Глава 5. Возникновение в условиях мануфактурного периода предпосылок для создания машинной техники (от XIV в. до конца XVIII в. – начала XIX в.)
Зарождение капиталистических отношений наблюдалось уже в XIV-XV вв. в отдельных городах Италии. Но только в XVI в. капиталистический способ производства стал распространяться в Нидерландах, Англии и Франции, где создавались благоприятные условия для первоначального накопления капитала.
В связи с развитием мировой торговли и мирового рынка ремесленной производство уже не в состоянии покрыть спрос на товары. Это ускорило переход от мелкого ремесленного производства, к крупному капиталистическому.
Капитализм сначала подчиняет производство с технического ремесленного хозяйства, а затем его преобразует на новых экономических и технических основах. Крупные ремесленные мастерские переходят в руки скупщиков, купцов, а затем капиталистов. Капиталисты расширяют рамки производства, не изменяя ни оборудования, ни методов труда. Происходит простая кооперация, позволяющая экономить труд и поднимать его производительность.
Развитие капиталистических отношений приводит к созданию в XIV-XV вв. мануфактур в различных отраслях производства.
Историческая роль мануфактуры – она подготовила необходимые условия для перехода к машинному производству. Мануфактуры довели до высшей степени разделение труда внутри производства, упростили многие операции, которые свелись к таким простым движениям, что стала возможной замена мускульного труда машинным. Специализировались и значительно совершенствовались орудия труда. Были подготовлены группы искусных рабочих для крупной машинной индустрии. Появляются первые рабочие машины, но ограниченно применяются. Основным двигателем становится водяной (гидравлическое колесо), который применяется во всех основных видах производства. Развитие водяного колеса привело к другим изобретениям. Начинается поиск нового типа двигателя, использующего энергию пара.
5.2. Вклад Леонардо да Винчи в развитие техники
В эпоху Ренессанса или Возрождения, начавшуюся в XV в. появляются сочинения по технике, среди них видное место занимают разного рода собрания или «Театры машин», составленные техниками-практиками и представляющие собой описание известных автору машин.
Одним их самых выдающихся изобретателей эпохи Возрождения был Леонардо да Винчи (1452-1519) – художник, архитектор, инженер, механик-практик и экспериментатор.
Изобретательный гений Леонардо да Винчи был подкреплен обширными техническими знаниями. Он как бы сразу во всех ее составляющих видел будущую машину. Он знал практически все виды зубчатых закреплений, кулачковые, гидравлические и винтовые механизмы, передачи с гибкими звеньями. Он изобрел несколько типов экскаваторов (рис.5.1а) и продумал организацию земляных работ одновременно на нескольких горизонтах. Он изобрел несколько гидравлических машин, в том числе тангенциальную турбину, прядильных и волочильный станки, станок для насечки напильников (рис.5.1б), приспособление для нарезки винтов, прокатный стан, станок для свивки канатов. Некоторые из его изобретений настолько опередили время, что остались недоступными для техники той эпохи. Сюда можно отнести центробежный насос, гидравлический пресс, огнестрельное нарезное оружие.
а) б)
Р
ис. 5.1. Схемы машин, разработанных Леонардо да Винчи: а – экскаватора; б – машины для насечки напильников
Например, так Леонардо оценивал свои возможности в документе, написанном в 1481 г. на имя правителя Милана Людовико Сфорца: «Поскольку сиятельнейший господин, я видал и продумал опыт всех тех, кои выдают себя за знатоков в искусстве, изобретения военных машин, и нашел, что их инструменты не отличаются ни в чем существенном от тех, которые общеизвестны, я решаюсь сообщить Вашей светлости о некоторых секретах коими обладаю я в следующем кратком перечислении:
1. Я владею способом постройки очень легких мостов, которые можно легко переносить и с помощью которых можно привести врага в бегство и преследовать его. Знаю также и иные более прочные, которые смогут противостоять огню и мечу и которые можно легко поднимать и опускать. Я знаю такие способы сжигать и разрушать вражеские мосты.
