«Трактат о метеорологических приборах: научные принципы, методы конструирования и практическое применение»

Таблица I рассчитана по формуле: высота в футах = 60 200 (log 29,922 - log B) + 925; где 29,922 — среднее атмосферное давление при 32° F и среднем уровне моря на широте 45°; а B — любое другое барометрическое давление; 925 добавлено, чтобы избежать знаков минус в таблице.

Таблица II содержит поправку, необходимую для средней температуры слоя воздуха между станциями наблюдения; и вычислена по коэффициенту Реньо для расширения воздуха, который составляет 0,002036 его объема при 32° на каждый градус выше этой температуры.

Таблица III — это поправка, обусловленная разностью гравитации на любой другой широте, и найдена по формуле x = 1 + 0,00265 cos 2 широты.

Таблица IV предназначена для поправки на уменьшение гравитации при подъеме от уровня моря.

Чтобы использовать эти таблицы: после того как показания барометра на верхней и нижней станциях были исправлены и приведены к температуре 32° F, возьмите из Таблицы I числа, соответствующие исправленным показаниям, и вычтите нижнее из верхнего. Умножьте эту разность последовательно на коэффициенты, найденные в Таблицах II и III. Коэффициентом из Таблицы III можно пренебречь, если не требуется точность. Наконец, добавьте поправку, взятую из Таблицы IV.

Таблица I.

Приблизительная высота, обусловленная барометрическим давлением.

Inches. Feet. Inches. Feet. Inches. Feet. 31·0 0 28·2 2475 25·4 5209 30·9 84 ·1 2568 ·3 5312 ·8 169 28·0 2661 ·2 5415 ·7 254 27·9 2754 ·1 5519 ·6 339 ·8 2848 25·0 5623 ·5 425 ·7 2942 24·9 5728 ·4 511 ·6 3037 ·8 5833 ·3 597 ·5 3132 ·7 5939 ·2 683 ·4 3227 ·6 6045 ·1 770 ·3 3323 ·5 6152 30·0 857 ·2 3419 ·4 6259 29·9 944 ·1 3515 ·3 6366 ·8 1032 27·0 3612 ·2 6474 ·7 1120 26·9 3709 ·1 6582 ·6 1208 ·8 3806 24·0 6691 ·5 1296 ·7 3904 23·9 6800 ·4 1385 ·6 4002 ·8 6910 ·3 1474 ·5 4100 ·7 7020 ·2 1563 ·4 4199 ·6 7131 ·1 1653 ·3 4298 ·5 7242 29·0 1743 ·2 4398 ·4 7353 28·9 1833 ·1 4498 ·3 7465 ·8 1924 26·0 4598 ·2 7577 ·7 2015 25·9 4699 ·1 7690 ·6 2106 ·8 4800 23·0 7803 ·5 2198 ·7 4902 22·9 7917 ·4 2290 ·6 5004 ·8 8032 ·3 2382 ·5 5106 ·7 8147

Таблица I — продолжение.

Приблизительная высота, обусловленная барометрическим давлением.

Inches. Feet. Inches. Feet. Inches. Feet. 22·6 8262 18·9 12937 15·2 18632 ·5 8378 ·8 13076 ·1 18805 ·4 8495 ·7 13215 15·0 18979 ·3 8612 ·6 13355 14·9 19154 ·2 8729 ·5 13496 ·8 19330 ·1 8847 ·4 13638 ·7 19507 22·0 8966 ·3 13780 ·6 19685 21·9 9085 ·2 13923 ·5 19865 ·8 9205 ·1 14067 ·4 20046 ·7 9325 18·0 14212 ·3 20228 ·6 9446 17·9 14358 ·2 20412 ·5 9567 ·8 14505 ·1 20597 ·4 9689 ·7 14652 14·0 20783 ·3 9811 ·6 14800 13·9 20970 ·2 9934 ·5 14949 ·8 21159 ·1 10058 ·4 15099 ·7 21349 21·0 10182 ·3 15250 ·6 21541 20·9 10307 ·2 15402 ·5 21734 ·8 10432 ·1 15554 ·4 21928 ·7 10558 17·0 15707 ·3 22124 ·6 10684 16·9 15861 ·2 22321 ·5 10812 ·8 16016 ·1 22520 ·4 10940 ·7 16172 13·0 22720 ·3 11069 ·6 16329 12·9 22922 ·2 11198 ·5 16487 ·8 23126 ·1 11328 ·4 16646 ·7 23331 20·0 11458 ·3 16806 ·6 23538 19·9 11589 ·2 16967 ·5 23746 ·8 11721 ·1 17129 ·4 23956 ·7 11853 16·0 17292 ·3 24168 ·6 11986 15·9 17456 ·2 24381 ·5 12120 ·8 17621 ·1 24596 ·4 12254 ·7 17787 12·0 24813 ·3 12389 ·6 17954 11·9 25032 ·2 12525 ·5 18122 ·8 25253 ·1 12662 ·4 18291 ·7 25476 19·0 12799 ·3 18461 ·6 25700

Таблица II.

Поправка, обусловленная средней температурой воздуха.

Mean

Temp. Factor. Mean

Temp. Factor. Mean

Temp. Factor. 10° 0·955 35° 1·006 60° 1·057 11 ·957 36 1·008 61 1·059 12 ·959 37 1·010 62 1·061 13 ·961 38 1·012 63 1·063 14 ·963 39 1·014 64 1·065 15 ·965 40 1·016 65 1·067 16 ·967 41 1·018 66 1·069 17 ·969 42 1·020 67 1·071 18 ·971 43 1·022 68 1·073 19 ·974 44 1·024 69 1·075 20 ·976 45 1·026 70 1·077 21 ·978 46 1·029 71 1·079 22 ·980 47 1·031 72 1·081 23 ·982 48 1·033 73 1·083 24 ·984 49 1·035 74 1·086 25 ·986 50 1·037 75 1·088 26 ·988 51 1·039 76 1·090 27 ·990 52 1·041 77 1·092 28 ·992 53 1·043 78 1·094 29 ·994 54 1·045 79 1·096 30 ·996 55 1·047 80 1·098 31 0·998 56 1·049 81 1·100 32 1·000 57 1·051 82 1·102 33 1·002 58 1·053 83 1·104 34 1·004 59 1·055 84 1·106

Таблица III.

Latitude. Factor. Latitude. Factor. Latitude. Factor. 80° 0·99751 50 0·99954 20 1·00203 75 0·99770 45 1·00000 15 1·00230 70 0·99797 40 1·00046 10 1·00249 65 0·99830 35 1·00090 5 1·00261 60 0·99868 30 1·00132 0 1·00265 55 0·99910 25 1·00170

Таблица IV.

Height in

Thousand Feet. Correction

Additive. Height in

Thousand Feet. Correction

Additive. 1 3 14 44 2 5 15 48 3 8 16 52 4 11 17 56 5 14 18 60 6 17 19 65 7 20 20 69 8 23 21 74 9 26 22 78 10 30 23 83 11 33 24 88 12 37 25 93 13 41 26 98 Пример 1. 21 октября 1852 года, когда г-н Уэлш поднялся на воздушном шаре в 3 ч 30 мин пополудни, барометр, исправленный и приведенный, показывал 18,85, температура воздуха 27°, в то время как в Гринвиче, на 159 футов выше уровня моря, барометр в то же время показывал 29,97 дюйма, температура воздуха 49°, шар находился не более чем в 5 милях к юго-западу от Гринвича; требуется найти его высоту.

Feet. Barometer in Balloon 18·85, Table I. = 13007 " at Greenwich 29·97 " 883 12124 Mean Temperature, 38°, Table II. Factor 1·012 12269· Latitude 51½°, Factor from Table III. ·99941 12262 Correction from Table IV. 38 12300 Elevation of Greenwich 159 "Balloon 12459feet. Следующие примеры из полетов на воздушных шарах Дж. Глейшера, эсквайра, члена Королевского общества, послужат для практики. [4]

2. Поднялся из Вулвергемптона, 18 августа 1862 года, в 2 ч 38 мин пополудни; барометр (во всех случаях исправленный и приведенный к 32° F) показывал 14,868, температура воздуха 26°; в то же время в Роттесли-холле, на 531 фут выше уровня моря, на широте 52½° с. ш., барометр показывал 29,46, а температура воздуха 65,4°; найдите высоту воздушного шара над уровнем моря.

Height, 18,959 feet.

3. Из того же места был совершен подъем 5 сентября 1862 года, когда в 1 ч 48 мин пополудни барометр показывал 11,954, воздух 0°; в Роттесли-холле 29,38, воздух 56°.

Height, 23,923 feet.

4. Из Хрустального дворца был совершен подъем на воздушном шаре 20 августа 1862 года. В 6 ч 47 мин пополудни барометр показывал 25,55, воздух 50,5°; и в то же время в Гринвичской обсерватории, на 159 футов выше уровня моря, барометр показывал 29,81, воздух 63°.

Height, 4,406 feet.

5. Из того же места был совершен подъем 8 сентября 1862 года. В 5 ч пополудни, когда шар находился над Блэкхитом, барометр показывал 25,60, а воздух 49,5°, в то время как в Гринвиче барометр показывал 29,92, воздух 66,4°.

Height, 4,461 feet.

ГЛАВА V.

ВТОРИЧНЫЕ БАРОМЕТРЫ.

43. Желательность увеличения диапазона барометра. — Пределы, в которых колеблется обычный барометрический столбик, не превышают четырех дюймов для экстремального диапазона, в то время как обычный диапазон ограничен примерно двумя дюймами; поэтому часто ощущалось, что общественная полезность прибора была бы значительно повышена, если бы каким-либо образом можно было увеличить длину показаний шкалы. Эта цель пыталась быть достигнутой путем изгиба верхней части трубки от вертикали, так что дюймы на шкале могли быть увеличены в длину пропорционально секансу угла, который она составляла с вертикалью. Это называлось «диагональным барометром». Верхняя часть трубки также была сформирована в виде спирали, и шкала, помещенная вдоль нее, таким образом значительно увеличивалась.

Но эти методы увеличения показаний не могут быть выполнены так успешно, дешево или элегантно, как это делается с помощью принципа, используемого в циферблатном барометре. Поэтому они не используются.

Fig. 31.

44. Барометр с большим диапазоном Хаусона. — Совсем недавно г-ном Хаусоном был запатентован совершенно новый дизайн барометра с большим диапазоном. Конструкция не требует ни искажения трубки, ни механизма для преобразования короткой шкалы в длинную; но сама ртуть поднимается и опускается в расширенном диапазоне естественным образом и в простом подчинении изменяющемуся давлению атмосферы. Трубка закреплена, но ее резервуар поддерживается простым давлением атмосферы. Глядя на прибор, это кажется настоящим чудом. Кажется, что резервуар с ртутью в нем должен упасть на землю. Отверстие трубки широкое, около дюйма в поперечнике. Длинный стеклянный стержень прикреплен к дну стеклянного резервуара, где также помещен кусок пробки или какого-либо эластичного вещества. Трубка заполнена ртутью; стеклянный стержень погружается в трубку, когда ее держат верхом вниз, пока пробка не подойдет вплотную к трубке и не приляжет к ней плотно. Давление на пробку просто предотвращает вытекание ртути, пока прибор переворачивается. Когда он перевернут, ртуть частично опускается и образует обычный барометрический столбик. Когда верх удерживается, резервуар и стеклянный стержень, вместо того чтобы упасть, остаются идеально подвешенными. Нет никакой материальной опоры для резервуара; закреплена только трубка, резервуар висит на ней. Стекло во много раз легче ртути. Когда вводится стеклянный стержень, он вытесняет равный объем ртути. Стеклянный стержень, будучи намного легче ртути, плавает и поддерживает дополнительный вес резервуара своей плавучестью. Тем временем атмосфера воздействует на ртуть, поддерживая обычный барометрический столбик. Предположим, что в обычном барометре происходит подъем, атмосфера вдавливает еще немного ртути в трубку. Эта ртуть берется из резервуара, который, конечно, становится легче, и поэтому стержень и резервуар всплывают немного выше, что таким образом заставляет столбик ртути подняться еще больше. Увеличенное давление и плавучесть, действуя вместе, увеличивают подъем барометрического столбика, как показано фиксированной шкалой. Один дюйм в барометре может быть представлен двумя или более дюймами в этом приборе, в зависимости от конструкции. Предположим, что произошло уменьшение давления, ртуть опустилась бы, попала в резервуар, сделала бы его тяжелее и несколько увеличила бы падение. Фрикционные направляющие в верхней части стержня предотвращают его контакт со стенкой трубки при вертикальном подвешивании. Иллюстрация, рис. 31, показывает внешний вид прибора, оформленного в дерево производителями, компанией «Негретти и Замбра».

45. Барометр с большим диапазоном Макнила. — Барометр, разработанный джентльменом по имени Макнил, основан на прямо противоположном принципе, чем только что описанный. Трубка сделана плавающей на ртути в резервуаре. Она заполнена ртутью, перевернута обычным образом, а затем оставлена плавать, удерживаясь вертикально стеклянными фрикционными точками или направляющими. Благодаря этому приспособлению обычный диапазон барометра значительно увеличивается. Один дюйм подъема или падения в эталонном барометре может быть представлен четырьмя или пятью дюймами в этом приборе, так что он очень отчетливо показывает малые изменения атмосферного давления. По мере того как ртуть опускается в трубке при уменьшении давления, поверхность ртути в резервуаре поднимается, и плавающая трубка также поднимается, что вызывает дополнительное опускание столбика, как показано фиксированными градуировками на трубке. При увеличении давления часть ртути покинет резервуар и поднимется в трубке, в то время как сама трубка опустится, и таким образом вызовет дополнительный подъем ртути. Этот барометр идентичен по принципу барографу Кинга (см. стр. 34).

Конструкция барометров Хаусона и Макнила была поручена компании «Негретти и Замбра». Эти приборы обычно изготавливаются для бытовых целей со шкалой от трех до пяти, а для общественного использования — от пяти до восьми раз больше шкалы обычного эталонного барометра. Их чувствительность, следовательно, увеличивается в равной пропорции, и они имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что на них не влияют различия уровней в резервуаре. Однако эти новинки не были достаточно испытаны, чтобы определить их практическую ценность для строго научных целей; но как погодные стекла, для показа мельчайших изменений, они превосходят обычный барометр.

46. Водяной барометр. — Если в колбу Флоренции с длинным горлышком налить небольшое количество воды, а затем перевернуть ее и поддержать так, чтобы открытый конец погрузился в сосуд, содержащий воду, небольшой столбик воды будет заключен в горлышке бутылки, давление которого на поверхность открытой воды будет равно разности между атмосферным давлением и упругостью заключенного воздуха в теле бутылки. По мере изменения давления атмосферы этот столбик будет изменять свою высоту. Но упругость заключенного воздуха также подвержена изменениям из-за перепадов температуры. Следовательно, колебания столбика зависят от изменений температуры и атмосферного давления. Такое устройство называлось «водяным барометром» и имеет примерно ту же относительную ценность по отношению к ртутному барометру как показатель погодных изменений, что и гигрометр из кошачьей кишки по отношению к термометрическому гигрометру как индикатор относительной влажности.

47. СИМПИЕЗОМЕТР.

Fig. 32.

Тем не менее прибор, который сейчас будет описан, зависящий от схожих принципов, но научно сконструированный и градуированный, является очень полезной и ценной заменой ртутному барометру. Он состоит из стеклянной трубки, варьирующейся в зависимости от целей, для которых требуется прибор, от шести до двадцати четырех дюймов в длину. Верхний конец закрыт и сформирован в колбу; нижний загнут вверх, сформирован в резервуар и открыт сверху через пипетку или конус. Пробка, перемещаемая защелкой снизу, может закрывать это отверстие, чтобы сделать прибор портативным.

Верхняя часть трубки заполнена воздухом; нижняя часть и часть резервуара — серной кислотой, окрашенной так, чтобы сделать ее хорошо видимой. Раньше использовались водород и масло. Однако было обнаружено, что в процессе, известном химикам как осмос, этот легкий газ со временем частично улетучивался, а остаток смешивался с воздухом, в результате чего градуировки переставали быть правильными. В нынешней конструкции они более долговечны. Жидкость поднимается и опускается в трубке при совместном воздействии изменений атмосферного давления и температуры. Если бы давление было постоянным, заключенный воздух расширялся бы и сжимался только из-за температуры, и прибор действовал бы как термометр. Фактически, прибор рассматривается как таковой при производстве; и термометрические шкалы определены и выгравированы на шкале. Хороший ртутный термометр также установлен на той же раме. Если, следовательно, в какое-либо время ртутный и воздушный термометры показывают не одинаково, это, очевидно, должно быть связано с атмосферным давлением, действующим на воздух в трубке; и далее очевидно, что при этих обстоятельствах положение верха жидкости может быть отмечено для представления барометрического давления в данный момент. Таким образом, путем сравнения с эталонным барометром определяется шкала давления, простирающаяся обычно от 27 до 31 дюйма.

При правильном изготовлении эти приборы хорошо согласуются с ртутным барометром в течение ряда лет, и их последующая регулировка не является делом больших расходов.

Для использования на море жидкостный столбик сужен на изгибе. Симпиезометр очень чувствителен и чувствует изменения атмосферного давления раньше, чем обычный морской барометр.

Шкала обычно выполнена на посеребренной латуни, установлена на раме из красного дерева или палисандра, защищена спереди листовым стеклом. Он обычно снабжен вращающимся регистром для записи наблюдения, чтобы можно было знать, увеличилось или уменьшилось давление в интервале наблюдения.

Маленькие карманные симпиезометры иногда оснащаются шкалами из слоновой кости и защищаются аккуратным футляром из картона или марокканской кожи с бархатной подкладкой.

Как проводить наблюдение. — На практике показания атмосферного давления получают с симпиезометра, отмечая, во-первых, температуру ртутного термометра; во-вторых, устанавливая указатель шкалы давления на ту же степень температуры на шкале воздушного столба; в-третьих, считывая высоту жидкости на подвижной шкале.

Указания по применению. — Симпиезометр следует носить и обращаться с ним так, чтобы верх всегда был направлен вверх, чтобы предотвратить механическое смешивание воздуха с жидкостью. Также следует позаботиться о том, чтобы защитить его от случайных лучей солнца или огня в каюте.

48. АНЕРОИДЫ.

Прекрасный и весьма остроумный прибор, называемый именем Анероид, не менее примечателен научными принципами своей конструкции и действия, чем тонкостью своего механизма. Это замена, и, возможно, лучшая из всех замен, ртутному барометру. Как следует из его названия, он сконструирован «без жидкости». Он был изобретен М. Види из Парижа. В общем виде, в котором он изготавливается, он состоит из латунного цилиндрического корпуса диаметром около четырех дюймов и глубиной полтора дюйма, с циферблатом, градуированным и отмеченным аналогично циферблату «колесного барометра», на котором индекс или указатель показывает атмосферное давление в дюймах и десятичных долях дюйма в соответствии с ртутным барометром. Внутри корпуса, для обычных размеров, помещена плоская металлическая коробка, обычно не более полудюйма толщиной и около двух дюймов или чуть больше в диаметре, из которой почти полностью откачан воздух. Верх и низ этой коробки гофрированы концентрическими кругами, чтобы уступать внутрь под внешним давлением и возвращаться, когда давление снимается. Давление атмосферы, действующее извне, постоянно меняется, в то время как упругое давление небольшого количества воздуха внутри может меняться только при увеличении или уменьшении его объема или при изменении температуры. Оставляя на мгновение без внимания влияние температуры, мы можем легко заметить, что по мере уменьшения давления снаружи коробки упругая сила воздуха внутри будет выталкивать верх и низ коробки; а когда внешнее давление увеличивается, они будут вдавливаться. Таким образом, при изменяющемся давлении атмосферы верх и низ коробки приближаются друг к другу и удаляются на небольшую величину; но поскольку низ закреплен, почти все это движение происходит на верху. Таким образом, верх коробки подобен эластичной подушке, которая поднимается и опускается в зависимости от того, уменьшается или увеличивается сжимающая сила. Для глаза эти расширения и сжатия не были бы заметны, настолько мало движение. Но они становятся очень очевидными благодаря тонкому механическому устройству. К коробке прикреплен прочный кусок железа, удерживаемый прижатым к ней пружиной на одном конце; так что, когда верх коробки поднимается, движение становится ощутимым в точке, удерживаемой пружиной, а когда верх опускается, пружина притягивает кусок железа в тесный контакт с ним. Этот кусок железа действует как рычаг, имеющий точку опоры на одном конце, силу в центре верха коробки, а другой конец контролируется пружиной. Таким образом, очевидно, что малое движение центра верха коробки значительно увеличивается на конце пружины. Полученное таким образом движение передается системе рычагов; и, посредством вмешательства куска часовой цепочки и тонкой пружины, проходящей вокруг вала, поворачивает указатель вправо или влево, в зависимости от того, увеличивается или уменьшается внешнее давление. Таким образом, когда при увеличении давления вакуумная коробка сжимается, механизм передает движение указателю, и он движется вправо; когда вакуумная коробка раздувается при уменьшенном давлении, механическое движение меняется на обратное, и указатель движется влево. По мере того как указатель перемещается по циферблату, он показывает на шкале давление, соответствующее тому, которое в то же время и в том же месте показал бы хороший ртутный барометр; то есть, если предположить, что он правильно отрегулирован.

С тех пор было принято другое и более элегантное устройство. Широкая изогнутая пружина соединена с верхом вакуумной коробки так, чтобы сжиматься верхом коробки, уступающим внутрь при увеличенном давлении, и расслабляться самой и коробке по мере уменьшения давления. Система рычагов соединена с этой пружиной, которая увеличивает и передает движение указателю способом, уже описанным. Увеличение давления заставляет рычаги ослабить кусок часовой цепочки, соединенный с ними и валом указателя. Пружина теперь разворачивается, наматывает цепь на вал и поворачивает указатель вправо. Уменьшение давления сматывает цепь с барабана, затягивает спиральную пружину, которая, таким образом, поворачивает указатель влево. Градуировки шкалы анероида получаются путем сравнения с правильным эталонным показанием ртутного барометра при нормальном и уменьшенном атмосферном давлении. Уменьшенное давление получается путем помещения обоих приборов под приемник воздушного насоса.

