Toate Dispozitivele de Măsurare Moderne Se Bazează pe Două Tehnici Vechi de Piatră
Oamenii sunt animale care măsoară lucruri. Să ne numim Homo mensura. Avem o compulsie de a cuantifica și, de milenii, inventăm noi moduri de a face acest lucru. Pentru orice vă puteți gândi, există un dispozitiv pentru a-l măsura – de la sfigmomanometre la spectrofotofluorometre. Și, desigur, nicăieri nu este mai adevărat decât în știință. Ei bine, știința și baseball.
Fizicienii construiesc modele pentru a explica cum funcționează lumea. Ar putea fi o ecuație, cum ar fi legea gazului ideal: PV = nRT. Acest lucru ne spune, de exemplu, că, dacă dublați temperatura (T) a unui gaz, toate celelalte fiind egale, presiunea gazului (P) se va dubla. Dar pentru a vedea dacă modelul este legitim, sau cel puțin util, trebuie să obținem câteva valori din lumea reală și să verificăm dacă ecuația este valabilă. Modelare și măsurare, măsurare și modelare – aceasta este știința pe scurt.
Desigur, astăzi avem niște instrumente destul de sofisticate pentru asta. Dar am să vă dezvălui un mic secret: Cu toate instrumentele noastre interesante, măsurarea încă se reduce fie la comparație, fie la numărare. În acest sens, nu s-a schimbat prea mult de când Noe și-a construit arca dintr-o fișă tehnică în coți – lungimea unui antebraț uman de la cot până la vârful degetului.
Permiteți-mi să vă arăt ce vreau să spun.
Măsurarea lungimii
Am să încep cu o măsurătoare pe care toată lumea a folosit-o la un moment dat: lungime sau distanță. Pare simplu, nu-i așa? Dacă vrei să știi lungimea unui creion, îl așezi lângă o riglă. Acolo, are 18,7 centimetri. (Da, în știință suntem de acea parte a riglei.)
Ceea ce faci aici este să compari lungimea unui creion și lungimea unei rigle una lângă alta. (Desigur, aceasta ridică o altă problemă: de unde știi dacă acea riglă pe care ai cumpărat-o online este exactă? Aceasta este o altă discuție despre standarde. Putem salva asta pentru o altă zi.)
Cea mai nebunească măsurătoare comparativă a avut loc în 1958, când un grup de studenți de la MIT au pornit să găsească lungimea unui pod peste râul Charles. L-au pus pe cel mai scund membru al grupului lor, Oliver Smoot (5′7″, sau 170 de centimetri), să se întindă în mod repetat, marcând trotuarul cu cretă, pe tot drumul, și au descoperit că podul are 364,4 smoots, „mai mult sau mai puțin o ureche”. (Nu poți inventa chestia asta: Smoot a devenit șef al Institutului Național American de Standarde și mai târziu al Organizației Internaționale de Standardizare. Definiția unui smoot a fost revizuită în 2015, când dovezile fotografice au dezvăluit că, la vârsta de 75 de ani, statura lui scăzuse cu 3 centimetri.)
Oricum, se pare că măsurarea lungimii sau a distanței prin comparație este cea mai comună metodă utilizată în dispozitivele analogice.
Alte măsurători de distanță
De exemplu, ce zici de timp? Unul dintre cele mai vechi dispozitive de cronometrare este cadranul solar, care în forma sa familiară a fost inventat de grecii antici. Are o lamă triunghiulară, numită gnomon, și un disc plat cu numere în jurul circumferinței pentru ore.
Pe măsură ce soarele se mișcă pe cer, umbra aruncată de gnomon se va mișca. Dar cum transformi acea umbră în timp? Ai înțeles – măsurați distanța umbrei de poziția de la prânz. Cadranul solar de mai sus indică ora 14:10. (Notă interesantă: etichetele orelor trebuiau inscripționate diferit de la oraș la oraș, deoarece umbra se schimbă în funcție de latitudine și longitudine. Dacă te-ai mutat din Sparta în Atena și ai luat cadranul solar cu tine, ai întârzia cu cinci minute la curs la Liceu.)
Iată un alt dispozitiv de măsurare a timpului pe care l-ați văzut poate, care arată același timp, 14:10, într-un mod diferit:
Îmi place ceasul ăsta vechi. Este amuzant să ne amintim că „IBM” însemna International Business Machines, care nu erau doar computere. Oricum, citești ora din locația acelor. Da, aceasta este o măsurătoare de distanță – informațiile sunt transmise de cât de departe a călătorit un ac în jurul cadranului.
