(01) (02) (03) (04) (05) (06) (07) (08) (09) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) (20) (21) (22) (23) (24) (25) (26) (27) (28) (29) (30) (31) (32) (33) (34) (35) (36) (37) (38) (39) (40) (41) (42) (43) (44) (45) (46) (47) (48) (49) (50) (51) (52) (53) (54) (55) (56) (57) (58) (59) (60) (61) (62) (63) (64) (65) (66) (67) (68) (69) (70) (71) (72) (73) (74) (75) (76) (77) (78) (79) (80) (81) (82) (83) (84) (85) (86) (87) (88) (89) (90) (91) Уздечкана времени
В ДревнемЕгипте, провожая в загробноецарство умершего фараона, средипрочих ценных предметов в гробницупомещали копию меры длины —“священного локтя”. Сам же эталонпокоился в храме и тщательнооберегался жрецами. Сегодня создаютэталоны и средства передачи ихпоказаний измерительным приборам,открывают новые и болеесовершенные методы точныхизмерений ученые-метрологи. Сами жеэталоны представляют собой сложныеаппаратурные комплексы, занимающиебольшую площадь. В трех научныхметрологических центрах Россиихранится 116 государственныхэталонов основных и производныхединиц измерений. Это достояниечрезвычайно ценное, ведь ошибкиизмерения в любой областичеловеческой деятельности чреватымногими бедами: в науке может несостояться открытие, а впромышленности отклонение отстандарта влечет большиеэкономические потери. Обо всехэталонах рассказать в журнальнойстатье невозможно. Поэтомузаслуженного метролога России ЛьваНиколаевича Брянского мы попросилиописать лишь основные эталоны —времени, массы и длины. Кандидат технических наукЛ. Брянский.
Эталон времени —особенный. Все остальные эталонывводятся в действие периодически,для сличения с ними вторичных ирабочих эталонов. Но эталон,хранящий шкалу времени, нельзяостановить, как нельзя остановитьвремя. Он работает всегда. Естьтакой афоризм: время — оченьпростое понятие, пока вы непытаетесь объяснить егокому-нибудь. С полным основаниемэти слова можно отнести и к эталонувремени. Меньше всего он напоминаетчасы, а оборудование и научныеподразделения, которыеобеспечивают эксплуатацию эталона,занимают большое здание. Находитсяоно во Всероссийскомнаучно-исследовательскоминституте физико-технических ирадиотехнических измерений(ВНИИФТРИ) под Москвой.
Самые точные наручныеили настенные часы грешат противэталонного времени в миллиарды раз.Впрочем, в быту и не нужна точностьдо долей микросекунды. Но онасовершенно необходима висследовании космоса, для созданиясистем навигации, управлениявоздушным движением, повышениякачества теле- и радиопередач имногих других целей.
Отлинейки — к лазеру
Эталон времени— это сложный комплекс, в которыйвходят цезиевые реперы (генераторы,дающие строго определеннуючастоту) и водородные хранителичастоты, хранители шкал времени,приборы для измерения временныхинтервалов и другая аппаратура.Некоторые составляющие эталонауникальны, напримеррадиооптический частотный мост,который служит для измерениячастот излучения лазеров. В мирекроме России такой мост есть тольков Канаде, во Франции, в США иВеликобритании. Российскийгосударственный эталон временивходит в группу лучших мировыхэталонов, его относительнаяпогрешность не превышает 5.10-14,то есть 0,00000000000005 секунды. Заполмиллиона лет эталон дастпогрешность в одну секунду. (Оразличиях атомного иастрономического времени см.“самый интересный журнал Наука и жизнь ” № 11, 1976 г.).
Старые эталоны(платиново-иридиевая линейка ипришедшие ей на смену кадмиевые икриптоновые лампы) не позволялиопределить значение метра спогрешностью меньшей 10- Аэтого было уже недостаточно.Развитие техники, и прежде всегоэлектроники, требовало созданиядеталей с более высокой точностью.Чтобы сделать новый эталон, нужнобыло придумать метру новоеопределение, причем привязанное кзаведомо постоянным величинам, такназываемым фундаментальнымфизическим константам. Былозаманчиво определить метр черезвремя и скорость. До этогододумались еще мудрецы Халдеи: вовремя специального обряда нагоризонтальной площадке жрец ловилвзглядом первую точку появленияСолнца на горизонте и размереннымшагом устремлялся ему навстречу;как только над горизонтом всходилвесь диск, жрец останавливался,место отмечалось — таким образомопределялась мера длины “стадий”— около 185 метров.
