Международная система единиц

Создание и развитие метрической системы мер



Метрическая система мер была создана в конце XVIII в. во Франции, когда развитие торговли  промыщленности настоятельно потребовало замены множества единиц длины и массы, выбранных произвольно, едиными, унифицированными единицами, какими и стали метр и килограмм.

Первоначально метр был определен как 1/40 000 000 часть Парижского меридиана, а килограмм - как масса 1 кубического дециметра воды при температуре 4 С, т. е. единицы были основаны на естественных эталонах. В этом заключалась одна из важнейших особенностей метрической систем, определившая ее прогрессивное значение. Вторым важным преимуществом являлось десятичное подразделение единиц, соответствующее принятой системе исчисления, и единый способ образования их наименований (включением в название соответствующей приставки: кило, гекто, дека, санти и милли), что избавляло от сложных преобразований одних единиц в другие и устраняло путуницу в названиях.

Метрическая система мер стала базой для унификации единиц во всем мире.

Однако в последующие годы метрическая система мер в первоначальном виде (м, кг, м , м . л. ар и шесть десятичных приставок) не могла удовлетворить запросы развивающейся науки и техники. Поэтому каждая отрасль знаний выбирала удобные для себя единицы и системы единиц. Так, в физике придерживались системы сантиметр - грамм - секунда (СГС); в технике нашла широкое распространение система с основными единицами: метр - килограмм-сила - секунда  (МКГСС); в теоретической электротехнике стали одна за другой применяться несколько систем единиц, производных от системы СГС; в теплотехнике были принят системы, основанные, с одной стороны, на сантиметре, грамме и секундде, с другой стороны, - на метре, килограмме и секунде с  добавлением единицы температуры - градуса Цельсия и внесистемных единиц количества теплоты - калории, килокалории и т. д. Кроме этого, нашли применение много других внесистемных единиц: например, единицы работы и энерги - киловатт-час и литр-атмосфера, единицы давления - миллиметр ртутного столба, миллиметр водяного столба, бар и т. д. В итоге образовалось значительное число метрических систем единиц, некоторые из них охватыавли отдельные сравнительно узкие отрасли техники, и много  внесистемных единиц, в основу определений которых были положены метрические единицы.

Одновременное их применение в отдельных областях привело к засорению многих расчетных формул числовыми коэффициентами, не равными единице, что сильно усложнило расчеты. Например, в технике стало обычным применение для измерения массы единицы системы МКС - килограмма, а для измерения силы единицы системы МКГСС - килограмм-силы. Это представлялось удобным с той точки зрения, что числовые значения массы (в килограммах) и ее веса, т. е. силы притяжения к Земле (в килограмм-силах) оказались равными (с точностью, достаточной для большинства практических случаев). Однако следствием приравнивания значений разнородных по существу величин было появление во многих формулах числового коэффициента 9,806 65 (округленно 9,81) и к смешению понятий массы и веса, которое породило множество недоразумений и ошибок.

Такое многообразие единиц и связанные с этим неудобства породили идею создания универсальной системы единиц физических величин для всех отраслей науки и техники, которая могла бы заменить все существующие системы и отдельные внесистемные единицы. В результате работ международных метрологических организаций такая система была разработана и получила название Международной системы единиц с сокращенным обозначением СИ (Система Интернациональная). СИ была принята ХI Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ)  в 1960 г. как современная форма метрической системы. 


Характеристика Международной системы единиц



Универсальность СИ обеспечивается тем, что семь основных единиц, положенных в ее основу, являются единицами физических величин, отражающих основные свойства материального мира и дают возможность образовывать производные единицы для любых физических величин во всех отраслях науки и техники. Этой же цели служат и дополнительные единицы, необходимые для образования производных единиц, зависящих от плоского и телесного углов. Преимуществом СИ перед другими системами единиц является принцип построения самой системы: СИ построена для некоторой системы физических величин, позволяющих представить физические явления в форме математических уравнений; некоторые из физических величин приняты основными и через них выражаются все остальные - производные физические величины. Дляосновных величин установлены единицы, размер которых согласован на международном уровне, а для остальных величин образуютя производные единицы. Построенная таким образом система единиц и входящие в нее единицы называются когерентными, так как при этом выдержано условие, что соотношения между числовыми значениями величин, выраженными в единицах СИ, не содержат клэффициентов, отличных от входящих в первоначально выбранные уравнения, связывающие величины. Когерентность единиц СИ при их применении позволяет до минимума упростить расчетные формулы за счет освобождения их от переводных коэффициентов.

В СИ устранена множественность единиц для выажения величин одного и того же рода. Так, например, вместо большого числа единиц давления, применявшихся на практике,  еднницей давления в СИ является только одна единица - паскаль.

