Меню

История единицы измерения метр



Когда и как появился метр?

Вплоть до XVIII века в европейских странах вообще не существовало единой системы единиц измерения – царил полный хаос. Каждый город мог сам себе установить, какая должна быть гиря на весах, что служит мерой длины и т. п. Купцы, которые вели торговлю в разных городах и странах, по необходимости, поднаторели в вычислениях, поскольку они часто переводили одни странные единицы в другие, не менее оригинальные. Местные власти в городах проявляли заботу о наведении какого-то порядка в расчётах, поэтому на городских воротах, на стенах ратуш или на церковной ограде вывешивали объявления о мерах, действующих в этом городе или только на время ярмарки.

Когда торговец переезжал на своей повозке в другой город или в соседнее герцогство, он пересчитывал и количество, и цену своего товара. Предположим, что купец торговавший тканями, закупил в одном городе сто локтей материи, в другом городе он продал этот товар, но уже в количестве 90 локтей, потому что там локоть был значительно длиннее.

Таким образом, торговым людям приходилось чуть ли не в каждом городе изменять цены, чтобы привести их в соответствие местным мерам. В Париже были в ходу две разные меры веса. Пять французских королей пытались навести порядок в единицах измерения, издавали предписания об установлении стандартов в области веса и длины, но не добились цели. Одной из причин неудачи было сопротивление аристократов, поскольку стандартные меры противоречили их интересам.

МЕРА ВСЕХ ВЕЩЕЙ

В конце XVIII века, в революционные годы, в Европе существовало более 800 мер длины и веса. Они значительно различались даже в пределах одной Франции: что ни рынок – то и своя мера. Свободная, честная и равноправная торговля была практически невозможна. Торговцы, разъезжавшие по стране, нагло обманывали и обсчитывали народ. Отсутствие официальных обязательных мер мешало и государству, которое даже не знало, каковы подлинные размеры каждой провинции и всей страны.

В 1789 году во Франции началась новая эра, был введён новый революционный календарь. Французы боролись против тирании за идеалы Свободы, Равенства и Братства. Идеологи революции провозгласили: свободный человек – мера всех вещей. Но равенство всех людей предполагает также и единую меру, обязательную для всех.

Законодательное Собрание в Париже постановило, что необходимо определить новую единицу измерения. Созданная для этого специальная Комиссия занялась поисками основы для новой единой меры. Нужно было найти нечто постоянное, неизменное, что не зависит от людского произвола и может служить масштабом. В 1791 году Комиссия, наконец, додумалась до идеи принять за константу окружность земли – земной меридиан. Поскольку меридиан является практически неизменным в достаточно долгий период времени, то за единицу длины решено принять одну десятимиллионную часть четверти земного меридиана. Однако для этого нужно измерить полную окружность Земли по меридиану, а это мудрёная задача.

Французы обладали ценным опытом в измерении расстояний и вычислении площадей. Территорию Франции измерили ещё в XVII веке. Король Людовик XIV приказал осуществить впервые в истории точное измерение территории всей страны. Землемеры выполнили приказ короля с помощью метода триангуляции для топографических съёмок, заключающийся в построении примыкающих друг к другу треугольников. Они провели огромную работу (ищу работу в Тихвине), но результат крайне разочаровал венценосного заказчика – площадь Франции оказалась на 20 процентов меньше, чем считалось. Разочарованный король-Солнце воскликнул: «Ваши труды обошлись мне дорого: я потерял больше земель, чем хотели у меня отнять все мои враги!»

ТРИАНГУЛЯЦИЯ

Начиная с XVII века в картографии применялась триангуляция. В первую очередь на равнинной местности нужно проложить прямую линию с помощью деревянных реек определённой длины или цепей, натянутых на колышки. Кроме того, необходимо обозначить хорошо просматривающуюся триангуляционную точку, например, заметный издалека холмик или шпиль на церковной колокольне. Из точек, где заканчивается первая прямая линия, намечаются линии к этой третьей точке и измеряются углы. Поскольку известна длина одной стороны треугольника, а также два угла, можно по тригонометрическим формулам вычислить две другие стороны треугольника и его площадь. Из каждой вершины полученного треугольника на местности можно наметить с помощью колышков и реек следующие треугольники. Таким образом, в результате сложения площадей треугольников на местности можно определить площадь больших участков. В некоторых случаях картографы устанавливали специальные измерительные башенки для удобства обозначения точек на местности.

