И обеспечение единства измерений

 

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ

ГЛАВА 1 СОДЕРЖАНИЕ МЕТРОЛОГИИ

1.1. Предмет и задачи курса «Спортивная метрология»

В повседневной практике человечества и каждого индивида измерение — вполне обычная процедура. Измерение наряду с вычислением непосредственно связано с материальной жиз­нью общества, так как оно получило развитие в процессе прак­тического освоения мира человеком. Измерение, так же как счет и вычисление, стало неотъемлемой частью общественно­го производства и распределения, объективной отправной точ­кой для появления математических дисциплин, и в первую очередь геометрии, а отсюда и необходимой предпосылкой развития науки и техники.

В самом начале, в момент своего возникновения, измере­ния, сколь бы различными они ни были, носили, естествен­но, элементарный характер. Так, исчисление множества пред­метов определенного вида основывалось на сравнении с числом пальцев. Измерение длины тех или иных предметов строилось на сравнении с длиной пальца руки, стопы или шага. Этот доступный способ являлся изначально в буквальном смысле «экспериментальной вычислительной и измерительной тех­никой». Он уходит своими корнями в далекую эпоху «дет­ства» человечества. Прошли целые столетия, прежде чем раз­витие математики и других наук, появление измерительной техники, вызванное потребностями производства и торгов­ли, коммуникациями между отдельными людьми и народа­ми, привело к появлению хорошо разработанных и диффе­ренцированных методов и технических средств в самых различных областях знания.

Сейчас трудно себе представить какую-либо деятельность человека, в которой не использовались бы измерения. Изме­рения ведутся в науке, промышленности, сельском хозяйстве, медицине, торговле, военном деле, при охране труда и окру­жающей среды, в быту, спорте и т.д. Благодаря измерениям возможно управление технологическими процессами, промыш­ленными предприятиями, подготовкой спортсменов и народ­ным хозяйством в целом. Резко возросли и продолжают расти требования к точности измерений, быстроте получения изме­рительной информации, измерению комплекса физических величин. Увеличивается число сложных измерительных систем и измерительно-вычислительных комплексов.

Измерения на определенном этапе своего развития приве­ли к возникновению метрологии, которая в настоящее время определяется как «наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности». Это опреде­ление свидетельствует о практической направленности мет­рологии, которая изучает измерения физических величин и образующие эти измерения элементы и разрабатывает необ­ходимые правила и нормы. Слово «метрология» составлено из двух древнегреческих: «метро» — мера и «логос» — учение, или наука.

Современная метрология включает три составляющие: за­конодательную метрологию, фундаментальную (научную) и практическую (прикладную) метрологию.

Спортивная метрология — это наука об измерениях в физи­ческом воспитании и спорте. Ее следует рассматривать как кон­кретное приложение к общей метрологии, как одну из состав­ляющих практической (прикладной) метрологии. Однако как учебная дисциплина спортивная метрология выходит за рам­ки общей метрологии по следующим обстоятельствам. В физи­ческом воспитании и спорте некоторые из физических вели­чин (время, масса, длина, сила), на проблемах единства и точности которых сосредоточивают основное внимание спе­циалисты-метрологи, также подлежат измерению. Но более все­го специалистов нашей отрасли интересуют педагогические, психологические, социальные, биологические показатели, которые по своему содержанию нельзя назвать физическими. Методикой их измерений общая метрология практически не занимается, и поэтому возникла необходимость разработки специальных измерений, результаты которых всесторонне ха­рактеризуют подготовленность физкультурников и спортсме­нов. Особенностью спортивной метрологии является то, что в ней термин «измерение» трактуется в самом широком смыс­ле, так как в спортивной практике недостаточно измерять толь­ко физические величины. В физической культуре и спорте кро­ме измерений длины, высоты, времени, массы и других

г

физических величин приходится оценивать техническое мас­терство, выразительность и артистичность движений и тому подобные нефизические величины.

Предметом спортивной метрологии являются комплексный контроль в физическом воспитании и спорте и использование его результатов в планировании подготовки спортсменов и физ­культурников.

