Эталон – это мера или измерительный прибор, служащий для воспроизведения, хранения и передачи единиц какой-либо величины. Эталон, утвержденный в качестве исходного для страны, называется Государственным эталоном.
Краткая историческая справка
Человеку необходимо описывать окружающую его действительность, причем так, чтобы его понимали другие люди. Именно по этой причине все цивилизации создавали свои системы измерений.
Современная система измерений берет свое начало в XVIII во Франции. Именно тогда комиссия из известнейших ученых предложила свою десятичную метрическую систему мер. Первоначально в метрическую систему входили метр, квадратный метр, кубический метр и килограмм (масса 1 куб. дециметра воды при 4 °C), вместимости – литр, то есть 1 куб. дециметр, площадь земельных участков – ар (100 кв. метров) и тонна (1000 килограммов).
В 1875 году была подписана метрическая конвенция, целью которой было обеспечение международного единства метрической системы. На базе этой метрической системы возникали свои системы и единицы, которые плохо соотносились друг с другом, поэтому в 1960 была принята Международная система единиц SI (СИ). В СИ принято несколько основных единиц измерения: метр, килограмм, ампер, кельвин, кандела, моль, а также дополнительные единицы для измерения углов – радиан и стерадиан.
Эталон массы
Чтобы погрешность измерений была минимальной, ученые создают большие и сложные в эксплуатации комплексы. Тем не менее, эталон массы неизменен – это платиново-иридиевая гиря, изготовленная в 1889 году. Всего было изготовлено 42 эталона, два из которых отправились в Россию.
Эталон килограмма хранится в Санкт-Петербурге, во ВНИИМ им. Д.М. Менделеева (именно он был инициатором принятия Россией французской метрической системы). Эталон стоит на кварцевой подставке, под двумя стеклянными колпаками (чтобы исключить попадание пыли), внутри стального сейфа. Эталонные весы, которые являются частью эталона, стоят на особом фундаменте. Эта конструкция весит 700 тонн и не связана со стенами здания, чтобы вибрации не искажали измерений.
Температура и влажность поддерживаются на неизменном уровне, а все операции ведутся с манипуляторов, чтобы исключить влияние температуры тела и случайных частыц впроде пылы, при использовании человеческого труда. Погрешность эталона массы России не превышает 0,002 мг.
Сущность измерительной операции осталась прежней и сводится к сравнению двух масс при взвешивании. Изобретены сверхчувствительные весы, растет точность взвешивания, благодаря которой появляются новые научные открытия, но все же эталон массы — это источник головной боли для метрологов всего мира.
Нахождение плотности тела, имеющего сложную геометрическую форму, по формуле (1) связано с определенными трудностями при выражении его объема через соответствующие линейные размеры. Метод гидростатического взвешивания обеспечивает возможность измерить объем этого тела, минуя использование масштабных линеек и нониусов.
Суть метода состоит в последовательном взвешивании данного тела в воздухе и в жидкости (воде) и нахождении по формуле Архимеда веса вытесненной телом (при его погружении) жидкости, а далее и самого объема погруженного в нее тела.
Во-первых, взвешивание тела, подвешенного к левой чашке весов на нити, в воздухе дает нам значение его массы с поправкой на архимедову силу в воздухе по формуле (6). Равновесие весов в этом случае описывается равенством:(*) (рис.2)
Принцип действияСхема рычага. В равновесии
Принцип работы рычага является прямым следствием закона сохранения энергии. Чтобы переместить рычаг на расстояние сила, действующая со стороны груза, должна совершить работу равную:
.
Если посмотреть с другой стороны, сила, приложенная с другой стороны, должна совершать работу
,
где — это перемещение конца рычага, к которому приложена сила . Чтобы выполнялся закон сохранения энергии для замкнутой системы, работа действующей и противодействующей сил должны быть равны, то есть:
,.
По закону подобия треугольников, отношение перемещений двух концов рычага будет равно отношению его плеч:
, следовательно.
Учитывая, что произведение силы и расстояния является моментом силы, можно сформулировать принцип равновесия для рычага. Рычаг находится в равновесии, если сумма моментов сил (с учётом знака), приложенных к нему, равна нулю.
Для рычагов, как и для других механизмов, вводят характеристику, показывающую механический эффект, который можно получить за счёт рычага. Такой характеристикой является передаточное отношение, оно показывает, как соотносятся нагрузка и приложенная сила:
. [править]Составной рычаг
Составной рычаг представляет собой систему из двух и более простых рычагов, соединённых таким образом, что выходное усилие одного рычага является входным для следующего. Например, для системы из двух последовательно связанных рычагов, если на входное плечо первого рычага приложена сила , на другом конце этого рычага выходное усилие окажется , и связаны они будут с передаточного отношения:
.
При этом на входное плечо второго рычага будет воздействовать такое же усилие , а выходным усилием второго рычага и всей системы будет , передаточное отношение второй ступени будет равно:
.
При этом механический эффект всей системы, то есть всего составного рычага, будет вычисляться как отношение входного и выходного усилия для всей системы, то есть:
.
Таким образом, передаточное отношение составного рычага, состоящего из двух простых будет равно произведению передаточных отношений входящих в него простых рычагов.
Составной рычаг в общем случае, состоящий из n простых рычагов
Такой же подход решения можно применять и для более сложной системы, состоящей, в общем случае из n рычагов. В этом случае в системе будет присутствовать 2n плеч. Передаточное отношение для такой системы будет вычисляться по формуле:
,
где:
— это i-ое плечо системы; — сила, передаваемая с плеча (i-1) на плечо i; — передаточное отношение всей системы.
Как видно из формулы для этого случая также верно, что передаточное отношение составного рычага равно произведению передаточных отношений входящих в него элементов.
[править]Типы рычагов
Различают рычаги 1 рода, в которых точка опоры располагается между точками приложения сил, и рычаги 2 рода, в которых точки приложения сил располагаются по одну сторону от опоры.