5.12. История создания системы мер
Пестрота мер препятствовала товарообмену между народами, поэтому в период зарождения капитализма начинаются поиски разумной системы мер, которые были общими для многих народов. При этом меры должны быть постоянными и их можно повторять, если они позаимствованы из природы. Мер должно быть немного. В качестве основных необходимо выбрать также, которые связывают разнообразные величины в одну систему единиц измерений.
Первые системы мер были созданы в Вавилоне около 1000 лет назад. В качестве основной единицы была положена единица длины. Остальные единицы получались на основе соотношений. Например, единица площади – это квадрат со стороной равной единице длины: единица объема – куб с ребром, равным единице длины, единица массы – масса воды, заполняющая куб, равный единице объема.
Таким образом, единицы измерения различных величин оказались связанными между собой.
Впервые метрическая система мер зародилась в период Великой французской революции в конце XVIII века. В 1789 году крупные торговые центры Франции обратились к правительству с просьбой установить единые меры по всей стране. Это связано с тем, что крупные землевладельцы устанавливали в своих владениях свои меры, что создавало большие неудобства при товарообмене. Национальное собрание приняло решение разработать систему мер «на все времени для всех народов». К этой работе были подключены крупнейшие ученые Франции: Борда, Кондорес, Ланграж, Лаплас, Монж. Комиссия разработала проект метрической системы, в которой за основную единицу меры длины принято считать одну десятимиллионную часть земного меридиана (рис.5.9а) – 1/4 часть меридианной окружности. Для этого необходимо определить отрезок меридиана между двумя пунктами, географическая широта которых известна. Тогда длина одной четверти окружности меридиана определяется из соотношения
,
откуда 
Для измерения отрезка меридиана (S) решено было использовать метод триангуляции (от лат. trianqulum –треугольник), разработанный голландским астрономом и математиком С. Свендлиусом (1500-1626). Этот метод наиболее точный для измерения расстояния на местности, который применяется при геодезических работах. Комиссией был выбран меридиан, проходящий через Париж (около 2 восточной долготы), и в качестве отрезка взяты города Дюнкерс (приморский город северной Франции) и Барселона (испанский город) на берегу Средиземного моря (рис.5.9б). Эти города лежат на парижском меридиане, находятся не уровне моря и расстояние между ними около 1100км. Измерение было получено астрономам Ж. Деламору, который начал измерение от Дюнкерка и П. Межену, который начал работу со стороны Барселоны. За базу (базис) триангуляции было выбрано расстояние от Льесена до Мелене (около 13км), величина которого была точно измерены в старых единицах туазах (1 туаз = 1,95м). Работа, особенно в Испании, проходила в сложных условиях войны и закончилась через 6 лет. Длина четверти меридиана равна 5130740 туаз, а для метра получено выражение 1м = 0,51074 туаз.
На основе приведенных измерений французский механик Ленуар изготовил эталон метра в виде платиновой линейки, толщиной 3,5мм и шириной 25мм. Этот метр был сдан на хранение в архив Французской республики и получил название «архивного метра» 10 декабря 1799 года во Франции была введена метрическая система мер и весов.
Метрическая система не получила распространения т.к. во Франции восстановлена монархия, пугавшегося всего нового.
В 1867 году в Париже на Международной выставке был образован Комитет весов, мер и монет. Председателем этого комитета по введению единообразия в измерении длин и весов был русский академик Б.С. Якоби. В 1876 году по предложению Российской Академии наук была создана Международная комиссия, которой было поручено изготовить прототип мер массы, длины и объема.
