Текст книги "О станках и калибрах"
Автор книги: Зигмунд Перля
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 14 страниц)
На заводе, где машиностроители добиваются наиболее быстрой сборки машины, в ремонтных мастерских, где стремятся, как можно скорее привести машину в рабочее состояние, – везде, где пользуются большим количеством однородных машин, взаимозаменяемость деталей спасает эти машины от «смерти» или длительного омертвения.
Производство массовых партий взаимозаменяемых, точно изготовленных деталей машин – это и есть наиболее характерный признак современного машиностроения и основное назначение металлообрабатывающих станков.
Значит, точность измерения, умение определять размеры изделий с наивысшей точностью – вот еще одна сторона, и очень интересная, работы машиностроителя-станочника.
На долгом пути своего развития степень точности, которая достигалась при изготовлении изделий на металлообрабатывающих станках и определялась с помощью измерительных инструментов и приборов, все повышалась в соответствии с теми требованиями, которые предъявлялись наукой, техникой, промышленностью. В свою очередь успехи в области техники точных измерений способствовали дальнейшему развитию и совершенствованию науки, техники, промышленности, особенно металлообработки и машиностроения. Рассказу о главных усовершенствованиях в технике измерения, в металлообработке посвящена вторая часть этой книги.
{97}
Часть вторая
О КАЛИБРАХ
Глава I. ДО МЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Королевские конечности и ячменные зернаВ древние времена человек довольствовался очень грубыми приближенными измерениями. Охотясь, человек глазом измерял расстояние, на которое необходимо было метнуть камень или копье, чтобы попасть в зверя или птицу.
Но жизнь усложнялась, обиход человека обогащался рядом предметов, к размерам и весу которых предъявлялись требования определенного постоянства. Так, например, еще древние стрелки и оружейники нуждались в том, чтобы длина стрел и некоторые размеры луков были одинаковыми. А для этого нужно было иметь какую-то постоянную меру и с ней сравнивать тот или другой размер.
В качестве такой «постоянной» меры человек использовал свои конечности. Толщина пальца, длина сустава, ширина кисти, длина локтя, длина ступни – все эти величины служили образцовыми линейными мерами. С помощью конечностей устанавливались также размеры новых, условных линейных мер: длина шага, расстояние между концами пальцев расставленных рук и т. п. Но размеры конечностей у разных людей неодинаковы. Такие меры были более или менее постоянными и точными только для того человека, который ими пользовался, и потому такой способ измерения мог удовлетворять людей лишь на ранней ступени развития общества.
С развитием торговли этот примитивный способ измерения предметов оказался совершенно неудовлетворительным. Возникла потребность в стабилизации {98} размеров линейных мер, в приведении различных размеров одной и той же меры к одному, обязательному для данной страны. Такая стабилизация проводилась по-своему в каждой стране, а зачастую и в отдельных местностях внутри страны. Так продолжалось почти до самого промышленного переворота, причем к стабилизуемым мерам предъявлялись требования все большей точности.
К середине XVIII века насчитывалось огромное количество стабилизированных мер, их основой служили величины человеческих конечностей.
Распространенная в восточных странах «натуральная» мера – локоть (длина части руки от локтя до конца среднего пальца) – проникла почти во все страны. Первый стабилизированный в Англии при короле Эдуарде I (1272—1307) английский ярд так и назывался: «железный локоть». Его подразделения – фут и дюйм – также представляли собой стабилизированные размеры конечностей – ступни и последнего сустава большого пальца руки.
Старая русская линейная мера – аршин – равнялась 1,5 локтя. Старая русская сажень представляла собой стабилизированный размер расстояния между концами средних пальцев расставленных рук, либо расстояния от пяты левой ноги до конца пальцев правой поднятой руки (косая сажень); само слово «сажень» произошло от слова «досягать» (руками или ногами). Кроме того, в древней Руси измеряли «пальцем» (толщина пальца) и «пядью» (длина ладони). А в Англии правильная сажень отмерялась длиной соприкасающихся левых ступней, шестнадцати поставленных друг другу в затылок специально выбранных мужчин. Такие меры применялись в старые времена во всех странах.
