Жил да был в далекой Швеции инженер Карл Эдвард Йоханссон, и придумал он в далеком 1896 году... нет, не с того мы начинаем.
В технике есть несколько фундаментальных принципов, понятий, методов -- называть можно по-разному. Например -- чертеж: любую вещь должно быть можно начертить, причем так, чтобы ее возможно было сделать и чтобы она оказалась такой же... такой же с необходимой точностью. Или вот -- технологическая инструкция: для любого процесса должно быть описание, причем составленное так, чтобы его можно было повторить и чтобы он дал такой же, с необходимой точностью, результат. И любой параметр должно быть можно измерить... опять же -- с необходимой точностью. Измерениями и точностями занимается наука и техника метрология (ее часто для краткости называют просто наукой, обижая при этом технику). Метрологи измеряют все на свете, иногда даже то, чему пока нет общепринятого названия. К счастью, у длины, ширины, высоты, глубины, зазора, диаметра и так далее, то есть у линейных размеров, -- названия уже есть.
И когда первобытные люди налаживали первое серийное производство еще не нано, но уже вполне каменных топоров на деревянных ручках и применяли инновационную технологию разделения труда, то им потребовалось измерять диаметры ручек и отверстий в камнях. Вот так мы с тех пор и ходим по земле со штангенциркулями, калибрами, измерительными скобами и всем остальным, что потребно для измерения линейных размеров. Но и сам измерительный инструмент надо время от времени проверять. Для этого хорошо бы иметь что-то известного очень точно размера. Причем сам этот размер может быть каким угодно. Например, хочется нам измерять с шагом 0,1 мм размеры от 0,1 мм до 1000 мм. Извольте - вот вам 10 000 пластинок: 0,1 -- 0,2 -- 0,3... 999,9 -- 1000. При сечении пластинок 1 см2 весить такой комплект будет 360 кг. Можно, конечно, с грохотом возить его на телеге, но можно обойтись значительно меньшим количеством пластинок; сообразите сами, каково их минимальное число. Иогансон сделал набор не из минимального количества, у него был свой резон, но главная прелесть решения состояла не в этом. А в том, что две пластинки, если их плотно прижать друг к другу и слегка сдвинуть одну по другой, "притереть", как принято говорить в технике, -- слипались. На фото показаны две "плитки Иогансона" в 30 и 40 мм, которые держит автор этой статьи, преподающий несчастным студентам, в частности, как раз метрологию.
О создателе этих плиток и истории создания вы легко найдете информацию в Интернете. Просто спросите Гугла "плитки Иогансона" или "gauge Johansson". Карл Эдвард прекрасно понимал, какую замечательную вещь он придумал, запатентовал и монопольно выпускает. Чего стоит одна эмблема его фирмы:
Делал он их, понятное дело, из стали. Нынче выпускают и стальные, и из карбида вольфрама, и из керамики. У всех материалов свои преимущества: стальные дешевле, карбид вольфрамовые меньше истираются при использовании, а у керамических меньше тепловое расширение.
Но вот что интересно: за все эти годы как-то никто и не разобрался, почему они слипаются. В основном произносятся слова про ван-дер-ваальсовы силы и про поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение может удержать на воде водомерку и иголку, но не стограммовую железку на весу, а для того, чтобы "заработало" межмолекулярное притяжение, поверхности должны сблизиться на расстояния порядка межатомных. При самом высоком классе полировки шероховатость больше на два порядка. В зарубежных источниках правда упоминается атмосферное давление, но лишь как один из факторов, и не главный.
Атмосферное давление составляет вполне серьезную величину -- 1 кг/см2 (9,8 н/см2). Почему оно не перемещает компьютерный монитор по столу? Потому что оно давит на него и справа и слева. Оно же прижимает его к столу. Почему оно не мешает оторвать его от стола? Потому что оно давит на него и снизу! Чтобы атмосфера не давила с какой-то стороны, ее там не должно быть. Иногда говорят, что подводную лодку может "присосать" к дну. Это образное описание эффекта, возникающего при таких характеристиках грунта, что корпус плотно прилегает к нему, вода снизу вытесняется, а давление сверху остается (в воде на глубине 10 м уже 10 тонн/м2).
Плитки Иогансона (в эпоху борьбы с "низкопоклонством перед Западом" их переименовали в "концевые меры") прижимает друг к другу именно атмосферное давление, а ничтожного количества влаги (и, возможно, масла), всегда имеющегося на поверхности, оказывается достаточно, чтобы не пустить в щель атмосферу. А если качество поверхностей немного хуже, на них приходится подышать -- понятно зачем?
Но этим дело не кончается, это только первый слой задачи. Атмосферное давление на вертикальные поверхности действует горизонтально, а гравитация -- как обычно, вертикально. Поэтому, чтобы удержать плитку от падения, нужен коэффициент трения -- сухого трения. Вот тут школьники и зависают -- им же сказали, что там вода! Дело в том, что в школе и вузе трение бывает только или сухое, или по жидкой смазке. Машина по мокрой мостовой -- это есть на улице, но этого нет в ЕГЭ. На самом же деле реализуется смешанное трение -- когда едет машина, вода успевает (хорошо, если успевает) выдавиться из зоны контакта, а когда мы "притираем" плитки, мы как раз и выдавливаем воду с некоторых участков. На которых реализуется непосредственный контакт плиток и то самое сухое трение.
Однако и это еще не все. Вода или иная жидкость, заполняющая зазор, контактирует с атмосферой и в ней, казалось бы, все равно должно быть атмосферное давление. Например, в воде на глубине 10 м или в ртути на глубине 760 мм давление не 1 атм, а 2 атм -- школьники об этом часто забывают. И не когда ныряют, а, к сожалению, на экзамене. Но тут и приходит на помощь поверхностное натяжение, то самое, которое поднимает жидкость в капиллярах. Раз жидкость в капилляре оказывается выше исходного уровня -- значит, давление в ней уменьшается. Высота поднятия обратно пропорциональна зазору, и, когда он уменьшается до единиц микрон, давление в жидкости становится существенно меньше атмосферного. Вода в микрозазоре между плитками ведет себя, по-видимому, как в капилляре -- то есть тоже образует мениск, под которым понижено давление.
Итак, чтобы происходило то, что вы видите на фото, нужно соблюдение трех условий. Неплоскостность поверхностей должна быть не более единиц микрометров -- чтобы не было больших зазоров, в которых вода, если и будет присутствовать, не сможет защитить плитки от атмосферного давления. Должно оказаться на поверхности потребное -- ничтожное! -- количество влаги и, возможно, масла -- кстати, в реальной жизни протирка бензином вовсе не счищает монослой. Наконец, плитки должны быть отполированы так, чтобы при прижатии с силой в несколько килограмм (притирании) образовалась зона непосредственного контакта. На ней, между прочим, могут позволить себе начать действовать и ван-дер-ваальсовы силы, хотя атмосферное давление и будет превосходить их на один-два порядка.
И в заключение -- вот сам изобретатель с довольным и скептическим выражением лица получает звание почетного доктора наук в колледже Густава Адольфа, что в Миннесоте, США (1932).
Это он, Карл Эдвард, его Маргарета и четверо их детишек, слева направо: Эльза, Сигне, Эдвард и Гертруда (1930).
