Maßeinheiten in Volkskunde und Geschichte
Die metrischen Einheiten
Größere und kleinere metrische Einheiten
Umrechnung zwischen englischen und metrischen Einheiten
Ressourcen
Das metrische System ist ein international vereinbartes System von Einheiten, um die Mengen verschiedener Größen wie Länge, Masse, Zeit, Temperatur usw. auszudrücken. Es wird weltweit in der Wissenschaft und fast überall im täglichen Leben verwendet.
Wenn wir etwas messen, vom Gewicht einer Kartoffel bis zur Entfernung zum Mond, drücken wir das Ergebnis in einer bestimmten Anzahl von Einheiten aus: zum Beispiel Pfund oder Meilen im „englischen“ Maßsystem (das in den Vereinigten Staaten immer noch Standard ist, aber in England nicht mehr häufig verwendet wird), oder Kilogramm und Kilometer im metrischen System. Bis 1994 hatte jede Nation der Welt einige Aspekte des metrischen Systems übernommen, mit nur vier Ausnahmen: die Vereinigten Staaten, Brunei, Burma und der Jemen.
Das metrische System, das auf der ganzen Welt gebräuchlich ist, ist nur ein Teil des umfassenderen Internationalen Einheitensystems, einer umfassenden Reihe von Maßeinheiten für fast alle messbaren physikalischen Größen, von den alltäglichen, wie Zeit und Entfernung, bis zu den hochtechnischen, wie die Eigenschaften von Energie, Elektrizität und Strahlung. Das Internationale Einheitensystem ging aus der 9. Allgemeinen Konferenz für Maße und Gewichte im Jahr 1948 hervor. Die 11. Allgemeine Konferenz über Maße und Gewichte, die 1960 stattfand, verfeinerte das System und nahm den französischen Namen Système International d’Unite’s, abgekürzt SI, an.
Aufgrund seiner Bequemlichkeit und Konsistenz verwenden Wissenschaftler das metrische Einheitensystem seit mehr als 200 Jahren. Ursprünglich basierte das metrische System auf nur drei Grundeinheiten: dem Meter für die Länge, dem Kilogramm für die Masse und der Sekunde für die Zeit. Heute gibt es mehr als 50 offiziell anerkannte SI-Einheiten für verschiedene wissenschaftliche Größen.
Maßeinheiten in Volkskunde und Geschichte
In der biblischen Geschichte von Noah soll die Arche 300 Ellen lang und 30 Ellen hoch gewesen sein. Wie alle frühen Größeneinheiten basierte die Elle auf dem stets handlichen menschlichen Körper und entsprach höchstwahrscheinlich der Länge des Unterarms eines Mannes vom Ellbogen bis zur Fingerspitze. So konnte man zum Beispiel ein Brett messen, indem man seinen Unterarm der Reihe nach entlang der Länge des Brettes ablegte. Im Mittelalter soll der Zoll die Länge des ersten Daumengelenks eines mittelalterlichen Königs gewesen sein. Das Yard war einst definiert als die Entfernung zwischen der Nase des englischen Königs Heinrich I. und der Spitze seines ausgestreckten Mittelfingers. Der Ursprung des Fußes als Maßeinheit liegt auf der Hand.
Im Italien der Renaissance verwendete Leonardo da Vinci bei der Gestaltung seiner Werke einen so genannten braccio, einen Arm. Er entsprach zwei palmi, also Handflächen. Aber Arme und Palmen unterscheiden sich natürlich. In Florenz verwendeten die Ingenieure einen braccio von 23 Zoll Länge, während der braccio der Vermesser im Durchschnitt nur 21,7 Zoll lang war. Der Fuß, oder piede, war in Mailand etwa 17 Zoll lang, in Rom aber nur etwa 12 Zoll.
