Сегодня кажется очевидным, что килограмм сахара России и в Африке будет килограммом сахара. Вы удивитесь, узнав, что всего лишь 200 лет назад 1 пуд весил по-разному даже в соседних губерниях. К единому знаменателю нас привела международная система СИ, которой сегодня оперирует большинство стран мира. Но так было не всегда. Об истории введения эталонов измерений и единой системы СИ - далее в статье.
Зачем нам эталоны?
Развитие цивилизации знало множество стандартов и эталонов мер, которые сменялись на протяжении столетий. Например, мера веса в Древнем Египте – киккар, в Древнем Риме – талант, в России – пуд. И все эти меры, сменяя друг друга, требовали от человечества договариваться о единых единицах физических параметров, которые будут сопоставимы с единой для всех договорной единицей (эталоном).
С развитием научно-технического прогресса потребность в такой единой системе стандартов только возрастала. Начиная с торгово-экономической сферы деятельности, эта система стандартов стала необходимостью во всех других сферах – строительной (чертежи), промышленной (например, единство сплавов) и даже культурной (временные интервалы).
Как метр определяли
Почти до конца 17-го века в разных странах меры длины были разные. Но вот пришло время, когда развитие науки потребовало единой меры длины – католического метра.
Первый эталон предложил британский ученый и философ Джон Уилкинс – за единицу длины принять длину маятника, половина периода которого равняется одной секунде. Но быстро выяснилось, что это значение сильно меняется в зависимости от места замера.
В 1790 году Национальное собрание во Франции по предложению тогдашнего министра Талейрана принимает один эталон метра, в 1791 году уже французская Академия наук принимает за эталон длины одну десятимиллионную часть расстояния между экватором и Северным полюсом, измеренную по Парижскому меридиану. Согласитесь, довольно сложно.
Несмелые попытки продолжались
Прообразом современной системы СИ стала метрическая система во Франции, которую Национальным Конвентом в 1795 году было предложено разработать ведущим ученым того времени. Работали над разработкой эталонов длины и массы Ш. Кулон, Ж. Лагранж, П.-С. Лаплас и другие. Предложений было несколько, меридиан все же измерили. И первый эталон метра был изготовлен из латуни в 1975 году.
И все же днем рождения единой системы мер и прообразом современной системы единиц СИ следует считать 22 июня 1799 года. Именно тогда во Франции из платины были изготовлены первые эталоны метра и килограмма.
Идут годы, появляется абсолютная система единиц Гаусса (1832) и приставки для обозначения кратных единиц Максвелла и Томсона.
И вот в 1875 году 17 государств подписали Метрическую конвенцию. В ней утвердили Международное бюро мер и Международный комитет мер, а также начала свою деятельность Генеральная конференция по мерам и весам. На ее первой конференции в 1889 году была принята первая единая метрическая система, основанная на метре, килограмме, секунде.
История эталонов продолжается
Развитие электричества и оптики вносит свои коррективы в понятия стандартов. Наука не стоит на месте и требует все новых единиц измерения.
В 1954 году на десятой Генеральная конференция по мерам и весам были приняты шесть единиц – метр, килограмм, секунда, ампер, кандела, градус Кельвина. В 1960 году эта система получает название Systeme International d’Unites, а в 1960 году принимается стандарт Международной системы единиц, сокращенно SI. Русскоязычное «СИ» расшифровывается как система интернациональная. Это и есть та система измерения СИ, которой пользуется сегодня весь мир. Исключениями стали США, Нигерия, Мьянма.
Определение системы СИ
Сразу стоит отметить, что это не единственная система эталонов. В некоторых отраслях прикладной физики используются другие системы единиц.
Сегодня Международная система физических величин СИ – наиболее используемая в мире метрическая система. Ее официальное подробное описание изложено в «Брошюре СИ» (1970). Официальное определение «Международная система единиц СИ – система единиц, основанная на Международной системе величин, вместе с наименованиями и обозначениями, а также набором приставок … с правилами применения …».
Основа системы
Принципы единиц измерения системы СИ следующие:
- Определены семь основных единиц физических величин. В системе СИ они не могут быть получены из других величин. Это – килограмм (вес), метр (длина), секунда (время), ампер (сила тока), кельвин (температура), моль (количество вещества), кандела (сила света).
- Определены производные величины от величин основной системы СИ, которые получены путем математических действий с основными величинами.
- Определены приставки к величинам и правила их использования. Приставки означают, что единицу нужно разделить/умножить на целое число, которое является степенью числа 10.
Значение в жизни и науке
Как уже говорилось, большинство стран мира использует единицы системы SI. Даже если в обычной жизни они используют традиционные для страны единицы, то они определяются путем перевода в систему СИ с помощью фиксированных коэффициентов.
Все основные единицы системы СИ определяются посредством физических констант или явлений, которые неизменны и могут быть воспроизведены в любой точке мира с высокой точностью. Исключением является только килограмм, эталон которого так пока и остается единственным физическим прототипом.
