Поиск по сайту:
Главная страница » История метрологии » Брянский Л.Н., "Очерки по истории метрологии".

Очерки по истории метрологии




Брянский Л.Н.

1. ЛОКОТЬ - НАЧАЛО ВСЕМУ



Знаменитый английский археолог Говард Картер обнаружил в гробнице Тутанхамона предмет, поначалу показавшийся непонятным. Это был роскошный футляр, к сожалению, пустой. Дальнейшие исследования показали, что в нем хранился экземпляр общеегипетского эталона длины - Священного локтя.

Ученые давно предполагали, что широкое строительство в Египте пирамид, храмов, гробниц, дворцов, богатых домов и т. п. требовало некоего общегосударственного порядка, которому подчинялись бы меры длины. Ведь каменные блоки для построек заготавливались во многих каменоломнях и, тем не менее, из них, без дополнительной подгонки, должны были складываться, монтироваться все перечисленные выше сооружения. И действительно, обмеры этих сооружений показали, что все их размеры базируются на каком-то едином модуле. Этот вопрос заинтересовал даже великого И. Ньютона, который в своей работе Newton J. Dissertation upon the Sacred Cubit, London, 1737, восстанавливая утраченное значение священного локтя, установил, что размеры изученных им сооружений находятся в целочисленных отношениях друг к другу и пришел к выводу, что длину, равную их общему наибольшему делителю и следует считать древней мерой длины.

Надо сказать, что древняя метрология не знала более распространенной меры длины, чем локоть. Она всегда с собой и удобна в применении, пока не нужна большая точность (я имею в виду природный, «живой» локоть - часть руки). Первоначально локоть равнялся расстоянию от локтя (локтевого сустава) до конца среднего пальца вытянутой руки. Вот некоторые значения древних «государственных локтей»:

Египет (немех):

- малый локоть-0,450м,

- царский локоть - 0,525 м,

Вавилон (аммату):

- обыкновенный локоть-0,495 м,

- царский локоть - 0,555 м,

Древняя Греция (пехус):

- обыкновенный локоть-0,444 м,

- олимпийский локоть - 0,481 м,

Древний Рим (cubitus, кубитус:)

- обыкновенный локоть-0,444м.

Очевидно, что каждая держава удовлетворялась своим размером Священного локтя. О локте международном, межгосударственном речь, естественно идти в те времена еще не могла.

Первые экземпляры этой меры, государственные эталоны по современному обозначению, изготавливались из самых лучших материалов -бронзы, золота, железа (которое в Древнем Египте стоило дороже золота). Они хранились в храмах самых главных богов: Мардука в Вавилоне; Амона-Ра в Египте; Зевса в Греции, Юпитера в Риме. За их сохранность и правильное применение отвечали специально назначенные и обученные жрецы, так сказать, ученые хранители.

Меры длины, наряду с мерами массы (веса) занимают особое место в метрологии. Ведь производными от них являются меры площади и объема, а если углубиться,
например, в совокупность единиц СИ, то можно убедиться, что символ длины - L или его единицы - метра присутствует в их размерностях или обозначениях более 110 раз!

Как уже было сказано, размеры «государственных» локтей отличались друг от друга. Еще сильнее различались размеры локтей, применяемых в торговле и в быту. Большой разброс размеров наблюдался в мусульманском мире. Вот примеры.

Мусульманский канонический локоть-49,875см;

- «черный» локоть (также мусульманский) - 54,04 см;

- персидский локоть - 62см;

Каирский:

- «суконный» локоть - 58,187 см;

- «Локоть домов» равнялся 50,3 см;

Египетский «ручной локоть» от 48,54 до 50,3 см.

Чаще всего применяли именно канонический локоть в 49,875 см и черный локоть в 54,04см, хотя встречались и большие его размеры, до и более 80см.