Наиболее развитые в торговом и промышленном отношениях страны уже в средние века испытывали большие неудобства из-за огромного разнообразия мер. Каждая из этих стран стала стремиться к введению у себя единой системы мер. Эта система должна была быть построена, исходя из меры, принятой за основу всей системы и хранящейся в условиях, препятствующих искажению ее размера. В наше время такая мера называется эталоном; она представляет собой образец основной меры, изготовленный из металла с наибольшей достижимой точностью. Основными эталонами называются {99} те, которые составляют основу мерительного дела в стране.
Правительства некоторых западноевропейских стран зачастую объявляли основной мерой величину какой-либо конечности государя или принадлежащего ему предмета. Так, франкский король Карл Великий (768—819) объявил основной мерой длину своей ступни, которая и была названа «королевским футом». А английский король Генрих I (1100—1135) объявил основной мерой расстояние от его собственного, королевского, носа до конца среднего пальца при горизонтально вытянутой руке; он же впоследствии объявил основной мерой длину своего скипетра. Эта величина была названа «элл».
Исходя из такого рода условных величин основной меры, изготовляли металлические стержни – эталоны, которые с древнейших времен для обеспечения их сохранности и неизменяемости размеров хранились в важнейших государственных зданиях, особо оберегаемых. Так, например, римляне хранили свою основную меру в главном храме.
По древней Руси проходили два великих сухопутно-речных торговых пути мирового значения. Первый – «из варяг в греки»: с севера – из скандинавских стран – на далекий юг – в страны, расположенные на берегах Черного и Средиземного морей; второй – из западной Европы в страны Азии. Поэтому еще в X столетии, раньше чем это произошло в других странах, в древней Руси начались попытки установления единства и сохранности мер и их точного применения. Хранение мер поручалось духовенству – ведь в те времена только церковь располагала наиболее надежными местами хранения – в монастырях. В церковном уставе князя Владимира имеется запись, смысл которой сводится к тому, что с давних времен веса и меры установлены богом; и с тех же пор епископам поручено блюсти эти веса и меры «без пакости, ни умножати, ни умалити» и за все это держать ответ перед богом в день великого суда, как и «о душах человеческих».
А в грамоте Новгородского князя Всеволода в XII столетии даны такие же указания, но предусмотрены суровые наказания за уклонение от точности измерения товаров. {100}
И все же в разных местностях, в разных городах еще очень долго продолжали «мерить на свой аршин».
В 1550 году для установления единых мер в Московском государстве были изготовлены «печатные медные меры». Их разослали царским людям для применения по всей Руси. Это были первые единые образцовые государственные металлические меры – первая попытка установить единообразие мер в стране.
Но короли и другие властители, конечности которых служили образцовыми мерами, умирали или их свергали, скипетры или другие металлические меры изнашивались и исчезали. Когда встречалась необходимость снова воспроизвести основную меру, это оказывалось невозможным. Приходилось создавать новый образец основной меры, только приближенно равный старому.
Отсюда и возникла необходимость в установлении такого рода эталона основной меры, величину которого всегда можно было бы точно воспроизвести.
Уже после введения Эдуардом 1 «железного локтя» в Англии в 1324 году был издан закон, гласивший, что три ячменных зерна (круглые и сухие), сложенные рядом по длине, составляют один дюйм, двенадцать дюймов составляют один фут, а три фута – один ярд. Принятие длины ячменного зерна в качестве исходной, относительно неизменной основной величины для образования системы мер было уже попыткой установить какой-либо природный образец основной меры. Выбор для этой цели зерен злачных растений был сделан не впервые в истории человечества. Еще за 2690 лет до нашей эры в Китае при богдыхане Хоанг-ли была принята в качестве основной меры длина звуковой трубы, величина которой составлялась из 90 пшеничных зерен, уложенных плотно одно за другим. В поисках неизменяющейся меры применяли в качестве «эталона» длину пшеничного зерна и древние арабы. Индусы также пользовались в древнейшие времена ячменными зернами для определения измеряемой длины или веса.
В 1496 году в соответствии с законом о ячменных зернах был изготовлен в Англии основной эталон ярда из латунного стержня восьмиугольного сечения. Этот эталон служил до 1588 года. При королеве Елизавете его заменили новым, также латунным стержнем, но прямоугольного сечения. {101}
Второй ярд, изготовленный в 1588 году, служил до 1824 года. И первый и второй эталоны ярда были концевыми мерами – точный размер ярда определялся расстоянием между поверхностями концевых срезов стержня. Развитие техники оптических измерений позволило изготовить новый ярд в 1824 году в виде штриховой меры – стержня, на котором длина ярда была очень точно отмечена двумя параллельными штрихами. Этот точный ярд – основная мера всей системы измерений – погиб в 1834 году при пожаре в парламенте, где он хранился. Пришлось делать новый эталон в сущности «наощупь», так как его изготовили на основе сравнения нескольких существующих копий ярда 1824 года, Если бы ярд представлял собой меру, равную по величине какому-либо неизменному предмету окружающей нас природы, всегда имелась бы возможность восстановить его с необходимой степенью точности или проверить его величину. Но таких предметов тогда еще не знали.
Туаз и метрМногообразие и непостоянство основных мер были устранены лишь метрической системой мер и весов, возникшей во время Французской революции.
Введение метрической системы мер само по себе знаменовало переворот в мировой измерительной системе; этот переворот начался во Франции, так как революция дала толчок развитию уже ранее зародившихся мыслей ученых о необходимости создания единого и международного природного эталона постоянной линейной меры длины.
Французские ученые измерили одну четверть земного меридиана, проходящего через Париж, и в качестве природной неизменяемой меры выбрали одну десятимиллионную часть четверти этого меридиана, назвав ее метром. Свои измерения меридиана ученые произвели с помощью старой французской меры – туаза. Историческая заслуга этой меры в том, что она послужила основой создания метрической системы.
Еще в конце XVI века на наружной стене одного старинного замка в Париже, около тяжелых ворот, был укреплен железный стержень с двумя выступами на концах. Получилось нечто вроде современной измерительной скобы, о которой речь будет дальше. Расстояние между выступами выражало собой величину туаза, основной в {102} те времена французской меры длины. Туаз делился на 6 футов, фут – на 12 дюймов, дюйм – на 12 линий. Каждый желающий мог проверить величину своего туаза по эталону на стене.
Правильным считали туаз, который более или менее туго проходил между выступами эталона. Полагали, что проверка обеспечивает точность около 0,05 линии (около 0,1 миллиметра). В действительности такая точность не достигалась: стержень прогибался, величина расстояния между выступами искажалась, поверхности изнашивались, ржавчина съедала металл. В 1668 году размер стержня настолько исказился, что пришлось изготовить новый эталон. Внешне он был сходен со старым, но размер между выступами на этот раз был выбран меньше старого на 5 линий. Достоверных данных о причине такого изменения нет. Существует мнение, что расстояние между выступами нового эталона соответствовало половине ширины наружных ворот замка, полная ширина которых равнялась 12 футам.
По размеру нового туаза было изготовлено несколько копий. Двумя из них воспользовались, когда в 1735—1737 годах было предпринято в Перу (Южная Америка) и на севере Европы, в Лапландии, измерение длины дуги меридиана, соответствующей одному градусу, с целью определения величины диаметра земного шара. Туаз, которым производили измерения в Перу, был назван «перуанским», а туаз, которым производили измерения в Лапландии, – «северным».
Во время перевозки северного туаза корабль потерпел крушение. Туаз спасли, но величина его претерпела такие изменения, что им уже нельзя было пользоваться как образцовой мерой. Перуанский же туаз был благополучно доставлен в 1747 году во Францию. К этому времени французский эталон туаза, изготовленный в 1668 году, пришел в негодность. И вот 16 мая 1766 года перуанский туаз был провозглашен основным эталоном французских линейных мер.
Новый туаз служил эталоном французских линейных мер до введения метрической системы и явился ее основой. Именно этой мерой французские ученые произвели измерения длины меридиана. Длина эта, выраженная в туазах, будучи разделена на 40 000 000, давала величину {103} метра или 0,51307407 туаза. Таким образом, туаз оказался равным 1,9490363 метра, приближенно 1,95 метра.
Измерение было произведено точными способами, которыми располагает специальная наука – геодезия. Способ этот называется триангуляцией. Для простоты представим себе, что наша земля – правильный шар. Практически невозможно измерить меридиан земного шара путем укладывания на всем его протяжении специальных измерительных стержней – жезлов, которыми пользовались французские ученые. Горы, леса, реки, моря, пропасти и, наконец, огромная величина земного шара – все это исключает возможность непосредственного измерения. Небольшую же часть меридиана (от 5 до 15 км), выбрав наиболее ровный участок, можно измерить непосредственно, укладывая вдоль него точно вымеренные стержни. Такой участок называют «базисом». Его конечные точки тщательно отмечаются. Дальше измерение идет уже расчетным путем с помощью геометрических и тригонометрических вычислений.
Земной шар представляет собой тело вращения особой формы, носящее название «геоид». По форме это тело вращения весьма близко к сфероиду (шару). Наибольшая разность расстояний от двух точек на поверхности геоида до его центра не превышает 100 метров. Величина эта, разумеется, весьма мала по сравнению с поперечником земли. Все же, чтобы устранить влияние на расчет даже этого незначительного отклонения, измерение дуги меридиана произвели дважды, выбирая базу на разных участках меридиана. Одна была выбрана по возможности ближе к экватору, другая – к полюсу. Среднее значение полученных измерений было принято в качестве правильной величины дуги меридиана. Когда в 1735—1737 годах производили измерение градуса меридиана, то наряду с одним измерением от базы, выбранной в Перу, произвели и второе измерение от базы, выбранной в Лапландии (на том же меридиане).
Пользуясь таким способом, французские ученые Мешен и Деламбр измерили дугу парижского меридиана между городом Дюнкирхеном (Франция) и городом Барселоной (Испания). Одна база была выбрана около города Мелюн, а другая – в районе города Перпиньян. Для измерения были использованы новейшие достижения {104} измерительной техники и геодезии, все возможности науки того времени. В результате этого измерения, длившегося шесть лет (1792—1798), была получена новая единица длины – метр (от греческого слова, означающего «мера»), величина которого, как тогда были уверены ученые, всегда может быть восстановлена путем нового измерения длины парижского меридиана.
Таким образом, основной эталон метра являлся как бы копией природного неизменного образца. Метр стал основной мерой новой, метрической, системы линейных мер.
Метрическая системаФранцузская комиссия мер и весов во времена Французской революции так отзывалась о новой системе: «Определение этих мер и весов, взятое из природы и тем самым освобожденное от всякого произвола, будет ныне устойчивым, непоколебимым и неизменным...»
Права ли была комиссия? Не совсем. И в самом главном, пожалуй, вовсе неправа, а именно в том, что основная единица новой системы – метр – будто бы освобождена от всякого произвола. Когда французские ученые измерили меридиан, они определили метр, как 1/40 000 000 его часть. Следовательно, длина земного меридиана, проходящего через Париж:, равнялась по их расчету 40 000 000 метров. Но позднейшие измерения Парижского меридиана показали, что его длина несколько больше, а именно – на 3423 метра. Таким образом, первый основной эталон метра, изготовленный по результатам первого измерения и утвержденный в 1799 году, оказался фактически меньше 1/40 000 000 части меридиана. Переделывать его не стали. Результаты новых измерений меридиана могли оказаться отличными от первых двух.
Величина первого метра, так называемого «архивного прототипа» (от греческого слова, означающего «первообраз»), изготовленного из платины, осталась международным эталоном. Но он потерял значение «природной» меры и оказался такой же условной мерой, как и английский ярд.
Огромным достоинством новой системы мер явилась ее десятиричность. Каждая величина этой системы образуется путем деления или умножения основной меры на число, кратное 10. Основная мера – метр, – деленная на 1000, 100, 10, дает соответственно миллиметр, сантиметр {105} и дециметр, а умноженная на 1000 – километр (умножение метра на 10, 100, 10 000, 1000 000 дает соответственно декаметр, гектометр, миниаметр и мегаметр, но эти величины, вернее наименования, неупотребительны). Все вычисления по новой системе производятся очень легко.
