Měrné jednotky v lidové slovesnosti a historii
Metrické jednotky
Větší a menší metrické jednotky
Převod mezi anglickými a metrickými jednotkami
Zdroje
Metrická soustava je mezinárodně dohodnutý soubor jednotek pro vyjádření množství různých veličin, jako je délka, hmotnost, čas, teplota apod. Používá se univerzálně ve vědě a téměř stejně tak v každodenním životě na celém světě.
Kdykoli něco měříme, od hmotnosti brambory až po vzdálenost na Měsíc, vyjadřujeme výsledek v určitém počtu jednotek: například libry nebo míle v „anglickém“ systému měření (který je ve Spojených státech stále standardem, ale v Anglii se již hojně nepoužívá) nebo kilogramy a kilometry v metrickém systému. V roce 1994 přijaly některé aspekty metrické soustavy všechny státy světa, až na čtyři výjimky: Spojené státy, Brunej, Barmu a Jemen.
Metrická soustava, která se běžně používá po celém světě, je pouze částí širší Mezinárodní soustavy jednotek, což je komplexní soubor měrných jednotek pro téměř všechny měřitelné fyzikální veličiny od běžných, jako je čas a vzdálenost, až po vysoce technické, jako jsou vlastnosti energie, elektřiny a záření. Mezinárodní soustava jednotek vznikla na 9. generální konferenci o mírách a váhách, která se konala v roce 1948. Na 11. generální konferenci o mírách a vahách, která se konala v roce 1960, byla soustava zdokonalena a byl přijat francouzský název Système International d’Unite´s, zkráceně SI.
Vědci používají metrickou soustavu jednotek pro její pohodlnost a jednotnost již více než 200 let. Původně byla metrická soustava založena pouze na třech základních jednotkách: metr pro délku, kilogram pro hmotnost a sekunda pro čas. Dnes existuje více než 50 oficiálně uznávaných jednotek SI pro různé vědecké veličiny.
Měřicí jednotky ve folklóru a historii
V biblickém příběhu o Noemovi měla být archa 300 loktů dlouhá a 30 loktů vysoká. Stejně jako všechny rané jednotky velikosti, i loket vycházel z vždy šikovného lidského těla a s největší pravděpodobností představoval délku mužského předloktí od lokte ke špičce prstu. Prkno jste mohli změřit například tak, že jste postupně položili předloktí podél jeho délky. Ve středověku byl palec údajně délkou prvního kloubu palce středověkého krále. Yard byl kdysi definován jako vzdálenost mezi nosem anglického krále Jindřicha I. a špičkou jeho nataženého prostředníčku. Původ stopy jako měrné jednotky je zřejmý.
V renesanční Itálii používal Leonardo da Vinci při rozvržení svých děl tzv. braccio neboli rameno. Ta se rovnala dvěma palmám neboli dlaním. Ramena a dlaně se však samozřejmě budou lišit. Ve Florencii používali inženýři braccio dlouhé 23 palců, zatímco braccio geodetů bylo v průměru dlouhé jen 21,7 palce. Stopa neboli piede měla v Miláně asi 17 palců, ale v Římě jen asi 12 palců.
Dávné „pravidlo palce“ nakonec ustoupilo pečlivěji definovaným jednotkám. Metrický systém byl ve Francii přijat v roce 1799 a britský imperiální systém jednotek byl zaveden v roce 1824. V roce 1893 byly anglické jednotky používané ve Spojených státech nově definovány z hlediska jejich metrických ekvivalentů: yard byl definován jako 0,9144 metru atd. Anglické jednotky se však ve Spojených státech používají dodnes, přestože zákon Omnibus Trade and Competitiveness Act z roku 1988 uvádí, že „je deklarovanou politikou Spojených států. . označit metrický systém měření za preferovaný systém měr a vah pro obchod a podnikání Spojených států.“
Anglické jednotky jsou založeny na nejednotných standardech. Když se onen středověký královský palec stal bohužel nedostupným pro další konzultace, byl standard pro palec změněn na délku tří zrn ječmene položených koncem k sobě – což není velké zlepšení. Metrické jednotky jsou naproti tomu založeny na definovaných a kontrolovaných standardech, nikoli na lidských rozmarech.
Standardy stojící za anglickými jednotkami nejsou reprodukovatelné. Ruce, dlaně a zrna ječmene se budou zjevně lišit ve velikosti; velikost třístopého jardu závisí na tom, o čí nohy se jedná. Metrické jednotky jsou však založeny na standardech, které jsou čas od času přesně reprodukovatelné.
