Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Лекции по Метрологии. Метрология - теоретические основы.

Дословный перевод с древнегреческого: метро – мера, а логос – слово, учение, наука. Определение по ГОСТ 16263-70: Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Потребность в измерениях чего-либо возникла тогда когда общество вступило в товарно-обменные отношения, т.е. с незапамятных времен. И до сегодняшнего времени мы пользуемся некоторыми старыми терминами. Единица веса драгоценных камней карат в переводе с греческого «кератион» (маленький рог) – форма стручка акации, семя которого служило мерой веса. Единица аптекарского веса гран в переводе с латинского означает «зерно» (0,062 г). Многие меры длины имели антропологическое происхождение. И совсем не случайно, древние говорили: «Человек – мера всех вещей». Из Киевской Руси: вершок – «верх перста» – длина фаланги указательного пальца; пядь – «пять», «пятерня» – расстояние между концами вытянутых большого и указательного пальца; локоть – расстояние от локтя до конца среднего пальца; сажень – «сягать», «достигать» – можно достать – расстояние между концами средних пальцев вытянутых противоположно рук; косая сажень – предел того, что можно достать, т.е. расстояние от конца среднего пальца правой поднятой вверх руки до подошвы левой ноги; верста – «верти», «поворачивай плуг обратно», т.е длина борозды.

Русские меры длины: 1 миля = 7 верст = 7,468 км;
1 верста = 500 саженей = 1066,8 м;
1 сажень = 3 аршина = 7 футов = 100 соток = 2,1336 м;
1 фут = 12 дюймов = 304,8 мм;
1 дюйм = 10 линий = 25,4 мм;
1 вершок = 44,38 мм;
1 линия = 10 точек = 2,54 мм;
1 точка = 0,254 мм.
В английской системе мер в основе ТОЖЕ был человек. Так единица длины фут в переводе означала ступня ноги, дюйм - длина второго сустава большого пальца. Единица длины ярд имела привязку не к любому человеку, а к королевской особе. Указом английского короля Генриха I это было расстояние от кончика носа короля до конца среднего пальца вытянутой руки.

Из этих примеров видно, что в системах мер длины, царил полнейший хаос, а точнее никакой системы не было, поэтому с развитием промышленности и международной торговли потребность замены бесчисленного количества ярдов, футов, саженей, локтей, миль и др. мер длины какой-то единой, универсальной, становилось все острее. Так, например, в конце XVIII века словом «фунт» обозначалась 391 единица веса, а словом «фут» – 282 различные единицы длины. Особенно от этого разнобоя страдала Франция, где каждый город или феодал имел право иметь собственную единицу длины и веса. И не случайно при выборе депутатов в Генеральные штаты они от избирателей получили наказ: «Единый для всей Франции король, единые законы, меры и вес». Всем известная единица измерения миля тоже имеет несколько значений, причем она имеет двойное толкование: миля сухопутная и миля морская.

Миля сухопутная. По латыни слово «миля» - тысяча. Но в древности считалось шагом – шаг каждой ногой, т.е. двойной шаг. Строевой устав большинства армий мира предусматривает размер шага в 0,8 метра, следовательно тысяча двойных шагов составляет 1600 метров.

Сухопутные или статутные мили никакого отношения к размерам Земли не имеют, а представляют собой узаконенные правительственные акты. На международной гидрографической конференции в 1929 году была принята международная морская миля, которая соответствует длине одной минуты земного меридиана на широте 44°30′, что составляет 1852 метра.

1.1. Универсальная мера

Оригинальное предложение высказывал в свое время профессор Краковского университета С.Пудловский. Его идея заключалась в том, что в качестве единой меры надо принять ту длину маятника, который совершает полный размах за одну секунду. Это предложение было опубликовано в книге «Универсальная мера», изданной в г. Вильно в 1675 году его учеником Т.Буратини. Он же предложил и единицу длины назвать метром. Несколько раньше, в 1673 году голландский ученый Х. Гюйгенс, издал блестящую работу «Маятниковые часы», где разработал теорию колебаний, описал конструкции маятниковых часов.

На основе своей работы Гюйгенс предложил свою универсальную меру длины, которую он назвал часовым футом равной 1/3 секундого маятника. «Эта мера не только может быть определена везде в мире, но и на все будущие века может быть всегда восстановлена» - с гордостью писал Гюйгенс. Но было одно обстоятельство, которое смущало ученых. Период колебания маятника при одной и той же его длине был разным в зависимости от географической широты, т.е мера строго говоря не была универсальной.

