Я создала и активно наполняю телеграм-канал "Перець". Здесь лучшие карикатуры из журнала, начиная с 1922 года.
Заходите, подписывайтесь: https://t.me/cartalana
ЧЕРТОВ А.Г. "ЕДИНИЦЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН", 1977
§ 4. СИСТЕМЫ ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Потребность в измерении физических величин возникла на ранней стадии познания природы и возрастала по мере развития и усложнения производственной и научной деятельности человека. Чем многограннее становилась эта деятельность, тем большие требования предъявлялись к точности измерений, тем больше расширялся круг измеряемых величин, тем больше возрастало число необходимых единиц. Отдельные государства, а часто и их административные области для одних и тех же величин вводили свои единицы. В разных отраслях науки и техники появлялись специфические единицы, удобные по размеру для данной отрасли.
Многообразие единиц физических величин на определенной ступени развития общества становится тормозом в установлении и расширении экономических, торговых и научных связей. Поэтому наряду с тенденцией роста числа единиц возникает тенденция их унификации как внутри отдельных государств, так и в международном масштабе. Необходимость в унификации единиц привела в конце XVIII в. к установлению Метрической системы мер.
Метрическая система мер, разработанная французскими учеными (Лагранж, Лаплас, Монж и др.) и введенная первоначально во Франции, получила во второй половине XIX в. международное признание. В мае 1875 г. в Париже представителями семнадцати государств (Россия, Германия, США, Франция, Италия и др.) была подписана Метрическая конвенция, которая с целью обеспечения международного единства мер предусматривала создание Международного комитета мер и весов, Международного бюро мер и весов, а также созыв не реже одного раза в шесть лет Генеральных конференций по мерам и весам "... для обсуждения и принятия необходимых мер по распространению и усовершенствованию метрической системы".
К настоящему времени Метрическая система мер принята в подавляющем большинстве стран мира. Из крупных государств только США, Англия и Канада пока еще пользуются так называемой английской системой мер, основанной на единицах: фут, фунт, секунда. Но и в этих странах уже приняты законодательные акты о переходе на Метрическую систему мер.
Построение систем единиц. Основные и производные единицы системы
Метрическая система мер не является системой единиц в том смысле, какой придают этому понятию в настоящее время. В Метрическую систему мер входят единицы весьма ограниченного числа величин - длины, массы, площади, объема и вместимости.
С развитием науки и техники, с расширением круга величин, подлежащих измерению, возникла необходимость в системах единиц, охватывающих единицы всех величин одного или нескольких разделов физики.
Системой единиц физических величин называют совокупность основных и производных единиц, относящуюся к некоторой системе величин и образованную в соответствии с принятыми принципами.
Основная единица физической величины есть единица основной физической величины, выбранная произвольно при построении системы единиц.
Так как основные единицы могут выбираться произвольно, то для одной и той же системы величин может быть образовано несколько систем единиц. Так, например, на основе системы LMT образовано четыре системы единиц: МКС * (основные единицы: метр, килограмм, секунда), СГС (основные единицы: сантиметр, грамм, секунда), МТС (основные единицы: метр, тонна, секунда), Британская система (основные единицы: фут, фунт, секунда).
* Обозначение системы образуется по первым буквам наименовании основных единиц.
Выбор основных единиц - первый этап построения системы единиц. Вторым этапом является образование производных единиц.
Производной единицей физической величины называют единицу производной физической величины, получаемую по определяющему эту единицу уравнению из других единиц данной системы единиц.
Производная единица является когерентной, если она связана с другими единицами системы уравнением, в котором числовой коэффициент принят равным 1. Такое уравнение называется определяющим уравнением когерентной производной единицы.
Покажем, что определяющее уравнение когерентной производной единицы совпадает с определяющим уравнением соответствующей производной величины. Пусть определяющее уравнение некоторой физической величины х в системе LMT имеет вид
x = aαbβcγ. (4.1)
Выразив значение каждой из величин, входящих в это равенство, по формуле (1.1), а затем разделив на числовые значения в соответствующей степени, получим
где k - коэффициент, зависящий от выбора единиц, в которых выражены величины х, a, b и с. При соответствующем выборе единиц этих величин коэффициент пропорциональности может стать равным 1. Произведя сокращение и положив k = 1, найдем
[X] = [A]α[B]β[C]γ. (4.2)
Полученное равенство является определяющим уравнением когерентной производной единицы [X].
Сравнение равенств (4.1) и (4.2) показывает, что определяющие уравнения когерентной производной единицы и соответствующей производной величины совпадают. Следовательно, для получения когерентных производных единиц можно пользоваться определяющими уравнениями производных величин.
Например, единицу силы в любой системе единиц, построенной на основе системы величин LMT, можно найти по второму закону Ньютона. Если заранее определить единицы ускорения, то по этому закону получим следующие единицы силы соответственно в системах МКС, СГС, МТС и Британской:
[F] = 1 кг ·1 м/с2 = 1 кг · м/с2 (ньютон);
[F] = 1 г · 1 см/с2 = 1 г · см/с2 (дина);
[F] = 1 т ·1 м/с2 = 1 т · м/с2 (стэн);
[F] = 1 lb · 1 ft/s2 = 1 lb·ft/s2 (паундаль).
(В круглых скобках указаны собственные наименования, присвоенные единицам силы.) Аналогично можно образовать производные единицы всех остальных величин механики, пользуясь определяющими уравнениями, расположенными в последовательности, удовлетворяющей условиям, указанным в таблице выше.
Заметим, что производные единицы можно получить не только посредством определяющих уравнений. Для этой цели можно использовать также размерность физической величины. Например, единицу силы во всех указанных выше системах единиц можно найти по размерности силы в системе величин LMT:
dim F = LMT-2.
Для этого необходимо вместо размерностей основных величин подставить их единицы в соответствующей системе. Так, единицу силы в системе МКС найдем, подставив вместо L, М и Т соответствующие единицы:
[F] = 1 м ·1 кг ·1 с-2 = 1 кг · м/с2,
что совпадает с единицей силы, полученной выше посредством определяющего уравнения.
Система единиц, в которой все производные единицы когерентны, называется когерентной системой единиц физических величин. Из рассмотренного следует, что системы единиц механических величин: МКС, СГС, МТС и Британская являются когерентными.
По такому же принципу строятся когерентные системы единиц и других разделов физики. Приведем краткую характеристику различных систем единиц.
Творцом первой системы единиц является крупнейший немецкий математик К. Гаусс (1777-1855). В своей работе "Напряжение земной магнитной силы, приведенное к абсолютной мере" (1832) Гаусс показал, что если выбрать независимо друг от друга единицы нескольких величин, то на основе этих единиц с помощью физических законов можно установить единицы всех величин, входящих в определенный раздел физики.
Выбрав в качестве основных единиц миллиметр, миллиграмм, секунду, Гаусс построил систему единиц магнитных величин, получившую название абсолютной системы единиц. В 1851 г. Вебер распространил систему Гаусса на область электрических величин. В системе Гаусса электрические и магнитные величины выражены через длину, массу и время.
Позднее все системы единиц, построенные на единицах этих величии, назвали абсолютными. Однако в настоящее время термин "абсолютная" по отношению к системам единиц не употребляется и представляет лишь исторический интерес. Да и сама система единиц Гаусса не получила широкого распространения, поскольку как основные, так и производные единицы этой системы, имея очень малый размер, оказались неудобными на практике. Однако открытый Гауссом принцип лежит в основе построения современных систем единиц.
В шестидесятых годах XIX столетия по предложению В. Томсона (Кельвина) Комитет по электрическим эталонам Британской ассоциации для развития наук, в состав которого кроме Томсона входили Максвелл, Джоуль, Сименс и др., разработал систему единиц СГС с основными единицами: сантиметр, грамм, секунда.
Система СГС оказалась удобной для физических исследований и получила признание на I Международном конгрессе электриков (1881 г.). На этом конгрессе были установлены производные единицы механических, электрических и магнитных величин системы СГС.
На основе системы СГС возникло семь систем единиц электрических и магнитных величин: СГСЭ, СГСМ, СГС (симметричная), СГС ε0, СГС μ0, СГСФ, СГСБ.
С первыми тремя читатель познакомится в § 18. Остальные четыре системы не получили широкого признания, поэтому ограничимся сообщением кратких сведений об этих системах.
В отличие от систем СГСЭ, СГСМ и СГС (симметричной), которые строятся на трех основных единицах (сантиметр, грамм, секунда), в каждой из систем СГС ε0, СГС μ0, СГСФ и СГСБ четыре основных единицы: сантиметр, грамм, секунда и единица электрической величины. В системе СГС ε0 такой единицей является электрическая постоянная ε0, в системе СГС μ0 - магнитная постоянная μ0, в системе СГСФ - электростатическая единица электрического заряда - франклин (Фр), в системе СГСБ - электромагнитная единица силы тока - био (Би).
Приведем определения франклина и био. Франклин равен электрическому заряду, который действует на равный заряд на расстоянии 1 см в вакууме с силой в 1 дин. Био равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и бесконечно малой площади сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 см один от другого, вызвал бы на участке проводника длиной 1 см силу взаимодействия, равную 2 дин.
Кроме механических и электромагнитных единиц в системе СГС установлены также производные единицы акустических, светотехнических величин, а также энергетических величин электромагнитного излучения.
Система СГС была допущена к применению государственными стандартами СССР. Государственным стандартом "Единицы физических величин" система СГС разрешена к применению в теоретических разделах физики и астрономии.
