Приложения

• Единицы измерений

Огромное разнообразие явлений, с которыми приходится встречаться в технике, в быту и научном исследовании, делает соответственно весьма широким и круг величин подлежащих измерению. Скорость, время, длина, масса тела, упругость стали, вязкость жидкости, напряжение и частота электрической сети, мощность электродвигателя, показатель преломления стекла, сила света лампы – вот лишь немногие из бесчисленного множества величин, подвергающихся измерению в технике.

Измерение – нахождение численного значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Различают прямое и косвенное измерения. При прямом измерении искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Например, измерение массы на пружинных (циферблатных) или равноплечных весах, температуры термометром, напряжения вольтметром и т.п. При косвенном измерении искомое значение находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Например, определение плотности тела по его массе и геометрическим размерам, скорости объекта по пути пройденным им и соответствующему промежутку времени и т.п.

В технике и науке в основном используется Международная система единиц (сокращенно СИ или SI). Основные единицы этой системы представлены в таблице.

ВЕЛИЧИНА	ФОРМУЛА ОПРЕДЕЛЕНИЯ	ФОРМУЛА РАЗМЕРНОСТИ В СИ
ОСНОВНЫЕ ЕДИНИЦЫ
ДЛИНА	l	L
МАССА	m=F/a	M
ВРЕМЯ	t	T
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЕДИНИЦЫ
ПЛОЩАДЬ	S=l^2	L^2
ОБЪЕМ	V=l^3	L^3
СКОРОСТЬ	v=l/t	LT^-1
УСКОРЕНИЕ	a=(v2-v1)/t	LT^-2
ПЛОТНОСТЬ	ρ=m/V	M L^-3
ИМПУЛЬС	p=mv	MLT^-1
СИЛА	F=ma	MLT^-2
РАБОТА И ЭНЕРГИЯ	A=Flcos()	ML^2T^-2
ДАВЛЕНИЕ	P=F/S	ML^-1T^-2

Несмотря на определенные преимущества, которые дает применение системы СИ, до настоящего время широко распространены и используются различные единицы, не укладывающиеся ни в одну из систем, так называемые внесистемные единицы.

Масса. Масса тела – физическая величина, являющейся одной из основных характеристик материи. Она определяет ее инерциальные (инерциальная масса) и гравитационные (гравитационная масса) свойства. В настоящее время принято считать, что они равны друг другу.

Единицей измерения массы в системе СИ является килограмм.

[m] = 1 килограмм = 1 кг.

Килограмм – это масса платино-иридиевой гири, хранящейся в Международной палате мер и весов в Севре (вблизи Парижа). Практически – это вес кубического дециметра (одного литра) чистой воды при температуре 4С.

ЭЛЕКТРОН	0,910^-30	1 ЛИТР ВОДЫ ПРИ 100С	0,95835
АТОМ ВОДОРОДА	1,710^-27	ЗЕМЛЯ	610^24
МОЛЕКУЛА ВОДЫ	310^-26	СОЛНЦЕ	210^30
ВИРУС ГРИППА	610^-19	МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ	10^41
1 ЛИТР ВОДЫ ПРИ 4С	0,99997	ВСЕЛЕННАЯ	10^52

ХАРАКТЕРНЫЕ МАССЫ, килограмм

Длина. Единица длины – метр [м], определяемый как расстояние между осями штрихов, нанесенных на платино-иридиевой линейке, при температуре 0С, хранящейся в Международной палате мер и весов. На практике используются также следующие единицы: сантиметр (см), миллиметр (мм), микрон (мкм) и ангстрем (Å).

1м = 10² см = 10³ мм = 10⁶ мкм = 10¹⁰ Å

ХАРАКТЕРНЫЕ РАЗМЕРЫ, метры

ДИАМЕТР ЯДРА	310^-15	ДИАМЕТР СОЛНЦА	1,410^9
ДИАМЕТР АТОМА	310^-10	РАССТОЯНИЕ ЗЕМЛЯ СОЛНЦЕ	1,510^11
ДЛИНА ВОЛНЫ ВИДИМОГО СВЕТА	510^-7	РАССТОЯНИЕ ДО БЛИЖАЙШЕЙ ЗВЕЗДЫ АЛЬФА ЦЕНТАВРА	410^16
ПЫЛИНКА
ТОЛЩИНА ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ВОЛОСА	5010^-6	ДИАМЕТР МЛЕЧНОГО ПУТИ	710^20
РОСТ ЧЕЛОВЕКА	1,7
ДИАМЕТР ЗЕМЛИ	1,310^7	РАЗМЕРЫ ВСЕЛЕННОЙ	10^30

Время. Другой фундаментальной величиной в механике является время t, поскольку рассматриваются процессы движения. Определением времени служит правило его измерения.

Измерение времени. Время t между двумя событиями в одном и том же месте считается измеренным, если параллельно с этим событием наблюдается некоторый физический процесс. Служащий эталоном времени, который на основании всей совокупности наших знаний можно рассматривать как строго периодический и устойчивый.

Основной единицей времени является тропический год – период вращения Земли вокруг Солнца. В науке и технике в 1955 году за основную единицу времени принята средняя солнечная секунда, определяемая из равенства, связывающего его длительность с продолжительностью тропического года. Тропический год – это время между двумя последовательными прохождениями Солнца через точки весеннего равнодействия. В 1900 году тропический год был равен 31 556 925, 9747 секунды.

Периодические эталоны времени. Любые часы, за исключением песочных, представляют собой периодический эталон времени. Он основывается на некотором, как можно более точно периодическом процессе, именуемым осциллятором. Эталонами времени служат следующие осцилляторы:

• часы с механическими маятниками, балансами;

• часы с электронными осцилляторами (генераторами).

ВРЕМЯ ПРОХОЖДЕНИЯ СВЕТОМ ПОПЕРЕЧНИКА АТОМА	10^-19	Промежуток (время) между приливом и отливом	2,210^4
ПЕРИОД ВРАЩЕНИЯ МОЛЕКУЛЫ ВОДЫ	210^-13	ЗЕМНЫЕ СУТКИ	8,610^4
ПЕРИОД ЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ	10^-4	ЗЕМНОЙ ГОД	3,110^7
ВРЕМЯ ЗА КОТОРОЕ ЛОПАЕТСЯ МЫЛЬНЫЙ ПУЗЫРЬ	10^-3	СРЕДНЯЯ ПРОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ЖИЗНИ	710^20
Удар сердца человека	1	ВОЗРАСТ ЗЕМЛИ	110^17
Время прохождения луча солнца до Земли	498	ВОЗРАСТ ВСЕЛЕННОЙ	3,210^17

ХАРАКТЕРНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ВРЕМЕНИ, секунды

Эталоны больших промежутков времени. Для датировки событий, происшедших от 500 до 510⁹ лет служит медленный радиоактивный распад атомов. Важнейшие методы измерений следующие:

Радиоуглеродный метод, который используется для установления возраста углеродосодержащих пород в интервале 500 до 50 000 лет. Углекислый газ СО₂ содержит постоянную примесь изотопа ¹⁴С. Распад этого изотопа компенсируется под действием космического излучения. Содержание углерода в живых растениях находится в равновесии с содержанием СО₂ в воздухе. Поэтому воздух и растения содержат одинаковые доли ¹⁴С. После гибели растения углеродный обмен прекращается и содержание в нем ¹⁴С начинает экспоненциально уменьшаться с периодом полураспада Т_1/2(¹⁴С) = 5768 лет. Измеряя концентрацию ¹⁴С в тканях растений можно установить период, когда они существовали.