Запитання. Завдання

1. Охарактеризуйте передумови виникнення метрології і стан­дартизації.

2. Визначте сутність теоретичної метрології.

3. Охарактеризуйте внесок законодавчої метрології у структуру теорії метрології і стандартизації.

4. Проаналізуйте функції науково-технічного, законодавчого, прикладного аспектів метрології.

5. З'ясуйте роль метрології в науці, народному господарстві, екології.

6. Який взаємозв'язок простежується між метрологією, стан­дартизацією і сертифікацією?

7. Обгрунтуйте різницю між термінами «стандарт» і «стандар­тизація».

8. У чому полягає сутність Державної системи стандартизації?

9. Вкажіть основні причини виникнення сертифікації.

10. У чому полягає контролююча функція сертифікації?

11. Зважаючи на характерні ознаки сучасного етапу розвитку метрології, стандартизації, сертифікації, охарактеризуйте їх значення у різних сферах життя суспільства.

2.

Метрологія в екологічній сфері

Одним із основних засобів пізнання навколишнього се­редовища є метрологія. Вона дає змогу оцінювати якісні та кількісні параметри об'єктів довкілля, використову­вати отриману інформацію, розробляючи заходи для його поліпшення й охорони. Застосування засобів метрології сприяє правильній організації всього ланцюга вимірювань, яких потребує моніторинг довкілля.

Метрологія є науковою основою забезпечення належ­ної якості об'єктів навколишнього природного середовища (водних ресурсів, атмосферного повітря, екосистеми, лан­дшафту тощо), продукції промислового і агропромислово­го секторів (товарів повсякденного попиту, продуктів харчування, побутової хімії), умов проживання у ком­плексі (забезпеченість якісними ресурсами: водою, рекреа­ційними ресурсами, атмосферним повітрям тощо).

2.1. Фізичні величини як основний об'єкт вимірювання

Термін «вимірювання» є одним із основних у теорії і практиці метрології (ДСТУ 2681—94. «Метрологія. Терміни та визначення»), він забезпечує зв'язок з об'єктом дослі­джень чи управління в різних галузях науки, техніки, виробництва, охорони навколишнього природного середовища. На перших етапах розвитку кожна галузь вимірювань роз­вивалась відокремлено та стосувалася розмірів будівель­них конструкцій, довжини, площі. Із розвитком науки, з одного боку, виникала необхідність вимірювати величезну кількість параметрів фізичних і хімічних процесів та явищ, а з іншого — постала потреба у розробленні високо­якісних засобів для вимірювання.

Внаслідок вимірювання або обчислення отримують зна­чення фізичної величини. Фізичною величиною (властивістю) вважають ознаку, властиву фізичним об'єктам (фізичним властивостям, їх станам, процесам, що в них відбуваються): рівень концентрації нітратів в овочах, вміст радіонуклідів в грибах, вологість ґрунту, концентрації забруднюючих речо­вин в атмосферному повітрі населеного пункту (вуглеводні, оксид вуглецю, свинець, оксид азоту) тощо.

Екологія як комплексна наука про стан і тенденції роз­витку об'єктів навколишнього природного середовища по­стійно послуговується вимірюваннями параметрів, станів, кількісних і якісних характеристик об'єктів довкілля.

На основі отриманої внаслідок вимірювань інформації приймаються управлінські рішення щодо вивчення, аналі­зування, корегування, поліпшення, стабілізації (за теорі­єю сталого розвитку) параметрів якості навколишнього се­редовища.

Основні одиниці фізичних величин

Одним із основних об'єктів, що досліджує метрологія, є фізичні величини, за допомогою яких можна охарактеризу­вати більшість об'єктів довкілля, що є вимірними. Так, на­приклад, зріст людини вимірюють у метрах або сантимет­рах, вагу — в кілограмах, тобто ці властивості є спільними для усіх у якісному відношенні, але різними в кількісному.

Фізична величина — властивість, спільна для багатьох фізичних об'єктів у якісному аспекті, але різна, індивідуальна для кожного з них — в кількісному.

