Метеорология Глава 8 Часть 5

В 1771 году английский инженер, строитель мостов, каналов и маяков Джон Смитон (1724-1792), известный как «отец английского гражданского строительства», а в аэродинамике как автор «коэффициента Смитона»  для подъемной силы, предложил свою конструкцию гигрометра, [8.14.], см. Рис. 8.11.
Конструкторы первых планеров и аэропланов еще в начале 20-го века применяли уравнение подъемной силы крыла с коэффициентом Смитона, но мы оставим эту любопытную тему из истории техники и вернемся к гигрометрии.
Смитон в своем гигрометре, изготовленном в 1758 году, повторяет идею, предложенную в 1685 году в гигроскопе Молинье (см. выше), но с существенным усовершенствованием. Молинье в гигроскопе использует вращение шнура от кнута при его увлажнении и высыхании, Смитон в гигрометре тоже использует шнур – это морская льняная веревка, но показания влажности воздуха считываются непосредственно при уменьшении и увеличении длины этой нагруженной льняной веревки, на которую действует  атмосферный воздух. Традиционно, изобретатель Смитон не упоминает в своей публикации имени Молинье, подобно тому, как изобретатель Фергусон не упоминает имени Коньерса.

Кратко поясним, как работает гигрометр Смитона, Рис. 8.11.
Инструмент (выражение изобретателя Смитона) смонтирован на прочном деревянном щите АВС, достаточно тонком в профиль DE. В верхней точке щита ABC к столбику F прикреплена льняная веревка FG, длиной в 35 дюймов (889 мм) и толщиной  в 1/20 - 1/30 дюйма (1,27 – 0,85 мм). Льняная веревка FG  через проволочную тягу GI соединен со столбиком I, установленном на  стрелке  KL, имеющей длину 12 дюймов (305 мм), при этом на этот же столбик I подвешен груз M, величиной около полуфунта (200 грамм), что обеспечивает устойчивое равновесие всей измерительной системы инструмента. Стрелка KL показывает величину влажности воздуха на дугообразной 10-дюймовой (254 мм) шкале QN, нижняя часть которой QP имеет прорезь, опирается на неподвижную планку RR и закреплена к щиту инструмента винтом S, вкрученным через вышеупомянутую прорезь. Настройка всего инструмента производится путем перемещения планки  QP по наклонной неподвижной планке RR и фиксации нужного положения дугообразной измерительной шкалы QN с помощью винта S.

Реагирующим материалом в инструменте Смитона служит льняная веревка, о котором изобретатель пишет так, перевод автора, [8.14.]:
«Это разновидность веревки, используемой в Лондоне для изготовления сетей, и она относится к тому типу, который производители сетей называют льняной, сложенной в три нити». 
Геометрические размеры измерительной части у инструмента Смитона подобраны таким образом, что диапазон отклонения стрелки не превышает 30 градусов, а погрешность настройки (как пишет Смитон) составляет не более 1/100 от всей шкалы. Шкала инструмента имеет градуировку от «0» до «100», и в «очень влажном» состоянии льняной веревки стрелка показывает величины близкие к «100», а при «очень сухом» состоянии льняной веревки стрелка показывает величины близкие к «0». При этом шкала в гигрометре Смитона не была равномерной – он определил такие градации влажности воздуха: 0 – «сухой», 20 – «средний», 40 – «влажный», 70 – «очень влажный», 100 – «мокрый».
В 1770-1771 годах Джон Смитон в течение 11 месяцев с помощью двух гигрометров своей конструкции проводил замеры влажности воздуха в Лондоне в одном из зданий Королевского общества, куда специально поселился. Наиболее вероятно это было в Карлтон Хаусе в 400 метрах от резиденции правительства Великобритании на Даунинг-стрит. Смитон сообщает, что обычно по его шкале влажность воздуха занимала положение между 15 и 25 условными градусами, и только однажды поднялась до 70 градусов. В январе 1771 года влажность воздуха опускалась до 2 градусов (как говорят инженеры приборостроители – «стрелка легла»), что вынудило изобретателя перенастроить инструменты, так, чтобы прежние 2 градуса «превратились» в 5 градусов.
В результате инструменты на льняной веревке перестали нравиться самому изобретателю, о чем Джон Смитон не без сожаления пишет, перевод автора, [8.14.]:
«Следует отметить, что после переналадки, хотя гигрометры обычно в течение нескольких часов приближались к своей новой измерительной точке, все же только на следующий день можно было на них полагаться, поскольку только тогда  они приходили к ближайшему общему результату».
Разумеется, Джон Смитон выбрал для своего гигрометра сверхнадежный материал с замечательными эксплуатационными свойствами – но требования к морской веревке, из которой вяжут сети, не включают в себя жесткое нормирование удлинения и сжатия при состоянии мокром, либо сухом. Понятно, что длина сухой сети и длина мокрой сети разная, но вряд ли на этом свойстве можно построить хоть какую либо приемлемую метрологию, тем более непонятно, как устранить влияние температуры воздуха на скорости намокания и высыхания льняной морской веревки.

