Системи фізичних одиниць величин

Історично першою системою одиниць фізичних величин була ухвалена 7 квітня 1795 року Національними збора­ми Франції метрична система мір. До її складу увійшли одиниці довжини, площі, об'єму та ваги, в основу яких було покладено дві одиниці: метр та кілограм.

У 1882 році вчений К. Гаусе запропонував методику по­будови системи величин і одиниць як сукупності основних та похідних. Він побудував систему величин, у якій за ос­нову були прийняті три довільні, незалежні одна від одної величини: довжина, маса та час. Решта величин визнача­лась за допомогою вибраних трьох. Цю систему величин, що відповідним чином пов'язана з трьома основними ве­личинами (довжиною, масою і часом), К. Гаусе назвав абсолютною системою. Основними одиницями він запро­понував увести міліметр, міліграм і секунду.

З подальшим розвитком науки і техніки виникли інші системи одиниць фізичних величин, які відрізнялися одна від одної одиницями фізичних величин.

Розглянемо основні системи одиниць.

Система СГС

У 1881 році Першим Міжнародним конгресом елект­риків була прийнята система одиниць фізичних величин СГС, до складу якої основними одиницями увійшли: сан­тиметр — одиниця довжини; грам — одиниця маси і се­кунда — одиниця часу, а також похідні: дина — одиниця сили та ерг — одиниця роботи. Для вимірювання потуж­ності у системі СГС була прийнята одиниця — ерг за се­кунду, для вимірювання кінетичної в'язкості — стокс, ди­намічної в'язкості — пуаз.

Вимірювання тиску в системі СГС прийняте у динах на квадратний сантиметр.

Для механічних і магнітних вимірювань сьогодні є чин­ними сім видів СГС, із яких найпоширенішими є такі: СГСЕ, СГСМ, СГС (симетрична) та ін.

Значна кількість фізичних констант і нині виражають­ся у одиницях СГС.

Система МКГСС

Наприкінці XVIII ст. кілограм було прийнято за оди­ницю ваги. Використання кілограма як одиниці ваги, а пізніше як одиниці сили наприкінці XIX ст. обумовило формування нової системи одиниць фізичних величин з трьома одиницями: метр — одиниця довжини, кілограм-сила (кгс) — одиниця сили і секунда — одиниця часу (си­стема МКГСС). Кілограм-сила — це сила, яка надає масі в один кілограм прискорення 9,80665 м/с² (нормальне при­скорення вільного падіння).

Система МКГСС набула значного поширення у механіці та техніці і неофіційно називалася "технічною". Однією з причин широкого використання системи виявилася зруч­ність подання сили в одиницях ваги і розмір основної оди­ниці сили — кілограм-сила. Проте незважаючи на поширен­ня МКГСС дедалі більше виявляються її недоліки, зумов­лені використанням її як головної одиниці сили, а не маси.

Першим недоліком системи є те, що одиниця маси,є похідною від одиниці сили і дорівнює 9,80665 кг, а це по-рушує метричний принцип десятковості мір. Другий не­долік полягає у назві одиниці сили — кілограм-сила та метричної одиниці маси — кілограм, що часто призводить до заплутаності у назвах. (Деякі держави ввели нову на­зву кілограм-сили — кілоноїд.) Третім недоліком систе­ми МКГСС є некогерентність (неузгодженість) її з одини­цями електричних та механічних величин. Одиницею ро­боти й енергії у системі МКГСС прийнято кілограм-сила-метр, у системі практичних електричних одиниць робота і енергія вимірюються джоулями, що змушує вдаватися до використання перехідних коефіцієнтів при розрахунках. Крім того, виникає велика заплутаність при визначенні маси. За одиницю маси у системі МКГСС прийнята маса тіла, якому надається прискорення 1 м/с² під дією прикла­деної сили в 1 кгс. Цю одиницю — кілограм-сила-секунда у квадраті на метр (кгс-с²/м) інколи називають технічною одиницею маси (т.о.м.), або інертною, хоча такі визначення не прийняті у техніці. 1 кгс-с²/м = 9,81 кг (1 кг — одиниця маси у системі СІ). Проте в техніці широко використову­валися такі міри системи МКГСС, як одиниця роботи і енергії — кілограм-сила-метр (кгс-с) і одиниця потужності — кілограм-сила-метр за секунду (кгс-с/с).

Система МТС

Основними одиницями системи МТС є: одиниця довжи­ни — метр, одиниця маси — тонна і одиниця часу — секун­да. Система вперше була прийнята у 1919 році у Франції.

Прийняття тонни за основну одиницю маси здавалося вдалим, бо забезпечувало відповідність між одиницями довжини та об'єму і одиницею маси: одна тонна відповідала одному кубічному метру. Крім того, одиниця роботи і енергії у цій системі (кілоджоуль) і одиниця потужності (кіловат) збігалися з відповідними кратними практичними електрич­ними одиницями.