Прикладами фізичних величин можуть бути швид­кість, довжина, температура та ін. Для кожної фізичної величини умовно приймається поняття «одиниця фізичної величини» — таке її значення, яке обирають за основу для порівнювання з нею фізичних величин одного виду при їх кількісній оцінці.

Фізичні величини як основний об'єкт вимірювання

Фізичну величину характеризують в якісному і кіль­кісному аспектах.

Розмір фізичної величини вказує на її кількісний вміст у досліджуваному об'єкті, який встановлюють за допомогою вимірювань (наприклад, визначають кількість радіонуклі­дів у сільськогосподарській продукції, молоці, м'ясі).

У якісному аспекті формалізовано відображає різницю між вимірюваними величинами їх розмірність, яка прий­нята за домовленістю щодо семи основних і двох додатко­вих одиниць системи СІ (наприклад, концентрації вугле­воднів у викидах автотранспорту).

Фізичні величини можна класифікувати (рис. 2.1) за такими параметрами: характером прояву розмірів під час виконання досліджень, ієрархічним принципом, наявніс­тю розмірності (мг/м³).

Рис. 2.1. Класифікація фізичних величин

За характером прояву розмірів у процесі досліджень фізичні величини поділяються на енергетичні (активні), які здатні самі проявляти свої розміри (температура, струм) та речовинні (пасивні), наприклад ємність, індук­тивність. Розміри пасивних величин проявляються при дії на об'єкт відповідної активної величини.

Енергетичні (активні) фізичні величини характери­зують, як правило, виконану роботу (потужність електрич­ного двигуна; напругу в електричній мережі). Речовинні (пасивні) фізичні величини найчастіше використовують, з'ясовуючи параметри якості об'єктів (концентрацію сажі у викидах котелень (мг/м³), ємність посуду (мл)). Фізични­ми величинами характеризуються процеси (швидкість руху, прискорення, кутова швидкість, частота обертання, тобто по­хідні одиниці простору і часу).

За ієрархічним принципом фізичні величини умовно поділяють на основні, похідні, додаткові, що є основою класифікації системи СІ.

Основними фізичними величинами є ті, що формують певну систему і умовно приймаються як незалежні від ін­ших величин цієї системи (наприклад, маса — 1 кг, довжи­на — 1 м).

Похідні фізичні величини визначаються через основні величини системи (наприклад, прискорення, м/с²). Похід­ні фізичні величини міжнародної системи одиниць СІ поді­ляють на просторові, механічні, теплові, акустичні, світ­лові, електричні, йонізуючих випромінювань, атомної і ядерної фізики.

Додаткові фізичні величини складаються з умовно прийнятих у якості додаткових: радіан (одиниця плоско­го кута) і стерадіан (одиниця тілесного кута). Вони не на­лежать ні до основних, ні до похідних фізичних величин.

За наявністю або відсутністю розмірності фізичні ве­личини поділяють на розмірні та безрозмірні (або від­носні).

Розмірною фізичною величиною є така, в розмірності якої показник ступеня розмірності хоча б однієї з однако­вих величин не дорівнює нулю, безрозмірною (відносною) величиною — відношення певної фізичної величини до од­норідної. Нею послуговуються для надання різних харак­теристик (наприклад, коефіцієнт корисної дії).

Розмірність фізичної величини відображає її зв'язок з основними величинами системи величин, наприклад, пло­щу території вимірюють у квадратних метрах. Розмірність основної величини позначають умовним символом фізич­ної (в одній системі величин). Наприклад, розмірність ча­су записується: dim (t)=T (dim — від англ. dimenson — розмірність).

Розмірність похідної величини знаходять через добу­ток розмірностей основних величин, піднесених до відпо­відних ступенів, наприклад розмірність швидкості:

V = dim (v)=L* T^-1 (1)

За особливістю додавання виокремлюють адивні вели­чини, які можна додавати (наприклад, маси тіл), і неадивні, що не додаються (наприклад, щільність, яка визнача­ється шляхом інших вимірювань).

Логарифмічні та відносні одиниці належать до поза­системних, іх використовують на практиці з огляду на не­обхідність характеристики складу і властивостей матеріа­лів, відношення енергетичних та силових величин.

