История развития метрологии
История развития метрологии насчитывает большое количество систем единиц. Каждая из них возникла из потребностей практики и отражала соответствующий уровень знаний, развития техники, производства, торговли. Территориальная разобщенность народов, слабые торговые связи в значительной степени способствовали появлению на разных стадиях развития общества различных систем единиц, каждая из которых обеспечивала единство измерений только в пределах отдельных регионов.
Многие из первых единиц измерения были заимствованы из размеров самого человека. Очевидно, первой мерой длины был человеческий шаг, затем появились и другие меры длины:
палец – ширина какого-либо пальца;
дюйм – длина сустава;
ладонь – ширина 4 пальцев;
ступня, или фут;
локоть, или аршин.
Достоинством этих первых примитивных единиц измерения было то, что они всегда были под рукой, хотя они и несовершенны.
В последующем развитие общества требовало создания более точных мер. С этой целью в более поздние времена пытались применять средние значения указанных величин. Первые меры перестали удовлетворять в ряде случаев человека недостаточной масштабностью. Трудно, например, измерить расстояние в несколько километров футами или локтями. Тогда стали использовать для измерения больших расстояний явления окружающей среды:
бычий рев – расстояние, на котором человек может услышать рев быка;
выстрел из лука – расстояние, на которое летит стрела, выпущенная из лука;
ружейный выстрел;
день пути и т.д.
Для измерения массы люди использовали зерна ячменя, проса, пшеницы. Наименование наименьшей части фунта – гран (равен 0,063 г) в переводе с латинского означает зерно. Даже в настоящее время применяемая единица массы драгоценных камней карат (0,2 г) – по-арабски означает «семя» одного из бобовых растений.
Большинство русских мер, так же как и у других народов, было связано с частями человека. Такими мерами были:
палец – равный толщине пальца;
пядь – равный наибольшему расстоянию между большим и указательным пальцами;
локоть – длина которого определялась от локтя до переднего сустава среднего пальца;
сажень – представляла собой расстояние между концами средних пальцев раскинутых рук (маховая сажень) или расстояние от пяты левой ноги до конца вытянутых пальцев поднятой вверх правой руки (косая сажень).
В XVI веке сажень была приравнена к трем аршинам и стала называться казенной, или трехаршинной. Для измерения больших расстояний на Руси с давних пор употреблялась верста (XI век).
Единицей измерения площади земли была десятина, равная 2400 кв. саженей.
Применявшиеся меры веса часто связывались с денежными единицами. Долгое время товары оплачивались кусками серебра определенного веса, которые одновременно считались и денежными единицами и мерой веса. На кусках серебра делались зарубины, по которым производился разлом для более мелкого расчета. От отломленных рубленых частей кусков серебра и произошло слово «рубль».
Древние вавилоняне установили год, месяц, час. Впоследствии 1/86400 часть среднего периода обращения Земли вокруг своей оси получила название секунды.
Первым свидетельством, относящимся к мерам и весам на Руси (конец X в.), является Устав о церковных десятинах и прочих князя Владимира Святославича, в котором дано поручение епископам наблюдать за мерами и весами.
Надзор за мерами и весами в Древней Руси поручался духовенству и только в XVI веке надзор перешел к гражданским властям. Грамота (1135 г.), данная г. Новгороду князем Всеволодом Мстиславовичем, гласит: «…торговые весы, мерила и чаши от весов блюсти епископу без пакости…».
Важнейшим метрологическим документом в России является Двинская грамота Ивана Грозного (1550 г.). В ней регламентированы правила хранения и передачи размера новой меры сыпучих веществ – осьмины.
Метрологической реформой Петра I к обращению в России были допущены английские меры, получившие особенно широкое распространение на флоте и в кораблестроении, - футы, дюймы.
В 1736 г. по решению Сената была образована Комиссия весов и мер под председательством М.Г. Головкина. В качестве исходных мер комиссия изготовила медный аршин и деревянную сажень, за меру веществ было принято ведро. Важнейшим шагом было создание русского эталонного фунта.
Первоначально единицы физических величин выбирались произвольно, без какой-либо связи друг с другом, что создавало трудности при переводе. В каждой стране, а иногда даже в каждом городе, создавались свои единицы. Перевод одних единиц в другие был очень сложен и приводил к существенному снижению точности результатов измерений.
Помимо указанного разнообразия единиц, которое можно назвать «территориальными», существовало разнообразие единиц, применяемых в различных областях науки, техники, промышленности и т.д., которые назывались «отраслевым» многообразием величин. Это разнообразие существует и в настоящее время. По мере развития техники и международных связей трудности использования результатов измерений возрастали и тормозили научно-технический прогресс. Положение еще осложнялось еще и тем, что соотношение между кратными единицами были разнообразны. Даже в настоящее время в Европе насчитывается до сотни футов различной длины, около полусотни различных миль, свыше 120 различных фунтов.
В России до введения метрической системы мер существовали единицы измерения, приведенные в таблице 1.
Однако по мере развития торговых и производственных связей между регионами, использующими разные системы единиц, возникла естественная потребность в согласовании количественных отношений между единицами величин, а затем и необходимость создания и использования сначала в пределах нескольких регионов, а впоследствии и в глобальном масштабе единой международной системы единиц и соответствующих международных эталонов единиц.
В апреле 1795 г после Великой французской революции, была введена метрическая система мер. Идея построения системы измерений на десятичной основе принадлежит французскому астроному Г. Мутону (XVII в.).
Таблица 1
Дометрические единицы величин России
Величина |
Наименование единицы и ее дольные части |
Перевод в единицы СИ |
Длина |
1 верста = 50 саженям = 1500 аршинам 1 сажень = 3 аршинам = 48 вершкам 1 аршин = 16 вершкам 1 сажень = 7 футам = 84 дюймам 1 фут = 12 дюймам = 120 линиям 1 дюйм = 10 линиям = 100 точкам |
1,0668 км 2,1336 м 71,12 см 2,1336 м 0,3048 м 2,54 см |
Площадь |
1 десятина = 2400 кв. саженям |
10925,4 м |
Объем жидкостей |
1 бочка = 40 ведрам = 400 штофам 1 ведро = 10 штофам = 20 бутылкам 1 штоф = 2 бутылкам = 10 чаркам 1 бутылка = 5 чаркам = 10 шкаликам |
491,98 дм 12,2994 дм 1,22994 дм 0,61497 дм |
Объем сыпучих тел |
1 четвертик = 8 гранцам 1 гранц |
262,387 дм 3,27984 дм |
Масса |
1 берковец = 10 пудам = 400 фунтам 1 пуд = 40 фунтам = 1280 лотам 1 фунт = 32 лотам = 96 золотникам 1 лот = 3 золотникам = 288 долям 1 доля |
163,805 кг 16,3805 кг 409,512 г 12,797 г 44,4349 мг |
Русский аптекарский вес |
1 аптекарский фунт = 12 унциям 1 унция = 8 драхмам 1 драхма = 3 скрупулам 1 скрупул = 20 гранам 1 гран |
358,328 г 28,860 г 3,732 г 1,244 г 0,062 г |
Первоначально она базировалась всего на четырех единицах:
единица длины – метр;
единица массы – килограмм;
единица площади – квадратный метр (м );
единица объема – кубический метр (м ).
Позднее к этим величинам присоединили единицы времени – секунду и температуры – градус Кельвина.
За единицу длины был принят метр,
равный одной десятимиллионной части
четверти меридиана Земли, проходящего
через Париж. За единицу массы была
принята масса 1 дм
чистой воды при температуре +4
С.
Эту величину назвали килограммом.
Как видим, в отличие от множества применявшихся ранее мер, основанных на самых разнообразных величинах, в основу метрической системы мер положены незыблемые образцы. В этом заключалась одна из особенностей и преимуществ метрической системы мер.
Другое важное преимущество метрической системы мер – десятичное подразделение единиц, когда каждая единица образуется путем деления или умножения основной единицы на число, кратное 10, а также единый способ образования их наименований путем включения в название соответствующей приставки: кило-, санти-.
Третьим, очень важным достоинством метрической системы являлось установление тесной и простой связи между единицами длины, площади, объема и массы.