Неоценимую помощь в многотрудной работе оказали землемерам так называемые неподвижные звёзды, которые издавна использовались в качестве ориентиров при навигации. Самый яркий пример – Полярная звезда. Чем севернее находится точка наблюдения, тем выше стоит на небосклоне Полярная звезда. Если в северной точке отрезка наблюдения картографы обнаруживали Полярную звезду на десять градусов выше, чем на южном конце отрезка, они знали, что они измерили на Земле дугу меридиана, соответствующую десяти градусам. Этот отрезок умножается на девять и получается длина дуги, составляющей четверть окружности с центральным углом 90 градусов.

ПРОЕКТ ПОД УГРОЗОЙ СРЫВА

Летом 1792 года, в разгар революционной сумятицы, Французская академия наук поручила двум учёным произвести измерение и вычисление дуги Парижского меридиана, проходящего с севера на юг через всю Францию.

Читайте также:  Измерение длин линий оборудование

Астрономы Жан-Батист-Жозеф Деламбр и Пьер-Франсуа-Андре Мешен взялись за измерения меридиана между Дюнкерком и Барселоной. Деламбр, впоследствии в 1810 году избранный почётным членом Петербургской академии наук, начал работу в Дюнкерке, на берегу пролива Ла-Манш, а его коллега Мешен отправился со своей экспедицией в Барселону.

Астрономы-картографы покинули Париж 24 июня 1792 года. Деламбр и Мешен шли навстречу друг другу, отмечая точки на своём пути. Где не было высокой колокольни или естественной возвышенности, приходилось строить измерительные башни. Осуществление трудной работы время от времени прерывали бурные политические перемены.

Учёные даже не знали, что в Париже в 1795 году новое центральное правительство восстановило разогнанную радикальными революционерами Академию наук. Чтобы выполнить поставленную задачу, Деламбру и Мешену потребовалось ещё три года работы. Финансовые проблемы, неудобный рельеф местности, депрессия, от которой страдал переутомившийся Мешен, сильно затрудняли завершение измерений.

Но в 1799 году картографы всё же смогли представить в Париже результаты своего труда. Международная комиссия, состоявшая из учёных одиннадцати стран, проверяла итоги работы французских астрономов. Члены комиссии пришли к заключению, что вычисления верны. Парижское Национальное собрание 10 декабря 1799 года провозгласило введение новой единственной метрической системы. В тот год появился на свет архивный метр – первый в истории эталон метра. Отлитый из платины метр был передан на хранение в Национальный архив Франции.

ПОБЕДНОЕ ШЕСТВИЕ

Новую единицу измерения изготовили в 100 тыс. экземпляров, и эти образцы разослали по всей стране в качестве обязательных эталонов. Слово «метр» ответственная Комиссия образовала от древнегреческого слова «metron» – «мера». В действительности, чтобы метр составлял точно одну десятимиллионную часть четверти меридиана, его длина должна быть на 0,2 процента больше. Отчасти в этом расхождении повинны ошибки при измерении, но, главным образом, неточность является следствием полюсного сжатия Земли, которая не является шаром правильной формы. Несоответствие первоначально объявленного значения единицы длины долгое время не принимали во внимание.

До 1960 года изготовленный из платины метр хранился в Международном бюро мер и весов в Севре и считался эталоном длины. В 1983 году введено новое определение метра на основе скорости света. С тех пор метр считается равным отрезку, который проходит луч света в безвоздушном пространстве в течение одной 299 792 458-й доли секунды. Длина метра не изменилась, но дано другое определение, более универсальное и точное.

Первыми государствами, которые приняли новую единицу длины, установленную в наполеоновской Франции, были Бельгия, Нидерланды и Люксембург, занятые в то время французскими войсками. Единая метрическая система оказалась удобной и, следовательно, выгодной торговцам и строителям, промышленникам и банкирам, а также и чиновникам. В продолжение всего XIX века метрическая система постепенно проложила себе дорогу в большинство европейских стран, а также во французские и испанские колонии. В Великобритании официальный переход на метрическую систему объявлен только в 1960 году, однако последовательного и окончательного перехода не произошло. Между тем метрическая система в наше время признана обязательной по всему миру, за исключением США, Бирмы (Мьянма) и Либерии.

