Измерительные приборы. В поисках линейных размеров
Пожалуй, ни одна работа не может обойтись без измерений, причем мерить приходится практически все существующие в природе физические величины, для чего придумана масса хитроумных и не очень приборов. Наиболее часто люди сталкиваются с необходимостью определения линейных и угловых размеров. Случается работать и с менее распространенными параметрами вроде толщины лакокрасочного покрытия
Количество возможных параметров, так или иначе нуждающихся в измерении, на самом деле не так велико, как могло бы показаться. Самым распространенным здесь является линейный размер, грубо говоря, расстояние от и до, т. е. длина, ширина и толщина. Линейка, складной метр, гибкая рулетка, циркуль-измеритель, кронциркуль, штангенциркуль, глубиномер, микрометр - все эти нехитрые приспособления известны любому мастеру на протяжении сотен лет.
ЛИНЕЙКА
Первые линейки появились на заре цивилизации. Их конструкция была достаточно проста: деревянная планка с рисками. В течение веков она оставалась неизменной, менялись только материалы да технологии. Для первых линеек брался первый попавшийся кусок древесины, но потом человек обратил внимание на то, что разная древесина ведет себя поразному. Например, бук или орех являются более стабильными и прочными, а другие сорта отличаются легкостью и удобством при обработке, но совершенно не держат линейные размеры, особенно во влажном воздухе.
Поэтому со временем появились металлические линейки - прочные, долговечные, сохраняющие стабильность размеров вне зависимости от внешних условий. А с изобретением способов синтеза полимеров широкое распространение получили пластиковые линейки. Современная промышленность выпускает широкую гамму металлических линеек. Наиболее распространенные из них позволяют измерять расстояния до 150-300 мм, но существуют и более длинные модели - например, двухметровые. Сегодня помимо традиционных материалов (дерева, углеродистой стали и пластика) для изготовления этих нехитрых измерительных приборов используются нержавеющая сталь и алюминиевые сплавы. Интересно, что самые точные и дорогие (так называемые прецизионные) линейки до сих пор поставляются и хранятся в деревянных футлярах. Отдельной категорией можно считать гибкие линейки, которые применяются для измерения дуги окружности. Для работы с трубами также выпускаются специальные линейки (шаблоны), с помощью которых можно быстро определить наружный диаметр конструкции.
РУЛЕТКА
Большие длины, как правило, определяются посредством рулеток - это своего рода разновидность гибкой линейки. Измерение ведется с помощью прочной ленты - стальной или пластиковой, которая для удобства пользования помещается в специальный корпус, оснащенный механизмом сматывания. Однако рулетка является менее точным инструментом, чем линейка. Наличие механизма скручивания и постоянный изгиб ленты негативным образом сказываются на результатах измерений, поэтому данный инструмент применяют в тех областях, где допустимы погрешности.
Компактные рулетки позволяют мерить расстояния от 1 до 20 м, но существуют модели, рассчитанные на 25 и даже 100 м. В зависимости от максимальной измеряемой длины устройства различаются по конструкции механизма сматывания. Небольшие ленты сматываются в корпус специальным устройством, постоянно создающим небольшое натяжение ленты, которая при отпускании тут же убирается в корпус. Рулетки большей длины оснащаются фиксатором, удерживающим ленту на выбранной длине.
Самые длинные рулетки затягиваются в корпус не пружиной - слишком велика длина и масса ленты, кроме того, даже небольшой отрезок натянутой металлической полоски способен вести себя подобно ножу. Здесь используется специальный механизм сматывания с ручным или электрическим приводом. Как уже было сказано выше, рулетка - измерительный инструмент, априори не отличающийся высокой точностью. Например, «поймать» ею десятые доли миллиметра не удастся, однако производители стараются свести погрешность к минимуму, в частности, применяя специальные технологии изготовления лент и разрабатывая особые профили, которые позволяют уменьшить деформацию материала при скручивании. Кроме того, помимо стальных лент часто используют пластиковые. Казалось бы, в чем разница? Ведь сталь - материал более прочный и стабильный. В теории да, но на практике она не гарантирует высокой точности измерений. Из школьного курса физики должно быть известно, что при охлаждении металлы уменьшаются в линейных размерах, а при нагревании, наоборот, увеличиваются. С подобным явлением приходится сталкиваться и при использовании металлических рулеток. К примеру, если при разбивке парка одно и то же расстояние замерить одной и той же рулеткой с металлической лентой в жару, а затем в мороз, то полученные значения будут различаться. Немного, но заметно. В профессиональной деятельности все большее распространение получают измерительные рулетки с лазером. Лазер более точен, чем измерительная лента и может работать с расстояниями до 200 метров. Такие устройства оснащены дисплеем, клавиатурой и вычислительным блоком, т. е. полностью автоматизированы, достаточно лишь навести лазерный луч на объект, до которого ведется измерение.
