Метеорология Глава 6 Часть 4

С точки зрения конструкции барометр Гей-Люссака практически идеален, но заправлять его необходимо кипяченой ртутью, с целью уменьшения погрешности от прилипания ртути в капилляре барометрической трубки. Кроме того, при переноске барометра необходимо следить за тем, чтобы некоторое количество воздуха не попало в верхнюю часть капиллярной трубки, где, как мы помним, находится «торричеллева пустота» - т.е. вакуум. Если воздух туда все-таки попадет, то барометр будет показывать атмосферное давление ниже реального. Эти недостатки за счет усложнения конструкции были устранены в переносном барометре Константина Краевича (1833-1892) – преподававшего физику с 1860-1866 годах в Горном институте (СПб.), и в 1866-1891 годах в Николаевском инженерном училище. Переносный барометр Краевича, рис 6.13., получил премию на Парижской всемирной выставке 1876 года.
 
Рис. 6.13 Переносный барометр Краевича, [6.22.]. 

На выставке барометр Краевича сопровождало такое описание (вариант применительно к рис. 6.13), [6.23.]:

«Переносной барометр Краевича
Недостатки ртутных барометров зависят от несовершенства пустоты и непостоянства в величине волосности. Кипячением ртути в барометрической трубке нельзя отогнать весь воздух от внутренней поверхности стекла, а попавший впоследствии в торричеллиеву пустоту воздух может быть выведен не иначе, как новым кипячением. Кроме того, кипячение под обыкновенным давлением ухудшает качества ртути: она начинает приставать к стеклу, загрязняет его и делает величину волосности непостоянною. Чтобы устранить волосность,  надлежало  бы  брать  широкие  трубки  (18–20  мм   в диаметре); кипячение же ртути в таких трубках представляет весьма большие трудности.
Переносной барометр Краевича не имеет упомянутых недостатков; он наполняется холодной ртутью, а потому барометрические камеры можно сделать произвольно широкими и совершенно устранить влияние волосности; визировать должно на вершины ртутных столбов, не измеряя высот менисков. Рисунок (у нас рис. 6.13.) представляет схему этого прибора, а и В – барометрические камеры, соединенные трубкой  l. Из верхней камеры В выходит тонкая трубка с (; - ; мм), оканчивающаяся широкою (4 – 6 мм) трубкою d, которой конец оттянут в узкое отверстие. Трубка l запирается краном. Установлена шкала.
Одна из выгод, представляемых барометром Краевича, та, что наблюдатель сам может наполнить снаряд ртутью, потому что барометры, уже наполненные, при пересылке по почте, нередко разбиваются. Операция наполнения весьма проста. Обсушив прибор, наполняют нижнюю камеру а чистою и сухой ртутью. На отверстие А этой камеры надевают каучуковую трубку длиною 200 – 300 мм, в другой конец которой вставляют воронку. Воронку поднимают – насколько позволяет длина каучуковой трубки – и наполняют ртутью. Наблюдатель поворачивает мало-помалу барометр в горизонтальное положение, двигая нижнюю его часть направо, верхнюю налево; в то же время помощник поддерживает воронку с ртутью, так чтобы каучуковая трубка была вертикальна. Ртуть переходит по трубке l в камеру В и вытесняет воздух через трубки с и d и отверстие наружу. Когда ртуть, наполнив весь прибор, подойдет к отверстию, кран  запирают, барометр приводят в отвесное положение, а отверстие (на носике трубки  d) запаивают на спиртовой лампе или, еще проще, разогрев оконечность, залепляют сургучом. Затем, опрокинув барометр, выливают всю ртуть из камеры а и снимают каучуковую трубку. Барометр снова перевертывают и ставят в вертикальное положение. Если теперь отворить кран, то ртуть выливается из трубки В по трубке l в камеру а, оставляя за собой пустое пространство. Из трубки d также выльется некоторое количество ртути в В. Если бы этого не случилось и ртуть наполняла бы всю трубку d, то надо слегка подогреть оконечность ее, пока ртуть не опустится. Если же отверстие залеплено сургучом, то необходимо оставлять пузырек воздуха, потому что в этом случае разогревать трубку нельзя. Пустое пространство,  оставленное ртутью в камере В, тотчас же наполняется разреженным воздухом, прилипшим к стенкам камеры в. Чтобы удалить его, надо наклонить барометр, именно верхнюю его часть, налево. Тогда ртуть станет подниматься из камеры а в камеру В и, наполнив ее, вытеснит весь воздух по трубке с в трубку d. Когда, после того,  поставят барометр снова в вертикальное положение, то этот воздух не возвращается в камеру В, будучи отделен от нее столбиком ртути, и не производит никакого влияния на высоту ртути в барометре. Такое действие надо повторить несколько раз.
Если барометр нужно перенести, то его наклоняют верхней частью налево; ртуть уходит из камеры а и наполняет камеру В и трубки с и d. Тогда запирают кран (на трубке l), и снаряд готов к переноске. Придя на место, барометр ставят вертикально и кран отпирают. Если есть сомнение, что в торричеллиеву пустоту попал воздух, то прибор опять наклоняют, чтобы перегнать воздух из камеры В трубку d».

