Реферат: Работа Д.И. Менделеева по развитию метрологии в России

--PAGE_BREAK--Глава 2. История развития, разработки и внедрения метрической системы


Интенсивное развитие промышленности и науки, а также расширение торговых связей между различными государствами в XIX в. явились основными причинами, стимулировавшими возникновение и прогресс метрологии как науки и постановку в качестве основной ее проблемы создание единой международной системы единиц, которая охватывала бы все области измерений.

Первоначальными этапами решения этой проблемы были установление и международное распространение Метрической системы мер и весов, разработка научных основ построения систем взаимосвязанных единиц физических величин, характеризующих широкий круг явлений природы, создание и практическое внедрение систем СГС, МКГСС, МТС, МКС и др. Многие из этих систем единиц имели ограниченную область применения и не были взаимосвязаны друг с другом. Одновременно с созданием систем единиц в результате стремления обеспечить максимальные удобства для измерения и записи значений тех или иных физических величин в ряде отраслей науки и техники появилось большое количество разнообразных внесистемных единиц. Из-за этого сложилось такое положение, что для одной и той же величины использовалось большое количество разных единиц (например, для силы применялось более 10 единиц, для энергии и работы — свыше 30, для давления — 18 единиц и т.д.).

Разработка и внедрение Метрической системы мер — это первый шаг по устранению множественности единиц физических величин и воспроизводящих их мер, которая тормозила развитие промышленности и торговли.

В период французской буржуазной революции по настоянию торгово-промышленных кругов Национальное Собрание Франции 31 марта <metricconverter productid=«1791 г» w:st=«on»>1791 г. приняло подготовленное Специальной комиссией, в состав которой входили известные французские ученые того времени (Лаплас, Лагранж, Борда, Кондорсе, Монж и др.), предложение о введении в качестве единицы длины метра, равного одной десятимиллионной доле четверти земного меридиана. Эта единица длины была окончательно утверждена 10 декабря <metricconverter productid=«1799 г» w:st=«on»>1799 г., став основой метрической системы. В качестве ее прототипа (первоначального эталона) был избран платиновый стержень. Второй единицей Метрической системы явилась единица массы — килограмм, которая первоначально равнялась массе в вакууме кубического дециметра воды при ее наибольшей плотности (4°С) в месте, находящемся на уровне моря и на широте 45°. Прототипом этой единицы служила платиновая гиря. Прототипы метра и килограмма хранятся в Национальном Архиве Франции и называются «метр Архива» и «килограмм Архива» соответственно. Важным достоинством Метрической системы мер была ее десятичность, так как дольные и кратные единицы, согласно принятым правилам, образовывались в соответствии с десятичным счетом с помощью десятичных множителей, которым соответствуют приставки деци, санти, милли, дека, гекто и кило.

В <metricconverter productid=«1870 г» w:st=«on»>1870 г. состоялось международное совещание «о необходимости установления прототипов мер» по инициативе Петербургской академии наук.

В <metricconverter productid=«1872 г» w:st=«on»>1872 г. Была организована международная комиссия по изготовлению прототипов мер длины и массы.

Международная дипломатическая конференция семнадцати государств (Россия, Франция, Англия, США, Германия, Италия и др.) 20 мая <metricconverter productid=«1875 г» w:st=«on»>1875 г. приняла Метрическую конвенцию, в которой Метрическая система мер признавалась международной, утверждались прототипы метра и килограмма. Конференцией было учреждено Международное бюро мер и весов, основной задачей которого было обеспечение единства измерений в международном масштабе, и образован Международный комитет мер и весов, который осуществлял научное руководство этой работой, подготавливал и проводил Генеральные конференции по мерам и весам (ГКМВ). Первая из них была проведена в <metricconverter productid=«1889 г» w:st=«on»>1889 г.

В настоящее время Метрическую конвенцию подписали более 40 стран, а метрическая система мер узаконена более чем в 110 стран мира.


Глава 3. Вклад Д.И. Менделеева в развитие метрологии и проверочного дела в России


ХХ век застал Россию с полностью сложившейся системой единиц мер веса, длины, объёма и площади. Отчасти самостоятельной, отчасти заимствованной из других стран при посредничестве торговли. К этому времени многие страны утратили свои системы мер, заменив их на метрические. Так что к этому времени в мире было только три системы мер: английская, русская и метрическая.

В 1892 году Менделеев принял предложение премьер-министра Сергея Витте занять должность ученого хранителя «Депо образцовых мер и весов». Дату первое июля <metricconverter productid=«1893 г» w:st=«on»>1893 г., когда было утверждено подготовленное Менделеевым «Положение о Главной палате мер и весов», считают началом новой эры в истории русской науки об измерениях.

