11. Измерения силы тяжести. Приливы

Особого упоминания заслуживают работы Ломоносова, которые естественнее всего назвать гравиметрическими исследованиями. Он проявлял большой интерес к проблеме тяготения вообще и к производству специальных наблюдений силы тяжести. Ломоносов рассчитывал, что, «познав причину тяготения, можно будет разъяснить различия удельного веса тел» и некоторые другие вопросы.

В противоположность Ньютону, который избегал строить гипотезы, мирясь с тем, что причину тяготения он «до сих пор не мог вывести из явлений», Ломоносов выдвигает гипотезы и стремится проверить их экспериментами и наблюдениями, для которых он изобретает новые приборы.

В рапорте об «ученых трудах и упражнениях», проведенных с 1751 по 1756 г., Ломоносов пишет, что в 1756 г. «сделал четыре новоизобретенные мною пендула¹, из которых один медный, длиной в сажень, однако служит через механические стрелки против такого, который был бы вышиной с четвертью на версту. Употребляется к тому, чтобы узнать, всегда ли с земли центр, притягивающий к себе тяжелые тела, стоит неподвижно или переменяет место». Этот отвес, под которым находятся особо укрепленные стрелки для увеличения точности отсчетов перемещения конца отвеса, представлен на рис. 17. Наблюдения с ним производились изо дня в день вплоть до 16 февраля 1764 г.

В отчете о трудах за 1759 г. Ломоносов пишет, что им «вымышлен новый универсальный барометр для показания перемены общей тягости».

Рис. 17. Большой маятник (отвес) для определения колебаний положения центра тяжести Земли. Справа показано устройство стрелок SS. Они могут поворачиваться вокруг осей ll. Конец стержня С помещен между двумя парами натянутых нитей rr

В своем сочинении «Построение универсального барометра»² Ломоносов описал прибор, с помощью которого он рассчитывал обнаружить изменение ускорения земной силы тяжести в зависимости от положения Солнца и Луны относительно места наблюдения. Этот прибор (рис. 18) состоял из двух стеклянных трубок, переходящих в резервуары D и S и соединенных меж собой весьма тонкой трубкой PC. В процессе изготовления резервуар D наполняется ртутью, а резервуар S — сухим воздухом, после чего резервуар S запаивается в отростке d. При вертикальном положении прибора ртуть, поддерживаемая упругостью сухого воздуха, находящегося в резервуаре S и в левой части соединительной трубки до точки Q, в резервуаре D устанавливается на некотором уровне, высота которого от горизонтальной части PC соединительной трубки определяется упругостью воздуха и не зависит от внешнего атмосферного давления. При неизменной температуре, которая достигается помещением всего прибора в сосуд с тающим льдом и контролируется двумя парами термометров F и R, высота этого уровня зависит только от величины g ускорения силы тяжести. При увеличении g высота уровня уменьшится и часть ртути перельется в соединительную трубку PC и конец столбика ртути Q переместится влево. Так как площадь поперечного сечения этой трубки у Ломоносова была в 20 000 раз меньше, чем площадь уровня ртути в резервуаре D, изменение высоты отразится в 20 000 раз большим изменением положения конца Q столбика ртути в соединительной трубке. Его положение можно определить с большой точностью. Этот прибор, предназначенный для обнаружения изменений силы тяжести, представляет собой в сущности прототип нынешнего статического гравиметра.

Ломоносову не удалось с помощью этого весьма оригинального прибора определить колебания величины g от положения Солнца и Луны. «Колебания силы тяжести столь малы, — пишет Ломоносов, — что упомянутым прибором не могли быть подмечены». Погрешности, которые могли бы произойти от недостаточно точного соблюдения постоянства температуры, во много тысяч раз превышают колебания напряжения силы тяжести (см. в Списке литературы: Медунин А.Е., с. 133). Лишь в XX в. приборы такого же типа были предложены рядом ученых³ для гравиметрических наблюдений.

В третьей части «Рассуждения» мы находим важные мысли о необходимости и возможных путях тщательного изучения земного магнетизма⁴, а также описание опытов определения колебаний отвесной линии. Эти опыты, по мнению Ломоносова, показали, что положение центра тяжести Земли изменяется, так как наблюденные колебания совершались с таким же периодом, как и движения Луны.

В упомянутом отчете о трудах за 1759 г. Ломоносов пишет: «Учинено мною над центроскопическим пендулом мною же изобретенным и над помянутым барометром универсальным 2100 наблюдений переменам в них бывающим, каковы еще нигде в учоном свете не деланы»⁵. Подытоживая свои многочисленные наблюдения над изменениями напряжения силы тяжести, Ломоносов в «Росписи сочинениям и другим трудам советника Ломоносова» пишет, что «центроскопическими разными инструментами» им доказано: «1) что шар земной имеет три центра, из коих третей всечасно переменяется и оттого все отвесы переменяются, 2) что тягость тел не постоянна и всечасно переменяется, 3) от сих действий происходит движение земли около центра; прилив и отлив в море и отчасти переменная высота в барометре; также и происхождение ветров оттуда ж много зависит. Сие доказывается многими тысячами метеорологических и новых центрических наблюдений, кои советник Ломоносов начал 1759 г. и поныне продолжает».

Рис. 18. Универсальный барометр Ломоносова для измерения вариаций силы тяжести

В настоящее время трудно установить истинную причину подмеченных Ломоносовым изменений; чувствительность его приборов была недостаточной для обнаружения искомых колебаний отвеса. Поразительными являются его проницательность и экспериментаторская изобретательность, направленные на открытие лунных приливов в земной коре. Ломоносов заподозрил также существование приливов в атмосфере Земли, которые он назвал воздушными волнами. «Последуя силе Солнца и Луны», они движутся определенным образом по Земле, вызывая периодические изменения атмосферного давления, не связанные с обычными метеорологическими факторами.

Ломоносов приготовил для доклада на заседании Академической конференции «диссертацию» под названием «О переменах тягости на земном глобусе». К сожалению, эта диссертация нигде не была опубликована и не разыскана до сих пор. В 1951 г. были найдены лишь таблицы наблюдений Ломоносова колебаний маятника и показаний барометров, напечатанные к его выступлению 27 августа 1764 г., когда он в Академическом собрании прочитал начало своей «диссертации... о возмущении тяжести».

В 1764 г. в связи с опытами по измерению изменений силы тяжести Ломоносов изобрел «пружинные вески» — прибор, содержащий упругую стальную часовую пружину. Гравиметрические наблюдения, продолженные еще при Ломоносове в 1752—1757 гг. С.Я. Румовским, а в XIX в. Б.Я. Швейцером, Ф.А. Бредихиным и его учениками, положили начало широкому гравиметрическому изучению нашей родины. В настоящее время десятки специальных учреждений ведут новыми методами и разнообразными приборами гравиметрическую съемку страны и разведку аномалий силы тяжести, обнаруживающих зачастую залежи полезных ископаемых.

В космическую эру наблюдения возмущений искусственных спутников Земли, определенных с помощью лазерных, доплеровских измерений, дают возможность изучить вариации гравитационного поля Земли в пространстве, а по ним уточнить фигуру Земли и определить плотностные неоднородности недр Земли. С этими неоднородностями обычно бывают связаны различные полезные ископаемые (нефть, газ, железные и другие руды).

По измерениям приливных лунно-солнечных вариаций силы тяжести во времени (то, чем интересовался Ломоносов, создавая свой «универсальный барометр») определяются упругие и вязкие свойства Земли в целом. А в сочетании с астрометрическими наблюдениями за нутационными колебаниями Земли удается уточнить параметры земного ядра.

Примечания

1. То есть маятника.

2. Сочинения, 1934, т. VI, с. 246—249; впервые опубликовано в 1934 г.

3. Мадсен (1912), Бриггс, Нэргардт (1933), Хаальс (1933—1938).

4. См. Калашников А.Г. Вопросы земного магнетизма в работе М.В. Ломоносова «Рассуждение о большей точности морского пути». — Изв. АН СССР. Серия географ. и геофиз., 1950, т. 14, № 5, с. 385—391.

5. См. «Таблицы колебаний центроскопического маятника, наблюдавшихся в Петербурге» (Полн. собр. соч., т. IV, с. 489—709).