О станках и калибрах - Перля Зигмунд Наумович (бесплатные серии книг .TXT) 📗
Мы уже знаем, что величина метра определяется расстоянием между двумя определенными штрихами, нанесенными на стержень прототипа. Но такое определение, как мы это увидим дальше, недостаточно. Всякий материал изменяет свои размеры вместе с изменением температуры среды (расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении). С материалом прототипа метра происходит то же самое, а по этой причине при различных температурах меняется расстояние между штрихами. Эти изменения отнюдь не маловажны. Так, например, имеющаяся у нас в Советском Союзе копия международного метра (№ 28) при 0 градусов имеет длину 1 метр плюс 0,71 микрона, а при 20 градусах — 1 метр плюс 180,24 микрона. Таким образом, при изменении температуры от 0 до +20 градусов длина этого метра увеличивается почти на две десятых миллиметра, а это довольно заметная величина. Поэтому условились основной величиной метра считать его длину при температуре тающего льда — 0 градусов.
Платино-иридиевый сплав устойчивее других материалов, но очень дорог. Из него изготовлены только международный прототип и его национальные копии. Меры, к которым предъявляются менее строгие требования в отношении точности, изготовляются из других материалов, также сравнительно устойчивых против температурных влияний, но изменяющихся в большей степени, чем платино-иридиевый сплав. Стальной метр при изменении температуры на 1 градус изменяет длину на 11 {110} микронов, медный или бронзовый — на 18 микронов, алюминиевый — на 24 микрона. Нетрудно подсчитать, что алюминиевый стержень длиной в 1 метр при нагревании от 0 до 100 градусов увеличит свою длину на 2,4 миллиметра, что уже недопустимо для измерений, даже не требующих особо высокой точности.
В конце XIX века начали применять сталь с содержанием 36% никеля. Этот материал (названный «инвар») хорошо сопротивляется температурным влияниям; однометровый стержень изменяет длину на 1 микрон при изменении температуры на 1 градус. Таким образом, метр, изготовленный из инвара, при нагревании от 0 до 100 градусов удлиняется только на 0,1 миллиметра. Но и этот материал подвержен значительному искажению размеров с течением времени — в результате внутренних изменений. В новейшее время начали применять плавленный кварц; однометровый стержень из этого материала изменяет длину всего на 0,4 микрона при изменении температуры на 1 градус. Широкому использованию этого материала мешает его хрупкость.
Форма сечения прототипа также выбрана не произвольно. Если стержень положить на какую-либо, даже точно обработанную плоскость, то нижняя его поверхность не всеми точками совпадет с этой плоскостью. Вследствие этого стержень потеряет свою прямолинейность. Если на верхней поверхности такого стержня нанесены на концах штрихи, расстояние между которыми выражает, допустим, длину метра, то в результате (пусть микроскопически малого) провеса стержня это расстояние увеличится. Если штрихи нанесены на нижней поверхности стержня, то соответствующее расстояние уменьшится.
Между верхней и нижней поверхностями существует так называемый нейтральный слой, в плоскости которого расстояние между штрихами настолько мало изменяется, что этим изменением можно пренебречь. Расположение нейтрального слоя зависит от расположения опор, на которых покоится стержень. Чтобы избежать произвола в этом вопросе, ученые исследовали его и установили, что наивыгоднейшие две точки опоры расположены на расстоянии 2/9 длины стержня от каждого его конца. При таком расположении опор изменение длины стержня в результате провеса бывает наименьшим. Нейтральный же слой располагается в средней продольной части стержня. {111} Поэтому международному прототипу придали Х-образную форму, штрихи перенесли на его среднюю полку (нейтральный слой) и уложили его на две правильно установленные опоры. Такая форма обеспечила наименьшую величину изменений длины стержня. Первый французский «архивный» метр был изготовлен из платинового стержня прямоугольного сечения высотой, равной 1 миллиметрам. Когда стержень укладывали на опоры (по краям), величина его изменялась приблизительно на 0,4 миллиметра.
Мы все время толкуем о величине метра, приводим данные его сравнительных измерений и при этом оперируем даже долями микрона. Как же производится измерение длины какого-либо эталона метра? Проверка производится способом сравнения проверяемого эталона с одним из образцовых и осуществляется с помощью очень точного прибора.
Два сравниваемых эталона помещаются рядом и подводятся под окуляры двух микроскопов, неподвижно укрепленных на таком расстоянии друг от друга, которое равно номинальному размеру длины между штрихами метра. Разность, подлежащая проверке, улавливается путем регистрации отклонения штриха сличаемого эталона от штриха образца. При этом необходимо соблюсти одинаковую температуру обоих эталонов с точностью до 0,1 градуса. Даже человеческое дыхание, повышающее температуру на 0,1 градуса, способно повлиять на точность измерения.
Ванна с двойными стенками наполнена дестиллированной водой. Пространство между стенками также наполнено водой, которая служит для регулирования температуры воды в ванне. Внутри на специальных опорах покоятся оба сличаемых эталона. Ванна укреплена на тележке, позволяющей осуществлять передвижения в направлении, перпендикулярном длине сличаемых мер. По обеим сторонам ванны на каменных опорах укреплены в вертикальном положении два микроскопа. Оба эталона по очереди подводят под окуляры этих микроскопов и производят два отсчета для двух штрихов образцового метра. Затем подводят проверяемый метр и производят такие же два отсчета для его штрихов. Результаты сравнивают и определяют фактическую длину проверяемого метра. {112}
На протяжении нескольких десятилетий усилия науки направлены были к тому, чтобы добиться предельной точности в установлении величины метра — этой всеобщей международной единицы длины.
Но лишь в конце XIX века ученые получили возможность, используя длину световых волн, производить измерения с настолько высокой степенью точности, что многократные измерения одной и той же величины не показали какого-либо существенного различия. Метр, выраженный в длинах этих волн, получил ту устойчивость, к которой стремились ученые на протяжении многих лет.
Глава II. НЕИЗМЕННАЯ МЕРА
Немного физики
Чтобы понять, в чем состоит способ измерения с помощью длины световых волн, кратко напомним некоторые сведения из физики света.
Представим себе темную комнату с небольшим круглым отверстием в одной стене и белым экраном на противоположной. Если в отверстие направить пучок параллельных солнечных лучей, то на экране появится световое круглое пятно. На пути этого пучка лучей поместим стеклянную призму. Лучи, проходя через призму, изменят свой путь и упадут на стену уже в другом месте. Это явление носит название преломления лучей света. Призму следует поставить так, чтобы преломившиеся лучи шли внутри призмы параллельно ее основанию. На экране мы отметим еще одну странность — на нем не будет уже белого круглого пятна; вместо него появится разноцветная полоса. Верхний край полосы будет фиолетового цвета, нижний — тёмнокрасного. Между этими цветами будет еще много разных цветов, но главных, наиболее резко отличимых будет еще шесть: синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный. Вся разноцветная полоса носит название солнечного спектра; его появление вызвано разложением луча белого солнечного света на составляющие его разноцветные лучи.
Для более четкого воспроизведения спектра существуют специальные приборы — спектроскопы. С помощью такого прибора ученый Фраунгофер открыл в 1814 году, что солнечный спектр пересечен множеством темных линий. Они получили название фраунгоферовых линий. Их положение в спектре неизменно. Наиболее заметные из {113} фраунгоферовых линий (всего их насчитывают несколько тысяч) разделяют спектр на уже известные восемь частей: тёмнокрасную, светлокрасную, оранжевую, желтую, зеленую, голубую, синюю, фиолетовую.
