Занимательная физика в вопросах и ответах. 
Сайт Елькина Виктора.
(Заслуженный учитель РФ. Учитель-методист.)       
    Занимательная физика   Биофизика     А знаете ли Вы?   Астрономия    Физика в походе   Биографии
  Физика и медицина     Физика  и  поэзия    Народная  мудрость   Физика и техника 
Радиотехника для всех      Занимательные опыты    Форум    Оптика     Старинные  задачи
Шаровая  молния  Ссылки  Сообразилки

О физическом приборе Д. И. Менделеева.

«Сам удивляюсь — чего только я ни делывал на своей научной жизни. И сделано, думаю, недурно» — так на склоне лет прокомментировал великий русский ученый Д. И. Менделеев свою работу по созданию оригинального физического прибора — дифференциального барометра, или высотомера. Действительно, несмотря на необычайную разносторонность интересов великого химика, эта работа на первый взгляд кажется весьма далекой от тех научных проблем, которыми он занимался. Лишь более пристальное изучение его творчества выявляет тесную связь между созданием высотомера и исследованиями упругости газов, ставшими главной темой экспериментальных работ Д. И. Мен­делеева в начале 70-х гг. XIX в.

  С первых же опытов по проверке закона Бойля —Мариотта Д. И. Менделеев столкнулся с необходимостью многократного точного определения атмосферного давления. Измерять его с помощью нормального (поверочного) барометра было делом довольно сложным, требующим существенных затрат времени и применения дополнительных приборов. Поэтому ученый решил в начале опыта использовать нормальный барометр, а затем определять не абсолютное значение атмосферного давления, а точное значение его изменения. С этой целью он и построил дифференциальный барометр. Д. И. Менделееву удалось добиться высочайшей точности определения изменений давления прежде всего благодаря весьма необычному выбору манометрической жидкости. Ею служило так называемое нефтяное масло — тяжелые продукты перегонки бакинской нефти с температурой кипения свыше -350 °С. Достоинствами этой жидкости были низкая упругость паров и большая подвижность, а, главное, плотность нефтяного масла (0,8—0,9 г/см3) была в 15—16 раз меньше плотности ртути, а потому, как писал в то время ученый, «всякие изменения в давлении окажутся на манометре, наполненным нефтяным маслом, увеличенными в 15— 16 раз против тех изменений, которые в то же время произойдут в ртутном барометре».

   Первые варианты конструкции прибора, отличаясь высокой точностью, были чрезвычайно громоздкими. Д. И. Менделеев вновь и вновь усовершенствует прибор, добиваясь его максимальной компактности. Переставляя прибор с места на место в ходе экспериментов по упругости газов, ученый обратил внимание на то, что разность высот предметов, находящихся в лаборатории, легко могла быть определена по показаниям дифференциального   барометра.   «Высоты   столов,   окна    и   ступеней лестницы над полом были достаточны для ясных и правильных указаний времен давления, замечаемых на устроенном приборе. Это было первое нивелирование, произведенное моим дифференциальным барометром.) Оно   указало,   что  прибор   этот   можно   применить  для   практической цели»,— писал ученый.
   Уже 10 мая 1873 г.— через два месяца после сообщения о первом варианте  дифференциального барометра  на заседании Русского физического общества Д. И. Менделеев «сообщил об устройстве, которое он дал своему барометру, который по своей чувствительности весьма пригоден для барометрического нивелирования». В том же году майском номере журнала этого общества была опубликована «Предварительная заметка об определении высот дифференциальным барометром».

   Д. И. Менделеев очень долго (с 1872 по 1876 г.) и тщательно занимался разработкой вариантов и усовершенствованием конструкции своего прибора. Окончательная конструкция «сложного высотомера» приведена в работе Д. И. Менделеева «О барометрическом нивелировании и о применении для него высотомера». Прибор устроен таким образом (см. рис.). Герметически закрытый цилиндр кольцеобразного сечения А, имеющий два вывода через тонкие металлические трубки, помещен в другой, цилиндрический сосуд, наполненный водой (водяную ванну). Одна из трубок (на рисунке правая) снабжена краном 5, при помощи которого воздух в сосуде может соединяться с атмосферой (атмосферный воздух предварительно осушается в трубке с хлористым кальцием). Другая трубка (левая на рисунке) герметически соединена манометрической трубкой О, до половины заполненной нефтяным маслом. Принцип действия прибора Менделеева прост: периодически открывая кран 5, можно легко определить изменение атмосферного давления по манометру О. В этот прибор включался и весьма оригинальной конструкции дифференциальный термометр. Последний представил собой тонкую медную трубку L,, охватывающую сосуд с воздухом виде змеевика и соединенную со стеклянной трубкой  (в ней также находилось нефтяное масло), которая помещалась возле шкалы на передней панели прибора. Чувствительность дифференциального термометра Менделеева была необычайно высока --до тысячных долей градуса.

