Единицы величин и системы единиц

Вопрос определения единиц величин и установления единых и всеобщих правил их использования имеет для обеспечения единства измерений первостепенное значение — это краеуголь­ный камень и основа единства измерений. Словарь СИ. Ожегова определяет величину как размер, объем, протяженность предме­та или, в общем случае, как то, что можно измерить, исчислить, т.е. 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. Чтобы найти ко­личественное значение 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. Соответственно 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, климатические различия, специфика экономического укла­да способствовали установлению различных единиц и мер одних и тех же физических величин. Так, известны несколько сотен мер единицы длины — фута и массы — фунта.

В России до сих пор используется выражение «длинный как коломенская верста», связано это с тем обстоятельством, что в Коломне как в удельном феодальном государстве мера длины была больше, чем на остальной территории Руси. Однако слиш­ком больших проблем такое разнообразие до некоторых пор не доставляло, что обусловлено небольшим ассортиментом товаров и нерегулярным и достаточно вялым товарообменом. Эта ситуа­ция вполне устраивала правящую элиту того времени, но ста­новление централизованной власти неизбежно потребовало введения и применения единых на территории государства мер. Известна Грамота на Двину о новых печатных мерах и осьми­нах, датированная 21 декабря 1550 г. (Двинская грамота), кото­рой предписывалось создание первых образцовых печатных (орлёных) мер объема для сыпучих тел — медных осьмин, которые следовало хранить централизованно в приказах Московского государства. С них надлежало изготовить деревянные копии и, заклеймив их, разослать по уездам для городских померщиков 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 в развитии 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 метр.

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), осуществляющее 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 платиноиридиевого 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 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 10 основных, впервые была достигнута международная договоренность о вве­дении единых мер. Последнее обстоятельство особенно важно, так как требует от участников системы существенной пере­стройки структуры национальных, сложившихся, привычных единиц и мер. Это связано к тому же и с большими финансо­выми затратами. 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 самым 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 предметах, точность воспроизведения которыми соответствующего размера физиче­ской величины может совершенствоваться только за счет харак­теристик используемых при исследовании конкретного образца средств измерений, 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. Этот переход 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. 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 взаимонезависимых основных единиц, комби­нация которых позволяет 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. Снова вопросы унификации единиц измерений вышли на первый план, уже не территориальные или межгосударственные барьеры препятство­вали техническому и научному прогрессу, а отраслевые. Для вы­ражения результатов измерений использовалось до 10 единиц силы, 30 — работы и энергии. Однако появление большого ко­личества систем единиц, базирующихся на различном количест­ве различных по природе единиц, позволило обобщить опыт их создания и разработать обобщающую интегральную систему еди­ниц, вобравшую в себя весь 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.