Что такое пузырьковый уровень? История, типы и принцип работы

Пузырьковый уровень — это инструмент, в котором маленький пузырёк воздуха в запаянной колбе с жидкостью показывает, лежит ли поверхность по горизонтали (по уровню) или по вертикали (по отвесу). Когда поверхность ровная, сила тяжести удерживает пузырёк по центру, между двумя рисками на колбе. Слово «спирт» в английском названии — это про спирт внутри колбы, и ничего мистического за ним нет.

Главное вкратце

• Пузырьковый уровень придумал французский писатель Мельхиседек Тевено в 1660-х годах.
• Пузырёк поднимается к верхней точке изогнутой колбы, потому что воздух легче жидкости. На ровной поверхности верх этой дуги приходится точно на центр.
• Хороший строительный уровень держит горизонт с точностью около 0,5 мм на метр, то есть примерно 0,03°.
• Откалиброванный акселерометр смартфона показывает угол с точностью около 0,1–0,3°, почти как уровень среднего профессионального класса.
• Внутри обычно этанол или изоамилацетат, подкрашенный в жёлто-зелёный цвет, чтобы пузырёк было хорошо видно.

Краткая история пузырькового уровня

Пузырьковый уровень изобрёл Мельхиседек Тевено в 1660-х годах. Это был французский писатель и собиратель книг, известный больше работами о путешествиях и географии, чем инструментами. Он заметил, что в запаянной колбе с жидкостью и пузырьком воздуха пузырёк всегда уходит в самую высокую точку. Это давало устойчивую точку отсчёта для горизонтали, без раскачивания, как у отвеса.

Почему спирт вытеснил воду

Сначала напрашивалась вода, и раньше строители брали за грубую горизонталь корыто с водой. Но у воды две беды. Она замерзает, и зимой инструмент перестаёт работать. И она неровно цепляется за стекло, поэтому пузырёк залипает и скачет вместо того, чтобы плавно скользить. Спирт зимой на улице не замерзает, течёт чисто и смачивает стекло ровно. Поэтому он и победил.

От Тевено до стройплощадки

За следующее столетие пузырьковый уровень взяли на вооружение геодезисты и мастера по инструментам. Изготовители телескопов выставляли им опоры по горизонту. Геодезистам его было легче носить, чем корыто с водой, и он держал горизонталь устойчивее отвеса. Дешёвые одинаковые стеклянные колбы появились уже с промышленным производством в XIX веке. В XX веке добавились алюминиевые коробчатые корпуса и небольшой уровень-«торпеда», который сегодня носит с собой почти каждый мастер.

Как работает пузырьковый уровень?

Вся работа приходится на колбу. Это запаянная стеклянная или акриловая трубка со слегка выгнутой стенкой, наполненная жидкой средой (этанолом или изоамилацетатом) и одним пузырьком воздуха. Воздух легче жидкости, поэтому сила тяжести тянет жидкость вниз, а пузырёк всплывает в самую высокую точку колбы. На ровной поверхности эта точка приходится на верх дуги, где нанесены две риски. Пузырёк встаёт между ними.

Роль изгиба колбы

Изгиб задаёт чувствительность. При более крутом изгибе (меньшем радиусе) пузырёк уходит дальше при том же наклоне, поэтому мелкие ошибки видны отчётливее. Более пологий изгиб сдвигает пузырёк меньше: он прощает неровную поверхность, но тонко считать по нему труднее.

Колба с радиусом изгиба около 1 метра сдвигает пузырёк примерно на 2 мм на каждый метр наклона. У хороших строительных уровней изгиб круче — около 0,5 мм на метр. У точных геодезических уровней радиус 10 метров и больше, вплоть до примерно 0,02 мм на метр.

Что на самом деле делает жидкость

Жидкость должна справляться сразу с несколькими задачами. Она должна быть текучей, чтобы пузырёк двигался быстро. Она должна оставаться жидкой на морозе. Она должна держать пузырёк одной круглой каплей. И она должна ровно смачивать стекло, чтобы пузырёк скользил, а не залипал. Этанол делает всё четыре. Он замерзает примерно при −114 °C — куда холоднее любой стройплощадки. Изоамилацетат (банановое масло) встречается в инструментах для жаркого климата: он дольше хранится.

Жёлто-зелёный цвет — это просто краситель. Прозрачную жидкость в прозрачном стекле на ярком свету трудно разглядеть вместе с пузырьком.

Какие бывают типы пузырьковых уровней?

Пузырьковых уровней больше форм, чем обычно думают, и каждая под свою задачу. Внутри они устроены одинаково: изогнутая колба и пузырёк воздуха. Меняются размер и форма, а от них зависит, где инструментом можно пользоваться.

Как выбрать тип под задачу

Длина важнее, чем думает большинство покупателей. Поставьте уровень-торпеду на 23 см на двухметровый ряд шкафов — он покажет только эти 23 см, а не весь ряд. Плавный прогиб посередине легко проскочит мимо вас. Берите самый длинный уровень, который влезает в работу. Уровень на 1,2 м на кухонных шкафах поймает бугры, которые уровень на 60 см просто перешагнёт.

Как считывать пузырьковый уровень?

