Занимательная химия для детей и взрослых

В 1892 г. министр финансов С. Ю. Витте предложил Д. И. Менделееву занять пост ученого хранителя мер и весов в депо. Менделеев принял предложение и энергично взялся за новое для него дело. Вскоре депо было преобразовано в Главную палату мер и весов; Менделеев оставался ее управляющим в течение последних 15 лет своей жизни. За эти годы им были выполнены важные исследования в области метрологии – науки, задачей которой являются создание эталонов физических единиц и разработка методик точных измерений. Под руководством Менделеева были изготовлены российские эталоны метра, литра, килограмма, а также старых мер – фунта, аршина и др. Целью Менделеева был переход страны на метрическую систему мер, что было осуществлено лишь в 1918 г.

Для проведения в палате точных измерений ускорения свободного падения на широте Петербурга необходимо было с высокой точностью измерить период колебаний маятника известной длины. Длина маятника l, ускорение силы тяжести g и период колебаний Т связаны соотношением Т = 2π √l/g. Это соотношение точно выполняется для идеального (математического) маятника, у которого размах колебаний небольшой, нить можно считать невесомой, груз – точечным, а сопротивлением воздуха можно пренебречь. Чтобы реальный маятник был близок к идеальному, он должен быть изготовлен из тяжелого материала и подвешен на длинной тонкой нити. Так, знаменитый маятник, который французский физик Жан Бернар Леон Фуко (1819–1868) подвесил в 1851 г. под куполом огромного зала парижского пантеона, представлял собой латунный шар массой 28 кг, а проволока, на которой он висел, имела длину 67 м. Многочисленные зрители видели, что при раскачивании маятника он совершал медленные (с периодом около 17 секунд) колебания. Удивительно было то, что плоскость его колебаний сама собой менялась со временем: при каждом новом размахе острие на шаре прочерчивало на песке, насыпанном под маятником, новую полоску.

Еще более впечатляющим по размерам был маятник, установленный в марте 1931 г. в Ленинграде в здании Исаакиевского собора, где в то время находился Государственный антирелигиозный музей. Когда вблизи крайней точки размаха маятника ставили сбоку спичечный коробок, маятник уже после нескольких качаний сбивал его. Так наглядно демонстрировалось вращение Земли: пол с коробком поворачивался вместе с земным шаром, а плоскость колебания маятника оставалась постоянной. Легко рассчитать, что если бы маятник был на полюсе, то при размахе его колебаний 12 м крайняя точка размаха за сутки описала бы окружность длиной примерно 36 м; при этом ее смещение за 1 час составляло бы 36/24 = 1,5 м, а за минуту – 150/60 = 2,5 см. Так что коробок, поставленный даже в 10 см от острия в его крайней точке, был бы сбит уже через 4 минуты. Петербург значительно ближе к полюсу, чем Париж (они расположены на широте 60 и 49 градусов соответственно), а маятник был длиннее, чем у Фуко, поэтому кажущееся «отклонение» плоскости колебаний маятника в Исаакиевском соборе проявлялось более отчетливо.

Менделеев решил в качестве груза для маятника использовать золото – металл с очень высокой плотностью (19,3 г/см³). По заказу Менделеева был изготовлен массивный полированный (для уменьшения сопротивления воздуха) золотой шар. При массе 2 пуда (32 кг) его радиус был равен всего 7,3 см. Поскольку в здании палаты не было высоких залов, Менделеев, чтобы удлинить нить подвеса, приказал пробить перекрытия на нескольких этажах да еще выкопать яму в подвале. Если с помощью секундомера определить время 100 колебаний такого маятника с точностью 0,2 с, то время одного колебания будет определено с точностью 0,002 с, и если одно колебание (при длине подвеса 10 м) длится около 6 с, то точность определения периода составит 0,002/6 или 0,033 %. С такой же точностью (около 3 мм) можно измерить и длину нити, и тогда можно с высокой точностью измерить ускорение силы тяжести g в данной географической точке.