ИЗМЕРЕНИЯ и МЕРЫ

ЧТО ТЯЖЕЛЕЕ — КИЛОГРАММ СВИНЦА ИЛИ КИЛОГРАММ ПУХА?

Ы, вероятно, не раз слышали этот каверзный вопрос - шутку. Кое-кто, не подумав, отвечает: «килограмм свинца тяжелее...».

Такой ответ вызывает обычно взрыв смеха. А между тем дело здесь обстоит не так просто. Сейчас вы убеди­тесь, что килограмм свинца и впрямь мо­жет быть тяже­лее, чем килограмм пуха.

Нетрудно заме­тить, что в воде те­ла становятся легче. Взвесьте какой-ни­будь предмет на пружинных весах (рис. 27, а). Затем опустите его в воду. Как видите, стрелка весов указывает те­перь меньшее зна­чение (рис. 27, б).

Впервые такое явление обнаружил и объяснил ещё древнегреческийучё - ный Архимед. За­кон, носящий его имя, гласит: «Вся­кое тело при погружении в жидкость теряет в своём весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость».

Если тело вытесняет сравнительно немного воды, то и потеря его веса невелика. Таковы камни, куски металла
и т. п. Все они под действием притяжения Земли опуска­ются на дно — тонут.

Если же вытесненная телом вода весит больше его са­мого, то. такое тело становится как бы невесомым. Оно уже не тонет, а наоборот, всплывает. Примером подобных тел служит пробка.

Закон Архимеда справедлив и для газов. Взвесив тело сначала в пустоте, а потом в воздухе, мы обнаружим, что во втором случае вес тела уменьшился. Уменьшение веса зависит от объёма вытесняемого телом воздуха.

Вспомните детский воздушный шар, наполненный водо­родом. Сколько бы вы ни пытались его взвесить, у вас не­чего не получится. Шар будет упорно взлетать вверх, словно свидетельствуя этим о своей «невесомости». Но на самом ли деле он ничего не весит?

Мы знаем, что водород значительно легче воздуха. Оболочка шара вместе с наполняющим её водородом весит меньше, чем вытесняемый шаром воздух. Разница этих ве­сов создаёт так называемую подъёмную силу, благодаря которой воздушный шар и не падает на землю.

Погрешность, обусловленная законом Архимеда, может возникнуть и при взвешивании других тел. Ведь при раз­ных температурах и на различных высотах вес воздуха не­одинаков. Так, тёплый воздух легче холодного. У по­верхности земли воздух тяжелее, чем высоко в горах, отсюда и результат взвешивания может оказаться раз­личным. Поэтому при очень точных измерениях веса и массы взвешивание производится в безвоздушном пространстве.

Вес тела в пустоте принято называть истинным.

Вернёмся теперь к ответу на наш вопрос. Пусть истин­ный вес свинцового груза 1 килограмм. Положим этот груз на одну чашку рычажных весов. На другую поместим кипу пуха, истиный вес которой также равен 1 кило­грамму. Уравновесятся ли чашки весов, если взвешивание производится, как обычно, в воздухе? Оказывается, нет!

Ведь объём свинцового груза очень мал, а объём кипы пуха велик. Кипа вытесняет много воздуха, поэтому она, согласно закону Архимеда, становится заметно лег­че. Свинцовый же груз весит в воздухе почти столько же, сколько и в пустоте. Разница в весе заставляет чашку со свинцом опуститься, а с пухом — подняться (рис. 28).

Вот и выходит, что килограмм свинца может оказаться «тяжелее», чем килограмм пуха! Конечно, говоря о «кило-

Грамме» свинца и «килограмме» пуха, надо помнить, что имеются в виду истинные веса этих тел, а не веса в воз­духе.

«КОТОРЫЙ ЧАС?»

О сих пор мы говорили главным образом об измерении длины и веса. Между тем существует ещё ряд вели­чин, измерение которых столь же необходимо для чело­века. Одна из них — время.

В нашей жизни очень многое делается по часам. К определённому часу мы идём на работу, в определённое время отправляются и прибывают поезда, начинаются спектакли, лекции, собрания. Поэтому мы часто спраши­ваем: «который час?». Но всегда ли наши часы показывают точное время?

