Приборы для измерения массы и веса

Простейшим прибором для определения массы и веса являются рычажные весы, известные примерно с пятого тысячелетия до н.э. Они представляют собой балку, имеющую опору в своей средней части. На каждом конце балки имеются чашки. На одной из них помещается объект измерения, а на другую накладываются грузы стандартных размеров до приведения системы в равновесие. В 1849 г. француз Жозеф Беранже (Joseph Beranger) запатентовал усовершенствованные весы подобного типа. Они имели систему рычагов под чашками. Такое устройство было очень популярным в течение многих лет в торговле и на кухнях.

Вариантом рычажных весов является безмен (steelyard), известный с эпохи античности. В этом случае точка подвеса находится не в середине балки, стандартный груз имеет постоянную величину. Равновесие устанавливается изменением положения точки подвески, а балка предварительно градуируется (по правилу рычага).

Роберт Гук, английский физик в 1676 г. установил, что деформация пружины или упругого материала пропорциональна величине приложенной силы. Этот закон позволил ему создать пружинные весы. Такие весы измеряют силу, поэтому на Земле и на Луне они покажут разный численный результат.

В настоящее время для измерения массы и веса используются различные методы на основе получения электрического сигнала. В случае измерения очень больших масс, например большегрузного автомобиля, применяют пневматические и гидравлические системы

Приборы для измерения времени

Первым в истории измерителем времени стало Солнце, вторым - течение воды (или песка), третьим - равномерное сгорание особого топлива. Возникнув в глубокой древности, солнечные, водяные и огневые часы дожили до нашего времени. Задачи, которые в древности стояли перед создателями часов, сильно отличались от современных. От измерителей времени не требовалось особой точности, зато они должны были делить дни и ночи на одинаковое количество часов разной длины в зависимости от времени года. И поскольку практически все приборы для измерения времени были основаны на достаточно равномерных явлениях, древним «часовщикам» для этого приходилось идти на различные хитрости.

Солнечные часы.

Самые древние солнечные часы найдены в Египте. Интересно, что в ранних солнечных часах Египта использовалась тень не столба или стержня, а края широкой пластины. При этом измерялась только высота Солнца, а его движение вдоль горизонта не учитывалась.

С развитием астрономии было понято сложное движение Солнца: суточное вместе с небом вокруг оси мира и годовое вдоль зодиака. Стало ясно, что тень будет показывать одинаковые отрезки времени вне зависимости от высоты Солнца, если стержень направить параллельно оси мира. Но в Египте, Месопотамии, Греции и Риме день и ночь, начало и конец которых отмечали восходы и заходы Солнца, делили вне зависимости от их длины на 12 часов, или, более грубо, по времени смены караулов, на 4 «стражи» по 3 часа каждая. Поэтому на шкалах требовалось отмечать неравные часы, привязанные к определенным частям года. Для крупных солнечных часов, которые устанавливались в городах, удобнее были вертикальные гномоны-обелиски. Конец теми такого обелиска описывал на горизонтальной площадке подножья симметричные кривые линии, зависящие от времени года. Ряд этих линий наносили на подножье, поперек проводили другие линии, соответствующие часам. Таким образом, человек, глядящий на тень, мог узнать и час, и примерно месяц года. Но плоская шкала занимала много места и не могла вместить тени, которую гномон отбрасывает при низком Солнце. Поэтому в часах более скромных размеров шкалы располагались на вогнутых поверхностях. Римский архитектор I в. до н.э. Витрувий в книге «Об архитектуре» перечисляет больше 30 типов водяных и солнечных часов и сообщает некоторые имена их создателей: Евдокс Киидский, Аристарх Самосский и Аполлоний Пергамский. По описаниям архитектора трудно составить представление о конструкции тех или иных часов, но с ними удалось отождествить многие из найденных археологами остатков древних измерителей времени.

