Единицы величин и шкалы измерений. Системы единиц и основные типы шкал измерений

Единицы величин и системы единиц

Вопрос определения единиц величин и установления единых и всеобщих правил их использования для обеспечения единства измерений имеет первостепенное значение — это краеугольный камень и основа единства измерений. Словарь С.И. Ожегова определяет величину как размер, объем, протяженность предмета или, в общем случае, как то, что можно измерить, исчислить. То есть величина — это одно из свойств чего-либо, которое можно отделить от остальных свойств и оценить тем или иным способом, в том числе и количественно. В метрологии в основном имеют дело с физическими величинами.

^> Физическая величина — это свойство, общее в качественном отношении для множества объектов, физических систем или их состояний и происходящих в них процессов, но индивидуальное в количественном отношении для каждого из них. >

Процесс измерения начинается с выделения среди множества свойств объекта измеряемого свойства.

Именно это обстоятельство во многом определяет принцип действия и конструкцию средства измерений. Для нахождения количественного значения измеряемой физической величины используются единицы физических величин.

^> Единицы физических величин — физические величины фиксированного размера, которым присвоено числовое значение, равное единице, применяемые для количественного выражения однородных с ними физических величин. >

Таким образом, для получения количественной измерительной информации необходимо определить физическую величину, суметь выделить ее среди других физических величин, характеризующих данный объект измерения, и установить ее соотношение (сравнить) с такой же по природе физической величиной, размер которой принят за единицу. Чем больше человек узнает об окружающем его мире, тем большее количество физических величин используется им для описания свойств окружающих его предметов, процессов и т.п.,

Глава а следовательно, тем большее количество единиц необходимо для получения измерительной информации. Необходимость в единицах измеряемых величин возникла с момента зарождения измерений.

Поначалу единицы величин понимались как единицы измерений, в качестве которых применялись меры, т.е овеществленные единицы измерения. Взаимосвязь между мерами устанавливалась на минимально необходимом для практических целей уровне. Феодальная государственная раздробленность, языковые и климатические различия, специфика экономического уклада способствовали установлению различных единиц и мер одних и тех же физических величин. Так, известны несколько сотен мер единицы длины и массы.

В России до сих пор используется выражение «длинный, как коломенская верста», и связано это с тем обстоятельством, что в Коломне как в удельном феодальном государстве мера длины была больше, чем на остальной территории Руси. Однако больших проблем такое разнообразие до некоторых пор не создавало в связи с небольшим ассортиментом товаров, а также нерегулярным и достаточно вялым товарообменом. Становление централизованной власти неизбежно потребовало введения и применения на территории государства единых мер. Известна Грамота на Двину о новых печатных мерах и осьминах, датированная 21 декабря 1550 г. (Двинская грамота). Ею предписывалось создание первых образцовых печатных (орлёных) мер объема для сыпучих тел — медных осьмин, которые следовало хранить централизованно в приказах Московского государства. С печатных мер надлежало изготовить деревянные копии и, заклеймив их, разослать по уездам для городских по- мерщиков и торговцев «всякое жито мерити».

С развитием производства товаров, последовавшим вслед за промышленной революцией, количество измеряемых физических величин, а соответственно и количество их единиц и мер стало стремительно возрастать. На первые роли в управлении государствами выходили представители нарождавшейся буржуазии. Любое препятствие в товарообмене и интенсификации производства устранялось. Одним из наиболее значимых препятствий был недостаток рабочей силы и разнородность применяемых единиц и мер. Поэтому освобождение от феодальной зависимости, давшее мощнейший толчок развитию товарообмена, и создание единой системы единиц и мер по времени практически совпадают.

В 1790 г. в Национальное собрание Франции было внесено предложение о создании новой системы мер, «основанной на неизменном прототипе, взятом из природы, с тем, чтобы ее могли принять все нации». Комиссия Французской Академии наук предложила считать единицей длины одну десятимиллионную часть четверти земного меридиана, проходящего через Париж. В 1791 г. Национальное собрание узаконило эту единицу, получившую название метра.

С 1792 по 1799 г. под руководством французских астрономов Деламбра и Мешена были выполнены точные измерения длины дуги меридиана и изготовлен в качестве эталона метра платиновый стержень прямоугольного сечения. За единицу массы была принята масса одного кубического дециметра чистой воды при температуре наибольшей плотности (+4°С) и названа килограммом. Эталон килограмма был изготовлен в виде платинового цилиндра. В 1799 г. образцы метра и килограмма были сданы на хранение в архив Французской республики и получили название архивного метра и архивного килограмма.

В 1875 г. представители 17 государств подписали Метрическую конвенцию, согласно которой они обязались содержать Международное бюро мер и весов (МБМВ), осуществляющей свою деятельность под наблюдением и руководством Международного комитета мер и весов, в свою очередь подчиняющегося Генеральной конференции по мерам и весам. Этим были заложены основы унификации мер в международном масштабе, что является одним из краеугольных положений обеспечения единства измерений. МБМВ было поручено хранение, сличение и поверка новых международных прототипов метра и килограмма, периодическое сличение национальных эталонов с международными, сличение с новыми прототипами основных эталонов неметрических мер, применяемых в разных странах.

