Jednostki miary w folklorze i historii
Jednostki metryczne
Większe i mniejsze jednostki metryczne
Konwersja między jednostkami angielskimi i metrycznymi
Źródła
System metryczny jest uzgodnionym na szczeblu międzynarodowym zestawem jednostek do wyrażania ilości różnych wielkości, takich jak długość, masa, czas, temperatura itd. Jest on powszechnie stosowany w nauce i prawie tak samo w życiu codziennym na całym świecie.
Gdy coś mierzymy, od wagi ziemniaka do odległości do Księżyca, wyrażamy wynik jako liczbę określonych jednostek: na przykład funtów lub mil w „angielskim” systemie miar (nadal standardowym w Stanach Zjednoczonych, ale już nie używanym powszechnie w Anglii), lub kilogramów i kilometrów w systemie metrycznym. W 1994 roku każdy naród na świecie przyjął pewne aspekty systemu metrycznego, z czterema wyjątkami: Stany Zjednoczone, Brunei, Birma i Jemen.
System metryczny, który jest w powszechnym użyciu na całym świecie, jest tylko częścią szerszego Międzynarodowego Układu Jednostek Miar, kompleksowego zestawu jednostek miar dla prawie każdej mierzalnej wielkości fizycznej, od zwykłych, takich jak czas i odległość, do wysoce technicznych, takich jak właściwości energii, elektryczności i promieniowania. Międzynarodowy Układ Jednostek Miar wyrósł z 9. Generalnej Konferencji Miar, która odbyła się w 1948 roku. Jedenasta Generalna Konferencja Miar i Wag, która odbyła się w 1960 roku, udoskonaliła system i przyjęła francuską nazwę Système International d’Unite´s, w skrócie SI.
Ponieważ jest on wygodny i spójny, naukowcy stosują metryczny system jednostek od ponad 200 lat. Pierwotnie system metryczny był oparty tylko na trzech podstawowych jednostkach: metrze dla długości, kilogramie dla masy i sekundzie dla czasu. Obecnie istnieje ponad 50 oficjalnie uznanych jednostek SI dla różnych wielkości naukowych.
Jednostki miary w folklorze i historii
W biblijnej opowieści o Noem, arka miała mieć 300 łokci długości i 30 łokci wysokości. Jak wszystkie wczesne jednostki wielkości, kubit opierał się na zawsze poręcznym ludzkim ciele i był najprawdopodobniej długością przedramienia mężczyzny od łokcia do opuszki palca. Można było na przykład zmierzyć deskę, kładąc przedramię kolejno wzdłuż jej długości. W średniowieczu uważa się, że cal był długością pierwszego stawu kciuka średniowiecznego króla. Jard był kiedyś definiowany jako odległość między nosem króla Anglii Henryka I a czubkiem jego wyciągniętego środkowego palca. Pochodzenie stopy jako jednostki miary jest oczywiste.
W renesansowych Włoszech Leonardo da Vinci używał tego, co nazywał braccio, czyli ramienia, przy układaniu swoich dzieł. Było ono równe dwóm palmi, czyli dłoniom. Ale ramiona i palmy, oczywiście, będą się różnić. We Florencji inżynierowie używali braccio o długości 23 cali, podczas gdy braccio geodetów miało średnio tylko 21,7 cala. Stopa, czyli piede, miała około 17 cali w Mediolanie, ale tylko około 12 cali w Rzymie.
W końcu starożytna „reguła kciuka” ustąpiła miejsca staranniej zdefiniowanym jednostkom. System metryczny został przyjęty we Francji w 1799 roku, a brytyjski system imperialny jednostek został ustanowiony w 1824 roku. W 1893 roku angielskie jednostki używane w Stanach Zjednoczonych zostały na nowo zdefiniowane pod względem ich metrycznych odpowiedników: jard został zdefiniowany jako 0,9144 metra, i tak dalej. Ale jednostki angielskie są używane w Stanach Zjednoczonych do dziś, mimo że ustawa Omnibus Trade and Competitiveness Act z 1988 roku stwierdza, że „deklarowaną polityką Stanów Zjednoczonych jest. . .to designate the metric system of measurement as the preferred system of weights and measures for United States trade and commerce.”
