НАБЛЮДЕНИЯ над природой приводят нас к убеждению в существовании законов, которым подчинены все явления.
Остановимся пока на одном.
Падает на землю дождь, снег из облаков, падает камень, который перестали поддерживать рукой, падает на землю сухой лист, сорванный ветром... падает на землю все, лишенное поддержки или опоры.
Перечисленные явления представляют собой проявление особого свойства, которым обладают все части материи или вещества.
Оно состоит в том, что между различными количествами или массами материи проявляется сила, стремящаяся их сблизить. Эта сила носит название силы всемирного тяготения.
Установление существования этого закона принадлежит великому английскому физику Ньютону (1684 г.).
В том частном случае, когда одной из действующих масс является масса земли, сила притяжения ею других тел называется силой веса или просто весом этих тел.
Мы узнаем, что силы, с какими стремятся приблизиться к земле различные тела, т. е. силы их веса неодинаковы.
Трудно удержать над землей гирю в 2 пуда и совершенно невозможно для человека сделать это с гирей в несколько раз более тяжелой.
Как всякая величина, вес тела может быть измерен, т. е. сравнен с каким-нибудь весом, принятым за единицу.
Еще у культурных народов глубокой древности существовали как меры веса, так и приборы для определения веса тел. Талант, разделяемый на 60 мин., мина, равная 100 драхмам и обол, равный ⅙ драхмы, — были весовыми единицами у древних греков.
Римская весовая система, как известно, удержалась в нашем аптекарском весе до настоящих пор.
Можно сказать, что каждый народ стремился создать собственную систему мер. Это не представляло неудобств, пока взаимная связь между различными странами была слаба.
Но развитие международных отношений указало на необходимость введения общей для всех народов системы всяких мер, в том числе и мер веса.
Как международная весовая единица принят в настоящее время 1 килограмм, равный, как предполагали при создании этой единицы, весу 1000 куб. сантиметров воды при температуре 4° Цельсия.
Неизвестно, кто и когда впервые ввел в употребление прибор для измерения веса тела — весы.
Памятники глубокой древности свидетельствуют о том, что весы известны были уже давно многим народам, но нет ни преданий, ни легенд, которые бы связывали чье-либо имя с этим в высокой мере важным для человеческого общества прибором.
Египтяне, познания которых в области физики и химии были довольно значительны, не могли, конечно, обходиться без измерения силы веса.
Приводимый рисунок, изображающий барельеф египетского здания, вполне подтверждает мысль о знании египтянами весов и их употребления, а также дает нам указание, что весы египтян в целом их устройства ничем не отличались от употребляемых теперь в обиходе нашей жизни.
При раскопках на месте залитого лавой древнего римского города Помпеи найдены были красивые безмены — весы римлян. Нередко и мы встречаемся с безменом, как с прибором для измерения веса1) тел.
Среди арабских ученых, около 1120 г., достиг весьма больших успехов в области механики Алькгацини. Он построил настолько точные весы, что произведенные с помощью их определения удельных весов тел (вес единицы об'ема) совпадают с данными современных определений.
Весы Алькгацини были чудом механики того времени, и арабы назвали их «весами мудрости».
Большой затраты времени и труда требовало взвешивание тяжелых грузов.
На торговых площадях старых городов Германии до настоящего времени сохранились еще весы, служащие для взвешивания больших грузов, чрезвычайно примитивного устройства. Толстое бревно подвешено за середину с помощью цепи к потолку постройки, грубые платформы на цепях или канатах служат чашками этих весов.
Естественным требованием, пред'являемом технике, было осуществление такого устройства весов для больших грузов, при пользовании которыми, в первую очередь, не требовалось бы поднимать такую же тяжесть из гирь на чашку весов, каков взвешанный груз.
Это осуществлено устройством десятичных и сотенных весов. Гири, которые кладутся для уравновешивания груза на чашку первых весов в десять, а на чашку вторых весов в сто раз меньше уравновешиваемого ими груза.