В 1899 г. были закончены работы по изготовлению образцов метра и килограмма, и в том же году I Генеральная конференция мер и весов в Париже утвердила в качестве международных прототипов вновь изготовленные образцы, размеры которых совпадали с размерами архивных образцов. Образцы метра были изготовлены из бруска платино-иридиевого сплава (90% платины и 10% иридия) и имели поперечное сечение в форме буквы X, вписанной в квадрат со стороной 20 мм. На обоих концах бруска на отполированных участках на расстоянии 0,5 мм один от другого нанесены три штриха. Перпендикулярно к этим штрихам, вдоль оси бруска нанесены два штриха с расстоянием между ними 0,2 мм. Поверхности, на которых нанесены штрихи, совпадают с нейтральной плоскостью. Х-образная форма оказывает большое сопротивление изгибу. При возможном изгибе бруска за счет расположения штрихов на нейтральной плоскости расстояние между ними подвергается наименьшим искажениям. Размер метра был принят равным расстоянию между серединами средних штрихов при температуре тающего льда.

Международным прототипом килограмма был признан платино-иридиевый цилиндр, высота и диаметр которого равны 39 мм. Было изготовлено 34 образца метра и 43 образца килограмма. После установления международных прототипов метра и килограмма Генеральная конференция распределила остальные образцы по жребию между государствами, подписавшими Метрическую конвенцию. Россия получила два образца метра (№ 28 и № 11) и два образца килограмма (№ 12 и № 26).

Таким образом, в 1899 г. спустя 100 лет после утверждения архивных метра и килограмма, было завершено окончательное установление метрических мер и принятие их в качестве международных. Это событие имело огромное политическое, экономическое и научное значение. Первая метрическая система опиралась на четыре единицы: длины — метр, массы — килограмм, площади — метр квадратный, объема — метр кубический. Позднее добавились единица времени — секунда и единица температуры — градусы Цельсия и Кельвина.

Главным достижением метрической системы было то, что ею впервые была предложена именно система единиц, в основе которой лежали незыблемые физические величины, введено простое и доступное получение кратных (больших) и дольных (малых) единиц путем деления или умножения на 10й основных. Метрическая система — первая международная договоренность о введении единых мер, потребовавшая от участников системы существенной перестройки структуры национальных, сложившихся, привычных единиц и мер, а помимо прочего, и больших финансовых затрат. России после подписания в 1918 г. декрета Советского правительства о переходе на метрическую систему потребовалось 15 лет для его осуществления. Одних только гирь было заменено около 115 млн штук.

И все же наиболее важным с научной точки зрения был переход в период между 1791 и 1875 гг. от разработки систем мер к разработке систем единиц физических величин. Любая система мер основана на материальных незыблемых носителях, точность воспроизведения которыми соответствующего размера физической величины может совершенствоваться только за счет характеристик средств измерений, используемых при исследовании конкретного образца, и в этом отношении система мер мертва. Система единиц физических величин оперирует универсальными физическими характеристиками, позволяет совершенствовать и модернизировать по мере развития науки и техники саму систему и ее составляющие.

Однако переход от системы мер к системе единиц физических величин не был одномоментным.

В 1832 г. немецкий ученый К.Ф. Гаусс предложил первую систему единиц — «абсолютную», основанную на трех основных единицах — миллиметре, миллиграмме и секунде. Обращаем внимание, что система предлагалась не на основе материальных образцов, а на основе виртуальных представлений. В 1881 г. система Гаусса была усовершенствована на основе единиц сантиметр-грамм- секунда (система СГС), представлявших большие преимущества для решения практических задач. Система Гаусса, а затем система СГС создавались исходя не из наличия образцов мер, принимаемых за эталоны, а из необходимости установления минимального числа взаимно независимых основных единиц, комбинации которых позволяют получить любую другую единицу, называемую производной.

Так как теоретически решить задачу нахождения основных единиц можно только на основе анализа уже существующего состояния измерений и лишь прогнозируя перспективы развития, то ввиду ее сложности системы первоначально базировались на анализе измерений в какой-либо конкретной области техники. Так, физика ориентировалась на систему СГС, теплотехника — на системы СГС и метрическую и т.д. В связи с этим вопросы унификации единиц измерений вновь вышли на первый план, но уже не территориальные или межгосударственные барьеры препятствовали техническому и научному прогрессу, а отраслевые. Для выражения результатов измерений использовалось до 10 единиц силы, до 30 единиц работы и энергии. Однако появление большого количества систем единиц, базирующихся на различном количестве разных по своей природе единиц, позволило обобщить опыт их создания и разработать обобщенную интегральную систему единиц, вобравшую в себя опыт мировой практики измерений различных физических величин. В 1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам и весам принята Международная система единиц (Le Systeme international d’unites, сокращенно — SI). Международная система включает в себя наибольшее количество основных единиц среди всех известных систем (семь) и охватывает большую часть измерений.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >