Измерения и меры - [14]

Вспомним строение вещества. Все тела в природе построены из атомов различных химических элементов. В большинстве веществ атомы объединены в более крупные частицы — молекулы. Каждый атом и каждая молекула, подобно любому упругому телу — струне, пружине и т. д. — обладает определённой собственной частотой, на которую резонирует — «откликается». Поскольку атомы или молекулы одного и того же вещества одинаковы, одинаковы и их собственные частоты. Эти частоты исключительно постоянны и почти не зависят от внешних влияний — температуры, атмосферного давления и др. Вот почему так заманчиво использовать колеблющийся атом или молекулу в качестве часового механизма.

Но как это сделать?

Учёные разработали несколько вариантов атомных часов. Вот, например, один из них.

В резервуаре, из которого откачан воздух, находится сосуд с разреженным газом — аммиаком. В стенке сосуда имеется щель, сквозь которую молекулы аммиака вылетают наружу. При этом они совершают не только поступательное движение, но и колеблются. Поток колеблющихся молекул направляется в так называемый объёмный резонатор — колебательную систему, настроенную в резонанс с ними, то есть имеющую ту же собственную частоту. В резонаторе возникают электрические колебания. Они усиливаются и после ряда преобразований приводят в действие часовые стрелки, как это делается в кварцевых часах.

ИЗМЕРЕНИЯ И… МУЗЫКА

На первый взгляд кажется, что музыка несовместима с какими-либо измерениями. Но это не так. Вспомните камертон, с помощью которого настраивают музыкальные инструменты. Камертон — это мера частоты колебаний (то есть числа колебаний в секунду). Если ударить по камертону, его ножки начнут колебаться с определённой частотой. Эти колебания передадутся воздуху, и будет слышен звук.

Собственная частота камертона зависит от его размеров. Чем больше камертон, тем медленнее он колеблется и тем ниже издаваемый им звук.

За единицу частоты принимают герц (по имени известного немецкого физика Генриха Герца). Герц — это одно колебание в секунду.

До 1935 года основным тоном музыкальной настройки («ля») была частота 435 герц. Но специальное обследование показало, что большинство музыкантов предпочитают несколько более высокую частоту. Поэтому в 1935 году в нашей стране был узаконен новый тон «ля» — 440 герц. Несколько лет спустя этот музыкальный строй был принят и в других странах.

А что произойдёт, если частота камертона, по которому настраивается, скажем, рояль, несколько изменится?

Если такой рояль будет играть в оркестре, то его звучание окажется не согласованным с настройкой других инструментов.

Отсюда видно, что камертоны, как и другие рабочие меры, нуждаются в поверке. Их поверяют по эталонам частоты, о которых упоминалось в прошлом разделе.

Музыка — не единственная и далеко не самая главная область, где требуется измерять частоту колебаний. Вращая ручку настройки радиоприёмника, мы слышим десятки радиостанций. Каждая из них работает на своей волне — излучает в пространство электромагнитные колебания определенной частоты. Если частота какой-нибудь радиостанции установлена неточно или изменяется со временем, то такая станция будет мешать своим «соседям», работающим на близких частотах. Поэтому контроль радиочастот имеет первостепенное значение.

Впрочем, нет такой области, где измерения не играли бы важнейшую роль. В этом вы ещё раз убедитесь, прочитав следующий раздел, посвящённый измерениям температуры.

ПРИ КАКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ КИПИТ ВОДА?

Как известно, степень нагретости вещества характеризуется особой величиной — температурой.

С изменением температуры меняются многие свойства тел. При определённых температурах вещества переходят из твёрдого состояния в жидкое, из жидкого в газообразное и т. д. При повышении температуры большинство тел расширяется. Если наглухо закупорить какой-нибудь сосуд и начать его нагревать, то воздух, стремясь расшириться и не находя выхода, будет всё сильнее давить на стенки сосуда.

Таким образом, по изменению свойств тела можно судить о его температуре.

Но прежде нужно условиться, от какой точки и каким образом вести отсчёт температур. Ещё в XVI веке было замечено, что вода замерзает и кипит при совершенно определённых температурах. Но как обозначить эти температуры — вопрос весьма условный. Не удивительно, что долгое время разные учёные обозначали их по-разному.

Шведский учёный Андерс Цельсий (1701–1744 гг.) температуру кипения воды пометил нулём, а температуру замерзания — числом 100. Лишь впоследствии эти обозначения поменяли местами. Немецкий физик Габриель Даниель Фаренгейт (1686–1736 гг.) предложил считать, что вода кипит при температуре 212 градусов, а замерзает при тридцати двух. Нулём же он обозначил точку плавления смеси поваренной соли, нашатыря и льда. Наконец, Исаак Ньютон предложил такую температурную шкалу, в которой точка кипения воды оказалась между 33 и 34 градусами. Существовали и другие шкалы.

В шкале Цельсия промежуток между температурами замерзания и кипения воды разделён на 100 частей — градусов, в шкале Фаренгейта — на 180 градусов, а в шкале французского учёного Рене Антуана Реомюра (1683–1757 гг.) — на 80. Во избежание путаницы после числа, означающего температуру, и знака ° (градус) стали ставить букву, показывающую, о какой шкале идёт речь. Буква Ц означает Цельсия, Ф — Фаренгейта и Р — Реомюра.