Schließlich wichen die alten „Faustregeln“ sorgfältig definierten Einheiten. Das metrische System wurde 1799 in Frankreich eingeführt, und 1824 wurde das britische Imperial System of Units eingeführt. Im Jahr 1893 wurden die in den Vereinigten Staaten verwendeten englischen Einheiten anhand ihrer metrischen Entsprechungen neu definiert: Das Yard wurde als 0,9144 Meter definiert usw. Doch bis heute werden in den Vereinigten Staaten englische Einheiten verwendet, obwohl im Omnibus Trade and Competitiveness Act von 1988 festgelegt wurde, dass „es die erklärte Politik der Vereinigten Staaten ist. … das metrische Maßsystem als das bevorzugte System von Gewichten und Maßen für den Handel der Vereinigten Staaten zu bezeichnen.“
Englische Einheiten beruhen auf uneinheitlichen Standards. Als der Daumen des mittelalterlichen Königs für weitere Beratungen leider nicht mehr zur Verfügung stand, wurde der Standard für das Zoll auf die Länge von drei aneinandergereihten Gerstenkörnern geändert – keine große Verbesserung. Metrische Einheiten hingegen beruhen auf definierten und kontrollierten Standards, nicht auf den Launen von Menschen.
Die Standards, die den englischen Einheiten zugrunde liegen, sind nicht reproduzierbar. Arme, Hände und Gerstenkörner variieren offensichtlich in ihrer Größe; die Größe eines 3-Fuß-Yards hängt davon ab, um wessen Füße es sich handelt. Aber metrische Einheiten basieren auf Standards, die immer wieder genau reproduzierbar sind.
Es gibt viele englische Einheiten, darunter Eimer, Butts, Ketten, Cords, Drams, Ells, Fathoms, Firkins, Gills, Grains, Hands, Knots, Leagues, drei verschiedene Arten von Meilen, vier Arten von Unzen und fünf Arten von Tonnen, um nur einige zu nennen. Es gibt buchstäblich Hunderte von weiteren. Das englische System verwendet Unzen, Pints, Quarts, Gallonen, Fässer und Scheffel, um nur einige zu nennen, um das Volumen oder die Menge zu messen. Im metrischen System hingegen gibt es nur eine Grundeinheit für jede Art von Menge.
Jede Maßeinheit, egal in welchem System, wird für einige Anwendungen zu groß und für andere zu klein sein. Wenn man zum Beispiel alle Entfernungen in Meilen und alles Gewicht in Unzen ausdrücken wollte, müsste man ständig sehr kleine oder sehr große Zahlen verwenden, was zu einer Zeitverschwendung bei der Aufzeichnung und Übermittlung dieser Zahlen führen würde. Aus diesem Grund haben wir neben Meilen und Unzen auch Zoll und Tonnen. Das Problem ist jedoch, dass im amerikanischen („englischen“) System die Umrechnungsfaktoren zwischen verschiedenen Größeneinheiten – 12 Zoll pro Fuß, 3 Fuß pro Yard, 1.760 Yards pro Meile – völlig willkürlich sind. Sie sind völlig willkürlich. Metrische Einheiten hingegen haben Umrechnungsfaktoren, die alle Zehnerpotenzen sind. Das heißt, das metrische System ist ein Dezimalsystem, genau wie Dollar und Cents. Tatsächlich ist das gesamte Zahlensystem dezimal und basiert auf Zehnerpotenzen, nicht auf Dreiern oder Zwölfern. Daher ist die Umrechnung einer Einheit von einer Größe in eine andere im metrischen System nur eine Frage des Verschiebens des Dezimalpunktes.
Die metrischen Einheiten
Das SI beginnt mit der Definition von sieben Basiseinheiten: je eine für Länge, Masse, Zeit, elektrischen Strom, Temperatur, Stoffmenge und Lichtstärke. („Stoffmenge“ bezieht sich auf die Anzahl der Elementarteilchen in einer Materieprobe. Die Lichtstärke hat mit der Helligkeit einer Lichtquelle zu tun.) Aber nur vier dieser sieben Grundgrößen werden von Nicht-Wissenschaftlern im Alltag verwendet: Länge, Masse, Zeit und Temperatur. Ihre definierten SI-Einheiten sind der Meter für die Länge, das Kilogramm für die Masse, die Sekunde für die Zeit und das Grad Celsius für die Temperatur. (Die anderen drei Basiseinheiten sind das Ampere für den elektrischen Strom, das Mol für die Stoffmenge und die Candela für die Lichtstärke). Fast alle anderen Einheiten lassen sich von den sieben Grundeinheiten ableiten. So ist beispielsweise die Fläche ein Produkt aus zwei Längen: Meter zum Quadrat oder Quadratmeter. Die Geschwindigkeit ist eine Kombination aus einer Länge und einer Zeit: Kilometer pro Stunde.