Не отставала и Европа, измерявшая локтем - Браччо - длины различных тканей и других товаров:

Торговый браччо:

- Рим-0,848 м,

- Флоренция-0,584 м,

- Генуя - 0,581 м

Суконный браччо:

- Венеция-0,683 м,

- Флоренция - 0,584 м,

- Генуя - 0,561 м

Шелковый браччо:

- Венеция-0,638 м,

- Флоренция - 0,578 м.

Дальнейшая судьба локтя различна.

В России его к середине XVI века вытеснила заимствованная с Востока, возможно из Турции или Персии, мера длины аршин, около 72см. В ряде стран Европы локоть остался одной из основных мер длины до принятия метрической системы мер. Вот опять несколько примеров:

- Австрия (ЕНе) - 0,779 м,

- Пруссия (Elle) f 0,667 м,

- Дания (alen) - 0,628 м,

- Швеция (aln) 0,594 м.

Официальное соотношение локтя с метром так и не было установлено. Но не будем сожалеть о его судьбе. Четыре тысячи лет (а, может быть, и много больше) вполне достаточный срок существования для любой меры.


2. ВОЛШЕБНОЕ ЗЕРКАЛО МЕТРОЛОГИИ


Зеркало. Предмет и простой и в чем-то таинственный, колдовской и мистический. Принадлежность физиков, различных наблюдателей, магов и гадальщиков, взаимодействие которых со знанием было уяснено далеко не сразу.

Никто не знает, когда люди стали смотреть на себя в зеркало, точнее в гладкие поверхности, хорошо отражающие свет. Сначала зеркала были природными, чаще всего ими служила поверхность воды. Позднее появились зеркала-артефакты. Сначала металлические (чаще бронзовые), затем стеклянные с различными покрытиями. Подчеркну, что решающим было узнавание в зеркале «себя любимого» - конкретного «физического лица». На сегодня выяснилось, что узнавать в зеркале именно себя, кроме, естественно, людей, могут и человекообразные обезьяны, и дельфины, и слоны. К сожалению, кажется, ничего не известно о таких способностях самых «интеллектуально развитых» птиц-ворон и галок, и... осьминогов. Ведь не зря известнейший биолог и зоолог Игорь Акимушкин называл осьминогов «приматами моря».

Но вернусь к людям, и немного (а, может быть, и очень много) пофантазирую. Во многих сказках и фантастических произведениях можно встретить волшебные зеркала, запоминающие всех и все в них смотрящее и, в некоторых обстоятельствах, воспроизводящие отдельные эпизоды из своей «генетической памяти». Это и волшебное зеркальце А. С. Пушкина, и отдельные «видения» И. Ефремова, и многое другое.

А теперь я предлагаю читателю представить себе, что в его распоряжении есть волшебное зеркало, которое может нам показать отдельные картины зарождения и развития метрологии, а следовательно, науки, техники, элементов цивилизации.

Попробую начать с неолита, когда люди уже владеют речью, объединяются в сообщества, племена, изготавливают примитивные орудия (оружие), строят какие-то жилища. Технология налицо, а метрология (или протометрология)? Давайте, подумаем. Уже тогда состоявшиеся охотники, добытчики, мастера изготовления оружия, ответственные за будущее племени, передавали свои навыки и умения молодым. Естественно, древко копья или дротика должно быть оптимального диаметра и иметь определенную длину и массу. Каменный нож (рубило) должен был удобно охватываться ладонью; еще сложнее были требования к каменному топору и его топорищу. Все эти «метрологические характеристики» передавались от учителя к ученику, буквально из рук в руки. Что же служило средствами измерений - руки (ладони, пальцы), «локти». Те протомеры, которые мы называем антропометрическими. А территория, занимаемая племенем, измерялась ногами - шагами. Или, по другому, днями пути. Это еще не метрология, все протомеры индивидуальны, но какой-то намек все же есть.

