Метр, градус, грамм. Простыми словами о сложных измерениях

Простыми словами о сложных измерениях

В Казахстане за создание, совершенствование, хранение, применение и обслуживание государственных эталонов и эталонов единиц величин отвечает государственный научный метрологический центр в лице РГП «КазСтандарт». К этой структуре граждане и апеллируют, требуя соблюдения стандартов или разъяснений на этот счет. Каждый из нас в повседневной жизни сталкивается с метрологией - наукой о способах, методах и точности измерений.

Что такое измерение

Если говорить упрощенно, то измерение - это сравнение с эталоном. Если у нас есть, например, две палки разной длины, то мы можем сложить вместе и увидеть, какая из них длиннее. А если эти палки находятся далеко друг от друга и их невозможно сложить вместе? Или как узнать, насколько одна палка длиннее другой? Это сугубо практическая задача, которая стояла перед человечеством с начала времен. Без ее решения было бы невозможно построить египетские пирамиды, дворцы правителей Эллады, средневековые замки. Решение, разумеется, было найдено. Взяли одну «палку» и объявили ее эталоном, мерой длины. Теперь все расстояния определялись как количество эталонов. «Эталонная палка» могла быть и измерением длины. А само измерение стало сравнением измеряемой длины с эталоном, с единицей измерения. Отсюда, кстати, следует интересный вывод. Не суть важно, какой эталон вы применяете. Главное, применять его последовательно, систематически. Если у вас 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. И это касается не только измерения длины, но и любых измерений. С глубокой древности наши предки измеряли расстояние собой, своим телом. Это и удобно, и руки с ногами всегда при себе, их нельзя «забыть дома». Система древних мер включала в себя следующие основные мер: версту, сажень, локоть, пядь, вершок. Для поддержания единства установленных мер еще в древние времена создавались эталонные (образцовые) меры. Известно изречение древнегреческого философа Протагора: «Человек есть мера всех вещей». У всех народов использовались части человеческого тела в качестве мер длины, о чем свидетельствуют сами названия: фут - ступня, дюйм - палец, локоть.

Эталоны бывают разные

Разумеется, банальная палка не могла долгое время оставаться «сакральным» эталоном. Да, измерения в древние времена считались тайной, доступной лишь избранным. Поэтому эталон длины стали изготавливать из различных драгоценных материалов, например, из золота. А для практического использования жрецами и архитекторами в Древнем Египте изготавливали копии золотого эталона из драгоценных пород дерева. Ну а для использования бригадирами и рабочими делали копии эталонов из обычного дерева или отрезков веревки. Вот еще одно 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. И если эталоном становился правитель, то с его сменой менялся и эталон. Новый правитель мог, например, быть ниже ростом и более худощавым. А значит, и локоть с ладонью становились меньше (в Древнем Египте). А если новый король Англии имел более крупные ноги, то фут становился больше, при этом ярд мог и остаться прежним. 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. А что можно сказать о эталонах времени, веса, объема, температуры?

Вес и объём

С единицами измерений, веса и объема получилось проще всего. Можно взять, например, камень, кусок металла, плод какао и объявить его эталоном. А взвешивать, то есть сравнивать с этим эталоном, можно на рычажных весах, 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.

Время

А вот с эталоном времени все гораздо сложнее. Пока не было необходимости измерять короткие промежутки времени, можно было 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 (водяные часы) и песочные часы в качестве меры времени используют объем воды или песка. Единицей измерения здесь является время, за которое определенный объем воды или песка перельется (пересыплется) из одной чаши в другую.

Температура

Не менее сложная ситуация с температурой. Да, в отличие от времени ее можно ощутить, потрогать. Но это не помогает ее измерить. Но и тут была проявлена изобретательность. Измерение температуры свели к измерению длины, а точнее, объема. Спиртовые и ртутные термометры использовали изменение объема жидкости в зависимости от температуры, что приводило к изменению высоты столбика в капилляре. Оставалось разделить участок капилляра 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? 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.

Требуется стандартизация

После Великой французской революции 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 ее бывших колониях. Метрическая система начиналась с определения метра и килограмма. Одновременно, но чуть позже, был предложен альтернативный вариант, в основу которого легли сантиметр и грамм (а также секунда, что и дало название этой системы (СГС). Единая система единиц получила название СИ (Système Internationald’Unités). Были приняты и альтернативные варианты. Уже упоминавшаяся СГС и нечто среднее между СГС и СИ - МКС (метр, килограмм, секунда).

Основные (базовые) единицы измерения

При создании любой системы необходимо определиться, что будет лежать в ее основе. В конечном итоге было принято, что есть семь основных, базовых единиц. Это метр - длина, килограмм - масса, секунда - время, ампер - ток, кельвин - температура, моль - количество вещества, кандела - сила света. Применение метрической системы мер сыграло выдающуюся роль не только в становлении единства измерений между странами, но и способствовало становлению и развитию национальных метрологических институтов и метрологии в целом как науки об измерениях. В наше время эталоны подразделяются на первичный (обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране точностью), вторичный (получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы), эталон сравнения (применяемый для сличений эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом), исходный (обладающий наивысшими метрологическими свойствами из имеющихся в данной лаборатории, организации, на предприятии эталонов, от которого получают размер единицы подчиненные средства измерений, рабочий (предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений) и другие. А вообще, эталон единиц величин - это средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы величины (кратных либо дольных значений единицы величины) с целью передачи ее размера другим средствам измерений данной величины, утвержденное в порядке, установленном уполномоченным государственным органом.

Кайрат ЕЛЕУСИЗОВ, главный специалист-госинспектор департамента Комитета техрегулирования и метрологии по Жамбылской области