17 Июль 2016

 

«А таковы есми меры послал во все города ровны».
Грамота Ивана IV, датированная 21 декабря 1550 г.

 

Из-за высоких темпов экономических, политических и организационных преобразований в нашей стране в течение последних 20 лет ряд вопросов, связанных с подготовкой инженерных кадров, оказался «забытым». Одним из таких вопросов, по нашему мнению, является понятие о системных и внесистемных единицах. При подготовке к публикации присланных авторами рукописей одной из наиболее часто встречающихся неточностей как раз и является незнание современных систем измерения, способов перевода величин из устаревших систем в СИ, недопонимание важности применения международной системы измерений, правильности употребления тех или иных терминов и понятий. Этот факт побудил к публикации следующего материала, печатаемого в нашем журнале последовательно в двух номерах.

 

Метрология — это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

 

Метрология является научной основой всей измерительной техники, ее теоретической базой. Нет ни одной области практической деятельности людей, где можно было бы обойтись без общепринятых и понятных всем количественных оценок. Объектами измерений являются свойства объективных реальностей — вещей, тел, явлений, процессов.

 

Метрология развилась как раздел физики и является сейчас основой современного приборостроения, которое обеспечивает ученых, специалистов всех областей деятельности средствами объективной оценки окружающего мира. Без метрологии невозможно развитие ни одной отрасли знаний о мире.

 

Различают метрологию теоретическую, законодательную и прикладную.

 

Непосредственно к процессу познания имеют отношения следующие разделы метрологии.

  1. Физические величины. Метрологические характеристики физических величин — виды единиц, определение, наименование, обозначение, размер единиц, числовое значение. Основные, производные, дополнительные физические величины. Уравнения связи между физическими величинами и их числовыми значениями. Размерность, размерные и безразмерные величины. Безразмерные логарифмические и относительные величины. Системы физических величин. Системные и внесистемные величины. Когерентность. Когерентные и некогерентные физические величины.
  2. Методы и средства измерений. Измерения прямые, косвенные, совокупные, статистические, динамические. Средства измерений — меры, измерительные приборы и измерительные преобразования. Эталоны физических величин. Образцовые средства измерения, образцовые вещества. Виды эталонов. Погрешность и точность измерений.
  3. Стандарты. Вопросы стандартизации, сертификации и надзора за соблюдением стандартов.

 

История метрологии корнями уходит в глубокую древность. Человек начал заниматься измерениями, когда стал строить жилище, пахать землю, изготовлять предметы обихода. В древности за единицу измерения принималось то, что окружало человека, — камень, ячменное зерно, стопа (фут), толщина основания большого пальца руки (дюйм) и т. д. В результате в разных концах земли люди использовали похожие меры, однако одна и та же мера была различной по величине.

 

Древний Египет является первым государством, которое сильно разнящиеся исходные единицы измерения привело к определенной норме. Затем в Вавилоне египетская система мер подверглась видоизменению, была создана шестидесятичная система исчисления, частично дошедшая до наших дней. Именно на ее основе разделили час на 60 минут и минуту на 60 секунд.

 

Древней русской мерой длины было поприще — расстояние, которое пробегает лошадь от отдыха до отдыха. В X—XVI вв. русскими мерами веса были берковец, пуд, большая гривенка и золотник, которые в начале XVIII в. были узаконены несколько в видоизмененном выражении — доля, золотник, лот, фунт, пуд, берковец. В единицах массы одна доля составляла 44,435 мг. Золотник был равен 96 долям, один лот — трем золотникам, один фунт — 32 лотам, один пуд — 40 фунтам, а один берковец — 10 пудам. Мерами жидкостей были шкалик (осьмушка), равный 0,0615 л; чарка равная двум шкаликам, бутылка — 5 чаркам, штоф — двум бутылкам, четверть — 5 бутылкам, ведро — 10 штофам, бочка — 10 ведрам. В настоящее время мы сталкиваемся с неожиданными, неметрическими объемами стеклянной тары — 0,33 л, 0,68 или 3 л, которые являются отзвуками древних мер.

 

Такие системы мер, сложившиеся к XVIII в., были сложны в применении и приводили к трудности понимания. Для примера приведем цитату из диссертации М.В. Ломоносова, написанной в 1749 г.: «Для разрыва медной проволоки, диаметр которой составляет 1/10 дюйма — рейнского фута, разделенного на 12 равных частей, или 1 и 19/120 линии королевского парижского фута, требуется 299 и 1/4 амстердамских фунтов, каковой фунт равен парижскому».

 

Не проще было и в торговле. К примеру, для измерения длины ткани (только ткани) на севере Франции употреблялась мера под названием «он», а на юге — «кон», но под этими двумя названиями в различных местностях одного государства обращалось свыше десятка различных единиц длины для измерения тканей.

