Основные функции всех измерительных приборов состоят в следующем: во-первых, они увеличивают возможности органов чувств человека (например, микроскоп, телескоп); во-вторых, количественно оценивают (измеряют) явления, недоступные органам чувств человека (радиоволны, излучения); в-третьих, позволяют с большой точностью оценить параметры, которые с помощью органов чувств можно определить только приблизительно (масса, расстояние, время, скорость и т. п.).

Эталоны ввели французы

Метрическая система, введенная во Франции в 1791 г., была основана на том, что все главные единицы измерения имели кратные доли, отличающиеся в 10, 100, 1000 и т. д. раз. В 1799 г. в Париже были изготовлены два эталона: для единицы длины — метр и для единицы массы — килограмм. Вскоре такая система доказала свои преимущества и уже в XIX в. получила распространение практически во всех странах мира.

Локоть, пядь и другие части тела

Задолго до того как были приняты общие и стандартные единицы измерения, человек мерил предметы методом сравнения, то есть сопоставляя их с другими. Так, например, в качестве стандартов первых единиц измерения длины использовались размеры частей тела человека. В Древнем Египте это был локоть, на Древней Руси — пядь (в переводе с древнерусского — ладонь). Древние греки, римляне, а затем практически и вся Европа за единицу измерения размеров и расстояний приняли длину ступни ноги — фут.

Семь главных единиц

В 1960 г. на основе метрической системы была создана Международная система единиц (СИ). Основу этой системы составляет 7 главных единиц измерения: длины — метр (м), времени — секунда (с), массы — килограмм (кг), силы электрического тока — ампер (А), температуры — кельвин (К), интенсивности светового потока — кандела (кд) и количества вещества — моль (моль).

Для точного измерения — микрометр

Методы измерения длины во многом зависят от размеров объекта и необходимой точности. Так, например, для измерения расстояния до звезды используют прибор, построенный на основе телескопа. Для сравнительно небольших объектов, если не требуется большой точности, достаточно линейки или ленты с делениями, а для точного измерения мелких предметов используют микрометр.

Колесо крутится, а счетчик щелкает

Для измерения расстояний служит одометр. Обычно он состоит из большого колеса определенной окружности, прикрепленного к держателю. Число оборотов колеса регистрирует счетчик. Зная их число и длину окружности колеса, можно высчитать расстояние. Одометром в обязательном порядке оснащен каждый автомобиль, где его обычно совмещают со спидометром.

Более современным прибором, предназначенным для измерения больших расстояний, является дальномер. Принцип его действия основан на измерении времени, которое затрачивает посланный дальномером сигнал (звук, радиоволна, луч лазера) для прохождения расстояния до объекта и обратно.

Наблюдать за маленьким

Для измерений очень маленьких предметов ни один из перечисленных инструментов не подходит. Обнаружить и изучить крошечные объекты люди сумели, лишь снабдив глаз значительно более сильным, чем очки, оптическим инструментом. Впервые это удалось сделать голландскому естествоиспытателю Антони ван Левенгуку (1632—1723).

Благодаря его работам человечество получило замечательный прибор — микроскоп (образовано от греческих слов «mikros» — «маленький» и «skopeo» — «наблюдатель»).

Симбиоз кронциркуля и линейки

Для определения размеров предметов с большой точностью применяют прибор, названный «кронциркуль». Его в 1631 г. изобрел французский математик Пьер Вернье (1580—1637). Основу этого прибора составляла верньерная шкала. В наши дни используется штангенциркуль, объединивший в себе кронциркуль и линейку.

Предел увеличения

Даже самые современные оптические микроскопы конструктивно имеют верхний предел увеличения — до 2000 раз. Для того чтобы уверенно изучать микромир в XX в. Были созданы электронные микроскопы, которые позволяют получить увеличение более чем в 1 млн раз.

Микрометр — макроточность

В 1851 г. английский инженер и предприниматель Джозеф Уитворт (1803—1887) сконструировал первую измерительную машину большой точности, позволившую измерять обрабатываемые детали с точностью до сотых и тысячных долей миллиметра — микрометр.

Весы или безмен

Сложно ответить на вопрос о том, кто первым догадался, как взвешивать различные предметы? По некоторым данным, впервые это произошло в Древнем Египте примерно около 6 тыс. лет назад. Для того чтобы узнавать массу предметов, египтяне использовали прибор, получивший название «весы».