Fig. 33.

Рис. 33 представляет новейший улучшенный механизм анероида. Внешний корпус и лицевая сторона прибора удалены, но стрелка прикреплена своей втулкой к валу. А — гофрированная коробка, из которой был откачан воздух через трубку J и герметично запечатан пайкой. B — мощная изогнутая пружина, опирающаяся на цапфы, закрепленные на пластине рамы, и прикрепленная к гнезду позади, F, в верху коробки. Рычаг C, соединенный с толстым краем пружины, соединен изогнутым рычагом D с цепью E, другой конец которой намотан вокруг вала F и прикреплен к нему. По мере того как коробка A сжимается под весом увеличивающейся атмосферы, пружина B затягивается, рычаг C опускается, а цепь E разматывается с F, который тем самым поворачивается так, что стрелка H движется вправо. Тем временем спиральная пружина G, намотанная вокруг F и закрепленная одним концом на раме, а другим к F, сжимается. Когда, следовательно, давление уменьшается, A и B расслабляются в силу своей упругости; E ослабевает, G разматывается, поворачивая F, который несет H влево. Рядом с J показан железный столбик, отлитый как часть основания пружины B. Винт работает в этом столбике через дно пластины, с помощью которого пружина B может быть отрегулирована относительно коробки A так, чтобы установить стрелку H для считывания по шкале в соответствии с показаниями ртутного барометра. Рычаг C состоит из латуни и стали, спаянных вместе, и отрегулирован повторными испытаниями для коррекции эффектов температуры.

Термометр иногда прикрепляется к анероиду, так как он удобен для индикации температуры воздуха. Что касается самого прибора, никакая поправка на температуру не может быть применена с уверенностью. Он должен быть установлен для считывания с ртутным барометром при 32° F. Тогда предполагается, что показания с него не требуют никакой поправки.

При рассмотрении влияния температуры на анероид они оказываются несколько сложными. Существует эффект расширения и сжатия различных металлов, из которых состоит механизм; и существует эффект на упругость небольшого количества воздуха в коробке. Повышение температуры вызывает большую, уменьшение — меньшую упругость в этом воздухе. Компенсация эффектов температуры регулируется процессом «проб и ошибок», и лишь немногие производители делают это хорошо. Это очень часто просто обман. Адмирал Фицрой пишет в своем «Руководстве по барометру»: «Известное расширение и сжатие металлов при изменяющихся температурах вызывало сомнения в точности анероида при таких изменениях; но они были частично устранены путем введения в вакуумную коробку небольшого количества газа в качестве компенсации за эффекты тепла или холода. Газ в коробке, меняющий свой объем при изменении температуры, предназначался для компенсации эффекта на металлы, из которых сделан анероид. Кроме того, дальнейшая и более надежная компенсация была недавно осуществлена комбинацией латунных и стальных планок».

«Анероидные барометры, если их часто сравнивать с хорошими ртутными столбами, схожи в своих показаниях и ценны; но следует помнить, что они не являются независимыми приборами, что они устанавливаются изначально по барометру, требуют периодической регулировки и могут со временем портиться, хотя и медленно».

«Анероид быстро показывает изменение атмосферного давления; и для навигатора, который знает трудность, порой, использования барометров, этот прибор — большое благо, ибо его можно поместить где угодно, совершенно вне опасности, и на него не влияет движение корабля, хотя он верно дает индикацию увеличенного или уменьшенного давления воздуха. При подъеме или спуске на высоты стрелка анероида может быть видна движущейся (как стрелка часов), показывая высоту над уровнем моря или разность уровней между местами сравнения».

В своих «Заметках о метеорологии» адмирал пишет: «Анероид — отличный “погодный прибор”, если он хорошо изготовлен. В последнее время с помощью эффективного механизма была введена компенсация температурных колебаний. В усовершенствованном виде, при стоимости около 5 фунтов стерлингов, он пригоден для измерения высот до 5000 футов с приблизительной точностью; но даже по цене 3 фунта стерлингов, будучи только “погодным прибором”, он чрезвычайно ценен, поскольку его можно носить с собой куда угодно; и если время от времени сравнивать его с хорошим барометром, на него можно вполне положиться. У меня один такой прибор находится в постоянном использовании уже десять лет, и, кажется, он сейчас так же хорош, как и вначале. Для военного корабля (учитывая сотрясения от стрельбы из орудий), для шлюпок, или чтобы держать его в ящике стола, или на столе, я считаю, нет ничего лучше него для использования в качестве обычного “погодного прибора”».

Полковник сэр Г. Джеймс, инженерный корпус, в своих «Инструкциях по проведению метеорологических наблюдений» говорит об анероиде: «Это ценнейший прибор; он чрезвычайно портативен. Я использую такой прибор уже более десяти лет и считаю его лучшей формой барометра в качестве “погодного прибора” из всех, что были созданы».

Одной из целей экспериментов мистера Глейшера на воздушных шарах было «сравнение показаний анероидного барометра с показаниями ртутного барометра на высотах до пяти миль». При сравнении показания ртутного барометра корректировались с учетом инструментальной погрешности и температуры. Показания анероида, говорит мистер Глейшер, «доказывают, что на все наблюдения, сделанные во время нескольких подъемов, можно с уверенностью полагаться, а также что анероидный барометр можно изготовить так, чтобы он правильно показывал давление ниже двенадцати дюймов». В качестве одного из общих выводов, полученных из своих экспериментов, он утверждает, «что анероидный барометр показывает правильно до первого, а вероятно, и до второго десятичного знака при давлении вплоть до семи дюймов». Два анероида, использованные мистером Глейшером, были изготовлены компанией «Негретти и Замбра».

Анероиды в настоящее время производятся с почти идеальной температурной компенсацией. Поэтому такой прибор должен показывать одинаковое давление во внешнем воздухе при температуре, скажем, 40°, как и в помещении, где температура в то же время может составлять 60°, при условии отсутствия разницы в высоте. Чтобы тщательно проверить это, потребовалось бы исследование и сравнение с показаниями барометра, приведенными к 32° по Фаренгейту, проведенное в широком диапазоне температур и при искусственно пониженном давлении. Практический метод, по-видимому, заключается в ежедневном или более частом сравнении анероида в течение нескольких недель с показаниями ртутного барометра, приведенными к 32°; и если обнаруженная таким образом погрешность постоянна, можно предположить, что цель компенсации достигнута, особенно если температура в течение этого периода значительно варьировалась.

Указания по использованию анероида. — Анероиды обычно подвешиваются так, чтобы циферблат находился в вертикальном положении; но если их расположить циферблатом горизонтально, показания в этих двух положениях будут отличаться на несколько сотых дюйма. Следовательно, если их показания регистрируются, их следует держать в одном и том же положении.