Приведенное описание наглядно показывает, что барометр Краевича был лабораторным, и для его эксплуатации требовались большие навыки, в том числе и в операциях с запайкой стекла. И эти операции были ничуть не проще операций с кипячением ртути для барометра Гей-Люссака, либо очистки нижнего замшевого мешка в барометре Фортина.

Еще раньше переносного барометра Краевича свой вариант дифференциального барометра представил великий русский химик Дмитрий Менделеев (1834-1907), рис. 6.14.  8 марта 1873 года Менделеев на заседании Российского Физического Общества (РФО) сделал  предварительное сообщение «О дифференциальном барометре», затем «снаряд» Менделеева был отправлен в Лондон на  Международную выставку, и 10  мая 1873 года Менделеев на заседании РФО сделал сообщение об усовершенствовании своего дифференциального барометра.

 
Рис. 6.14. Дифференциальный барометр Менделеева, [6.19.]

Создание дифференциального барометра Менделеевым было достаточно случайным событием. В 1872 году он начал работы над упругостью газов,  [6.24.], и обнаружил неточность закона Бойля-Мариотта для малых давлений. Менделеев определил, что указанный закон не выполняется при давлениях воздуха менее 40% от давления на уровне моря (760 мм). Пользоваться стандартными барометрами при лабораторных исследованиях в этой области было весьма неудобно,  и Менделеев придумал свой «снаряд», который показывал разницу текущего давления с тем давлением, которое было замерено до запирания специального крана. Фактически дифференциальный барометр Менделеева мог успешно выполнять функцию высотомера. Уже с 1875 года дифференциальный барометр Менделеева именно как высотомер стал применяться на занятиях Генерального штаба, в том числе и в полевых условиях. Прибор Менделеева позволял упростить работу военных топографов, т.к. он не требовал оптических замеров уровней, т.е. был в этом смысле всепогодным. В 1876 году Менделеев в «Инженерном журнале» опубликовал статью «О барометрическом нивелировании и применении для него высотомера». Эта работа вышла отдельной книжкой и служила практическим руководством к пользованию высотомерами Менделеева, которые выпустила в продажу некая петербургская фирма,  [6.25.].  Точность «высотомера» Менделеева была столь высока, что прибор мог зафиксировать разницу давления даже между ступенями лестницы – т.е. разницу высот всего в 20-25 см.

В середине 19-го века началась реальная история безжидкостных барометров, о возможности  создания которых в 1700 году, как мы помним,  в частном письме к Бернулли сообщал немецкий математик Лейбниц.
Лейбниц предполагал, что измерительным звеном в таком барометрическом приборе будут некие металлические меха. На практике его идею в виде металлической закрытой коробки с откачанным изнутри воздухом в 1844 году реализовал французский изобретатель Люсьен Види (1805-1866). В 1844 году Види получил патент на свой «barometre an;roide», и в 1848 году начал производство таких барометров. Откачанную закрытую коробку в барометре-анероиде принято называть «коробка Види», см. рис. 6.15.
 
Рис. 6.15. Барометр-анероид конструкции Види, [6.22.]

В барометре Види «коробка Види» представляет собой безвоздушную металлическую подушечку с упругими волнообразными стенками, которые при повышении атмосферного давления сдавливаются, а при уменьшении расширяются и системой рычагов передвигают стрелку в ту, или другую сторону. Перед отсчетом показаний простых барометров-анероидом требовалось слегка постучать пальцем по стеклу барометра для устранения инертности стрелки вследствие трения внутренних частей прибора. Передняя стеклянная стенка барометра анероида обычно была снабжена второй (позолоченной) стрелкой, которую можно было произвольно передвигать в любую сторону. Это было сделано для удобной засечки предыдущих показаний барометра, чтобы понять динамику изменения давления – растет оно, или падает. Большие барометры-анероиды были также снабжены специальной таблицей температурных поправок. Но в любом случае требовалась поверка барометров-анероидов по ртутному барометру, сифонного, либо чашечного типа.

