УДК 006.91

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МЕТРОЛОГИИ. ОТ НАРТОВА К МЕНДЕЛЕЕВУ

 

HISTORY OF DEVELOPMENT OF METROLOGY. FROM NARTOV TO MENDELEYEV

 

Соколова В.А.,  Кретинин В.И.,  Войнаш С.А.,  Черных Л.Г., Марков В.А.

(С-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова, г. Санкт-Петербург, РФ)

sergey_voi@mail.ru

 

Sokolovа V.A.,  Kretinin V.I.,  Voinash S.A. Chernykh L.G., Markov  V.А. (St. Petersburg State Forestry University named after SM Kirov, St. Petersburg, RF)

 

Статья посвящена историографическому анализу публикаций документов и материалов по данной теме.

В работе дана развернутая  характеристика работ в области метрологии дореволюционных, российских исследователей А.К.Нартова и Д.И.Менделеева

 

Article is devoted to the historiographic analysis of publications of documents and materials on this subject.

In work the developed characteristic of works in the field of metrology of pre-revolutionary, Russian researchers A. K. Nartov and D. I. Mendeleyev.

 

Ключевые слова: эталон, измерение, прибор

Keywords: benchmark, measure, device

 

«Измерение есть сравнение», именно так звучит одна из трех основных аксиом метрологии. В самом деле, представление о любом предмете, явлении и т.п. начинается с оценки его по определенным параметрам. Именно этим и занимается наука метрология, что позволяет рассматривать её в качестве одной из основ любого знания.

Общепринятое определение метрологии определено ГОСТом. «Метрология – наука об измерениях», но на основании изучения множества литературных источников, описывающих метрологию, у нас сложилось  собственное определение этой фундаментальной дисциплины: Метрология есть наука об искусстве измерений.

В данной статье, мы постарались, не только раскрыть заслуги в становлении метрологии таких мэтров науки, как А.К. Нартов и Д.И. Менделеев, не только провести экскурс в область самых интересных и малоизвестных фактов в области их изобретений, но и попытаться показать  метрологию как синтез науки и искусства.

Основой для разработки  данной темы, явилось изучение как изданного личного архива Д.И. Менделеева, так и литературы основных авторов, работавших в сфере истории метрологии.

Итак, Россия 18-го века. Время гениальных поэтов и великих ученых. Среди последних  имя Андрея Константиновича Нартова по праву занимает одно из главенствующих мест. Родившийся в 1693 году, выходец из  семьи ремесленников, в последствии  он оставит неизгладимый след, как в области станкостроения, так и в области Российской метрологии.  Имя невероятно одарённого механика и изобретателя, талант и мастерство которого будут отмечены Петром I, чаще всего ассоциируется с созданием оригинальных станков различных конструкций, а ведь его заслуги перед Россией далеко не исчерпываются этим. О нескольких менее известных занятиях «царёва токаря» сегодня и поговорим.

Развитие международного сотрудничества в области науки, техники и торговли потребовало увязки национальных единиц измерения, принимаемых в разных странах. По указу Петра I прототипы русских мер длины были согласованы с английскими. Для облегчения вычислений были изданы таблицы мер и соотношений между русскими и иностранными мерами. Начинают работу первые  метрологические центры. Коммерц-коллегия занялась вопросами единства мер в области торговли. Адмиралтейств-коллегия заботилась о правильном применении угломерных приборов, компасов и соответствующих мер. Берг-коллегия работала над  измерительным хозяйством горных заводов, рудников и монетных дворов.

Правительство уделяло внимание так же и  методике выполнения измерений в торговле, промышленности и в других областях. Но в 1725 году, внеся огромный вклад в развитие России, Петр умирает.

Сразу после его смерти, у Нартова возникают серьёзные проблемы в отношениях с Александром Меншиковым.  Ни  один раз Нартов был свидетелем гнева и расправы царя со "светлейшим" за злоупотребления и воровство, и, видимо, поэтому не мог князь Меншиков забыть это царскому механику. И в  1726 году он был именным указом направлен в Москву «на монетные дворы для переделу монеты двух миллионов». Это была своеобразная месть Меньшикова, но таковы были нравы того времени. Мог ли знать тогда  Александр Данилович, что своим указом  дает толчок к развитию одной из самых  актуальных, и по сей день, наук – отечественной  метрологии.