Dar stai! Mai sunt! Iată câteva alte lucruri care măsoară folosind distanțe:
De exemplu, acel manometru de forță de mai sus are un arc calibrat în interior. Când agățați o masă de el, arcul se întinde proporțional cu forța exercitată, iar lungimea extensiei indică câți newtoni de forță de tracțiune au fost aplicați. Rezultatul este afișat ca o distanță pe un cadran.
Uneori facem comparații fără o măsurare a distanței. Iată o balanță. Puneți o masă necunoscută pe o parte și adăugați mase cunoscute pe cealaltă parte până când sunt egale. Așa au măsurat asaltatorii aurul în timpul goanei după aur din California.
De ce nu au folosit o cântar cu arc, care ar fi mai rapidă? Deoarece cântarele cu arc, ca și cântarul tău de baie, măsoară forța gravitațională care acționează asupra unui obiect – asta este ceea ce este cu adevărat „greutatea”. Masa este un concept diferit; este cantitatea de materie fizică dintr-un obiect. Deoarece câmpul gravitațional nu este uniform în toată lumea, o măsurătoare a greutății ar putea diferi de la un loc la altul. Dar o balanță va da aceeași măsură a masei oriunde ai merge, deoarece gravitația locală afectează ambele părți în mod egal. De asemenea, probabil că este mai greu să trișezi cu o balanță.
Dar, în afară de câteva excepții similare, aproape toate dispozitivele analogice folosesc comparația și măsurătorile de lungime pentru a obține o valoare.
Numărarea și instrumentele digitale
Ce s-ar întâmpla dacă ai vrea să modelezi populațiile de lupi și iepuri? Ai putea arăta că, fără lupi, numărul de iepuri crește exponențial până când ajung la limita de resurse. Evident, acum numeri, nu compari.
Iată un cronometru vechi de laborator care numără zecimi de secundă. Vezi cum este diferit de ceas? Nu este continuu ca un ac indicator al secundelor – poate lua doar anumite valori discrete. Aceasta este proprietatea cheie a unui instrument „digital”: este ca și cum ai număra pe degete, alias cifre!
Acest lucru ar putea fi confuz la început; suntem obișnuiți să ne gândim la digital ca sinonim cu electronic. Dar ceea ce face ca sistemele electronice să fie digitale este faptul că informațiile pot fi reprezentate doar prin valori discrete – cifrele binare 0 și 1. Deci da, chiar dacă cronometrul de mai sus funcționează prin angrenaje fizice de blocare, acesta este un dispozitiv digital.
Sau luați în considerare un voltmetru digital, cum ar fi cele de mai jos.
Cum obțineți o citire digitală a tensiunii? Voi demonstra o metodă rudimentară. Acum, deoarece tensiunea este diferența de potențial electric între două puncte, aceasta nu poate fi măsurată în termeni absoluti într-un singur punct; avem nevoie de o tensiune de referință pentru o bază. (Comparație!) În voltmetrul meu improvizat de mai jos, încep cu o baterie de 9 volți. Apoi pot conecta această tensiune de referință la nouă rezistențe egale în serie. Din legea lui Ohm și din regula buclei de tensiune, fiecare rezistor va avea o diferență de potențial de 1 volt. Acum pot folosi o tensiune necunoscută împreună cu bateria de 9 volți. Dacă trei dintre cele 4 LED-uri ale mele se aprind, avem (3/4) x 9 = 6,75 volți. Deci, aceasta ne oferă o valoare digitală a tensiunii necunoscute, obținută prin numărarea luminilor. Sigur, voltmetrele nu folosesc cu adevărat lumini intermitente, dar înțelegeți ideea.
Odată ce putem măsura tensiunea, putem obține măsurători digitale ale multor alte lucruri, cum ar fi temperatura sau intensitatea câmpului magnetic sau chiar nivelurile de dioxid de carbon. Trucul este să găsești ceva cu proprietăți electrice care depind de mediul său. De exemplu, un termistor este un semiconductor a cărui rezistență variază precis și previzibil cu temperatura. Pur și simplu treceți un curent prin el și măsurați tensiunea pentru a obține o citire a temperaturii.
Vezi, oricine poate face știință! Totul se reduce la numărare sau comparare – sau ambele.