Лекція №2 Тема.Системи фізичних одиниць величин

План

1. Система СГС

2. Система МКГСС

3. Система МТС

4. Абсолютна практична система електричних одиниць

5. Позасистемні одиниці

6. Розробка системи СІ

7. Переваги СІ

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. Гаусс 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. Гаусс 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.

Система СГС

У 1881 році Першим Міжнародним конгресом електриків була прийнята система одиниць фізичних величин,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 ,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 порушує 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 конгресом 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 10º одиницям опору СГСМ;

- практична одиниця електрорушійної сили, яка дорівнює 10 одиницям електрорушійної сили СГСМ;

-практична одиниця сили струму ампер, яка дорівнює 10ˉ ¹електромагнітної одиниці сили струму СГСМ;

-практична одиниця електричної ємності фарада, яка дорівнює 10º 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 (SI — початкові букви французької назви).

Ухвалення Міжнародної системи у 1960 році XI 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 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 науці,техніці і господарстві;

-уніфікованість одиниць для всіх видів вимірювання;

-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.