Поразительные, по достигнутым целям, результаты применения десятичных весов мы имеем в устройстве так называемых «платформенных мостовых» весов, предназначенных для взвешивания, при чем взвешивания быстрого, грузов от 20.000 килограмм, до 60.000. Особая тщательность изготовления дает такую чувствительность их, что перегрузка или недогрузка их в ¹/₁₅₀₀₀ взвешиваемого груза может еще быть обнаружена. Это последнее означает, что при взвешивании вагона с грузом недостаток 1 килограмма может быть отмечен.
Не менее интересны автоматические весы для взвешивания зерна, встречающиеся в крупных портовых городах.
Зерно с кораблей при помощи элеватора поднимается вверх и по широким передаточным ремням ссыпается, почти непрерывным потоком, в воронку этих весов. Весы снабжены регистрирующим аппаратом и позволяют без особого присмотра и ручного труда взвесить до 150.000 кил. (9.000 пуд.) ржи или пшеницы в течение 10 часов.
Для точных взвешиваний небольших грузов служат так называемые «химические весы».
Главные части их: коромысло, опора для коромысла и чашка с подвесами.
Особого старания и тщательности требует при изготовлении коромысло. Оно представляет собой равноплечий рычаг. Треугольная призмочка, обращенная вниз одним из своих ребер и прикрепленная к середине коромысла, позволяет рычагу опираться на площадку опоры.
Две другие призмочки на концах коромысла, обращенные вверх одним из своих ребер, предназначены для поддержки подвесок и чашек.
Острые ребра всех трех призм должны лежать в одной горизонтальной плоскости, и расстояния ребер крайних призм до ребра средней должны быть равны.
Для достижения этого коромысло снабжается особым регулирующий приспособлением.
Чтобы ребра призм не тупились от тяжести коромысла и подвесов с чашками, когда на весах не работают, особая подвижная рама, т. н. арретир, поднимает и коромысло и подвесы.
Коромысло, для увеличения чувствительности весов к перегрузкам, делают по возможности легким из прочного материала.
Для защиты весов от движения воздуха, что могло бы повредить при правильности взвешивания, весы помещаются в ящик-шкаф со стеклами.
Производя на этих весах взвешивание со всей возможной тщательностью, можно достигнуть весьма большой точности. При взвешивании 1 килограмма достигается точность в 0,005 милигр. (1 миллиграм = 0,001 грамма. 1 грамм = 0,001 килограмма). т. е. до ¹/₂₀₀₀₀₀₀₀₀ взвешиваемого груза.
Как ни велики были препятствия, какие встречались при необходимости взвешивать тяжелые предметы, они все легко были устранены.
Если старинные весы для этих целей были грубы, малочувствительны, ошибки при взвешивании значительны, все же на этих весах можно было взвешивать. От их усовершенствования зависело только более быстрое, с наименьшей затратой труда и более точно производимое взвешивание. И техника, как мы видели, легко разрешила эти задачи. В гораздо более тяжелых условиях оказались ученые, когда, благодаря углублению знаний, им пришлось стать перед задачей производить свои наблюдения над ничтожными по весу количествами вещества.
Для химических весов 0,005 миллиграмма предельный груз, который они еще могут обнаружить, поэтому, если взвешивается тело в 1 миллиграмм, то может быть отмечен недостаток или избыток в весе этого тела только в одну двухсотую его веса.
Если же взвесить надо 0,001 миллиграмма, то на химических весах этого сделать нельзя: они не обнаружат присутствия на их чашках такого груза.
Чтобы выйти из затруднения, какое создается при необходимости взвешивать количества вещества, далеко уходящие за пределы чувствительности химических весов, необходимо было создать или новый прибор, построенный на иных основаниях, чем химические весы, или же для всех весов типа химических создать такие условия, при которых чувствительность их стала бы во много раз большей. Оба эти пути были использованы в тех работах, где приходилось иметь место с ничтожными количествами вещества. Были созданы новые приборы для осуществления возможности производить взвешивание малых количеств вещества — «микро-весы».
Коромысло весов, построенных Варбургом и Имори, было сделано из стеклянных трубочек толщиной в 1 миллиметр и длиной в 8 сантиметров. Вместо призм сургучом были прикреплены тонкие кусочки бритвы. «Зайчик» от зеркальца, прикрепленного к коромыслу, показывал отклонения весов при нагрузке. Вес коромысла со всеми дополнительными частями был около 0,2 грамма. При нагрузке в 0,6 грамма на каждой стороне, чувствительность весов была такова, что можно было обнаружить разницу в весе в 0,002—0,003 миллиграмма.