Источник

Метр, секунда, килограмм – история происхождения

Метр, секунда и килограмм – самые известные единицы измерения системы СИ. И каждый школьник знает, что расстояние измеряют в метрах, время – в секундах, а массу – в килограммах

Метр, секунда и килограмм – самые известные единицы измерения системы СИ. И каждый школьник знает, что расстояние измеряют в метрах, время – в секундах, а массу – в килограммах. Но школьная программа почему-то умалчивает об истории их появления на свет. Действительно – откуда же взялись эти единицы измерения? И почему именно они?

“Ты из одной
Десятку строй,
А двойку скрой,
О ней не вой.
Дай тройке ход,
Чтоб стала чёт,
И ты богач.
Четвёрку спрячь,
О ней не плачь,
А пять и шесть
С семёркой свесть,
И до восьми
Их подыми.
Девятка – кон,
Десятку – вон.
Вот ведьмина
таблица умноженья”
Гёте “Фауст”

Много шума из одного метра

“Смерть аристократам!”, “Да здравствует нация!” и “Предателей на фонарные столбы!” – такие лозунги раздавались по всей Франции, когда в 1792 г. двум астрономам Жан Батисту Деламбру и Пьеру Франсуа Мешену Национальным собранием было поручено “измерить Землю”. Выражаясь научным языком, они должны были произвести полевые работы по измерению Парижского меридиана, т.е. конкретного меридиана, который между испанской Барселоной на юге и французским Дюнкирхеном на севере точно проходит через Париж. Рассчитывая справиться с этим геркулесовым заданием за несколько месяцев, в худшем случае за год, астрономы не приняли во внимание всей смуты и эксцессов революции, жертвами которой они сами чуть не пали по подозрению в шпионаже, и потому на решение этой задачи в конечном итоге у них ушло 6 лет.

Идея была в следующем: определить расстояние от экватора до северного полюса, т.е. рассчитать четверть земного меридиана, измерив только удаленность Барселоны от Дюнкирхена. Для этого Деламбр и Мешен должны были сначала установить географические широты Барселоны и Дюнкирхена, что не составляло для них особого труда. А затем, зная, что разница широт между этими населенными пунктами составляет угол в 9°40′, а четверть меридиана соответственно 90°, путём элементарной пропорции рассчитать расстояние от экватора до северного полюса. И вот одну десятимиллионную часть (1/10000000 = 1/10 7 ) этого меридианного квадранта по поверхности земного эллипсоида на долготе Парижа решено было принять за эталон длины для всех времён и народов. Быстро сказка сказывается, да долго дело делается. Ведь прежде чем приступить к этим нехитрым подсчётам, необходимо было измерить беспрерывную цепь воображаемых треугольников на пути Барселона – Дюнкирхен, длины сторон которых вычислялись из измеренных углов.

Читайте также:  Специальные средства измерений гост

Причём каждое из 1800 рутинных измерений углов должно было повторяться максимально возможное число раз для уменьшения статистической ошибки.

Трудоёмкость этого предприятия была колоссальной, а опасности подстерегали на каждом шагу, и, откровенно говоря, непонятно, почему бы не найти более простое решение для нахождения стандартной меры длины? Почему бы не взять расстояние между двумя гильотинами на площади Согласия, поделить его на 10 и таким образом установить меру длины? Или взять какой-либо предмет, законсервировать и его размеры принять за эталон? Но слишком рациональны были времена: эталон не должен был нести на себе позорное пятно произвола – его и так было слишком много. Эталон должен обладать универсальным свойством, обобщённой значимостью и не иметь ничего общего с нездоровыми анатомическими особенностями каких-либо королей и правителей. Нужно было одним разом распрощаться со всеми этими аршинами и футами, саженями и дюймами, рутами и ярдами.

