Приборы для измерения массы и веса

 

Простейшим прибором для определения массы и веса являются рычажные весы, известные примерно с пятого тысячелетия до н.э. Они представляют собой балку, имеющую опору в своей средней части. На каждом конце балки имеются чашки. На одной из них помещается объект измерения, а на другую накладываются грузы стандартных размеров до приведения системы в равновесие. В 1849 г. француз Жозеф Беранже (Joseph Beranger) запатентовал усовершенствованные весы подобного типа. Они имели систему рычагов под чашками. Такое устройство было очень популярным в течение многих лет в торговле и на кухнях.

Вариантом рычажных весов является безмен (steelyard), известный с эпохи античности. В этом случае точка подвеса находится не в середине балки, стандартный груз имеет постоянную величину. Равновесие устанавливается изменением положения точки подвески, а балка предварительно градуируется (по правилу рычага).

Роберт Гук, английский физик в 1676 г. установил, что деформация пружины или упругого материала пропорциональна величине приложенной силы. Этот закон позволил ему создать пружинные весы. Такие весы измеряют силу, поэтому на Земле и на Луне они покажут разный численный результат.

В настоящее время для измерения массы и веса используются различные методы на основе получения электрического сигнала. В случае измерения очень больших масс, например большегрузного автомобиля, применяют пневматические и гидравлические системы

 

Приборы для измерения времени

 

Первым в истории измерителем времени стало Солнце, вторым - течение воды (или песка), третьим - равномерное сгорание особого топлива. Возникнув в глубокой древности, солнечные, водяные и огневые часы дожили до нашего времени. Задачи, которые в древности стояли перед создателями часов, сильно отличались от современных. От измерителей времени не требовалось особой точности, зато они должны были делить дни и ночи на одинаковое количество часов разной длины в зависимости от времени года. И поскольку практически все приборы для измерения времени были основаны на достаточно равномерных явлениях, древним «часовщикам» для этого приходилось идти на различные хитрости.

 

Солнечные часы.

 

Самые древние солнечные часы найдены в Египте. Интересно, что в ранних солнечных часах Египта использовалась тень не столба или стержня, а края широкой пластины. При этом измерялась только высота Солнца, а его движение вдоль горизонта не учитывалась.

С развитием астрономии было понято сложное движение Солнца: суточное вместе с небом вокруг оси мира и годовое вдоль зодиака. Стало ясно, что тень будет показывать одинаковые отрезки времени вне зависимости от высоты Солнца, если стержень направить параллельно оси мира. Но в Египте, Месопотамии, Греции и Риме день и ночь, начало и конец которых отмечали восходы и заходы Солнца, делили вне зависимости от их длины на 12 часов, или, более грубо, по времени смены караулов, на 4 «стражи» по 3 часа каждая. Поэтому на шкалах требовалось отмечать неравные часы, привязанные к определенным частям года. Для крупных солнечных часов, которые устанавливались в городах, удобнее были вертикальные гномоны-обелиски. Конец теми такого обелиска описывал на горизонтальной площадке подножья симметричные кривые линии, зависящие от времени года. Ряд этих линий наносили на подножье, поперек проводили другие линии, соответствующие часам. Таким образом, человек, глядящий на тень, мог узнать и час, и примерно месяц года. Но плоская шкала занимала много места и не могла вместить тени, которую гномон отбрасывает при низком Солнце. Поэтому в часах более скромных размеров шкалы располагались на вогнутых поверхностях. Римский архитектор I в. до н.э. Витрувий в книге «Об архитектуре» перечисляет больше 30 типов водяных и солнечных часов и сообщает некоторые имена их создателей: Евдокс Киидский, Аристарх Самосский и Аполлоний Пергамский. По описаниям архитектора трудно составить представление о конструкции тех или иных часов, но с ними удалось отождествить многие из найденных археологами остатков древних измерителей времени.