Логарифмічною величиною називають логарифм відно­шення фізичної величини до однорідної величини (на­приклад, бел, децибел, октава, декада).

Відносні величини виражають у відсотках (%, 1%=10"²); в проміле (%о, 1%о=10"³); в мільйонних долях (ppm, lppm=10 ⁶ ) і т. д.

Розміри фізичних величин можуть змінюватись непе­рервно або стрибкоподібно (дискретно). Неперервними (аналоговими) величинами називають величини, можливі розміри яких у скінченому проміжку часу, змінюючись, утворюють незліченну множину, а дискретними величи­нами — такі, що утворюють злічену множину.

Розрізняють також скалярні та векторні величини. Скалярні величини, які мають тільки розмір, можуть бути неполярними, тобто мати лише розмір (маса, об'єм), або полярними, тобто мати, крім розміру, ще й знак (елек­тричний заряд). Векторні величини (сила, швидкість, прискорення) мають не лише розмір, а й напрямок.

Фізичні величини існують у часі і просторі. Тому їх розміри (у векторних величин — напрямки) є функціями часу та координат простору. Якщо розміри скалярних або розміри та напрямки векторних величин не змінюються, їх називають сталими (незмінними), якщо змінюються — змінними величинами. Сталість чи змінність може роз­глядатися як функція часу або як функція простору. За­лежність фізичної величини як функції часу є процесом, а як функції простору (координат) — утворює поле.

Велика різноманітність параметрів, якими характери­зуються об'єкти довкілля, і відповідно одиниць фізичних величин, якими послуговуються при їх вимірюванні, зу­мовлюють необхідність зведення їх у певну систему.

Міжнародна система одиниць вимірювання фізичних величин

З прискоренням науково-технічного прогресу перед промислово розвинутими країнами постала необхідність упорядкування одиниць, які використовуються для позначення і вимірювання фізичних величин. Цей процес бу­ло започатковано ще у Давніх Римі та Греції, а продовже­но у середні віки. Уже тоді намагалися обрати і деякою мі­рою уніфікувати певні еталони, якими послуговувалися при вимірюваннях. Першими були системи одиниць Гау­са, Хартрі, Планка, основою яких стали еталони метра і кі­лограма. Удосконалення цих систем дало змогу створити системи СГС (сантиметр — грам — секунда), МКС (метр — кілограм — секунда), МТС (метр — тонна — секунда).

Автором ідеї щодо упорядкування одиниць вимірюван­ня був німецький математик Карл Гаус (1777—1855). Він запропонував методику побудови такої системи (тобто су­купність основних і похідних одиниць). Гаус довів, що для фізичних вимірів достатньо прийняти три незалежні оди­ниці: довжини, маси і часу. Так, наприклад, за одиницю площі можна прийняти площу квадрата, сторона якого до­рівнює одиниці довжини, за одиницю об'єму — об'єм куба; за одиницю швидкості — швидкість рівномірного руху, в якому одиниця довжини пройдена за одиницю часу. Гаус назвав цю систему абсолютною, а за основні одиниці прий­няв міліметр, міліграм, секунду.

Система одиниць — сукупність незалежних і похідних одиниць, яка охоплює всі або деякі складові вимірів і створена у такий спо­сіб, що співвідношення між одиницями визначаються рівняннями залежності, за винятком відношень між одиницями, які вибрані незалежними.

Найпоширенішу сучасну систему СІ (Система інтер­національна, SI — Sistem Intemetional) було прийнято у 1960 р. Основними її перевагами є: універсальність (вона охоплює всі аспекти галузі вимірювань); узгодженість (усі похідні одиниці утворені за єдиним правилом, яке виключає появу у формулах коефіцієнтів, що значно спрощує роз­рахунки); можливість створення нових похідних одиниць з розвитком науки і техніки на основі прийнятих; зручність у практичному використанні більшості одиниць системи та ін. Основними одиницями системи СІ (SI) є такі:

— метр — довжина шляху, який проходить світло у ва­куумі за інтервал часу 1/29992458 секунди;