Идею Гюйгенса пропагандировал французский геодезист Ш.Кондамин, предложивший положить в основу системы измерений единицу длины, соответствующей длине маятника, совершающего один размах в секунду на экваторе.

Французский астроном и математик Г.Мутон также поддерживал идею о секундном маятнике, но только в качестве контрольного аппарата, а в основу универсальной системы мер положить принцип связи единицы измерения с размерами Земли, т.е. часть длины дуги меридиана. Он же предложил измеренную часть поделить на десятые, сотые и тысячные доли, т.е. использовать десятичный принцип.

1.2. Метрическая система мер

Проекты реформы систем мер появились в Англии, США, но особенно остро этот вопрос стоял во Франции по перечисленным выше причинам. Постепенно вырисовывалась идея создания системы мер, отвечающей определенным требованиям:

Система мер должна быть единой и общей.
Единицы измерения должны иметь строго определенные размеры.
Должны существовать их эталоны, неизменные во времени.
Для каждой величины должна существовать только одна единица.
Единицы различных величин должны быть связаны друг с другом удобным образом.
Единицы должны иметь дольные и кратные значения.

8 мая 1790 г. Национальное собрание Франции приняло декрет о реформе системы мер и поручило Парижской академии наук выполнить необходимые работы, руководствуясь вышеуказанными требованиями.

Было образованно несколько комиссий. Одна из них, руководимая Лагранжем, рекомендовала десятичное подразделение кратных и дольных значений единиц. Другая комиссия, в которую входили Лаплас, Монж, Борда и Кондорс, предлагали принять в качестве единицы длины одну сорокамиллионную часть земного меридиана, хотя подавляющая часть специалистов, знающих суть дела, думала, что выбор будет в пользу секундного маятника. Решающим фактором здесь было то, что был выбран устойчивый базис – размеры Земли, правильность и неизменность ее формы в виде шара. Другой член комиссии Ш. Борда – геодезист и гидравлик предложил назвать единицу длины метром. (В 1792 г он определил длину секундного маятника в Париже). 26 марта 1791 г Национальное собрание Франции утвердило предложение Парижской академии, была образована временная комиссия по практическому воплощению. 7 апреля 1795 г Национальный Конвент Франции принял закон о новых мерах и весах. 1 метр – одна десятимиллионная часть четверти земного меридиана, проходящего через Париж. Но при этом особо подчеркивалось то, что вводимая единица длины по названию и величине не совпадала ни с одной в то время существовавших французских единиц длины. Поэтому исключается возможный в дальнейшем довод о том, что Франция проталкивает свою систему мер как международную.

Взамен временной комиссии были назначены комиссары, которым было поручено проводить работы по экспериментальному определению единиц длины и массы. В число комиссаров входили знаменитые ученые Бертолле, Борда, Бриссон, Кулон, Деламбр, Гаюи, Лагранж, Лаплас, Мешен, Монж и др. Деламбр и Мешен возобновили работы по измерениям длины дуги меридиана, между Дюнкерком и Барселоной, соответствующей 9°40′ сферы. (в дальнейшем эта дуга была расширена от Шетландских островов до Алжира - 27°).

Эти работы были завершены к осени 1798 г. Были изготовлены из платины эталоны метра и килограмма. Эталон метра представлял собой платиновый брусок длиной в 1 метр и сечением 25 х 4 мм, т.е. это была концевая мера, и сам эталон по сути архивным 22 июня 1799 г произошла торжественная передача прототипов метра и килограмма в Архив Франции, и с тех пор они именуются архивными. Но, надо сказать, что даже во Франции метрическая система утвердилась не сразу, очень сказывались традиции и инертность мышления. Ставший императором Франции Наполеон метрическую систему мягко говоря недолюбливал. Он считал: «Нет ничего более противоречащего складу ума, памяти и соображению, чем то, что предлагают эти ученые. Абстракциям и пустым надеждам принесено в жертву благо теперяшних поколений, ибо чтобы заставить старую нацию принять новые единицы мер и весов, надо переделать все административные правила, все расчеты промышленности. Такая работа устрашает разум». В 1812 году метрическая система во Франции была отменена указом Наполеона и только с 1840 года она была снова восстановлена.

