Метрична система та Міжнародна система одиниць (СІ)

У цій статті ми поговоримо про метричну систему та її історію. Ми побачимо, як і чому вона починалася і як поступово перетворилася на те, що ми маємо сьогодні. Ми також розглянемо систему СІ, яка була розроблена на основі метричної системи заходів.

Для наших предків, які жили в повному небезпеці світі, можливість вимірювати різні величини в природному середовищі дозволяла наблизитися до розуміння сутності явищ природи, пізнання навколишнього середовища та отримання можливості хоч якось впливати на те, що їх оточувало. Саме тому люди намагалися винаходити та покращувати різні системи вимірювань. На зорі розвитку людства мати систему вимірювань було не менш важливо, ніж зараз. Виконувати різні виміри необхідно було при будівництві житла, шиття одягу різних розмірів, приготуванні їжі і, звичайно, без виміру не могли обійтися торгівля та обмін! Багато хто вважає, що створення та прийняття Міжнародної системи одиниць СІ є найсерйознішим досягненням не лише науки та техніки, а й взагалі розвитку людства.

Ранні системи вимірювань

У ранніх системах заходів та системах числення люди використовували для вимірювання та порівняння традиційні об'єкти. Наприклад, вважається, що десяткова система з'явилася через те, що у нас по десять пальців на руках і ногах. Наші руки завжди з нами — тому з давніх-давен люди використовували (та й зараз використовують) пальці для рахунку. І все ж таки ми не завжди використовували для рахунку систему з підставою 10, та й метрична система є відносно новим винаходом.У кожному регіоні з'являлися свої системи одиниць і, хоча у цих систем є багато спільного, більшість систем все ж таки настільки різні, що переведення одиниць виміру з однієї системи в іншу завжди був проблемою. Ця проблема ставала все більш серйозною з розвитком торгівлі між різними народами.

Точність перших систем заходів та терезів безпосередньо залежала від розмірів предметів, які оточували людей, які розробляли ці системи. Зрозуміло, що вимірювання були неточними, оскільки «вимірювальні пристрої» не мали точних розмірів. Наприклад, як міра довжини зазвичай використовувалися частини тіла; маса та обсяг вимірювалися за допомогою обсягу та маси насіння та інших невеликих предметів, розміри яких були більш-менш однакові. Нижче розглянемо такі одиниці.

міри довжини

У Стародавньому Єгипті довжина спочатку вимірювалася просто ліктями, а згодом царськими ліктями. Довжина ліктя визначалася як відрізок від ліктьового вигину остаточно витягнутого середнього пальця. Таким чином, царський лікоть визначався як лікоть царяючого фараона. Було створено зразковий лікоть, який був доступний широкому загалу, щоб усі могли виготовляти свої заходи довжини. Це, звичайно, була довільна одиниця, яка змінювалася, коли нова царствуюча особа займала престол. У Стародавньому Вавилоні використовувалася схожа система, але з невеликими відмінностями.

Лікоть ділили на дрібніші одиниці: долоня, рука, зерець (фут), and тиб (палець), які були представлені відповідно шириною долоні, руки (з великим пальцем), ступні та пальця. У цей же час вирішили домовитися про те, скільки пальців у долоні (4), у руці (5) та лікті (28 у Єгипті та 30 у Вавилоні). Це було зручніше і точніше, ніж щоразу вимірювати співвідношення.

Заходи маси та ваги

Міри ваги також ґрунтувалися на параметрах різних предметів. Як заходи ваги виступали насіння, зерна, боби та аналогічні предмети. Класичним прикладом одиниці маси, яка використовується досі, є карат. Зараз каратами вимірюють масу дорогоцінного каміння та перлів, а колись як карат визначили вагу насіння ріжкового дерева, інакше званого кероб. Дерево культивується в Середземномор'ї, а насіння його відрізняється сталістю маси, тому їх зручно було використовувати як міру ваги та маси. У різних місцях як дрібні одиниці ваги використовувалися різне насіння, а більші одиниці зазвичай були кратні дрібнішим одиницям. Археологи часто знаходять подібні великі заходи ваги, які зазвичай виготовлені з каменю. Вони складалися з 60, 100 та іншої кількості дрібних одиниць. Оскільки єдиний стандарт щодо кількості дрібних одиниць, а також за їхньою вагою був відсутній, це призводило до конфліктів, коли зустрічалися продавці та покупці, які жили у різних місцях.

міри обсягу

Спочатку обсяг також вимірювали за допомогою невеликих предметів. Наприклад, об'єм горщика або глечика визначали, наповнюючи його догори невеликими предметами щодо стандартного об'єму — на зразок насіння. Однак відсутність стандартизації призводила до тих самих проблем при вимірюванні об'єму, що і при вимірі маси.

Еволюція різних систем заходів

Давньогрецька система заходів була заснована на давньоєгипетській та вавілонській, а римляни створювали свою систему на основі давньогрецької. Потім вогнем та мечем і, звичайно, внаслідок торгівлі ці системи поширювалися по всій Європі. Слід зазначити, що тут ми говоримо лише про найпоширеніші системи.Адже було безліч інших систем заходів та ваг, тому що обмін та торгівля були необхідні абсолютно всім. Якщо ж у цій місцевості була відсутня писемність чи було прийнято записувати результати обміну, ми можемо лише здогадуватися у тому, як ці люди вимірювали обсяг і вага.