Менделеев хотел, что бы одновременно с утверждением положения о Палате правительство приняло решение о подготовке к введению в России метрической системы мер.

Свою деятельность в Депо образцовых мер и весов Менделеев начал с осуществления первоочередной задачи — возобновления эталонов русских мер. Этому вопросу посвящена первая докладная записка В.И. Ковалевскому, составленная учёным в декабре <metricconverter productid=«1892 г» w:st=«on»>1892 г. «Основные прототипы мер и весов Империи требуют немедленного возобновления для приведения их в состояние возможно прочной неизменности»[1], — к такому выводу пришёл Менделеев после ознакомления с существующими в то время прототипами — платиновой саженью и платиновым фунтом. Опираясь на опыт передовых европейских стран (Англия начала возобновление эталонов в 1834г., Франция — в 1872г.), Менделеев подчеркивал: «Пример всех стран показывает, что ныне наступила пора возобновить все прототипы, устроенные ранее 1850г., и приготовить сверх основных прототипов узаконенные их копии из материала того же рода, что и основные»[2].

Учёный предложил создать законченную систему эталонов, копий и рабочих эталонов, необходимую для установления единства мер и весов: вообще неприкосновенные; служащие только как основная единица, с которых проводят сличение в исключительных случаях; эталоны для рабочих сличений; эталоны подразделений основных единиц. Предусматривая в дальнейшим переход к метрической системе, Менделеев считал, что для сличения русского фунта потребуются также и эталоны подразделений килограмма.

В этой же записке предложено и новое название будущего метрологического центра России — Главная палата мер и весов.8 июня 1893г. оно было утверждено решением Министерства финансов. С этого времени в России начало действовать метрологическое учреждение нового типа с чётко определенной Менделеевым программой, которой наряду с практическими и организационными задачами, такими как возобновлении прототипов русских мер, организация поверочного дела в стране, большое внимание уделялось проведению научных исследований области метрологии. Здесь, как и во всем творчестве учёного, тесно переплетались практические и научные направления. Так, в работе по возобновлению прототипов Менделеев огромное значение придавал точному взвешиванию и непосредственно связанным с ним исследованиям по установлению величин физических констант — веса литра воздуха и веса объёма воды.

Сложная и кропотливая работа по возобновлению прототипов складывалась из следующих этапов: установления основных эталонов длины и массы и их копий; их материального воспроизведения; сравнения с английскими эталонами, как наиболее сопоставимыми с русской системой мер; сравнения всех изготовленных образцов между собой; соотношения между русскими мерами и метрическими.

Изготовление эталонов было заказано английским фирмам «Траутон и Симмс» (аршин) и «Джонсон — Матеи и К» (фунт) из того же материала, что и международные эталоны метрической системы (сплав 90% платины, 10% иридия).

Аршин изготавливался по английскому ярду (1 ярд36 дюймов, 1 аршин — <metricconverter productid=«28 дюймов» w:st=«on»>28 дюймов) и воспроизводил форму международного метра — нарезного стержня с поперечным Х-образным сечением. Кроме трех образцов аршина по предложению Менделеева был изготовлен ещё один эталон — полусажень, на которой были нанесены длины ярда, метра, аршина, полусажени, а также их более мелкие подразделения, что давало возможность с помощью этого эталона проводить точные сличения, так как на нём были реально воспроизведены сравнительные размеры единиц длины трёх наиболее распространённых систем: русской, английской и французской (метрической)

Сличение полусажени с основным эталоном английского ядра было проведено в 1894-1895гг. в Лондоне директором центрального метрологического учреждения Бюро стандартов Г. Ченеем, Д.И. Менделеевым и Ф.И. Блюмбахом.

При создании основного образца веса фунта за норму был принят платиновый фунт 1895г., с которым и следовало соотнести, по возможности более точно, вес изготовляемого основного эталона. К весне 1894г. были изготовлены в черновой обработке прототипы фунта, имеющие форму цилиндра, с высотой, равной диаметру основания. Менделеев в Лондоне сам отобрал лучшие образцы. Чистовую доработку эталонов веса проводил известный английский механик Л. Эртлинг, а также сотрудники ГПМВ Ф.П. Завадский и В.Д. Сапожников. Помимо платиновоиридиевых образцов фунта, изготовленных в Лондоне, в Петербурге на Монетном дворе из золотого монетного сплава был изготовлен фунт с подразделениями. Более того, выяснения вопроса о возможности применения на практике гирь из различных материалов были изготовлены образцы чистого никеля, бронзы, латуни, чистой меди, горного хрусталя, серебряного сплава и т.д., и все они через разные промежутки времени сравнивались как между собой, так и с основными эталонами и их копиями. Наиболее полно вся история вопроса по восстановлению прототипов веса освещена в статье «Фунт», написанной Менделеевым для Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона в 1902г.