Около 4 тыс. лет «египетские» весы верой и правдой служили человеку. Только на заре нашей эры римляне внесли в их конструкцию некоторые изменения. «Римские» весы получили название «безмен». Уравновешивание в них производилось путем перемещения ползунка-разновеса вдоль длинного плеча, на котором имелась шкала.

Пружинные весы

Несколько другой принцип определения массы лежит в основе пружинных весов. Они представляют собой жесткую пружину с закрепленной на ней стрелкой. В процессе взвешивания, под действием силы тяжести пружина растягивается, соответственно перемещается по шкале стрелка. На основании положения стрелки можно узнать массу взвешиваемого груза.

Измерение механической деформации

Принцип работы электронных весов основан на измерении механической деформации рабочего элемента, возникающей под действием нагрузки. В качестве такого элемента могут быть использованы датчики растяжения или сжатия.

Температура по Кельвину

В Международной системе единиц (СИ) единица измерения температуры входит в число основных и выражается в кельвинах (К). Эту единицу в 1848 г. предложил использовать английский физик Уильям Томсон (1824—1907). В 1892 г. за заслуги перед наукой королева Виктория пожаловала ему пэрство с титулом «барон Кельвин».

Шкала температуры Кельвина начинается с самого нижнего предела — абсолютного ноля, то есть наиболее низкая возможная температура, при которой в принципе невозможно извлечь из вещества тепловую энергию. В результате абсолютный ноль равен 0 К. По более привычной для нас шкале Цельсия (предложена шведским ученым Андерсом Цельсия (1701—1744) в 1742 г.) он равен -273,15 градусов.

Измеритель тепла

Понятие «температура» для человека долгое время было связано с субъективными ощущениями «тепла» и «холода». Считается, что первый прибор для измерения температуры — термоскоп, в 1597 г. создал итальянский ученый Галилео Галилей (1564—1642). Это устройство состояло из полого шарика, наполненного воздухом, из нижней части которого выходила стеклянная трубка. Трубку помещали в какую-нибудь жидкость, например, в воду. Уровень воды в трубке менялся с изменением температуры. Несколько позже в качестве жидкости начали использовать ртуть. В результате человек получил прибор, названный «термометр» (от греческих слов «therme» — «тепло» и «metreo» — «измеряю»).

Эталонный термометр — газовый

В наши дни существует множество видов термометров, различающиеся в зависимости от рабочего элемента, реагирующего на изменение температуры: жидкостные, механические, электрические, оптические, лазерные, газовые и даже акустические.

Ртутный термометр по точности регистрации температуры наиболее близок к газовому, который признан эталонным термометром. Однако он обладает рядом недостатков. Прежде всего, это длительность измерения, которая составляет не менее 10 мин. Но главный недостаток такого термометра состоит в том, что он содержит опасную для здоровья ртуть.

Шкала медицинского термометра имеет деления от 34 (иногда от 35) до 42 'С. Для более точного измерения температуры тела (нормальная температура равна 36,6 °С) каждый градус дополнительно подразделен на 10 меньших делений по 0,1 °С.

В основе спирали

В механических термометрах в качестве рабочего элемента, реагирующего на изменение температуры (датчика), используется спираль, изготовленная из двух разных металлов (биметалл). Один конец этой спирали зафиксирован, а другой снабжен стрелкой-указателем и может свободно перемещаться по шкале. При изменении температуры спираль начинает закручиваться или раскручиваться, и ее движение перемещает стрелку-указатель.

Электрический термометр

Сейчас особое распространение получили электрические термометры. В них в качестве датчика выступает термоэлемент. Электрические термометры позволяют измерять температуру с высокой точностью в очень больших диапазонах.

Единица измерения перемещения объектов

С научной точки зрения скорость — это быстрота изменения какой-либо величины, например, скорость изменения температуры. В данном случае нас интересует скорость перемещения какого-либо тела в пространстве (линейная скорость), то есть на какое расстояние сместился объект за единицу времени. Основная единица измерения такой скорости — метр в секунду (м/с) и, в зависимости от измеряемой величины, различные производные от нее, например, километр в час (км/ч).

Механический — надежный, а электронный — точный

Самым распространенным прибором для измерения скорости движения предмета, например транспортного средства, является спидометр. Простейший спидометр состоит из указателя (стрелки), прикрепленного к алюминиевому кольцу, внутри которого находится постоянный магнит. Магнит связан с ходовой частью транспортного средства и вращается при его движении. Возникающие при этом вихревые токи также создают магнитное поле. Взаимодействие магнитных полей поворачивает кольцо, а вместе с ним и стрелку.

