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».