И вот 19-го Брюмера VIII года (по грегорианскому календарю 10 декабря 1799 г.) титанический труд двух учёных привёл к предварительному официальному результату – из платины был отлит первый прототип эталона метра. Родился метр, а вместе с ним и метрическая система, в которой метр является также единицей измерения площади и объёма, а единица массы привязана к метру, т.к. определение килограмма основано на массе 1 дм3 воды. Всё это делилось и множилось при помощи цифры 10: в одном метре 100 сантиметров, в одном сантиметре 10 миллиметров и т.д. Причём интересно отметить, что десятичная система счисления предположительно связана с количеством пальцев рук у человека.

Во время правления Наполеона метрическая система распространилась по всей Европе. В 1918 г. она была введена в России. Только в Великобритании, которая не была завоёвана Наполеоном, остались традиционные меры длины: дюйм, фут и ярд. В 1889 г. был изготовлен более точный международный эталон метра. Этот эталон тоже изготовлен из сплава платины и иридия и имеет поперечное сечение в виде буквы “X”. Его копии были переданы на хранение в страны, в которых метр был признан в качестве стандартной единицы длины. Этот эталон всё ещё хранится в Международном бюро мер и весов (в г. Севр близ Парижа), хотя больше по своему первоначальному назначению не используется.

Мера длины, которую Деламбр и Мешен “вырвали” у Земли, была, выражаясь современным языком, high-tech-достижением, полученным с помощью лучших на тот момент измерительных инструментов. И действительно, если сравнить современные данные о расстоянии от Барселоны до Дюнкирхена с результатом, полученным астрономами 2 века назад, то разница составит всего лишь 2 км. Загвоздка заключается в том, что Земля не представляет собой идеального шара, каждый меридиан отличается от своего соседа, и не было учтено полюсное сжатие. Поэтому надо признать, что метр был и есть не одна десятимиллионная часть четверти земного меридиана, а всего лишь длина платинового стержня, хранящегося в Париже. Такого результата можно было достичь и меньшей кровью, как уже отмечалось, но тогда это был бы не продукт “универсального мышления”, а Деламбр и Мешен не вошли бы в историю.

Справедливости ради стоит отметить, что первоначально, 8 мая 1790 г., Национальное собрание Франции собиралось определить метр как длину маятника с полупериодом качания на широте 45° равным 1 c (в современных единицах эта длина равна примерно 0,981 м). У этого метода есть одно существенное преимущество – каждый человек с более или менее точными часами мог бы в любое время определить единицу длины.

Однако, поскольку маятниковый эталон недостаточно воспроизводим (ускорение свободного падения зависит от широты), Французская академия наук предложила Национальному собранию определить метр через длину меридиана.

Хотя если бы в каком-либо фиксированном географическом месте поставить эталонный маятник, то этот метод ничем не уступал бы методу измерения меридиана. В этом случае история метрологии была бы другой: определение метра было бы привязано ко времени, а точнее – к секунде. Так что же такое секунда?

Не думай о секунде свысока

Как известно, время уравновешенно и неумолимо движется вперед, не поддаваясь никакому воздействию, а тем более влиянию со стороны человечества.

Исторически основной единицей для измерения коротких интервалов времени были сутки (часто говорят “день”), равные периоду обращения Земли вокруг своей оси. В результате деления суток на меньшие интервалы возникли часы, минуты и секунды. Происхождение деления, вероятно, связано с двенадцатеричной системой счисления, которой придерживались древние.

Читайте также:  Как измерить температуру у собаки той терьер

Сутки делили на два равных последовательных интервала (условно “день” и “ночь”). Каждый из них делили на 12 часов. Дальнейшее деление часа восходит к шестидесятеричной системе счисления. Каждый час делили на 60 минут. Каждую минуту – на 60 секунд.

Для измерения более длительных интервалов времени используются единицы измерения “год”, “месяц” и “неделя”, состоящие из целого числа суток. Год приблизительно равен периоду обращения Земли вокруг Солнца (примерно 365 суток), месяц – периоду полной смены фаз Луны (так называемому синодическому месяцу, равному 29,53 суток). Неделя, состоящая из 7 дней, не имеет прямой астрономической основы (хотя она изначально была привязана к округлённой до целого числа дней продолжительности одной из четырёх фаз Луны), однако широко используется как единица времени.