Jednostki angielskie oparte są na niespójnych standardach. Kiedy kciuk tego średniowiecznego króla stał się niestety niedostępny do dalszych konsultacji, standard dla cala został zmieniony na długość trzech ziaren jęczmienia, umieszczonych końcem do końca – niewiele to dało. Jednostki metryczne, z drugiej strony, oparte są na zdefiniowanych i kontrolowanych standardach, a nie na kaprysach ludzi.
Standardy stojące za angielskimi jednostkami nie są powtarzalne. Ramiona, dłonie i ziarna jęczmienia będą oczywiście różnić się wielkością; wielkość 3-stopowego jarda zależy od tego, o czyje stopy chodzi. Ale jednostki metryczne są oparte na standardach, które są dokładnie odtwarzalne, raz za razem.
Jest wiele jednostek angielskich, w tym wiadra, kolby, łańcuchy, sznury, drabiny, elyty, sążnie, jodły, skrzela, ziarna, ręce, węzły, ligi, trzy różne rodzaje mil, cztery rodzaje uncji i pięć rodzajów ton, by wymienić tylko kilka. Istnieją dosłownie setki innych. Do pomiaru objętości lub samej objętości, system angielski używa uncji, pint, kwart, galonów, baryłek i buszli, wśród wielu innych. W systemie metrycznym, z drugiej strony, jest tylko jedna podstawowa jednostka dla każdego rodzaju ilości.
Każda jednostka miary, w jakimkolwiek systemie, będzie za duża dla niektórych zastosowań i za duża dla innych. Aby wyrazić wszystkie odległości w milach i wszystkie wagi w uncjach, na przykład, wymagałoby stałego korzystania z bardzo małych lub bardzo dużych liczb, z konsekwentną stratą czasu w rejestrowaniu i przekazywaniu tych liczb. Dlatego właśnie mamy cale i tony, jak również mile i uncje. Problem polega jednak na tym, że w amerykańskim („angielskim”) systemie przeliczniki pomiędzy różnymi wielkościami jednostek – 12 cali na stopę, 3 stopy na jard, 1,760 jardów na milę. Są one całkowicie arbitralne. Jednostki metryczne, z drugiej strony, mają współczynniki konwersji, które są potęgami dziesięciu. Oznacza to, że system metryczny jest systemem dziesiętnym, tak jak dolary i centy. W rzeczywistości cały system liczbowy jest systemem dziesiętnym, opartym na dziesiątkach, a nie trójkach czy dwójkach. Dlatego konwersja jednostki z jednej wielkości na inną w systemie metrycznym jest tylko kwestią przesunięcia punktu dziesiętnego.
Jednostki metryczne
SI zaczyna od zdefiniowania siedmiu podstawowych jednostek: po jednej dla długości, masy, czasu, prądu elektrycznego, temperatury, ilości substancji i natężenia światła. („Ilość substancji” odnosi się do liczby cząstek elementarnych w próbce materii. Natężenie światła ma związek z jasnością źródła światła). Jednak tylko cztery z tych siedmiu podstawowych wielkości są w codziennym użyciu przez nie-naukowców: długość, masa, czas i temperatura. Ich zdefiniowane jednostki w układzie SI to metr dla długości, kilogram dla masy, sekunda dla czasu i stopień Celsjusza dla temperatury. (Pozostałe trzy podstawowe jednostki to amper dla prądu elektrycznego, mol dla ilości substancji i kandela dla natężenia światła). Prawie wszystkie inne jednostki mogą być wyprowadzone z podstawowych siedmiu. Na przykład, powierzchnia jest iloczynem dwóch długości: metrów do kwadratu lub metrów kwadratowych. Prędkość lub szybkość jest kombinacją długości i czasu: kilometry na godzinę.