Das Meter wurde ursprünglich in Bezug auf die Größe der Erde definiert; es sollte ein Zehnmillionstel der Entfernung vom Äquator zum Nordpol sein, die gerade durch Paris verläuft. Das moderne Meter wird jedoch durch die Entfernung definiert, die das Licht in einer bestimmten Zeit zurücklegt, wenn es sich – natürlich – mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum gilt als eine fundamentale Naturkonstante, die unveränderlich ist, egal wie die Kontinente driften. Der Standardmeter ist 39,3701 Zoll.
Das Kilogramm ist die metrische Einheit der Masse, nicht des Gewichts. Die Masse ist das grundlegende Maß für die Menge an Materie in einem Objekt. Die Masse eines Baseballs ändert sich nicht, wenn man ihn von der Erde zum Mond schlägt, aber er wiegt weniger, wenn er auf dem Mond landet, weil die geringere Gravitationskraft des Mondes ihn weniger stark nach unten zieht. Astronauten können im Weltraum schwerelos sein, aber sie können nur durch eine Diät an Masse verlieren. Solange wir jedoch die Erde nicht verlassen, können wir locker über Masse und Gewicht sprechen, als ob sie dasselbe wären. Sie können sich also ruhig in Kilogramm „wiegen“ (nicht „massieren“). Leider hat man noch keinen absolut unveränderlichen Massestandard gefunden, um das Kilogramm auf der Erde zu standardisieren. Das Kilogramm ist daher definiert als die Masse eines bestimmten Barrens aus einer Platin-Iridium-Legierung, der seit 1889 im Internationalen Büro für Maß und Gewicht in Sèvres, Frankreich, (sehr sorgfältig) aufbewahrt wird. Das Kilogramm ergibt 2,2046 Pfund.
Die metrische Zeiteinheit ist dieselbe Sekunde, die schon immer verwendet wurde, nur dass sie jetzt genauer definiert ist. Sie hängt nicht mehr von der wackeligen Rotation der Erde (1/86.400stel eines Tages) ab, weil der Planet langsamer wird; die Tage werden mit der Verlangsamung der Rotation immer ein wenig länger. Die Sekunde wird nun durch die Schwingungen eines bestimmten Atoms, des Cäsium-133, definiert. Eine Sekunde ist definiert als die
Zeit, die ein Cäsium-133-Atom braucht, um 9.192.631.770 Mal auf eine bestimmte Weise zu schwingen. Das mag wie eine seltsame Definition klingen, aber es ist eine sehr genaue Art und Weise, die Standardgröße der Sekunde festzulegen, da die Schwingungen von Atomen nur von der Beschaffenheit der Atome selbst abhängen, und Cäsiumatome werden sich vermutlich für immer genau wie Cäsiumatome verhalten. Die genaue Anzahl der Cäsiumschwingungen wurde so gewählt, dass sie so nahe wie möglich an den bisher genauesten Wert der Sekunde herankommt.
Die metrische Temperatureinheit ist das Grad Celsius (oC), das das Grad Fahrenheit (°F) des englischen Systems ersetzt. Im SI der Wissenschaftler ist die grundlegende Temperatureinheit das Kelvin (K) – nicht das „Grad Kelvin“, sondern einfach das Kelvin. Das Kelvin und das Grad Celsius sind genau gleich groß, nämlich 1,8 Mal so groß wie das Grad Fahrenheit. Man kann jedoch nicht einfach durch Multiplikation oder Division mit 1,8 zwischen der Celsius- oder Kelvin-Skala und der Fahrenheit-Skala umrechnen, weil die Skalen an unterschiedlichen Stellen beginnen. Das heißt, ihre Null-Grad-Marken wurden auf unterschiedliche Temperaturen eingestellt. Dies gilt auch für die Kelvin- und die Celsius-Skala, obwohl die Umrechnung hier recht einfach ist: Die Temperatur in Kelvin ist die Temperatur in Grad Celsius minus 273,15. Null Grad Kelvin ist der absolute Nullpunkt, die niedrigste mögliche Temperatur – keine Molekularbewegung (oder, genau genommen, so nahe an diesem Zustand, wie es die Quantenmechanik erlaubt).
