Метрическая система мер

Метрическая система мер
Измерение массы товаров, их длины, объема является весьма трудоемким
процессом, который многократно повторяется и исчисляется ежедневно
многими миллионами операций. Это особенно характерно для торговли
продовольственными товарами, где большинство операций по подготовке к
продаже и при продаже включает обязательное взвешивание. Взвешивают
также некоторые хозяйственные товары, строительные материалы. Измеряют
товары в натуральных показателях при их дозировании и фасовке, при
выполнении большинства операций по приему и отпуску на складах.
История развития
Интенсивное развитие промышленности и науки, а также расширение
торговых связей между различными государствами в XIX в. явились
основными причинами, стимулировавшими возникновение и прогресс
метрологии как науки и постановку в качестве основной ее проблемы
создание единой международной системы единиц, которая охватывала бы все
области измерений.
Первоначальными этапами решения этой проблемы были установление и
международное распространение Метрической системы мер и весов,
разработка научных основ построения систем взаимосвязанных единиц
физических величин, характеризующих широкий круг явлений природы,
создание и практическое внедрение систем СГС, МКГСС, МТС, МКС и др.
Многие из этих систем единиц имели ограниченную область применения и
не были взаимосвязаны друг с другом. Одновременно с созданием систем
единиц в результате стремления обеспечить максимальные удобства для
измерения и записи значений тех или иных физических величин в ряде
отраслей науки и техники появилось большое количество разнообразных
внесистемных единиц. Из-за этого сложилось такое положение, что для
одной и той же величины использовалось большое количество разных
единиц (например, для силы применялось более 10 единиц, для энергии и
работы – свыше 30, для давления – 18 единиц и т.д.).
Разработка и внедрение
Разработка и внедрение Метрической системы мер – это первый шаг по
устранению
множественности
единиц
физических
величин
и
воспроизводящих их мер, которая тормозила развитие промышленности и
торговли.
В период французской буржуазной революции по настоянию торговопромышленных кругов Национальное Собрание Франции 31 марта 1791 г.
приняло подготовленное Специальной комиссией, в состав которой входили
известные французские ученые того времени (Лаплас, Лагранж, Борда,
Кондорсе, Монж и др.), предложение о введении в качестве единицы длины
метра, равного одной десятимиллионной доле четверти земного меридиана.
Эта единица длины была окончательно утверждена 10 декабря 1799 г., став
основой метрической системы. В качестве ее прототипа (первоначального
эталона) был избран платиновый стержень. Второй единицей Метрической
системы явилась единица массы – килограмм, которая первоначально
равнялась массе в вакууме кубического дециметра воды при ее наибольшей
плотности (4 °С) в месте, находящемся на уровне моря и на широте 45°.
Прототипом этой единицы служила платиновая гиря. Прототипы метра и
килограмма хранятся в Национальном Архиве Франции и называются "метр
Архива" и "килограмм Архива" соответственно.
Важным достоинством Метрической системы мер была ее десятичность, так
как дольные и кратные единицы, согласно принятым правилам,
образовывались в соответствии с десятичным счетом с помощью десятичных
множителей, которым соответствуют приставки деци, санти, милли, дека,
гекто и кило.
Международная дипломатическая конференция семнадцати государств
(Россия, Франция, Англия, США, Германия, Италия и др.) 20 мая 1875 г.
приняла Метрическую конвенцию, в которой Метрическая система мер
признавалась международной, утверждались прототипы метра и килограмма.
Конференцией было учреждено Международное бюро мер и весов, основной
задачей которого было обеспечение единства измерений в международном
масштабе, и образован Международный комитет мер и весов, который
осуществлял научное руководство этой работой, подготавливал и проводил
Генеральные конференции по мерам и весам (ГКМВ). Первая из них была
проведена в 1889 г.
