Текст книги "О станках и калибрах"

Автор книги: Зигмунд Перля

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 14 страниц)

Два сравниваемых эталона помещаются рядом и подводятся под окуляры двух микроскопов, неподвижно укрепленных на таком расстоянии друг от друга, которое равно номинальному размеру длины между штрихами метра. Разность, подлежащая проверке, улавливается путем регистрации отклонения штриха сличаемого эталона от штриха образца. При этом необходимо соблюсти одинаковую температуру обоих эталонов с точностью до 0,1 градуса. Даже человеческое дыхание, повышающее температуру на 0,1 градуса, способно повлиять на точность измерения.

Ванна с двойными стенками наполнена дестиллированной водой. Пространство между стенками также наполнено водой, которая служит для регулирования температуры воды в ванне. Внутри на специальных опорах покоятся оба сличаемых эталона. Ванна укреплена на тележке, позволяющей осуществлять передвижения в направлении, перпендикулярном длине сличаемых мер. По обеим сторонам ванны на каменных опорах укреплены в вертикальном положении два микроскопа. Оба эталона по очереди подводят под окуляры этих микроскопов и производят два отсчета для двух штрихов образцового метра. Затем подводят проверяемый метр и производят такие же два отсчета для его штрихов. Результаты сравнивают и определяют фактическую длину проверяемого метра. {112}

На протяжении нескольких десятилетий усилия науки направлены были к тому, чтобы добиться предельной точности в установлении величины метра – этой всеобщей международной единицы длины.

Но лишь в конце XIX века ученые получили возможность, используя длину световых волн, производить измерения с настолько высокой степенью точности, что многократные измерения одной и той же величины не показали какого-либо существенного различия. Метр, выраженный в длинах этих волн, получил ту устойчивость, к которой стремились ученые на протяжении многих лет.

Глава II. НЕИЗМЕННАЯ МЕРА

Немного физики

Чтобы понять, в чем состоит способ измерения с помощью длины световых волн, кратко напомним некоторые сведения из физики света.

Представим себе темную комнату с небольшим круглым отверстием в одной стене и белым экраном на противоположной. Если в отверстие направить пучок параллельных солнечных лучей, то на экране появится световое круглое пятно. На пути этого пучка лучей поместим стеклянную призму. Лучи, проходя через призму, изменят свой путь и упадут на стену уже в другом месте. Это явление носит название преломления лучей света. Призму следует поставить так, чтобы преломившиеся лучи шли внутри призмы параллельно ее основанию. На экране мы отметим еще одну странность – на нем не будет уже белого круглого пятна; вместо него появится разноцветная полоса. Верхний край полосы будет фиолетового цвета, нижний – тёмнокрасного. Между этими цветами будет еще много разных цветов, но главных, наиболее резко отличимых будет еще шесть: синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный. Вся разноцветная полоса носит название солнечного спектра; его появление вызвано разложением луча белого солнечного света на составляющие его разноцветные лучи.

Для более четкого воспроизведения спектра существуют специальные приборы – спектроскопы. С помощью такого прибора ученый Фраунгофер открыл в 1814 году, что солнечный спектр пересечен множеством темных линий. Они получили название фраунгоферовых линий. Их положение в спектре неизменно. Наиболее заметные из {113} фраунгоферовых линий (всего их насчитывают несколько тысяч) разделяют спектр на уже известные восемь частей: тёмнокрасную, светлокрасную, оранжевую, желтую, зеленую, голубую, синюю, фиолетовую.

Отдельные, четко окрашенные полосы порождаются одноцветными лучами, которые в физике света называются монохроматическими. Это слово составлено из двух греческих слов: «монос» – один и «хрома» – цвет.

Арифметика световых волн

Всякое вещество, находящееся в раскаленном состоянии, излучает в окружающее пространство энергию. Распространение энергии происходит волнообразно со скоростью 299 800 километров в секунду. Эти волнообразные колебания создают в человеческом глазу ощущение света.

Установлено, что каждый одноцветный луч имеет постоянную, только ему свойственную длину волны. Именно от длины волны и зависит восприятие глазом того или иного цвета.

Внутри каждого из восьми основных участков спектра, разделенных линиями, существует огромное количество оттенков данного цвета со свойственной каждому оттенку характерной длиной волны. Но так как внутри одного цвета разница между длинами волн различных оттенков ничтожно мала, то для практических целей ею пренебрегают и принимают для каждого из восьми цветных участков по одной характерной длине волны, выраженной в метрических единицах.

Длина волн очень незначительна и для средних светлых линий (желтый, зеленый) ее величина равна приблизительно 0,0005 миллиметра.