В 1859 году патент на барометр у Люсьена Види завершил свое действие, и он передал патентные права и все производство барометров-анероидов в часовую компанию «Breguet», именно такой барометр показан на рис. 6.15., при этом в этом барометре для увеличения чувствительности применено четыре «коробки Види». Кроме измерения давления инструмент Брегет измерял температуру по Реомюру и Фаренгейту. Примерно в 1870 году, после того как было произведено около 10 000 барометров, компания «Breguet» прекратила производство барометров и передала дальнейшее производство в компанию «Lion & Guichard».

В 1849 году французский изобретатель Эжен Бурдон (1808-1884) подал заявку на патент на свой трубчатый барометр, который был назван «barom;tre metallique», см. рис. 6.16.
 
Рис. 6.16. Металлический барометр конструкции Бурдона, [6.19.]

Металлический барометр Бурдона имеет вид круглой металлического корпуса с передней стеклянной стенкой. Внутри  корпуса находится безвоздушная тонкостенная металлическая трубка АВ – «пружина Бурдона», изогнутая в виде подковы, и имеющая в разрезе R овальное сечение. Колебания атмосферного давления заставляют пружину Бурдона либо сгибаться, либо разгибаться. Эти движения «пружины», закрепленной только сверху скобкой С, через систему тяг r r и зубчатую маятниковую передачу o m передаются на стрелку S, которая указывает на круглом циферблате атмосферное давление в дюймах ртутного столба от 28 до 31. Отметим, что основной сферой применения усилий изобретателя Бурдона были не барометры, а манометры. 18 июня 1849 года в Париже он запатентовал «трубку Бурдона», применительно к манометрам, и предоставили лицензию на выпуск приборов мастерским Феликса Ришара. На Всемирной выставке в Париже в 1849 году манометр Бурдона получил золотую медаль.

Люсьен Види увидел в применении манометра Бурдона для измерения атмосферного давления нарушение своих патентных прав и в течение многих лет участвовал в нескольких судебных разбирательствах против Эжена Бурдона, пока, наконец, в 1858 году не выиграл суд.  При этом на Всемирной выставке в Лондоне в 1851 году и барометр Види, и барометр Бурдона разделили одну почетную медаль. По мнению автора методы измерения атмосферного давления у Бурдона и Види в барометрах существенно отличаются, к тому же Бурдон также как и Види в 1844 году получил свой патент в 1849 году, и претензии Люсьена Види на первенство в области изобретения безжидкостных барометров не очевидны.

После истечения срока действия патента Види в 1859 году появилось несколько французских производителей барометров, таких как «PHBN» и «Дюбуа и Кассе». «PHBN» назвала свой барометр «barometre holosterique», этот тип барометра представлен в Главе 5, на рис. 5.1. 

С 1872 года в Германии компания «Готхильф Люффт» стала первым производителем барометров, аналогичных барометрам Види. В 1909 году компания «Готхильф Люфт» получила свой патент на усовершенствованную модель барометра-анероида. Компания Люффт продолжает работать и в 2023 году, сохраняя уже 150 лет свое техническое направление в виде производства разнообразного метеорологического оборудования.