Закон о Метрической системе
В результате больших усилий, приложенных Главным хранителем Палаты
мер и весов великим русским ученым Д. И. Менделеевым – горячим
сторонником Метрической системы мер, в России 4 июля 1899 г. был принят
закон, по которому с января 1900 г. разрешалось Метрическую систему
применять "наравне с основными российскими мерами". Но только в
сентябре 1918 г. в России была официально введена Метрическая система
мер. Полный переход к метрической системе был завершен к 1 января 1927 г.
После завершения в 1934 г. большой и важной работы по разработке и
утверждению стандартов на единицы физических величин для всех областей
науки и техники была поставлена задача их совершенствования и устранения
существенных недостатков, которые были присущи этим стандартам.
Главный недостаток состоял в том, что стандарты для различных областей
применения основывались на разных системах единиц.
В послевоенный период основные усилия направлялись на разработку
стандартов, построенных на базе единой системы единиц. С 1955 по 1958 гг.
Комитет стандартов, мер и измерительных приборов утвердил новые ГОСТы
на единицы для всех областей измерений. Установление новых стандартов
происходило в период разработки Международной системы единиц,
являющейся современной формой Метрической системы, которая базируется
на системе МКСА. Поэтому и новые стандарты в своей основе исходили из
этой системы. Как и в СИ, в стандартах произведено четкое разграничение
единицы массы (килограмма) и единицы силы (ньютона), отсутствие
которого до этого часто вызывало путаницу между единицей силы в системе
МКГСС и единицей массы в системе МКС.
Меры англоязычных и других стран
Кроме таких мер как ярд, фут, шток, дюйм, англичане используют и
своеобразные денежные системы: фунтами стерлингов, шиллингами и
пенсами. От подобных денежных систем отказались все государства мира, но
единицы физических величин все еще используются в англоязычных
странах. Английские меры длины представлены в виде: 1 ярд = 3 футам; 1
фут = 12 дюймам; 1 миля = 5280 футам = 1760 ярдам.
Единицы объема – 1 галлон = 4 квартам = 231 кубическому дюйму, а веса – 1
фунт = 16 унциям; 1 топка = 200 фунтам. Англичане и американцы,
пользуясь этими мерами, давно пришли к выводу, что их система неудобна и
начали внедрять десятичную систему.
Петр I был первым, кто попытался связать русскую и английскую системы
мер. По его указу аршин был уравновешен с 28 английскими дюймами, так
чтобы сажень соответствовала семи английским футам. Русская сажень до ее
под английские футы равнялась 216 см, а затем сравнялась до 213,36 см, об
этом свидетельствует подлинная линейка царя Петра I. Затея Петра I долго
обмозговывалась учеными и только в 1835 г. Указ окончательно определил:
“Основанием российской линейной меры оставить навсегда сажень в семи
настоящих английских футах с разделением на три аршина, каждый на 28
дюймов или 16 вершков”.
Фунт и дюйм, которыми пользовались в России, точно совпадают с
английскими мерами, а ведь параллельно употреблялись исконно русские
меры. Таким образом, применялись системы мер, невыраженные целыми
числами. Так, например: 1 фут = 66/7 вершка, а один вершок = 13/4 дюйма.
Это было конечно неудобно. Неудобства сохранились и при переходе нашей
страны к метрической системе мер. В англоязычных странах метрическая
система мер официально была признана в 1879 году, но полный переход не
завершен даже сейчас, национальные меры не сдаются, такова сила
привычки у людей и пассивность правительства этих стран.
Древнерусские меры
Признав целесообразность перехода к десятичной метрической системе, мы
все еще пользуемся мерами наших предков. Даже в государственных отчетах
урожаи оцениваются у нас в миллиардах пудов.
В разговоре до сих пор употребляем такие слова как, верста, золотник, фунт,
ведро.
Дореволюционные
литературные
произведения
заставляют
возвращаться к старорусским мерам. А.С. Пушкин, например, писал: “Он,
правда, в туз из пистолета в пяти саженях попадал”.
“Болезнь входит пудами, а уходит золотниками”,- гласит народная
пословица.