Трудоёмкая работа по возобновлению прототипов, в процессе которой в общей сложности было проведено 80 серий сличений и 20000 отдельных наблюдений, была выполнена в исключительно короткий срок — за 1893-1898гг. (Подобная работа в Англии потребовала 21 года, во Франции-17 лет). В июне1899г. Был издан разработанный при участии Менделеева новый закон о мерах и весах, который устанавливал в России основные единицы измерения фунт и аршин. Учёный настоял на пункте закона, разрешающем в стране факультативно международных метрических мер — килограмма и метра. И так, единицей мер веса (массы) являлся фунт, равный 0,40951241 части международного килограмма или 409, 51241 граммам. Основной единицей линейных мер являлся аршин, равный 28 англ. дюймам или 0,711200 частям международного метра или <metricconverter productid=«71,12 сантиметрам» w:st=«on»>71,12 сантиметрам. (Приложение 2). По положению о мерах и весах задачей Палаты являлось «сохранение единообразия, верности и взаимного соответствия мер и весов»; по закону 1901 года на нее было возложено заведование местными поверочными палатками, временными их отделениями, распределение по тем и другим состоявших при Палате поверителей, командирование их, а также решение различных вопросов по метрологии и ведение отчетности по поступлению в казну сборов за клеймение мер и весов. Клеймению гирь и весов стало придаваться такое же государственное значение, как и клеймению драгоценных металлов. В самой палате устройство поверочного дела было доведено до возможного научно-технического совершенства.

Менделеев всегда был сторонником метрической системы. Ещё в 1868г. на Первом съезде русских естествоиспытателей прозвучало его яркое выступление в пользу метрической системы: «Станем употреблять её постоянно в наших научных исследованиях и только в случаях нужды рядом будем означать наши обыкновенные меры и веса. Введём в наши лекции и уроки длины метрические, чтобы развить в наших слушателях привычку соображать по этой системе… Станем требовать в школах знакомства с этой системой. Всё это возможно нам, и потому решаюсь обратить на это внимание съезда. Облегчим же и на нашем скромном поприще возможность всеобщего распространения метрической системы и чрез то посодействуем и этом отношении общей пользе и будущему желанному сближению народов. Не скоро, понемногу, но оно придёт. Пойдём же ему навстречу»[3]. При возобновлении прототипов учёный стремился к наиболее точному выражению русских мер в метрологических единицах. Продолжая считать метрическую систему мер самой удобной, Менделеев подчеркивал, что её введение в России может быть лишь постепенным. Именно об этом он говорил в своём выступлении на Всероссийском торгово-промышленном съезде в Нижнем Новгороде в 1896г.

(Метрическая система была твердо введена в нашей стране 14 сентября 1918 года Декретом Совета Народных Комиссаров РСФСР. Полный переход к метрической системе был завершен к 1 января <metricconverter productid=«1927 г» w:st=«on»>1927 г.)

В деле восстановления и сличения прототипов огромную роль играют весы и методики взвешивания. Весовому методу Менделеев всегда отдавал предпочтение в своих исследованиях свойств растворов и особенно газов. В стремлении к точности взвешивания ученый ввел некоторые усовершенствования в полученные Палатой в 1895 году весы фирмы «Рупрехт» (такие же весы были установлены в Международном бюро мер и весов). Усовершенствовал и весы для взвешивания в безвоздушном пространстве конструкции венского механика И. Неметца, заказанные Менделеевым в1891 году. На этих весах была достигнута большая степень точности, чем в Международном бюро. «Я…,-отмечал ученый, — вдаюсь во многие подробности лишь для того, чтобы содействовать увеличению точности взвешивания от миллионных частей груза до миллиардных их долей. В природе мера и вес суть главные орудия познания, и нет столь малого, от которого не зависело бы все крупнейшее»[4].

В процессе этой работы Менделеевым был сконструирован ряд уникальных приборов: дифференциальный маятник для определения твердости вещества, маятник — маховое колесо для исследования трения в подшипниках, маятник — метроном для изучения качания маятников, маятник — весы, маятник с меняющей длиной.

В работе «Опытное исследование колебания весов» как в основном тексте, так и в примечаниях затронуто огромное число интересных вопросов, которые учёный намеревался рассмотреть, «если позволят силы», в своих дальнейших исследованиях. «Много я тут работал и вложил души», — скажет он в конце жизни об этом труде[5]. Отметим, что разработанные ученым методы точных взвешиваний и его рекомендации используются и настоящее время при сличении эталонов массы и выполнении особо точных взвешиваний. И.Д. Менделеевым был выдвинут проект создания одноплечих двухпризменных весов, который был осуществлён его сыном И.Д. Менделеевым в 1932г. Весы этой конструкции получили широкое признание.