СКЛАДНАЯ ЛИНЕЙКА
«Промежуточным звеном» между рулетками и обычными линейками могут служить складные линейки. Как правило, их используют плотники. Такие приспособления состоят из десятка соединенных шарнирами жестких секций длиной 100-200 мм каждая. Достоинством подобных конструкций, изготавливаемых из древесины, пластика или металлов, является сочетание компактности и жесткости, но точность невелика, хотя для выполнения большинства ремонтно-строительных операций она вполне приемлема. Выпускаются и так называемые телескопические линейки в виде градуированной раздвижной трубы.
МЕРНОЕ КОЛЕСО, ИЛИ КУРВИМЕТР
Все вышеперечисленные приборы имеют один общий недостаток; они годятся для определения относительно небольших расстояний - максимум до 50 метров. Однако дорожные мастера, да и строители нередко сталкиваются с необходимостью измерения дистанции до объектов, находящихся на значительном удалении, да еще и по сложной криволинейной траектории. Как, например, промерить длину участка дороги и рассчитать необходимое количество краски для нанесения разметки? На помощь приходит измерительное (мерное) колесо (оно же курвиметр) - так называют специальный инструмент для высокоточного измерения пройденного пути. Считается, что первое мерное колесо изобрел древнегреческий ученый Герон Александрийский. По виду оно напоминает детскую игрушку - длинную палку с колесом, а на самом деле это современный высокотехнологичный прибор. С помощью такого приспособления можно измерить расстояние до нескольких километров. Цена деления, как и в обычной линейке, составляет 1 мм. В древности подсчет числа оборотов колеса вел писец, периодически записывающий показания прибора, сейчас с этим успешно справляются электронные индикаторы.
ИЗМЕРЕНИЕ УГЛОВ
Еще одним инструментом, имеющим древнюю историю, является угольник. Как правило, он используется для построения прямых углов. Так же, как и линейка, современные угольники изготавливаются из стали, пластика и древесины. Есть специальные намагниченные модели, как правило, используемые при сварке и помогающие фиксировать детали. Некоторые из подобных приспособлений оснащаются пузырьковыми уровнями, что позволяет упростить выравнивание заготовки. Близким родственником угольника является ярунок - столярный инструмент, предназначенный для измерения и разметки углов в 45° и 135°. Он представляет собой колодку, в которую под углом 45° вставлена линейка. При разметке ярунок нужно приложить к доске так, чтобы находящаяся под линейкой часть колодки плотно прилегала к боковой стороне заготовки, а сама линейка плотно лежала на горизонтальной поверхности. В качестве средства нанесения линии или риски используют карандаш или острое шило. Для измерения и откладывания углов используются транспортиры и угломеры. Наиболее простые механические угломеры представляют собой две шарнирно соединенные линейки и специальную угломерную шкалу. Точность таких приборов находится в интервале от десятых долей градуса до градуса.
ОТВЕС И УРОВЕНЬ
Важным этапом при выполнении разметочных работ является определение отклонения поверхности от вертикальной и горизонтальной плоскости. Наибольшее распространение здесь получили два приспособления - уровень и отвес. Последний является одним из наиболее простых инструментов и представляет собой гибкую нить (или жесткую штангу) с грузом. Нить крепится к вершине специального кронштейна, имеющего треугольную форму, или удерживается рукой. Под действием силы тяжести груз, для удобства пользования имеющий коническую форму, стремится натянуть нить и придать ей строго вертикальное положение. Прибор крайне прост и надежен в работе, но подвержен воздействию ветра и магнитных полей, если груз металлический. Современные отвесы часто имеют более сложное устройство, например, здесь предусмотрен механизм сматывания нити и корпус с привалочной поверхностью для облегчения базирования инструмента.
