Занимательная химия для детей и взрослых - Илья Леенсон

Положением Государственного совета Российской империи 8 июня 1863 г. в Петербурге было учреждено Депо образцовых мер и весов с целью «сохранения в государстве единообразия, верности и взаимного соответствия мер и весов». К обязанностям депо относилось: хранение основных образцов (прототипов) единиц веса и меры, принятых в России, а также копий образцов иностранных единиц веса и меры; изготовление точных копий с основных образцов для разных областей и губерний и их периодическая проверка; испытание и выверка различных измерительных приборов; составление сравнительных таблиц русских и иностранных мер и установление наибольших погрешностей, допускаемых в образцовых мерах.

В 1892 г. министр финансов С. Ю. Витте предложил Д. И. Менделееву занять пост ученого хранителя мер и весов в депо. Менделеев принял предложение и энергично взялся за новое для него дело. Вскоре депо было преобразовано в Главную палату мер и весов; Менделеев оставался ее управляющим в течение последних 15 лет своей жизни. За эти годы им были выполнены важные исследования в области метрологии – науки, задачей которой являются создание эталонов физических единиц и разработка методик точных измерений. Под руководством Менделеева были изготовлены российские эталоны метра, литра, килограмма, а также старых мер – фунта, аршина и др. Целью Менделеева был переход страны на метрическую систему мер, что было осуществлено лишь в 1918 г.

Для проведения в палате точных измерений ускорения свободного падения на широте Петербурга необходимо было с высокой точностью измерить период колебаний маятника известной длины. Длина маятника l, ускорение силы тяжести g и период колебаний Т связаны соотношением Т = 2π √ l/g. Это соотношение точно выполняется для идеального (математического) маятника, у которого размах колебаний небольшой, нить можно считать невесомой, груз – точечным, а сопротивлением воздуха можно пренебречь. Чтобы реальный маятник был близок к идеальному, он должен быть изготовлен из тяжелого материала и подвешен на длинной тонкой нити. Так, знаменитый маятник, который французский физик Жан Бернар Леон Фуко (1819–1868) подвесил в 1851 г. под куполом огромного зала парижского пантеона, представлял собой латунный шар массой 28 кг, а проволока, на которой он висел, имела длину 67 м. Многочисленные зрители видели, что при раскачивании маятника он совершал медленные (с периодом около 17 секунд) колебания. Удивительно было то, что плоскость его колебаний сама собой менялась со временем: при каждом новом размахе острие на шаре прочерчивало на песке, насыпанном под маятником, новую полоску.

Еще более впечатляющим по размерам был маятник, установленный в марте 1931 г. в Ленинграде в здании Исаакиевского собора, где в то время находился Государственный антирелигиозный музей. Когда вблизи крайней точки размаха маятника ставили сбоку спичечный коробок, маятник уже после нескольких качаний сбивал его. Так наглядно демонстрировалось вращение Земли: пол с коробком поворачивался вместе с земным шаром, а плоскость колебания маятника оставалась постоянной. Легко рассчитать, что если бы маятник был на полюсе, то при размахе его колебаний 12 м крайняя точка размаха за сутки описала бы окружность длиной примерно 36 м; при этом ее смещение за 1 час составляло бы 36/24 = 1,5 м, а за минуту – 150/60 = 2,5 см. Так что коробок, поставленный даже в 10 см от острия в его крайней точке, был бы сбит уже через 4 минуты. Петербург значительно ближе к полюсу, чем Париж (они расположены на широте 60 и 49 градусов соответственно), а маятник был длиннее, чем у Фуко, поэтому кажущееся «отклонение» плоскости колебаний маятника в Исаакиевском соборе проявлялось более отчетливо.