    Д. И. Менделеев видел немало областей применения дифференциального барометра. В первую очередь это могло быть барометрическое нивелирование — определение разности высот различных точек земной поверхности. Прибор мог быть успешно применен, писал Менделеев, при осушении местности, т. е. при определении направления и величины скатов на значительных расстояниях, при проектировании направления  железных дорог и других путей сообщения... при подземных горных и инженерных работах... при геологических исследованиях». Особенно выгодно, указывал ученый, применение дифференциального барометра в лесистых, заболоченных местностях, а также там, где обычному нивелированию мешают скалы или здания.

      Весьма важным считал Д. И. Менделеев использование сконструированного им высотомера и в качестве учебного пособия. Ученый не только разработал для этой цели несколько упрощенных вариантов дифференциального барометра, но и стремился к тому, чтобы такой прибор был максимально дешев. Впервые учебный вариант высотомера был показан 8 апреля 1874 г. на заседании Русского физического общества. Позже, говоря о конструкции этого прибора, Д. И. Менделеев следующим образом оценивал возможности его использования: «Такие приборы могут быть главным образом полезны при демонстрации принципа изменения давлений с переменою высот, т. е. могут иметь педагогическое значение как пособие при преподавании физики. В самом деле, при производстве опытов температуру комнаты можно считать постоянною... а прибор без дифференциального термометра отличается, простотою  и вследствие того более доступен по ценности. При помощи такого дифференциального барометра возможно с большим удобством и в течение нескольких минут показать изменение давления с поднятием; стоит только, например, запереть кран воздушного резервуара в приборе, поставив его на пол, и затем поднять прибор на высоту роста человека, чтобы изменение уровня нефтяного масла в манометре было совершенно ясно; оно при этом достигает около 2 мм и потому очевидно каждому. Поднимая затем прибор на большую высоту, например в другой этаж здания, можно заметить пропорциональность изменения уровней масла с высотою поднятия...»

   С помощью высотомера можно решить обратную задачу — определить плотность воздуха.
Поскольку быстрых и точных газоанализаторов во времена Менделеева еще не было, ученый предложил использовать высотомер при работе в рудниках и шахтах для определения примеси посторонних газов (легкого болотного или тяжелого углекислого газов) путем регулярного измерения плотности воздуха. «Вместо определения трех величин (давления, температуры и влажности), по которым рассчи­тывается плотность воздуха, можно гораздо скорее и не менее точно определять плотность воздуха одним соответственным наблюдением, производимым с помощью высотомера».

   Если добавить к дифференциальному барометру достаточно чувствительный термометр, то можно продемонстрировать зависимость упругости газов от температуры (уравнение Клапейрона — Менделеева), а также вычислить коэффициент термического расширения воздуха. Таким образом, учебный вариант высотомера позволяет продемонст­рировать довольно широкий круг физических законов. К тому же, как писал Д. И. Менделеев, «дифференциальный барометр может быть поучительным помощником в изучении погоды и в ее предсказании». 5 книге «Об упругости газов» (1875) он приводит пример своих наблюдений за изменением атмосферного давления с помощью дифференциального барометра в лаборатории Петербургского универси­тета в ночь со 2 на 3 ноября 1873 г. во время очередного наводнения на Неве. Оказалось, что «по дифференциальному барометру явление изменения силы и направления ветра оказалось ощутительным еще тогда, когда внешние признаки не давали возможности их предвидеть». Интересна судьба дифференциального барометра конструкции Менделеева. В первые годы своего существования он имел довольно шумный успех. Еще в мае 1873 г. большой «статический» вариант прибора был отправлен на международную выставку в Лондон. В 1875 г. переносной вариант барометра — высотомер (или гипсометр, как его еще тогда называли) был показан на международной географической выставке в Париже. Он возбудил всеобщий интерес специалистов, и по решению жюри его автору была присуждена золотая медаль. Прибором заинтересовались и климатологи. Так, известный географ и климатолог А. И. Воейков, совершивший в 70-е гг. прошлого века научную поездку по многим странам мира, писал Д. И. Мен­делееву в январе 1876 г.: «Я теперь очень жалею,- что не взял с собой дифференциального барометра» и просил прислать прибор в Сингапур, так как собирался изучать дневное колебание атмосферного давления в районах тропических морей. О том, что прибор использовался в учебных целях, свидетельствуют письма Д. И. Менделееву из Константиновского межевого института, а также от русских студентов, обучавшихся во Фрейбургской горной академии в Германии.

