Системы, предшествовавшие СИ

В конце XIX в. необходимость иметь единую международную систему единиц измерения стала очевидной. Инициаторами стали электротехники, которые в 1881 г. предложили проект полной сис­темы единиц. Эту систему разработал Комитет по электротехничес­ким эталонам Британской ассоциации. Система основана на санти­метре (единице длины), грамме (единице массы) и секунде (едини­це времени). Сокращенно — СГС. Эту систему называют еще гауссовой, поскольку она предложена Гауссом еще в 1832 г. и назва­на им абсолютной. Данная система удобна для физических наук, так как не исключает разные варианты. Дело в том, что СГС кроме на­званных трех основных единиц допускает и четвертую, которую вы­бирают в зависимости от поставленной задачи. Если за безразмер­ную единицу принимали магнитную проницаемость (М), то это СГСМ, если электрическую (Э) проницаемость вакуума, то СГСЭ, если единицу заряда франклин (Ф), то СГСФ, а если единицу тока био (Б), то СГСБ. Все виды СГС считаются узкопрофессиональны­ми и применимы, например, в теоретической физике. Система СГС — первый опыт объединения единиц в систему.

Необходимо напомнить, что ученые не прекращали поиски ес­тественных (природных) систем единиц, основанных на фундамен­тальных физических константах. Одну из первых естественных си­стем единиц предложил в 1906 г. М. Планк. В качестве основных единиц были выбраны постоянная Планка h, скорость света c_v гра­витационная постоянная G и постоянная Больцмана к. Как прави­ло, при построении естественных систем единиц фундаментальных физических констант, выбранные в качестве основных единиц, по­лагают равными безразмерной. Кроме системы Планка известны также система атомных единиц, или система Хартри, система еди­ниц квантовой электродинамики, релятивистская квантовая систе­ма единиц с = % =1. Однако в те времена данные системы еще не могли быть реализованы.

Вскоре поняли, что СГС надо укрупнять. Действительно, как- то непривычно говорить, что средний человек имеет массу тела 72 ООО г. Кстати, греческое слово «gramma» означает малую толику веса. Поэтому к концу XIX в. возникла система МКГСС: метр - килограмм — сила — секунда. Единицей массы в ней стала техничес­кая единица массы (т. е. м., или тем, или инерта), равная 9,80665 кг массы в СИ.

Само название «килограмм-сила» в МКГСС подчеркивает, что в основе системы лежит единица силы, а не массы. Было даже пред­ложено единицу в одну грамм-силу назвать понд, а килограмм-силу - килопонд. Недостатком этой системы стало то, что техническая еди­ница массы не соотносится с привычными единицами массы (на­пример, с килограммом СИ) через целое число.

Возникла и еще одна проблема — отождествления килограмма веса (Р) и килограмма массы (т). Понятие «масса» характеризует инерционность тел, их способность создавать гравитационное поле, понятие же «вес» — силу, возникающую вследствие взаимодействия с гравитационным полем.

Масса т не зависит от ускорения свободного падения g, а вес Р пропорционален этому ускорению и массе тела, т. е. вес тела дол­жен фигурировать лишь в тех случаях, когда речь идет о силе воз­действия этого тела на другое тело под действием земного притяже­ния. Вес Р— это сила, и, как всякая сила, он вычисляется по второ­му закону Ньютона:

Р = mg.

В СИ величина g = 9,806~ 9,81 м/с² на уровне моря. Величина g не постоянная, поскольку связана с конкретным радиусом Земли R и ее массой М через гравитационную постоянную G:

g = GM/R²,

где G = 6,6725985 10"¹¹ м³кі 'с².

В единицах g медики оценивают перегрузки летчиков и космо­навтов при маневрах летательных аппаратов. Для этого вводят ко­эффициент перегрузки ng относительно веса испытуемого. При взлете космической ракеты коэффициент перегрузки не превыша­ет (3—4)g. Если он достигает (8—9)g, то это опасно для человека, а, например, таракан свободно переносит перегрузки до 100g.

Таким образом, недостатком системы МКГСС являлось то, что единица массы в ней получалась производной и численно равной 9,81 кг, что нарушало метрический принцип десятичности меры. Кроме того, она не была согласована с практическими электричес­кими единицами. До конца XIX в. система МКГСС использовалась почти исключительно в механике. В конце XIX в. наступила эра строительства болыдегабаритных объектов — мостов, башен, мас­сивных конструкций (Бруклинский мост в Нью-Йорке, Эйфелева башня в Париже, автомобильные дороги, небоскребы, многотонные морские лайнеры), поэтому возникла система МТС (метр — тонна — секунда). Здесь за единицу массы принята тонна. Единицей силы стали 1000 ньютонов в СИ, или сила, сообщающая одной тонне ус­корение 1 м/с². Эта единица стала называться «стен». Например, мощность в МТС величиной 1 (стен • м)/с² = 1 кВт (в СИ).

Система МТС была утверждена правительством Франции как обязательная в инженерном деле. В 1927 г. аналогичное решение принято в СССР и ряде других государств. Тем не менее эта систе­ма в силу своей громоздкости не пользовалась популярностью у инженеров. В 1955 г. в СССР использование МТС было прекраще­но специальным решением Госстандарта.

С развитием электроники громоздкость МТС стала еще более заметной, поскольку единицы тока и других электрических парамет­ров становились неудобными в пользовании. Инициативу в поисках новой системы единиц вновь захватили электротехники и электрон­щики. Естественно, они предлагали использовать в качестве основ­ного электрический параметр, например ампер. Вспомним, что еще в 1901 г. итальянский инженер Джорджи предложил систему метр — килограмм — секунда. Поэтому возникла система МКСА — метр — ки­лограмм — секунда — ампер, которая и была принята в 1950 г. Меж­дународной электротехнической комиссией.

К 1960 г. система МКСА становится наиболее распространен­ной, ее начинают совершенствовать, появляются ее варианты: МКСМ, МКСА, МКСК, МКСГ, МСК, МСС. В СССР в те времена стандартами были установлены системы единиц преимущественно­го применения, приведенные в табл. 6.1.

Таблица 6.1 Системы единиц, применявшиеся в СССР до принятия СИ Система единиц физических величин Регламен­тирующий стандарт Основные единицы Количество производных единиц Виды измерений МКС ГОСТ 7664-61 ГОСТ 8849-58 Метр, килограмм, секунда   Механи­ческие Акусти­ческие МКС А ГОСТ 8033-61 Метр, килограмм, секунда, ампер   Электриче­ские, магнитные МКСГ ГОСТ 8550-61 Метр, килограмм, секунда, градус Кельвина   Тепловые МСС (МКСКД) ГОСТ 7932-56 Метр, секунда, свеча (кандела)   Световые сгс ГОСТ 7664-61 ГОСТ 8849-58 ГОСТ 8033-56 Сантиметр, грамм, секунда   Механиче­ские, аку­стические, электриче­ские и магнитные МКГСС ГОСТ 7664-61 Метр, килограмм-сила, секунда   Механи­ческие

 

Многообразие используемых систем очевидно. Поэтому необ­ходимость в универсализации системы, получении унифицирован­ной международной системы становилась все актуальнее.