Практическая система электрических единиц
На I Международном конгрессе электриков (1881) кроме двух упомянутых выше систем единиц - абсолютной электростатической и абсолютной электромагнитной - были приняты также следующие практические электрические единицы:
1 ом = 109 единиц сопротивления системы СГСМ,
1 вольт = 108 единиц электродвижущей силы системы СГСМ,
1 ампер = 0,1 единицы силы тока системы СГСМ,
1 фарада = 109 единиц электрической емкости системы СГСМ.
Позднее II Международным конгрессом электриков (1889) список практических единиц был дополнен единицами:
1 джоуль = 107 эрг,
1 ватт = 107 эрг/с,
1 генри = 109 единиц индуктивности системы СГСМ.
Необходимость введения этих практических единиц вызывалась тем, что единицы систем СГСЭ и СГСМ были неудобны для применения на практике.
Совокупность перечисленных выше единиц получила название Практической системы электрических единиц. Эта система не является системой единиц в том смысле, какой имеют системы единиц, построенные по принципу Гаусса. Однако в дальнейшем Практическая система электрических единиц сыграла существенную роль. Ее единицы вошли в систему МКСА, а вместе с ней в Международную систему единиц.
В 1901 г. итальянским инженером Джорджи была предложена система МКС, имеющая ряд преимуществ перед другими системами механических единиц. Одним из преимуществ являлось то, что она без особых трудностей могла быть связана с единицами Практической системы электрических единиц. По счастливой случайности единицы работы (джоуль) и мощности (ватт) Практической системы единиц совпадали по размеру с соответствующими единицами системы МКС.
Джорджи показал, что на основе системы МКС можно создать когерентную систему механических и электрических единиц, если к трем основным единицам системы МКС - метру, килограмму, секунде добавить одну электрическую единицу из единиц Практической системы электрических единиц. Позднее четвертой основной единицей была выбрана единица силы тока - ампер. Так возникла система когерентных электромагнитных единиц - МКСА.
Система МКСА получила широкое распространение в электротехнике и при создании Международной системы единиц вошла в нее как составная часть. Отметим, что система МКСА применяется в рационализованном виде.
Оказалось, что на основе системы МКС путем добавления четвертой единицы могут быть построены системы единиц и для других разделов физики. Так, если добавить к трем основным единицам системы МКС единицу термодинамической температуры - кельвин, то получим систему тепловых единиц - МКСК *.
Точно так же для световых единиц можно построить систему МСК с основными единицами - метр, секунда, кандела **.
* Раньше единица термодинамической температуры именовалась градус Кельвина, а система тепловых единиц имела обозначение МКСГ.
** Раньше эта система имела обозначение МСС, так как единица силы света имела наименование - свеча.
Все указанные системы являются когерентными.
Системы МТС и МКГСС построены на основе разных систем величин, но мы рассматриваем их под одним заголовком, потому что у них общая судьба - у этих систем нет будущего. Они должны исчезнуть, хотя и по разным причинам.
Система МТС, рожденная во Франции и узаконенная ее правительством в 1919 г., построена на основе системы физических величин LMT. Ее основные единицы - метр, тонна, секунда. Система МТС была принята и в СССР и в соответствии с государственным стандартом применялась более двадцати лет (1933-1955 гг.).
Единица массы этой системы - тонна по своему размеру оказалась удобной в ряде отраслей производства, имеющих дело со сравнительно большими массами. Система МТС имела и другие преимущества. Во-первых, числовые значения плотности вещества при выражении ее в системе МТС совпадали с числовыми значениями плотности при выражении ее в системе СГС (например, в системе СГС плотность железа 7,8 г/см3, в системе МТС - 7,8 т/м3). Во-вторых, единица работы системы МТС - килоджоуль имела простое соотношение с единицей работы Практической системы электрических единиц (1 кДж = 1000 Дж).
Но размер производных единиц подавляющего большинства физических величин в системе МТС оказался неудобным для практики. Поэтому система МТС не получила распространения. В СССР она была отменена в 1955 г.
Система МКГСС построена на основе системы величин LFT. Основные единицы этой системы - метр, килограмм-сила, секунда.
Килограмм-сила - это сила, равная весу тела массой 1 кг при нормальном ускорении свободного падения (g0 = 9,806 65 м/с2). Эта единица силы, а также некоторые производные единицы системы МКГСС оказались удобными для применения их на практике. Поэтому система МКГСС получила широкое распространение в технике (механика, теплотехника и др.) и ее часто называют технической системой.
Основной недостаток системы МКГСС - весьма ограниченные возможности ее применения, ни в одном разделе физики, кроме механики, она оказалась непригодной. Существенным недостатком технической системы является также то, что единица массы в этой системе не имеет простого десятичного соотношения с единицами массы других систем (1 т.е. м. = 9,81 кг). Государственным стандартом "Единицы физических величин" применение системы МКГСС в СССР не предусмотрено.
⇦ Ctrl предыдущая страница / следующая страница Ctrl ⇨
МЕНЮ САЙТА / СОДЕРЖАНИЕ