17.3 Унификация единиц физических величин. Создание метрических мер

Первоначально единицы физических величин выбирались произвольно, без какой-либо связи друг с другом, что создавало большие трудности. Значительное число произвольных единиц одной и той же величины затрудняло сравнение результатов измерений, произведенных различными наблюдателями.

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 «территориальным», существовало разнообразие единиц, применяемых в различных отраслях науки, техники, промышленности и т. п. В различных отраслях человеческой деятельности создавались новые единицы тех или иных величин, характерных для данной отрасли. Это разнообразие, которое мы называем условно «отраслевым» разнообразием единиц, к сожалению, существует и в настоящее время. По мере развития техники, а также международных связей трудности использования результатов измерений возрастали и тормозили дальнейший научно-технический прогресс. Большой ущерб причиняла множественность единиц в науке. Положение осложнялось еще тем, что соотношения между дольными и кратными единицами были необычайно разнообразны. Можно в качестве примера привести некоторые единицы длины, площади, объема, массы, применявшиеся в России до Октябрьской революции (по состоянию перед их отменой), и соотношения между ними и метрическими мерами:

1 аршин = 16 вершкам = 28 дюймам = 0,7112 м;

1 дюйм = 25,4 мм;

1 сажень = 3 аршинам = 7 футам = 2,1336 мм;

1 фут = 12 дюймам = 304,8 мм;

1 верста = 500 саженям = 1,0668 км;

1 десятина = 2400 кв. саженям = 10925 м² = (1,0925 га);

1 четверть = 8 четверикам = 209,9 дм³ = (209,9 л);

1 пуд = 40 фунтам = 16,38 кг;

1 фунт = 96 золотникам = 409,5 г;

1 золотник = 96 долям = 4,266 г.

Во второй половине XVIII в. в Европе насчитывалось до сотни футов различной длины, около полусотни различных миль, свыше 120 различных фунтов.

В 1790 г. во Франции было принято решение о создании системы новых мер, «основанных на неизменном прототипе, взятом из природы, с тем, чтобы ее могли принять все нации». Было предложено считать единицей длины длину десятимиллионной части четверти меридиана Земли, проходящего через Париж. Эту единицу назвали метром. Для определения размера метра с 1792 по 1799 гг. были проведены измерения дуги парижского мери­диана. За единицу массы была принята масса 0,001 м³ (1 дм³) чистой воды при температуре наибольшей ее плотности (+ 4 °С); эта единица была названа килограммом. При введении метрической си­стемы была не только установлена основная единица длины, взятая из природы, но и принята десятичная система образования кратных и дольных единиц, соответствующая десятичной системе нашего числового счета. Десятичность метрической системы является одним из важнейших ее преимуществ. Однако, как показали последующие измерения, в 1/4 парижского меридиана содержится не 10000000, а 10000856 первоначально определенных метров. Но и это число нельзя было считать окончательным, так как еще более точные измерения могли дать другое значение. Так как при дальнейших более точных измерениях земного ме­ридиана могли получаться другие размеры основной единицы длины, в 1872 г. Международной комиссией по прототипам метриче­ской системы было решено перейти от единиц длины и массы, основанных на естественных эталонах, к единицам, основанным на условных материальных эталонах (прототипах).

В 1875 г. была создана дипломатическая конференция, на которой 17 государств, в том числе и Россия, подписали Метрическую конвенцию. В соответствии с этой конвенцией:

а) устанавливались международные прототипы метра и килограмма;

б) создавалось Международное бюро мер и весов - научное учреждение, средства на содержание которого обязались выделять государства, подписавшие конвенцию;

в) учреждался Международный комитет мер и весов, состоящий из ученых разных стран, одной из функций которого было руководство деятельностью Международного бюро мер и весов;

г) устанавливался созыв один раз в шесть лет Генеральных конференций по мерам и весам.

Были изготовлены образцы метра и килограмма из сплава платины и иридия. Прототип метра представлял собой платиноиридиевую штриховую меру общей длиной 102 см, на расстояниях 1 см от концов которой были нанесены штрихи, определяющие единицу длины - метр.

1889 г. в Париже собралась I Генеральная конференция по мерам и весам, утвердившая международные прототипы из числа вновь изготовленных образцов. Прототипы метра и килограмма были переданы на хранение Международному бюро мер и весов. После установления международных прототипов метра и килограмма Генеральная конференция распределила остальные образцы по жребию между государствами, подписавшими Метриче­скую конвенцию. Россия получила два метра (№ 11 и 28) и два килограмма (№ 12 и 26). Из них метр № 28 и килограмм № 12 были утверждены в качестве Государственных эталонов России. Таким образом, в 1899 г. было завершено установление метрических мер.