— кілограм — одиниця маси, яка дорівнює масі міжна­родного прототипу кілограма;

— секунда — час, який дорівнює 9192631770 періодам випромінювання відповідного переходу між двома надтон­кими рівнями основного стану атома цезію-133;

— ампер — сила незмінного струму, який при прохо­дженні по двох паралельних прямолінійних провідниках

безкінечної довжини і зовсім малої площі кругового попе­речного перерізу, що розташовані у вакуумі на відстані 1 м один від одного, зумовлює силу взаємодії, що дорівнює 2 * 10 ⁷ Ньютона;

— кельвін — одиниця термодинамічної температури, яка дорівнює 1/273,16 частинам термодинамічної темпе­ратури потрійної точки води;

— моль — кількість речовини системи, що містить стільки структурних елементів, скільки атомів містить вуглець-12 масою 0,012 кілограма;

— кандела — сила світла (у заданому напрямку) джере­ла, що випускає монохроматичне випромінювання часто­тою 540 * 10¹² Гц, енергетична сила світла якого в цьому напрямку становить 1/683 Вт/ср.

Система СІ охоплює також дві додаткові одиниці плос­кого (радіан) і тілесного (стерадіан) кутів:

— радіан — кут між двома радіусами кола, довжина дуги між якими дорівнює радіусу;

— стерадіан — тілесний кут з вершиною у центрі сфе­ри, який вирізає на її поверхні площу, що дорівнює площі квадрата зі стороною, рівною радіусу сфери.

Похідні одиниці СІ утворюють з основних і додаткових одиниць за певними правилами. Так, електричні і магнітні одиниці СІ створюють відповідно до раціоналізованої форми рівняння електромагнітного поля. Похідні одиниці СІ, які мають спеціальні назви, використовують для утворення ін­ших похідних одиниць. Застосовують також похідні одиниці, пов'язані з іншими за допомогою системи простих рівнянь, у яких числові коефіцієнти дорівнюють одиниці, наприклад:

[V]=[S]/[t]=l м/c, (2)

де V — швидкість; S — довжина пройденого шляху; t — час руху точки.

Підставивши замість Si fix одиниці, отримують значен­ня 1 м/с. Отже, одиниця швидкості (метр за секунду) дорів­нює швидкості прямолінійного і рівномірного руху точки, при якому ця точка за 1 с переміщується на відстань 1 м.

Похідні одиниці СІ утворюють також на основі законів, які встановлюють зв'язок між фізичними величинами, або рівнянь, за якими визначають фізичну величину. Наприк­лад, для визначення електричної напруги використовують рівняння:

U = Р/І, (3)

де Р — потужність струму, Вт; / — сила струму, А.

Отже, основні і похідні одиниці тісно взаємопов'язані (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Структура зв'язку між основними і похідними одиницями

Одночасно з основними та похідними одиницями сис­теми СІ допускається використання десяткових кратних і частинних одиниць, створених множенням вихідних оди­ниць СІ на число 10 ^п, де п може бути додатним і від'ємним цілим числом (вихідними є одиниці, назва яких утворена без префіксів). У табл. 2.1 наведено префікси і множники, які застосовують для створення десяткових кратних і час­тинних одиниць від одиниць СІ. Використання кратних частинних одиниць дає змогу чітко представляти значення фізичних величин із різних галузей знань, але їх не слід вважати вичерпними, оскільки вони не завжди охоплю­ють діапазони вимірів фізичних величин (наприклад, від­стані до невідомих зірок, концентрація окремо взятої за­бруднюючої речовини в рослині).