Солнечные часы имеют большой недостаток - неспособность показывать время ночью и даже днем в облачную погоду, зато они имеют по сравнению с другими часами важное преимущество - непосредственную связь со светилом, определяющим время суток. Поэтому они не потеряли практического значения даже в эпоху массового распространения точных механических часов, которые требуют проверки. Стационарные средневековые солнечные часы стран ислама и Европы мало отличались от античных. Правда, в эпоху возрождения, когда стала цениться ученость, в моду вошли сложные комбинации шкал и гномонов, служившие для украшения. Например, в начале XVI в. в университетском парке Оксфорда был установлен измеритель времени, который мог служить наглядным пособием по устройству разнообразных солнечных часов. С XIV в., когда стали распространяться механические башенные часы, в Европе постепенно отказались от деления дня и ночи на равные отрезки времени. Это упростило шкалы солнечных часов, и ими стали часто украшать фасады зданий. Чтобы настенные часы могли показывать утреннее и вечернее время летом, их иногда делали двойными с циферблатами на сторонах выступающей из стены призмы. В Москве вертикальные солнечные часы можно видеть на стене здания Российского гуманитарного университета на Никольской улице, а в парке музея Коломенское есть горизонтальные солнечные часы, к сожалению, без циферблата и гномона.

Наиболее грандиозные солнечные часы были сооружены в 1734 г. в городе Джайпуре магараджей (правителем области) и астрономом Савай-Джай Сингхом (1686-1743 гг.). Их гномоном служила треугольная каменная стена с высотой вертикального катета 27 м и гипотенузой длиной 45 м. Шкалы располагались на широких дугах, по которым тень гномона двигалась со скоростью 4 м в час. Однако Солнце на небе выглядит не точкой, а кругом с угловым диаметром около половины градуса, поэтому из-за большого расстояния между гномоном и шкалой, край тени был нечетким.

Большим разнообразием отличались портативные солнечные часы. В раннем средневековье применялись в основном высотные, не требовавшие ориентации по странам света. В Индии были распространены часы в виде граненого посоха. На гранях посоха наносились часовые деления, соответствующие двум месяцам года, равноудаленным от солнцестояния. Гномоном служила игла, которая вставлялась в отверстия, сделанные выше делений. Для измерения времени посох вертикально подвешивали на шнуре и поворачивали иглой в сторону Солнца, тогда тень иглы показывала высоту светила.

В Европе подобные часы оформлялись в виде небольших цилиндров, с рядом вертикальных шкал. Гномоном служил флажок, укрепленный на поворотном навершии. Его устанавливали над нужной часовой линией и поворачивали часы так, чтобы его тень была вертикальной. Естественно, шкалы таких часов были «привязаны» к определенной широте местности. В XVI в. в Германии были распространены универсальные высотные солнечные часы в виде «кораблика». Время в них отмечал шарик, помещенный на нити отвеса, когда инструмент наводили на Солнце так, чтобы тень «носа» точно покрывала «корму». Регулировка по широте производилась наклоном «мачты» и передвижением по ней планки, на которой закреплялась нить отвеса. Основной недостаток высотных часов - трудность определения по ним времени ближе к полудню, когда Солнце крайне медленно меняет высоту. В этом смысле часы с гномоном значительно удобнее, но их необходимо устанавливать по странам света. Правда, когда их предполагается долго использовать на одном месте, можно найти время и для определения направления меридиана.

Позже переносные солнечные часы стали снабжать компасом, который позволял быстро устанавливать их в нужном положении. Такие часы применялись до середины XIX в. для проверки механических, хотя они и показывали истинное солнечное время. Наибольшее отставание истинного Солнца от среднего в течение года составляет 14 мин. 2 сек., а наибольшее опережение - 16 мин. 24 сек., но поскольку длины соседних суток отличаются ненамного, это не вызывало особых затруднений. Для любителей выпускались солнечные часы с полуденной пушкой. Над игрушечной пушечкой помешалось увеличительное стекло, которое выставлялось так, чтобы в полдень собранные им солнечные лучи достигали запального отверстия. Порох загорался, и пушка стреляла, естественно, холостым зарядом, оповещая дом, что настал истинный полдень и пора проверять часы. С появлением телеграфных сигналов точного времени (в Англии с 1852 г., а в России с 1863 г.) часы стало возможно проверять в почтовых отделениях, а с появлением радио и телефонных «говорящих часов», эра солнечных часов закончилась.