Анероид не подходит для точных научных целей, так как на него нельзя полагаться в течение длительного времени. Его погрешность показаний меняется медленно, отсюда необходимость время от времени устанавливать его по показаниям хорошего барометра. Чтобы это было возможно, на задней стороне внешнего корпуса имеется головка винта, соединенная с пружиной, прикрепленной к вакуумной коробке. Приложив небольшую отвертку к этому винту, можно затянуть или ослабить пружину вакуумной коробки, и стрелка будет соответственно перемещаться вправо или влево по циферблату. Таким образом, помимо возможности корректировать анероид в любое время, «если требуется измерить высоту, несколько превышающую ту, которую обычно показывает анероид, его можно перенастроить следующим образом: находясь на верхней станции (в пределах его диапазона) и тщательно записав показания, поверните винт сзади так, чтобы вернуть стрелку на несколько дюймов назад (если прибор позволяет), затем снимите показания и начните снова. При спуске проделайте обратную операцию. Это может добавить несколько дюймов измерения приблизительно». — Фицрой.

Fig. 34.

49. Анероиды малого размера. — Поскольку срок действия патента на анероид истек, адмирал Фицрой настоятельно рекомендовал компании «Негретти и Замбра» уменьшить размер, в котором он до сих пор производился, а также улучшить его механическое устройство и температурную компенсацию. Соответственно, они наняли искусных мастеров, которые под их руководством и за их счет, ценой большого труда и экспериментов, преуспели в уменьшении его размеров до двух дюймов в диаметре и полутора дюймов в толщину. Точный размер и внешний вид этого анероида показаны на рис. 34. Компенсация тщательно отрегулирована, а градуировка циферблата определена при пониженном давлении, так что деления не совсем равны, но более точны.

Fig. 35.

50. Карманный анероид. — Впоследствии размер анероида был еще больше уменьшен, и теперь его можно приобрести диаметром от полутора до шести дюймов. Самый маленький размер может быть помещен в корпус часов (рис. 35) или иным образом приспособлен для ношения в кармане. С помощью прекрасно простого приспособления рифленый ободок регулируется так, чтобы вращаться при нажатии рукой, и перемещать тонкий указатель или стрелку снаружи и вокруг шкалы, выгравированной на циферблате, для отметки показаний, чтобы можно было легко заметить последующее повышение или понижение давления. Эти очень маленькие приборы работают так же точно, как и самые большие, и гораздо более практичны. Помимо выполнения функции «погодного прибора» в доме или вдали от него, при ношении в кармане они превосходно подходят для нужд туристов и путешественников. Их можно приобрести со шкалой, достаточной для измерения высот, не превышающих 8000 футов; со шкалой высоты в футах, а также давления в дюймах, выгравированной на циферблате. Шкала высоты, рассчитанная для температуры 50°, была вычислена профессором Эри, королевским астрономом, который любезно предоставил ее компании «Негретти и Замбра», одновременно предложив ее применение. Анероиды среднего размера, помещенные в кожаные футляры с ремешком, также являются хорошими приборами для путешествий и будут полезны лоцманам, рыбакам, а также для использования на каботажных и небольших судах, где нельзя использовать ртутный барометр, поскольку он требует слишком много места.

Адмирал Фицрой в сообщении для «Mercantile Marine Magazine» за декабрь 1860 года говорит: «Анероиды теперь делают более портативными, так что лоцман или старший боцман может носить один из них в кармане, как железнодорожный кондуктор носит свои часы; и, будучи так оснащенными, лоцманы, крейсирующие в ожидании судов, могли бы предупреждать прибывающих незнакомцев о надвигающейся плохой погоде или подавать сигнал каботажным судам или рыбацким лодкам. Гавани-убежища, какими бы превосходными и важными они ни были, не всегда доступны, даже когда они наиболее нужны, например, в снег, дождь или темноту, когда не видно ни земли, ни буя, ни даже огня маяка».

51. Измерение высот с помощью анероида. — Для измерения высот, не превышающих многих сотен футов над уровнем моря с помощью анероида, достаточно следующего простого метода:

Разделите разность между показаниями анероида на нижней и верхней станциях на 0,0011; частное даст приблизительную высоту в футах.

Таким образом, предположим, что анероид показывает на

Lower Station 30·385inches. Upper Station 30·025 Difference·360

Divided gives·360= 327 feet. ·0011 В качестве иллюстрации способа использования анероида при измерении высот приводится следующий пример:

Джентльмен, совершивший восхождение на Хелвеллин 12 августа 1862 года, записал следующие наблюдения с помощью карманного анероида компании «Негретти и Замбра»:

Около 10 часов утра у первой версты от Эмблсайда, которая по результатам съемки находится на высоте 188 футов над уровнем моря, анероид показывал 29,89 дюйма; около 1 часа дня на вершине Хелвеллина — 26,81; и в 5 часов вечера снова у версты — 29,76. Температура нижнего слоя воздуха была 57°, верхнего — 54°. Отсюда высота горы выводится следующим образом:

Inches. Reading at 10 a.m. 29·89 " 5 p.m. 29·76 Mean 29·825 Table I.[5] 1010 Upper Reading 26·81 " 3796 Difference 2786 Mean Temperature 55°·5, gives in Table II. 1·048 2920 Lat. 55° N., gives in Table III. ·9991 2917 Table IV. 5 Difference of height 2922 Height of lower station 188 "Helvellyn 3110 In Sir J. Herschell’s Physical Geography it is given as 3115ft. Столь близкое совпадение объясняется превосходным качеством анероида и тщательной точностью наблюдателя.

52. МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ БАРОМЕТР.

Этот прибор, изобретение г-на Бурдона, очень похож на анероид, но гораздо проще по устройству. Изобретатель применил тот же принцип к конструкции металлических манометров для пара. Однако нас здесь интересует только его конструкция для измерения атмосферного давления. Он состоит из длинной тонкой сплющенной металлической трубки, частично откачанной от воздуха и герметично закрытой с обоих концов, затем закрепленной по центру и изогнутой так, чтобы концы были обращены друг к другу. Поперечное сечение этой трубки представляет собой вытянутый эллипс. Принцип действия таков: внутреннее давление стремится выпрямить трубку, внешнее давление заставляет ее скручиваться сильнее. Следовательно, по мере уменьшения атмосферного давления концы трубки расходятся дальше.

Это движение усиливается и передается с помощью механического устройства из маленьких металлических рычагов на радиус-рычаг, который несет зубчатую рейку, выполненную по дуге своего круга. Она приводит в движение шестерню, на оси которой уравновешен легкий указатель или «стрелка», показывающая давление на циферблате. Когда давление увеличивается, концы трубки сближаются, и стрелка движется слева направо по циферблату. Весь механизм закреплен в латунном корпусе, имеющем отверстие сзади для настройки прибора по ртутному барометру с помощью ключа, который устанавливает стрелку, не затрагивая рычаги. Циферблат обычно открыт, чтобы показать механизм, и защищен стеклом, к которому прикреплен подвижный индекс.

Этот барометр очень чувствителен и имеет преимущество в том, что занимает мало места, хотя его еще не удалось сделать таким маленьким, как анероид. Оба этих прибора допускают большое разнообразие креплений, чтобы сделать их декоративными. Металлический барометр может быть сконструирован с маленькими часами в центре, чтобы стать оригинальным и красивым украшением гостиной.

Адмирал Фицрой пишет: «Металлические барометры Бурдона еще не были достаточно долго испытаны в очень влажном, жарком или холодном воздухе. Они являются зависимыми или вторичными приборами и подвержены износу. Для ограниченного использования, при достаточной проверке, они могут быть очень полезны, особенно в нескольких случаях электрических изменений, не предсказанных или не показанных ртутью, которые они, по-видимому, замечательно указывают».

