3. 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 Давньому Римі та Давній Греції, а продовжено у середні віки.

Автором ідеї щодо упорядкування одиниць вимірювання був німецький математик Карл Гаус (1777-1855). Він запропонував методику побудови такої системи (тобто сукупність основних та похідних одиниць). Гаус довів, що для фізичних вимірів достатньо прийняти три незалежні одиниці: довжини, маси і часу. Наприклад, за одиницю площі можна прийняти площу квадрата, сторона якого дорівнює одиниці довжини. Гаус назвав цю систему абсолютною, а за основні одиниці прийняв міліметр, міліграм, секунду.

Система одиниць – це 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 Internetional) було прийнято у 1960 році. Основними її перевагами є: універсальність (охоплює усі 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.

Основними одиницями системи СІ 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 х 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 кг;

• кандела – сила світла (у заданому напрямку) джерела, що випускає монохроматичне випромінювання частотою 540 х 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. 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] = 1 м/с,

де V – швидкість; S – довжина пройденого шляху; t – час руху точки. Підставивши замість S і t їх одиниці, отримують значення 1м/с.

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 = P / I,

де Р – потужність струму, Вт; І – сила струму, А.

Отже, основні і похідні одиниці тісно взаємопов’язані.

Одночасно з основними та похідними одиницями системи СІ допускається використання десяткових кратних і частинних одиниць, створених множенням вихідних одиниць СІ на число 10 ⁿ, де n може бути додатним і від’ємним цілим числом.

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. Наприклад, поширені такі одиниці: тонна (одиниця маси), яка в перспективі заміниться на мегаграм; літр (одиниця об’єму), яка замінена на кубічний дециметр; хвилина, година, доба (одиниці часу), які пов’язані з астрологічним явищем (обертання Землі навколо Сонця) і тому не можуть бути повністю вилучені з використання.