Заслуга французских ученых заключалась в том, что они ввели в систему мер десятиричную систему исчисления, которая зародилась еще в древние времена, когда человек считал по пальцам рук (десять пальцев). Индусы вооружили эту примитивную, но удобную систему счета изобретенными ими цифрами от 0 до 9. В XIII веке эта система проникла в Европу.
Вторым преимуществом новой системы явилось установление твердой зависимости между линейными и весовыми мерами. Вообразите себе куб чистой дестиллированной воды со стороной, равной одному сантиметру, и при температуре в 4 градуса (температура воды наибольшей плотности). Вес этого куба и был принят за основную весовую единицу метрической системы и назван граммом. Умножая грамм на 1000, на 100 000 и на 1 000 000, мы соответственно получаем килограмм, центнер и тонну, а разделив на 1000,– миллиграмм, наиболее употребительные наши весовые величины. У вавилонян еще задолго до нашей эры весовые меры тоже были связаны с линейными мерами и с единицами времени. Вавилонская весовая единица – «талант» (большой талант = 60,6 кг, малый талант = 30,3 кг) представлял собой вес воды, заполняющей сосуд определенного объема и вытекающей из него при постоянных условиях в определенный промежуток времени.
7 апреля 1795 года – день объявления Национальным конвентом французской республики закона о введении метрической системы мер и весов – следует считать днем рождения метра как эталона длины, выступившего в качестве кандидата на звание международного прототипа. К этому времени в мире господствовал английский ярд, насчитывавший уже несколько сот лет существования. Подразделения ярда – дюйм и фут – прочно утвердились в промышленности и торговле ряда передовых стран. Дюймовая система укрепилась на занятых позициях, и метр был встречен враждебно. Именно то, что метрическая система упрощала технику отсчетов и {106} была призвана к созданию единого мерительного языка во всем мире, сообщало новой системе революционный интернациональный характер.
Метр имел много врагов в самой Франции. Французский император Наполеон в 1809 году отменил метрическую систему. Но преимущества ее все же были слишком очевидны. К этому времени метр, как сказано выше, уже потерял свое значение природной меры, но стройность системы и легкость практического ее применения благодаря десятиричности обезоруживали противников. Только что нарождавшееся производство взаимозаменяемых деталей машин уже настоятельно требовало в качестве условия своего развития единой измерительной базы.
В 1836 году метрическая система была восстановлена во Франции и с этого времени шаг за шагом отвоевывала позиции у ярда.
И все же к новой, прогрессивной системе мер многие относились недоброжелательно.
Но вот в 1868 году с трибуны Первого съезда русских естествоиспытателей (в Петербурге) на весь мир прозвучали страстные, проникновенные слова «Заявления о метрической системе» великого русского ученого Д. И. Менделеева:
«Объединение народов останется мечтою мира и прогресса, пока не подготовлены к тому пути. До сих пор, кроме стихий, только печатное слово, торговля и науки скрепляют интересы народов. Это крепкие связи, но не всесильные. Подготовлять же связь крепчайшую обязан каждый, кто понимает, что настанет, наконец, желанная пора теснейшего сближения народов... Воздухоплавание, попытки отыскать мировой язык и всеобщие письмена, международные выставки, даже самые стачки – маяки на этом долгом пути.
Есть между этими попытками одна, не стоящая ни миллионов, как выставки, ни громадных усилий опыта и ума, как воздухоплавание, – это попытка склонить народы к единству мер, весов и монет.
Число, выраженное десятичным знаком, прочтет и немец, и русский, и араб, и янки одинаково, но живое значение цифр для них чересчур разнообразно, даже одно слово часто имеет неодинаковое значение у разных народов. Так, фунт неодинаков – английский, {107} валахский, русский, испанский, китайский, даже рижский, ревельский, курляндский.
Давно стремятся установить однообразие в этом отношении. Побуждает к тому польза, очевидная для каждого.