В процессе работы по возобновлению прототипов Менделеев обращался и к такому существенному в определении веса вопросу, как точные значения физических констант — плотности воздуха и воды, вопросы, которому он уделял внимание во многих своих исследованиях, связанных с определением веса, проводимых им в разные годы (исследование капиллярности в 60-е годы опыты с газами в 70-е годы, исследование растворов в 80-е годы).

В феврале 1894г. Менделеев опубликовал статью «О весе литра воздуха». В ней дан анализ результатов опытных данных А.Я. Купцера, А. Ренея, и др. После вновь проведенных тщательных расчётов Менделеев принимает за наилучший результат вес одного литра воздуха, равный 0,131844gг. с погрешностью ±0,00010г., где g — ускорение свободного падения. И всё-таки эту величину он считал недостаточно точной, так как, по его подсчёту, при точных взвешиваниях с нагрузкой в <metricconverter productid=«1 кг» w:st=«on»>1 кг. Погрешность вырастает до ±0,0075мг.

Результаты всех исследований, проводимых в ГПМВ, публиковались в организованном Менделеевым первом русском научном метрологическом журнале «Временник Главной палаты мер и весов» (первые восемь частей журнала выходили как приложение к ЖРФХО). Менделеев уделял огромное внимание журнал: «Издание „Временника“ за это время (1894-1895гг. — Авт.) поглощало весь остаток моего времени от занятий Палатою и Министерстве финансов»[6]. В автобиографических материалах — письмах дневниках, черновиках осталось множество записей, касающихся деятельности Менделеева на посту управляющего ГПМВ. (Приложение 2).

Созданное Менделеевым научно-метрологическое учреждение очень скоро стало одним из ведущих метрологических центров Европы. В <metricconverter productid=«1895 г» w:st=«on»>1895 г. Менделеев был избран в число членов постоянного Международного комитета мер и весов. Ученый принимал активное участие в работе Комитета, выступая по ряду актуальных для метрологии того времени вопросов: об определении понятия литра и кубического дециметра воды, о введении эталонов с децимальными делениями шкалы, о создании метрологической библиографии.

Много внимания в эти годы Менделеев уделял организации поверочного дела в России, т.е. упорядочению в стране мер, применяемых в торговле и промышленности. В 1893-1897 гг. была проведена большая работа по инспектированию поверочных учреждений, расположенных по всей территории России. Одновременно сотрудники ГПМВ, командированные за границу, изучали постановку поверочного дела в Англии, Франции и Германии. По инициативе Менделеева в феврале <metricconverter productid=«1897 г» w:st=«on»>1897 г. была организована правительственная комиссия, которая должна была выработать основные направления новой организации проверки мер и весов в стране и надзора за ними. Имея у себя образцовые гири и весы (а также питейные меры, меры длины и сыпучих тел), эти учреждения проверяли на точность все весовые приборы находящиеся в обращении. На исправные гири и весы ставилось клеймо-пломба из красной меди. Без клейма приборы запрещалось использовать — можно было подвергнуться штрафу, и вообще лишиться прав торговли.

Поверочные палатки в России стали открывать с 1900 года. Первые десять из них были созданы в таких крупных городах как Петербург, Москва, Варшава, Нижний Новгород, Тула, Харьков, Нахичевань, Муром. При этом выбор мест определялся данными ревизий о значении каждого из них в промышленной и хозяйственной жизни страны. В 1902 году были открыты еще 10 палаток — в Киеве Одессе, Вильно, Екатеринодаре, Риге, Казани, Саратове, Екатеринбурге, Уфе. В 1903 году для обслуживания отдаленных местностей был создан передвижной вагон-палатка. За очень короткий срок на всей территории страны была введена система «основная задача», поставленная ученым перед государственной службой мер и весов, которую он видел «в точном объединении мер, применяемых в торговле и промышленности Империи, и укреплении во всем мире доверия к постановке метрологических задач в России»[7].

К концу 900-х годов ГПМВ представляла собой один из лучших метрологических институтов Европы с прекрасно оснащенными лабораториями, среди которых лаборатория массы являлась лучшей в мире. В 1901-1902 годах по проекту Менделеева для Палаты строятся новые здания. В одном из них располагается астрономическая обсерватория, оборудованная всеми необходимыми приборами. Создание службы точного времени в ГПМВ давало возможность самостоятельного его определения, выверку его эталонов и систем отсчета.

На посту управляющего Главной палаты мер и весов Менделеев оставался до конца своих дней.

    продолжение
--PAGE_BREAK--