В 1875 года в Париже была созвана конференция, на которой представители 17 государств создали Международное бюро мер и весов и подписали метрическую конвенцию (договор) о признании метрической системы международной. Решено было изготовить новый эталон метра из сплавов платины (90%) и иридия (10%) специальной формы, которая обеспечивает наибольшее сопротивлению изгибу. Для повышения точности измерения был применен штриховой масштаб, позволяющий измерять длину с точностью 0,01мм. За 10 лет было изготовлено 34 эталона, из них эталон номер 6 был утвержден в качестве Международного прототипа метра. Россия получила эталоны метра номер 11 и 28 и также эталон килограмма за номером 12. Государственным эталоном в России является прототип метра номер 28, про который в сертификатах написали (рис.5.9в):
«Этот прототип из платино-ирридиевого сплава, содержащий 10% ирридия, в виде стержня длины 120см, имеющего поперечные сечения формы Х был изготовлен Джонсоном, Маттен и Ко в Лондоне. Стержень был выровнен и отделан от руки, затем полирован и обрезан до длины в 102см братьями Бруннер в Париже.
Штрихи были нанесены Треска, инженером при Французской секции Метрической комиссии, на участке эллиптической формы, плоская поверхность которых отполирована до зеркального блеска.
Поперечное сечение стержня имеет форму X, вписанного в квадрат, сторона которого равна 20мм. Верхняя поверхность средней поперечены, на которой нанесены штрихи, совпадает с плоскостью нейтральных волокон.
После создания интерферометра (рис.5.9г). Майкенесом было установлено, что можно сопоставить метр с длиной волны светового излучения, т.е. определить число длин света, которые укладываются на 1 метр.
а)
б) в) г)
Рис. 5.9. Создание эталона метра: а – длина четверти земного меридиана; б – измерение длины наружного меридиана трилигуляционным методом; в – эталон метра; г – схема интерферометра
В 1995 г. Вторая Генеральная конференция по мерам и весам постановила «Естественным свидетелем прототипа метра считать отношение метра к длинам световых волн». В 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам приняла решение о введении нового «светового метра». Метр равен 1650763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходу уровням 2р10 и 5ds атома криптона – 86». В октябре 1983 г. с целью повышения точности принято определение метра через частоту стабилизирующего лазера, используемого в качестве источника электромагнитных волн «Метр равен расстоянию, проходимому в вакууме плоской электромагнитной волной за 1299792458 долей секунды». Относительная погрешность нового эталона единицы длины имеет порядок 10-10...10-11.
По мере совершенствования эталонов длины шло развитие измерительных приборов – средств измерения. По установившейся терминологии простейшие приборы, например, штангенприборы микрометры называют также измерительными инструментами. В качестве инструментов для линейных измерений применяют различные масштабные линейки, метры складные, рулетки, стальные ленты, циркули, нутромеры, штангенинструменты, микрометры, калибры, щуры и т.д.
Складной и матерчатый метр был введен при Александре III (1845-1894). Промышленное производство штангенциркулей началось в 1850 г. (первые штангенциркули появились в XVIII в. в Лондоне), а микрометры в 1967 г.
Первый микрометр изготовил в 1773 г. английский изобретатель Дж. Уатт. Нониусы (верньеры) были изобретены в 1631 г. директором монетного двора во Франции Вернье (1580-1637), но их название связывают с португальцем П. Нуниша (по лат. Nonius), которые в 1542 г. предложил прибор для отчета долей делений, подобный нониусу.
Наряду с развитие мер развивалась метрологическая служба для обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений в России.
В XII в. Новгородский князь Всеволод (?-1139) велел «казнить близко к смерти» за обвешивание и обмеривания. Иван Грозный (1530-1592) разрешил пользоваться только «государевыми» мерами.
Царь Федор Алексеевич (1611-1682) впервые ввел регулярную проверку правильности существующих мер, проведя их клеймение «орленой печатью». Петр I (1672-1725) в 1700г. издал указ о проверке торговых мер и весов дважды в год «Дабы упредить в том воровские умыслы». В 1736г. русское правительство образовало комиссию по созданию образцовых мер. В 1842 г. в России было создано первое метрологическое учреждение «Депо образцовых мер и весов», которое сохранилось до наших дней.
В настоящее время вопросами создания и хранения государственных эталонов, разработкой методов и средств измерений занимается Всесоюзный научно-исследовательсий институт метрологии им. Д.И. Менделева (С-Петербург). Решением практических задач метрологической службы занимаются республиканские и областные лаборатории государственного надзора за стандартами и измерительной техникой.