Принципы построения Международной системы единиц

Первая система единиц физических величин, хотя она и не являлась еще системой единиц в современном понимании, была принята Национальным собранием Франции в 1791 г. Она включала в себя единицы длины, площади, объема, вместимости и массы, основными из которых были две единицы: метр и килограмм.

Систему единиц как совокупности основных и производных единиц впервые в 1832 г. предложил немецкий ученый К. Гаусс. Он построил систему единиц, где за основу принял единицы длины (миллиметр), массы (миллиграмм) и времени (секунда), и назвал ее абсолютной системой.

С развитием физики и техники появились другие системы единиц физических величин, базирующиеся на метрической основе. Все они были построены по принципу, разработанному Гауссом. Эти системы нашли применение в разных отраслях науки и техники. Разработанные в то время измерительные средства градуированы в соответствующих единицах, находят применение и в настоящее время.

Многообразие единиц измерения физических величин и систем единиц осложняло их применение. Одни и те же уравнения между величинами имели различные коэффициенты пропорциональности. Свойства материалов, процессов выражались различными числовыми значениями. Международный комитет по мерам и весам выделил из своего состава комиссию по разработке единой Международной системы единиц. Комиссия разработала проект Международной системы единиц, который был утвержден XI Генеральной конференцией по мерам и весам в I960 г. Принятая система была названа Международной системой единиц, сокращенно СИ (SI — начальные буквы наименования System International).

Учитывая необходимость охвата Международной системой единиц всех областей науки и техники, в ней в качестве основных выбраны семь единиц. В механике такими являются единицы длины, массы и времени, в электричестве добавляется единица силы электрического тока, в теплоте — единица термодинамической температуры, в оптике — единица силы света, в молекулярной физике, термодинамике и химии — единица количества вещества. Эти семь единиц соответственно: метр, килограмм, секунда, ампер, Кельвин, кандела и моль — и выбраны в качестве основных единиц СИ (табл. 2.1).

Единица длины (метр) — длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды.

Единица массы (килограмм) — масса, равная массе международного прототипа килограмма.

Единица времени (секунда) — продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Единица силы электрического тока (ампер) — сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум нормальным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади круглого поперечного сечения, расположенным на расстоянии I м один от другого в вакууме, вызывает между проводниками силу взаимодействия, равную 2- Ю~7Н на каждый метр длины.

2.1. Основные единицы СИ

Единица термодинамической температуры (Кельвин) — 1/273,16 термодинамической температуры тройной точки воды. Допускается использовать также шкалу Цельсия.

Единица силы света (кандела) — сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Единица количества вещества (моль) — количество веществ системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится вуглероде-12 массой 0,012 кг.

Основные единицы Международной системы имеют удобные для практических целей размеры и широко применяются в соответствующих областях измерений.

Международная система единиц содержит также две дополнительные единицы: для плоского угла — радиан и для телесного угла — стерадиан (табл. 2.1).

Радиан (рад) — единица плоского угла, равная углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу. В градусном исчислении I рад = 57° 1744,8″ .

Стерадиан (ср) — единица, равная телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы. Телесный угол ?} измеряют косвенно — путем измерения плоского угла, а при вершине конуса с последующим вычислением по формуле.

Телесному углу в I ср соответствует плоский угол, равный 65°32', углу л-ср — плоский угол 120°, углу 2яср — плоский угол 180°. Дополнительные единицы используются только для теоретических расчетов и образования производных единиц, например угловой скорости, углового ускорения. Для измерения углов применяют угловые градусы, минуты и секунды. Приборов для измерения углов в радианах нет.

Угловые единицы не могут быть введены в число основных, гак как это вызвало бы затруднение в трактовке размерностей величин, связанных с вращением (дуги окружности, площади круга, работы пары сил и т. д.). Вместе с тем угловые единицы нельзя считать и производными, так как они не зависят от выбора основных единиц. Действительно, при любых единицах длины размеры радиана и стерадиана остаются неизменными.