Існує безліч регіональних варіантів систем заходів та вага. Пов'язано це з їх незалежним розвитком та впливом на них інших систем внаслідок торгівлі та завоювання. Різні системи були не тільки в різних країнах, але часто і в межах однієї країни, де в кожному торговому місті вони були свої, тому що місцеві правителі не бажали уніфікації зберегти свою владу. У міру розвитку подорожей, торгівлі, промисловості та науки багато країн прагнули до уніфікації систем заходів та терезів, принаймні на територіях своїх країн.

Вже в XIII ст., а можливо і раніше, вчені та філософи обговорювали створення єдиної системи вимірів. Однак лише після Французької революції та подальшої колонізації різних регіонів світу Францією та іншими європейськими країнами, в яких вже були свої системи заходів та терезів, була розроблена нова система, прийнята в більшості країн світу. Цією новою системою була десяткова метрична система. Вона була заснована на підставі 10, тобто для будь-якої фізичної величини в ній існувала одна основна одиниця, а решта одиниць можна було утворювати стандартним чином за допомогою десяткових приставок. Кожну таку дробову чи кратну одиницю можна було розділити на десять менших одиниць, а ці менші одиниці, своєю чергою, можна було розділити на 10 менших одиниць тощо.

Як ми знаємо, більшість ранніх систем вимірювання не було засновано на підставі 10.Зручність системи з основою 10 полягає в тому, що така основа має звична нам система числення, що дозволяє швидко і зручно за простими і звичними правилами здійснювати переведення з менших одиниць у великі і навпаки. Багато вчених вважають, що вибір десяти як основа системи числення довільний і пов'язаний тільки з тим, що у нас десять пальців і якби у нас була інша кількість пальців, то ми напевно користувалися б іншою системою числення.

Метрична система

На зорі розвитку метричної системи як міри довжини і ваги використовувалися виготовлені людиною прототипи, як і в попередніх системах. Метрична система пройшла еволюцію від системи, заснованої на речових еталонах та залежність від їх точності до системи, заснованої на природних явищах та фундаментальних фізичних постійних. Наприклад, одиниця часу на секунду була визначена спочатку як частина тропічного 1900 року. Недоліком такого визначення була неможливість експериментальної перевірки цієї константи у наступні роки. Тому секунду перевизначили як певну кількість періодів випромінювання, відповідного переходу між двома надтонкими рівнями основного стану радіоактивного атома цезію-133, що спокоюється при 0 K. Одиниця відстані, метр, була пов'язана з довжиною хвилі лінії спектра випромінювання ізотопу криптона-86 метр був перевизначений як відстань, яка проходить світло у вакуумі за проміжок часу, що дорівнює 1/299792458 секунди.

На основі метричної системи було створено Міжнародну систему одиниць (СІ).Слід зазначити, що традиційно метрична система включає одиниці маси, довжини та часу, однак у системі СІ кількість базових одиниць розширена до семи. Ми обговоримо їх нижче.

Міжнародна система одиниць (СІ)

Міжнародна система одиниць (СІ) має сім основних одиниць для вимірювання основних величин (маси, часу, довжини, сили світла, кількості речовини, сили електричного струму, термодинамічної температури). Це кілограм (кг) для вимірювання маси, секунда (с) для вимірювання часу, метр (м) для вимірювання відстані, кандела (кд) для вимірювання сили світла, моль (скорочення моль) для вимірювання кількості речовини, ампер (A) для вимірювання сили електричного струму, and кельвін (K) для вимірювання температури.

Нині лише кілограм досі має виготовлений людиною еталон, тоді як інші одиниці засновані на універсальних фізичних постійних чи природних явищах. Це зручно, тому що фізичні постійні або природні явища, на яких ґрунтуються одиниці виміру, легко перевірити в будь-який час; при цьому немає загрози втрати чи пошкодження стандартів. Також немає потреби у створенні копій еталонів, щоб забезпечити їх доступність у різних точках планети. Це дозволяє позбавитися помилок, пов'язаних з точністю виготовлення копій фізичних об'єктів, і, таким чином, забезпечує більшу точність.

Десятні приставки

Для формування кратних і дольних одиниць, що відрізняються від базових одиниць системи СІ у певне ціле число разів, що є ступенем десяти, у ній використовуються приставки, що приєднуються до назви базової одиниці.Нижче наводиться список всіх приставок, що використовуються в даний час, і десяткові множники, які вони позначають:

Наприклад, 5 гігаметрів дорівнює 5 000 000 000 метрів, тоді як 3 мікрокандели дорівнюють 0,000003 кандели. Цікаво відзначити, що незважаючи на наявність приставки в одиниці кілограм, вона є базовою одиницею СІ. Тому вказані вище приставки застосовуються з грамом, начебто він є базовою одиницею.

На момент написання цієї статті залишилися лише три країни, які не прийняли систему СІ: США, Ліберія та М'янма. У Канаді та Великій Британії традиційні одиниці все ще широко використовуються, незважаючи на те, що система СІ в цих країнах є офіційною системою одиниць. Достатньо зайти в магазин і побачити цінники за фунт товару (адже дешевше виходить!), або спробувати купити будматеріали, що вимірюються в метрах і кілограмах. Не вийде! Не кажучи вже про упаковку товарів, де все підписано у грамах, кілограмах та літрах, але не в цілих, а переведених із фунтів, унцій, пінт та кварт. Місце для молока в холодильниках теж розраховується на півгалону або галон, а не на літрову молочну упаковку.