Система единиц МКС (метр, килограмм, секунда) позволяет решать задачи механики, термодинамики и других областей теоретической физики и практической науки.
Но в некоторых отраслях (например, в электродинамике) система СИ проигрывает другим метрическим системам. Именно поэтому в мире существует несколько метрических систем, величины которых в той или иной мере привязаны к главным эталонам - килограмму, метру и секунде.
Единицы SI
Основные единицы (напомним – их семь) и их обозначения представлены в таблице, но всем нам они хорошо знакомы. Названия единиц в данной системе пишут со строчной буквы, а после обозначения единиц точка не ставится.
Производные единицы (их 22) выражены через математически исчисления и вытекают из физических законов. Например, скорость – расстояние, которое тело проходит за единицу времени – м/с. У некоторых производных единиц есть свои названия (радиан, герц, ньютон, джоуль) и они могут записываться по-разному.
Есть единицы, которые не входят в системы СИ, но допускаются к совместному использованию. Они утверждены Генеральной конвенцией по мерам и весам. Например, минута, час, сутки, литр, узел, гектар.
Также разрешено применять и единицы логарифмических величин, как и относительных. Например, процент, октава, декада.
Разрешается применение и величин, которые получили широкое распространение. Например, неделя, год, век.
Для перевода величин из разных систем существуют разработанные конвекторы. Их существует огромное множество, но все они опираются на единые метрические величины.
Преимущества международной системы SI
Универсальность данной системы очевидна. Все физические явления, все отрасли хозяйствования и техники охвачены единой системой величин. Только система СИ дает единицы, которые важны и удобны в применении.
Системе присуща гибкость, которая допускает применение внесистемных единиц, и возможности развития – при необходимости число величин СИ может быть увеличено. Единицы могут подвергаться корректировке в соответствии с международными соглашениями и уровнем развития технологий измерения.
Унификация единиц сделала эту систему применяемой повсеместно (более чем в 130 странах) и признанной множеством влиятельных международных организаций (ООН, ЮНЕСКО, Международным союзом чистой и прикладной физики).
Система СИ повышает производительность труда проектантов и ученых, упрощает и облегчает учебный процесс и практику международных контактов во всех сферах.
Последний физический прототип
Все единицы в системе СИ определены физическими константами. Исключение – килограмм. Только этот эталон пока имеет свой физический прототип и этим выделяется в стройной линейке единиц измерения.
Эталон килограмма – это цилиндр из сплава 9 частей платины и 1 части иридия. Его масса соответствует одному литру воду при ее наивысшей плотности (4 градуса по Цельсию, стандартное давление над уровнем моря). В 1889 году их было изготовлено 80 штук, 17 из которых были переданы странам, подписавшим Метрическую конвенцию.
Сегодня оригинал этого эталона под тремя герметичными капсулами находится в городе Севр в предместье Парижа в сейфе Международного бюро мер и весов. Каждый год его торжественно извлекают и проводят сверку.
Российская версия эталона килограмма находится во ВНИИ метрологии им. Менделеева (Санкт-Петербург). Это прототипы № 12 и № 26.
Ваш айфон сломается из-за утраты эталона массы в системе СИ
Вся метрическая система человечества сегодня находится под угрозой. А происходит это потому, что как раз единственный физически существующий эталон стремительно «худеет».
Экспериментально доказано, что каждое столетие эталон килограмма становится легче на 3 х 10−8 килограмма. Это происходит вследствие отрыва атомов при ежегодных освидетельствованиях. Очевидно, что нарушение константы данной величины обязательно потянет за собой и изменение всех остальных величин.
Спасти ситуацию призван проект «Электронный килограмм» (Национальный институт стандартов и технологий, США), который предусматривает создание прибора такой мощности, который сможет поднять в электромагнитном поле 1 килограмм массы. Работы над созданием пока ведутся.
Другое направление – куб из 2250 х 281489633 атомов углерода-12. Его высота будет 8,11 сантиметров и он не будет уменьшаться с течением времени. Данный проект также в стадии разработки.
Интересные факты об эталонах и не только
Время – величина постоянная. Во всех часовых поясах нашей планеты время определяют относительно всемирного времени UTC. Занятно, что данная аббревиатура не имеет расшифровки.
Моряки продолжают использовать единицу «узел». Мало кто знает, но эта единица имеет длинную историю. Для измерения скорости кораблей раньше использовался лаг с узлами, завязанными на одинаковом расстоянии. Современные спидометры стали гораздо совершеннее, но название сохранилось.
И измерение мощности автомобильного транспорта в лошадиных силах также основано на реальном факте. Изобретатель парового двигателя Джеймс Уайт так продемонстрировал преимущества своего открытия. Под 1 лошадиной силой он считал массу груза, который лошадь поднимет в минуту.