Следующую остановку сделаем в шести-десяти тысячелетиях до нашего времени. Строятся пригори-зонтные обсерватории для фиксации моментов зимнего и летнего солнцестояний равноденствий и других, необходимых для планирования жизни моментов: Стоунхедж в Англии, Акраим в Сибири и многие другие. Здесь мы уже имеем дело со слаженной деятельностью больших коллективов. А она возможна только при наличии, хотя бы локальных, мер длины, веса и объема. А это уже метрология. Где-то в это далекое
время шаг, локоть и фут постепенно становятся общепринятыми мерами. Люди осваивают понятия о циклических, кем-то предопределенных, интервалах, промежутках времени.

Откроем следующий отпечаток бытия. Четыре-пять тысяч лет до нашего времени. На Земле первые цивилизации. Мифическая Атлантида, Ур и Вавилон, неведомые нам цивилизации Востока и Америки. Метрология активно развивается. Появляются или крепнут не только общие, даже межгосударственные меры, но и их системы. Их необходимость диктуется строительством ирригационных сооружений, храмов, дворцов и гробниц, сбором и учетом даней с побежденных народов и налогов от «своих и чужих»; внедрения единообразного оружия.

Теперь быстренько пролистаем отображения, относящиеся к третьему, второму тысячелетиям до нашей эры. Получается интересная картина. На фоне стремительно расширяющейся Ойкумены (известной древним ученым обитаемой территории Земли), возвышения и падения цивилизаций, кровопролитных войн, верхнее звено метрологии пребывало в благостном спокойствии. Вавилонская (Халдейская) система, базирующаяся на футе, квадратном и кубическом футе, таланте, объемном и весовом, стадии, неспешно завоевывала государство за государством с небольшими модификациями (например, в Египте фут заменялся локтем). Шестидесятирично-двенадцатиричная системы счисления и мер развивались и крепли и, фактически, дожили до наших дней. Появились и совершенствовались первые средства измерений: гномон, простые и сложные солнечные часы, водяные часы, мерные линейки и веревки, весы и гири, меры объема жидких и сыпучих тел. Множилась номенклатура монет, служивших одновременно мерами веса (массы). В различных регионах, правда, появлялись многочисленные местные меры, но основа системы мер и счисления осталась незыблемой до наших дней.

С крушением Вавилонской, Древнеегипетской, Римской империй, с наступлением средневековья все своеобразно трансформировалось. В каждом мини и микро государстве появились свои меры, свои монеты, но общая структура системы мер осталась незыблемой. Мы привыкли свысока смотреть по этому поводу на жителей Европы. Но все ли они заслуживали сожаления? Большинство «простого народа» проводило всю свою жизнь в пределах ограниченного «микрорайона» и ничего не знало о других мирах и мерах. Разнообразие вносили войны и странствующие торговцы. А кое-кто успешно «ловил рыбку в мутной воде» локальных мер, приумножая свои состояния.

Наряду с воцарением различных мер, появлялись и шкалы измерений. Богатый материал содержит Ветхий Завет - книга, содержание которой начало формироваться несколько тысяч лет назад. Помните: «и был вечер, и было утро - день первый». Комбинированная шкала наименований и порядка. Адам, давая имена всем тварям земным, создал задолго до Линнея обширную шкалу наименований. На базе уже упомянутых пригоризонтных обсерваторий (Стоунхедж, Акраим и т. д.) создавались шкалы интервалов времени и плоских углов. Шкалы длины на основе шагов, саженей, туазов, верст и миль работали не на много хуже будущих шкал на основе метров и километров. Аддитивные шкалы масс (отношений) неплохо себя чувствовали на основе фунтов, талантов, стоунов и довольно свободно обходились без килограммов.

Безусловно, последующие когерентные системы единиц, построенные по десятичному принципу, удобнее, хорошо компьютеризуются, но не более того. Делу обеспечения единства измерений прежние системы тоже служили верой и правдой. Хотя, почему «служили»? Имперская система фут-фунт-секунда продолжает свое служение и сегодня.