Metr był pierwotnie zdefiniowany w kategoriach wielkości Ziemi; miał być jedną dziesięciomilionową częścią odległości od równika do bieguna północnego, przechodząc prosto przez Paryż. Nowoczesny metr, jednakże, jest zdefiniowany w kategoriach tego, jak daleko światło będzie podróżować w danym czasie, gdy podróżuje z – naturalnie – prędkością światła. Prędkość światła w próżni uważana jest za fundamentalną stałą natury, która jest niezmienna, bez względu na to, jak dryfują kontynenty. Standardowy metr okazuje się być 39,3701 cala.
Kilogram jest metryczną jednostką masy, a nie ciężaru. Masa jest podstawową miarą ilości materii w obiekcie. Masa piłki baseballowej nie zmieni się, jeśli uderzysz nią z Ziemi na Księżyc, ale będzie ona ważyć mniej – mieć mniejszą masę – kiedy wyląduje na Księżycu, ponieważ mniejsza siła grawitacji Księżyca przyciąga ją w dół mniej silnie. Astronauci mogą być w stanie nieważkości w przestrzeni kosmicznej, ale mogą stracić masę tylko przez dietę. Dopóki jednak nie opuścimy Ziemi, możemy luźno mówić o masie i ciężarze, jakby to były te same rzeczy. Możesz więc swobodnie „ważyć” się (a nie „masować”) w kilogramach. Niestety, nie znaleziono jeszcze absolutnie niezmiennego wzorca masy, który pozwoliłby znormalizować kilogram na Ziemi. Kilogram jest więc definiowany jako masa pewnej sztabki stopu platyny i irydu, która jest przechowywana (bardzo starannie) od 1889 roku w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag w Sèvres we Francji. Okazuje się, że kilogram to 2,2046 funta.
Metryczną jednostką czasu jest ta sama sekunda, która zawsze była używana, z tą różnicą, że teraz jest zdefiniowana w bardziej precyzyjny sposób. Nie zależy już ona od chybotliwego obrotu Ziemi (1/86,400 części dnia), ponieważ planeta zwalnia; dni stają się nieco dłuższe, ponieważ jej obrót zwalnia. Tak więc sekunda jest teraz definiowana w kategoriach drgań pewnego rodzaju atomu znanego jako cez-133. Jedna sekunda jest zdefiniowana jako
ilość czasu potrzebnego atomowi cezu-133, aby drgnąć w określony sposób 9 192 631 770 razy. Może to brzmieć jak dziwna definicja, ale jest to bardzo dokładny sposób na ustalenie standardowej wielkości sekundy, ponieważ wibracje atomów zależą tylko od natury samych atomów, a atomy cezu będą przypuszczalnie nadal zachowywać się dokładnie jak atomy cezu na zawsze. Dokładna liczba drgań cezu został wybrany, aby wyjść tak blisko, jak to możliwe do tego, co było wcześniej najbardziej dokładna wartość sekundy.
Metryczna jednostka temperatury jest stopień Celsjusza (oC), który zastępuje angielski system’s stopień Fahrenheita (°F). W SI naukowców podstawową jednostką temperatury jest właściwie kelwin (K) – nie „stopień Kelvina”, po prostu Kelwin. Kelwin i stopień Celsjusza mają dokładnie taką samą wielkość, a mianowicie są 1,8 razy większe od stopnia Fahrenheita. Nie można jednak przeliczać między skalami Celsjusza lub Kelvina a Fahrenheita po prostu mnożąc lub dzieląc przez 1,8, ponieważ skale te zaczynają się w różnych miejscach. Oznacza to, że ich stopnie zerowe zostały ustawione w różnych temperaturach. Dotyczy to również skali Kelvina i skali Celsjusza, choć tam przeliczenie jest dość proste: temperatura w Kelwinach to temperatura w stopniach Celsjusza minus 273,15. Zero stopni Kelvina to zero absolutne, najniższa możliwa temperatura – brak ruchu molekularnego (lub, ściśle mówiąc, stan tak bliski temu stanowi, na jaki pozwala mechanika kwantowa).
