Системи фізичних одиниць величин

Історично першою системою одиниць фізичних величин була ухвалена 7 квітня 1795 року Національними збора­ми Франції метрична система мір. До її складу увійшли одиниці довжини, площі, об'єму та ваги, в основу яких було покладено дві одиниці: метр та кілограм.

У 1882 році вчений К. Гаусе запропонував методику по­будови системи величин і одиниць як сукупності основних та похідних. Він побудував систему величин, у якій за ос­нову були прийняті три довільні, незалежні одна від одної величини: довжина, маса та час. Решта величин визнача­лась за допомогою вибраних трьох. Цю систему величин, що відповідним чином пов'язана з трьома основними ве­личинами (довжиною, масою і часом), К. Гаусе назвав абсолютною системою. Основними одиницями він запро­понував увести міліметр, міліграм і секунду.

З подальшим розвитком науки і техніки виникли інші системи одиниць фізичних величин, які відрізнялися одна від одної одиницями фізичних величин.

Розглянемо основні системи одиниць.

Система СГС

У 1881 році Першим Міжнародним конгресом елект­риків була прийнята система одиниць фізичних величин СГС, до складу якої основними одиницями увійшли: сан­тиметр — одиниця довжини; грам — одиниця маси і се­кунда — одиниця часу, а також похідні: дина — одиниця сили та ерг — одиниця роботи. Для вимірювання потуж­ності у системі СГС була прийнята одиниця — ерг за се­кунду, для вимірювання кінетичної в'язкості — стокс, ди­намічної в'язкості — пуаз.

Вимірювання тиску в системі СГС прийняте у динах на квадратний сантиметр.

Для механічних і магнітних вимірювань сьогодні є чин­ними сім видів СГС, із яких найпоширенішими є такі: СГСЕ, СГСМ, СГС (симетрична) та ін.

Значна кількість фізичних констант і нині виражають­ся у одиницях СГС.

Система МКГСС

Наприкінці XVIII ст. кілограм було прийнято за оди­ницю ваги. Використання кілограма як одиниці ваги, а пізніше як одиниці сили наприкінці XIX ст. обумовило формування нової системи одиниць фізичних величин з трьома одиницями: метр — одиниця довжини, кілограм-сила (кгс) — одиниця сили і секунда — одиниця часу (си­стема МКГСС). Кілограм-сила — це сила, яка надає масі в один кілограм прискорення 9,80665 м/с² (нормальне при­скорення вільного падіння).

Система МКГСС набула значного поширення у механіці та техніці і неофіційно називалася "технічною". Однією з причин широкого використання системи виявилася зруч­ність подання сили в одиницях ваги і розмір основної оди­ниці сили — кілограм-сила. Проте незважаючи на поширен­ня МКГСС дедалі більше виявляються її недоліки, зумов­лені використанням її як головної одиниці сили, а не маси.

Першим недоліком системи є те, що одиниця маси,є похідною від одиниці сили і дорівнює 9,80665 кг, а це по-рушує метричний принцип десятковості мір. Другий не­долік полягає у назві одиниці сили — кілограм-сила та метричної одиниці маси — кілограм, що часто призводить до заплутаності у назвах. (Деякі держави ввели нову на­зву кілограм-сили — кілоноїд.) Третім недоліком систе­ми МКГСС є некогерентність (неузгодженість) її з одини­цями електричних та механічних величин. Одиницею ро­боти й енергії у системі МКГСС прийнято кілограм-сила-метр, у системі практичних електричних одиниць робота і енергія вимірюються джоулями, що змушує вдаватися до використання перехідних коефіцієнтів при розрахунках. Крім того, виникає велика заплутаність при визначенні маси. За одиницю маси у системі МКГСС прийнята маса тіла, якому надається прискорення 1 м/с² під дією прикла­деної сили в 1 кгс. Цю одиницю — кілограм-сила-секунда у квадраті на метр (кгс-с²/м) інколи називають технічною одиницею маси (т.о.м.), або інертною, хоча такі визначення не прийняті у техніці. 1 кгс-с²/м = 9,81 кг (1 кг — одиниця маси у системі СІ). Проте в техніці широко використову­валися такі міри системи МКГСС, як одиниця роботи і енергії — кілограм-сила-метр (кгс-с) і одиниця потужності — кілограм-сила-метр за секунду (кгс-с/с).

Система МТС

Основними одиницями системи МТС є: одиниця довжи­ни — метр, одиниця маси — тонна і одиниця часу — секун­да. Система вперше була прийнята у 1919 році у Франції.

Прийняття тонни за основну одиницю маси здавалося вдалим, бо забезпечувало відповідність між одиницями довжини та об'єму і одиницею маси: одна тонна відповідала одному кубічному метру. Крім того, одиниця роботи і енергії у цій системі (кілоджоуль) і одиниця потужності (кіловат) збігалися з відповідними кратними практичними електрич­ними одиницями.

У системі МТС за одиницю сили прийнято стен (сн), що дорівнює силі, яка надає масі в одну тонну прискорення 1 м/с², а за одиницю тиску — п'єза (сн/м²).

Проте у нашій країні ця система не знайшла практич­ного застосування і не увійшла до Держстандарту, а в 1961 році була законодавчо відмінена й у Франції.

Абсолютна практична система електричних одиниць

Абсолютна практична система електричних одиниць була ухвалена у 1881 році Першим Міжнародним конгре-сом електриків як похідна від системи СГСМ і признача­лася для практичних вимірювань електричних та магніт­них величин. Електричні й магнітні одиниці системи СГС виявилися досить незручними для практичного викорис­тання, бо одні були надто великими, інші — надто малими. В абсолютній практичній системі електричні й магнітні оди­ниці були утворені із відповідних одиниць системи СГСМ перемноженням їх на 10 у відповідній степені.

Одними із перших були прийняті практичні електричні одиниці:

• практична одиниця електричного опору, яка дорівнює 10⁹ одиницям опору СГСМ (пізніше дістала назву "ом");

• практична одиниця електрорушійної сили, яка дорів­нює 10⁸ одиницям електрорушійної сили СГСМ (з назвою "вольт");

• практична одиниця сили струму ампер, яка дорівнює 10^_1 електромагнітної одиниці сили струму СГСМ;

• практична одиниця електричної ємності фарада, яка дорівнює 10~⁹ одиниці електричної ємності СГСМ.

Кожна з наведених практичних електричних одиниць мала відповідні обґрунтування, які з часом змінювалися і вдосконалювалися урахуванням досягнень науки і техніки.

Позасистемні одиниці

Поряд із системними одиницями фізичних величин у практиці вимірювання використовувалися одиниці, які не входили до складу жодної із систем — так звані позасис­темні одиниці. Значного поширення набули одиниці тис­ку: атмосфера, бар, міліметр ртутного стовпа, міліметр во­дяного стовпа. Позасистемними одиницями часу є хвили­на, година; одиницями довжини — ангстрем, світловий рік, парсек; одиницями площі — ар, гектар; одиницями елект­ричної енергії — електрон-вольт, кіловат-година; одиниця­ми акустичних величин — децибел, фон, октава та ін.

Проте при уніфікації одиниць і ухваленні єдиної сис­теми одиниць кількість позасистемних одиниць має бути скорочена до мінімуму. До того ж багато позасистемних одиниць є кратними системі СІ і можуть використову­ватися для практичних вимірювань (тонна, міліметр, мі­крон та ін.).