Наверное все помнят советский мультфильм "38 попугаев" и знаменитую фразу Удава "А в попугаях то я гораздо длиннее!". Давайте сегодня и поговорим об этих самых попугаях, а точнее, немного коснемся темы измерений.
Точные науки многим не нравятся, к сожалению, это факт. И из школьной программы математики, физики, химии, в головах вчерашних школьников остается не очень много. Но так было всегда, во все времена.
Да, тригонометрические уравнения, формулы органической химии, законы физики, в реальной жизни нужны в основном специалистам. А вот с измерениями сталкивается каждый. При этом вовсе не обязательно знать про метрологию.
Вес какой то вещи, расстояние, температура воздуха... Это настолько привычно, что мы не задумываясь говорим "сегодня жарко, 30 градусов в тени". Или "поймал рыбину полтора килограмма весом". Или "у нас дача в 30 километрах от города".
Но ведь градусы бывают разными. А расстояния не всегда измеряют в километрах. В разные времена, в разных странах, использовались, да и используются, разные единицы измерения. Вот мы и добрались до темы сегодняшней статьи.
Что такое измерение
Если говорить упрощенно, то измерение это сравнение с эталоном. Посмотрим на примере измерения расстояний. Кстати, длина, ширина, высота, это тоже расстояния на самом деле.
Если у нас есть, например, две палки разной длины, то мы можем сложить вместе и увидеть, какая длиннее. А если эти палки находятся далеко друг от друга и их невозможно сложить вместе? Или если нужно узнать, насколько одна палка длиннее другой?
Это сугубо практическая задача, которая стояла перед человечеством "с начала времен". Без решения этой задачи было бы невозможно построить египетские пирамиды, дворцы правителей Эллады, средневековые замки.
Решение, разумеется, было найдено. Просто взяли одну "палку" и объявили ее эталоном, мерой длины. Теперь все расстояния определялись как количество эталонов. То есть, в нашем случае, сколько раз "эталонная палка" поместится между двумя деревьями, например
В данном случае, между деревьями расстояние примерно две с половиной палки.
"Эталонная палка", которая могла быть и чем то иным, например, металлическим прутком или куском веревки, стала единицей измерения длины. А само измерение стало сравнением измеряемой длины с этим эталоном, с единицей измерения.
Отсюда, кстати, следует интересный вывод. Не суть важно, какой эталон вы применяете. Главное, применять его последовательно, систематически. Если у вас, не важно по какой причине, нет линейки или рулетки, можно воспользоваться любой деревянной рейкой или отрезком веревки (как пример). Просто нанесите на эту рейку деления одинаковой длины и используйте вместо линейки. Если все измерения выполнять этой самодельной линейкой, то получится даже дом построить. И не важно, насколько деление отличается от сантиметра.
И это касается не только измерения длины. Как дальше будет видно, это касается любых измерений.
Эталоны бывают разные
Разумеется, какая то банальная палка не могла долгое время оставаться "божественным", "тайным", "сакральным" эталоном. Да, измерения в древние времена считались тайной доступной лишь избранным. Поэтому эталон длины, мы ведь пока об измерении расстояний говорим, стали изготавливать из различных драгоценных материалов, например, из золота.
А для практического использования жрецами и архитекторами (древний Египет) изготавливали копии золотого эталона из драгоценных пород дерева. Ну а для использования бригадирами рабочих делали копии эталонов архитектора из обычного дерева или отрезков веревки.
Вот мы и увидели еще одно, очень важное свойство эталона - можно создавать его копии. То есть, можно копировать физическое воплощение единицы измерения, в данном случае, длины.
Разумеется, каждая копия менее точна, чем оригинал. А копия с копии дает еще большую погрешность. А самым точным является первичный эталон. Банальное золото недостойно чести быть первичным эталоном! Этим эталоном может быть только высший правитель, божественный фараон!
Да, в данном случае я говорю о древнем Египте. Но примерно тот же образ мысли был и задолго до фараонов, в племенах древнего мира. И в средневековой Европе, через столетия после падения Египта.