Еще один нюанс. Во многих книгах о метрологии можно прочитать, что долгие тысячелетия метрология была наукой пассивной, которая довольствовалась описанием различных мер и нахождением соотношений между ними, и что современная, активная метрология началась с разработки и внедрения метрической системы 1799 года. У меня это положение вызывает определенные сомнения (см. статью «Позвольте усомниться», Законодательная и прикладная метрология - 2007 - №6).

Но продолжим наше путешествие. Следующий, очень важный «стоп-кадр» имеет конкретную дату - двадцатое мая 1875 г.- момент подписания Метрической конвенции. Пока это самый последний кадр, которым я хочу закончить сегодняшний диалог с волшебным зеркалом. Но оно ничем не завешено, не потускнело и продолжает накапливать метрологические впечатления.


3. МЕТРОЛОГИЯ И СТИХИЯ


Цунами,ураганы,наводнения и землетрясения уносят сотни тысяч человеческих жизней, наносят колоссальный экономический ущерб. А о жизнях «братьев наших меньших» никто и не вспоминает. А гибнут они тоже миллионами и миллиардами. И все это очень опасно. Прочитал я как-то в газете такой анекдот. Встретились две планеты. Одна жалуется: на мне какая-то цивилизация завелась, что-то копают, роют, строят. Запружают реки, вырубают леса, даже на климат влияют. Беспокойно, в общем. Не знаю что и делать. Вторая отвечает: не волнуйся и ничего не делай. Со мной это все уже было. Подождала сотню тысяч лет и все пропало. Даже следов никаких не осталось. Смешно? Пожалуй, не очень. Звучит предупреждающе. Уже не одна цивилизация на Земле исчезла, и следов почти не осталось. А, может быть, были цивилизации, от которых и следов вообще не осталось, и мы не знаем о их существовании. И вопросы экологического плана несомненно играли роль в исчезновении всех этих цивилизаций; наиболее известные из них: Древний Вавилон, Египет, Рим, Майя.

Конечно, наша цивилизация на подъеме (правда, так, наверное, считали в свое время и египтяне и римляне). На очереди освоение термоядерной энергии, полеты к другим планетам, победы над многими болезнями. Но, все же, кое-что настораживает, и тут лучше «пережать», чем «недожать». Я уже писал о том, что с ростом могущества и численности человечества его зависимость от стихийных процессов растет, а не падает. Приходится селиться на неудобных и опасных местах, пить плохую воду, питаться «плодами земли» уже не натуральными.

Скученность насепения повышает риск эпидемий и так далее. Растет влияние человечества на климат и не в хорошую сторону. Растет число и энергия ураганов (торнадо). На последние годы пришлось множество землетрясений, цунами, наводнений. И, как мне кажется, начал действовать сравнительно новый фактор: пренебрежение к Природе, вера в безграничную силу денег, уверенность в том, что мы - Цари Природы, соединенная с крайне низкой экологической культурой, незнанием приемов поведения в экстремальных условиях. Я говорю даже не о нашей стране, в которой еще сохранились прошлые навыки, а о жителях Европы и Северной Америки.

Люди гибнут от холода, жажды и голода, ничего не предпринимая сами, в уверенности, что кто-то обязан их спасти. Вот несколько характерных примеров. Катастрофа в Южной Азии, вызванная волной цунами, началась с того, что воды отхлынули от берегов, обнажив океанское дно. И масса «цивилизованных» туристов побежали туда «на халяву» собирать камушки и раковины. Вернувшийся через несколько минут водяной вал утопил этих людей и разрушил постройки на берегу. Писали, что слоны, катавшие отдыхающих по пляжу и те собаки, которые не были привязаны, ушли в горы и сохранили свои жизни.

Через несколько дней, когда погибшие были похоронены, а инфрастуктура кое-как восстановлена, власти вспомнили, что на небольшом острове живут «люди-дикари», культура которых соответствует каменному веку. Спасательная, вернее похоронная, экспедиция направилась на остров, для оказания помощи живым и погребения погибших. Что же оказалось? Жрецы племени своевременно повелели всем уходить в горы. На острове не погиб ни один человек, даже ни одно домашнее животное. А травяные хижины вернувшиеся люди восстановили за несколько часов. Вот вам и «дикари».

