Появление систем мер

Долгое время метрология существовала как описательная наука, констатирующая сложившиеся в обществе соглашения о мерах используемых величин. В результате развития науки и техники возникла ситуация, когда стали использоваться множество мер одних и тех же величин, применяемых в различных странах. Так, расстояние в России измерялось верстами, а в Англии — милями. Все это существенно затрудняло сотрудничество между государствами в торговле, науке.

С целью унифицировать единицы физических величин, сделать их независимыми от времени и разного рода случайностей во Франции была разработана метрическая система мер. Эта система строилась на основе естественной единицы — метра, равного одной сорокамиллионной части меридиана, проходящего через Париж. За единицу массы принимался килограмм - масса кубического дециметра чистой воды при ее максимальной плотности (при температуре 4°С). Учредительное собрание Франции 26 марта 1791 г. утвердило предложения Парижской академии наук. Это явилось серьезной предпосылкой для проведения международной унификации единиц физических величин.

7 апреля 1795 г. Конвент принял закон о введении метрической системы во Франции и поручил комиссарам, в число которых входили видные ученые (Кулон, Мешен, Деламбер, Лагранж, Лаплас и др.) выполнить работы по экспериментальному определению единиц длины и массы. Ленуар изготовил платиновую концевую меру длины в виде стержня прямоугольного сечения, воспроизводившую метр по результатам градусных измерений с относительной погрешностью ~ 1х10-4.

Законом от 10 декабря 1799 г. платиновые метр и килограмм, имевший цилиндрическую форму, были утверждены в качестве основных единиц метрической системы. Их сдали на хранение в Архив Франции.

В 1832 г. К. Гаусс предложил методику построения систем единиц физических величин как совокупности основных и производных величин. Он построил систему единиц, названную абсолютной, в которой за основу были приняты три произвольные, независимые друг от друга единицы: длины — миллиметр, массы — миллиграмм и времени — секунда.

В 1835 г. в России был издан указ "О системе Российских мер и весов", в котором были утверждены эталоны длины (платиновая сажень) и массы (платиновый фунт). В 1842 г. на территории Петропавловской крепости в Санкт-Петербурге в специально построенном здании открылось первое метрологическое учреждение России — Депо образцовых мер и весов. В нем хранились эталоны и их копии, изготавливались образцовые меры для передачи в другие города, проводились сличения российских мер с иностранными. Деятельность Депо регламентировалась "Положением о мерах и весах", которое положило начало государственному подходу к обеспечению единства измерений в стране. В 1848 г. в России вышла первая книга по метрологии — "Общая метрология", написанная Ф.И. Петрушевским. В этой работе описаны меры и денежные знаки различных стран.

Недостаточная точность воспроизведения метра при градусных измерениях приводила к относительной погрешности, достигавшей 2х10-4.

В 1872 г. комиссия из представителей разных государств, созданная по инициативе русских ученых с целью подготовки Метрической конвенции,  решила для преемственности и сохранения размера единицы длины изготовить международный прототип, равный архивному метру. Это удалось сделать с относительной погрешностью 1·10-6, т. е. точнее,  чем воспроизводился сам архивный метр. Работы по изготовлению и тщательному исследованию прототипов метра и килограмма продолжались в течение многих лет и были завершены к 1889 г.

В соответствии с Метрической конвенцией в качестве первичных эталонов метра и килограмма признавались изготовленные в 1799 г. образцы, хранившиеся в Архиве Франции (архивный метр в виде концевой меры - платинового стержня прямоугольного сечения и архивный килoгpaмм в виде платинового цилиндра. По решению Метрической конвенции в созданном специально для этого научном учреждении - Международном бюро мер и весов в г. Севр (недалеко от Парижа) изготовили 34 вторичных эталона (прототипа) метра и 43 вторичных эталона (прототипа) килограмма, размеры которых совпадали с архивными образцами.

Вторичные эталоны метра представляли собой бруски из платино-иридиевого сплава (90 % платины и 10 % иридия) с поперечным сечением в форме буквы Х, вписанной в квадрат со стороной 20 мм.

Прототип

Платино-иридиевый прототип метра

Метр

С двух сторон каждого бруска на отполированных участках были нанесены по три штриха на расстоянии 0,5 мм друг от друга. Перпендикулярно к ним вдоль оси бруска нанесены два штриха с расстоянием между ними 0,2 мм. Поверхности, на которые нанесены штрихи, совпадают с нейтральной плоскостью бруска. Х-образная форма оказывает большое сопротивление прогибу, поэтому изменение расстояния между штрихами, расположенными в нейтральной плоскости, при возможном изгибе бруска оказывается минимальным. Метр был принят равным расстоянию между серединами средних штрихов при температуре тающего льда.

Образец метра № 6 на 1-й Генеральной конференции по мерам и весам, собравшейся в Париже в 1889 г., был признан международным прототипом метра, обозначен готической буквой m и оставлен на хранение в Международном бюро мер и весов. Точно так же один из 43 образцов килoгpaмма, представлявших собой платино-иридиевые цилиндры,  высота и диаметр которых были равны 39 мм, I Генеральной конференцией по мерам и весам был признан международным прототипом килограмма и тоже оставлен на хранение в Международном бюро мер и весов. Остальные образцы метра и килограмма распределили по жребию между странами, подписавшими Метрическую конвенцию. России достались два эталона метра (№ 11 и № 28) и два эталона килограмма (№ 12 и № 26). Они хранятся в Санкт-Петербурге во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева (бывшей Главной палате мер и весов).