2. В случае осады, я знаю, как осушать рвы, строить складные лестницы и другие подобные машины.
3. Далее, в случае высокого местоположения или мощности вражеской позиции, когда невозможно ее обстрелять, я знаю способы уничтожить ее путем минирования, если только фундамент крепости не скалистый.
4. Я умею также строить нетяжелые пушки, легкие в перевозке, которые могут бросать горючие материалы, дым коих вызовет ужас, разрушение и растерянность среди врага.
5. Далее при помощи узких и извилистых подземных ходов, сооружаемых без всякого шума, я могу создать проход в самые недоступные места, причем даже под реками.
6. Далее, я умею строить безопасные крытые повозки для подвоза пушек к расположению врага, сопротивляться коим не смогут даже силы, и под защитой которых пехота сможет безопасно подойти к месту боя.
7. Я могу строить орудия, мортиры и огнеметные машины и иные, одновременно прекрасной и полезной формы, которые отличаются от всех, применяемых в настоящее время.
8. Или же, если применение пушек окажется невозможным, я смогу заменить их катапультами или иными прекрасными бросающими машинами, доселе неизвестными. Короче говоря, я смогу создать бесконечное число орудий для нападения.
9. А если сражение должно разыграться на море, я знаю многие, чрезвычайно мощные машины, как для нападения, так и для защиты и такие корабли, которые будут безопасны от пушечной стрельбы, так и от огня.
10. Полагаю, что в мирное время я смогу соревноваться с каждым по части архитектуры, а также по части сооружения общественных и частных монументов и в постройке каналов.
Я смогу выполнять статуи из мрамора, бронзы и из глины, что касается живописи, то в ней я смогу соперничать с любым. В частности я смогу изваять из бронзы конную статую Вашей вечной памяти отца. Если из вышеупомянутых вещей покажется что-либо вам невыполнимым, то я готов выполнить сие».
Леонардо-практик, и его теоретические рассуждения играют лишь побочную роль. В механике он занимался движением тел по наклонной плоскости, законом рычага, уяснил понятие момента, исследовал трение, падение тяжелых тел, законы гидростатики.
Леонардо первым исследовал полет птиц и приблизился к созданию аппарата тяжелее воздуха. Он создал много различных схем машин и предвосхитил идею о создании машины из механизмов. Он изучил трение и понял невозможность вечного двигателя лет за 300 до тех пор, как это было доказано.
5.3. Создание новых машин и механизмов
Во времена Леонардо понятие «инженер» уже бытовало в Западной Европе. Появилось оно около XII в. и обозначало строителя военных машин и фортификацией (т.е. специалиста, которого в эпоху эллинизма называли «механиком»), т.к. все технические средства по части ведения военных операций назывались «ingenia». С XV в. в Италии инженерами называют также строителей каналов.
Основное назначение машин оставалось одним и тем же вплоть до конца XVIII в. – замена физического труда. Но появляются уже технологические машины, целью которых является замена действий руки человека, а именно развитие этих машин привело к промышленной революции.
В XV в. была изобретена рогулька для ручной прялки. В XVII в. получили распространение самопрялки с ножным приводом. Совершенствуется токарный станок. В XVI в. Жак Бессон в своем «Театре инструментов» впервые описал токарный станок для нарезки винтов с суппортом.
Агостино Рамелли, один из приемников Леонардо издал книгу «Различные и искуссные машины». В этой книге описаны изобретенные им машины – мельницы, водоподъемники и грузоподъемники, насосы, конструкции которых чрезвычайно сложны. Поражает богатство механизмов: кривошипно-шатунные и кулачковые устройства, различные типы червячной передачи, зубчатые зацепления.
а) б)
Р
ис. 5.2. Механизмы, применяемые в машинах: а – коленчатый вал; б – зубчатая передача
а) б)
Рис. 5.3. Механизмы: а – червячные и рычажные, применяемые в приводах насосов, б – блок, винтовой механизм и рычаг, применяемые в подъемных кранах
От привода ворота (оси с коленом) берет свое начало коленчатый вал, применяемый, например, в машине (рис.5.2а). Цевочные зубчатые передачи (зубья произвольной формы вставлены в обод колеса) применялись в различных машинах, например, в машине (рис.5.2б). В приводах насосов применяли червячные и рычажные механизмы (рис.5.3а). В подъемных кранах использовали блок, винтовой механизм и рычаг (рис.5.3б).