Всякое физическое тело дает особый спектр, состоящий из свойственных только этому телу линий, всегда одинаково расположенных. Длина волн, соответствующая каждой линии спектра определенного физического тела, есть величина постоянная, не изменяющаяся со временем и не зависящая от каких-либо условий. Эти свойства световых волн и натолкнули на мысль использовать их длину в качестве природного эталона линейных мер. Но световые волны невидимы! Как же можно с их помощью производить измерения? Ученые сделали их видимыми, воспользовавшись явлением интерференции света.

В чем это явление заключается? {114}

Представим себе, что два одноцветных (следовательно, имеющих одинаковую длину волны) луча действуют одновременно. Из возможных в данном случае положений обоих лучей нас интересуют два: первый – когда одинаковые по длине волны таких двух лучей как бы налагаются друг на друга, совпадая началом и концом волны. Такие два луча дают увеличенную яркость; второй – когда волны как бы направлены друг против друга. Если проследить одинаково расположенные точки этих волн (например, высшие точки верхних гребешков каждой волны), то видно, что они взаимно смещены на половину длины волны. (Стоит «передвинуть» один луч на половину волны, и они снова будут как бы наложены один на другой.) Такие два луча дают пониженную яркость и даже ощущение темноты, если величины колебаний волны одинаковы. Волны как бы уничтожают друг друга. В физике это явление называется интерференцией. Практически оно может дать следующий очень интересный эффект. {115}

^{Одинаковые по длине волны как бы налагаются друг на друга и дают увеличенную яркость (слева на рисунке); их „работу” можно сравнить с работой пильщиков, – в то время, как один из них тянет пилу на себя, другой „позволяет” ей уйти и этим как бы усиливает ее движение. Те же волны, смещенные одна относительно другой на половину своей длины, как бы противостоят друг другу (справа на рисунке) и дают поэтому затемнение; такой эффект можно сравнить с работой тех же пильщиков, если оба они одновременно тянут пилу на себя.}

^{Из двух исходных точек начинается волновое движение двух пучков лучей, направленных на экран}

Два плоских зеркала поставлены под весьма малым углом друг к другу. На расстоянии нескольких сантиметров от линии соприкосновения зеркал расположена узкая щель, которая освещается сзади сильным источником света (солнце, вольтова дуга). Пучок света падает на зеркала и отражается вниз на экран.

Каждое зеркало можно рассматривать как отдельный источник того же света. Из этих двух исходных точек как бы начинается волновое движение двух пучков лучей, направленных на экран, на котором можно наблюдать следующее явление.

В середине экрана расположена точка, по которой волны обеих исходных точек проходят одинаковый путь. Длины этих волн одинаковы, и гребень одной волны накладывается на гребень другой; провалы обеих волн также совпадают. Поэтому участок будет усиленно освещен. По обеим сторонам от него расположены две точки, расстояние до которых от исходных точек будет таким, что гребень одной волны совпадает с провалом другой. Это значит, что в данном случае длина пути, проходимого светом от одной исходной точки, на половину длины волны короче, чем длина пути от второй исходной точки.

В обеих точках, расположенных по обеим сторонам освещенного участка, получается затемнение экрана – темная полоса.

Идя дальше в обе стороны от середины экрана, мы придем в такие два участка, до которых длины путей света от обеих исходных точек будут разниться на целую длину волны. Опять гребень одной волны совпадает с гребнем другой, провал одной – с провалом другой, и эти участки будут усиленно освещены. Далее мы придем к двум точкам, расстояния до каждой из которых от источников света будут разниться на 1,5 длины волны; снова получится затемнение и появится темная полоса. В результате мы получим освещенный экран, пересеченный рядом темных, равноотстоящих друг от друга полос, Расстояния между полосами зависят исключительно от длин волн.

Из этого опыта легко понять, что каждому промежутку между темной полосой и серединой светлого участка соответствует половина длины волны, а расстояние между двумя последовательными темными полосами или одинаково расположенными точками двух последовательных {116} световых участков соответствует полной длине волны и имеет неизменную величину.

На место экрана можно поместить любой измеряемый предмет и подсчитать, сколько на его длине уложится полос. Если мы определим таким путем длину волны, как долю этой длины, то две величины – проверяемая длина и волна данного одноцветного луча света – будут связаны неизменным соотношением. Благодаря этому длина волны может быть использована как точнейшая мера. Это и было сделано для выражения длины международного прототипа метра в длинах световых волн.

Метр – в длинах световых волн

Еще в первой половине XIX столетия ученые предлагали использовать длину световой волны какого-либо определенного цвета в качестве эталона линейных мер. Но требования, предъявляемые к точности, не вызывали тогда еще необходимости в таком эталоне.