У системі МТС за одиницю сили прийнято стен (сн), що дорівнює силі, яка надає масі в одну тонну прискорення 1 м/с², а за одиницю тиску — п'єза (сн/м²).

Проте у нашій країні ця система не знайшла практич­ного застосування і не увійшла до Держстандарту, а в 1961 році була законодавчо відмінена й у Франції.

Абсолютна практична система електричних одиниць

Абсолютна практична система електричних одиниць була ухвалена у 1881 році Першим Міжнародним конгре-сом електриків як похідна від системи СГСМ і признача­лася для практичних вимірювань електричних та магніт­них величин. Електричні й магнітні одиниці системи СГС виявилися досить незручними для практичного викорис­тання, бо одні були надто великими, інші — надто малими. В абсолютній практичній системі електричні й магнітні оди­ниці були утворені із відповідних одиниць системи СГСМ перемноженням їх на 10 у відповідній степені.

Одними із перших були прийняті практичні електричні одиниці:

• практична одиниця електричного опору, яка дорівнює 10⁹ одиницям опору СГСМ (пізніше дістала назву "ом");

• практична одиниця електрорушійної сили, яка дорів­нює 10⁸ одиницям електрорушійної сили СГСМ (з назвою "вольт");

• практична одиниця сили струму ампер, яка дорівнює 10^_1 електромагнітної одиниці сили струму СГСМ;

• практична одиниця електричної ємності фарада, яка дорівнює 10~⁹ одиниці електричної ємності СГСМ.

Кожна з наведених практичних електричних одиниць мала відповідні обґрунтування, які з часом змінювалися і вдосконалювалися урахуванням досягнень науки і техніки.

Позасистемні одиниці

Поряд із системними одиницями фізичних величин у практиці вимірювання використовувалися одиниці, які не входили до складу жодної із систем — так звані позасис­темні одиниці. Значного поширення набули одиниці тис­ку: атмосфера, бар, міліметр ртутного стовпа, міліметр во­дяного стовпа. Позасистемними одиницями часу є хвили­на, година; одиницями довжини — ангстрем, світловий рік, парсек; одиницями площі — ар, гектар; одиницями елект­ричної енергії — електрон-вольт, кіловат-година; одиниця­ми акустичних величин — децибел, фон, октава та ін.

Проте при уніфікації одиниць і ухваленні єдиної сис­теми одиниць кількість позасистемних одиниць має бути скорочена до мінімуму. До того ж багато позасистемних одиниць є кратними системі СІ і можуть використову­ватися для практичних вимірювань (тонна, міліметр, мі­крон та ін.).

Міжнародна система одиниць

Наявність численних систем одиниць фізичних вели­чин, а також значної кількості позасистемних одиниць спричинило багато незручностей при переході від однієї системи одиниць в іншу, а отже, потрібно було якнайшвид­ше уніфікувати одиниці вимірювання. Необхідна була єди­на система одиниць фізичних величин, яка була б зручною для практичних вимірювань у різних галузях вимірювань та зберігала б принцип когерентності.

Так, система МКГСС успішно використовувалася у ме­ханіці та прикладних науках, але не узгоджувалась з прак­тичними електричними одиницями. Розміри одиниць сис­теми СГС широко використовувалися у фізиці, але були занадто незручні для використання у техніці.

У 1954 році X Генеральна конференція з мір і ваги вста­новила шість основних одиниць (метр, кілограм, секунда, ампер, градус Кельвіна, свічка) практичної системи одиниць для міжнародних відносин. На цей час членами Метрич­ної конференції стали близько 40 найрозвинутіших дер­жав. Одночасно Міжнародний комітет з мір і ваги створив комісію щодо розробки єдиної Міжнародної системи оди­ниць. Система одержала назву Міжнародної системи оди­ниць, скорочено СІ (81 — початкові букви французької назви буваєте Іпіетаііопаї).

Ухвалення Міжнародної системи у 1960 році IX Гене­ральною конференцією з мір і ваги було важливим про­гресивним актом, який закріпив велику багаторічну робо­ту з цього питання і узагальнив досвід роботи наукових організацій з метрології, стандартизації, фізики й електро­техніки.

Міжнародна система одиниць прийнята Міжнародним союзом фізиків, Міжнародною електротехнічною комісією та іншими міжнародними організаціями. Організація об'єд­наних націй з освіти, науки і культури (ЮНЕСКО) закли­кала усі країни ухвалити Міжнародну систему одиниць. Сьогодні 115 держав приєдналися до Метричної конвенції, і в більшості країн система СІ визнана чинною законодавчо.

У 1981 році в СРСР уведено в дію стандарт ГОСТ 8.417—81 "Одиниці фізичних величин", у якому за основу взято Міжнародну систему одиниць, і затверджено до обов'язко­вого виконання.