 

sm_07_05-100

Грузики. Городецкая культура, 1 тыс. до н. э., глина

 

В России, по мере стирания обособленности отдельных русских княжеств, завершившегося образованием централизованного государства, многочисленные системы мер объединялись в две группы: Псковско-Новгородскую и Московскую; последняя распространялась на Владимир и Чернигов. Но и такое отсутствие единообразия было недопустимо в едином государстве, и Иван IV стал проводить жесткую политику введения общегосударственных мер. В 1556 г. вышел на Руси указ об изготовлении и клеймении гирь, разных мер и о хранении их в таможнях. На уровне потребностей и возможностей того времени эта цель была достигнута.

 

Развитие торговли, межгосударственного обмена требовало упорядочения и узаконивания мер и весов.

 

Наиболее активно борьба за создание единых мер и весов началась в средние века в наиболее развитых европейских странах — в Англии, Франции, Австрии. Но каждая страна решала эти вопросы только в пределах своей территории и с учетом своих национальных особенностей и традиций.

 

Франция играла главную роль в установлении метрической системы мер. В 1789 г. решением Национального собрания Франции была создана специальная комиссия по установлению единых французских мер под председательством П. Лапласа. Но ученые, вошедшие в эту комиссию, решили создать систему мер, предназначенную для всех времен и народов. В основу новой системы была положена единица длины. За единицу длины по предложению Лапласа была взята одна десятимиллионная часть четверти длины Парижского меридиана. Тогда считалось, что размеры Земли неизменны и эта единица могла стать эталоном. Всю длину четверти меридиана ученые замерить не могли, но часть меридиана между Дюнкерком и Барселоной находилась на хорошо обжитой части суши, начальные и конечные точки лежали на одном уровне моря. Остальное можно было определить посредством вычислений. Полученную величину решено было назвать метром от греческого metrov — мера, на ее основе создать единицы площади, вместимости (объема). За единицу массы была принята масса одного кубического сантиметра чистой воды при температуре 4оС, названная граммом; единицей времени стала секунда. Названа система метрической. Впервые была введена десятичная система образования кратных и дольных единиц с помощью приставок кило-, гекто-, дека-, деци-, санти-, милли-, которые существуют до сих пор. Помимо простоты, присущей метрической системе, ее важное достоинство было также в том, что основой ее были неизменные прототипы, взятые из самой природы.

 

В 1791 г. Национальное собрание Франции и французское правительство утверждают проект Метрической системы единиц с основными единицами метром и граммом. А в 1799 г. платиновые эталоны метра и килограмма утверждены декретом Национального собрания Франции и переданы в Национальный архив Франции на хранение.

 

При Британской ассоциации развития наук в 1891 г. создан особый Комитет по эталонам электрического сопротивления, который вскоре стал Комитетом по электрическим эталонам. Комитет сыграл большую роль в разработке, унификации единиц и создании систем единиц физических величин.

 

К концу XVII в. в России также сложилась некая единая общерусская система мер, изготовлялись образцовые «заорленные» меры (с оттиском царского орла), создавались начатки метрологического надзора — ревизия и наложение наказаний за несоблюдение правильности мер; появился ряд книг с описанием действующей системы мер — «Торговая книга», «Книга сошного письма», «Роспись полевой меры», «Арифметика» Л.Ф. Магницкого. Все это составляло серьезную базу для выработки и узаконивания единой системы мер.

 

В конце 1736 г. Сенат образовал комиссию весов и мер, в которую вошли авторитетные и известные ученые того времени — Л. Эйлер, А.К. Нартов и др. Перед комиссией стояли следующие задачи: создать образцовые меры, определить отношение различных мер друг к другу, разработать проект организации поверочного дела. Все эти задачи были поставлены для осуществления главной цели — найти твердые основания, созданные природой, для установления основных единиц, через которые выражались бы все остальные. Предполагалось также перейти на десятичный принцип деления единиц системы. Десятичный принцип образования единиц в России существовал в денежной системе.

 

Сажень, основную меру длины в России, было задумано привести к градусной мере земного шара, то есть сделать то, что позднее было сделано для установления размера метра. Эту работу должна была сделать Академия наук, но она ее не сделала.

 

Просуществовала комиссия до 1742 г., деятельность ее завершилась представлением в Сенат «Регламента, или инструкции, по которой имеет поступь в смотрении в Российском государстве над весами и мерами», который так и не был принят.