Солнечные часы имеют большой недостаток - неспособность показывать время ночью и даже днем в облачную погоду, зато они имеют по сравнению с другими часами важное преимущество - непосредственную связь со светилом, определяющим время суток. Поэтому они не потеряли практического значения даже в эпоху массового распространения точных механических часов, которые требуют проверки. Стационарные средневековые солнечные часы стран ислама и Европы мало отличались от античных. Правда, в эпоху возрождения, когда стала цениться ученость, в моду вошли сложные комбинации шкал и гномонов, служившие для украшения. Например, в начале XVI в. в университетском парке Оксфорда был установлен измеритель времени, который мог служить наглядным пособием по устройству разнообразных солнечных часов. С XIV в., когда стали распространяться механические башенные часы, в Европе постепенно отказались от деления дня и ночи на равные отрезки времени. Это упростило шкалы солнечных часов, и ими стали часто украшать фасады зданий. Чтобы настенные часы могли показывать утреннее и вечернее время летом, их иногда делали двойными с циферблатами на сторонах выступающей из стены призмы. В Москве вертикальные солнечные часы можно видеть на стене здания Российского гуманитарного университета на Никольской улице, а в парке музея Коломенское есть горизонтальные солнечные часы, к сожалению, без циферблата и гномона.

Наиболее грандиозные солнечные часы были сооружены в 1734 г. в городе Джайпуре магараджей (правителем области) и астрономом Савай-Джай Сингхом (1686-1743 гг.). Их гномоном служила треугольная каменная стена с высотой вертикального катета 27 м и гипотенузой длиной 45 м. Шкалы располагались на широких дугах, по которым тень гномона двигалась со скоростью 4 м в час. Однако Солнце на небе выглядит не точкой, а кругом с угловым диаметром около половины градуса, поэтому из-за большого расстояния между гномоном и шкалой, край тени был нечетким.

Большим разнообразием отличались портативные солнечные часы. В раннем средневековье применялись в основном высотные, не требовавшие ориентации по странам света. В Индии были распространены часы в виде граненого посоха. На гранях посоха наносились часовые деления, соответствующие двум месяцам года, равноудаленным от солнцестояния. Гномоном служила игла, которая вставлялась в отверстия, сделанные выше делений. Для измерения времени посох вертикально подвешивали на шнуре и поворачивали иглой в сторону Солнца, тогда тень иглы показывала высоту светила.

В Европе подобные часы оформлялись в виде небольших цилиндров, с рядом вертикальных шкал. Гномоном служил флажок, укрепленный на поворотном навершии. Его устанавливали над нужной часовой линией и поворачивали часы так, чтобы его тень была вертикальной. Естественно, шкалы таких часов были «привязаны» к определенной широте местности. В XVI в. в Германии были распространены универсальные высотные солнечные часы в виде «кораблика». Время в них отмечал шарик, помещенный на нити отвеса, когда инструмент наводили на Солнце так, чтобы тень «носа» точно покрывала «корму». Регулировка по широте производилась наклоном «мачты» и передвижением по ней планки, на которой закреплялась нить отвеса. Основной недостаток высотных часов - трудность определения по ним времени ближе к полудню, когда Солнце крайне медленно меняет высоту. В этом смысле часы с гномоном значительно удобнее, но их необходимо устанавливать по странам света. Правда, когда их предполагается долго использовать на одном месте, можно найти время и для определения направления меридиана.

Позже переносные солнечные часы стали снабжать компасом, который позволял быстро устанавливать их в нужном положении. Такие часы применялись до середины XIX в. для проверки механических, хотя они и показывали истинное солнечное время. Наибольшее отставание истинного Солнца от среднего в течение года составляет 14 мин. 2 сек., а наибольшее опережение - 16 мин. 24 сек., но поскольку длины соседних суток отличаются ненамного, это не вызывало особых затруднений. Для любителей выпускались солнечные часы с полуденной пушкой. Над игрушечной пушечкой помешалось увеличительное стекло, которое выставлялось так, чтобы в полдень собранные им солнечные лучи достигали запального отверстия. Порох загорался, и пушка стреляла, естественно, холостым зарядом, оповещая дом, что настал истинный полдень и пора проверять часы. С появлением телеграфных сигналов точного времени (в Англии с 1852 г., а в России с 1863 г.) часы стало возможно проверять в почтовых отделениях, а с появлением радио и телефонных «говорящих часов», эра солнечных часов закончилась.