После не очень успешной работы по конструированию гигрометра, выполненной известным инженером Джоном Смитоном, европейскому научному сообществу стало понятно, что для измерения влажности воздуха нужно искать новые пути.

Швейцарский физик Жан Делюк, знакомый нам по Главе 6 как создатель удачной модели портативного  сифонного барометра, решил применить свои методы  для  разработки более «правильного» гигрометра. В 1773 году Делюк выработал три основных требования для гигрометра, как научного инструмента:
• необходима фиксированная крайняя точка на шкале гигрометра, единственная возможность установить которую – настроить гигрометр при экстремальной влажности;
• необходима стандартизация шкал для гигрометров различных конструкций, аналогичная тому, как кипящая вода в термометре дает всегда правильную высоту положения у измерительного столба жидкости в инструменте;
• равные диапазоны в показаниях указателя гигрометра, которые должны быть получены при равных диапазонах изменения влажности воздуха.

Жан Делюк применяет латинское слово «Humor» - «Влага», в значении той величины, которую должен мерить гигрометр, акцентируя внимание на том, что цель этого инструмента – не измерение свойств «Воды», а именно измерение содержания «Влаги». Однако, на вполне логичное переименование прибора из «гигрометра» в «хуморметр» швейцарский физик не решился. Жан Делюк представил свою оригинальную модель гигрометра, которая была комбинацией датчика влажности, выполненного в виде трубки из зуба слона, термометра и барометра, [8.15.].

Конструкция Жана Делюка показана  на Рис. 8.12.
Делюк пишет, перевод автора, [8.15.]:
«Описание гигрометра.
30. Первая часть, которую следует описать (см. Fig I), представляет собой некоторую измерительную трубку из слоновой кости, ааb, с открытым концом аа и закрытым концом в точке b. Трубка сделана из куска слоновой кости, вырезанного из довольно крупного слоновьего зуба, обрезанного на расстоянии нескольких дюймов от его вершины, а также на таком же расстоянии от его основания и внутреннего канала, который доходит до этой точки. Этот кусок зуба нужно просверлить точно по направлению его волокон. Просверленное отверстие должно быть очень прямым, и его размеры составляют 2 1/2 линии в диаметре и 2 дюйма 8 линий в глубину от открытого конца трубки аа до внутренней точки с».
 
