Как часто нам приходится что-то с чем- то сравнивать, измерять. Это настолько привычное для нас занятие, что мы даже не задумываемся над тем, что же такое измерение, и как появились все эти эталоны, образцовые меры.
История измерений почти такая же древняя, как человеческая история. С появлением разделения труда и торговли началось совершенствование практики измерений. Для этого необходимы были так называемые опорные метки, которые должны были быть понятными и общедоступными.
Для разработки системы мер и весов в разное время использовались разные предметы и вещества. Из всего многообразия именно воду человек выбрал в качестве эталона для измерения температуры, массы, количества тепла, высоты местности.
Течение времени
Одним из самых древних инструментов измерения времени было солнце. Небесное светило ежедневно совершало свой неизменный путь, наблюдая за ним, человек научился довольно точно определять время суток. Древние египтяне разделили сутки на день и ночь, а вавилонянам принадлежит изобретение и применение шестидесятеричной системы счисления к отсчету времени. Они разделили час на 60 минут.
Солнечные часы стали первым прибором для измерения времени, они были изобретены в XV веке до н.э. Долгое время только по ним можно было довольно точно определить время. Но у них был существенный недостаток: такими часами нельзя было пользоваться ночью, в пасмурную погоду и в помещении.
Нужно было более универсальное средство, и им стали водяные часы. Считается, что они появились в Древнем Египте примерно в 1417-1379 гг. до н.э. Это было первое в истории применение воды для точных измерений. Самый первый вариант водяных часов был довольно прост. Он состоял из наполненного водой медного сосуда с отверстием внизу, из которого равномерно вытекала вода. Уровень воды постепенно понижался. На стенках сосуда были нанесены отметки, по которым и определялось истекшее в буквальном смысле слова время.
Древние греки назвали водяные часы клепсидрой, что означает «воровка воды». Первоначально они применяли клепсидру в суде или на собраниях, чтобы отмерять время выступления каждого оратора. Привычное для нас выражение «Ваше время истекло!» пришло к нам именно с этих древнегреческих процессов.
Недостатком первых примитивных клепсидр была неточность, ведь известно, что из полного сосуда вода вытекает быстрее, а с уменьшением количества воды падает и давление, поток воды замедляется. Чем крупнее был сосуд, тем сильнее отставали часы.
Древнегреческий механик и математик Ктесибий усовершенствовал форму сосуда для клепсидры и снабдил ее двигающимися фигурками. Движение фигурок и вращение цилиндра обеспечивалось благодаря законам гидравлики и не требовало непосредственного участия человека.
Расчеты Ктесибия были настолько точными, что цилиндр делал полный оборот ровно за год и всегда показывал правильное время. Водяные часы оставались основным прибором для определения времени вплоть до появления механических часов в Китае в 725 году. Однако, клепсидра использовалась и позже, до XVII века, так как совершенные механические часы были очень дорогими.
Между кипением и таянием
В отличие от истории определения времени, история измерения температуры насчитывает всего чуть больше четырех веков. Изобретателем термометра считают голландского изобретателя Ван-Дреббеля. При создании термометра ученый также опирался на свойства воды.
Первый термометр состоял из большого сосуда, до половины наполненного водой, и стеклянной трубки с шарообразным расширением в конце. Закупоренный конец трубочки был опущен в воду и там открыт, в результате чего вода осталась только в части трубки. В результате нагревания воздух, находившийся в стеклянном шаре, расширялся, и уровень воды понижался. И наоборот, из-за охлаждения воздуха в трубке наблюдалось повышение уровня воды.
Недостатком такого термометра является относительно высокая температура замерзания воды, поэтому впоследствии Ван-Дреббель заменил воду на смесь из трех частей воды и одной части азота. Для окрашивания он добавил в жидкость медный купорос. Такой термометр был довольно чувствительным, но преимущественно он являлся «баротермоскопом», так как его показания очень сильно зависели от атмосферного давления.
Отметка «ноль» и деления в первых термометрах выбирались каждым конструктором по своему усмотрению. За начальную отметку, например, принималась температура максимальных заморозков зимой. Существовали такие деления, как «жарко», «очень жарко», «умеренно», «мороз».
В середине XVII века физик Роберт Бойль предложил принять за исходную точку температуру замерзания воды. Кроме того, стало очевидным, что необходима разработка универсальных делений, обозначающих конкретную температуру.
В первой половине XVIII века немецкий физик Фаренгейт изобрел ртутный термометр и температурную шкалу, которой дал свое имя. И здесь эталоном выступали определенные свойства воды. За исходную точку для шкалы Фаренгейт принял точку кипения воды, которую обозначил 212°, и точку, которая соответствовала температуре смеси льда и соли ( -17,5° C), которую обозначил 0 °. Затем шкала была поделена на 212 равных частей. Так, температура таяния льда (по шкале Цельсия она равна 0), по Фаренгейту соответствует 32°.
Несколькими годами позже французский естествоиспытатель Рене Реомюр разработал температурную шкалу с другим количеством делений, но заключались эти деления также между точками кипения воды и таяния льда. Как известно, такой шкалой в России пользовались до 1917 года.
Предложенная Андресом Цельсием в 1742 году шкала для ртутного термометра разделена на 100 градусов. Но по-прежнему крайними точками являлись температура кипения воды и таяния льда. Усовершенствованным термометром Цельсия мы пользуемся и сегодня.
Мера веса и теплоты
Много лет назад единицы массы, как и меры длины, устанавливали по многим образцам, чаще всего природным. Например, всем известно, что масса драгоценных камней определяется в каратах (0,2 г), а это масса семени одного из видов бобовых.
Позднее за единицу массы взяли массу воды, наполнявшей сосуд определенной вместимости. Так, в Древнем Вавилоне единицей массы служил талант – масса воды, наполняющая такой сосуд, из которого через отверстие определенного размера вода вытекает в течение одного часа. Ориентируясь на массу воды, изготавливали также металлические гири.
В 1793 году, согласно декрету революционного правительства Франции, взамен разнообразных старинных мер, вода была определена как основная мера массы (веса) – грамма и килограмма. Известно, что 1 г соответствует весу 1 см3 чистой воды, а 1 кг — это вес 1 л (1000 см3) или 1 дм3 воды.
Следует отметить, что вода была использована и для измерения количества тепла, единицей которого является калория. Это количество тепла, необходимое для нагревания 1 г чистой воды на 1 °С (точнее, для нагревания 1 г воды с 14,5 до 15,5 °С).
Водная вертикаль
Все высоты и глубины на нашей планете отсчитываются от уровня моря. Это может показаться парадоксальным: ведь что может быть изменчивее поверхности моря? Действительно, поверхность морей и океанов находится в постоянном движении из-за волн и приливов.
Дело в том, что если бы все воздействия ветров, волн и приливов каким-то чудом прекратились, то морская поверхность установилась бы в положении равновесия. По принципу сообщающихся сосудов, уровень всех морей и океанов стал бы одинаковым. Причем, этот уровень не изменялся бы в течение очень долгого времени. Именно этот средний уровень моря и принят в качестве точки отсчета высот на суше. Абсолютная высота – это высота над средним уровнем моря.
При определении абсолютной высоты ориентируются на уровень того моря, на берегу которого расположено то или иное государство, либо ближайшее к нему. Например, в России абсолютные высоты отсчитываются от среднего уровня Балтийского моря.
Уникальные свойства воды, ее способность присутствовать на планете во всех возможных агрегатных состояниях и быстро превращаться из одного в другое, дали возможность найти ответы на многие измерительные вопросы. Впервые обратив внимание на это еще в древности, человек продолжает равняться на воду и сегодня.