Система, пригодная для этой цели, должна быть прежде всего десятичная, потом все меры в ней должны одна от другой происходить...
Такова метрическая система...
Облегчим же и на нашем скромном поприще возможность всеобщего распространения метрической системы и через то посодействуем в этом отношении общей пользе и будущему желанному сближению народов. Не скоро, понемногу, но оно придет. Пойдем ему навстречу». [1]1
Труды Первого съезда русских естествоиспытателей в С.Петербурге (28 декабря – 4 января 1867—1868 гг.)
[Закрыть]
А через год – в 1869 году – действительный член Российской Академии Наук Б. С. Якоби от имени русских ученых представил в Парижскую Академию Наук обоснованный доклад о необходимости сделать метрическую систему мер международной. Именно эта инициатива русских ученых и послужила фундаментом, на котором удалось через несколько лет возвести здание международной метрической конвенции – соглашения о введении единой международной системы мер длины и массы.
В 1872 году в Париже собралась Международная метрическая комиссия из представителей двадцати стран. Комиссия предложила изготовить новый прототип метра по размеру первого прототипа (архивного). Первый прототип метра был изготовлен в виде концевой меры, его размер точно выражался расстоянием между срезами стержня. Это вело к искажениям вследствие износа поверхности срезов, соприкасавшихся с контактами держателя.
Новый прототип изготовили в виде штриховой меры – точный размер метра выражался расстоянием между двумя штрихами на поверхности стержня, вся длина которого равнялась 102 сантиметрам. Он был изготовлен из сплава платины с иридием. Этот материал (90% платины и 10% иридия) отличается высокой твердостью, неокисляемостью и стойкостью против изменений размеров {108} с течением времени. Новый прототип был провозглашен комиссией международным прототипом мер длины. В 1888 году под Парижем, в Севре, было организовано Международное бюро мер и весов – место хранения эталона линейных мер – метра и эталона веса – килограмма.
Международный прототип метра
Здание бюро, по соглашению с правительством Французской республики, было объявлено международным. В 1891 году были изготовлены 34 копии международного метра и распределены между странами – участницами Международного бюро. По жребию Россия получила две копии: № И и № 28. Первый хранится во Всесоюзном научно-исследовательском институте метрологии (ВНИИМ) в Ленинграде и является государственным эталоном СССР, а второй хранится как запасная копия.
Великому русскому ученому Д. И. Менделееву принадлежит заслуга в организации и научной постановке хранения и поверки мер и весов в России. Пятнадцать последних лет своей жизни (1892—1907) он посвятил этому важному для отечественной науки, и техники делу и своими исследованиями создал основу научного развития точных измерений в нашей стране.
Начиная с этого времени метр как эталон постепенно проник во все страны Европы, а также в Японию, Турцию и в США. В Англии, в США и в некоторых других странах на основании точно установленных соотношений между метром и ярдом допускается и применение дюймовой системы. У нас метрическая система была объявлена обязательной и единственной декретом Совнаркома от 14 сентября 1918 года.
Международный прототип метра представляет собой платино-иридиевый стержень с сечением Х-образной формы. Длина стержня, как уже было сказано, равняется 102 см.На верхней поверхности полки стержня, на каждом конце, нанесено по три поперечных штриха. Расстояние между двумя средними штрихами определяет {109} длину метра. Толщина каждого штриха 6—8 микронов (микрон = 0,001 миллиметра). Промежутки между штрихами равны 0,5 миллиметра.
Ось метра обозначена двумя нанесенными также на концах полки стержня продольными штрихами с промежутком между ними в 0,2 миллиметра. Из 34 образцовых метров, изготовленных Международным бюро мер и весов, метр № 6 оказался при нуле градусов по термометру Цельсия точно равным архивному метру и поэтому был Признан международным прототипом.
Он хранится в Международном бюро в Севре, в специальном помещении, огражденном от сотрясений и влияния температурных изменений. По международному метру производится проверка прототипов, находящихся в центральных мерительных учреждениях других стран.