Подробно описал машины, применявшиеся в горном деле в XVI в. и ранее, немецкий врач, минеролог и металлург Георг Бауэр, известный под латинизированным именем Агрикола. Уже тогда в горных машинах применялось железо для изготовления рам, зубчатых колес, подшипников. Ему уже было известно, что от одного водяного колеса, можно привести в действие шесть насосов, несколько толчей. Идея привода нескольких механизмов от одного источника движения была тогда передовой.
Современником Агриколы был выдающийся итальянский врач, механики математик Джеролимо Кардано, имя которого сохранилось в названии карданного вала. Кардано – один из основоположников кинематики механизмов. Он стремился глубоко разобрать теорию и практику зубчатых зацеплений.
5.4. Создание гидротехнической системы игуменом Филиппом в Соловецком монастыре
Одну из установок, прообраза машины автоматического действия создал в середине XVI в. в Соловецком монастыре игумен Филипп (Федор Степанович Колычев), который был в последствии митрополитом Московским и по приказу Ивана Грозного задушен Малютой Скуратовым. Сохранилось описание этой установки. В нее входили мельницы, («мельницы делал да ручьи конал к мельницам воду приводил к монастырю»), которые мололи зерно, присеивали помол и были еще и крупорушками. Мало того, установка имеет к тому же устройство для приготовления кваса. Раньше этим занимались «вся братия и слуги многие из швальни», благодаря же устройству, с работой справлялись один инок и пятеро служителей. Обратим внимание, как работало квасодеятельное устройство. В нем квас «сам сольется из всех чанов, да вверх подаймут ино трубою пойдет в монастырь, да в погреб сам сольется, да и по бочкам раздетеся сам во всем».
В монастыре были организованы соляной промысел и железоделительное производство. Изобретатель поставил несколько солеварен, соорудил сложную водную систему.
В последней четверти XVI в. была построена Лондонская насосная установки, которая служила для снабжения города питьевой водой, а в XVII в. они усовершенствовались.
В XVII в. построена насосная установка в Марли голландским инженером Раннекеном. Она поднимала воду из Сены, затем по акведуку вода поступала в водоем, откуда она шла к фонтанам. Установка состояла из 14 колес, которые приводили в действие 250 поршневых насосов.
5.5. Создание гидравлической системы на Алтае К.Д. Фроловым
В 80х годах XVIII в. построена Змеиногорская гидравлическая система на Алтае Козьмой Дмитриевичем Фроловым. Это было самое крупное гидротехническое сооружение XVIII в. (рис.5.4).
К.Д. Фролов построил плотину высотой 17,5м, шириной по верху 14,5м, в основании – 92м, длиной 128м, создавшую необходимый напор воды. По специальной штольне в 443м и каналу длиной 96м вода поступала на первое гидравлическое колесо диаметром 4,3м, приводившее в движение пилу для распиловки древесины. Затем вода разделялась на два потока: один шел к Преображенскому руднику, а другой по подземной выработке длиной 128м подавался к рудоподъемному колесу Екатерининского рудника.
Это колесо обеспечивало подъем руды с горизонтов 45м, 77м и 102м. В течение одного часа с глубины 102м поднимались 12 бадей весом 30 пудов каждая. Подъемная машина обслуживалась 12 рабочими.
От колеса вода по выработке длиной 64м направлялась к двигателю водоотливной установки. Диаметр колеса достигал 17м. Передача движения насосам осуществлялась с помощью штанги, помещенной в специальной выработке длиной 45м. Вода насосами откачивалась с глубины 213м. Для установки колеса Фролову пришлось под землей создавать специальную камеру.
Р
ис. 5.4. Схема гидротехнических сооружений К.Д. Фролова на Алтае в конце XVIIIв.
1 – плотина, 2 – штольня, 3 – канал, 4 – водяное колесо, 5 – лесопилка, 6 – отвод воды к Преображенскому руднику, 7 – подземный канал, 8 – водяное колесо, 9 – рудоподъемник, 10 – подземный канал, 11 – водяное колесо, 12 – передача к насосам, 13 – насосы екатерининского рудника, 14 – подземный канал, 15 – водяное колесо, 16 – подземный канал, 17 – насосы Вознесенского рудника, 18 – рудоподъемник
После водоотливной установки вода шла по выработке к гидравлическому колесу Вознесенского рудника, которое приводило в движение как рудоподъемную, так и водоотливную установки. Диаметр колеса Вознесенского рудника превышал 15,6м. Для подъема руды Фролов построил четковый рудоподъемник (именуемый в документах «патерностер»), обеспечивающий подъем руды с глубины 60м.
Для осуществления своего замысла Фролов вынужден был соорудить большое число горных выработок, которые проходились в очень крепких породах.
5.6. Создание прядильных машин
В 1735 г. Джон Уайетт изобрел первую по сути дела прядильную машину с «ослиным приводом», т.е. источником энергии служил осел. На текстильном производстве господствовал ручной труд.
В
1765 г. появилось прядильная машина периодического действия под названием «Дженни», построенная Джеймсом Хартинсом, в 1757 г. – Вятерная мельница Ричарда Аркрайта. Затем Семюэль Кромптон изобрел «Мюль-машину» (рис. 5.5). Все эти машины значительно увеличили производство пряжи. Нужен был механический ткацкий станок, который был изобретен в 1785 г. деревенским священником Эдмундом Картрайтом.
Рис. 5.5. Прядильная «мюль-машина» С. Кромптона
В России в 1767 г. было 7 хлопчатобумажных мануфактур «а через 20 лет их число увеличилось почти в 35 раз». Более медленными темпами развивалось полотняная, шелковая и суконная промышленность. В 1769 г. хозяин прядильной мануфактуры в Сергейске Калужской губернии Родион Глиаков построил 30-веретенную машину для прядения льна с приводом от водяного колеса и мотальную машину, заменяющую десять человек, а также другие машины.
5.7. Создание военной техники А.К. Нартовым и Я.Т. Батищевым в Туле
Андрей Константинович Нартов (1693-1756) – один из замечательных русских механиков и изобретателей, посвятивший свою жизнь развитию машиностроительной техники. Одним из направлений деятельности Нартова было создание машин для артиллерийского производства. После смерти Петра I им был создан новый образец пушки, названный единорогом. Им была разработаны схемы устройства для заделки раковин пушечных стволов. Секрет способа заделки был утерян, но видимо состоял в том, что рассверливалось отверстие на месте раковины первым сверлом, нарезая им в ней резьбы метчиком, изготовлением соответствующей пробки по месту, завинчиванием последней и последующей обработкой ствола. Нартов построил более 20 машин для артиллерии: «машина для подъема с козел и переноса для обжига пушечных форм; машина для опускания в литейную яму пушечных форм и для последующего подъема их после отливки; машина для отрезывания прибылей у пушек; машина для обтачивания цапф у пушек, мортир и гаубиц; оригинальный запал для пушек и мортир; прибор механический для проверки артиллерийских орудий; машина для изготовления для артиллерийских орудий «плоских винтов медных и железных»; машина для подъема пушек и мортир на весы и к станку: скорострельная батарея из сорока четырех «трехфунтовых мортирок, помещенных на особом горизонтальном круге, установленном на лафете (рис.5.6). Мортирки объединялись в группы, одни из которых изготовлялись к выстрелу и открывали огонь, а другие в это время заряжались, занимая затем при помощи вращения круга место выстреливающих».
Р
ис. 5.6. Круглая 44-мортирная батарея Нартова, прабабушка «Катюши»
После смерти А.К. Нартова его работу выполнял его сын А.А. Нартов, владеющий секретами отца.
В XVIII веке такой отрасли, как машиностроение еще не было, и поэтому каждая мануфактура «своим коштом» и по своим возможностям строила для себя «махины», а «махин» требовалось много. Проект тульского оружейного завода со всеми вододействующими машинами, в том числе и металлорежущими станками создал механик М.В. Сидоров. (умер в 1714 году). После его смерти механиком завода стал Я.Т. Батищев (умер после 1735 года). Он изобрел и построил ряд машин, в том числе для обработки поверхности мушкетных стволов, для расковки полос железа, используемых при изготовлении стволов, для сверления пушечных стволов. Как писал академик И.Х. Гамель: «В нижнем этаже (молоткового амбара) поставил он (Батищев, два станка для сверления 24 стволов на каждом. В верхнем было 12 пильных станков, а на каждом обдиралось по 12 стволов вкруг пилами, в тридцать фунтов каждая: потом восемью личными пилами чистились поверхности стволов и четырьмя отделывались грани у казенного конца: внутренности чистились четырьмя смычальными (пуставильными) пилами». На том же Тульском заводе было налажено производство взаимозаменяемых деталей.
5.8. Создание в конце XVIII в. ткацких станков во Франции и машинной и оружейной техники в России
Развитие машин и механизмов во Франции в XVIII веке шло своими путями. Механики здесь занимались построением станков для производства щелковых тканей и автоматов, особенно прославился в этом отношении Жак де Вакансон. Многие из построенных им автоматов моделировали движение человека и животных. В 1801 году появился станок с автоматическим приспособлением, которое давало возможность изготавливать ткань из ниток разного цвета. Этот станок был первым, в механизм которого было включено программное управление, построил его Жозеф Минкар. Все изобретения были созданы в условиях старой энергетики – водяного колеса или силы животных.
В первой половине XVIII века русская машинная и оружейная техника развивалась главным образом, кроме Тульского завода, в Уральском промышленном районе. В горнозаводской промышленности занимались производством чугуна и стали, а также изготовлением железных изделий: для своего времени они были неплохо оснащены машинной техникой. В 1760 года мастер тульского оружейного завода И. Ботин изготовил токарно-винторезный станок. Одновременно такой же станок был построен для сестрорецкого оружейного завода. С 1761 года на Тульском заводе производство ружей выполнялось на основе взаимозаменяемости частей. С 1750 года на заводе работало 28 станков для сверления стволов.
Первым строителем больших вододействующих машин в конце XVIII века стал в Туле оружейных дел мастер Василий Пастухов. Машины для сверления оружейных стволов была им изготовлена в 1792-1794 годах. В XVIII веке высшее техническое образование в России находилось в стадии зарождения. Немногочисленные технические школы готовили специалистов для государственной службы: военных инженеров, путейцев и горных инженеров. Однако все основные работы на частной и государственной службе выполняли практики, долго работающие в одной или нескольких отраслях промышленности.
5.9. Вклад Е.Г. Кузнецова в создание отечественной техники
Очень много нововведений внесли механики горнозаводской промышленности, многие из которых были крепостными. Таким был, в частности Е.Г. Кузнецов (1735 – после 1804 гг.). Он родился в семье кузнеца Выйского завода на Урале, принадлежащего Демидовым. Кузнецкому и слесарному делу он научился у отца на Нижнетагильском заводе. В 1764 году Кузнецов устроил рудоподъемную машину оригинальной конструкции, усовершенствовал дутье на доменных печах, построил пильную мельницу, токарный станок, а 1767 году изобрел способ прокатки сортового железа, и в 1775 прокатный стан был запущен в работу. Он работал над изобретением прокатного стана непрерывного действия, листопрокатного стана, ножницы для резки. В 1775 он построил астрономические часы, автомат. Последним из известных изобретений Кузнецова были механические дрожки, хранящиеся в Эрмитаже, которые изобретателю было позволено подарить императрице, за что наконец-то он вместе с семьей был освобожден из крепостного права. Кузнецов одновременно с выдающимися французскими и швейцарскими механиками овладел принципами построения механизмов и определил прикладную механику, как науку о механизмах.