Десятичную систему измерения времени активно использовали только в древнем Китае. День у древних китайцев состоял из ста частей под названием “кэ”, а месяц – из 10 дней, называемых “сюнь”. Европа тоже решила не отставать: во время французской революции, под влиянием “метрической горячки” декретом Конвента от 5 октября 1793 г. была сделана попытка перевести уже всё человечество на десятичное время. Сутки от полуночи до полуночи делились на 10 десятичных часов, час на 100 десятичных минут, а минута на 100 десятичных секунд. Таким образом, полночь приходилась на 0:00:00, полдень – на 5:00:00 и т. п. В принципе, почему бы и нет? Не учли же французские реформаторы только одного – очень сложно изменить то, что прочно вошло в обиход во всём мире. Кроме того, ничто человеческое нам не чуждо: так же как метрическая система отталкивается от 10 пальцев, секунда приблизительно равна интервалу между ударами человеческого сердца. Так что в отличие от республиканского календаря эта система измерения времени не получила достаточного распространения и была официально отменена в 1795 г. Сегодня же 6 миллиардов секунд, или 200 лет спустя вновь предпринимается попытка поделить время на 10.

Несколько лет назад компанию Swatch озадачила проблема наличия часовых поясов, которые мешают людям общаться через Интернет. Что же делать? Специалисты фирмы горевать не стали и просто решили ввести свою систему измерения времени. Часы и минуты в интернет-времени заменяют “биты” (не путайте с “bit” – здесь слово “beat“, или “удар”). Каждый бит равен одной минуте и 26,4 секунды, а день содержит в себе тысячу таких единиц. За точку отсчёта взяли меридиан, проходящий через город Биль (Швейцария), в котором находится штаб-квартира Swatch. Получит ли эта система измерения времени широкое распространение? Поживем – увидим.

Такой уникальный килограмм

Килограмм определяется как масса международного эталона килограмма, хранящегося в Международном бюро мер и весов и представляющего собой цилиндр диаметром и высотой 39 мм из платиноиридиевого сплава (90% платины, 10% иридия). Первоначально же килограмм определялся как масса одного кубического дециметра воды (литра) чистой воды при температуре 4°C и стандартном атмосферном давлении. Такое определение не вполне конструктивно: нужен очень точный кубический дециметр, совершенно чистая вода и абсолютно правильный термометр.

Рождению килограмма в немалой степени способствовал известный химик Лавуазье, который в своей лаборатории проводил опыты над составом воды как раз в то время, когда Деламбр и Мешен измеряли Парижский меридиан. Результаты его работы, к сожалению, не успели принести ему славы, т.к. Лавуазье был обвинён в участии «в заговоре с врагами Франции против французского народа, имевшем целью похитить у нации огромные суммы, необходимые для войны с деспотами» и приговорён к смерти. Но килограмм между тем появился на свет и, так же как и метр, был привязан к десятичной системе: в одном килограмме 1000 граммов, в одном грамме 1000 миллиграммов и т.п.

На данный момент килограмм – единственная единица СИ, которая определена при помощи артефакта – предмета, изготовленного людьми, – платиноиридиевого эталона. Все остальные единицы теперь определяются через значения фундаментальных физических констант. Мало того что этим обеспечивается подобающая квантовая точность, указанные единицы ещё могут быть адекватно воспроизведены в любой точке мира. “Клонировать” же килограмм куда сложнее, вдобавок для этого требуется сложная бюрократическая процедура.

К тому же по разным причинам за сто лет международный эталон теряет часть своей массы (3/100000000). Однако, по определению, масса международного эталона в точности равна одному килограмму. Поэтому её уменьшение приводит к изменению величины килограмма. Нонсенс!

Видимо, долгое время такое уникальное положение килограмма всех устраивало, раз не было достаточных побудительных оснований к созданию его скрупулёзной формулы. Но переменчивый килограмм тянет за собой в дрейфующее плавание и ватт, и другие смежные единицы измерения. В настоящее время для устранения этих неточностей рассматриваются различные варианты переопределения килограмма на основе значений фундаментальных физических констант.

Об этом, а также о современных методах измерения метра и секунды читайте в следующих номерах.

Печатается с разрешения немецкого журнала Maβstäbe.
Материал по статье Jens Simon “Eine Fingerübung. ”
с использованием других интернет-источников
подготовила Л. Ломина

Источник