Existuje mnoho anglických jednotek, včetně kbelíků, buttů, řetězů, šňůr, dramů, elů, sáhů, firkinů, gillů, zrn, rukou, uzlů, lig, tří různých druhů mil, čtyř druhů uncí a pěti druhů tun, abychom jmenovali jen některé. Existují doslova stovky dalších. Jen pro měření objemu nebo objemu se v anglickém systému používají unce, pinty, kvarty, galony, barely a bušly a mnoho dalších. V metrickém systému naproti tomu existuje pouze jedna základní jednotka pro každý typ množství.
Každá měrná jednotka v jakémkoli systému bude pro některé aplikace příliš velká a pro jiné příliš velká. Například vyjadřování všech vzdáleností v mílích a všech hmotností v uncích by vyžadovalo neustálé používání velmi malých nebo velmi velkých čísel s následnou ztrátou času při zaznamenávání a sdělování těchto čísel. Proto máme kromě mil a uncí také palce a tuny. Problémem však je, že v americkém („anglickém“) systému jsou převodní koeficienty mezi různě velkými jednotkami – 12 palců na stopu, 3 stopy na yard, 1 760 yardů na míli. Jsou zcela libovolné. Metrické jednotky naproti tomu mají převodní koeficienty, které jsou všechny mocninami deseti. To znamená, že metrický systém je desítková soustava, stejně jako dolary a centy. Ve skutečnosti je celá číselná soustava desítková, založená na desítkách, nikoliv trojkách nebo dvanáctkách. Proto je převod jednotky z jedné velikosti na jinou v metrické soustavě jen otázkou posunutí desetinné čárky.
Metrické jednotky
Soustava SI začíná definicí sedmi základních jednotek: po jedné pro délku, hmotnost, čas, elektrický proud, teplotu, látkové množství a svítivost. („Látkovým množstvím“ se rozumí počet elementárních částic ve vzorku látky. Svítivost souvisí s jasem zdroje světla.) Pouze čtyři z těchto sedmi základních veličin jsou však každodenně používány i nevědci: délka, hmotnost, čas a teplota. Jejich definované jednotky SI jsou metr pro délku, kilogram pro hmotnost, sekunda pro čas a stupeň Celsia pro teplotu. (Další tři základní jednotky jsou ampér pro elektrický proud, mol pro látkové množství a kandela pro svítivost.) Téměř všechny ostatní jednotky lze odvodit z těchto sedmi základních jednotek. Například plocha je součinem dvou délek: metrů čtverečních nebo metrů čtverečních. Rychlost neboli speed je kombinací délky a času: kilometry za hodinu.
Metr byl původně definován z hlediska velikosti Země; měla to být jedna desetimiliontina vzdálenosti od rovníku k severnímu pólu, procházející přímo Paříží. Moderní metr je však definován z hlediska toho, jakou vzdálenost urazí světlo za daný čas, když se pohybuje přirozeně rychlostí světla. Rychlost světla ve vakuu je považována za základní přírodní konstantu, která je neměnná, ať už se kontinenty pohybují jakkoli. Ukazuje se, že standardní metr je 39,3701 palce.
Kilogram je metrická jednotka hmotnosti, nikoli hmotnosti. Hmotnost je základní mírou množství hmoty v předmětu. Hmotnost baseballového míčku se nezmění, když ho odpálíte ze Země na Měsíc, ale bude vážit méně – bude mít menší hmotnost – když dopadne na Měsíc, protože menší gravitační síla Měsíce ho přitahuje méně silně. Astronauti mohou být ve vesmíru v beztížném stavu, ale hmotnost mohou snížit pouze dietou. Dokud však neopustíme Zemi, můžeme volně hovořit o hmotnosti a váze, jako by to bylo totéž. Takže se klidně můžete „vážit“ (nikoliv „vážit“) v kilogramech. Bohužel se zatím nepodařilo najít absolutně neměnný standard hmotnosti, který by kilogram na Zemi standardizoval. Kilogram je proto definován jako hmotnost určité tyčinky slitiny platiny a iridia, která je od roku 1889 (velmi pečlivě) uchovávána v Mezinárodním úřadu pro míry a váhy ve francouzském Sèvres. Ukázalo se, že kilogram má hmotnost 2,2046 libry.
Metrickou jednotkou času je stejná sekunda, která se používala vždy, jen je nyní definována přesněji. Už nezávisí na kolísavé rotaci Země (1/86 400 části dne), protože planeta se zpomaluje; dny se stále o něco prodlužují, jak se její rotace zpomaluje. Sekunda je tedy nyní definována v závislosti na vibracích určitého druhu atomu známého jako cesium-133. Jedna sekunda je definována jako
doba, za kterou se atom cesia-133 rozkmitá určitým způsobem 9 192 631 770krát. Může to znít jako podivná definice, ale je to skvěle přesný způsob, jak stanovit standardní velikost sekundy, protože vibrace atomů závisí pouze na povaze samotných atomů a atomy cesia se budou pravděpodobně navždy chovat přesně jako atomy cesia. Přesný počet vibrací cesia byl zvolen tak, aby vyšel co nejblíže dříve nejpřesnější hodnotě sekundy.