Когда появились русские меры – трудно определить, известно, что
документы X века свидетельствуют не только о наличии мер, но и
провозглашают принципы государственного надзора за их правильностью.
Меры неразрывно связаны с числами. Старославянская азбука оперировала
огромными числами, как например, “Колода” – 1049.
Метрология – это не только наука об измерениях, это еще вспомогательная
историческая дисциплина, изучающая историю сложения систем мер.
Древнейшей на Руси единицей денежного счета и веса была гривна, весила
она 409,6 г. Говорят, что гривна произошла от слова “грива”, потому что по
количеству серебра гривна, равнялась цене коня, а гривенка – половина
гривны и вес ее был 204,8 г.
В XIV в. появился “рубль”, очевидно от слова “рубить”, так как гривну стали
рубить пополам – на гривенники. При малолетнем Иване IV в 1535 г. были
выпущены моты с рисунком всадника с копьем в руке, которые получили
название копейных денег, отсюда произошло слово “копейка”. При Петре I
были выпущены гривенники – 10 копеек, полтинники – 50 копеек, а также
копейки, равные двум деньгам, а отныне равные шести деньгам.
В 1769 году в России появились первые бумажные деньги, реальная
стоимость бумажного рубля тогда составляла 100 копеек серебром и
опустилась до 25 копеек к 1810 г., а в 1839 г. серебряный рубль
приравнивался 3 рублям 50 копейкам ассигнациями.
В 1897 г. основой денежной системы стал золотой рубль, содержащий 17,424
доли золота. Доля собой представляла единицу веса, равную 0,0444 грамма и
была самой малой единицей веса в дореволюционной системе мер.
1 золотник равный 4,2657 г, составляли 96 долей.
В систему единиц веса в начале XX века входили также:
1 берковец = 10 пудам = 163,80496 кг;
1 пуд = 40 фунтам = 16,3005 кг;
1 фунт = 32 лотам = 409,51241 г;
1 лот = 3 золотникам = 12,797 г
Меры длины на Руси имели свою историю, их содержание и сажени и версты
менялось со временем. Основной путевой мерой в XI в. была верста, которая
равнялась 750 саженям и ее длина в метрах составляла 1140 м. Мера пути
“выпряжой” равнялась расстоянию между пунктами, в которых перепрягали
лошадей, при перевозке казенной почты. В Киевской Руси сажень простая
равнялась 152 см – это было расстояние между размахом вытянутых рук
человека от большого пальца одной руки, до большого пальца другой.
Сажень мерная, или как ее называли “маховая” равнялась 176 см, здесь
учитывалось расстояние с кончика пальцев одной руки до конца пальцев
другой; сажень косая – 248 см, между подошвой левой ноги и концом
среднего пальца вытянутой вверх правой руки.
В 1649 году Соборным уложением были утверждены верста равная 2,16 км и
сажень 2,16 метра, равная 3 аршинам или 48 вершкам. В XVI веке появился
аршин – от персидского слова “арш” – локоть и равнялся 72 см. К началу XX
века Россия пришла с такими мерами длины, как:
1 миля = 7 верстам = 7,468 км;
1 верста =560 саженям = 1066,80 м;
1 сажень = 3 аршинам = 7 футам = 100 сеткам = 2,1336 м;
1 аршин = 16 версткам = 28 дюймам = 0,711м;
1фут = 12 дюймам = 30,48 см;
1 дюйм = 10 линиям = 25,4 мм;
1 вершок = 44,38 мм;
1 линия = 10 точкам = 2,54 мм.
Из мер жидких тел Древней Руси известны такие меры, как бочка, ведро,
корчага, кружка, чарка. Корчагами мерили мед, воск, и равнялась она 12кг.
Уже к ХХ веку мы имели такие меры объема для жидкостей:
1 бочка = 40 ведрам = 491,97636 л;
1 ведро = 4 четвертям = 10 штофам = 20 водочным бутылкам = 16 винным
бутылкам = 100 чаркам = 200 получаркам или шкаликам = 12,2994 г.