Вместе с развитием фундаментальной и практической метро­логии происходило становление законодательной метрологии.

Законодательная метрология — это раздел метрологии, включающий комплексы взаимосвязанных и взаимообуслов­ленных общих правил, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направ­ленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений.

Законодательная метрология служит средством государствен­ного регулирования метрологической деятельности посредством законов и законодательных положений, которые вводятся в практику через Государственную метрологическую службу и метрологические службы государственных органов управления и юридических лиц. К области законодательной метрологии относятся испытания и утверждение типа средств измерений и их поверка и калибровка, сертификация средств измерений, государственный метрологический контроль и надзор за сред­ствами измерений.

Метрологические правила и нормы законодательной метро­логии гармонизированы с рекомендациями и документами со­ответствующих международных организаций. Тем самым зако­нодательная метрология способствует развитию международных экономических и торговых связей и содействует взаимопони­манию в международном метрологическом сотрудничестве.

Измеряемые величины

Предметом познания, как известно, являются объекты, свойства и явления окружающего мира. Таким объектом, на­пример, служит окружающее нас пространство, а его свой­ством — протяженность. Она может характеризоваться различ­ными способами.

Общепринятой характеристикой (мерой) пространственной протяженности служит длина. Однако протяженность реального фи­зического пространства — сложное свойство, которое не может характеризоваться только длиной. Для полного описания простран­ства рассматривается его протяженность по нескольким направ­лениям (координатам) или используются еще такие меры, как угол, площадь, объем. Таким образом, пространство многомерно.

Любые события и явления в реальном мире не происходят мгновенно, а имеют некоторую длительность. Это свойство ок­ружающего нас мира качественно отличается от пространствен­ной протяженности. Его также можно характеризовать по-раз­ному, но общепринятой мерой здесь является время.

Свойство тел сохранять в отсутствие внешних воздействий состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью. Мерой инертности служит масса.

Свойство тел, состоящее в том, что они, нагретые до неко­торого состояния, качественно отличаются от предыдущего, могло бы характеризоваться средней скоростью теплового дви­жения молекул, но распространение получила мера нагрето-сти тел — термодинамическая температура.

Общепринятые или установленные законодательным путем характеристики (меры) различных свойств, общих в качествен­ном отношении для многих физических объектов (физических систем, их состояний и происходящих в них процессов), но в количественном отношении индивидуальных для каждого из них, называются физическими величинами.

Кроме длины, времени, температуры, массы к физическим величинам относятся плоский и телесный угол, сила, давле­ние, скорость, ускорение, электрическое напряжение, сила электрического тока, индуктивность, освещенность и многие другие. Все они определяют некоторые общие в качественном отношении физические свойства, количественные характери­стики которых могут быть совершенно различными. Получе­ние сведений об этих количественных характеристиках как раз и является задачей измерений.

Переход к количественным методам исследований на осно­ве измерительной информации в биологии, психологии, спорте, искусстве, медицине, педагогике, социологии и т.д. стал отли­чительной чертой нашего времени. Привычным стало измере­ние знаний учащихся, мастерства спортсменов и исполнителей художественных произведений, вдохновения, красоты, талан­та и других свойств, общих в качественном, но индивидуаль­ных в количественном отношении.

Между измеряемыми величинами существуют связи и за­висимости, выражаемые математическими отношениями и формулами. Эти формулы и соотношения могут отражать за­коны природы, как, например, закон Ома:

/= U/R. Или второй закон Ньютона:

F = та.

В подобных зависимостях одни величины выступают как ос­новные, а другие — как производные от них. Основные величи-

ны независимы друг от друга, но они могут служить основой для установления связей с другими физическими величина­ми, которые называют производными от них.

Основными принято называть единицы, величины которых определяют по специальным образцам — эталонам. Выбрав не­сколько основных единиц, вводят связанные с ними производ­ные единицы измерения. Производные единицы измерения мо­гут быть получены из основных путем несложных арифметических преобразований или формул. Так, единица измерения длины (метр — м) и единица измерения времени (секунда — с) — ос­новные единицы, а единица измерения скорости (метр за секун­ду — м/с) — производная единица измерения.