 

Водяные часы.

 

Религия древнего Египта требовала выполнения ночных ритуалов с точным соблюдением времени их исполнения. Время ночью определялось по звездам, но для этого применялись и водяные часы. Самые древние из известных египетских водяных часов относятся к эпохе фараона Аменхотепа III (1415-1380 гг. до н.э). Они были сделаны в виде сосуда с расширяющимися стенками и небольшим отверстием, из которого понемногу вытекала вода. О времени можно было судить по ее уровню. Чтобы отмерять часы разной длины, на внутренних стенках сосуда наносили несколько шкал, обычно в виде ряда точек. Египтяне той эпохи делили ночь и день на 12 часов, и в каждом месяце пользовались отдельной шкалой, вблизи которой ставилось его название. Шкал было 12, хотя хватило бы шести, поскольку длины дней, находящихся на одном расстоянии от солнцестояний, практически одинаковы. Известен и другой тип часов, в котором мерная чаша не опорожнялась, а наполнялась. В этом случае вода в нее поступала из поставленного выше сосуда в виде павиана (так египтяне изображали бога мудрости Тота). Коническая форма чаши часов с вытекающей водой способствовала равномерному изменению уровня: при его понижении падает давление воды, и она вытекает медленнее, но это компенсируется уменьшением площади ее поверхности. Трудно сказать, была ли эта форма выбрана для достижения равномерности «хода» часов. Может быть, сосуд сделали таким, чтобы было легче рассматривать нарисованные на его внутренних стенках шкалы.

Измерение равных часов (в Греции их называли равноденственными) требовалось не только астрономам; ими определяли длину речей в суде. Это было необходимо, чтобы выступавшие со стороны обвинения и защиты находились в равных условиях. В сохранившихся речах греческих ораторов, например, Демосфена встречаются просьбы «остановить воду», очевидно, обращенные к служителю суда. Часы останавливали на время чтения текста закона или опроса свидетеля. Такие часы называли «клепсидрой» (по-гречески «крадущей воду»). Это был сосуд с отверстиями в ручке и на днище, в который заливалось определенное количество воды. Для «остановки воды», очевидно, затыкали отверстие в ручке. Небольшие водяные часы использовались и в медицине для измерения пульса. Задачи по измерению времени содействовали развитию технической мысли.

Сохранилось описание водяного будильника, изобретение которого приписывается философу Платону (427-347 гг. до н.э.). «Будильник Платона» состоял из трех сосудов. Из верхнего (клепсидры) вода поступала в средний, в котором находился перепускной сифон. Приемная трубка сифона заканчивалась около дна, а спускная входила в третий пустой закрытый сосуд. Он в свою очередь был соединен воздушной трубкой с флейтой. Действовал будильник так: когда вода в среднем сосуде покрывала сифон, он включался. Вода быстро переливалась в закрытый сосуд, вытесняла из него воздух, и флейта начинала звучать. Для регулирования времени включения сигнала следовало перед запуском часов частично заполнить водой средний сосуд.

Чем больше в него предварительно заливалось воды, тем раньше срабатывал будильник.

Эпоха конструирования пневматических, гидравлических и механических устройств началась с работ Ктесибия (Александрия, II—I вв. до н.э.). Кроме различных автоматических приспособлений, служивших в основном для демонстрации «технических чудес», он разработал водяные часы, которые автоматически приспосабливались к изменению длины ночных и дневных отрезков времени. Часы Ктесибия имели циферблат в виде небольшой колонны. Около нее находились две фигурки амуров. Один из них непрерывно плакал; его «слезы» поступали в высокий сосуд с поплавком. Фигурка второго амура перемещалась с помощью поплавка вдоль колонны и служила указателем времени. Когда в конце суток вода поднимала указатель до крайней верхней точки, срабатывал сифон, поплавок опускался в исходное положение, и начинался новый суточный цикл работы прибора. Поскольку длина суток постоянна, ход часов не требовалось приспосабливать к различным сезонам. Часы обозначались поперечными линиями, нанесенными на колонне. Для летнего времени расстояния между ними в нижней части колонны были большими, а в верхней малыми, изображавшими короткие ночные часы, а зимой наоборот. В конце каждых суток вытекающая из сифона вода попадала на водяное колесо, которое через зубчатые передачи слегка поворачивало колонну, подводя к указателю новую часть циферблата.