Они не так хорошо приспособлены для путешественников или для измерения значительных высот, как анероиды.

ГЛАВА VI.

ПРИБОРЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ.

Температура — это энергия, с которой тепло воздействует на наше ощущение.

Говорят, что тела обладают одинаковой температурой, когда количества тепла, которые они содержат, действуют вовне с одинаковой интенсивностью передачи или поглощения, вызывая в одном случае ощущение тепла, в другом — холода. Приборы, используемые для определения и оценки температур, называются термометрами.

Опыт доказывает, что одно и то же тело всегда занимает один и тот же объем при одной и той же температуре; и что при каждом повышении или понижении температуры оно претерпевает определенное расширение или сжатие своего объема. Следовательно, при условии, что тело не теряет вещества или не претерпевает специфических изменений своих составных элементов или атомов, при проявлении изменений температуры оно также будет демонстрировать изменения объема; последние, таким образом, могут быть приняты в качестве показателей первых. Расширение и сжатие тел приняты в качестве произвольных мер изменений температуры; и любое вещество, в котором эти изменения объема заметны и могут быть измерены, послужит термометром.

54. Термометрические вещества. — Термометры для метеорологических и бытовых целей изготавливаются с использованием жидкостей, как правило, ртути или спирта, поскольку их изменения объема при одном и том же изменении температуры больше, чем у твердых тел; будучи более удобными в обращении, они предпочтительнее газов. Ртуть является наиболее подходящим из всех веществ для термометрических целей, так как она сохраняет жидкое состояние при больших изменениях тепла, имеет более равномерный коэффициент расширения, чем любая другая жидкость, и особенно чувствительна к изменениям температуры. Температура затвердевания ртути по шкале Фаренгейта составляет -40°, а температура кипения — около 600°. Для термометров также использовались серный эфир, азотная кислота, масло сассафраса и другие прозрачные жидкости.

55. Описание термометра. — Обычный термометр состоит из стеклянной трубки с очень тонким каналом, имеющей на одном конце резервуар из тонкого стекла, а на другом — закрытой. Резервуар и часть трубки содержат ртуть; остальная часть трубки представляет собой вакуум и обеспечивает пространство для расширения жидкости. Такое устройство делает очень заметными изменения объема ртути из-за изменений температуры. Правда, стекло также расширяется и сжимается, но лишь примерно на одну двадцатую часть от расширения ртути. Рассматривая резервуар как неизменный по размеру, все изменения объема жидкости должны происходить в трубке и проявляться в расширении и сжатии столбика, вариации которого используются для измерения изменений температуры.

56. ЭТАЛОННЫЙ ТЕРМОМЕТР.

Fig. 36

Особенности конструкции термометров лучше всего понять, описав изготовление эталонного термометра, который является прибором наиболее точного изготовления, и шкала которого разделена независимо от какого-либо сравнения с другим термометром. Рис. 36 является иллюстрацией такого прибора на посеребренной латунной шкале.

Выбор трубки. — При выборе стеклянной трубки требуется большая осторожность, чтобы убедиться, что ее канал совершенно однороден по всей длине. Поступая со стекольного завода, трубки внутри обычно представляют собой части очень вытянутых конусов, так что канал шире на одном конце, чем на другом. Однако при должном внимании можно выбрать подходящую длину трубки, в которой нет заметной разницы в диаметре канала. Это определяется путем введения в трубку столбика ртути длиной около половины или трети дюйма и точного измерения его в различных положениях в трубке. Для этого мастер выдувает резервуар на одном конце трубки и немного нагревает его, чтобы вытеснить часть воздуха. Затем, поместив открытый конец в ртуть, при охлаждении упругость заключенного воздуха уменьшается, и более высокое давление атмосферы вгоняет некоторое количество ртути. Мастер останавливает процесс, как только решает, что вошло достаточно ртути. Охлаждая или нагревая резервуар по мере необходимости, ртуть заставляют пройти от одного конца трубки до другого. Если длина этого столбика ртути меняется в разных частях канала, трубку следует отбраковать. Если она по возможности одной равномерной длины, трубку откладывают для заполнения.

Резервуар никогда не выдувается ртом, а только эластичным каучуковым баллоном, содержащим воздух, чтобы избежать попадания влаги. Сферическая форма предпочтительнее, так как она лучше всего приспособлена для противостояния переменному давлению атмосферы. Резервуары не должны быть слишком большими, иначе ртути потребуется некоторое время, чтобы показать внезапные изменения температуры. Цилиндрические резервуары иногда желательны, так как они предлагают большую поверхность для ртути и позволяют сделать термометры более чувствительными.

Ртуть, которой должен быть заполнен резервуар, должна быть совершенно чистой и освобожденной от влаги и воздуха путем недавнего кипячения.

Заполнение трубки. — Заполнение осуществляется путем нагревания резервуара пламенем спиртовой лампы, пока открытый конец погружен в ртуть. При охлаждении резервуара атмосферное давление вгоняет в него некоторое количество ртути; процесс нагревания и охлаждения продолжается до тех пор, пока не будет введено достаточное количество ртути. Затем ртуть кипятят в трубке, чтобы удалить любой присутствующий воздух или влагу. Чтобы закрыть трубку и исключить весь воздух, мастер убеждается, что трубка содержит необходимое количество ртути; затем, удерживая резервуар над пламенем спиртовки, он заставляет ртуть заполнить всю трубку и, ловко удалив ее из источника тепла, в тот же момент запаивает ее пламенем паяльной трубки. Если в трубке остается воздух, это легко обнаружить; ибо если прибор перевернуть, ртуть упадет до самого конца трубки, если там идеальный вакуум, за исключением случаев, когда трубка настолько тонкая капиллярная, что ее притяжение к ртути достаточно, чтобы преодолеть силу тяжести, и тогда ртуть сохранит свое положение в любом положении прибора. Если, однако, ртуть падает и не доходит до самого конца канала, значит, присутствует воздух, который необходимо удалить.

Градуировка. — Теперь термометр готов к градуировке, первой частью которой является определение двух фиксированных точек. Они задаются температурами тающего льда и пара кипящей воды. Тающий лед всегда имеет одну и ту же температуру в любом месте и при любых обстоятельствах, при условии, что вода, из которой замерз лед, свободна от солей. Температура пара кипящей воды зависит от давления атмосферы, но всегда постоянна для одного и того же давления.

Фиксированная точка, соответствующая температуре тающего льда, называется точкой замерзания. Она получается путем погружения резервуара и части трубки, занятой ртутью, в тающий лед до тех пор, пока ртуть не сожмется до определенной точки, где она остается неподвижной. Это положение конца ртути затем отмечается на трубке.

Точку кипения определить не так просто, так как примерно в то же время необходимо свериться с барометром. Аппарат для кипячения обычно изготавливается из меди. Он состоит из цилиндрического котла, нагреваемого снизу спиртовой лампой или древесным углем. Открытая трубка диаметром два или три дюйма и соответствующей длины входит в верхнюю часть котла. Эта трубка окружена другой, прикрепленной к верхней части котла, но не открывающейся в него, так что две трубки находятся на расстоянии около дюйма друг от друга. Цель внешней трубки — защитить внутреннюю трубку от холодной температуры воздуха. Внешняя трубка имеет отверстие сверху для вставки термометра и отверстие внизу для выхода пара через носик. Когда вода закипает, пар поднимается во внутренней трубке, заполняет пространство между трубками и выходит через носик. Затем термометр опускают во внутренний цилиндр и надежно удерживают сверху с помощью кусочка каучука. Трубки или цилиндры должны быть достаточной длины, чтобы предотвратить попадание термометра в воду. Это необходимо, потому что температура кипящей воды зависит от любого вещества, которое она содержит в химическом растворе; и, более того, ее температура повышается с глубиной из-за давления верхнего слоя. Поскольку термометр таким образом окружен паром, ртуть поднимается в трубке. По мере того как это происходит, трубку следует опускать так, чтобы верх ртути был всегда едва заметен. Когда температура пара достигнута, ртуть перестает подниматься и остается неподвижной. Положение конца ртути теперь отмечается на трубке, и «точка кипения» получена.