Мы знаем из опыта, что часы за сутки могут уйти впе­рёд или отстать на несколько секунд, а то и минут. А за несколько месяцев ошибка в их показа-ниях достигнет часа и даже больше. Доверившись таким часам, мы наверняка опоздаем на поезд, на работу. Чтобы этого не случилось, часы проверяют по сигналам точного времени, которые передаются по радио четыре раза в сутки.

Как же узнают точное время? Как добиваются того, чтобы показания часов всегда были одинаковыми?

Издавна за единицу времени принимают сутки. В тече­ние суток земной шар делает один оборот вокруг своей оси. Земля — это как бы огромная часовая стрелка, ука­зывающая самое точное время.

Но как пользоваться такими часами? Ведь мы не чув­ствуем, что Земля вращается. Так, пассажир, сидящий в каюге спиной к окну, обычно не чувствует движения паро­хода. Однако стоит ему взглянуть в окно, и станет ясно, что пароход движется. Так же можно обнаружить и враще­ние земного шара. Понаблюдайте за звёздным небом — звёзды не стоят на месте. Нам кажется, что небосвод или, как говорят астрономы, небесная сфера вместе со звёз­дами вращается вокруг невидимой оси. В действительно­сти же, как мы знаем, вращаются не звёзды, а сама Земля. Так и пассажиру, смотрящему в окно каюты парохода, тоже кажется, что движется не пароход, а берег — мед­ленно уплывают назад пристани, мосты, огни прибрежных селений.

Земдя вращается равномерно, поэтому равномерно «движутся» и звёзды. В определённый момент времени каждая звезда проходит через определённую точку неба.

В специальную зрительную трубу наблюдают за какой - либо звездой и в тот момент, когда звезда проходит через избранную точку, пускают часы. Так судья на спортивных соревнованиях «засекает» момент, когда бегун касается ленточки финиша. А поскольку момент, в который должна «финишировать» звезда, вычислен заранее, то, засекая его на часах, тем самым находят точное время.

Но наблюдать за звёздами можно только по ночам, да и то лишь в ясную погоду. А как быть в промежутках между этими наблюдениями? Ведь современная наука предъявляет очень высокие требования к точности опреде­ления времени. Во многих случаях, например в геоде­зии [6]) и кораблевождении, необходимо знать время с ошибкой не более чем в сотую, а иногда и тысячную долго секунды. Значит, необходимы очень точные часы, которые в промежутках между астрономическими наблюдениями показывали бы время с ничтожной погрешностью.

От чего же зависит точность часов? Почему одни часы точнее других?

Взгляните на стенные часы, ну хотя бы на обычные хо­дики. Прежде всего вам бросится в глаза качающийся маятник. Это очень важная часть часового механизма — она управляет ходом часов. Маятник особым образом свя­зан со стрелками часов: при каждом его качании стрелки передвигаются на определённую часть окружности ци­ферблата.

Движение маятника поддерживается пружиной или гирями. Заводя пружину или поднимая гирю, мы затрачи­ваем определённую энергию. Но энергия эта не пропадает даром — она накапливается пружиной. Заведённая пру­жина медленно раскручивается, а поднятая гиря опу­скается. При этом запасённая ими энергия передаётся маятнику и раскачивает его, не давая остановиться.

Отведите в сторону маятник незаведённых часов и от­пустите его. Размах колебаний будет понемногу умень­шаться — энергия, которую мы первоначально передали маятнику, расходуется на трение в точке подвеса и на со­противление окружающего воздуха. Но сосчитайте, сколько колебаний делает маятник, скажем, за четверть минуты. Легко убедиться, что число колебаний остаётся почти неизменным даже тогда, когда размахи маятника заметно уменьшатся.

Число колебаний в единицу времени, или, как гозорят, его собственная частота, зависит от длины маят­ника. Чем длиннее маятник, тем медленнее он раскачи­вается, то есть тем меньше его собственная частота. Но мы знаем, что при изменении температуры все тела расши­ряются или сжимаются. Изменяется и длина маятника. Значит, часы, показывающие точное время при какой-ни - будь одной температуре, будут спешить или отставать при другой температуре.

Таким образом, от качества маятника, от того, на­сколько его длина меняется при изменении температуры, зависит в основном точность часов.

В самых точных — эта­лонных — часах (храните­лях времени), по которым узнают время в промежут­ках между астрономически­ми наблюдениями, маятник сделан из специального сплава — инвара, что в пе­реводе с латинского озна­чает «неизменный». Длина подобного маятника, а сле­довательно, и частота, с ко­торой он колеблется, почти не зависят от температуры.

Чтобы на ход эталонных часов не влияло атмосфер­ное давление, их помещают в цилиндр, из которого за­тем откачивается воздух (рис. 29).

Чтобы такие часы не ис­пытывали толчков, их опу­скают глубоко под землю, в специальные подвалы.

Благодаря всем этим мерам точность часов — хранителей времени — очень высока — за сутки они «уходят» или отстают всего лишь на тысячную до­лю секунды.

По эталонным часам по­веряются образцовые ча­сы — хронометры (от гре­ческого слова «хронос» — время), суточная погреш­ность которых составляет примерно 0,1 секунды. По хронометрам производится поверка всей массы осталь­ных часов.

Ежедневно через мощные радиовещательные станции передаются сигналы точного времени. В нашей стране эти сигналы состоят из двух звуковых «тире» и одной «точки», которая с погрешностью примерно 0,1 секунды отмечает определённый момент времени (например, 19 часов, 00 ми­нут, 00 секунд).

Широко распространена также передача сигналов вре­мени по телефону. Позвоните по определённому номеру (в различных городах он неодинаков), и вы услышите го­лос, называющий часы и минуты. Вы «разговаривали» с особым звуковоспроизводящим аппаратом, который управляется хронометром.

С помощью электрических устройств хронометры могут также управлять ходом сотен других часов, связанных с ними проводами. Такие часы есть в любом крупном городе. Их стрелки движутся скачками, повинуясь ежеминутным электрическим сигналам, поступающим от хронометров.

Но в некоторых случаях даже эталонные часы оказы­ваются недостаточно точными. Во многих астрономических и геофизических исследованиях необходимо определять время с меньшей погрешностью. А как ни пытались ещё более улучшить маятниковые часы, ничего не получилось. Их возможности были исчерпаны.

И тогда учёные создали так называемые кварцевые часы, работающие по иному принципу. В кварцевых ча­сах вы не найдёте ни пружины, ни гирь, ни мерно раска­чивающегося маятника. Как же они действуют?

В природе есть один замечательный минерал — кварц. Он встречается в виде песка, гальки и красивых много­гранных кристаллов. Одна из разновидностей кристалли­ческого кварца — прозрачный, как родниковая вода, гор­ный хрусталь. Из хрусталя делают вазьр, бокалы, люстры, которые вы, вероятно, не раз видели.

Чем же замечателен кварц? Прежде всего своей проч­ностью и твёрдостью — твёрже его только алмаз, корунд и топаз. Кроме того, кварц почти не расширяется при на­греве и не поддаётся воздействию большинства кислот.

Но, пожалуй, самое интересное свойство кристаллов кварца состоит в следующем.

Если кварцевый кристалл поместить между двумя ме­таллическими пластинками — электродами — и подклю­чить их к электрометру — прибору для обнаружения электрического заряда,— то стрелка электрометра откло­нится (рис. 30). Значит, при сдавливании на гранях кри - сталла возникают электрические заряды (рис. 30). И на­оборот, если присоединить электроды к электрической батарее, то кристалл деформируется — сожмётся или растянется в зависимости от того, на какой его грани со­средоточились положительные заряды и на какой отрица­тельные. Это свойство кварцевых кристаллов назвали пьезоэлектрическим эффектом (пьезо по-гречески значит давить).

Благодаря пьезоэлектрическим свойствам кварца квар­цевая пластинка может превращать электрическую энер­гию в механическую и наоборот. Если электроды такой пластинки с помощью проводов подключить к сети пере­менного электрического тока, то кварцевая пластинка начнёт колебаться — поочерёдно сжиматься и растяги­ваться. Сколько раз изменится направление электриче­ского тока, протекающего в сети, столько же раз сожмётся и растянется кварцевая пластинка [7]).

Кварцевая пластинка, как и маятник часов, обладает собственной частотой, с которой она начинает колебаться

После толчка. Собственная частота колебаний пластинки, как и частота маятника, зависит от её размеров и массы.

