Konrad Inglot
Międzynarodowy Układ Jednostek SI
Wrocław, marzec 98
I. Pojęcia podstawowe.
Gwałtownemu ostatnio rozwojowi nauk ścisłych i technicznych towarzyszy odkrycie wielu nowych wielkości oraz potrzeba nadania tym wielkościom jakiegoś wymiaru odniesienia, tj. jednostki.
Ze względu na oczywistą mnogość mierzonych wielkości, związaną przede wszystkim z ciągłym rozwojem nauki, konieczne stało się usystematyzowanie jednostek, najpierw jednak chciałbym uściślić sam termin jednostki:
Jednostka miary jest to wartość określonej wielkości fizycznej lub innej wielkości, przyjęta umownie jako jednostka porównawcza dla pomiaru wielkości tego samego rodzaju.
Każda gałąź wiedzy operuje pewnymi określonymi wielkościami. Wielkości te, zebrane razem, tworzą pewien układ wielkości, który obejmuje tzw. wielkości podstawowe i wielkości pochodne.
Wielkością podstawową w danym układzie nazywamy wielkość, która jest umownie przyjęta jako niezależna od pozostałych wielkości układu.
Wielkością pochodną nazywamy wielkość, która w danym układzie wielkości jest określona jako funkcja wielkości podstawowych.
Układowi wielkości podporządkowany jest odpowiedni układ jednostek miar, przy czym wielkościom podstawowym odpowiadają podstawowe wielkości miar, a wielkościom pochodnym - pochodne jednostki miar.
Układ jednostek miar to uporządkowany, utworzony wg określonych zasad, zbiór jednostek miar, za pomocą których można mierzyć różnego rodzaju wielkości wchodzące w skład tego układu.
II. Układ jednostek SI
Po tym krótkim wprowadzeniu uważam, że nadszedł już czas omówić sam Międzynarodowy Układ Jednostek Miar, zwany również układem SI.
Powstał on jako wynik długoletnich prac mających na celu stworzenie uniwersalnego układu jednostek miar. Trzeba bowiem wiedzieć, że istnienie różnych takich układów ma bardzo negatywne skutki, gdyż w zależności od układu te same wielkości mogą mieć różnorodne wymiary, nazwy i oznaczenia (symbole).Stworzono więc układ jednolity, który w sposób możliwie optymalny uwzględniał potrzeby i istotę wszystkich nauk fizykochemicznych i technicznych. Układ taki, jako Międzynarodowy Układ Jednostek Miar (Système International d'Unites) został przyjęty w 1960 roku na XI Generalnej Konferencji Miar. Postanowienie to zostało przyjęte również przez szereg międzynarodowych organizacji, np. Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO).
Międzynarodowy Układ Jednostek Miar opiera się na następujących założeniach:
Ustala się siedem podstawowych jednostek miar: metr, kilogram, sekunda, amper, kelwin, mol i kandela.
Ustala się dwie uzupełniające jednostki miar: radian i steradian; pierwszy dla pomiarów kąta płaskiego, drugi dla pomiarów kąta bryłowego.
Pochodne jednostki miar, podporządkowane właściwym wielkościom pochodnym, tworzy się w oparciu o odpowiednie prawa fizyczne formułujące zależności między wielkościami pochodnymi a wielkościami podstawowymi, uwzględniając zasadę spójności jednostek.
Termin spójność jednostek oznacza, że zależności między jednostkami układu wyrażają się wzorami, w których współczynniki liczbowe (przeliczeniowe) są zawsze równe jedności.
Obecnie, jednym z licznych zadań metrologii jest ustalanie trwałych (naturalnych bądź sztucznych) wzorców jednostek miar. W dalej części przytoczę wzorce wszystkich podstawowych i uzupełniających jednostek miar układu SI.
Metr jest to długość równa 1 650 763,73 długości fali w próżni promieniowania, odpowiadającemu przejściu między poziomami 2p10 a 5d5 atomu 86Kr.
Kilogram jest masą międzynarodowego wzorca tej jednostki przechowywanego w Międzynarodowym Biurze Miar w Sévres pod Paryżem.
Sekunda to czas trwania 9 192 631 770 okresów promieniowania, odpowiadającemu przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu 133Cs.
Amper jest to prąd elektryczny nie zmieniający się, który- płynąc w dwóch równio ległych przewodach prostoliniowych nieskończenie długich, o przekroju kołowym znikomo małym, umieszczonych w próżni w odległości jednego metra jeden od drugiego- wywołałby między tymi przewodami siłę 2•10-7 N na każdy metr długości przewodu.
Kelwin jest to 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody.
Kandela jest to światłość, jaką ma w kierunku prostopadłym powierzchnia 1/6•105 m2 promiennika zupełnego w temperaturze krzepnięcia platyny pod ciśnieniem 101 325 Pa.
Mol jest ilością substancji układu zawierającego liczbę cząsteczek lub cząstek równa liczbie atomów zawartych w masie 0,012 kg (dokładnie) czystego nuklidu węgla 12C.
Radian jest kątem płaskim o wierzchołku w środku koła, wycinającym z obwodu koła łuk o długości równej jego promieniowi.
Steradian jest kątem bryłowym o wierzchołku w środku kuli, wycinającym z powierzchni tej kuli pole równe kwadratowi jej promienia.
Podsumowując, Międzynarodowy Układ Jednostek Miar SI odznacza się wieloma pozytywnymi cechami w stosunku do przyjętych wcześniej rozwiązań. Należą do nich m.in. uniwersalność pozwalająca na stosowanie go we wszystkich dziedzinach nauk fizycznych i technicznych bez konieczności stosowania różnych układów jednostek i związanych z tym niedogodności. Kolejna zaleta to tzw. koherentność, czyli spójność jednostek miar, co oznacza, że wszystkie należące do układu główne jednostki miar mają w równaniach definicyjnych współczynnik liczbowy równy jedności. Cecha ta upraszcza dokonywanie obliczeń odpowiednich jednostek układu.
Układ SI pozwala na lepsze rozróżnienie masy i ciężaru tj. kilograma- kg i niutona-N, co w układzie siłowym LFT, przy prawie jednakowym brzmieniu obu jednostek (kilogram i kilogram- siła) oraz ich podobnym oznaczaniu (kg i kG) powodowało szereg nieporozumień i pomyłek. Ponadto układ SI odznacza się bliskim pokrewieństwem a układami CGS i MKSA, co ułatwia jego zrozumienie, opanowanie i stosowanie.
1
1