На этом мы завершаем Главу 6, и переходим к Главе 7, в которой расскажем об истории изобретения термометра.
Литература к Главе 6.
6.1.  Аристотель. Собрание сочинений в 4-х томах. М.: «Мысль», 1981.
6.2. Галилей. «Диалог о двух главнейших системах мира — птолемеевой и коперниковой», перевод А.Долгова, М.-Л.: ГИТТЛ, 1948.
6.3.  Galileo, Dialogues Concerning Two New Sciences, trans. Henry Crew and Alfonso DeSalvio, New York: The Macmillan Company, 1914.
6.4. А.Кондрашов, «Новейшая книга фактов». Том 3. Физика, химия и техника, М.: «Рипол классик», 2008.
6.5. Evangelista Torricelli «Operas scelte», Lanfranco Belloni (ed.), Italian, Torino: «UTET», 1975.
6.6. E.Saul «An Historical and Philosophical Account of the Barometer, Or Weather-glass», London: Printed for A.Bettesworth, and C.Hitch,  1730.
6.7. W.E.K. Middleton «The History of the Barometer»,  Baltimore: The Johns Hopkins Press, 1964.
6.8. Gaspar Schott «Technica curiosa, sive mirabilia artis, libris XII comprehensa»,  Nuremberg: Johann Andreas Endter, 1664.
6.9. «Traitez de l';quilibre des liqueurs et de la pesanteur de la masse de l'air contenant l'explication des causes de divers effets de la nature qui n'avoient pas est; bien connus jusques ici, & particuli;rement de ceux que l'on avoit attribuez ; l'horreur du vuide par  Monsieur Pascal», A Paris: Chez Gviliaume Desprez, M. DC. LXIII  (1663).
6.10. Joachim D'Alence, «Curieux traite de mathematique ou par le mouyen de trois instruments, a sauvoir, du barometre, du thermometre, du notiometre, du hygiometre…», Paris: 1713.
6.11. Ф.Розенбергер, «История физики», в 3 ч., М.-Л.: ГТТИ, 1933.
6.12. The History of the Accademia del Cimento, 2007,  Luciano Boschiero  «Experiment and Natural Philosophy in Seventeenth-Century Tuscany»,
6.13. «Micrographia: or, Some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses». With observations and inquiries thereupon / By R. Hooke, London: Printed by Jo. Martyn and Ja. Allestry, printers to the Royal Society, and are to be sold at their shop at the Bell in St. Paul's Churchyard, MDCLXV (1665).
6.14. «The History of the Royal Society of London …», by Thomas Birch, vol. I-IV, LONDON: Printed for A. Millar in the Strand, MDCCLXVI (1756).
6.15. «A continuation of new experiments physico-mechanical, touching the spring and weight of the air and their effects», Boyle, Robert, 1627-1691.Oxford: Printed by Henry Hall for Richard Davis, 1669.
6.16. Pierre Bouguer «Traite d'Optique…», Paris:  M. DCC. LX,   1760.
6.17. Jean  De  Luc  «Recherches  sur  les modifications  de  l'atmosphere»,  Paris: 1772.
6.18. Henry Cavehdish «An Account of the Meteorological Instruments used at the Royal Society House», Philosophical Transactions of the Royal Society, № 66, London, 1776.
6.19. К. Краевич, Учебник физики, СПб.: Тип. Министерства путей сообщения, 1880.
6.20. https://physicsmuseum.uq.edu.au/fortin-mercury-barometer
6.21. Ф. Араго «Биографии знаменитых астрономов, физиков и геометров», в 3-х тт., пер. Д.Перевощикова, Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика, 2000.
6.22. Большая медицинская энциклопедия, 35 тт., М: Изд. «Советская энциклопедия», 1928-1936.
6.23. Т.К. Авдеева, Ф.С. Авдеев «Константин Дмитриевич Краевич. Жизнь. Педагогическая деятельность. Научное творчество», Орел: ГОУ ВПО «ОГУ», 2010.
6.24. П.Слетов, В.Слетова «Менделеев», серия ЖЗЛ, М: Журнально-газетное объединение, 1933.
6.25. О. Писаржевский «Дмитрий Иванович Менделеев», М: «Молодая гвардия», 1949.
Рисунки к Главе 6.
Рис. 6.1. Инструмент Торричелли, оригинал рисунка Торричелли из его письма Риччи [6.5.], первый практический лабораторный барометр.
Рис. 6.2. Эксперимент Берти, [6.8.].
Рис. 6.3. Первый эксперимент Паскаля с прибором Торричелли, [6.9.], оригинал рисунка.
Рис. 6.4. Прибор, вероятно изготовленный Перье по заданию Паскаля, для проведения исследовательской экспедиции по натурному измерению атмосферного давления,  [6.10.], оригинал рисунка.
Рис. 6.5. Колесный барометр сифонного типа конструкции Роберта Гука, [6.13.], оригинал рисунка.
Рис. 6.6. Двухжидкостный чашечный барометр Декарта. Рисунок автора.
Рис. 6.7. Двухжидкостный сифонный барометр Гука. Рисунок автора.
Рис. 6.8. Двухжидкостный чашечный барометр Гюйгенса. Рисунок из [6.10.].
Рис. 6.9. Трехжидкостный сифонный барометр Гука. Рисунок автора.
Рис. 6.10. Фотография переносного барометра, автор конструкции барометра Жан Делюк, 1763 год,  Музей науки и истории Женевы. Общественное достояние.
Источник: https://fr.wikipedia.org/wiki/Jean_Andr
Рис. 6.11. Чашечный барометр Фортина. [6.20.].
Рис. 6.12. Фотография барометра Гей-Люссака. Виртуальный музей «Галлилео». Инв.№ 1143, Общественное достояние. Источник: https://catalogue.museogalileo.it
Рис. 6.13. Переносный барометр Краевича, [6.22.].
Рис. 6.14. Дифференциальный барометр Менделеева, [6.19.]. 
Рис. 6.15. Барометр-анероид конструкции Види, [6.22.].
Рис. 6.16. Металлический барометр конструкции Бурдона, [6.19.].