Люди занимались измерением массы» времени и расстояний с древнейших времен. Однако инструменты для измерения температуры, давления, точного местоположения объекта и скорости разработаны только за последние четыре столетия.
Современная жизнь нуждается в еще более сложных измерениях; она зависит от точности и согласованности действия целого комплекса машин и механизмов – будь то в промышленности, на транспорте, в медицине или в метеорологии. Среди этих инструментов есть сравнительно простые, для повседневного пользования, например микрометр, измеряющий толщины с точностью до 0,0002 мм. Но имеются и особые инструменты, обеспечивающие точные, эталонные значения измеряемых величин. Так, атомные часы согласуют свои показания с частотой колебаний атомов цезия-133 (точно 9 192 631 770 раз в 1 с).
Вес, время и температура
Современные химические весы основаны на одном из старейших принципов измерения: неизвестный вес, соответствующий данной массе, можно найти, уравновесив его известным весом. Древние египтяне уже 7000 лет назад умели взвешивать зерно и золото, уравновешивая их каменными противовесами на весах; это были два лотка, подвешенных на коромысле с помощью шнурков. Римляне ввели в конструкцию весов важное усовершенствование – они поставили центр коромысла на треугольную призматическую опору, поэтому весы сделались более чувствительными к малым нагрузкам.
Измерение времени солнечными, песочными и колесными часами также известно издавна. Водяные часы (клепсидры) были известны китайцам уже в 11 в. до н.э. В XIV в. появились колесные часы, приводимые в движение гирями и системой зубчатых передач, связанных с ходовым колесом – устройством для передачи движения часовой стрелке. Галилей предложил регулировать ход маятником, что позволило увеличить точность хода и способствовало созданию точных хронометров.
В 1593 г. Галилей изобрел газовый термометр (столбик газа в термометре находился под слоем воды). Более точный спиртовой термометр появился в 1641 г., а в 1714 г. Габриель Фаренгейт (1686-1736) разработал ртутный термометр и предложил температурную шкалу, названную его именем. Почти 30 лет спустя швед Андерс Цельсий (1701-1744) ввел в употребление термометр со 100°-ной шкалой между точкой кипения воды (100°) и точкой ее замерзания (0°).
Медицинский термометр предназначен для измерения температуры тела человека в интервале 35-45°С. Высокие температуры измеряют оптическим термометром, сопоставляя цвет раскаленного объекта с цветом нити накаливания, нагреваемой электрическим током.
Установление точного местоположения объекта
Навигация на море и в воздухе будет успешной, если положение корабля или самолета можно определить относительно какой-нибудь известной точки. Инструменты для измерения положения Солнца, Луны и звезд над горизонтом постоянно совершенствовались с момента изобретения астролябии, т.е., вероятно, с 3 в. до н.э. Положение небесных тел определять умели, но на качающейся палубе корабля делать это было достаточно трудно. В 1730 г. Джон Хэдли (1682-1744) изобрел зеркальный квадрант, который приводил изображения горизонта и наблюдаемого объекта на одну прямую. В широкое употребление вскоре вошел секстант – видоизмененный квадрант. Прибор получил свое название по угловой длине шкалы, составляющей 1/6 долю окружности (60°); он позволил морякам измерять углы между любыми точками небосвода и точнее определять положение корабля.
Измерение абсолютного движения относительно «неподвижных» звезд значительно улучшилось с созданием гироскопа. Его изобрел французский физик Жан Фуко (1819-1868), стремясь экспериментально доказать, что Земля вращается вокруг своей оси. Ось вращающегося диска гироскопа помещена на карданном подвесе и сохраняет первоначальную ориентацию в пространстве независимо от гравитационных и магнитных сил. Автоматическое управление всякого рода современными машинами и механизмами, от космических кораблей до нефтяных буровых установок, производится с помощью гироскопических устройств.
Давление, скорость и радиация
В 1643 г. Эванджелиста Торричелли (1608-1647), итальянский математик и физик, обнаружил, что давление воздуха на уровне моря равно давлению столба ртути длиной 76 см. С высотой атмосферное давление падает. Это наблюдение позволило Торричелли разработать первый барометр. Изменения атмосферного давления вскоре использовали для оценки высоты гор и предсказания погоды. Теперь давление жидкостей и газов можно измерять не только ртутным барометром, но и другими инструментами, например, барометром Бурдон, запатентованным этим французским часовщиком в 1850 г.
Точные измерения скорости движущегося экипажа стали возможны только в 1920 г. благодаря созданию магнитного спидометра. Современный спидометр часто монтируется вместе со счетчиком пройденного пути – ходометром. Новые величины измеряются новыми методами. Так, фотоиндикатор позволяет людям, работающим в условиях повышенной радиоактивности, следить за уровнем радиации.