Первое определениеметра — одна десятимиллионная долячетверти земного меридиана,проходящего через Париж. К 1799 годуфранцузами были выполненынеобходимые измерения и изготовленэталон — платиновая линейка. Ее ипоныне называют “архивный метр”.Старшее поколение, очевидно, помнитпо школьному учебнику физикирисунок линейки Х-образногосечения длиной 102 см, на которойнанесены две группы штрихов.Расстояние между средними штрихамиэтих групп равнялось 1 метру.
Хранитсяроссийский эталон длины воВсероссийскомнаучно-исследовательскоминституте метрологии имени Д. И.Менделеева в Петербурге. Основныечасти его — источник оптическогоизлучения с известной длиной волны(лазер) и интерферометр — прибор, спомощью которого подсчитываютчисло волн на проверяемом образце.
Со временем все было впорядке — погрешность его эталонав сотни тысяч раз меньшая, чем уметра. Но возникли проблемы соскоростью. Годилась лишь однафундаментальная константа —скорость света в вакууме, нопогрешность определения еезначения не могла быть меньше, чем уэталона метра (ведь скорость — этоте же метры в секунду). Образовалсязаколдованный круг. И разорвалиего, приняв неординарное решение:считать наиболее достоверное изизмеренных значений скорости светаистинным, то есть не имеющимпогрешностей. Так появилось новоеопределение метра — он равен пути,проходимому светом в вакууме за1/2999792458 доли секунды, а метр попал в“вассальную зависимость” отвремени.
Современные эталоны —это, как правило, сложныеаппаратурные комплексы. А эталонмассы был и остается гирей —платиново-иридиевой “образца 1889года” (именно тогда Международноебюро мер и весов изготовило 42эталона килограмма). Сущность самойизмерительной операции такжеосталась прежней и сводится ксравнению двух масс привзвешивании. Конечно, изобретенысверхчувствительные весы, растетточность взвешивания, благодарякоторой появляются новые научныеоткрытия (так, например, былиоткрыты аргон и другие инертныегазы), но все же эталон массы — этоисточник головной боли дляметрологов всего мира.
700 тонн восновании 1 килограмма
Проходят годы, и эталонкилограмма худеет или полнеет.Определить, что именно с нимпроисходит, принципиальноневозможно — здесь плохую услугуоказывает одинаковость всехэталонов массы. Поэтому во многихметрологических лабораториях мираведутся интенсивные поиски новыхпутей создания и определенияэталона килограмма. Например, естьидея привязать его к вольту и ому,единицам измерения электрическихвеличин, и взвесить с помощьюэталона единицы силы тока —ампер-весов. Теоретически можнопредставить себе эталон килограммав виде идеального кристалла,содержащего известное число атомовопределенного химическогоэлемента (точнее — одного егоизотопа). Но способы выращиваниятаких кристаллов пока не известны.
Килограмм никак несвязан ни с физическимиконстантами, ни с какими-либоприродными явлениями. Поэтомуэталон берегут тщательнее, чемзеницу ока — в буквальном смысле недают пылинке на него сесть, ведьпылинка — это уже несколькоделений на чувствительных весах.Международный прототип эталонадостают из хранилища не чаще одногораза в пятнадцать лет, российский —раз в пять лет. Все работы ведутсясо вторичными эталонами (только ихдопускается сравнивать с основным),от вторичного эталона значениемассы передается рабочим эталонам,от них — к образцовым наборам гирь.
Когдапогрешность не грех
Словом, мы,возможно, стоим на порогереволюционного открытия вметрологии. Но пока “капризныйкилограмм” требует к себе большогопочтения. Эталонные весы во ВНИИМим. Д. И. Менделеева установлены наспециальном фундаменте в 700 тонн, несвязанном со стенами здания, чтобыисключить влияние вибраций.Температура в помещении, где засутки на весы устанавливаются двекилограммовые гири, поддерживаетсяс точностью до 0,01оС, а всеоперации ведутся из соседнейкомнаты с помощью манипуляторов.Погрешность эталона массы Россиине превышает +0,002 мг.