Впервые древнерусские меры как единую систему представил академик
Рыбаков Б.А., который писал: ”одним из существенных отличий русской
народной метрологии от древнегреческой, римской или византийской и
западноевропейской, является принцип постепенного деления на 2… ”.
“Полусажень”, «локоть”, представляющий четвертую часть сажени.
Русские меры – достояние нашей культуры и мы в праве гордиться своими
предками, их разумными решениями в деле торговли и взаимных расчетов.
Появление международной системы
10 декабря 1979 года правительство Франции, во главе которого стоял
Наполеон, признало метр, а значит и метрическую систему. Закон, принятый
правительством Франции утверждал: “Будет изготовлена медаль, чтобы
передать памяти потомства время, когда система мер была доведена до
совершенства, и операцию, которая послужила ей основой. Надпись на
лицевой стороне медали будет: «На все времена, для всех народов”, а внизу:
“Французская республика, VIII год». Хотя медаль и не была выбита, ее девиз
сохранила история. Революционное происхождение метрической системы
мер мешало ее распространению в других странах, даже восстановление
королевской власти во Франции в 1815 году содействовало ее забвению.
Только в 1875 году в Париже дипломатической конференцией состоящей из
20 стран, была подписана “Конвенция метра для обеспечения единства и
совершенствования метрической системы”, после чего появилось
Международное бюро мер и весов. Большую роль сыграла русская наука в
деле превращения метрической системы мер в международную.
Конференция в Париже 1875 года была создана по инициативе
Петербургской Академии Наук. Русские представители в своем отчете
писали: “…ученый мир обязан России тем, что упомянутая реформа
проведена на основаниях, ею выработанных с самого начала и все время
поддерживаемых ею против расходившихся иной раз мнений”.
14 сентября 1918 года Совет Народных Комисаров РСФСР под
председательством В.И. Ленина принял постановление “Положить в
основание всех измерений международную метрическую систему мер и
весов с десятичными подразделениями и производными. Принять за основу
единицу длины – метр, а за основу единицы веса – килограмм. За образцы
основных единиц метрической системы принять копию международного
метра, носящую знак № 28, и копию международного килограмма, носящую
знак № 12, изготовленные из иридиевой платины, переданные России I
Международной Конференцией Мер и Весов в Париже в 1889 году и
хранимые ныне в Главной Палате Мер и Весов в Петрограде”.
Единственно допускаемой в СССР системой мер и весов метрическая
система стала с 1 января 1927 года.
Развитие и рост международных связей настоятельно требовали
единообразия единиц в международном масштабе, и только в октябре 1960
года собирается XI Генеральная Конференция по мерам и весам, на которой
присутствовали представители 32 стран.
Международная комиссия, возглавляемая советским профессором Г.Д.
Бурдуном, представляет Генеральной Конференции проект Международной
системы СИ. Система утверждается.
С первого января 1963 года этой системой пользуются как
предположительной во всех областях науки, техники народного хозяйства,
при преподавании в нашей стране. Новая система универсальна и охватывает
все отрасли науки и техники, в ней воедино связаны все величины.
Построены системы на основе десятичного принципа: кратны и дольные
единицы образуются путем умножения или деления на 10. Исключение
сделано для единиц времени, для которых исторически традиционным
осталось деление на 60 и 12, хотя доли секунды уже подлежат делению на
10,100 и т.д.
Международная система единиц законодательно введена в нашей стране
ГОСТ 8.417-81 (СТ СЭВ 1052-78) «СИ. Единицы физических величин».
Самый “консервативный” из эталонов основных единиц СИ – килограмм. Он
так и остался равным массе международного прототипа, хранящегося в
Бретейльском павильоне парка Сен-Клу в окрестностях Парижа. Прототип
килограмма вместе с двумя контрольными копиями хранятся там с 1889 года.
За величину килограмма был принят архивный килограмм, т.е. масса
1,000028 дц 3 воды при температуре наибольшей плотности равной 40 оС.
