Читать книгу Фізика - Группа авторов - Страница 4

Історія створення приладів для вимірювання різних фізичних величин дуже цікава. З давніх-давен аж до наших днів збереглися певні вирази, які показують старі уявлення та способи вимірювання певних фізичних величин. Наприклад, ми й досі іноді говоримо, що час тече (або «протягом часу»). Річ у тім, що колись час вимірювали водяними годинниками – пригадайте, наприклад, наведений раніше опис досліду Галілея, в якому він застосовував такий годинник.

Але вважають, що одним із перших був сонячний годинник. Він був відомий ще за 2500 років до н.е. в Китаї! Саме з Китаю сонячний годинник був завезений до Європи, де він набув дуже великого поширення. Сонячний годинник складається із шкали-циферблату (як ми сказали б зараз), на яку нанесено штрихи, які відповідають цілим годинам. Проміжки між цими штрихами часто теж поділялися на кілька (5 або 10) частин. У більшості з сонячних годинників були стержні, що відкидали тінь на циферблат. Іноді замість стержня використовували щиток з отвором, через який проходив сонячний промінь, і на циферблаті утворювалося зображення Сонця. Відраховуючи відповідний штрих циферблата, на який падала тінь або на якому було зображення Сонця, можна було отримати певне значення часу.

Деякі великі стародавні споруди, наприклад, обсерваторія в Індії або відомий Стоунхендж, виконували роль ще й сонячних годинників.

Точність вимірювання часу за допомогою сонячних годинників з сучасної точки зору була не досить великою. Тому цікаво буде дізнатися, що в давнину існували й інші прилади, зокрема так звана клепсидра – водяний годинник.

Клепсидри були двох видів: для відмірювання певного інтервалу часу, протягом якого вода перетікає з однієї посудини в іншу (подібно до пісочного годинника), а також для визначення часу сонячної доби – подібно до сучасних годинників. У конструкціях другого виду давні механіки досягли дуже високого рівня майстерності.

Час летить стрілою, хоча хвилини повзуть…

Ф.Мендельсон

Існували клепсидри, які діяли безупинно, причому вода поступала з водопроводу до верхньої посудини, відкіля витікала через насадку, зроблену з коштовного каменю або золота, в нижню посудину. Швидкість витікання регулювалася або враховувалася при нанесенні поділок на спеціальну шкалу.

У римлян доба від сходу до заходу Сонця розподілялася на дванадцять годин, тому в різні пори року тривалість години була різною (світовий день був різний у різні пори року!). Пізніше почали застосовувати такі годинники, в яких хід був однаковим протягом року.

Відома клепсидра Ктезібія (150 р. до н.е.) складалася з циліндричної колони, на поверхні якої для кожного з дванадцяти місяців року було нанесено знизу римськими цифрами поділки для нічних годин, арабськими – для денних. Поруч з колоною стояли фігурки двох хлопчиків: одна з них була пустотілою і через неї могла поступати вода з водопроводу; інша фігурка була прикріплена до спеціального поплавця (див. малюнок).

Вода з водопроводу надходила до пустотілої фігурки, а потім витікала з неї краплями через очі хлопчика. Далі ці краплі потрапляли через спеціальну трубочку в циліндр, що зверху мав поплавець з другою фігуркою хлопчика, який паличкою вказував на шкалу-циферблат.

У міру наповнення циліндра хлопчик з паличкою підіймався все вище й вище. Наприкінці, коли паличка-покажчик досягала цифри ХІІ, вода з циліндра за допомогою трубки-сифона витікала. У процесі витікання вода приводила до дії механізм, який повертав усю колону на певний кут так, що за рік колона робила повний оберт.

Таким чином, цей пристрій показував не тільки час протягом доби, але й місяць!

Погодьтеся, цей чудовий годинник гідний нашого подиву та захвату! Зауважимо, що інші клеп-сидри були не дуже схожі на витвір мистецтва, проте працювали за тим самим принципом.

Не дуже були поширені, проте все-таки застосовувались годинники зі свічок. На досить великій товстій свічці робили на рівних відстанях рисочки. За мірою згоряння свічки судили про те, скільки часу минуло. Звісно, що такі годинники були дуже неточними.

У XI столітті (а за іншими даними – ще в IX столітті) з’явилися перші механічні годинники, але вони були такі неточні, що треба було звіряти їх з сонячним годинником. Лише в середині XVII ст., коли Галілей відкрив закон коливання маятника, механічний годинник вийшов на новий рівень точності.

Виявилося, що більш точно вимірювати інтервали часу можна на основі періодичних, тобто таких, що повторюються, процесів. Саме тоді можна забезпечити рівномірність ходу створеного годинника. Властивість, на якій базується робота маятникового годинника, називається ізохронністю (ізо – рівний, однаковий; хронос – час).

Якщо ви підвісите до нитки невеличку кульку, гвинт або щось подібне до цього, а потім підштовхнете підвішений предмет, ви зможете спостерігати коливальний рух підвішеного тіла – маятника. За допомогою маятника можна визначати тривалість певних подій, взявши за одиницю вимірювання, наприклад одне повне коливання підвішеного тіла.

Свого часу голландський фізик Християн Гюйгенс (1629—1695) винайшов механізм годинника, заснований саме на коливальному русі гирі-маятника. Цікаво, що спочатку він розв’язував задачу створення пристрою, за допомогою якого можна було б точно визначати географічну довготу під час мандрування океаном (згадаймо, то були часи великих морських походів європейців до Індії та «Нового Світу» – Америки, і проблеми морської навігації були дуже важливими).

Займаючись розробкою точного годинника, Гюйгенс зацікавився закономірностями коливального руху взагалі. Ще Галілею було відомо, що час, який потрібен для одного коливання маятника вздовж дуги кола, практично не залежить від розмаху коливань. (Між іншим, маятник як вимірювач часу, але без годинникового механізму, застосовували ще арабські астрономи в Х ст.) Проте Гюйгенс намагався знайти таку форму кривої, щоб коливання маятника зовсім не залежали від розмаху. Такою кривою виявилася циклоїда: під час руху по малих дугах циклоїди коливання маятника були ізохронні!

Пізніше були винайдені кишенькові годинники, в яких маятник, що гойдається, був замінений маленьким колесом, яке утримується спіральною пружиною (балансиром).

Дуже зручними виявилися спеціальні годинники-секундоміри, які можна пускати та зупиняти натисканням кнопки.

Сучасні наука й техніка застосовують ще більш точні (в тисячі разів!) годинники. Спочатку це були кварцові годинники, дія яких ґрунтується на коливаннях кварцових кристалів. Ще більш точними є так звані атомні годинники, за ходом яких визначається сьогодні тривалість основної одиниці часу – секунди.

Хоч атомні системи зовсім не такі, як механічні, все одно можна сказати, що там теж відбуваються певні коливання, властивості яких дозволяють використовувати їх для визначення малих (до трильйонних часток секунди!) проміжків часу.