На совершенно ином основании построены весы Сальвиони. Чувствительность их такова, что они могут отмечать уже 0,001 миллиграмма.
Как же сделаны эти весы?
Если один конец тонкой палочки укрепить, а другой обременять грузами, то палочка будет сгибаться, величина прогиба (стрелка прогиба) тем больше, чем больше подвешенный груз.
В весах Сальвиони были употреблены тонкие стеклянные нити, прогиб их отмечался с помощью микроскопа с окулярным микрометром, т. е. со шкалой.
Сальвиони применил свои весы к исследованию целого ряда интересных явлений, между прочим, он определил потерю в весе мускуса, т.-е. определил вес запаха.
Но самыми интересными, по тонкости и изяществу метода работы, весами можно считать весы, употребляемые в работе Рамзая и Грэя.
Весы эти были предложены Бертрамом Стилем и Кером Грантом.
Принцип, который лежит в основе их устройства, принцип обыкновенных весов, но метод пользования ими и сама их конструкция таковы, что чувствительность, получаемая при пользовании ими, весьма высока.
Особой формы коромысло сделано из четырех кварцевых стерженьков, толщиной около 0,5 миллиметра, спаянных между собой с пятым стерженьком, оканчивающимся клином. Острие этого клина покоится на полированной кварцевой пластинке, прикрепленной на верху латунной стойки. Вес коромысла с подвесной системой около 0,2 грамма.
К одному плечу коромысла прикреплен кварцевый сосудик с воздухом, запаянный при определенной температуре и давлении, это дает возможность рассчитать вес этого воздуха. На другом конце коромысла помещается кварцевый противовес.
Весы помещаются в латунном ящике со стеклянным оконцом. С помощью насоса из ящика может быть удален воздух, о степени его разрежения говорит соединенный с ящиком манометр.
Действие этих весов строится на известном законе Архимеда: всякое тело, прогруженное в жидкость или газ, как бы теряет в своем весе столько, сколько весят вытесненные им вещества.
Кварцевый сосудик, соединенный с коромыслом, вытесняет определенный об'ем воздуха, находясь в ящике весов. Но воздух в этом ящике, может быть по желанию разрежен насосом, поэтому потеря в весе сосудика может быть сделана или большей или меньшей.
Если мы представим себе, что при определенном давлении воздуха внутри ящика сосудик уравновешен своим противовесом, то, заставляя взвешиваемое тело действовать на коромысло совместно с сосудиком, мы равновесие нарушим.
Для восстановления равновесия придется уменьшить давление. Следовательно, регулируя давление насосом, можно прибавлять, или отнимать малые веса, т. е. производить взвешивание.
Излишние давления в 1 миллиметр соответствовали в опытах Рамзая такими изменениями в положении равновесия, что чувствительность весов достигала 0,0000004 миллиграмма.
От чрезвычайно малых нагрузок в миллионные доли миллиграмма, до взвешивания за один раз 60.000 килограмм — вот та широкая область, в какой в настоящее время применяются весы, принимая ту или иную форму, по воле конструктора, в зависимости от величины взвешиваемых грузов. Можно ли надеяться на расширение области доступных для измерения грузов? Можно ли думать, что могут быть взвешаны грузы еще более тяжелые? Можно ли думать, что не встретится непреодолимых препятствий для обнаружения веса еще более легких масс? На эти вопросы развитие научной мысли дает положительный ответ, и мы в настоящее время имеем много тому доказательств. Вместе с тем, как наука создает сейчас картину строения вещества, проникая мыслью своей в сложную структуру элементов мироздания — атомов, она, можно сказать словами Рамзая, работает над тем, чтобы «увидеть невидимое, ощутить неощутимое и взвесить невесомое».
1) В тексте статьи напечатано: "мы встречаемся с безменом, как с прибором для измерения всех тел." (прим. составителя). (стр. 24.)