При використанні кратних, частинних одиниць від одиниць СІ необхідно вдаватися до рекомендацій довідко­вої літератури, зокрема основних:

• кратні і частинні одиниці використовувати переваж­но для виміряного значення величини;

• одночасно застосовувати мінімальну їх кількість;

Таблиця 2.1

Префікси і множники для утворення десяткових кратних і частинних одиниць

Множник	Префікси	Позначення префікса
		українське	міжнародне
1018	екса	Е	Е
1015	пета	П	Р
1012	тера	Т	Т
109	гіга	Г	G
106	мега	М	м
103	кіло	к	k
102	гекто	г	h
101	дека	да	da
10-1	деци	д	d
10-2	санті	с	c
10-3	мілі	м	m
10-6	мікро	мк	
10-9	нано	н	n
10-12	піко	п	р
10-15	фемто	ф	f
10-18	атто	а	a

- у деяких випадках, коли числові значення виходять за межі діапазону від 10^-1 до 10³, раціонально послуговуватися однією (кратною, частинною) величиною (наприклад, ліній­ними розмірами у міліметрах на кресленнях).

Незважаючи на переваги і повноту системи СІ, існує велика кількість одиниць, які до неї не входять. їх вико­ристання пов'язане з раціональністю застосування, істо­ричними традиціями тощо. Такими одиницями послугову­ються з обмеженням або без обмеження терміну дії. На­приклад, поширені такі одиниці: тонна (одиниця маси), яка в перспективі заміниться на мегаграм (термін дії обме­жений); літр (одиниця об'єму), що замінена на кубічний дециметр; хвилина, година, доба (одиниці часу), одиниці часу пов'язані з астрологічним явищем (обертанням Землі навколо Сонця) і тому не можуть бути повністю вилучені із використання.

Застосування відносних і логарифмічних одиниць обме­жені певним терміном тому, що вони не пов'язані із систе мами одиниць (не залежать від вибору основних одиниць і у всіх системах залишаються незмінними).

У деяких галузях застосовують англійську (дюймову) систему мір — сукупність одиниць фізичних величин, основою якої є одиниця довжини ярд (1 ярд = 36 дюймам). За міжнародною згодою прийнято, що дюйм дорівнює 0,0254 м(табл. 2.2).

Таблиця 2.2

Співвідношення між одиницями довжини дюйм і міліметр

Дюйми	Міліметри	Дюйми	Міліметри	Дюйми	Міліметри
1/32	0,794	1/2	12,7	1,75	44,45
1/16	1,587	3/4	19,05	2	50,8
1/8	3,175	7/8	22,225	2,5	63,5
1/4	6,35	1	25,4	3	76,2
5/16	7,937	1,125	28,575	4	101,6
3/8	9,525	1,25	31,75	5	127,0
7/16	11,112	1,5	38,1	—	—

При переході на одиниці СІ в окремих випадках зміню­ються коефіцієнти у розрахункових формулах.

Використовують два види рівнянь залежності: між ве­личинами і між числовими значеннями. У першому разі символи є конкретними величинами (маса, довжина). При цьому числовий коефіцієнт рівняння залежить тільки від вибору моделі об'єкта, що описується рівнянням, і не зале­жить від вибору одиниць, в яких можуть бути виражені ве­личини. Наприклад, якщо однорідне тіло має масу т і об'єм V, то щільність речовини г, з якої воно утворене, об­числюють за формулою:

 = . (4)

Щільність залишиться незмінною при виборі різних одиниць для вираження маси т, об'єму Vi щільності г.

Запровадження Міжнародної системи СІ сприяло по­розумінню при використанні одиниць фізичних величин, що є необхідною складовою процедури вимірювання в будь-якій галузі виробництва, науки, охорони навколиш­нього природного середовища. Так, наприклад, для вирі­шення екологічних проблем регіонального чи світового масштабу необхідно оперувати інформацією про атмо­сферне повітря, забруднення Світового океану, поширення інфекцій, вираженою у певних одиницях. Значення і розмірність фізичних величин мають бути зрозумілими науковцям різних країн.

Запитання. Завдання

1. Проаналізуйте класифікацію фізичних величин та побудову міжнародної системи одиниць СІ.

2. Дослідіть походження основних і похідних одиниць системи СІ.

3. У чому полягають особливості утворення відносних і логариф­мічних величин?

4. Які аргументи підтверджують переваги системи СІ?

5. Чим зумовлене обрання основних одиниць систем СІ?

6. Для чого необхідні префікси і множники при утворенні десятко­вих кратних і частинних одиниць?