Из семи основных единиц и двух дополнительных в качестве производных выводят единицы для измерений физических величин во всех областях науки и техники.

В решениях XI и XII Генеральных конференций по мерам и весам даны 33 производные единицы СИ. Примеры производных единиц, имеющих собственные наименования, приведены в табл. 2.2.

Важным принципом, который соблюден в Международной системе единиц, является ее когерентность (согласованность). Так, выбор основных единиц системы обеспечил полную согласованность механических и электрических единиц. Например, ватт — единица механической мощности (равный джоулю в секунду) равняется мощности, выделяемой электрическим током силой I ампер при напряжении I вольт.

В СИ, подобно другим когерентным системам единиц, коэффициенты пропорциональности в физических уравнениях, определяющих производные единицы, равны безразмерной единице.

Когерентные производные единицы Международной системы образуются с помощью простейших уравнений связи между величинами (определяющих уравнений), в которых величины приняты равными единицам СИ.

Например, единица скорости образуется с помощью уравнения, определяющего скорость прямолинейно и равномерно движущейся точки V=у, где Vскорость;/ - длина пройденного пути;/ - время. Подстановка вместо /, / и К их единиц СИ дает [ V = [/]/М = I м/с.

2.2. Производные единицы СИ, имеющие собственное наименование

Следовательно, единицей скорости СИ является метр в секунду. Он равен скорости прямолинейно и равномерно движущейся точки, при которой эта точка за время / I с перемешается на расстояние 1 м.

Например, для образования единицы энергии используется уравнение Т = тУ где Т — кинетическая энергия; т — масса тела; V — скорость движения точки, то когерентная единица энергии СИ образуется следующим образом:

То есть единицей энергии в СИ является джоуль (равный ньютон-метру). Он равен кинетической энергии тела массой 2 кг, движущегося со скоростью I м/с.

В Международной системе единиц, как и в других системах единиц физических величин, важную роль играет размерность.

Размерностью называют символическое (буквенное) обозначение зависимости производных величин (или единиц) от основных.

Например, если какая-либо физическая величина выражается через длину L, массу М и время Г (являющихся основными величинами в системе единиц типа LMT) формулой X = f (L, М, 7), то можно показать, что результаты измерений будут независимы от выбора единиц в том случае, если функция/будет однородной функцией длины, массы и времени. Пусть X = LpM" Tr. Размерность величины, А выражается формулой 6тХ= 11МЯТ где dim — сокращение от слова dimension — размерность.

Данная формула показывает, как производная величина связана с основными величинами, и называется формулой размерности.

Так как всякая величина может быть представлена как произведение ее числового значения {Л} на единицу Х X = {ЩХ, ее можно представить в виде {ХХ = ЩР{М)Я{Т)Г1ЛРМЯТГ.

Равенство величин в этой формуле распадается на два равенства: равенство числовых значений.

Размерность служит качественной характеристикой величины и выражается произведением степеней основных величин, через которые может быть определена.

Размерность не полностью отражает все качественные особенности величин. Встречаются различные величины, имеющие одинаковую размерность. Например, работа и момент силы, сила тока и магнитодвижущая сила и др.

Размерность играет важную роль при проверке правильности сложных расчетных формул в теории подобия и теории размерностей.

Преимущества Международной системы единиц

Основными преимуществами Международной системы единиц являются:

• — унификация единиц физических величин на базе СИ. Для каждой физической величины устанавливается одна единица и система образования кратных и дольных единиц от нее с помощью множителей (табл. 2.3);
• — система СИ является универсальной системой. Она охватывает все области науки, техники и отрасли экономики;
• — основные и большинство производных единиц СИ имеют удобные для практического применения размеры. В системе разграничены единицы массы (килограмм) и силы (ньютон);
• — упрощается запись уравнений и формул в различных областях науки и техники. В СИ для всех видов энергии (механической, тепловой, электрической и др.) установлена одна, общая единица — джоуль.
• 2.3. Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их обозначение