Если, замкнув электроды проводником, ударить чем - либо по пластинке, чтобы она начала колебаться, то бла­годаря пьезоэлектрическому эффекту в проводнике воз­никнет переменный электрический ток, частота которого будет равна собственной частоте пластинки.

Поскольку кварц при нагревании расширяется ни­чтожно мало, собственная частота кварцевой пластинки исключительно постоянна. Если пластинку нагреть или охладить на один градус, то её собственная частота изме­нится всего лишь на несколько десятитысячных, а иногда даже стотысячных долей процента.

Учёные и решили использовать кварцевую пластинку в качестве своеобразного электрического маятника для но­вых исключительно точных часов.

Колебания такого «маятника» поддерживаются с по­мощью специального электрического устройства, так на­зываемого лампового генератора. Название это происходит от слова генерировать, что значит возбуждать. Генератор черпает энергию от электрической батареи и передаёт её пластинке. Таким образом, в кварцевых часах он как бы заменяет пружину. Кварцевая пластина вырабатывает переменный ток исключительно постоянной частоты, пред­назначенный для питания особого электромотора. Ско­рость вращения этого электромотора (число оборотов в минуту) зависит от частоты питающего тока. Поскольку частота тока почти неизменна, то постоянно и число обо­ротов мотора в минуту.

Соединив подобный электромотор с механизмом, вра­щающим часовые стрелки, мы получим чрезвычайно точ­ные часы.

Суточная погрешность таких кварцевых часов — всего лишь десятитысячная доля секунды, то есть в де­сять раз меньше погрешности обычных астрономиче­ских часов!

Кварцевые часы уже помогли учёным сделать важ­ное открытие. Оказалось, что вращение земного шара, вокруг оси происходит не строго равномерно. Длитель­ность суток меняется на несколько десятитысячных долей секунды.

Кварцевые часы имеются во многих научно-исследова­тельских институтах и обсерваториях Советского Союза. Ими располагают, например, Центральный научно-иссле - довательский институт геодезии, аэросъёмки и картогра­фии, астрономический институт имени Штернберга, Все­союзный научно-исследовательский институт физико-тех - нических и радиотехнических измерений.

Показания этих часов регулярно сравнивают между собой и проверяют по звёздам. В этом и заключается «хранение времени».

Конечно, нельзя сбрасывать со счётов и обычные астро­номические часы — они пока ещё не потеряли своего значения благодаря долговечности и надёжности в экс­плуатации. Кварцевые часы пока ещё не так надёжны — ведь в генераторе есть лампы, которые могут внезапно перегореть. Но сейчас на смену лампам приходят значи­тельно более долговечные полупроводниковые электрон­ные приборы. Применение их намного повысит надёжность кварцевых часов.

А возможны ли часы ещё точнее, чем кварцевые?

Современная наука отвечает на этот вопрос утверди­тельно. Теперь созданы новые часы — атомные или моле­кулярные. Пока ещё такие часы несовершенны, и точность их меньше, чем кварцевых. Но в будущем они окажутся точнее.

Как же работают атомные часы?

Вспомним строение вещества. Все тела в природе по­строены из атомов различных химических элементов. В большинстве веществ атомы объединены в более круп­ные частицы — молекулы. Каждый атом и каждая моле­кула, подобно любому упругому телу — струне, пружине и х д.— обладает определённой собственной частотой, на которую резонирует — «откликается». Поскольку атомы или молекулы одного и того же вещества одинаковы, оди­наковы и их собственные частоты. Эти частоты исклю­чительно постоянны и почти не зависят от внешних влияний — температуры, атмосферного давления и др. Вот почему так заманчиво использовать колеблю­щийся атом или молекулу в качестве часового меха­низма.

Но как это сделать?

Учёные разработали несколько вариантов атомных ча­сов. Вот, например, один из них.

В резервуаре, из которого откачан воздух, находится сосуд с разреженным газом — аммиаком. В стенке сосуда имеется щель, сквозь которую молекулы аммиака выле­тают наружу. При этом они совершают не только посту­пательное движение, но и колеблются. Поток колеблю­щихся молекул направляется в так называемый объёмный резонатор — колебательную систему, настроенную в резо­нанс с ними, то есть имеющую ту же собственную частоту - В резонаторе возникают электрические колебания. Они усиливаются и после ряда преобразований приводят в дей­ствие часовые стрелки, как это делается в кварцевых часах.