Większe i mniejsze jednostki metryczne
Ponieważ metr (1,0936 jarda) jest o wiele za duży do mierzenia atomu i o wiele za mały do mierzenia odległości między dwoma miastami, potrzebujemy różnych mniejszych i większych jednostek długości. Ale zamiast
KEY TERMS
Kelwin- Jednostka temperatury w układzie międzynarodowym (SI). Jest to ta sama wielkość co stopień Celsjusza.
Masa- Miara ilości materii w próbce dowolnej substancji. Masa nie zależy od siły grawitacji planety, tak jak ciężar.
Materia- Dowolna substancja. Materia ma masę i zajmuje przestrzeń.
Temperatura- Miara średniej energii kinetycznej wszystkich cząstek elementarnych w próbce materii.
Wynalazłszy jednostki o różnych rozmiarach z zupełnie innymi nazwami, jak to czyni system angielsko-amerykański, możemy stworzyć jednostkę metryczną o prawie każdej pożądanej wielkości przez dołączenie przedrostka do nazwy jednostki. Na przykład, ponieważ kilo- jest grecką formą oznaczającą tysiąc, kilometr (kil-OM-et-er) to tysiąc metrów. Podobnie, kilogram to tysiąc gramów; gigagram to miliard gramów lub 109 gramów; a nanosekunda to jedna miliardowa część sekundy lub 10-9 sekundy.
Minuty są dozwolone do pozostania w systemie metrycznym dla wygody lub z powodów historycznych, nawet jeśli nie odpowiadają ściśle zasadom. Minuta, godzina i dzień, na przykład, są tak zwyczajowe, że nadal są zdefiniowane w systemie metrycznym jako 60 sekund, 60 minut i 24 godziny – nie jako wielokrotności dziesięciu. W przypadku objętości, najbardziej powszechną jednostką metryczną nie jest metr sześcienny, który jest zazwyczaj zbyt duży, by być użytecznym w handlu, ale litr, który jest jedną tysięczną metra sześciennego. Dla jeszcze mniejszych objętości powszechnie używa się mililitra, czyli jednej tysięcznej litra. A w przypadku dużych mas, zamiast kilograma często używa się tony metrycznej. Tona metryczna (w innych krajach często pisana jako tona) to 1000 kilogramów. Ponieważ kilogram to około 2,2 funta, tona metryczna to około 2 200 funtów: 10% cięższa niż amerykańska tona o wadze 2000 funtów. Inną często stosowaną, niestandardową jednostką metryczną jest hektar dla powierzchni ziemi. Hektar ma powierzchnię 10 000 metrów kwadratowych i jest równoważny 0,4047 akra.
Konwersja między jednostkami angielskimi i metrycznymi
Problem zmiany wysoko uprzemysłowionego narodu, takiego jak Stany Zjednoczone, na nowy system miar jest znaczny. Gdy system metryczny znajdzie się w powszechnym użyciu w Stanach Zjednoczonych, będzie można cieszyć się jego prostotą i wygodą, ale okres przejściowy, gdy oba systemy są w użyciu, może być trudny. Istnieje jednak tylko niewielka liczba jednostek i przedrostków SI, które są używane w życiu codziennym i do których przeciętny człowiek musiałby się przyzwyczaić.
Zobacz też Jednostki i normy.
Źródła
KSIĄŻKI
Alder, Ken. The Measure of All Things: The Seven Year Odyssey and Hidden Error that Transformed the World. New York: Free Press, 2002.
Fandel, Jennifer. The Metric 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
.