик. Одна из первых паровых машин работала в пивоварне, где вместо лошадей приводила в действие водяной насос. Пивовару машина понравилась, и он решил заказать еше одну покрупнее. Вот только четко указать, сколько лошадей должна заменить эта вторая машина, пивовар не мог, так как не знал точно, на что же способна одна лошадь.

Конечно, ему хотелось получить от механика, не нарушая договор как можно большую мощность. И пивовар выбрал самую лучшую лошадь, запряг в насос, хлестал ее немилосердно в течение восьми часов непрерывной работы и фиксировал количество накачиваемой воды. Получилось немного больше двух миллионов килограммов. Затем Уатт подсчитал, что за секунду лошадь в таких условиях работы поднимала 75 кг воды на высоту в один метр.

Эти завышенные, но явно выгодные пивовару данные и были положены в основу первой единицы мощности. Мало кто знает, что в 1884 г. предлагалось ввести еще и «ослиную силу». Это предложение, опубликованное в английском журнале «Электрикал ревью», основывалось на том, что осел якобы втрое слабее лошади.

Дольная единица (т е. в целое число раз меньшая основной) из ослиной силы не получилась. Но в системе СИ — Международной системе единиц физических величин, утвержденной в 1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам и весам, — дольных единиц очень много. Как и кратные едини-

цы (т.е. в целое число раз большие), они не имеют собственных наименований. Обезличка? Ничего подобного. Все кратные и дольные единицы имеют четкие названия, состоящие из приставок и названий основных единиц.

Теперь не нужно помнить, что ангстрем — это м, а микрон — это 10е-6 м, потому что эти единицы упразднены, точно так же, как и миллимикрон — 10е-9 м. Зато есть дольная единица «микрометр», равная миллионной доле метра, потому что приставка «микро» соответствует множителю Ю-6. Есть нанометр, равный 10~9 м, потому что «нано» означает 10~9.

Не будем вспоминать все приставки для образования кратных и дольных единиц. Скажем лишь, что в основе СИ — семь единиц метр (длина), килограмм (масса), секунда (время), ампер (сила тока), кельвин (температура), моль (количество вещества), кандела (сила света). Выбраны, кроме того, две дополнительные единицы: радиан для плоского и стерадиан для телесного угла. Все остальные единицы выводятся с помощью простейших уравнений связи из основных и дополнительных единиц.

Хотя СИ принята более 40 лет назад, до сих пор нельзя сказать, что она полностью внедрена. Наибольшая трудность на пути ее внедрения — психологическая инерция специалистов и, особенно, широких кругов населения. Десятилетия понадобились для освоения метрической системы единиц, когда нам пришлось отвыкать от аршинов, верст, фунтов, пудов. Переход к СИ оказался не менее трудным.

Помните, одно время значение величины атмосферного давления стали передавать по радио в Паскалях? Мы уже четко усвоили, что нормальное давление в 750 мм рт. ст. соответствует 0,1 МПа. И вдруг снова в сводке погоды было сделано «временное отступление» к старым единицам давления В чем же дело, ведь техника уже перешла к Паскалям «навсегда»?

Оказывается, слишком много протестов вызвала новая единица давления, равная ньютону, деленному на метр квадратный. В Англии, например, группа врачей-терапевтов организовала специальный Комитет по защите миллиметра ртутного столба. И не только, видимо, потому, что англичане славятся своей консервативностью Когда мы говорим о нормальном давлении крови 120 на 80, подразумеваем все те же традиционные миллиметры ртутного столба. В Международной же системе единиц нормальным должно считаться давление 16 на 10,6 кПа.

Врачи подчеркивали, что значение давления не используется для каких-либо расчетов с применением других единиц, а лишь записывается в историю болезни. Поэтому они просили оставить старую единицу давления Врачей не на шутку страшила путаница, которая может возникнуть и в их среде, и в среде пациентов, если переход к паскалям будет частичным, и в ходу окажутся обе единицы.

В конце 1984 г. газеты мира облетело сообщение о том. что канадский самолет «Боинг-767» чудом избежал катастрофы. Пилоты посадили его на автомобильный полигон после того, как на высоте 10 тыс. м отказали два мотора. Были спасены более шестидесяти человек. Анализ причин возможной трагедии показал, что турбины остановились из-за нехватки горючего.

Как же незаправленный лайнер был отправлен в полет? Оказывается, приборы канадских компаний показывали запас топлива не в литрах, а в галлонах. Эта устаревшая единица — американский галлон — соответствует примерно 3,8 л. Но приборы «Боинга» градуированы в литрах. Об этом-то забыли и пилоты, и те, кто обслуживал самолет, посчитав, что в баках почти в четыре раза больше топлива, чем на самом деле.


Таким образом, путаница с единицами физических величин действительно страшна. Трудно даже представить, к каким последствиям может привести, например, переход к метрической системе при измерении времени. Ведь метрическая система имеет в своем основании десятичное соотношение. Поэтому революционная Франция конца XVIII века предложила разлепить неделю на 10 дней, сутки на 10 часов, 1 час на 100 минут, а минуту на 10 секунд.

В Оружейной палате в Москве имеются даже карманные часы в золотом корпусе показывающие «метрическое» время. Часы стали музейной редкостью, а старое, предложенное еще древним Вавилоном деление времени, не имеющее под собой никаких природных обоснований, живет и не собирается уступать никаким преобразованиям.

Правда, англичане, последними перешедшие на десятичную систему исчисления денег, теперь «вошли во вкус» и всерьез предлагают перейти к метрической системе времени. Но переход к стоминутному часу означал бы переделку во всем мире всех географических, топографических, морских и звездных карт, замену всех астрономических, геодезических и мореходных инструментов, переоборудование всех часовых заводов, пересоставление всех справочников, каталогов, учебников. Может быть, человечество когда-нибудь и пойдет на эти колоссальные затраты, но страшить его при этом будут прежде всего возможная путаница и потенциальные катастрофы.

Температуре повезло гораздо больше, чем времени. Ведь стоградусная шкала была предложена за полвека до Французской революции. Во всяком случае, так утверждает биограф Карла Линнея — создателя научной системы классификации живых организмов. Около 1738 г. Линней решил отметить температуру замерзания воды нулем градусов, а температуру кипения воды — ста градусами. Термометр с такой шкалой был изображен на титульном листе книги Линнея, изданной в 1738 г. А Цельсий свою шкалу предложил четырьмя годами позже, в 1742 г., причем его шкала была «обратной»: точка кипения воды была принята за ноль градусов, а точка замерзания — за сто градусов

«/е все, следовательно, единицы измерений, применяемые нами, соответствуют метрической системе. Но ведь внедрение СИ не закончилось. С домашнего счетчика электроэнергии мы пока считываем киловатт-часы, а не мегаджоули. На спидометрах автомобилей видим километры в час, а не метры в секунду. Разрешено применение распространенных старых единиц: литра, тонны, минуты, суток, недели, светового года..

С другой стороны, мы уже привыкли к тому, что есть только одна единица силы — ньютон, привыкли к микрометру и другим «словам» единого унифицированного технического языка. Не следует забывать и о трудностях. Число измеряемых параметров непрерывно возрастает, что требует изменений узаконенной Международной системы единиц.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin