• статья
    1
  • комментарий
    1
  • просмотра
    7 343

Записи этого блога

Михаил 22

     

«Всё познается в сравнении.» Тезис этот известен, пожалуй, каждому. В свою очередь можно сказать, что сравнение в любой области знаний изначально, уже по природе своей базируется на измерениях. «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.

 Возникновение метрологии восходит к самым древним временам. С помощью примитивного деревянного или костяного «метра» измерял шкуры при раскрое первобытный портной, пользовался собственноручно изготовленным шаблоном плотник, а строитель даже самого примитивного, сложенного из костей шалаша не мог обойтись без грубого шнура с завязанными через определенные промежутки узлами. Определение числа, силы, веса и объема различных предметов и материалов стало необходимым еще раньше, уже во времена собирательства и первых попытках меновой торговли.

Эволюция общества и сопутствующее ей развитие ремесел, а следом и науки значительно расширили перечень подлежащих измерению величин. Пропорционально ужесточились и требования к точности. Так, строительные работы по возведению жилья и сооружений потребовали точного определения длин, площадей и углов, в том числе и телесных, а проводить астрономические наблюдения без надлежащего инструментального обеспечения оказалось и вовсе невозможным.

СИ и МВИ: ЧТО ВАЖНЕЕ

В отсутствие более или менее развитого производства и, как следствие, за неимением точных СИ выходить из положения пришлось по большей части за счет хитроумных методик выполнения измерений. Так, за два с лишним века до н.э. Эратосфен Александрийский с поразительной точностью определил длину земного меридиана, исходя из которой без труда нашел и диаметр земного шара. Одна из первых МВИ оказалась на удивление простой и потребовала использования лишь одного средства измерения: солнечных часов- скафиса, в отличие от обычных плоских имеющих сферическую шкалу. Считая расстояние от Земли до Солнца настолько большим, что испускаемые им лучи можно было принять условно параллельными, Эратосфен определил при помощи скафиса угол стояния светила над горизонтом ровно в полдень в одной точке земного шара, а потом произвел аналогичные замеры и в другом городе. Зная кратчайшее расстояние между ними и руководствуясь уже известными положениями геометрии Евклида, определить угловую долю дуги меридиана не составило труда, а уж отсюда была высчитана и длина окружности, и ее диаметр. В итоге погрешность, даже при условии использования столь примитивного СИ, оказалось немногим более 1(!) процента.

Еще один пример красивого решения МВИ относится ко временам появления огнестрельного оружия и началу исследований в области баллистики- середине 16 века. Измерение скорости быстродвижущихся предметов в те годы представляло собой практически неразрешимую задачу. Попытки определить искомую величину по времени пролета пули между двумя щитами при известной дистанции между ними успехом не увенчались по очевидной причине: не было еще столь точных хронометров, да и несовершенное механическое спусковое устройство на больших расстояниях (а уменьшать их было также нельзя вследствие снижения точности!)давало абсолютно неприемлемую погрешность. Тем не менее, почти полвека усилия исследователей были сосредоточены именно в направлении совершенствования этого устройства. Предлагалось многие варианты, вплоть до оптических и гидравлических механизмов, но-увы!- низкий уровень развития телемеханики того времени обрекал на неудачу любые попытки.

Тем не менее, решение все же было найдено и, более того, оказалось до крайности простым и эффективным. Барабан определенного- и довольно значительного!- диаметра раскручивался с определенной угловой скоростью. Величина ее достаточно точно высчитывалась по времени сматывания нескольких витков шнура со шкива известного радиуса, жестко закрепленного на валу барабана, причем именно этим шнуром барабан и приводился во вращение. Измеряемый период времени, таким образом, оказался растянут более чем на два порядка- по тем временам, принимая во внимание фактическую погрешность хронометрирования это был просто бесценный подарок! Выстрел производился в упор по направлению к центру барабана, а угловое смещение выходного отверстия относительно входного при известном диаметре и угловой скорости служило базовой величиной для определения нужного параметра, при этом фактическая точность не просто достигла необходимого по тем временам уровня, но и превысила ее почти в 2 раза. Этот простой и точный способ служил исследователям несколько сотен лет и уступил свои позиции лишь с появлением принципиально новых высокоточных МВИ, основанных на применении лазерной и оптоэлектронной аппаратуры.

Известны, впрочем, и другие подходы, когда задача решалась «в лоб», и аномально низкую точность изготовления СИ компенсировали его столь же аномальными размерами. Так, уже много позже известный астроном и государственный деятель Улугбек Мухаммет Торгай построил гигантский секстант, радиус шкалы которого составил ни много ни мало 40,2 метра! Отсюда и высочайшая точность этого прибора, ведь длина дуги, соответствующая 1°, равнялась 700 мм, а угла в 1 минуту- 12 мм. Для проведения наблюдений потребовалось выстроить дуговую лестницу, по которой и перемещался исследователь. Впрочем, усилия и затраты на постройку супер- секстанта даром не пропали, ибо полученные с его помощью результаты не были превзойдены на протяжении почти 300 лет!

ОТ ЧАСТНОГО К ОБЩЕМУ

Совершенствовались старые и возникали принципиально новые методики и СИ, появились и стали применяться в этой области математические методы, но основы остались теми же. Зато, еще на заре цивилизации, был сделан чрезвычайно важный шаг, без которого развитие метрологии, как впрочем и собственно технический прогресс стали бы невозможны в принципе: появились первые систематизированные единицы измерения.

Как правило, они «привязывались» к предметам, хорошо знакомым каждому, в частности, средним биометрическим данным человека. Так, со времен древнего Рима были известны меры длины «палец», «ладонь», «ступня», «локоть», а еще совсем недавно на Руси расстояние, как и длина определялись в саженях и аршинах. Интересно, что выражение «мерить на свой аршин» в те времена понималось буквально. Именно так- от плеча до кончиков пальцев- и отмерял продавец кусок ткани, отрезок веревки или длину доски. Понятно, что при устоявшихся на рынке средних ценах размер прибыли не в последнюю очередь зависел от антропометрических показателей конкретного торговца!

Однако эта система в России, как впрочем и в Европе, продержалась относительно недолго- начиная уже с XVI века по всей стране постепенно вводятся единые и не зависящие от индивидуальных данных мерах. Спустя некоторое время, в начале 1700 годов появляются и первые прообразы эталонов. Одним из таких образцов, а возможно и первым в России, послужили весы, использовавшиеся таможней С.-Петербурга. Их и решено было установить в Сенате, использовав затем для поверки.Сюда же в качестве образца аршина, полуаршина и сажени попала линейка Петра I, а чуть позже перечень эталонов пополнился четвериком, принадлежавшим ранее Московской таможне и служившим для измерения объема круп, муки, пороха и других сыпучих сред. Поверку же мер для жидкостей некоторое время спустя стали производить посредством ведра, служившего ранее по прямому назначению в одном из московских питейных заведений.

Следующим шагом в этом направлении стало образование в 1736 году Комиссии мер и весов, в результате деятельности которой был разработан и принят первый проект, касающийся системы организации поверок. В нем особой статьей было выделено условие перехода на десятичную систему мер- по образу и подобию уже сложившейся к тому времени системы денежных знаков. Были установлены и единые значения объемов- ведра и четверика, равные соответственно 136,297 и 286,421 кубических вершков. Таким образом, определялась и взаимосвязь между единицами длины и объема, а попутно и площади. Результатом деятельности Комиссии был регламент, предписывающий иметь «во всем Российском государстве аршины». Были узаконены также и дробные меры: четверики, осьмины и полуосьмины.

Впоследствии законодательная деятельность была продолжена в 1797 году Указом «Об учреждении повсеместно в Российской империи верных весов, питейных и хлебных мер». Реализация положений этого документа была весьма трудоемкой и заняла почти 40 лет, но в результате этой работы были раз и навсегда упорядочены требования к различным типам СИ, предназначенным для определения веса, а также определены окончательно точные меры объема-как для жидкостей, так и для сыпучих тел.

МЕРЫ БЕЗ ГРАНИЦ

Спустя еще 10 лет были изготовлены уточненные эталоны аршина, приведенные в соответствие с английскими мерами- футами и дюймами. Была скорректирована и сажень, приравненная теперь к 7 футам. Местом хранения изготовленных из меди, хрусталя и дерева эталонов было избрано Министерство внутренних дел. Окончательно же единый аршин в 16 вершков или 71,12 см был введен в действие лишь в 1810 году

Так, по мере развития и взаимоинтеграции обществ и социума развивались и адаптировались друг к другу единицы измерения. Оставался один шаг к появлению международного, универсального «языка» метрологи и техники- стандартизованных систем. Начало им было положено еще в 17 веке созданием во Франции единого эталона метра, а много позже, в 1832 году, продолжено разработкой К. Гауссом абсолютизированных систем измерительных единиц, быстро получивших применение во всем цивилизованном мире, в том числе и в России. Но еще раньше, в 1868 году, произошло еще одно весьма значительное событие в отечественной метрологии- были изданы «Сравнительные таблицы десятичных и русских мер», немало сделавшие для ее популяризации. Сторонником этой системы был и Д.И. Менделеев.

Стоит заметить, что знаменитый ученый, прославившийся созданием периодической системы элементов был и весьма крупной фигурой в метрологии. Почти 14 лет руководя Палатой мер и весов, он помимо административной занимался и научной, и практической деятельностью. Так, известны созданные им МВИ и средства измерения, предназначенные для выполнения точных взвешиваний и особо необходимые тогда в области аналитической химии. Многие из них не претерпели серьезных изменений и применяются в процессе лабораторных исследований до сих пор.

В 1970 году Петербургская академия наук вышла с инициативой создания международной комиссии по введению в действие метрической системы уже на межгосударственном уровне. В этом же году по результатам работы комиссии, проходившей в Париже, метрическая система начала использоваться в обязательном порядке всеми изданиями Главной физической обсерватории- ведущей на то время в России.

Эпохальным достижением стало подписание в 1875 году международной Метрической конвенции, законодатедьно закрепившей применение метрической системы в качестве единой международной. “Если вы можете измерить то, о чем говорите, и выразить это в цифрах, значит, вы что-то об этом предмете знаете...»,- уже такая фраза, высказанная лордом Кельвиным, определяет значение, придававшееся тогда этому событию. Характерно, что немалое участие в подготовке конвенции приняли известные русские метрологи Б.С.Якоби, А.Я. Купфер и другие.

Следующим крупным событием в деле укрепления метрической системы стало «Положение о мерах и весах», принятое в 1916 году. В нем было сказано прямо и однозначно: «В Российской империи применяются меры русские и международные метрические». Окончательная точка в этом вопросе была поставлена уже при новой власти, в начале 1918 года. Тогда СНК РСФСР признал международную метрическую систему единственной и обязательной к применению на всей территории республики.

ТРУДНЫЕ ПУТИ СОВРЕМЕННОЙ МЕТРОЛОГИИ

Если представить развитие научно- технического потенциала человечества в виде графической зависимости его уровня от времени, мы получим кривую, которая вначале, от момента зарождения цивилизации, будет «стелиться» по оси тысячелетий вплоть до периода мезолита и лишь в последней четверти его, где- то между 4 и 5 тысячелетием до н.э. оторвется от нулевого уровня и слегка пойдет вверх. На этот период приходится и возведение первых построек, и начало серьезных ремесел, и первый опыт судостроения и мореплавания. Здесь же следует искать и начала метрологии, развитие которой во все времена точно соответствовало техническому прогрессу.

Заметный и плавный подъем нашей кривой продолжится и далее, в эпоху неолита и вплоть до нашей эры, ибо технические достижения первых цивилизаций Египта, Китая, Греции и Рима на предшествующем фоне варварства выглядят действительно впечатляющими. Зато далее, уже в нашей эре зависимость будет выглядеть почти горизонтальной прямой вплоть до изобретения пороха и появления огнестрельного оружия, но после этого, пусть и значительного скачка продолжится столь же плавное и постепенное развитие техники.

Но ни один из перечисленных подъемов несравним с тем бумом, который переживает наука и техника в настоящее время. Период индустриализации, начавшийся всего два века назад, опередил по своей интенсивности, а, главное, по качественной составляющей, все предыдущие этапы. Вполне естественно, что равнозначные изменения претерпевает и метрология. Появляются принципиально новые отрасли, на порядки более высокие требования к точности измерений, производительности, а вместе с ними принципиально иные МВИ и средства измерения. Даже эталоны весьма конкретных и понятных физических величин зачастую меняются до неузнаваемости. Так, Государственный первичный эталон единицы длины выглядит сегодня не как физическое тело- стержень, а построен на базе стабилизированного источника излучения фиксированной длины- йодном лазере и имеет в своем составе, помимо него, еще сложнейший комплекс оборудования!

В XXI ВЕК И ДАЛЕЕ

Принципиально иные сферы применения измерительных технологий определяют и адекватные им методики. Так, сегодня прочно заняли собственную нишу МВИ, предназначенные для т.н. интеллектуальных измерений (выполняемых, например, в ходе исследования сложных биологических объектов), а также статистические, мягкие и другие абсолютно не похожие на прежние технологии, являющие собой концепции, зачастую противоположные классическим. Например, с появлением кибернетики и началом массового применения вычислительной техники в метрологии оформилось и совершенно обособленное направление- ИИС, или Измерительные Информационные Системы. Без них не обойтись сегодня в метеорологии, глобальных экологических исследованиях, генной инженерии, нейрохирургии, астрономии и еще многих и многих областях знания- с собственными, весьма специфичными технологиями.

Возвращаясь к нашей графической зависимости можно увидеть, что развитие техники, а вместе с ней увеличение сложности и объема необходимых измерений, нарастание перечня МВИ и СИ, а также качественные трансформации в этой сфере проходят сегодня даже не в логарифмической, а, скорее, в экспоненциальной зависимости. По мере появления различных глобальных систем, нуждающихся в детальном метрологическом обеспечении- от социальных до производственных и экологических, пропорционально увеличивается и сложность работы, и степень ответственности метрологов. На первое место по значимости выходят уже не технологические аспекты (в части МВИ и СИ пока имеется солидный задел на будущее), а принципы регулирования и законодательные основы метрологической деятельности в целом. Единичные недоработки нарастают здесь с быстротой, подобной эффекту «снежного кома».

Так, в последние годы существования СССР сложилась катастрофическая ситуация, связанная с обилием ГОСТов, СниПов, ТУ, и других узкоспециальных нормативов, зачастую физически невыполнимых, а то и законодательно противоречащих друг другу. Ситуация усугублялась и общим развалом государственности и экономики страны. Тем не менее, хоть и с некоторым опозданием, выход из тупиковой ситуации был найден на законодательном уровне- принятием в 1993 году общеизвестного теперь ФЗ «Об обеспечении единства измерений». И хотя для общего урегулирования ситуации потребовались еще многие законодательные дополнении, общие принципы построения и функционирования метрологии, как системной структуры нового государства были этим законом определены.

На сегодняшний день имеют место и многие другие позитивные качественные изменения. Например, в соответствии с ФЗ «О техническом регулировании», принятом в 2003 году на смену громоздким и запутанным ГОСТам постепенно приходят более лаконичные и удобные технические регламенты, и этот факт уже сам по себе означает новый этап практической метрологии. В условиях высокотехнологичного и гибкого современного производства именно такая форма нормативного регулирования способна обеспечить действительное соответствие качества продукции установленным требованиям, путем фактического, а не номинального осуществления адекватного метрологического контроля на всех стадиях разработки и изготовления изделия, либо оказания услуги. Особенно позитивно новое положение должно отразиться на тех предприятиях, основной цикл которых связан со сложными опытно- конструкторскими работами и научно- производственной деятельностью. Таким образом, процесс перехода на прогрессивную нормативно- законодательную базу запущен, успешно развивается и теперь остается надеяться, что метрологическое обеспечение нового поколения будет четко соответствовать требованиям современного производства.