57. Методы определения точной температуры кипения. — Нормальную температуру кипения воды все нации молчаливо согласились установить при нормальном барометрическом давлении 29,922 дюйма ртутного столба, имеющего температуру тающего льда, на широте 45° и на уровне моря. Если атмосферное давление во время или в месте градуировки термометра не равно этому, температура кипения будет выше или ниже в зависимости от того, больше или меньше давление. Следовательно, необходимо снять показания с надежного барометра, который также должен быть скорректирован на ошибки и температуру и приведен к широте, чтобы сравнить фактическое атмосферное давление в то время с принятым нормальным давлением. Таблицы упругости пара, как их называют, были вычислены на основе точных экспериментальных исследований и теории, давая температуры пара воды для всех вероятных давлений; таблица Реньо, самая последняя, считается наиболее точной; и его исследования основаны на стандартном давлении, указанном выше, и для той же широты. Его таблица, следовательно, даст температуру по термометрической шкале, соответствующую давлению.

Комиссары, назначенные британским правительством для создания стандартных мер и весов, решили, что нормальная точка кипения, 212°, на термометре должна представлять температуру пара, генерируемого при атмосферном давлении, равном в дюймах ртутного столба при температуре замерзающей воды 29,922 + (cos. 2 широты × 0,0766) + (0,00000179 × высота в футах над уровнем моря). Следовательно, в Лондоне, широта 51°30´ с.ш., мы выводим 29,905 в качестве барометрического давления, представляющего нормальную точку кипения воды — незначительной поправкой на высоту можно пренебречь. Если тогда на широте Лондона барометрическое давление во время установки точки кипения не равно 29,905 дюйма, эта точка будет выше или ниже в зависимости от разницы давления от нормального. Вблизи уровня моря разница около 0,59 дюйма эквивалентна 1° по Фаренгейту в точке кипения.

Предположим, тогда, что атмосферное давление в Лондоне составляет 30,785 дюйма, следующий расчет дает соответствующую температуру кипения для шкалы Фаренгейта:

Observedpressure 30·785 Normal" 29·905 Difference ·880 Как 0,59 относится к 0,88, так 1° относится к 1,5°.

То есть вода кипит на 1,5° выше своей нормальной температуры; так что в этом случае нормальная температура, которую нужно нанести на шкалу, а именно 212°, должна быть на 1,5° ниже отметки, сделанной на трубке на той высоте, на которой стояла ртуть под воздействием кипящей воды.

Температуру пара кипящей воды можно найти в любое время и в любом месте следующим образом: умножьте атмосферное давление на коэффициент, зависящий от широты, приведенный в прилагаемой Таблице V, и с полученным результатом найдите температуру в Таблице VI.

Table V. Table VI. Latitude. Factor. Temperature

of Vapour. Tension. Temperature

of Vapour. Tension. Degrees. Degrees. Inches. Degrees. Inches. 0 0·99735 179 14·934 197 22·036 5 0·99739 180 15·271 198 22·501 10 0·99751 181 15·614 199 22·974 15 0·99770 182 15·963 200 23·456 20 0·99797 183 16·318 201 23·946 25 0·99830 184 16·680 202 24·445 30 0·99868 185 17·049 203 24·952 35 0·99910 186 17·425 204 25·468 40 0·99954 187 17·808 205 25·993 45 1·00000 188 18·197 206 26·527 50 1·00046 189 18·594 207 27·070 55 1·00090 190 18·998 208 27·623 60 1·00132 191 19·409 209 28·185 65 1·00170 192 19·828 210 28·756 70 1·00203 193 20·254 211 29·335 75 1·00230 194 20·688 212 29·922 80 1·00249 195 21·129 213 30·515 196 21·578 214 31·115 Как пользоваться таблицами. — Когда температура известна с точностью до десятичных долей градуса, возьмите упругость для целого градуса, умножьте разность между ней и следующей упругостью на десятичные доли температуры и прибавьте произведение к упругости для градуса.

Требуется найти упругость, соответствующую 197,84°.

° 197 =22·036 ·465 × ·84=·391 198 =22·501 197°=22·036 Difference ·465 197·84=22·427 Когда дана упругость, возьмите разность между ней и следующей меньшей упругостью в таблице и разделите эту разность на разность между следующей меньшей и следующей большей упругостями. Частное будет десятичными долями, которые нужно добавить к градусу, соответствующему следующей меньшей упругости.

Таким образом, для 23,214 дюйма требуется найти температуру.

Given 23·214 Nextgreater 23·456 22·974 Nextless 22·974 ·240 Difference ·482 And ·240 = ·5 ·482 Temperature opposite next less 199·0 Temperature required 199·5 Подобный метод интерполяции при извлечении числовых величин применим почти ко всем таблицам; и его следует практиковать со всеми таблицами, приведенными в этой работе.

Пример. — Итак, в Ливерпуле, широта 53° 30´ с.ш., показание барометра 29,876 дюйма, его прикрепленного термометра 55°, а поправка прибора составляет + 0,015 (включая инструментальную погрешность, капиллярность и емкость), какая температура должна быть назначена для точки кипения, отмеченной на термометре?

Observed barometer 29·876 Correction + ·015 29·891 Correction for temperature - ·074 Reduced reading 29·817 Factor from Table V. 1·00077 208719 208719 29817 Equivalent for lat. 45° 29·83995909 В Таблице VI 29,84 дает температуру 211,86°.

58. Смещение точки замерзания. — Либо длительное воздействие атмосферного давления на тонкое стекло резервуаров термометров, либо постепенное восстановление равновесия частиц стекла после того, как они были сильно потревожены операцией кипячения ртути, по-видимому, является причиной того, что точки замерзания эталонных термометров в течение нескольких лет показывают на несколько десятых долей градуса или даже на градус выше, как это неоднократно наблюдалось. Чтобы избежать этой небольшой ошибки, мы практикуем откладывать трубки в сторону примерно на шесть месяцев перед установкой точки замерзания, чтобы дать время стеклу вернуться в прежнее состояние агрегации. Изготовление точных термометров — задача, сопряженная со многими трудностями, главной из которых является подверженность нуля или точки замерзания постоянному изменению, настолько, что термометр, который сегодня совершенно правилен, при погружении в кипящую воду уже не будет точным; по крайней мере, потребуется некоторое время, прежде чем он снова придет в свое нормальное состояние. Затем, опять же, если термометр недавно выдут, заполнен и градуирован немедленно, или, по крайней мере, до того, как прошло несколько месяцев, хотя при производстве прибора могла быть проявлена всяческая осторожность, он потребует некоторой коррекции; так что прибор, как бы тщательно он ни был сделан, следует время от времени погружать в мелко толченый лед, чтобы проверить точку замерзания.