В России вопрос о введении метрических мер в то время не получил окончательного решения. Метрические меры были допущены лишь факультативно. Как обязательные они были введены только при Советской власти декретом Совета Народных Комиссаров РСФСР от 14 сентября 1918 г. Полный переход на метрические меры завершился в 1927 г.

Первоначально были созданы системы единиц, основанные на трех единицах. Эти системы охватывали большой круг величин, условно называемых механическими. Они строились на основе тех единиц физических величин, которые были приняты в той или иной стране. Из всех этих систем предпочтение отдается системам, построенным на единицах длины - массы - времени как основных. Одной из систем, построенных по этой схеме для метрических единиц, является система метр - килограмм - секунда (МКС).

В научных трудах по физике до настоящего времени применяется система сантиметр - грамм - секунда (СГС), разработанная еще в 1861-1870 гг. и построенная по той же схеме: длина - масса - время. Система МКС, а также система СГС в части единиц механических величин когерентны.

В течение некоторого времени применяли так называемую техническую систему единиц, построенную по схеме длина-сила-время. При применении метрических единиц, основными единицами этой системы являются метр - килограмм-сила - секунда (МКГСС). Удобство этой системы заключалось в том, что применение в качестве одной из основных - единицы силы - упрощало вычисления и выводы зависимостей для многих величин, применяемых в технике. Недостатком же ее являлось то, что еди­ница массы в ней получалась производной и численно равной ~9,81 кг, - это нарушает метрический принцип десятичности мер. Второй недостаток - сходность наименования единицы силы - килограмм-сила и метрической единицы массы - килограмма, что часто приводит к путанице. Третьим крупным недостатком систе­мы МКГСС является ее несогласованность с практическими электрическими единицами.

17.3.1 Международная система единиц

Наличие ряда систем единиц измерения физических величин и большое число внесистемных единиц, неудобства, возникающие на практике в связи с пересчетами при переходе от одной системы к другой, вызвали необходимость создания единой универсальной системы единиц, которая охватывала бы все отрасли науки и техники и была бы принята в международном масштабе.

В 1948 г. на IX Генеральной конференции по мерам и весам поступили предложения принять для международных сношений единую практическую систему единиц. В качестве основных единиц рекомендовались: метр, килограмм (единица массы), секунда и одна из электрических единиц.

Исходя из этих предложений, Международным комитетом мер и весов был произведен официальный опрос мнений научных, технических и педагогических кругов всех стран и на основе полученных ответов составлены рекомендации по установлению единой практической системы единиц измерений.

X Генеральная конференция (1954 г.) приняла в качестве основных единиц новой системы следующие: длина - метр; масса - килограмм; время - секунда; сила тока - ампер; температура термодинамическая - градус Кельвина, сила света - кандела.

П р и м е ч а н и е: После X Генеральной конференции Международный комитет мер и весов

подготовил список производных единиц новой систе­мы и предложил назвать ее Международной системой единиц.

В 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам окончательно приняла новую систему, присвоив ей наименование Международная система единиц с сокращенным обозначением в русской транскрипции «СИ».

Принятие Международной системы единиц послужило стимулом для перехода на метрические единицы ряда стран, до последнего времени сохранявших национальные единицы (Англия, Канада, США и др.).

В 1963 г. в СССР был введен ГОСТ 9867 – 61 «Международная система единиц», согласно которому СИ была признана предпочтительной. Наряду с этим в СССР действовало восемь государственных стандартов на единицы. В настоящее время в России действует единый государственный стандарт – ГОСТ 8.417 – 81 «ГСИ. Единицы физических величин», охватывающий все отрасли науки и техники и основанный на Международной системе единиц.

Международная система единиц физических величин является наиболее совершенной и универсальной из всех существовавших до настоящего времени.

Потребность в единой Международной системе единиц настолько велика, а преимущества ее настолько убедительны, что эта система за короткое время получила широкое международное признание и распространение.

Международная организация по стандартизации (ИСО) приняла в своих рекомендациях на единицы Международную систему единиц.

Организация объединенных наций по образованию, науке и культуре (ЮНЕСКО) призвала все страны - члены организации - принять Международную систему единиц.

Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ) рекомендовала государствам - членам организации - ввести Международную систему единиц в законодательном порядке и градуировать в единицах СИ все измерительные приборы.

Международная система единиц вошла в рекомендации по единицам Международного союза чистой и прикладной физики, Международной электротехнической комиссии, Международного газового союза и других международных организаций.