Установление единой международной системы единиц
Наличие ряда систем единиц физических величин, а также значительного числа внесистемных единиц, неудобства, связанные с пересчетом при переходе от одной системы единиц к другой, требовало унификации единиц измерений. Рост научно-технических и экономических связей между разными странами обусловливал необходимость такой унификации в международном масштабе.
Требовалась единая система единиц физических величин, практически удобная и охватывающая различные области измерений. При этом она должна была сохранить принцип когерентности (равенство единице коэффициента пропорциональности в уравнениях связи между физическими величинами).
В 1954 г. X Генеральная конференция по мерам и весам установила шесть основных единиц (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин и свеча) практической системы единиц. Система, основанная на утвержденных в 1954 г. шести основных единицах, была названа Международной системой единиц, сокращенно СИ (SI — начальные буквы французского наименования Systeme International). Был утвержден перечень шести основных, двух дополнительных и первый список двадцати семи производных единиц, а также приставки для образования кратных и дольных единиц.
Основные единицы СИ
Основные единицы СИ с указанием сокращенных обозначений русскими и латинскими буквами приведены в табл. 1.
Таблица 1
| Величина | Единица измерения | Сокращенное обозначение единицы | |
| русское | международное | ||
| Длина | метр | м | m |
| Масса | килограмм | кг | kg |
| Время | секунда | с | s |
| Сила эл. тока | ампер | А | А |
| Термодин. темп-ра | кельвин | К | К |
| Сила света | кандела | кд | cd |
| Кол-во вещества | моль | моль | mol |
Определения основных единиц, соответствующие решениям Генеральной конференции по мерам и весам, следующие.
Метр равен длине пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды.
Килограмм равен массе международного прототипа килограмма.
Секунда равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10-7 Н.
Кельвин равен 1/273.16 части термодинамической температуры тройной точки воды.
Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0.012 кг.
Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.
Дополнительные единицы СИ
Международная система единиц включает в себя две дополнительные единицы — для измерения плоского и телесного углов.
Единица плоского угла — радиан (рад) — угол между двумя радиусами окружности, дуга между которыми по длине равна радиусу. В градусном исчислении радиан равен 57°17'48".
Стерадиан (ср), принимаемый за единицу телесного угла, — телесный угол, вершина которого расположена в центре сферы и который вырезает на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, по длине равной радиусу сферы.
Измеряют телесные углы путем определения плоских углов и проведения дополнительных расчетов по формуле
Q = 2π(1–cosα/2)
где Q — телесный угол; α — плоский угол при вершине конуса, образованного внутри сферы данным телесным углом.
Телесному углу 1 ср соответствует плоский угол, равный 65°32', углу π ср — плоский угол 120°, углу 2π ср — плоский угол 180°.
Дополнительные единицы СИ использованы для образования единиц угловой скорости, углового ускорения и некоторых других величин. Сами по себе радиан и стерадиан применяются в основном для теоретических построений и расчетов, так как большинство важных для практики значений углов (полный угол, прямой угол и т.д.) в радианах выражаются трансцендентными числами (2π, π/2 и т.д.).
Производные единицы СИ
Производные единицы Международной системы единиц образуются с помощью простейших уравнений между величинами, в которых числовые коэффициенты равны единице. Так, для линейной скорости в качестве определяющего уравнения можно воспользоваться выражением для скорости равномерного прямолинейного движения v=l/t.
При длине пройденного пути (в метрах) и времени t, за которое пройден этот путь (в секундах), скорость выражается в метрах в секунду (м/с). Поэтому единица скорости СИ — метр в секунду — это скорость прямолинейно и равномерно движущейся точки, при которой она за время 1 с перемещается на расстояние 1 м.
Если в определяющее уравнение входит числовой коэффициент, то для образования производной единицы в правую часть уравнения следует подставлять такие числовые значения исходных величин, чтобы числовое значение определяемой производной единицы было равно единице. Например, единица кинетической энергии СИ — килограмм-метр в квадрате на секунду в квадрате — это кинетическая энергия тела массой 2 кг, движущегося со скоростью 1 м/с, или кинетическая энергия тела массой 1 кг, движущегося со скоростью √2 м/с. Эта единица имеет особое наименование — джоуль (сокращенное обозначение Дж).
Кратные и дольные единицы
Наиболее прогрессивным способом образования кратных и дольных единиц является принятая в метрической системе мер десятичная кратность между большими и меньшими единицами.
В табл. 2 приводятся множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их наименования.
Таблица 2
| Множитель | Приставка | Обозначение приставки | |
| русское | международное | ||
| 1018 | экса | Э | Е |
| 1015 | пета | П | Р |
| 1012 | тера | Т | Т |
| 109 | гига | Г | G |
| 106 | мега | М | М |
| 103 | кило | к | k |
| 102 | гекто | г | h |
| 101 | дека | да | da |
| 10-1 | деци | д | d |
| 10-2 | санти | с | c |
| 10-3 | милли | м | m |
| 10-6 | микро | мк | µ |
| 10-9 | нано | н | n |
| 10-12 | пико | п | p |
| 10-15 | фемто | ф | f |
| 10-18 | атто | а | a |
Следует учитывать, что при образовании кратных и дольных единиц площади и объема с помощью приставок может возникнуть двойственность прочтения в зависимости от того, куда добавляется приставка. Так, сокращенное обозначение 1 км² можно трактовать и как 1 квадратный километр и как 1000 квадратных метров, что, очевидно, не одно и то же (1 квадратный километр = 1.000.000 квадратных метров). В соответствии с международными правилами кратные и дольные единицы площади и объема следует образовывать, присоединяя приставки к исходным единицам. Таким образом, степени относятся к тем единицам, которые получены в результате присоединения приставок.
Поэтому 1 км² = (1 км)² = (10³ м) ² = 106 м².