59. Шкала. — После определения двух фиксированных точек необходимо нанести шкалу. Термометры, находящиеся в общем пользовании в Соединенном Королевстве, британских колониях и Северной Америке, сконструированы со шкалой Фаренгейта. Фаренгейт был изготовителем физических приборов из Амстердама, который около 1724 года изобрел шкалу, давшую его имя термометру. Точка замерзания отмечена как 32°, точка кипения — 212°, так что промежуточное пространство разделено на 180 равных частей, называемых градусами. «Принцип, который продиктовал это своеобразное деление шкалы, заключается в следующем: когда прибор находился при величайшем холоде Исландии, или 0 градусов, было вычислено, что он содержит 11124 равные части ртути, которые при погружении в тающий снег расширялись до 11156 частей; следовательно, промежуточное пространство было разделено на 32 равные части, и 32 было принято за точку замерзания воды: когда термометр погружали в кипящую воду, ртуть расширялась до 11336; и поэтому 212° было отмечено как точка кипения этой жидкости. На практике Фаренгейт определил деления своей шкалы по двум фиксированным точкам, замерзанию и кипению воды. Теория деления, если можно так выразиться, была выведена из самого низкого холода, наблюдаемого в Исландии, и расширений данного количества ртути» (профессор Трейл).

Деления шкалы могут быть продолжены за пределы фиксированных точек, если это необходимо, с помощью равных градуировок. Шкала Фаренгейта во многих отношениях очень удобна. Метеорологического наблюдателя редко беспокоят знаки отрицательных значений, так как ноль шкалы находится значительно ниже точки замерзания. Опять же, деления более многочисленны и, следовательно, меньше, чем на других используемых шкалах; и дальнейшее подразделение на десятые доли градуса, по-видимому, дает всю ту точность, которая обычно требуется.

Цельсий, швед, в 1742 году предложил ноль для точки замерзания и 100 для точки кипения, при этом все температуры ниже нуля различаются знаком (—) минус. Эта шкала известна как стоградусная (цельсия) и используется во Франции, Швеции и южной части Европы. Она имеет преимущество десятичной системы счисления при неудобстве отрицательного знака.

Реомюр, француз, предложил ноль для точки замерзания и 80° для точки кипения, устройство, уступающее стоградусной шкале. Однако она используется в Испании, Швейцарии и Германии.

Это всего лишь простая арифметическая операция — перевести показания любой из этих шкал в эквиваленты на других. Для облегчения таких преобразований удобны таблицы, когда обсуждается большое количество наблюдений; и их можно легко составить или получить.

При отсутствии таких таблиц следующие формулы обеспечат точность метода и избавят от раздумий, когда требуются случайные преобразования: F. означает Фаренгейт, C. — Цельсий, R. — Реомюр.

Given. Required. Solution. F. C. = (F.-32) 5⁄9 F. R. = (F.-32) 4⁄9 C. F. = 9⁄5 C. + 32 C. R. = 4⁄5 C. R. F. = 9⁄5 R. + 32 R. C. = 5⁄4 R. Пример. — Перевести 25° шкалы Фаренгейта в соответствующую температуру по шкале Цельсия.

HereC. = (25 - 32) 5⁄9 C. = -35= -3·9 9 или почти 4° ниже нуля по шкале Цельсия. В расчетах необходимо тщательно следить за алгебраическим знаком.

60. Метод тестирования термометров для метеорологических целей очень прост. Такие термометры редко должны показывать выше 120°. В них, после определения точки замерзания, деления шкалы устанавливаются путем тщательного сравнения с эталонным термометром в воде требуемой температуры. «Для точки замерзания резервуары и значительная часть трубок термометров погружаются в толченый лед. Для более высоких температур термометры помещаются в цилиндрический стеклянный сосуд, содержащий воду требуемой температуры: шкалы термометров, предназначенных для тестирования, вместе с эталоном, с которым они должны сравниваться, считываются через стекло. Таким образом, показания шкалы могут быть протестированы при любой требуемой степени температуры, и обычная практика заключается в том, чтобы тестировать их каждые десять градусов от 32° до 92° по Фаренгейту». — Фицрой.

61. Фарфоровые шкальные пластины. — Шкалы термометров из латуни, дерева или слоновой кости, либо под воздействием атмосферы, либо при погружении в морскую воду, очень подвержены загрязнению и обесцвечиванию, настолько, что через очень короткое время деления становятся почти невидимыми. Чтобы избежать этого неудобства, компания «Негретти и Замбра» первой внедрила в широкое использование шкальные пластины для термометров и барометров из фарфора, имеющие деления и цифры, выгравированные на них с помощью плавиковой кислоты, постоянно вплавленные и зачерненные, чтобы всегда представлять четкую разборчивую шкалу. О том, что эти шкалы оказались лучше всех остальных, можно судить по тому факту, что все термометры, поставляемые сейчас в различные правительственные ведомства, снабжены такими шкалами.

Они могут быть адаптированы для замены любых старых форм латунных или цинковых шкал, деления и цифры на которых стали стертыми или нечеткими.

62. Эмалированные трубки. — Почти все термометрические трубки теперь изготавливаются с эмалированными задними стенками. Это приспособление эмалирования задних стенок трубок позволяет производителям использовать более тонкие нити ртути, чем это было возможно ранее; ибо если бы не большой контраст между темной нитью ртути и белой эмалью на стекле, многие из используемых сейчас термометров были бы совершенно нечитаемы. Эмалирование термометров — изобретение компании «Негретти и Замбра». Необходимо заявить об этом, так как многие люди из корыстных побуждений стремятся игнорировать, кому принадлежит заслуга в этом изобретении.

63. Термометры чрезвычайной чувствительности. — Термометры для деликатных экспериментов не являются новинкой. Термометры изготавливались с очень деликатными резервуарами, содержащими очень малое количество ртути. Такие приборы также изготавливались со спиральными или свернутыми трубчатыми резервуарами, но толщина стекла, необходимая для сохранения формы этих спиралей, и, по сути, для предотвращения их распада, служила для аннулирования эффекта, который стремились получить, а именно мгновенного действия; а там, где использовался маленький тонкий резервуар, указывающий столбик был обычно настолько тонким, что был совершенно невидимым без помощи мощной линзы. Компания «Негретти и Замбра» теперь представила новую форму термометра, которая сочетает в себе чувствительность и быстроту действия, а также хороший видимый столбик. Резервуар этого термометра имеет форму решетки. При конструировании резервуара была проявлена осторожность, чтобы преодолеть возражения, связанные со спиралями и другими формами; ибо, хотя резервуар изготовлен из стекла настолько тонкого, что его можно сформировать только спиртовой лампой, а не паяльной трубкой стеклодува, он все же настолько жесткий (благодаря своей своеобразной конфигурации), что никаких изменений в его показаниях нельзя обнаружить, независимо от того, держится ли он в горизонтальном, вертикальном или наклонном положении, и никакая ошибка не будет обнаружена, если его поставить на собственный резервуар. Они изготовили термометры с резервуарами, сформированными из примерно девяти дюймов чрезвычайно тонкого цилиндрического стекла, внешний диаметр которого не более одной двадцатой дюйма; так что, благодаря большой представленной поверхности, показания являются абсолютно мгновенными. Эта форма термометра была сконструирована специально для удовлетворения требований научных подъемов на воздушных шарах, чтобы позволить снимать термометрические показания на точной высоте. Планировалось приобрести металлический термометр, но после создания этого совершенного прибора от идеи отказались.