У 1997 році Держстандарт України ухвалив постанову про введення у державі Міжнародної системи одиниць ДСТУ 3651.097 "Метрологія. Одиниці фізичних величин. Основні одиниці фізичних величин Міжнародної системи одиниць. Основні назви, положення та позначення".

Перевагами Міжнародної системи одиниць СІ слід ви­значити такі:

• універсальність, що забезпечує її використання в на-„ уці, техніці і господарстві;

• уніфікованість одиниць для всіх видів вимірювання. Так, замість кількох одиниць тиску (атм., мм. рт. ст., мм. вод. ст,, бар та інші) у СІ визнана єдина одиниця тиску — паскаль (Па); замість кількох одиниць роботи й енергії ухвалена одиниця — джоуль (Дж);

• когерентність (узгодженість) системи: коефіцієнти про­порційності у фізичних рівняннях для визначення похідних величин дорівнюють одиниці;

• використання зручних для практичних вимірювань ос­новних та похідних одиниць;

• чітке розмежування одиниць маси (кілограм) і сили (ньютон);

• спрощений запис рівнянь і формул завдяки відсутнос­ті перехідних коефіцієнтів переведення з однієї системи в іншу;

• позбавлення необхідності визначати всі системи одиниць;

• сприяння розвитку міждержавних науково-технічних та економічних зв'язків.

 

Основні одиниці системи СІ

У 1954 році X Генеральна конференція з мір і ваги за­твердила основні одиниці Міжнародної системи одиниць, які мають охоплювати всі галузі науки і техніки, бути основою для утворення похідних одиниць, забезпечувати зручність для практичних вимірювань і відтворюватися за допомогою установок і еталонів з найбільшою точністю.

У 1971 році XIV Генеральна конференція з мір і ваги за­твердила сьому основну одиницю кількості речовини — моль.

Основні одиниці системи СІ зі скороченими позначен­нями українськими та латинськими буквами наведені у табл. 2.1.

  Таблиця 2.1. Основні одиниці системи СІ

Величина	Одиниця вимірювання	Скорочені позначення одиниць
		Українські	Латинські
Довжина	метр	м	m
Маса	кілограм	кг	к g
Час	секунда	с	s
Сила електричного струму	ампер	А	А
Термодинамічна температура	кельвін	К	К
Сила світла	кандела	кд	к d
Кількість речовини	моль	моль	mol

 

Визначення основних одиниць відповідно до рішення Генеральної конференції з мір і ваги:

метр — довжина шляху, який проходить світло у ва­куумі за 1/29979245 частину секунди;

кілограм — одиниця маси, що дорівнює масі Міжнарод­ного прототипу кілограма;

секунда — 9 192 631 770 періодів випромінювання пе­реходу між двома надтонкими рівнями основного стану лтома цезію-133;

ампер — сила незмінного струму, який, проходячи через лип паралельних прямолінійних провідники нескінченної доижини і занадто малого круглого перерізу, що розміщені ні і підстані метра один від одного у вакуумі, утворив би між провідниками силу в 2-10~⁷Н на кожний метр довжини;

кельвін — одиниця термодинамічної температури — І /273,16 частини термодинамічної температури потрійної точки води;

кандела — сила світла, що випромінюється з площі у І /і»00 000 м² перерізу повного випромінювача у перпенди­кулярному до цього перерізу напрямку при температурі иітнердіння платини та тиску 101 325 Па;

моль — кількість речовини, яка вміщує стільки ж мо-н і Vл (атомів, частинок), скільки вміщується атомів у ну-Ц щді вуглецю-12 масою в 0,012 кг.

 

Похідні одиниці системи СІ

Крім основних одиниць СІ є велика група похідних оди­ниць, які визначаються за законами взаємозв'язків між фізичними величинами або ж на основі визначення фізич­них величин. Відповідні похідні одиниці СІ виводяться із рівнянь зв'язку між величинами. Залежно від наукового напрямку утворені похідні одиниці для простору, часу, ме­ханічних, теплових, електричних, магнітних, акустичних, світлових величин та величин іонізуючого випромінюван­ня (додаток 1).

Поряд з основними та похідними одиницями Міжнарод­ної системи СІ є ще позасистемні одиниці (додаток 2). Вони широко застосовуються у повсякденному житті. Крім на­званих, є ще позасистемні одиниці тимчасового викорис­тання (морська миля, яка дорівнює — 1852 м, гектар — 10 000 м², ар — 100 м², бар — 10⁵ Па та ін.), а також відносні та логарифмічні величини.

 

Кратні та частинні одиниці

Найпрогресивнішим способом утворення кратних та частинних одиниць є прийнята у метричній системі мір десяткова кратність між великими і малими одиницями. Десяткові кратні та частинні одиниці від одиниць СІ утво­рюються шляхом використання множників та приставок від 10⁺³⁸ до 10-²⁴