Считать пузырьковый уровень — это прежде всего про то, где ваш глаз. Две риски на колбе — это цель, и пузырёк должен стоять между ними. Смотрите на колбу прямо. Стоит взглянуть даже под 15° сбоку — и параллакс сдвинет пузырёк в вашем восприятии, хотя он не двигался. Именно эту ошибку на объекте видишь чаще всего.

Две колбы на обычном уровне

У большинства уровней от 60 см и длиннее две колбы. Одна горизонтальная — для проверки по уровню. Вторая стоит под 90° — для проверки по отвесу. Горизонтальная колба стоит по центру, когда кромка уровня лежит ровно и горизонтально. Вертикальная стоит по центру, когда кромка отвесна. У некоторых уровней есть ещё и колба под 45°.

Что на самом деле означают риски

Две линии — это не ровно «0 градусов». Они очерчивают зону «достаточно точно». Если пузырёк касается риски, а не стоит строго по центру, поверхность выставлена по уровню в пределах паспортной точности колбы. На колбе 0,5 мм/м касание риски означает, что вы уложились в 0,5 мм на метр. Строго по центру — жёстче, ближе к 0,1 мм на метр у хорошей колбы.

Почему пузырёк всегда встаёт по центру?

Физика тут та же, что у шарика, скатывающегося на дно чаши, только вверх ногами. Пузырёк воздуха легче окружающей жидкости, поэтому он всплывает в самую высокую точку, до которой может дотянуться внутри запаянной колбы. Стенка колбы выгнута вверх, и на ровной поверхности верх дуги приходится на центр. Сила тяжести тянет жидкость вниз, к концам, а пузырёк всплывает к середине.

Наклоните колбу — и верх дуги сместится. Опустите левый конец на 1 градус, и высшая точка уйдёт к правому концу. Пузырёк идёт за ней и сдвигается вправо. Насколько далеко — зависит от радиуса изгиба. Поэтому крутая колба считает тоньше: те же 1 градус наклона гонят пузырёк по крутой дуге дальше, чем по пологой.

Пузырьковый уровень и отвес — это пара. Оба берут за точку отсчёта силу тяжести, только в противоположных направлениях. Отвес находит истинную вертикаль подвешенным грузом. Пузырьковый уровень находит истинную горизонталь всплывающим пузырьком. Вместе они дают обе оси двумя инструментами и без всякой электроники — поэтому чертёж Тевено всё ещё лежит в сумке мастера спустя 350 лет.

Насколько точен пузырьковый уровень?

Точность зависит от того, за что вы заплатили. Хороший алюминиевый коробчатый уровень держит горизонт с точностью около 0,5 мм на метр, это близко к 0,03°. Дешёвый пластиковый уровень из строймаркета может врать на 2 мм на метр и больше — около 0,11°. Для столба под забор сойдёт, для плитки или чистовой отделки бесполезно.

Обратный тест: проверяем точность своего уровня

Для проверки уровня не нужно никаких особых приспособлений. Обратный тест работает на любой ровной поверхности. Поставьте уровень и заметьте, где ровно стоит пузырёк относительно центральных рисок. Теперь разверните его на 180 градусов, поменяв концы местами, но той же кромкой вниз. Снова посмотрите на пузырёк.

Если оба раза пузырёк стоит в одном и том же месте, уровень исправен. Если он сместился, настоящая ошибка равна половине разницы между двумя показаниями. У хорошего уровня заметного сдвига нет вовсе.

Как точность теряется со временем

Обычный уровень сбивается из-за повреждений. Уроните его — рама чуть погнётся, и колба перекосится относительно кромки, которой вы кладёте инструмент на работу. Колба может треснуть, и тогда жидкость медленно испаряется, а пузырёк растёт. Пластиковые колбы ещё и желтеют от старости, из-за чего пузырёк труднее разглядеть.

Чем цифровые уровни и уровень в телефоне отличаются?

Телефон измеряет угол МЭМС-акселерометром. Это крохотная кремниевая деталь, которая изгибается под действием силы тяжести, а чип переводит этот изгиб в угол. После калибровки телефон показывает угол с точностью около 0,1–0,3°. Это на уровне профессионального инструмента среднего класса и лучше любого бюджетного без поверки.

Что телефон делает иначе

Телефон умеет то, что стеклянной колбе недоступно. Он пищит чаще по мере приближения к горизонту, так что можно работать, глядя на работу, а не на экран. Он сохраняет показания по проектам, с фото и координатами GPS. Он показывает угол в градусах, процентах, мм на метр, дюймах на фут, в виде отношения или уклона крыши. И он позволяет задать цель, так что уклон 2° под слив будет читаться как ваш ноль.

Смысл уровня в телефоне не в точности. Хороший обычный уровень точен ничуть не хуже. Смысл в том, что телефон уже у вас в кармане, он может подсказывать голосом и звуком и хранит запись того, что вы измерили.

Где обычные уровни всё ещё выигрывают

Длина — самое очевидное. Уровень на 1,8 м перекрывает бугры и провалы, которых телефон не видит, потому что телефон считает только по своему корпусу, около 15 см. Он не скажет, прогибается ли столешница посередине. Для длинных пролётов берите длинный уровень. Для точечной проверки и для того, чтобы прочитать сам угол, берите телефон.

Частые вопросы