Непостоянство эталона
Однако, при таком привязанном к конкретному правителю способе определения эталона кроется одна серьезная проблема. Когда на смену одному правителю приходил другой менялся и эталон. Новый правитель мог, например, быть ниже ростом и более худощавым. А значит, и локоть с ладонью становились меньше (в Египте). А если новый король Англии имел более крупные ноги, то фут становился больше, при этом ярд мог и остаться прежним.
В России были свои эталоны длины, свои единицы измерения. Они не опирались на параметры царя, но все таки определялись через параметры человека.
А значит, проблемы такой способ тоже не решал. Тот же аршин был разный у здоровенного стрельца и у щуплого мастерового.
Поэтому в конце концов пришли к идее отвязать эталоны от конкретных людей и использовать усредненные параметры. Теперь первичным эталоном стал пруток золота (или иного драгоценного материала), а не человек. И параметры этого эталона не менялись, что было очень удобно. При этом по прежнему делались копии эталона для практического использования, а сам он хранился во дворцах правителей.
Другие эталоны
С измерение длины разобрались, в первом приближении. А что можно сказать о эталонах времени, веса, объема, температуры? В целом, тут все очень похоже на эталоны длины, с одной стороны, но с другой, привязать к человеку же не получается.
Вес и объем
С эталонами, мерами, единицами измерений, веса и объема получилось проще всего. Можно взять, например, камень (метеорит очень бы подошел, как почти божественная сущность), кусок металла, плод какао (обязательно сорванный правителем) и объявить его эталоном. А взвешивать, то есть сравнивать с этим эталоном, можно на рычажных веса известных с доисторических времен.
Именно так появились фунты, пуды, караты, гривны, золотники. Как и эталоны длины изготавливались эталоны веса. И с этих эталонов делали копии для практического использования.
Так же просто с эталонами объема. Можно взять ложку, кружку (пинта), ведро, бочку (баррель) и объявить их эталонами. И копии таких эталонов довольно просто делать.
Время
А вот с эталоном времени все гораздо сложнее. Время не является чем то материальным, что можно потрогать. Пока не было необходимости измерять короткие промежутки времени можно было просто ориентироваться на смену дня и ночи (утро, день, вечер, ночь, сумерки, рассвет) и времен года (весна, лето, осень, зима).
С развитием цивилизации возникла потребность измерять короткие промежутки времени. И вот тут была проявлена большая изобретательность. Измерение времени свели к измерению осязаемых величин
Клепсидра и песочные часы в качестве меры времени используют объем воды или песка. Эталоном, мерой времени, единицей измерения, здесь является время за которое определенный объем воды или песка перельется (пересыплется) из одной чаши в другую.
А китайские огненные часы и свеча в качестве меры времени используют длину. Время горения палочки благовоний в китайских часах или время горения свечи зависят от их длины.
Существовали и гораздо менее точные, привязанные к человеческому фактору, меры времени. Например, время прочтения молитвы.
С этими эталонами было сложнее, чем с эталонами длины, веса (массы) и объема. Чашу заданного объема изготовить довольно просто, а вот как быть с палочкой благовоний или свечой? Например, свеча, даже изготовленная из того же материала и одинаковая по размерам, может гореть разное время. Воск, материал фитиля, имеют естественные колебания в составе. А для проверки копии эталон требуется сжечь...
Поэтому перешли к эталону привязанному к естественным (разумеется божественным) циклическим явлениям. Вернулись к смене дня и ночи связанному с вращением Земли (или, как тогда считали, к движению светил вокруг неподвижной Земли). Сутки разбили на несколько частей. Сегодня мы знаем, что в сутках 24 часа. Но так было не всегда. Например, в древней Греции день и ночь делились на части независимо друг от друга. И летние дневные часы были длиннее зимних.
Температура
Не менее сложная ситуация с температурой. Да, в отличии от времени ее можно ощутить, потрогать. Но это не помогает ее измерить. Но и тут была проявлена изобретательность. Измерение температуры свели с измерению длины, а точнее, объема.