Другим прибором, служащим для оценки соответствия поверхности вертикальным и горизонтальным плоскостям, стал пузырьковый уровень. Первая спиртовая разновидность такого приспособления была изобретена французским ученым, картографом и путешественником Мельхиседеком Тевено и впервые применена в путешествии на остров Мадагаскар в 1666 году.
Сегодня выпускается огромное количество разных уровней - лазерных, электронных и т. д. Уже забыто и традиционное название этого прибора - ватерпас (от голландского waterpas - «водяной снаряд»), и никто не помнит, почему, будучи изобретен французом, он получил голландское название. Все просто; когда Петр I «прорубал окно в Европу», то для строительства кораблей он пригласил пользовавшихся заслуженным уважением голландских корабелов. Они привезли с собой современный инструмент, в том числе и измерительный. Это слово настолько вошло в русский быт, что даже появилась поговорка «глаз как ватерпас» о человеке, который умеет поровну разливать по рюмкам.
Кстати, спирт и ватерпас имеют прямую связь. Главный элемент любого уровня - стеклянная колба, как правило, цилиндрической формы, заполненная спиртосодержащим составом на основе этанола. В отличие от воды спирт не замерзает при отрицательных температурах - важное свойство для строителей, которым приходится работать в условиях низких температур и слабой освещенности, для победы над которой в спирт добавляются яркие красители.
При всей простоте уровень имеет достаточно сложную технологию изготовления. Например, одна из опорных поверхностей (подошва) может иметь микронеровности, которые помогают инструменту лучше удерживаться на исследуемой поверхности. На одной из сторон иногда наносится разметка, позволяющая использовать уровень в качестве линейки. Как правило, строительный уровень имеет три колбы: одна показывает отклонение от вертикальной поверхности (90°), вторая - от горизонтальной (180°), а третья либо фиксируется под 45°, либо поворачивается для измерения любого угла поверхности. Пузырьковые уровни стали основой для появления уклономеров - приборов, как несложно догадаться, для измерения уклона. Такие приспособления, состоящие из жесткого металлического основания с линейками и встроенного уровня, очень востребованы в строительстве. Так же, как и пузырьковые уровни, уклономеры могут иметь магнитную подошву, что облегчает работу на металлических поверхностях. Эти приборы часто используются для контроля уклона трубопроводов. Далее по списку идет гидроуровень - приспособление для оценки взаимного расположения удаленных предметов относительно выбранной горизонтальной плоскости. Устройство, работающее на основе закона сообщающихся сосудов, состоит из двух мерных цилиндров, соединенных трубкой или шлангом и залитых водой. Такими приборами можно контролировать взаимное расположение деталей или элементов конструкции, находящихся вне прямой видимости друг относительно друга.
ШТАНГЕНЦИРКУЛЬ И ГЛУБИНОМЕР
Пожалуй, наибольшую популярность среди пользователей заслужил универсальный прибор для измерения наружных и внутренних отверстий, уступов, а также глубин - речь идет о штангенциркуле (от нем. Stangenzirkel). Причем слово Stangenzirkel на языке оригинала означает просто циркуль, а «штангенциркуль» по-немецки называется der Messchieber или die Schieblehre. Упоминание артиклей здесь неслучайно: первое слово мужского рода, второе женского, но прибор один... Оставим игру слов и вернемся к штангенциркулю. Этот удобный и простой в использовании прибор состоит из штанги со шкалой и зажимным винтом, подвижной рамки, губок для наружных и внутренних измерений, глубиномера и нониуса. Измерение выполняется так: деталь зажимается в губках, а ее размер считывается с нониуса - приспособления, предложенного португальским математиком Нунишем в XVI веке и усовершенствованного математиком из Бургундии Пьером Вернье. Долгое время внешний вид прибора оставался неизменным, однако в последнее время большое распространение получили циферблатные и цифровые штангенциркули.