Metrickou jednotkou teploty je stupeň Celsia (oC), který nahrazuje stupeň Fahrenheita (°F) anglické soustavy. Ve vědecké soustavě SI je základní jednotkou teploty ve skutečnosti kelvin (K) – nikoli „stupeň Kelvina“, ale prostě kelvin. Kelvin a stupeň Celsia jsou přesně stejně velké, konkrétně 1,8krát větší než stupeň Fahrenheita. Nelze však převádět mezi stupnicí Celsiovou nebo Kelvinovou a stupnicí Fahrenheita prostým vynásobením nebo vydělením 1,8, protože stupnice začínají na různých místech. To znamená, že jejich značky nulových stupňů byly nastaveny na různé teploty. To platí i pro Kelvinovu a Celsiovu stupnici, i když tam je převod poměrně snadný: teplota v Kelvinech je teplota ve stupních Celsia minus 273,15. Nula stupňů Kelvina je absolutní nula, nejnižší možná teplota – vůbec žádný molekulární pohyb (nebo, přísně vzato, tak blízko tomuto stavu, jak to dovoluje kvantová mechanika).
Větší a menší metrické jednotky
Protože metr (1,0936 metru) je příliš velký pro měření atomu a příliš malý pro měření vzdálenosti mezi dvěma městy, potřebujeme různé menší a větší jednotky délky. Ale místo
KLÍČOVÉ TERMÍNY
Kelvin- Jednotka teploty Mezinárodní soustavy (SI). Má stejnou velikost jako stupeň Celsia.
Masa- Míra množství hmoty ve vzorku jakékoli látky. Hmotnost nezávisí na síle gravitační síly planety jako hmotnost.
Hmota- Jakákoli látka. Hmota má hmotnost a zaujímá prostor.
Temperatura- Míra průměrné kinetické energie všech elementárních částic ve vzorku hmoty.
Vymýšlení jednotek různých velikostí se zcela odlišnými názvy, jak to dělá anglicko-americká soustava, můžeme vytvořit metrickou jednotku téměř libovolné velikosti připojením předpony k názvu jednotky. Protože například kilo- je řecký tvar znamenající tisíc, kilometr (kil-OM-et-er) je tisíc metrů. Podobně kilogram je tisíc gramů, gigagram je miliarda gramů neboli 109 gramů a nanosekunda je jedna miliardtina sekundy neboli 10-9 sekundy.
Minuty je povoleno ponechat v metrické soustavě z pohodlnosti nebo z historických důvodů, i když neodpovídají přísně pravidlům. Například minuty, hodiny a dny jsou natolik obvyklé, že jsou v metrické soustavě stále definovány jako 60 sekund, 60 minut a 24 hodin – nikoli jako násobky deseti. Pokud jde o objem, nejběžnější metrickou jednotkou není metr krychlový, který je obecně příliš velký na to, aby byl v obchodě použitelný, ale litr, což je jedna tisícina metru krychlového. Pro ještě menší objemy se běžně používá mililitr, jedna tisícina litru. A pro velké hmotnosti se místo kilogramu často používá metrická tuna. Metrická tuna (v jiných zemích často psaná jako tuna) je 1 000 kilogramů. Protože kilogram je asi 2,2 libry, metrická tuna je asi 2 200 liber: To je o 10 % těžší než americká tuna, která má 2 000 liber. Další často používanou nestandardní metrickou jednotkou je hektar pro rozlohu půdy. Hektar je 10 000 metrů čtverečních a odpovídá 0,4047 akru.
Převod mezi anglickými a metrickými jednotkami
Problém přechodu vysoce industrializované země, jako jsou Spojené státy, na nový systém měření je značný. Jakmile se metrický systém začne ve Spojených státech všeobecně používat, bude se využívat jeho jednoduchost a pohodlnost, ale přechodné období, kdy se používají oba systémy, může být obtížné. Existuje však jen malý počet jednotek a předpon SI, které se používají v každodenním životě a na které by si průměrný člověk musel zvyknout.
Viz také Jednotky a standardy.
Zdroje
Knihy
Alder, Ken. Míra všech věcí: Kender Kender: The Seven Year Odyssey and Hidden Error that Transformed the World (Sedmiletá odysea a skrytý omyl, který změnil svět). New York: Free Press, 2002.
Fandel, Jennifer. Metrický systém (Co na světě?). Hadley, MA: Creative Education, 2006.
Hebra, Alexius J. Measure for Measure: The Story of Imperial, Metric, and Other Units. Baltimore: Johns Hopkins University Press, 2003.
Robert L. Wolke
.