физические величины
библиотека
ресурсы
Единицы физических величин
[Л.А.Сена, Единицы физических величин и их размерности, М., Наука, 1988]Физические величины и их единицы
В науке, технике и обыденной жизни мы имеем дело с разнообразными свойствами окружающих нас тел. Эти свойства отражают процессы взаимодействия тел между собой и их воздействие на наши органы чувств. Для описания свойств вводятся физические величины, каждая из которых является качественно общей для многих объектов (физических тел, их состояний, процессов, в которых они участвуют), но в количественном отношении различной для разных объектов. Для того чтобы дать меру физической величине, мы устанавливаем ее единицу. Единица определенной физической величины представляет собой значение данной величины, которое по определению считается равным 1. Операция, с помощью которой мы узнаем числовое значение той или иной величины для определенного объекта, представляет собой измерение этой величины.
Измерить какую-либо величину - это значит найти опытным путем отношение данной величины к соответствующей единице измерения. Это отношение и является мерой интересующей нас величины.
Так как само понятие "больше - меньше" применимо лишь к однородным величинам, очевидно, что и сравнивать можно только однородные величины. Можно сравнивать высоту здания с расстоянием между городами, силу натяжения пружины с весом гири, но бессмысленно ставить вопрос о том, превышает ли скорость поезда длину карандаша или объем стакана - массу чернильницы. Столь же нелепо, разумеется, пытаться измерить скорость единицей массы или площадь - единицей силы.
Хочу заметить, что в "научном быту" такая "бессмыслица" в ходу: говорят о массе, выражая ее в единицах энергии, скорости и расстояния, плотность в единицах массы, напряженность поля в единицах времени и т.д. Конечно, собеседники понимают о чем идет речь в каждом конкретном случае :-))))
Для того чтобы измерение имело однозначный характер, необходимо, чтобы отношение двух однородных величин не зависело от того, какой единицей измерены эти величины. Подавляющее большинство физических величин удовлетворяет этому условию, которое обычно называют условием абсолютного значения относительного количества. Это условие может быть соблюдено при наличии по крайней мере принципиальной возможности такого количественного сравнения двух однородных величин, в результате которого получается число, выражающее отношение этих величин.
Встречаются, однако, подчас такие свойства, которые не удается охарактеризовать величиной, удовлетворяющей указанному требованию. В этих случаях вводят некоторые условные числовые характеристики, которые уже нельзя рассматривать как единицы. С развитием измерительной техники иногда возникает возможность замены таких условных характеристик "настоящими" единицами. Так, например, для определения скорости ветра раньше служила условная шкала "силы ветра" Бофорта, которую затем заменили измерением скорости ветра в метрах в секунду. В настоящее время каждому баллу шкалы Бофорта приведен в соответствие определенный интервал скорости ветра. К числу таких условных величин относится и твердость материалов, для сравнения которой существуют различные шкалы, между которыми, кстати сказать, нет даже вполне однозначного соответствия. Хотя эти условные числовые характеристики физических свойств, строго говоря, и не являются единицами, они позволяют производить качественное сравнение величин, что в ряде случаев достаточно удовлетворительно для практических целей.
Вопрос о том, как определить единицу измеряемой величины, вообще говоря, может быть решен произвольно. И действительно, история материальной культуры знает громадное число разнообразных единиц, в особенности для измерения длины, площади, объема и массы. Это разнообразие единиц сохранилось в некоторой степени и до настоящего времени.
Наличие большого числа разнообразных единиц создавало, естественно, затруднения в международных торговых отношениях, обмене результатами научных исследований и т.п. Вследствие этого ученые разных стран пытались установить общие единицы, которые действовали бы во всех странах. При этом, разумеется, не ставилась задача для каждой величины устанавливать одну-единственную единицу. Поскольку на практике приходилось встречаться с большими и малыми значениями измеряемых величин, целесообразно было иметь соответственно единицы различного размера - крупные и мелкие, с тем условием, чтобы переход от одних единиц к другим осуществлялся возможно более просто. Такими единицами стали единицы метрической системы мер, созданной в эпоху Великой французской революции, - системы, которая, по мысли ее авторов, должна была служить "на все времена, для всех народов, для всех стран" ("pour tous les temps, pour tous les peuples, pour tous les pays").
С середины XIX в. метрическая система стала широко распространяться, была узаконена почти во всех странах и легла в основу построения единиц, служащих для измерения различных величин в физике и смежных науках. Отличительным свойством метрической, или, как ее иногда называют, десятичной, системы мер является то, что разные единицы одной и той же величины относятся друг к другу, как целые (положительные или отрицательные) степени десяти.
Несмотря на явные преимущества и удобства метрической системы наряду с ней в ряде стран применялись и применяются свои, местные единицы, а в Великобритании, США и некоторых других странах до недавнего времени метрическая система не являлась государственной и использовалась, и то не всегда, лишь в научных работах. В настоящее время большинство этих стран постепенно переходят на метрическую систему.
То обстоятельство, что для измерения одной и той же величины применяется несколько единиц, требует умения переходить от одних единиц к другим. Иначе говоря, нужно уметь определять число, выражающее данную величину одной единицей, если известно число, выражающее ее другой.
Числовое значение физической величины и ее единица находятся в обратном отношении, т.е. во сколько раз крупнее единица данной величины, во столько раз меньше число, которым эта величина выражается. Так, например, если рост человека, измеренный в сантиметрах, выражается числом 175, то тот же рост, измеренный в дециметрах, будет выражаться числом 17,5. Это простое положение многие забывают, когда речь идет о более сложных или менее знакомых величинах. Поэтому, записывая числовое значение какой-либо величины, мы обязательно рядом с числом должны поставить символ единицы, которой эта величина измерена. Так, например, мы пишем: "рост человека равен 17,5 дм" или же "рост человека равен 175 см". Выражения 17,5 дм и 175 см представляют собой равноценные обозначения одной и той же величины - длины. Поэтому можно написать 17,5 дм = 175 см.
Прямые и косвенные измерения