В первых показания прибора считываются с циферблата, во втором - с электронного дисплея, причем как в миллиметрах, так и в дюймах, к тому же полученные значения могут сохраняться в памяти устройства. Для изготовления штангенциркулей используются специальные сорта стали и особые технологии производства. Это в значительной мере влияет на стабильность размеров инструмента и достижение требуемой точности измерений. Наиболее дорогие высокоточные штангенциркули делаются из закаленной нержавеющей стали.
Помимо обычных существует весьма специфичные модели штангенциркулей, например, специальные влагозащищенные устройства или приспособления для измерения глубины шпоночных канавок. Имеются и более экзотические разновидности, в частности, для определения размеров зубчатых колес, тормозных барабанов и т. д.
Штангенциркуль стал основой для нескольких других типов инструмента, в числе которых глубиномер (или штангенглубиномер). От своего прообраза этот прибор отличается более простой конструкцией: здесь отсутствуют губки, а измерительными поверхностями служат торцы основания и штанги.
МИКРОМЕТР И ЩУП
Как уже говорилось выше, штангенциркули и глубиномеры позволяют выполнять измерения с точностью от 0,1 до 0,01 мм. Если этого недостаточно, используются инструменты, работа которых основывается на принципе винтовой пары: при вращении винта в неподвижной гайке происходит перемещение подвижной части конструкции. Первое такое приспособление, впоследствии получившее название микрометр, было изобретено во Франции Жан-Луисом Пальмером. Современные микрометры позволяют достичь точности в несколько микрон (тысячные доли миллиметра). Их ассортимент невероятно широк: здесь можно найти стационарные и ручные модели, различающиеся формой скобы, диапазоном измерений, а также назначением. Измеренные значения считываются либо с традиционной круговой шкалы, либо со стрелочного или цифрового индикатора. Последний теоретически позволяет связать микрометр и компьютер, но на практике это делается редко: для массового контроля большого количества деталей используют другие методы измерений и оборудование. Надо сказать, что микрометр является менее универсальным инструментом, чем штангенциркуль. Поэтому если необходимо измерить наружный линейный размер, используется микрометр, а внутренний размер контролируется нутромером (он же штихмас - от нем. Stichmas) и кронциркулем. Как и микрометры, нутромеры и кронциркули могут иметь как традиционную шкалу, так и индикатор либо цифровой дисплей.
Для измерения небольших зазоров используют щупы - тонкие металлические пластинки, которые «вкладывают» в зазор, - и по значению, указанному на каждой из них, определяют размер. Такие приспособления, как правило, выпускаются веерными наборами, рассчитанными на определенный диапазон.
ПРОЧИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Помимо вышеперечисленных измерительных приборов существует большое количество промежуточных и узкоспециализированных разновидностей. К ним можно отнести, в частности, калибры-пробки для измерения внутренних диаметров отверстий, необходимые, например, в оружейной промышленности для контроля геометрии стволов. Для измерения объемных предметов используются кронциркули (еще один немецкий термин) - циркули с изогнутыми ножками для контроля внутренних и наружных размеров. Нередко они совмещаются со специальной измерительной шкалой. Любопытно, что на гербе ныне не существующей Германской Демократической Республики был изображен кронциркуль, который символизировал интеллигенцию.
Измерительные головки используют для относительных измерений, к которым относятся вычисления отклонений неровностей, биения валов и т. д. Такие приборы устанавливаются на штативах, а искомые значения считываются с кругового индикатора. Толщиномеры и стенкомеры служат для измерения толщины деталей или покрытий. Такие приборы бывают магнитными, электронными или механическими. Для измерения толщины лакокрасочного покрытия (до затвердевания) используют специальную гребенку, которая вдавливается в слой краски и по специальной шкале позволяет определить его толщину.
ЦЕЛЬ ОПРАВДЫВАЕТ СРЕДСТВА
Приобретая измерительный прибор, необходимо понимать, какие измерения и в каком диапазоне значений будут выполняться. Это избавит от лишних трат, так расширение возможностей устройства автоматически влечет за собой значительное увеличение его стоимости. То же можно сказать и о точности: чем выше - тем дороже. Не следует забывать, что по действующим правилам многие устройства периодически требуют выполнения поверки, т. е. сравнения их показаний с эталонными значениями. И, наконец, приборы с электронными индикаторами иногда нуждаются в редких и дорогих элементах питания, которые есть смысл приобрести вместе с прибором - про запас.