   Несмотря на столь явный интерес к прибору и высокую его оценку, он не нашел широкого применения в научной и учебной практике конца прошлого века. Тому есть несколько причин.

   Использованию высотомера в качестве учебного пособия помешала малая осведомленность преподавателей о нем. (Среди авторов учебников физики того времени лишь О. Д. Хвольсон посвятил буквально несколь­ко строк высотомеру, не поместив, однако, описания его конструкции и не показав, для демонстрации каких физических явлений и законов он может быть использован.) Введению прибора Менделеева в практику метеорологических исследований мешало руководство Главкой физиче­ской обсерватории (ее директор академик Вильд, будучи сам конструк­тором барометров, не был расположен дать место в ему подчиненных обсерваториях  этому  простому  и   дешевому   прибору).   Что   касается применения прибора Менделеева в топографии, то после его испытания в 1875 г. военное ведомство составило проект о введении высотомеров для   топографических   работ.   Однако   русско-турецкая   война   1877   г. помешала осуществлению этого плана. Да и Д. И. Менделеев, увлек­шись   разрешением   других   вопросов,   все   меньше   уделял   внимания своему высотомеру.

   В 30-х гг. нашего столетия, через 60 лет после создания прибора, интерес к нему возродился. Первыми сказали свое слово геодезисты, предложившие применять высотомер во время наземных работ при топографическом изучении территории методом комбинированной аэрофотосъемки. Позже была разработана конструкция авиационного дифференциального барометра — статоскопа, необходимого для нового, современного метода составления карт. В 40-х гг. высотомер стали использовать метеорологи. В практике научных исследований диффе­ренциальный барометр по-прежнему находит применение, например при проверке герметичности замкнутых газовых систем.

    Прибор этот легко использовать и в учебных целях. Конструкция учебного высотомера несложна. Достаточно взять замкнутый сосуд любой формы объемом ~3 л с двумя отводными трубками, снабженными кранами (главное -- обеспечение герметичности), один из которых соединит сосуд с атмосферой (лучше через трубку с хлористым кальцием или любым другим осушителем), другой — с 1_)-образным манометром. В качестве манометрической жидкости можно использовать вакуумное масло (ВМ) любой модификации (оно обладает всеми свойствами «нефтяного масла» Менделеева: низко;") упругостью паров, большой подвижностью и невысокой плотностью). При использовании прибора в качестве высотомера (для определения разности давлений на различных высотах, определения плотности воздуха и т. п.) его следует теплоизолировать; при исследовании температурных влияний достаточно использовать термометры со шкалой, обеспечивающей точность измерений до 0,1 °С. Как указывал Д. И. Менделеев, прибор, выполненный герметично, показывает изменение атмосферного давления при разности высот в 1,5—2 м. Пожалуй, ни один из существующих ныне демонстрационных приборов не обладает столь высокой точно­стью. Хочется надеяться, что детище великого ученого — дифферен­циальный барометр (высотомер) Менделеева — еще сослужит добрую службу в качестве демонстрационного пособия при изучении свойств газов.


Литература

1. Архив Д. И. Менделеева.— Л.:Изд-во ЛГУ, 1951.— Т. I.
2. Менделеев Д. И. Сочинения.— Л.; М.: ГОНТИ НКТ СССР , 1936.— Т. 6.
3. Менделеев Д. И. Сочинения.— Л.; М.: Изд-во АН СССР, 1946.— Т. 7.
4. Научный архив Менделеева при ЛГУ (НАМ ЛГУ П-В-23—1—4; НАМ ЛГУ 1-В—68—1—89).
5. Вировец Л. М. Дифференциальный барометр Менделеева // Геодезист.— 1934.— № 1—2.
6. Л е в ч у к Г. П. Великий русский ученый Менделеев — изобретатель дифференциального барометра (высотомера) // Труды ЦНИИГАиК.— М.: Гидрометеоиздат, 1952.— Вып. 12.
7. Кедроливанский В. Н. Метеорологические приборы.— Л.: 1947.

С. А. КАЛЯДИНА (г. Ленинград, Институт химии силикатов АН РФ.

Источник. ж. Физика в школе №5, 89. c.23.

Назад

 Занимательная физика    Биофизика   А знаете ли Вы?   Астрономия    Физика в походе  
 Физика и техника  Физика и медицина    Физика  и  поэзия   Оптика
Народная  мудрость   Необычные явления   Форум  Ссылки  Шаровая молния
Радиотехника для всех    Бочка Паскаля   Занимательные опыты   Старинные  задачи
  

[AD]

Hosted by uCoz