Московский монетный двор встретил Нартова чрезвычайно запущенным состоянием.  Доклад  директора монетного двора Волкова в полной мере показывает его положение на тот момент: «Непорядка и разорения монетных дворов изобразить никоим образом нельзя.  Нет,  ни форм, во что плавить, ни мехов к кузницам» [4].

Работая на монетном дворе, Нартов обнаруживает вопиющие факты расхождения в весах гирь, применявшихся для взвешивания цветных металлов, в том числе золота. Впервые он поднимает вопрос о создании государственной системы средств измерений.

Центром всех метрологических работ становится его лаборатория. В ней     он собирает для поверочных работ, изучает и сопоставляет весы из Коммерц-коллегии, Монетного двора, петербургской портовой таможни и других учреждений, применявшиеся для важнейших государственных целей.

18 ноября 1737 года Нартов приглашает в Лабораторию механических и инструментальных наук М. Г. Головкина и членов Комиссии и докладывает о результатах поверочных работ, произведенных им с целью выяснения, "не имеют ли те весы каких неисправностей, через которые могут в народе обманы происходить".

Вскоре ему поручают изготовить образцовые меры длины «из меди и крепкого дерева», а также разработать конструкцию образцовых весов. С этим заданием Нартов блестяще справляется в компании светил академической науки, такими как Леонард Эйлер, Георг Вольфганг Крафт.

Нартов устанавливает  неисправность и неточность всех обследованных весов. По поручению Комиссии он исправляет лучшие  из отобранных им весов (рис.1).

статья 3.jpg

Рисунок 1 Весы образцовые, изготовленные, при участии А.К. Нартова и Л.Эйлера, применялись для взвешивания драгоценных металлов. Экспозиция ВНИИМ им. Д. И. Менделеева

 

Его предложения  об изучении всего предшествующего опыта и создании единых общегосударственных эталонов весов и мер были, наконец, осуществлены.

Лично Нартов впервые создал на основе научных исследований первые русские образцовые меры длины и веса. В 1738 году он сообщил, что им закончено изготовление общегосударственных эталонов мер длины: образцовой сажени из дерева с медной оправой и образцового медного аршина.

В том же году Нартов приступил в своей лаборатории к изготовлению образцовых мер для взвешиваний. К  августу 1738 года два эталона веса были готовы - медные пуд и фунт.

Страна получила первые эталоны линейных мер и веса, созданные Нартовым на базе научных исследований, в которых участвовали Эйлер и Крафт (рис.2), и новый научный центр - первую русскую метрологическую лабораторию.

статья 9.JPG

Рисунок 2 Комплект образцовых гирь от золотника до пуда,  ок. 1750 г. Экспозиция ВНИИМ им. Д. И. Менделеева

 

Потребность в профессиональных измерениях приводит к созданию метрологических служб. Первой такой службой в России должна была стать.

Комиссия мер и весов, организованная в 1736 г. Сенатом. Комиссия, в состав которой вошел и Нартов, должна была разработать эталонные меры, определить отношения различных мер между собой, выработать проект Указа по организации в России поверочного дела. Однако необходимые средства не были выделены, поэтому замыслам не суждено было осуществиться. Их реализацию пришлось отложить более чем на 100 лет.

 Величественный замысел создания Академии технических знаний рухнул, несмотря на всю его важность для страны. Среди государственных деятелей петровской эпохи, не нашлось человека, который поддержал бы проект Нартова. Реакционеры, властвовавшие в феодально-крепостнической стране, погубили начинание, равного которому, в области технических наук, не было в старой России за все годы, вплоть до Октября 1917 года. Нартов слишком далеко, почти на два столетия, опередил свое время.

По справедливости, Нартова следует считать основоположником отечественной метрологии. Он провел единую линию от создания своей метрологической лаборатории, к созданному в дальнейшем, на территории Петропавловской крепости в Санкт-Петербурге,  в специально построенном здании, первому метрологическому  учреждению  России – Депо образцовых мер и весов, и преобразованному в   Главную палату мер и весов.

Центр Российской метрологии – Главная палата мер и весов была организована, в 1893 году, стоящим  у ее истоков,  одним из крупнейших ученых 19 века Д.И. Менделеевым.