Сохранились сведения о часах, которые халиф Харун аль Рашид подарил в 807 г. Карлу Великому. Эгингард, историограф короля, сообщал о них: «Особый водяной механизм указывал часы, означавшиеся еще боем от падения определенного числа шариков в медный таз. В полдень 12 рыцарей выезжали из стольких же дверей, закрывавшихся за ними».

Арабский ученый Ридван создал в XII в. часы для большой мечети в Дамаске и оставил их описание. Часы были выполнены в виде арки с 12-ю окошками-указателями времени. Окошки были закрыты цветными стеклами и ночью подсвечивались. Вдоль них перемещалась фигура сокола, который, поравнявшись с окошком, ронял в бассейн шары, число которых соответствовало наступившему часу. Механизмы, соединявшие поплавок часов с указателями, состояли из шнуров, рычагов и блоков.

В Китае водяные часы появились в глубокой древности. В книге «Чжоули», в которой описана история династии Чжоу (1027-247 гг. до н.э.), есть упоминание о специальном служителе, который «ухаживал за водяными часами». Об устройстве этих древних часов ничего неизвестно, но, учитывая традиционность китайской культуры, можно предположить, что они мало отличались от средневековых. Описанию устройства водяных часов посвящена книга ученого XI в. Лю Цзая. Наиболее интересна описанная там конструкция водяных часов с уравнительным бачком. Часы устроены в виде своеобразной лесенки, на которой расположены три бачка. Сосуды соединены трубками, через которые вода последовательно перетекает из одного в другой. Верхний бачок питает водой остальные, нижний имеет поплавок и линейку с указателем времени. Наиболее важная роль отведена третьему «уравнительному» сосуду. Поступление воды отрегулировано так, что бачок получает из верхнего немного больше воды, чем из него вытекает в нижний (излишек отводится через особое отверстие). Таким образом, уровень воды в среднем бачке не меняется, и она поступает в нижний сосуд под постоянным давлением. В Китае сутки делились на 12 двойных часов «ке».

Замечательные с точки зрения механики башенные астрономические часы создали в 1088 г. астрономы Су Сун и Хань Кунлян. В отличие от большинства водяных часов в них использовалось не изменение уровня вытекающей воды, а ее вес. Часы были помещены в трехэтажной башне, оформленной в виде пагоды. На верхнем этаже постройки стояла армиллярная сфера, круги которой за счет часового механизма сохраняли параллельность небесному экватору и эклиптике. Это устройство предвосхищало механизмы ведения телескопов. Кроме сферы, в особом помещении находился звездный глобус, который показывал положение звезд, а также Солнца и Луны относительно горизонта. Инструменты приводились в движение водяным колесом. Оно имело 36 ковшей и автоматические весы. Когда вес воды в ковше достигал нужной величины, защелка освобождала его и позволяла колесу повернуться на 10 градусов.

В Европе водяные общественные часы долго использовались наряду с механическими башенными. Так в XVI в. на главной площади Венеции действовали водяные часы, которые каждый час воспроизводили сцену поклонения волхвов. Появлявшиеся мавры били в колокол, отмечая время. Интересные часы XVII в. хранятся в музее французского города Клюни. В них роль указателя выполнял водяной фонтанчик, высота которого зависела от прошедшего времени.

После появления в XVII в. маятниковых часов во Франции была сделана попытка использовать воду для поддерживания качания маятника. По мысли изобретателя над маятником устанавливался лоток с перегородкой посередине. Вода подавалась на центр перегородки, и, когда маятник качался, подталкивала его в нужную сторону. Устройство не получило распространения, но заложенная в нем идея привода стрелок от маятника позже была реализована в электрических часах.

