Очень часто встречаюсь с тем, что студенты и некоторые инженеры сталкиваются с трудностями при переводе единиц измерения и их пониманием. Староверы применяют кгс и тс, в ВУЗах учат в кН. В результате, когда выпускники добираются до проектных отделов возникают недопонимания между новичками и старичками. Давайте в них разберемся.
Основные единицы
Международная система единиц
СИ, это система единиц физических величин, современный вариант метрической системы. В её основе лежит следующие основные единицы измерения: метр (м), килограмм (кг), секунда (с), ампер (А), кельвин (К), моль (моль), кандела (кд). Остальные единицы являются производными, в том числе и единицы силы. Сила в СИ измеряется в ньютонах (Н). Один ньютон численно равен силе, которую необходимо придать телу массой 1 кг, что бы оно приобрело ускорение равное 1 м/с².
Система МКГСС
Система МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда) или, как её часто называют, техническая система единиц. Это система единиц, в основе которой лежит три основные единицы измерения: метр, килограмм-сила и секунда. Если с метром и секундой вопросов нет, то необходимо дать определение килограмм-силе. Согласно решению Генеральной конференции по массам и весам в 1901 году под килограмм-силой понимается "сила, с которой тело массой один килограмм давит на весы на поверхности Земли". Мы помним, что сила, это произведение массы на ускорение. С масса определена решением генеральной конференции, а единственное ускорение, которое действует на тело - это ускорение свободного падения. Таким образом, один килограмм-сила это ни что иное как:
На практике, обыкновенно для перевода из килограмм-силы в ньютоны просто умножают на 10, из ньютонов в кгс - делят на 10. Это не точное вычисление, но для инженерных расчетов погрешность допустимая.
Так же в МКГСС можно встретить обозначение тс - это тонна-сила. Не трудно догадаться, что это сила, с которой тело массой одна тонна давит на весы на поверхности Земли.
Внимательный читатель может заметить, что ускорение свободного падения на поверхности Земли отличается на экваторе и полюсах в диапазоне от 9,78 до 9,82 м/с² и потому килограмм-сила не постоянная величина и может несколько разниться в зависимости от местности. В МКГСС принято так называемое "стандартное ускорение свободного падения" равное 9,80665 м/с². Поэтому, строго говоря, величины кгс и тс в МКГСС фиксированы, а вот реальные силы действующие в различных частях поверхности Земли могут несколько отличаться. Проще говоря, сила, с которой тело массой один килограмм действует на экваторе несколько меньше одного килограмм-сила, а на полюсе несколько больше одного кгс. Однако это различие не достигает 0,3% и с инженерной точки зрения пренебрежимо мало.
Производные единицы
Давление
Теперь перейдем к чуть более сложным единицам СИ и начнем с давления. В СИ для измерения давления применяется специальная единица - паскаль. Паскаль - единица измерения давления, численно равная давлению, создаваемому силой величиной в один ньютон на площади в один квадратный метр.
В системе МКГСС нет специальных единиц для давления. Обычно для этого применяется кгс/м² или тс/м². Тут ничего сложного, просто умножаем на 10 и получаем числовое значение для величины в СИ.
Напряжение
Вот тут уже немного сложнее. В СИ для этого применяются всё те же паскали, а в МКГСС обыкновенно принято приводить напряжения в кгс/см² и кгс/мм².
Сократим нули
Оперировать таким количеством нулей в СИ не удобно, поэтому применяется специальная система приставок, обозначающих множители. Их довольно много, выделим только те, которые нам пригодятся:
- милли- или одна тысячная. Подразумевает деление исходной величины на тысячу. Привычные нам миллиметры - тысячная от метра. Обозначается маленькой буковой "м" перед исходной единицей.
- санти- или одна сотая. Подразумевает деление исходной величины на сто. Тот же сантиметр - сотая метра. Обозначается маленькой буквой "с" перед исходной единицей.
- кило- или тысяча. Подразумевает умножение исходной величины на тысячу. Привычный там килограмм составляет одну тысячу граммов. Обозначается маленькой буквой "к" перед исходной единицей.
- мега- или миллион. Подразумевает умножение исходной величины на миллион. Обозначается большой буквой "М" перед исходной единицей.
Таким образом 1 кН равен 1000 Н, 1 кПа составляет 1000 Па, а 1 МПа составляет 1 000 000 Па. Запишем уже приведенные выше соотношения в более удобной форме.
Эти нехитрые соотношения можно сохранить как шпаргалку на первое время или даже вывесить в бюро, пока все не научатся ловко жонглировать этими единицами измерения.
О применимости
Строго говоря, согласно ГОСТ 8.417-2002 "Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин" и ПП РФ №879 от 31.10.2009 "Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации" требуется выполнять измерения и расчеты в СИ. Единицы МКГСС допущены к применению в качестве внесистемных единиц без ограничения срока действия в ситуациях, когда количественные значения величин "невозможно или нецелесообразно" выражать в единицах СИ (примечание к таблице приложения 3 ПП РФ №879 от 31.10.2009. На практике единицы системы МКГСС применяются намного чаще ввиду значительного количества накопленного материала и оборудования производственных предприятий применяющих именно эту систему.
К преимуществам системы МКГСС относится её интуитивность. Намного проще осознавать, что на конструкцию действует 200 кгс/м², чем 2 кПа, потому как в жизни мы, как правило, измеряем окружающие нас предметы и явления килограммами и метрами, а не ньютонами и паскалями.
Сколько раз студенты сдавали мне курсовые проекты и расчетные задания с совершенно неадекватными результатами. Наглядный перевод единиц из СИ в МКГСС тут же приводил к понимаю ошибочности решения и смущению.
Финал
Для измерений и расчётов в практической инженерной деятельности следует применять СИ в соответствии с требованиями ПП РФ и ГОСТ, однако по ходу расчетов оказывается полезным иногда переводить единицы в МКГСС для оценки корректности и адекватности выполняемых расчетов.