Менделеев решил в качестве груза для маятника использовать золото – металл с очень высокой плотностью (19,3 г/см3). По заказу Менделеева был изготовлен массивный полированный (для уменьшения сопротивления воздуха) золотой шар. При массе 2 пуда (32 кг) его радиус был равен всего 7,3 см. Поскольку в здании палаты не было высоких залов, Менделеев, чтобы удлинить нить подвеса, приказал пробить перекрытия на нескольких этажах да еще выкопать яму в подвале. Если с помощью секундомера определить время 100 колебаний такого маятника с точностью 0,2 с, то время одного колебания будет определено с точностью 0,002 с, и если одно колебание (при длине подвеса 10 м) длится около 6 с, то точность определения периода составит 0,002/6 или 0,033 %. С такой же точностью (около 3 мм) можно измерить и длину нити, и тогда можно с высокой точностью измерить ускорение силы тяжести g в данной географической точке.

Сильно ли меняется g в разных точках земного шара? Максимальное значение (9,83 м/с2) – на полюсах, минимальное (9,78 м/с2) – на экваторе. Однако даже в одной точке значение g может немного изменяться со временем. Это связано с различными процессами, происходящими в недрах земного шара. Изменения настолько малы, что для их надежного определения необходима очень чувствительная аппаратура – маятником Фуко или Менделеева тут не обойтись. Приборы с необходимой точностью (они называются баллистическими лазерными гравиметрами) появились в 70-х гг. ХХ в., и они вызвали настоящую революцию в гравиметрии – науке о земном поле силы тяжести. Так, с их помощью было установлено, что в 1977 г. на станции Лёдово под Москвой g было равно 9,81551345 м/с2 (точность – десятимиллионная доля процента!). С 1975 г. сотрудники Института физики Земли имени О. Ю. Шмидта Российской академии наук вели точные измерения ускорения силы тяжести в трех точках земного шара – в Потсдаме (Германия), под Москвой и в Новосибирске, т. е. вдоль линии протяженностью 5000 км на значительной части Евразии. Оказалось, что в течение трех лет сила тяжести монотонно снижалась во всех трех пунктах со скоростью примерно 0,0000001 м/с2 в год или 10 мкгал/год (микрогал – миллионная часть внесистемной единицы гала, названной в честь Галилео Галилея; 1 гал = 1 см/с2). Какими конкретно процессами в земных глубинах вызваны эти изменения, еще предстоит выяснить.

В этой связи интересная дискуссия произошла много лет назад во время популярной телепередачи «Что? Где? Когда?» В качестве одного из вопросов «знатокам» был предложен такой: почему караваны верблюдов в пустыне идут к пункту назначения не по прямой, а по извилистому пути? Ответ был дан довольно правдоподобный: верблюды идут по старинным маршрутам, по которым когда-то двигались караваны от одного колодца к другому. Однако ведущий этот ответ не принял и зачитал «правильный» ответ, присланный телезрителем (тот взял его из газетной заметки): верблюды якобы выбирают путь, проходящий через точки земной поверхности с минимальным ускорением силы тяжести ( g ); на таком пути груз давит на верблюда с наименьшей силой и идти ему легче. Абсурдность этого утверждения ясна из того, что возможные отклонения в силе тяжести должны быть ничтожны; так, даже в отдаленных на 650 км Москве и Петербурге g = 9,8156 и 9,8192 м/с2 соответственно. Что уже говорить о нескольких десятках или сотнях метров, на которые может отойти верблюд для выбора наиболее «легкого пути»! Даже муха, севшая на спину верблюда, вероятно, оказала бы на него большее воздействие!

Впоследствии удалось выяснить, что первоисточник этой «задачи», на которую клюнули легковерные журналисты из газеты, – шуточная публикация в журнале «Природа» (1971, № 11), автор которой, геолог Х. Г. Соколин, даже не пытался ввести читателей в заблуждение и предпослал своей статье подзаголовок «Пародия». Желающие повеселиться, могут разыскать этот журнал в библиотеке и прочитать замечательную пародию на наукообразные статьи.