Кроме механических спидометров существуют также электронные. Получая сигнал отдатчиков, расположенных на ходовой части, микрокомпьютер по специальной программе с большой точностью рассчитывает скорость движения транспортного средства. Затем он переводит это значение в привычную для нас единицу измерения (обычно км/ч) и выводит информацию на дисплей, закрепленный на приборной панели.

Можно измерить скорость жидких и сыпучих сред

В основе конструкции большинства современных приборов, предназначенных для измерения скорости движущегося объекта, лежит эффект Допплера. Он был открыт в 1842 г. австрийским физиком Кристианом Допплером (1803—1853). Ученый доказал, что частота принятого приемником сигнала, отраженного от объекта, может отличаться от частоты излученного передатчиком сигнала, и их разница будет зависеть от скорости перемещения объекта. Применение эффекта Допплера позволяет измерять скорость не только твердых тел, но и газообразных, жидких и сыпучих сред.

Самый точный вид измерения

В Международной системе единиц (СИ) время измеряется в секундах (с). В качестве эталонной единицы в 1967 г. были выбраны периоды излучения атома радиоактивного элемента цезия-133. Принято, что в одной секунде содержится ровно 9 192 631 770 периодов излучения. Благодаря атомному эталону, отличающемуся высокой стабильностью, измерение времени является самым точным видом измерений: в наши дни предельная погрешность определяется немыслимо малой величиной — порядка 1 с за 3 млн лет.

Часы Донди

Ориентировочно в VI в. появились первые механические часы, состоящие из набора шестеренок (этот принцип до сих пор используется). Описание их устройства можно найти в работах итальянского ученого Джованни де Донди (1318—1389). Сами часы были построены в 1364 г., но, к сожалению, не дошли до нас. Однако Донди оставил детально проработанное и хорошо иллюстрированное описание, по которому и стало возможным в 1970 г. воссоздать эти необыкновенные часы.

Швейцарское изобретение

Начиная с XVII в. началось активное развитие карманных часов. С 1842 г. практически все карманные часы стали оснащаться специальной заводной головкой для завода и перевода стрелок (так, как это делается теперь). Это изобретение сделал швейцарский мастер Андриан Филипп (1815—1894).

Подзавод с помощью движения руки

Наручные часы, то есть часы с ремешком или браслетом, которые можно было носить на запястье, появились в 80-х годах XIX в. Однако широкое распространение они получили только в 20-х годах XX в., после того, как был разработан механизм самозавода, в котором подзавод пружины осуществлялся движением руки.

Кварц на службе времени

В конце 60-х годов XX в. началось массовое производство электронных часов. Используемый в них кристалл кварца вырабатывает колебания, которые передаются на интегральную схему. И информация выводится на электронный дисплей (электронный, люминесцентный, светодиодный или жидкокристаллический).

Солнечные часы — простейший прибор

Простейшим прибором для определения времени являются солнечные часы, на которых время измеряется направлением отбрасываемой тени. Более совершенные солнечные часы, появившиеся в Средние века, имели криволинейные шкалы. Они использовались почти вплоть до XVI в.

В основе — магнит

Для измерения силы тока в электрической цепи применяют амперметр. Он может быть аналоговым (построенным на основе стрелочного прибора) или электронным (информация выводится на цифровой дисплей). Наиболее популярный тип аналогового амперметра — магнитоэлектрический. Такой прибор состоит из постоянного магнита и одетой на него проволочной рамки со стрелкой. Угол поворота рамки пропорционален силе тока в цепи.

Вольтметр

Единица измерения напряжения в электрической цепи носит название «вольт». По аналогии, прибор, предназначенный для измерения этой величины, носит название «вольтметр». Подобно амперметру, существуют аналоговые и электронные вольтметры, а их шкалы (табло) могут быть отградуированы в диапазоне от микровольт до киловольт.

В одном направлении притягиваются

Свое название единица измерения силы электрического тока — ампер (А) — получила в честь знаменитого французского ученого Андре-Мари Ампера (1775—1836). В 1820 г. он доказал, что параллельные проводники с постоянными токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных — отталкиваются. Кроме того, он определил силу, с которой магнитное поле действует на проводник с током.

Счетчик электроэнергии

Измерение мощности электрического тока или электромагнитного сигнала производится при помощи ваттметра. Он одновременно измеряет силу тока и напряжение в цепи, а стрелка фиксирует на шкале их произведение.

Частным случаем использования ваттметра является хорошо всем нам известный счетчик электрической энергии. Этот прибор служит для измерения потребления электрической энергии в жилых, промышленных и других помещениях с целью определения размеров оплаты и поэтому измеряет количество ватт (киловатт, мегаватт), использованных в единицу времени (обычно час).