Уроженец Тобольска, сын директора одной из  Тобольских гимназий, впоследствии он будет, поистине заслужено, согрет лучами российской и европейской научной славы.  Страсть к просвещению  вживалась у Менделеева с огромным трудолюбием, и, как следствие, рождала ценнейшие идеи просвещения и прогресса. Многообразие научных интересов в сочетании с ораторским искусством принесли ему огромную популярность в ученых кругах, которая не иссякает и по сей день.

Впрочем, слово самому Дмитрию Ивановичу: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять: точная наука немыслима без меры, посему, устройство Главной для России Палаты мер и весов, составляет одну из многих государственных потребностей. Я приложу все мои силы к тому, что бы поставить это учреждение на высоту научной современности».

Как великий ученый он понимал роль метрологии для всех областей деятельности государства и науки.

Совершим небольшое путешествие в мир эталонов и эталонных приборов, над которыми работал Менделеев.

С развитием техники требовались новые измерения и новые единицы измерения для стимуляции совершенствования  фундаментальной и прикладной метрологии, и, уже в 1835 году, в России,  был издан указ «О системе Российских мер и весов», в котором были утверждены эталоны длины (платиновая сажень) и массы (платиновый фунт).

«Должно признать именно платину за материал, наиболее подходящий для возобновленной единицы России» - считал Дмитрий Иванович.[1]

http://www.physicsdepartment.ru/blog/images/0167.jpg

Рисунок 3 Эталоны длины и массы. Экспозиция ВНИИМ                      им. Д. И. Менделеева

 

Эталоны метра представляли собой бруски из платино-иридиевого сплава (90 % платины и 10 % иридия) с поперечным сечением в форме буквы Х, вписанной в квадрат со стороной 20 мм (рис.3).

http://e-pasp.ru/sites/default/files/01/pro.jpg

Рисунок 4 – Эталон метра. Общий вид и сечение

Интересно, что с  двух сторон каждого бруска на отполированных участках были нанесены по три штриха на расстоянии 0,5 мм друг от друга. Перпендикулярно к ним вдоль оси бруска нанесены два штриха с расстоянием между ними 0,2 мм. Поверхности, на которые нанесены штрихи, совпадают с нейтральной плоскостью бруска. Х-образная форма оказывает большое сопротивление прогибу, поэтому изменение расстояния между штрихами, расположенными в нейтральной плоскости, при возможном изгибе бруска оказывается минимальным (рис.4). Такое сечение было выигрышным тем, что « собственный вес меры, при большей ее жесткости, мал, несмотря на большой удельный вес материала». Метр был принят равным расстоянию между серединами средних штрихов при температуре тающего льда [2].

Так же вводится новое определение эталона массы - фунта, полученное в результате сличений российского прототипа с международным килограммом.

Первый эталон массы - платиновый фунт 1835 г. – был определен путем сравнения с весом перегнанной воды в безвоздушном пространстве (рис.5).

http://www.2rf.ru/files/image/gallery/201306/545/.jpg2_448_388.jpg

Рисунок 5 – Эталоны массы. Образцовые фунты. Экспозиция ВНИИМ им. Д. И.Менделеева

 

Приступая к работе, Дмитрий Иванович не поскупился на науку, наряду с разработкой эталонов массы и длины, он приобретает измерительные приборы у лучших иностранных фирм («Эртлинг», «Неметц», «Рупрехт», «Рифлер», «Голатц»).

Так, одним из интереснейших приборов, являются весы фирмы «Неметц» (рис.6). Они были изготовлены механиком Иосифом Неметцем, по идее профессора Будапештского политехникума - Круспера. Весы были доставлены в Главную палату мер и весов в 1895 году.

статья четвертая 5.JPG

Рисунок 6 – Эталонные весы фирмы «Неметц». Экспозиция ВНИИМ            им. Д. И. Менделеева

Вот, что писал сам Дмитрий Иванович о новом приобретении: « Весы эти, составляют во многих отношениях новый успех в деле устройства точных весов, так как обладают не только большой чувствительностью и хорошим постоянством, но и допускают при этом взвешивания в безвоздушном пространстве, так как держат пустоту в течение 20 часов» [1].