Только в конце XIX века, когда бурно развивающееся машиностроение потребовало высокой точности измерительных средств, предложение ученых было осуществлено.

Чтобы получить четкое воспроизведение явления интерференции, необходимо соблюсти два условия.

1. Так как интерферируют не любые два луча одного цвета, а только взаимозависимые одноцветные лучи, то либо первоначальный луч должен быть разложен на два, либо два луча должны исходить из одного источника света.

2. Лучи должны иметь строго определенную длину волны. Большинство световых лучей не удовлетворяет этому требованию: они слагаются из лучей с различными, правда, весьма близкими друг к другу длинами волн. Каждый из этих лучей интерферирует по-своему, результаты накладываются друг на друга и на экране либо вовсе ничего не получается, либо получается очень нечеткая картина. Особенно важно это условие в тех случаях, когда длины путей двух интерферирующих лучей разнятся на много тысяч или миллионов длин волн. Существует очень немного источников света, лучи которых имеют настолько четкую длину волны, что ими можно пользоваться для точных измерений.

Ученые нашли такой источник света: это оказался свет гейслеровой трубки, наполненной парами металла кадмия (белый металл, химически сходный с цинком). {117}

Спектр кадмия состоит из четырех резко выделяющихся цветных линий: красной, которой соответствует длина волны, равная 0,044 микрона, зеленой – 0,509 микрона, синей – 0,480 микрона и фиолетовой – 0,468 микрона. Лучи, порождающие эти линии, правильно интерферируют на пространстве до 20 сантиметров. Позднее ученые нашли, что гейслерова трубка, наполненная газом неоном, позволяет получать четкий интерференционный эффект и на большем расстоянии.

В 1892 году был сконструирован специальный прибор – интерферометр, основанный на интерференции света. А в 1893 году в Международном бюро мер и весов была решена чрезвычайно трудная задача определения длины метра в длинах световых волн. Посредством исключительно точных, кропотливых исследований, измерений и сравнений удалось успешно закончить измерение метра в длинах волн красного света кадмия.

Длина одного метра равняется 1 553 163,5 длины волн красного света кадмия, а обратное соотношение такое: длина волны красного света кадмия равна 0,64 384 696 микрона.

Исключительное по своему значению для техники измерительного дела исследование потребовало невероятного упорства и настойчивости в преодолении больших трудностей. Зато работа была исполнена настолько точно, что повторное измерение метра, произведенное через семь лет уже другим способом, дало те же результаты.

С тех пор, с 1893 года, длина прототипа метра из произвольной меры, только приблизительно равной 1/40 000 000 длины земного меридиана, превратилась в величину, которую всегда можно восстановить с достаточной степенью точности, зная число укладывающихся на ней длин волн одноцветного луча света.

* * *

Научно устанавливаемая и научно проверяемая точность линейных измерений понадобилась не потому, что ученые поставили перед собой теоретически отвлеченную задачу, а потому что машинное производство, основанное на взаимозаменяемости, с определенного момента не могло развиваться без единой международной базы точных измерений.

{118}

Глава III. ЗАВОДСКИЕ «ПРЕДСТАВИТЕЛИ» МЕТРА

«Лестница» точности

Основной эталон метра признан безусловно точной мерой.

Можно понять это так, что все «ниже стоящие» меры должны проверяться по эталону, сравниваться с ним. Но такой порядок проверки разрушил бы всю систему точности. Самые ничтожные воздействия на эталон, если бы они повторялись часто, меняли бы его – пусть на столь же ничтожно малые величины. Накладываясь друг на друга, эти изменения довольно быстро исказили бы первоначальную степень точности основной меры и нарушили бы всю строгость системы мер.

Чтобы только изредка привлекать самый эталон к проверкам, изготовлены еще его копии – вот их-то очень редко и проверяют по основному эталону. Но ведь и копий не может быть много – слишком часто приходилось бы «беспокоить» основной эталон для проверки. Копий всего несколько и степень их точности также приходится очень и очень беречь. Поэтому существует еще одна группа образцовых мер – «рабочие эталоны». Их сверяют с копиями, но не со всеми. Копии делятся в свою очередь на две группы. Одна из них служит для проверки рабочих эталонов, а другая, особая, в таких проверках не применяется – она как бы выжидает своего «часа». А этот час наступает тогда, когда почему-либо одну из действующих копий «заподозривают» в потере должной степени точности. Тогда эту копию сравнивают с одной из особой группы. Копии, входящие в нее, называются «свидетелями» эталона.