Словом «величина» часто пытаются выразить размер дан­ной конкретной физической величины. Говорят: величина дав­ления, величина скорости, величина напряжения. Это непра­вильно, так как давление, скорость, напряжение в правильном понимании этих слов являются величинами, и говорить о ве­личине величины нельзя.

В приведенных выше случаях применение слова «величина» — лишнее. Действительно, зачем говорить о большой или малой «ве­личине» давления, когда можно сказать большое или малое дав­ление и т. п.

Единица физической величины — физическая величина, ко­торой по определению придано значение, равное единице. Можно сказать также, что единица физической величины — такое ее значение, которое принимают за основание для срав­нения с ним физических величин того же рода при их количе­ственной оценке.

Количественная оценка конкретной физической величины, вы­раженная в виде некоторого числа единиц данной величины, на­зывается значением физической величины. Отвлеченное число, входя­щее в «значение» величины, называется числовым значением.

Первоначально единицы физических величин выбирались произвольно, без какой-либо связи друг с другом, что созда­вало большие трудности. Значительное число произвольных еди­ниц одной и той же величины затрудняло сравнение результа­тов измерений, произведенных различными наблюдателями.

В каждой стране, а иногда даже в каждом городе создава­лись свои единицы. Перевод одних единиц в другие был очень сложен и приводил к существенному снижению точности ре­зультатов измерений.

Основой системы мер в древнерусской практике послу­жили древнеегипетские единицы измерений, а они, в свою очередь, были заимствованы в Древней Греции и Риме. Есте­ственно, что каждая система мер отличалась своими осо­бенностями, связанными не только с эпохой, но и с нацио­нальным менталитетом.

Наименования единиц и их размеры соответствовали воз­можности осуществления измерений «подручными» способа­ми, не прибегая к специальным устройствам. Так, на Руси основными единицами длины были пядь и локоть, причем пядь служила основной древнерусской мерой длины и означа­ла расстояние между концами большого и указательного паль­цев взрослого человека. Позднее, когда появилась другая еди­ница - аршин, пядь ('/₄ аршина) постепенно вышла из употребления.

Мера «локоть» пришла к нам из Вавилона и означала рас­стояние от сгиба локтя до конца среднего пальца руки (иногда -сжатого кулака или большого пальца).

С XVIII в. в России стали применяться дюйм, заимствован­ный из Англии (назывался он «палец»), и английский фут Особыми русскими мерами были сажень, равная трем локтям (около 152 см), и косая сажень (около 248 см).

Пожалуй, каждый мальчишка знает размеры футбольных
ворот: ширина 7,32 и длина 2,44 м. Странные цифры? Почему
7,32 а не ровно 7 или 7,5 м? А потому, что у родоначальников
футбола - англичан - 7,32 м это ровно 24 фута а 2 44 м -
ровно 8 футов. Фут по-английски значит нога, ступня (рис 1)
Он равен 0,305 метра. ''

Рис. 1. Наглядное значение «древних» единиц «фута» и «косой сажени»

Указом Петра 1 русские меры длины были согласованы с английскими, и это по существу стало первой ступенью гар­монизации российской метрологии с европейской.

 

По мере развития техники, а также международных связей трудности использования результатов измерений возрастали и тормозили дальнейший научно-технический прогресс. Положе­ние осложнялось еще и тем, что соотношения между дольными и кратными единицами были необычайно разнообразны. В каче­стве примера приведем некоторые единицы, применявшиеся в России до Октябрьской революции, и соотношения между ними и метрическими мерами:

1 аршин = 16 вершкам = 28 дюймам = 0,71120 м;

1 дюйм = 25,4 мм;

1 сажень = 3 аршинам = 7 футам = 2,1336 м;

1 фут = 12 дюймам = 304,8 мм;

1 пуд = 40 фунтам = 16,38 кг;

1 фунт = 96 золотникам = 409,5 г;

1 золотник = 96 долям = 4,266 г.

Во второй половине XVIII в. в Европе насчитывалось до сотни футов различной длины, около полусотни различных миль, свыше 120 различных фунтов.