Часы Е.Г. Кузнецова имели астрономическую и театрально-музыкальную часть. «На передней стрелки часов находится циферблат, показывающий часы и минуты, прорези для «показания «движения солнца, луны, а также каждого дня святых». Большой интерес представляет механизм, помещенный слева, изображающий работающую модель «молотовой фабрики», состоящей из горна с мехами, молота, молотового мастера, крицы и системы кулачков, приводящих все это в движение. С правой стороны часов помещены циферблаты для включения того или иного мотива. Часы имели и другие механизмы: «восхождение и захождения солнца», «рождение и ущемление луны», «курантный бой», которые автоматически приводились в движение.
5.10. И.П. Кулибин и его изобретения
Существенный вклад в развитие отечественного построения машин внес механик-изобретатель И.П. Кулибин (1735-1818).
Нижегородский «посадский» И.П. Кулибин начал свое творчество с создания невиданных часов «Видом с величиною между гусиным и утиным яйцом» (рис.5.7а). Часы, состоящие из 427 миниатюрных деталей тончайшей работы, имели часовой, боевой и курантный механизмы. Часы воспроизводили различную музыку: духовный стих и гимн, сочиненные в честь императрицы Екатерины II самим И.П. Кулибиным. После получения часов в подарок императрица назначила И.П. Кулибина руководителем механических мастерских Академии наук в Петербурге.
П
од руководством И.П. Кулибина работала и инструментальная, токарная, слесарная, барометральная палаты, снабжавшие разными приборами ученых. Были созданы: «инструменты гидродинамические», «инструменты, служащие к делению механических опытов», инструменты оптические и акустические, готовальни, астролябии, телескопы, подзорные труды, микроскопы, «электрические банки», солнечные и иные часы, ватерпасы, точные весы и др.
а) б)
в)
Рис. 5.7. Изобретения И.П. Кулибина: а – часы яичной формы; б – проект деревянного моста через Неву; в – фонарь с зеркальным отражением
И.П. Кулибин разработал проекты одноарочных мостов, сначала деревянных, затем чугунных. Он строил модели деревянных мостов и испытывал их под нагрузкой. Так длина арки деревянного моста через Неву (рис.5.7б) составила 298м, а ширина проезжей части = 8м. Он разработал метод пересчета грузоподъемности с модели на натуру.
И.П. Кулибин разработал проект оптического телеграфа и оригинальный код для передач.
Он разработал способ движения судов вверх по течению за счет самого течения реки, позволяющий заменить бурлацкий труд машинами. Принцип действия судна – «Водохода» И.П. Кулибина, следующий. Вверх по течению реки заводился якорь, второй конец якорного каната закрепляли на специальных барабанах, приводимых в движение через передачи от бортовых вододействующих колес, движущихся от течения реки. При этом якорный канат навивался на барабаны, и судно подтягивалось к якорю. Затем процесс повторялся, и судно двигалось как бы отдельными шагами.
И.П. Кулибин разработал фонарь (рис.5.7в), создающий при помощи особой системы зеркал, несмотря на очень слабый источник света (свеча), очень сильный световой эффект. Это был, видимо, один из первых предшественников современного прожектора.
И.П. Кулибиным была создана самодвижущаяся коляска (самокатка), он проводил опытную варку различных сортов оптического стекла, разработал механические устройства, позволяющие получать листы зеркального стекла очень больших размеров: изобрел бездымный (оптический) фейерверк и другие изобретения.
С Екатерининбургскими заводами связана деятельность Л.Ф. Собакина (1740-1813), который построил астрономические часы, сконструировал собственную паровую машину, ознакомившись с работой ранее созданных машин. По возвращении в Россию из учебы в Англии в 1786 году он подготовил к печати лекции о механике, гидравлике и гидростатике о кранах, тележках на колесах, о мельницах и др. машинах, сочиненных господином Фергусоном с собственной лекцией об огненных машинах. В рассматриваемый период были заложены основы метрические системы измерений.