Значит ли это, что рабочих эталонов так много, что по ним можно проверять измерительные приборы и инструменты на каждом заводе? Конечно нет. Если бы их было много, как бы точно они ни были изготовлены и измерены, был бы неизбежен разнобой в степени точности между отдельными эталонами. Поэтому существуют следующие по точности образцовые меры первого разряда – их проверяют по рабочим эталонам. Затем – образцовые меры второго и третьего разряда.

Все это – образцы меры, хранящиеся в научно-метрологических учреждениях страны, ведающих важнейшим {119} делом хранения и соблюдения точности. Они, эти меры, образуют, по выражению одного советского научного работника-метролога, как бы лестницу точности, спускающуюся от основного эталона до тех измерительных приборов, которые служат для лабораторных и технических измерений вне метрологических учреждений – на предприятиях промышленности. Эти приборы занимают последние ступени лестницы точности.

Замечательные плитки

Представители метра на заводе, заводские эталоны для линейных измерений, – это измерительные плитки. Именно с их помощью улавливаются разности между двумя размерами, выражаемые иной раз несколькими микронами. Эти же плитки помогают «уличить в неточности» и отрегулировать износившийся заводской измерительный инструмент или прибор.

Еще пятьдесят лет назад, в поисках таких мер длины, которые в условиях заводских лабораторий и даже в цеховой обстановке служили бы в качестве образцовых, ученые пришли к следующему выводу: если бы удалось изготовить набор различных стальных плиток с очень точными размерами между мерительными плоскостями, обеспечить относительную неизменность этих размеров и, наконец, путем комбинирования плиток получать любые размеры в пределах определенного размерного промежутка (например, от 1 до 100 миллиметров), то такой набор мог бы служить достаточно точным заводским эталоном длин.

Но создать такой набор было трудной задачей. Прежде всего надо было найти подходящий материал для плиток, такую сталь, высокие качества которой обеспечили бы неизменность размеров после тепловой обработки и в то же время большую износоупорность. Надо было далее найти способы изготовления плиток с идеально плоскими зеркальными мерительными поверхностями. Наконец, надо было установить, каковы должны быть размеры отдельных плиток набора, чтобы с их помощью получать любые размеры внутри заданного размерного промежутка.

Все эти задачи были успешно решены.

Наиболее распространенный набор состоит из 83 плиток, уложенных в специальный ящик. Две {120} противоположные мерительные поверхности каждой плитки отшлифованы и притерты с высокой тщательностью. На каждой плитке обозначено расстояние между мерительными плоскостями. Набор состоит из четырех серий плиток. В первую серию входит 50 плиток, в том числе 49 плиток, имеющих размеры от 1,01 до 1,49 миллиметра (каждая последующая плитка больше предыдущей на 0,01 миллиметра), и одна плитка размером в 1,005 миллиметра. Вторая серия состоит из 49 плиток размерами от 1,6 до 1,9 миллиметра; здесь каждая последующая плитка больше предыдущей на 0,1 миллиметра. Третья серия состоит из девятнадцати плиток размером от 0,5 до 9,5 миллиметров (через 0,5 миллиметра). И, наконец, четвертая серия – из десяти плиток размером от 10 до 100 миллиметров (через 10 миллиметров). Соединив несколько имеющихся в наборе плиток, можно в известных пределах получить любой размер с точностью до 5 микронов.

Представители метра на заводе – измерительные плиты – получили специальное название – «концевые меры длины».

«Клей-невидимка»

Известно, что склеивание бумаги, дерева и других материалов – задача несложная. Канцелярский, столярный и всякий другой клей – достаточно надежные средства. Существуют даже клеи для более или менее прочной склейки двух кусков металла.

Все это – видимые, легко ощутимые средства склеивания. Но ученые-машиностроители нашли невидимый «клей» для соединения воедино двух или нескольких измерительных плиток. Это «склеивание» плиток выполняется следующим образом. Сблизив мерительные плоскости плиток, начинают притирать их друг к другу. Для этого верхнюю пластинку двигают поступательно по нижней и одновременно вращают ее по плоскости скольжения в обе стороны. В результате такого комбинированного движения плитки соединяются настолько крепко, что образуют как бы единое целое.

Вскоре научились так притирать две плитки, что они не разъединялись даже под действием силы в 100 килограммов. Такой притиркой можно «склеить» не только две, но и несколько плиток и получить набор, размер которого равен сумме размеров притертых плиток. {121}

Свойство точно шлифованных поверхностей крепко приставать друг к другу давно уже известно ученым. Уже больше шестидесяти лет назад заметили это свойство у поверочных плит, поверхности которых смазаны тонким слоем масла или другой жидкости. Для разъединения таких плит приходилось иной раз сдвигать их одну по другой, так как отделить их обычным путем оказывалось невозможным.

