Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2006 № 07

Кроме того, аналогичной аппаратурой будут оборудованы российские авиалайнеры, морские и речные суда, железнодорожные вагоны… И наконец, спутниковые маяки получат все без исключения блоки ракет-носителей, космических аппаратов и спускаемых капсул.

Такова упрощенная до предела схема гравиметра — прибора, о котором пойдет речь ниже. Но сколько с ним было работы!

Есть на свете сила, которая действует на каждого из нас, бодрствуем мы или спим, находимся в движении или пребываем в покое. Это — сила тяжести, или сила гравитации.

Как определить ее теоретически, известно каждому школьнику, знакомому с законом всемирного тяготения, сформулированным еще 200 с лишним лет тому назад великим Ньютоном. Сила притяжения прямо пропорциональна величине масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Многие помнят также, что стоит уронить любой предмет, и он будет падать на Землю с ускорением «g», равным в среднем 9,8 м/с 2.

Вот эту самую силу и связанное с ней ускорение свободного падения вот уже около 40 лет изучает главный специалист Института физики Земли имени О.Ю. Шмидта, доктор технических наук Леонид Кириллович Железняк. Он и прочел мне своеобразную лекцию о гравиметрах — приборах для измерения гравитации, о том, зачем они нужны и как устроены.

Когда-то люди думали, что Земля — круглая, начал Железняк. Сейчас никто из специалистов так не считает. Они знают, что планета наша имеет форму геоида — геометрической фигуры, несколько похожей на грушу. Причем выяснили это еще задолго до того, как ученые получили возможность взглянуть на нашу планету с космической высоты. И помогли им в этом измерители гравитации.

Теоретически решение задачи выглядит достаточно просто. Если бы Земля была идеально круглым шаром, то расстояние от ее поверхности до центра было бы всюду одинаково. А значит, и значение «g» было незыблемым, и шарик, брошенный с одной и той же высоты, пролетал бы расстояние за одно и то же время.

Кстати, один из первых гравиметров именно так и выглядел — вертикальная трубка, в которую бросали шарик и засекали время, которое ему требовалось для того, чтобы пролететь от верхнего конца к нижнему.

Уже этот простейший прибор позволил заметить, что Земля наша сплюснута у полюсов, причем довольна сильно — диаметр ее по экватору примерно на 1/300 больше, чем диаметр от полюса до полюса.

Чтобы повысить точность измерений такого гравиметра, за последние сто лет исследователи придумали немало усовершенствований. Из трубки выкачали воздух. Штатив с этой трубкой ставят обычно на амортизирующее основание, чтобы исключить посторонние колебания, а время и длину пути измеряют с помощью лазера и сверхточных часов.

Тем не менее, такое устройство напомнило мне своим весом и габаритами фотоаппараты с треножниками конца XIX века. Носить их под силу лишь атлету. Иное дело сейчас — не всякий фотоаппарат даже разглядишь, настолько эта техника стала легкой и компактной. Примерно такой же путь совершенствования прошли и гравиметры — некоторые из них имеют сегодня размеры с пачку сигарет.

Демонстрационные гравиметры специально сделаны довольно большими, чтобы можно было в деталях рассмотреть их устройство.

Однако мы забежали вперед. С помощью первых гравиметров исследователям удалось лишь уточнить форму Земли. Да и то не очень точно. Чтобы провести дальнейшие исследования, ученым необходимо было резко повысить точность измерений. К слову, сейчас они ведутся с точностью 10 -8—10 -9, по крайней мере, не хуже, чем 10 -6.

Понять сложность задачи можно на примере. Идет по морю корабль. Глубина под ним примерно километр. Но капитан хочет знать глубину с точностью до миллиметра. И прибегает, скажем, к помощи эхолота. Но прибор сам имеет какую-то погрешность, да еще корабль бросают то вверх, то вниз гигантские волны. В общем, помехи в работе Железняка и его коллег исключительно велики.

Во-первых, Земля, как сказано, не круглая, да к тому же неровная — там горы, здесь — низменности. При этом две трети земного шара залиты водой, а рельеф океанского дна долгое время был тайной за семью печатями.

Во-вторых, та же Луна гоняет по поверхности нашей планеты волны приливов. Причем не только по воде, но и по суше. Мало кто знает, что земная кора под влиянием притяжения естественного спутника нашей планеты ежесуточно поднимается и опускается с амплитудой примерно в полметра.

Примерно так выглядит лаборатория гравиметрии.

В-третьих, сама по себе земная твердь только так называется. На самом деле она все время «дышит» — в ее недрах постоянно происходят разного рода сейсмические процессы, влияющие среди прочего и на геометрию планеты.

В-четвертых, приборы, работающие с миллионной точностью, могут сбиваться, что называется, даже от пристального взгляда. А уж колебания температуры, атмосферного давления и прочих параметров они чувствуют куда острее любого ревматика или гипертоника.

И это еще далеко не полный перечень помех. Не будем его продолжать, а лучше поговорим о том, как специалисты смогли их одолеть.

Упрощенная схема современного гравиметра.

Здесь уместна аналогия с историей часов. Помните, когда человечество перешло от солнечных, водяных и песочных часов к механическим, первые «ходики» размещались в городских башнях — настолько громоздки они были. Со временем часы с маятником мастера смогли уменьшить до таких размеров, что они стали помещаться в обычном доме; бабушкины часы с кукушкой — наглядный тому пример. Но сейчас ими редко кто пользуется; в ходу больше даже не карманные, а наручные часы — механические, кварцевые или электронные.

Примерно такой же путь совершенствования прошли и магнитометры. Трубу со свободно падающим шариком в конструкции гравиметра заменил сначала качающийся маятник, период колебаний которого зависит от силы земного тяготения, а затем и шарик, подвешенный на пружинке тоже своего рода балансир.

Один из первых гравиметров именно так и выглядел — вертикальная трубка, в которую бросали шарик, и засекали время, которое ему требовалось для того, чтобы пролететь от верхнего конца к нижнему.