 

Песочные и огневые часы

 

Песок, в отличие от воды, не замерзает, и часы, где течение воды заменено течением песка могут работать зимой. Песочные часы со стрелочным указателем построил около 1360 г. китайский механик Чжаи Сиюань. Эти часы, известные под названием «пятиколесной песочной клепсидры», приводились в действие «турбинкой» на лопатки которой сыпался песок. Система зубчатых колес передавала ее вращение стрелке.

В Западной Европе песочные часы появились около XIII в., и их развитие связано с развитием стеклоделия. Ранние часы представляли собой две отдельные стеклянные луковицы, скрепленные сургучом. Специально приготовленный, иногда из толченного мрамора, «песок» тщательно просеивался и насыпался в сосуд. Перетекание дозы песка из верхней части часов в нижнюю, довольно точно отмеряло определенный отрезок времени. Регулировать часы можно было, изменяя количество засыпанного в них песка. После 1750 г. часы уже изготавливались в виде единого сосуда с сужением посередине, но в них сохранялось отверстие, затыкавшееся пробкой. Наконец, с 1800 г. появились герметические часы с запаянным отверстием. В них песок был надежно отделен от атмосферы и не мог отсыреть.

Еще в XVI в. в основном в церквях использовались рамки с четырьмя песочными часами настроенными на четверть, половину, три четверти часа и час. По их состоянию можно было легко определять время внутри часа. Прибор снабжался циферблатом со стрелкой; когда песок вытекал из последнего верхнего сосуда, служитель переворачивал рамку и переводил стрелку на одно деление.

Песочные часы не боятся качки и поэтому до начала XIX в. широко применялись на море для отсчета времени вахт. При вытекании часовой порции песка вахтенный переворачивал часы и ударял в колокол; отсюда пошло выражение «бить склянки». Корабельные песочные часы считались важным прибором. Когда первый исследователь Камчатки студент Петербургской академии наук Степан Петрович Крашенинников (1711-1755 гг.) прибыл в Охотск, там шло строительство кораблей. Молодой ученый обратился к капитану-командору Витусу Берингу с просьбой о помощи в организации службы измерения колебаний уровня моря. Для этого был нужен наблюдатель и песочные часы. Беринг назначил на должность наблюдателя грамотного солдата, но часов не дал. Крашенинников вышел из положения, вкопав водомерный столб напротив комендатуры, где по морскому обычаю регулярно отбивались склянки. Песочные часы оказались надежным и удобным прибором для измерения небольших отрезков времени и по «живучести» опередили солнечные. Их еще недавно применяли в кабинетах физиотерапии поликлиник для контроля времени проведения процедур. Но они вытесняются электронными таймерами.

Сгорание материала тоже является достаточно равномерным процессом, на основе которого можно измерять время. Огневые часы широко использовались в Китае. Очевидно, их прообразом служили, и сейчас популярные в Юго-восточной Азии, курительные палочки - медленно тлеющие стерженьки, дающие ароматный дым. Основой таких часов служили горючие палочки или шнуры, которые делали из смеси древесной муки со связующими веществами. Часто они имели значительную длину, изготовлялись в виде спиралей и подвешивались над плоской тарелкой, куда падал пепел. По числу оставшихся витков можно было судить о прошедшем времени. Существовали и «огневые будильники». Там тлеющий элемент горизонтально располагался в длинной вазочке. В нужном месте через него перекидывали нитку с грузиками. Огонь, достигнув нитки, пережигал ее, и грузики со звоном падали в подставленное медное блюдце. В Европе в ходу были свечи с делениями, игравшие роль и ночников и измерителей времени. Чтобы использовать их в режиме будильника, в свечу на нужном уровне втыкали булавку с грузиком. Когда воск вокруг булавки расплавлялся, грузик вместе с ней со звоном падал в чашку подсвечника. Для грубого измерения времени ночью служили и масляные лампы со стеклянными сосудами, снабженными шкалой. Время определялось по уровню масла, который уменьшался по мере выгорания.

Интересно, что в огневых часах измерение времени не являлось единственной функцией. Они кроме этого выполняли и другие полезные задачи - ароматизировали воздух, отгоняя комаров и москитов, или создавали уютное ночное освещение.

Механические часы