Сосредоточусь на роли метрологии в оценке и предсказании именно землетрясений. Ведь и цунами возникают чаще всего как следствие землетрясений или «моретрясений», а ураганы, тайфуны, торнадо возникают не вдруг, движутся сравнительно медленно. Их появление можно (и должно) предсказать и, хотя бы, спасти людей и корабли. Кстати, в открытом океане и цунами для кораблей не опасны.

Из всех шкал, оценивающих результаты землетрясений, наибольшим вниманием, можно сказать уважением, пользуется шкала магнитуд. Шкала магнитуд наиболее объективна, что нельзя сказать о шкалах, оценивающих балльность землетрясений на поверхности Земли. Действительно, постепенно совершенствуются конструкции сейсмоустойчивых объектов. Известны случаи, когда многоэтажные здания падали целиком, не разрушаясь, что не избавляло от гибели людей, находившихся внутри. Каким баллом оценить такое землетрясение, когда люди погибли, все здания целы, но не стоят на фундаментах, а лежат на земле?

Вот и еще один пример. Всем памятно разрушительное землетрясение в Спитаке (Армения). На фоне сплошных развалин целым и невредимым (не считая нескольких лопнувших стекол) стоял двухэтажный дом, который построил для своей семьи один из строителей. Сейсмостойкость этого дома оказалась действительно выдающейся.

Перейду к повтору сведений о шкалах интенсивностей землетрясений.

Шкалы оценки силы землетрясений делятся на две группы: шкалы магнитуд и шкалы внешних проявлений последствий землетрясений на поверхности Земли.

Шкалы магнитуд

Магнитуда - величина,характеризующая общую энергию упругих колебаний, вызываемых землетрясениями или взрывами. Шкала амплитуд определяет землетрясение стандартного масштаба и оценивает другие землетрясения по их абсолютным амплитудам относительно этого стандартного масштаба при идентичных условиях наблюдения. Шкала магнитуд является относительной логарифмической шкалой. Она опирается на определение Ч. Рихтера:

М = lg [A(D)/A0(D)J = lgA(D) - lgA0(D),

где M- магнитуда,

D-эпицентральное расстояние,

А0 и А-максимальная амплитуда записи для стандартного и измеряемого события.

Стандартное землетрясение, соответствующее М = 0 по формуле Рихтера,- это землетрясение, при котором максимальная амплитуда записи на сейсмографе Вуда-Андерсона равна 1 мкм при D = 100 км. Сейсмограф Вуда-Андерсона представляет собой небольшой цилиндр, ось которого вертикальна, соединенный вдоль образующей с тонкой проволочкой, которая, в свою очередь, смонтирована на раме, жестко связанной с почвой. В состоянии покоя равновесие цилиндра поддерживается благодаря жесткости проволочки на кручение. Резкие колебания почвы приводят к закручиванию проволочки. Отсчетное устройство состоит из зеркальца, отбрасывающего сфокусированный луч света на движущуюся с постоянной скоростью, перпендикулярно плоскости зеркальца, фотобумагу.

Уравнение связи магнитуды с амплитудой движения грунта а (мкм) имеет вид:

М = lgа + 3 lgD - 2,92.

Его можно использовать при любом типе сейсмографа, если точно известна а.

Наиболее сильные известные землетрясения имеют по шкале Рихтера М = 8,5. Шкала магнитуд дает относительную оценку масштаба землетрясения, но не дает информации о причинах возникновения землетрясений. Существует формула, связывающая магнитуду с энергией очага землетрясения. Эта связь магнитуды М и энергии Е (эрг) имеет вид:

lgE = 11,8 + 1,5 М.

Результаты расчетов по этой формуле приведены в таблице:

магнитуда

Страница 1 из 2 Следующая

Добавить комментарий


Главная страница » История метрологии » Брянский Л.Н., "Очерки по истории метрологии".