Мы уже знаем, что величина метра определяется расстоянием между двумя определенными штрихами, нанесенными на стержень прототипа. Но такое определение, как мы это увидим дальше, недостаточно. Всякий материал изменяет свои размеры вместе с изменением температуры среды (расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении). С материалом прототипа метра происходит то же самое, а по этой причине при различных температурах меняется расстояние между штрихами. Эти изменения отнюдь не маловажны. Так, например, имеющаяся у нас в Советском Союзе копия международного метра (№ 28) при 0 градусов имеет длину 1 метр плюс 0,71 микрона, а при 20 градусах – 1 метр плюс 180,24 микрона. Таким образом, при изменении температуры от 0 до +20 градусов длина этого метра увеличивается почти на две десятых миллиметра, а это довольно заметная величина. Поэтому условились основной величиной метра считать его длину при температуре тающего льда – 0 градусов.
Платино-иридиевый сплав устойчивее других материалов, но очень дорог. Из него изготовлены только международный прототип и его национальные копии. Меры, к которым предъявляются менее строгие требования в отношении точности, изготовляются из других материалов, также сравнительно устойчивых против температурных влияний, но изменяющихся в большей степени, чем платино-иридиевый сплав. Стальной метр при изменении температуры на 1 градус изменяет длину на 11 {110} микронов, медный или бронзовый – на 18 микронов, алюминиевый – на 24 микрона. Нетрудно подсчитать, что алюминиевый стержень длиной в 1 метр при нагревании от 0 до 100 градусов увеличит свою длину на 2,4 миллиметра, что уже недопустимо для измерений, даже не требующих особо высокой точности.
В конце XIX века начали применять сталь с содержанием 36% никеля. Этот материал (названный «инвар») хорошо сопротивляется температурным влияниям; однометровый стержень изменяет длину на 1 микрон при изменении температуры на 1 градус. Таким образом, метр, изготовленный из инвара, при нагревании от 0 до 100 градусов удлиняется только на 0,1 миллиметра. Но и этот материал подвержен значительному искажению размеров с течением времени – в результате внутренних изменений. В новейшее время начали применять плавленный кварц; однометровый стержень из этого материала изменяет длину всего на 0,4 микрона при изменении температуры на 1 градус. Широкому использованию этого материала мешает его хрупкость.
Форма сечения прототипа также выбрана не произвольно. Если стержень положить на какую-либо, даже точно обработанную плоскость, то нижняя его поверхность не всеми точками совпадет с этой плоскостью. Вследствие этого стержень потеряет свою прямолинейность. Если на верхней поверхности такого стержня нанесены на концах штрихи, расстояние между которыми выражает, допустим, длину метра, то в результате (пусть микроскопически малого) провеса стержня это расстояние увеличится. Если штрихи нанесены на нижней поверхности стержня, то соответствующее расстояние уменьшится.
Между верхней и нижней поверхностями существует так называемый нейтральный слой, в плоскости которого расстояние между штрихами настолько мало изменяется, что этим изменением можно пренебречь. Расположение нейтрального слоя зависит от расположения опор, на которых покоится стержень. Чтобы избежать произвола в этом вопросе, ученые исследовали его и установили, что наивыгоднейшие две точки опоры расположены на расстоянии 2/ 9длины стержня от каждого его конца. При таком расположении опор изменение длины стержня в результате провеса бывает наименьшим. Нейтральный же слой располагается в средней продольной части стержня. {111} Поэтому международному прототипу придали Х-образную форму, штрихи перенесли на егосреднюю полку (нейтральный слой) и уложили его на две правильно установленные опоры. Такая форма обеспечила наименьшую величину изменений длины стержня. Первый французский «архивный» метр был изготовлен из платинового стержня прямоугольного сечения высотой, равной 1 миллиметрам. Когда стержень укладывали на опоры (по краям), величина его изменялась приблизительно на 0,4 миллиметра.
Мы все время толкуем о величине метра, приводим данные его сравнительных измерений и при этом оперируем даже долями микрона. Как же производится измерение длины какого-либо эталона метра? Проверка производится способом сравнения проверяемого эталона с одним из образцовых и осуществляется с помощью очень точного прибора.