 

И только почти через сто лет после создания комиссии был обнародован «Указ Сенату о системе российских мер и весов» от 11 октября 1835 г. Появлению этого Указа предшествовала работа нескольких комиссий, последняя из которых именовалась «Комиссия для приведения в единообразие российских мер и веса» и которая продолжила свою работу и после принятия Указа в 1835 г. Ею были созданы нормальные меры — эталоны, был установлен принцип организации поверочного дела в России. Деятельность комиссии завершилась после принятия «Положения о мерах и весах 1842 г.», все ее материалы, включая нормальные меры, передали в первое метрологическое учреждение России — Депо образцовых мер и весов.

 

sm_07_05-101 sm_07_05-102

Гирьки, коромысло, чашки весов. Городище Спруты, Тульская обл., X в.

 

 
Гиря для безмена. Россия, XVII в., железо, свинец, литье Шагомер подвесной. Аугсбург, конец XVII в., латунь, золочение

 

Узаконенная таким образом русская система мер и весов была увязана с английской. Указ 1835 г. гласил: «Основанием российской линейной меры оставить навсегда сажень в 7 настоящих английских футов с разделением на 3 аршина, каждый в 28 дюймов, или 16 вершков».

Наблюдение за поддержанием единообразия мер и весов в пределах Российской империи осуществляло Министерство внутренних дел, а Депо образцовых мер и весов хранило образцовые меры. Поверка мер и весов была вменена в обязанность казенным палатам, городским думам и управам, которые пользовались копиями образцовых мер, поверенных в Депо.

Метрология этого периода носила в основном описательный характер. Завершился этот этап развития метрологии капитальным трудом Ф.И. Петрушевского «Общая метрология» (1849 г.), который был удостоен Демидовской премии от императорской Академии наук.

Для русских ученых того времени характерно глубокое понимание места метрологии в науке и в жизни. Передовые ученые видели необходимость распространения метрической системы мер как основы развития торговых, научных, экономических связей между странами. Совместно с учеными других стран петербургские академики О.В. Струве, Б.С. Якоби и Г.И. Вильд разработали метрическую конвенцию, подписанную в Париже в 1875 г. семнадцатью государствами мира, которая стала основой международного научного сотрудничества.

sm_07_05-104
«Считание удобное». Москва, 1682 г. Первая русская книга по математике, приведенные в ней таблицы умножения предназначались для облегчения торговых сделок

 

На основе метрической конвенции был учрежден Международный комитет мер, весов и монет (МКМВ) и при нем создано Международное бюро мер и весов (МБМВ). МБМВ, которое и в настоящее время находится в Севре близ Парижа, занимается созданием и хранением международных эталонов физических величин, определением и согласованием значений фундаментальных физических констант. МКМВ на ежегодных заседаниях рассматривает вопросы, связанные с определениями и размерами единиц физических величин, а генеральные конференции по мерам и весам (ГКМВ), которые должны собираться не реже одного раза в шесть лет, законодательно их принимать.

 

Несмотря на подписание Россией в 1875 г. метрической конвенции и принятия тем самым метрической системы под покровительство государства, внедрение ее было длительным процессом. Значительную роль в развитии метрологии и введении на территории России метрической системы сыграл выдающийся ученый Д.И. Менделеев. Труды Д.И. Менделеева в годы работы в Депо образцовых мер и весов (1892—1918 гг.) подготовили страну к этому переходу технически и идеологически. В 1899 г. Д.И. Менделеев добился правительственного разрешения на факультативное применение метрической системы мер в России, горячим сторонником и пропагандистом которой он являлся.

 

В 1893 г. Д.И. Менделеев преобразовал Депо образцовых мер и весов в Главную палату мер и весов, которая стала одним из первых в мире научно-исследовательских учреждений метрологического профиля.

 

В Англии лишь в 1900 г. было создано метрологическое отделение Национальной физической лаборатории, в США в 1901 г. — Национальное бюро эталонов.

 

Таким образом, история развития метрологии, влияние национальных особенностей и приоритетов, потребности развития науки и техники привели в конечном итоге к существованию большого количества видов систем единиц, различающихся между собой как числом основных единиц, так и принципами заданной системы.

 

О развитии современных систем единиц, о создании и практике применения международной системы единиц (СИ) читайте в следующем номере журнала.

 

Полезная литература

  1. Калинина В.Н. Аршин, ярд и другие меры. Калининград: Янтарная сказка. 1999. 64 с.
  2. Азимов А. Мир измерений. От локтей и ярдов к эргам и квантам. М.: Центрполиграф. 2003. 219 с.
  3. Имени Менделеева. Очерк о НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» / Под ред. д-ра техн. наук Ю.В. Тарбеева. М.: Изд-во стандартов. 1984. 184 с.

 

Статья взята из журнала «Строительные материалы»