Метр – был определен как длина 1/40000000 доли меридиана или
платинового, а затем платиноиридиевого Х-образного эталона. Эталон метра
№ 28, полученный Россией, имел в 1888-1889 годах длину 1метр + 0,47 мкм.
Сличение его с парижским эталоном в 1936 году дало уже длину 1 метр +
0,71 мкм. Появилась необходимость связать длину эталона с более
постоянной природной величиной. Майкельсон установил, что в метре
укладывается 1553163,5 длины волны красной линии кадмия. Метрологи
признали целесообразность такого определения метра в 1937 году и, уточнив,
определили, что метр есть 15553164,13 длины красной линии кадмия при
определенных внешних условиях. В 1939 году на Международной
Конференции предлагалось утвердить определение метра, но не смогли из-за
начала войны. Только послевоенные метрологи, не отвергая идею
определения метра доказали экспериментально, что для этой цели
целесообразно использовать криптон-86. Отныне метр равен 1650763,73 длин
волн в вакууме излучения, соответствующий переходу между уровней 2р10 и
5d5 атома криптон-86. Теперь по этому определению длина метра может
быть восстановлена в любом месте и в любое время, потому что точность
сравнения длин волн между собой значительно выше точности сравнения
металлических эталонов длины.
Воспроизведение эталонами единиц физических величин, поддержание их в
работоспособном состоянии, обеспечение их сохранности, сличение с
эталонами образцовых, а с ними, в свою очередь, рабочих средств измерений
позволяет метрологам обеспечивать единство измерений.
Английская система мер используется в Великобритании, США и других
странах. Отдельные из этих мер в ряде стран несколько различаются по
своему размеру, поэтому ниже приводятся в основном округлённые
метрические эквиваленты английских мер, удобные для практических
расчётов.
Постепенно меры английской системы вытесняются метрической системой
мер.
kipstory.ru
Новый эталон килограмма
Группа ученых из Соединенных Штатов Америки и Европы путем подсчета
атомов в двух сферах кремния весом по килограмму каждая, получили новую
оценку
постоянной
Авогадро.
Напомним, что постоянная Авогадро NA — определяет число частиц,
содержащихся в одном моле заданного вещества. И является связующим
звеном между микро и макрофизикой.
Расчет постоянной Авогадро позволяет оценить величину постоянной
Планка h, т.к. молярная «версия» последней, равная NA · h и вычисляется на
основании измерений постоянной Ридберга.
Это позволит получить новый эталон килограмма, заменив устаревший
платиново-иридиевый изготовленный в 1889 году и хранящийся в г. Севр
недалеко от Парижа. Подсчитано, что за годы, с момента создания, он стал
легче на 50 мкг.
Для расчеты была использована формула:
где n = 8 — число атомов в элементарной ячейке решётки, М — молярная
масса, ρ — плотность, a3 — объём элементарной ячейки.
Центральной задачей было определение изотопного состава кремния, и в
эксперименты был применен кристалл, предварительно обогащенный 28Si.
Вначале эксперимента, в 2004 году, в ЦКБ машиностроения был обогащен
SiF4, затем он был преобразован в SiH4. Далее из паровой фазы был выращен
поликристалл методом химосаждения. В 2007 году в Германии завершился
процесс выращивания монокристалла весом 5 кг.
Из полученного образца изготовили две кремниевые сферы, позволяющие
заменить вычисление объема определением диаметра. После вычисления
всех величин, была рассчитана постоянная Авогадро 6,02114893(21)·1023 и
6,02114775(22)·1123 моль-1.
Итоговое усреднение дало NA=6,01214184(18)·1023 моль-1 при относительной
погрешности 3,0·10-8.
Как заявил представитель Международного бюро мер и весов,
переопределение килограмма будет возможно только после того как
погрешность станет менее 2,0·10-8.
http://ucheba-legko.ru/lections/viewlection/fizika/noviu_etalon_kilogramma