Спиртовые и ртутные термометры использовали изменение объема жидкости в зависимости от температуры, что приводило изменению высоты столбика в капиляре. Оставалось разделить участок капиляра между двумя крайними положениями столбика жидкости (между холодно и горячо) на несколько частей.
И тут возникает вопрос, что считать "холодно", а что "горячо"? И на сколько частей делить? Так и появились разные градусы. В привычных на градусах Цельсия за "холодно" принята точка замерзания воды (дистиллированная вода со льдом). Это условный ноль. А за "горячо" точка кипения дистиллированной воды на уровне моря. Это условные 100 градусов. Эти две точки определяют прямую линию, которую можно продолжить и в область отрицательных температур, и далеко за температуру кипения воды.
Градусы Фаренгейта в качестве условного нуля принимают температуру смеси из воды, льда и хлористого аммония в равных пропорциях. Фактически, это солевой раствор. А температура во рту здорового человека была принята за 96 градусов.Сегодня считается, что температура во рту здорового человека 98 градусов Фаренгейта.
Существуют еще градусы Реомюра, где за условный ноль принята температура замерзания воды. А температура кипения воды принята за 80 градусов Реомюра. В основу своей шкалы температур Реомюр положил объемное расширение спирта. При этом изначально точкой "горячо" считалась температура кипения не воды, а спирта.
Соотношения между единицами измерений
Невозможно использовать единственный эталон для измерения во всем диапазоне возможных величин. Представьте, например, измерение расстояния от Петербурга до Москвы в аршинах. Или измерение времени жизни правителя в часах. Поэтому и единицы измерения, или меры, вводились разные.
Так русская верста равнялась 500 саженям или 1500 аршинам. А пуд равнялся 40 фунтам или 3840 золотников. Ярд равняется 3 футам. Час состоит из 60 минут. А сутки из 24 часов.
Как видно, нет никакого единства в таком подходе. А значит, нужно все это запоминать, да и расчеты усложняются.
Требуется стандартизация
Развитие науки, техники, торговли, экономики, потребовало навести хоть какой то порядок. Начало этому было положено (как обычно считается) во Франции после Великой французской революции. Именно тогда появилась метрическая система, которой сегодня пользуются в большинстве стран мира. При этом сохранилась и старая Английская система, которую часто называют Имперской. Она используется в США, Великобритании, и некоторых бывших колониях.
Метрическая система начиналась с определения метра и килограмма. Одновременно, но чуть позже, была предложен альтернативный вариант, в основу которого легли сантиметр и грамм (а также, секунда, что и дало название этой системы СГС). Историю становления стандарта я, пожалуй, оставлю за скобками. Это отдельная большая и интересная история.
Единая система единиц получила название Си (Système International d’Unités). Были приняты и альтернативные варианты. Уже упоминавшаяся СГС и нечто среднее между СГС и СИ - МКС (метр, килограмм, секунда). Однако, они не получили такого широкого распространения, как Си. Хотя СГС, во всяком случае в советской школе, обязательно присутствовала на плакатах в кабинетах физики наравне с Си.
В дальнейшем в статье будет идти речь только о системе Си, если явно не указано иное.
Основные (базовые) единицы измерения
При создании любой системы необходимо определиться, что будет лежать в ее основе. И это вопрос может быть не таким простым, как кажется на первый взгляд. Например, возьмем раздел физики - электричество. Что первично, напряжение или ток?
В конечном итоге было принято, что есть 7 основных, или базовых, единиц. Это метр - длина, килограмм - масса, секунда - время, ампер - ток, кельвин - температура, моль - количество вещества, кандела - сила света. Кстати, обратите внимание, что кандела это свеча.
Эти базовые единицы невозможно выразить через другие единицы входящие в систему. И это самое важное их отличие.
Производные единицы измерения
Эти единицы можно выразить через основные с помощью математических операций. Я не буду перечислять все производные единицы, их слишком много. Но назову некоторые.
герц - частота колебаний, люмен - световой поток, люкс - освещенность, вольт - разность потенциалов (то есть, напряжение), генри - индуктивность, ватт - мощность.
Не все производные единицы удостоились собственного наименования.
Внесистемные единицы измерения
Некоторые единицы измерения были настолько популярны и распространены, что им дозволили существовать рядом элитой из основных и производных единиц. Эти единицы измерения назвали внесистемными.
час - время (60 минут), литр - объем (одна тысячная кубического метра), тонна - вес (1000 килограмм), гектар - площадь (10000 квадратных метров).
Вы безусловно узнали эти единицы измерения, ведь они широко нами используются в повседневной жизни. Есть и не менее знаменитая, широко использующая в некоторых разделах физики, единица измерения - электронвольт, которая является по сути константой выраженной в джоулях.
Множители (приставки). Или кратные и дольные единицы
Что бы не было необходимости запоминать сколько более мелких единиц измерения составляют более крупную приняли простое решение - использовать степени числа 10.
Из наиболее известных приставок можно назвать: кило - тысяча, мега - миллион, гига - миллиард, деци - десятая часть, санти - сотая часть, милли - тысячная часть, микро - миллионная часть, нано - миллиардная часть.
И вот тут возникает один интересный момент. Основной единицей массы является килограмм, то есть, 1000 грамм. А это несколько противоречит тому, что кило- является приставкой к базовому наименованию. Более логично было бы считать базовой единицей грамм. Но тут уже ничего не поделать.
Ну и несколько примеров единиц измерения с приставками (жирным шрифтом выделю приставки): миллиампер (1/1000 ампер), килоом (1000 ом), сантиметр (1/100 метра), миллилитр (1/1000 литра, несистемной единцы).
"Магические" константы
Не могу обойти этот вопрос стороной. В сложные времена всегда возрастает интерес к всевозможной мистике. Сегодня в телевизионных программах (я не только о РЕН-ТВ) можно увидеть массу домыслов и притянутых за уши фактов. Среди них мелькают и "риторические" вопросы" призванные доказать, что мы созданы пришельцами. Например, "кому понадобилось, что бы ускорение свободного падения было именно 9.8?".
Давайте попробуем разобраться, почему серьезная наука такое всерьез не воспринимает. Во первых, ускорение свободного падения различно в разных местах нашей планеты. Оно колеблется примерно от 9.78 до 9.82. Причем на полюсах оно больше, чем на экваторе. Точное значение считается равным 9,80665, что трудно назвать "круглой цифрой". Однако, этот факт, как и все неудобные, отбрасывается сторонниками заговора и альтернативных наук.
Во вторых, нельзя забывать, что 9.8 это в системе Си! Если мы будем использовать другие единицы измерения, то и само число изменится. Попробуйте посчитать, чему будет равно ускорение свободного падения если вместо метров использовать аршины. И это тоже отвергается сторонниками пришельцев, как неудобный факт.
Математика это универсальный язык. Во всяком случае так считают ученые. Но надо понимать, что предметные области накладывают на математику свои ограничения. Привычные всем константы выглядят именно так по той причине, что мы сами заложили в них определенные единицы измерения.
Заключение
Даже такие привычные нам понятия оказались весьма интересными, если рассмотреть их немного поглубже. Причем это не застывшая во времени фундаментальная наука, а живая и постоянно развивающаяся. Меняются определения базовых единиц для достижения все большей точности. Сама система Си имеет и сторонников, и противников, которые ее критикуют (и вполне обоснованно).
Обычному человеку не видно ни текущее кипение страстей ученых, ни историческая сторона вопроса, где тоже велись жаркие споры, а иногда и головы с плеч летели. Мы живем текущим моментом, с множеством своих забот и хлопот. При этом забывая, что наука зачастую более драматична и интересна, чем великие произведения Шекспира или творения Микеланджело. Не все могут это оценит, увы. Но ведь не все могут оценить Моцарта, сочтя его скучным и устаревшим.