^{Притирка двух плиток}

Чем тоньше пленка жидкости между поверхностями, тем труднее, даже путем сдвигания, разъединять плиты. Некоторые ученые предположили, что прочное соединение вызывается силой атмосферного давления. Однако выяснилось, что если притирать плитки в безвоздушном пространстве, то свойство сцепления сохраняется полностью.

Тогда решили, что между притираемыми плитками остается настолько ничтожное пространство, что начинают действовать силы молекулярного притяжения.

Это предположение давало очень правдоподобный ключ к разгадке прочного соединения стальных плиток. Молекулярное притяжение начинает проявляться при наибольшей близости между поверхностями, обусловленной исключительной точностью изготовления мерительных плоскостей и тщательным притиранием их друг к другу.

При дальнейшем исследовании «слипания» обнаружилась любопытная подробность: если перед притиравшем переусердствовать в очистке поверхностей, {122} применив для этой цели спирт или керосин, и этим уничтожить все следы жира на поверхности, то прилипание значительно ослабляется. Но если нанести на мерительные поверхности тончайший слой жира или водяного пара, они снова «склеиваются». Сила сцепления, равная силе, которую надо приложить, чтобы разъединить плитки, зависела от того, какая жидкость нанесена на притираемые поверхности.

Площадь притираемых поверхностей плиток, которыми пользовались в опытах, равнялась 4,5 квадратных сантиметра. На эту поверхность попеременно наносили слои различных жидкостей. Сначала это были слои так называемых «тяжелых масел» (масла, получаемые при переработке нефти). На ощупь они кажутся липкими. В этих случаях для разъединения плиток необходима была сила около 14 килограммов. При введении парафина понадобилась для разъединения сила в 20 килограммов, а при нанесении слоя обыкновенной водопроводной воды – даже в 30 килограммов. Так было доказано, что для притираемых поверхностей «клеем» служит жидкость, и лучшим «клеем» является простая вода – «клей-невидимка».

Почему же жидкости, которыми нельзя склеить и двух картонок, оказались таким чудесным «клеем» для зеркально плоских поверхностей мерительных плиток?

Причину этого явления исследовали многие ученые. Их труды в этой области основаны на законах физики. Приведем здесь только вывод, к которому они пришли.

Чем тоньше слой жидкости, тем крепче сцепление.

В центре круглой, диаметром в 23 миллиметра, мерительной поверхности стального стержня помещалась капелька жидкости. К этой поверхности притирали, прижимая к капельке, стеклянную пластинку с особо точной плоской поверхностью. Стеклянную пластинку брали для того, чтобы можно было сквозь стекло наблюдать, как ведет себя жидкость. Площадь, покрытая жидкостью, нее увеличивалась и, наконец, достигла неизменной величины, когда стеклянная пластинка хорошо притерлась.

После этого притертые калибр и пластинку оставили в покое, чтобы можно было наблюдать за изменениями размера диаметра жидкостного пятна. Измерения показали, что пятно продолжает расти, правда, очень медленно. Увеличение диаметра продолжалось в течение двух часов, шло все медленнее и, наконец, прекратилось. {123} При этом сила сцепления возросла в сравнении с первым моментом после притирки, а толщина слоя жидкости, так крепко «склеивающей» притертые поверхности, как показали специальные, очень тщательные измерения, выражалась в тысячных долях миллиметра. Ученые доказали, что при таких именно толщинах слоя молекулы определенных жидкостей весьма прочно сцепляются с притертыми поверхностями и оказывают высокое сопротивление попыткам разъединить их. Бывали случаи, когда для разделения притертых калибров, оставленных на несколько дней в покое, необходимо было, зажав один в тиски, отбивать второй резким ударом.

Если поверхности плиток обработаны с необходимо высокой точностью (до трех или пяти десятитысячных миллиметра), то плитки выдерживают своего рода притирочную самопроверку. Контрольная плитка длиной хотя бы в 20 миллиметров «склеивается» по своим мерительным поверхностям с двумя другими плитками. Затем в получившуюся скобу укладывается с помощью притирки ряд плиток, длина которых в сумме также равна 20 миллиметрам. Еще показательнее другая проверка: скобой, составленной из плиток, проверяется размер мерительной «пробки». Эти опыты проходят успешно только при пользовании высококачественными неизношенными плитками. Легко понять, что сумма даже микроскопических погрешностей на поверхностях плиток не позволила бы осуществить сборку плиток в обоих этих случаях.