Закон Ома

Согласно Международной системе единиц (СИ), сопротивление участка электрической цепи измеряют в омах (Ом). Эта единица измерения была названа в честь знаменитого немецкого физика Георга Симона Ома (1787—1854). Наибольшую известность этот ученый получил благодаря открытому им закону (был назван в его честь), связывающему сопротивление цепи электрического тока, напряжение и силу тока.

Наука об атмосфере

Метеорология — это наука об атмосферных и небесных явлениях, строении и свойствах земной атмосферы и совершающихся в ней физических процессах. Само название образовано от греческих слов «meteora» — «атмосфера» и «logiya» — «наука».

Практически до XVII в. предсказание погоды основывалось на наблюдениях за образованием облаков, изменениями направления ветра, поведением животных и т. п. Сейчас метеорологи оснащены большим количество механических и электронных приборов.

Психрометр

Наиболее точным прибором для измерения влажности воздуха является психрометр. Принцип его работы основан на сравнении показания сухого и влажного термодатчика — устройства регистрирующего изменение температуры.

Простейший флюгер

Простейшим метеорологическим прибором, с помощью которого можно измерить направление ветра, является флюгер. Он представляет собой металлический или пластмассовый знак, расположенный на вертикальной оси и поворачивающийся на ней под воздействием ветра.

Направление ветра укажет конус

Для определения направления ветра и примерной оценки его скорости в метеорологии пользуются ветроуказателем. Простейший ветроуказатель представляет собой конус, выполненный из плотной ткани. При дуновении ветра конус поднимается над поверхностью земли и его узкий конец указывает направление ветра.

Измеряю ветер

Более точно измерить скорость ветра можно с помощью анемометра (от древнегреческих слов «anemos» — «ветер» и «metreos» — «измеряю»). Первый анемометр создал английский ученый Роберт Гук (1635—1703). Именно его прибор, построенный еще в 1667 г., имел ту конструкцию, которая после небольших усовершенствований используется по сей день.

В основе — волос

Инструмент, используемый для измерения влажности воздуха, называется «гидрометр». Наиболее простым из них является гигрометр, построенный на основе волоса. Его действие базируется на свойстве обезжиренного волоса удлиняться либо укорачиваться при изменении влажности воздуха. Изменение длины волоса передается стрелке, перемещающейся вдоль шкалы.

Землетрясение предсказал дракон

Первый сейсмограф в 132 г. создал китайский математик и астроном Чжан Хэн (78—139). Когда в результате подземного толчка маятник, находящийся внутри купола, приходил в движение, он выбивал шар из пасти дракона, и тот падал в открытый рот одной из восьми жаб, восседавших у основания сосуда.

Современные сейсмографы также имеют устройство в виде маятника. Его колебания передаются регистратору, который записывает информацию на бумажной ленте. До 1935 г. сила землетрясений определялась по наблюдаемому действию, а затем американским сейсмологом Чарльзом Френсисом Рихтером (1900—1985) была введена шкала для оценки силы землетрясения, получившая международное признание под названием «Шкала Рихтера».

Измеряет «тяжесть»

Одним из наиболее важных метеорологических приборов, предназначенных для измерения атмосферного давления, является барометр. Его название образовано от древнегреческих слов «baros» — «тяжесть» и «metreo» — «измеряю». Ртутный барометр был изобретен в 1644 г. итальянским ученым Эванджелиста Торричелли (1608—1647). Этот прибор представляет собой стеклянную трубку, наполненную ртутью. Когда атмосферное давление повышается — повышается и уровень ртути.

Ртутный — самый точный

Ртутные барометры являются наиболее точными инструментами, и именно их применяют на метеорологических станциях. В быту ими пользоваться неудобно (и не безопасно), поэтому обычно применяют механические барометры — анероиды (в переводе с греческого — «безводный»).

Погоду подскажет еловая ветка

Наши наблюдательные предки умели довольно точно предсказать предстоящую погоду даже не имея метеорологических инструментов. Так, например, еловые ветки могут служить барометром. Парная веточка, закрепленная на стене, способна предсказать погоду: приближение ненастья заставляет ветки сближаться, а если в скором времени погода улучшится — веточки будут расходиться. О предстоящих погодных изменениях можно судить и по поведению самой ели. Если она опускает свои ветки, а чешуйки шишек сжимаются — ожидается дождь, а перед ясной погодой ветви ели поднимаются вверх.