Größere und kleinere metrische Einheiten
Da der Meter (1,0936 Yards) viel zu groß ist, um ein Atom zu messen, und viel zu klein, um die Entfernung zwischen zwei Städten zu messen, brauchen wir eine Vielzahl kleinerer und größerer Längeneinheiten. Aber statt
SCHLÜSSELBEZEICHNUNGEN
Kelvin- Die Einheit des Internationalen Systems (SI) für Temperatur. Sie hat die gleiche Größe wie das Grad Celsius.
Masse- Ein Maß für die Menge an Materie in einer Probe eines beliebigen Stoffes. Die Masse hängt nicht von der Stärke der Anziehungskraft eines Planeten ab, wie das Gewicht.
Materie- Jeder Stoff. Materie hat Masse und nimmt Raum ein.
Temperatur- Ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie aller Elementarteilchen in einer Materieprobe.
Wenn man, wie im angloamerikanischen System, Einheiten unterschiedlicher Größe mit völlig unterschiedlichen Namen erfindet, kann man eine metrische Einheit fast jeder gewünschten Größe schaffen, indem man ein Präfix an den Namen der Einheit anhängt. Da „kilo“ eine griechische Form ist, die „tausend“ bedeutet, ist ein Kilometer (kil-OM-et-er) zum Beispiel tausend Meter. In ähnlicher Weise ist ein Kilogramm tausend Gramm; ein Gigagramm ist eine Milliarde Gramm oder 109 Gramm; und eine Nanosekunde ist ein Milliardstel einer Sekunde oder 10-9 Sekunden.
Minuten dürfen aus Bequemlichkeit oder aus historischen Gründen im metrischen System bleiben, auch wenn sie nicht streng den Regeln entsprechen. Die Minute, die Stunde und der Tag zum Beispiel sind so gebräuchlich, dass sie im metrischen System immer noch als 60 Sekunden, 60 Minuten und 24 Stunden definiert sind – nicht als Vielfache von zehn. Für das Volumen ist die gebräuchlichste metrische Einheit nicht der Kubikmeter, der im Allgemeinen zu groß ist, um im Handel nützlich zu sein, sondern der Liter, der ein Tausendstel eines Kubikmeters ist. Für noch kleinere Volumina wird üblicherweise der Milliliter, ein Tausendstel eines Liters, verwendet. Und für große Massen wird häufig die metrische Tonne anstelle des Kilogramms verwendet. Eine metrische Tonne (in anderen Ländern oft als Tonne bezeichnet) entspricht 1.000 Kilogramm. Da ein Kilogramm etwa 2,2 Pfund entspricht, ist eine metrische Tonne etwa 2.200 Pfund schwer: Sie ist also 10 % schwerer als eine amerikanische Tonne von 2.000 Pfund. Eine weitere häufig verwendete, nicht standardisierte metrische Einheit ist der Hektar für die Landfläche. Ein Hektar ist 10.000 Quadratmeter groß und entspricht 0,4047 Acre.
Umrechnung zwischen englischen und metrischen Einheiten
Das Problem der Umstellung einer hochindustrialisierten Nation wie den Vereinigten Staaten auf ein neues Maßsystem ist erheblich. Sobald das metrische System in den Vereinigten Staaten allgemein verwendet wird, wird man seine Einfachheit und Bequemlichkeit genießen, aber die Übergangszeit, in der beide Systeme in Gebrauch sind, kann schwierig sein. Es gibt jedoch nur eine kleine Anzahl von SI-Einheiten und Präfixen, die im Alltag verwendet werden und an die sich der Durchschnittsbürger erst gewöhnen müsste.
Siehe auch Einheiten und Normen.
Ressourcen
BÜCHER
Alder, Ken. The Measure of All Things: Die siebenjährige Odyssee und der verborgene Irrtum, der die Welt veränderte. New York: Free Press, 2002.
Fandel, Jennifer. Das metrische System (What in the World?). 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