Постепенно метрическую систему приняли и ввели у себя Бельгия, Голландия, Испания, Португалия, Италия, ряд республик Южной Америки. Инициаторами внедрения метрической системы в России были конечно ученые, инженеры, исследователи. Но немалую роль сыграли портные, белошвейки и модистки – к тому времени парижская мода завоевала высшее общество, а там в основном работали приехавшие из-за границы мастера со своими метрами. Именно от них и пошли существующие до сих пор узкие полоски клеенчатой материи – «сантиметры», которыми пользуются до сих пор.

Международной унификации способствовали всемирные регулярные промышленные выставки, где разнообразие мер затрудняло сравнение характеристик экспонатов. На Парижской выставке 1867 года был создан Международный Комитет мер, весов и монет, который составил доклад о пользе метрической системы. Однако, решающее влияние на весь дальнейший ход событий оказал доклад, составленный в 1869 году академиками Струве О.В., Вильдом Г.И. и Якоби Б.С., направленный от имени Петербургской академии наук в Парижскую академию. В докладе приводились доводы о необходимости введения международной системы мер и весов на основе метрической системы. Предложение было поддержано Парижской академией, и правительство обратилось ко всем заинтересованным государствам с просьбой прислать ученых в состав Международной метрической комиссии для решения практических задач. К тому времени выяснилось, что форма Земли не шар, а трехмерный сфероид (средний радиус экватора составляет 6 378 245 метров, разница между наибольшими и наименьшими радиусами составляет 213 метров, а разность среднего радиуса экватора и полярной полуоси составляет 21 382 метра). К тому же повторные измерения дуги Парижского меридиана дали значение метра несколько меньшим по сравнению со значением, полученным Деламбром и Мешеном. Кроме того, всегда остается вероятность того, что, при создании более совершенных измерительных средств и появлении новых методов измерений, результаты измерений будут меняться.

Поэтому комиссия приняла важное решение: «Новый прототип меры длины должен быть по величине равным Архивному метру» - т.е. искусственным эталоном. Международная комиссия приняла и другие решения:

Новый прототип метра должен быть штриховой мерой, он должен быть изготовлен из сплава платины (90 %) и иридия (10%) и иметь Х-образную форму сечения. Новый прототип килограмма должен иметь массу равной массе архивного килограмма. С целью придания метрической системе международного характера и обеспечения единообразия мер, изготовить и распределить эталоны между странами. Один эталон, наиболее близкий по величине к Архивному принять в качестве международного. Поручить практические работы по созданию эталонов французской секции комиссии, поскольку архивные прототипы находятся в Париже. Назначить постоянный международный комитет из 12 членов для руководства работами. Учредить Международное Бюро Мер и Весов как нейтральное научное учреждение с месторасположением во Франции. В соответствии с решением комиссии были проведены практические мероприятия и в 1875 году была созвана Международная конференция в Париже. На последнем заседании 20 мая 1875 года была подписана Конвенция метра.

Ее подписали 17 стран: Австро-Венгрия, Аргентина, Бельгия, Бразилия, Венесуэла, Германия, Дания, Испания, Италия, Франция, Перу, Португалия, Россия, США, Турция, Швейцария, Швеция и Норвегия(как одна страна). Еще три страны (Великобритания, Голландия, Греция) хоть и участвовали в работе конференции, Конвенцию не подписали, из-за несогласия по функциям Международного Бюро.

Для Международного Бюро Мер и Весов был отведен Бретельский павильон, находящийся в парке Сен-Клу в пригороде Парижа – Севре. Затем вскоре вблизи был построен лабораторный корпус с оборудованием. Деятельность Бюро осуществляется за счет средств, перечисляемых странами - членами Конвенции пропорционально численности населения.

За счет этих средств в Англии были заказаны эталоны метра и килограмма 36 и 43 соответственно.

1.3. Эталоны метра

Эталон метра представлял собой платиново-иридиевый стержень Х-образного сечения длинной 1020 мм. На нейтральной плоскости при 0° С было нанесено по 3 штриха с каждой стороны, расстояние между средними штрихами составляло 1 метр (рисунок 1.1). Эталоны были пронумерованы и сличены с Архивным метром. Наиболее близким к Архивному оказался прототип №6, он и был утвержден в качестве международного прототипа (в 1889 году). Таким образом эталон метра стал искусственным и представлял собой штриховую меру.........

Скачать лекции

  • Категории раздела:
  •      Другое
  • Смотрите также:
  •  



    Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору! 
    Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник
    Яндекс.Метрика