Рис. 8.12. Гигрометр Жана Делюка с трубкой из зуба слона, [8.15.].
Далее Делюк рассказывает технологию сборки гигрометра, соединения трубки из слоновой кости с латунными фланцами hh, таким образом, чтобы ось устанавливаемой стеклянной трубки dd длиной около 14 дюймов, совпадала с осью  отверстия в костяной трубке ааb. Много внимания в инструкции по изготовлению гигрометра Делюк уделил способу заливки ртути в гигрометр, и операциям градуировки. При этом всего на шкале гигрометра Делюка было 1937 штрихов, был обозначен «0», от ступени «20», ниже нуля до ступени  «180» выше нуля (см. Рис. 8.12. Fig II). Всего в гигрометр Делюка заливалось около 460 гран ртути, т.е. 29,8 грамма. В целом по своей конструкции, сложности изготовления, юстировки, калибровки, дефицитности чувствительного материала – крупный зуб слона – гигрометр Делюка намного превосходил и его знаменитый барометр образца 1763 года, и конструкции гигрометров всех предшествующих изобретателей.

В конце февраля 1772 года Делюк начал первые наблюдения с помощью своего гигрометра. Во время дождя гигрометр показывал «50-54» градуса. Затем влажность упала до «35», на следующий день днем влажность была равна «28 ;»,  на следующую ночь  влажность составила «21 ;» градуса.  Этот уровень держался более месяца,  но 19 апреля 1772 года столбик ртути в гигрометре упал до  «3 ;» градуса. Затем 20 апреля 1772 года пошел дождь, и влажность немного прибавилась – до «20-21» градуса, а на следующее утро упала до  «6 ;» градуса. Таким образом, реальный диапазон значений в гигрометре Делюка не превышал 30 градусов. Исправить положение можно было путем налива в инструмент большего объема ртути, либо путем уменьшением сечения внутреннего отверстия в стеклянной трубке. Оставалось непонятным как нормировать влияние влажности на такой экзотический материал как зуб слона, и дают ли подобные материалы (разные зубы у разных пород слонов) идентичные результаты.
Вопрос с диапазоном измерения у гигрометров Делюк решил, но результаты замеров влажности два гигрометра, которые он изготовил, показывали абсолютно фантастические. В течение одного и того же дня 13 сентября 1772 года гигрометр Делюка, стоявший в тени, показывал влажность от 107 градусов (хорошая погода с облаками) до 20 градусов (туман), а гигрометр Делюка, стоявший на солнце, параллельно показывал 133 градуса (хорошая погода с облаками), и 26 градусов (туман). Следовательно, 3-е требование к гигрометру (см. выше), сформулированное Делюком, на его гигрометрах не выполнялось. Обнаружил Делюк и другие «парадоксы» в значениях влажности, измеренной его гигрометрами.
В заключение своей статьи о гигрометре Жан Делюк сообщает об общих результатах своих исследований по гигрометрии нечто очень напоминающее выводы инженера Джона Смитона (см. выше), перевод автора, [8.15.]:
«И если, например, мы сравним любой летний день, в котором гигрометр на открытом воздухе находится на той же ступени, что и в любой зимний день, то воздух в летний день содержит больше влажности, чем в зимний день, но на гигрометр влажность будет действовать меньше.  И все же, поскольку активная часть влажности будет иметь повышенную силу, воздействие ее на все другие предметы будет тоже выше. Это то, как мне это явление представляется, но я не могу больше рассказать об этой ситуации. Я сказал достаточно, чтобы показать, что предмет этих исследований очень сложный и дорогой и заслуживает очень внимательного изучения».

Так великий изобретатель и ученый Жан Делюк признал свою временную неудачу. В 1791 году Жан Делюк написал еще одну крупную работу посвященную  созданию гигроскопа. В своем новом инструменте, который Жан Делюк начал конструировать в октябре 1787 года, он использовал в качестве реагирующего вещества другой вид кости, а именно полоски «китового уса» – роговых пластинок на верхней челюсти кита, разрезанные поперек волокна. Гигрометр Делюка на «китовом усе», Рис. 8.13.  показывал однородные и вполне удовлетворительные результаты. [8.16.].
 
Рис. 8.13. Гигрометр Жана Делюка на китовом усе [8.16.].