Так что же представляют собой весы, получившие столь высокую оценку Д.И. Менделеева? Изделие Йозефа Неметца покоится на стальной платформе с тремя ножками, конструкцию покрывает стеклянный колпак. Взвешивание на весах производится по методу Гаусса (двойное взвешивание посредством перестановки взвешиваемого объекта и гирь с одной чашки весов на другую). Весы были снабжены штангами для дистанционного управления. С помощью таких весов Д.И. Менделеев осуществлял точные взвешивания при возобновлении прототипов, проводил эксперименты в газовых средах и вакууме.

По идее Менделеева взвешивание проходило в специально оборудованном для данных целей помещении, изолированном для наблюдателя, с целью получения более точного результата. На потолке, а не на уровне весового коромысла,  была установлена оптическая система, которая позволяла наблюдать изображение шкал, для отсчета колебаний. Это было одним из ряда усовершенствований прибора, с целью уменьшения боковых нагреваний. Весы «Неметца» применялись по назначению вплоть до 1940-х годов.

К числу наиболее известных представителей точной весоизмерительной техники без сомнения можно отнести так же и  весы, приобретенные Менделеевым у Альберта Рупрехта (Albert Rueprecht) в 1895 году (рис.7). По конструкции и роду измерений они были схожи с весами Неметца.

http://museum.vzvt.ru/content/images/istoriya/proizvoditeli-vesov/vesy-alberta-ruprekhta/7.jpg

Рисунок 7 Весы фирмы «Рупрехт»

Взвешивания производились в изолированной от всех других помещений комнате, которая была окружена массивными колоннами и коридорами, отопление производилось только в комнатах, окружающих коридоры, благодаря чему, в помещении, где происходили измерения, была круглогодично одна и та же температура, что позволяло с максимальной точностью производить опыты.

Менделеевым проводились не только создание эталонов длины и массы, но так же эталона единицы времени. В 1903 годах, после переговоров с немецкой фирмой « Клеменс Рифлер», были приобретены часы, для воспроизведения единицы времени-секунды. Часы были изобретены инженером Зигмундом Рифлером, отличались большой точностью и стабильностью хода (рис.8). В них впервые был использован принцип « свободного маятника», и установлены часы  были в здании палаты, в подвальном помещении, на  массивном кирпичном устое, что бы максимально исключить погрешность.

статья 15.JPG

Рисунок 8 Эталонные часы фирмы «Рифлер». Экспозиция ВНИИМ им. Д. И. Менделеева

Прибор имел секундный прерыватель, электрический завод, микроскоп для отсчета амплитуд маятника, сифонный ртутный манометр и термометр. Часы были заключены в герметически закрытый стеклянный футляр, откуда с помощью ручного воздушного насоса выкачивался воздух, что обеспечивало их работу в вакууме. Суточная погрешность составляла 1/100 секунды.

Рассмотрев одни из самых важных практических этапов в становлении современной метрологии, можно смело говорить о неоценимом вкладе в развитие метрологической науки А.К. Нартова и Д.И. Менделеева. Огромное количество трудов, оставленных ими в наследство будущим поколениям, их неустанная практическая деятельность, направленная на организацию пове­рочного дела на подлинно научной основе, наконец, широта и оригинальность взглядов — все это является для нас и сегодня, образцом творческого соединения науки с жизнью, примером великого патриотического служения родной стране.

 

Список использованных источников:

1.Менделеев Д.И. Труды по метрологии / Д. И. Менделеев; Всес. науч.-иссл. ин-т метрологии. Ленинград; Москва: Стандартгиз, 1936 (тип. "Печатный двор"). Переплет, 474 с.

2.Менделеев Д.И. Сочинения.  Л.;М., Т. 22.  Метрологические работы / [Ред. проф. П.М. Тиходеев], 1950. 867 с.

3. Гинак Е.Б. Метрологическая реформа Д. И. Менделеева (конец XIX-начало XX вв.): автореф. дис. на соиск. Учен. Степ. Канд. Ист. Наук: специальность 07.00.10 <История науки и техники> / Гинак Елена Борисовна; [Ин-т истории естествознания и техники им. С. И. Вавилова РАН].  Москва, 2008.

4. Данилевский В.В. Нартов. Москва: Мол. гвардия, 1960. 173 с.