5.11. История выбора и совершенствования мер при линейных измерениях
Простейшее измерение заключается в сравнении одной физической величины с другой однородной величиной, принятой за единицу измерения. Средство измерения, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера, является мерой.
История развития измерений связана с выбором и совершенствованием мер. В качестве таких мер первоначально применяли отдельные части тела (рука, нога, ступня и т.д.) Они всегда находились «под рукой», доступны и соответствовали уровню развития производства в древности. «Человек – мера всех вещей» – отмечал ученик Демокрита Пифагор.
В Египте, Древнем Риме, Вавилоне использовали палец (1 палец = 18,75мм), ладонь (1 ладонь = 4 пальца), рука (1 рука = 5 пальцев), локоть (1 локоть = 28 пальцев), стадия (1 стадия = у римлян – 185м, у вавилонцев – 194м, у греков и египтян – 190м).
В Египте в качестве меры длины при строительстве и торговле применялся локоть (525мм) (рис.5.8а). В храме был установлен « черный гранит» в качестве эталона длины в один локоть, на котором было написано « на вечные времена». Этот эталон охраняли жрецы и делали с него рабочие меры из дерева. В Риме эталоны длины хранили в городских управлениях, по ним изготовлялись измерительные линейки. Применение эталонов позволяло осуществлять строительство различных объектов с большей точностью. Например, пирамида Хеопса высотой 146,5м имеет в основании квадрат со стороной 233м. Ошибка в размерах сторон составляет 11,5см (0.05%). Строительство пирамиды длилось в течение 20 лет. Было уложено сотни тысяч глыб массой по 2,5-3м. Камни тщательно притирались друг к другу, не образуя щелей. Размеры их строго контролировались. По приказу фараона рабочие линейки в каждое полнолуние сверялись с оригиналом. Только жесткий контроль обеспечивал высокую точность и каче
ства работы.
а) б) в)
г) д) е) ж)
Рис. 5.8. Старые меры длины
Стадия равнялась отрезку пути, который проходил человек по прямой линии навстречу восходящему солнцу от появления его первого луча до полного диска солнца на горизонте, т.е. примерно за 2 минуты пути. Часто измеряла большие расстояния отрезком пути, который человек проходил за час, день недели. Так в старинной грамоте написали: «Печенеги отстояли от Хазар на пять дней пути, от Алан на шесть дней, от Руси на один день». Часто говорили: «Во все стороны на бычий рев», «не подпускать на пушечный выстрел», « на выстрел стрелы» и т. д.
В странах Западной Европы в качестве мер применяли:
1) дюйм (от голл.) – большой палец (рис.5.8б), т.е. длина сустава большого пальца или длина трех ячменных зерен, вынутых из средней части колоса и поставленных одно к другому своими концами).
2) Фут (от англ.фут – ступня) (рис.5.8в) – средний размер ног, полученных при усреднении по размерам 16 ног людей, выходящих один за другим из церкви и поставленных башмаками друг за другом.
3) Ярд – мера длины, равная расстоянию от носа короля до конца среднего пальца вытянутой руки или длина королевского меча, введенная королем Генрихом I в 1101 году (рис.5.8г).
4) Миля (от лат. миля- тыл) – тысяча двойных шагов.
Соотношение этих мер с метрическими единицами следующее:
1mi (миля) = 1609,39м
1 уа (ярд) = 3 футам = 36 дюймам = 0,9142м
1 fi (фут) = 0,3048м
1 in (дюйм) = 0,0254м = 25,4мм
Неметрическими русскими единицами являются:
1 верста (500 саженей) = 1066,8м
1 сажень (3 аршина) = 7 футов = 100 соток = 2,1336м
1 вершок = 0,04445.
Кроме мерной были маховая (рис.5.8д) и носая (рис.5.8.е) сажени. Также для измерений применяли пядь (рис.5.8ж):
1 сотка = 0,021336м
1 линия (10 точек) = 2,54мм
1 точка = 0,254мм
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.
|
Скачать 29.41 Mb.