Итак, точностьобходится недешево. И все жеразница в погрешности междуотдельными видами эталоновколоссальная — от 5.10-14до 2,5.10-3, то есть в стомиллиардов раз. Почему? Во-первых,никто не занимается уменьшениемпогрешности эталонов, исходятолько из научной любознательности— все определяют запросы науки итехники. Именно поэтому могутсуществовать уникальныеэкспериментальные установки,погрешность которых (во времяэксперимента) меньше, чем унекоторых государственныхэталонов. Со временем на базе такихустановок создаются госэталонынового поколения.
Создание иэксплуатация эталонов требуют ибольших сооружений, и большихзатрат. Мы уже говорили омноготонном фундаменте эталонакилограмма, не менее “легкий”фундамент и у радиооптическогомоста эталона времени. При эталонеметра “состоит”пятидесятиметровый интерферо метрдля поверки мерных проволок ирулеток, при эталоне звуковогодавления в воде — гидроакустический бассейн с 360 тоннамидеаэрированной (“безвоздушной” —без растворенного воздуха) воды.Эталон единицы плотности потоканейтронов окружен массивнымибетонными стенами; эталонынапряженности электрического имагнитного полей размещаются вбольших залах, оборудованныхспециальными поглощающимипокрытиями. Уникальноепомехозащитное оборудование дляиспытаний включает наземныйфундамент в 2500 тонн, подвешенный напружинах.
Но вот с чем трудномириться — с недальновиднымотношением власть предержащих кметрологии, проявившимся впоследние годы. Уровень эталоннойбазы страны определяет в конечномсчете конкурентоспособность еепродукции на международном рынке,развитие науки и даже престижгосударства. Бисмарк когда-тосказал: “Страна, которая не можетсодержать свою армию, будетсодержать чужую”. Без эталонов, безединства измерений не обойтись. Небудет своих эталонов, придетсяплатить за чужие. И платить дорого.
Во-вторых, метрологисталкиваются с трудностямифундаментальными, связанными сосвойствами (физической сущностью)эталонируемых величин. Например,напряженность электрического имагнитного полей необходимоизмерять в свободном пространстве,создать эффект которого впомещении непросто. Еще сложнееобеспечить нужную конфигурациюполя. Поэтому погрешность эталонаоколо одного процента считаетсявполне приемлемой. Не меньшиетрудности встречают специалисты вобласти ионизирующих излучений.Заставить элементарные частицыотдать всю свою энергию вкалориметре — задачапринципиально невыполнимая.Приходится мириться спогрешностями, доходящими до пятипроцентов.
Перевозимыеводородные часы. Их используют длясличения вторичных эталоноввремени и частот в других городах истранах. Процесс сличениядостаточно сложен и длителен.Водородные часы подключают косновному эталону на две недели. Истолько же времени после переездаони работают со вторичным эталоном.Вернувшиеся в институт водородныечасы снова должны быть сверены сгосэталоном. Если показания неизменились, сличение прошлоуспешно.
Эталон единицыдавления. Его основа —грузопоршневой манометр. Знаяплощадь поршня и приложенную к немусилу (на фото — это диски игирьки-довески), можно вычислитьдавление.
Государственныйроссийский эталон массы. Этукилограммовую гирю из платины ииридия сделала в 1889 году парижскаяювелирная фирма по заказуМеждународного бюро мер и весов.Всего таких эталонов былоизготовлено 42, а стран, подписавшихтогда конвенцию о принятииметрической системы, — 1 По мере“подключения” к новой системеизмерений других стран им вручалиэталон килограмма.
Зал эталоназвукового давления не имеет ниодного прямого угла, чтобыминимальное отражение звука невозвращалось в ту же точку. Такимобразом достигается абсолютнаятишина в центре зала. Стены,потолок, пол покрыты клиньями иззвукопоглощающего материала. Ходятв зале по сетке, натянутой надполом.
Государственныйпервичный эталон единицы силы.
Первичный эталонплотности и потока нейтроновокружен графитовым шаром.
(01) (02) (03) (04) (05) (06) (07) (08) (09) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) (20) (21) (22) (23) (24) (25) (26) (27) (28) (29) (30) (31) (32) (33) (34) (35) (36) (37) (38) (39) (40) (41) (42) (43) (44) (45) (46) (47) (48) (49) (50) (51) (52) (53) (54) (55) (56) (57) (58) (59) (60) (61) (62) (63) (64) (65) (66) (67) (68) (69) (70) (71) (72) (73) (74) (75) (76) (77) (78) (79) (80) (81) (82) (83) (84) (85) (86) (87) (88) (89) (90) (91)
|
|