Установление для каждой физической величины своей единицы позволило разграничить понятие массы (едница СИ - килограмм) и силы (единица СИ - ньютон). Понятие массы следует использовать во всех случаях, когда имеется в виду свойство тела или вещества, характеризующее их инерционность и способность создавать гравитационное поле, понятие веса - в случаях, когда имеется в виду сила, возникающая вследствие взаимодействия с гравитационным полем.

Определение основных еддиниц. И возможно с высокой степенью точности, что в конечном счете не только позволяет повысить точность измерений, но и обеспечить их единство. Это дотигается путем "материализации" единиц в виде эталонов и передачи от нх размеров рабочим средствам измерений с помощью комплекса образцовых средств измерений.

Международная система единиц благодаря своим преимуществам получила широкое распространение в мире. В настоящее время трудно назвать страну, которпя бы не внедрила СИ,находилась бы на стадии внедрения или не приняла бы решения о внедрении СИ. Так, страны, ранее применявшие английскую систему мер (Англия, Австралия, Канада, США и др.) также приняли СИ.

Рассмотрим структуру построения Международной системы единиц. В табл. 1.1 приведены основные и дополнительные единицы СИ.

Производные единицы СИ образуются из основных и дополнительных единиц. Производные единицы СИ, имеющие специальные наименования (табл. 1.2), также могут быть использованы для образования других производных единиц СИ.

В связи с тем, что диапазон значений большинства измеряемых физических величин в настоящее время может быть весьма значительным и применять только едницы СИ неудобно, так как в результате измерения получаютя слишком большие или мадые числовые значения, в СИ предусмотрено применение десятичных кратных и дольных от единиц СИ, которые образуются с помощью множителей и приставок, приведенных в табл. 1.3. 


Международная единица



6 октября 1956 г. Международный комитет мер и весов рассмотрел рекомендацию комиссии по системе единиц и принял следующее важное решение, завершающее работу по установлению Международной системы единиц измерений:

"Международный комитет мер и весов, принимая во внимание задание, полученное от девятой Генеральной конференции по мерам и весам в ее резолюции 6, относительно установления практической системы единиц измерения, которая могла бы быть принята веми станами, подписавшими Метрическую конвенцию; принимая во внимание все документы, полученные от 21 страны, ответивших на опрос, предложенный девятой Генеральной конференцией по мерам и весам; принимая во внимание резолюцию 6 девятой Генеральной конференции по мерам и весам, устанавливающую выбор основных единиц будущей системы, рекомендует:

1) чтобы называлась "Международной системой единиц" система,основанная на основных единицах, принятых десятой Генеральной конференцией и являющихся следующими;

2) чтобы применялись единицы этой системы, перечисленные в следующей таблице, не предопределяя другие единицы, могущие быть добавленные впоследствии".

На сессии в 1958 г. Международный комитет мер и весов обсудил и принял решение о символе для сокращенного обозначения наименования "Международная система единиц". Был принят символ, сстоящий из двух букв SI (начальные буквы слов System International - международная система).

В октябре 1958 г. Международный комитет законодательной метрологии принял следующую резолюцию по вопросу о Международной системе единиц:

"Международный комитет законодательной метрологии, собравшись на пленарном заседании 7 октября 1958 г. в Париже, объявляет о присоединении к резолюции Международного комитета мер и весов об установлении международной системы единиц измерения (SI).

Основными единицами этой системы являются:

метр -килограмм-секунда-ампер-градус Кельвина-свеча.

Комитет рекомендует государствам - членам организации принятие этой системы в законодательстве о единицах измерений".

В октябре 1960 г. вопрос о Международной системе единиц был расмоотрен на одиннадцатой Генеральной конференции по мерам и весам. 

По этому вопросу конференция приняла следующую резолюцию:

"Одиннадцатая Генеральная конференция по мерам и весам, принимая во внимание резолюцию 6 десятой Генеральной конференции по мерам и весам, в которой она приняла шесть единиц в качестве базы для установления практической системы измерений для международных сношений принимая во внимание резолюцию 3, принятую Международным комитетом мер и весов в 1956 г., и принимая во внимание рекомендации,  принятые Международным комитетом мер и весов в 1958 г., относящиеся к сокращенному наименованию системы и к приставкам для образования кратных и дольных единиц, решает: 

1. Присвоить системе, основанной на шести основных единицах, наименование "Международная система единиц";

2. Установить международное сокращенное наименование этой системы "SI";

3. Образовывать наименования кратных и дольных единиц посредством следующих приставок:

4.Применять в этой системе нижеперечисленные единицы, не предрешая, какие другие единицы могут быть добавлены в будущем:

Принятие Международной системы единиц явилось важным прогрессивным актом, подытожившим большую многолетнюю подготовительную работу в этом направлении и обобщившим опыт научно-технических кругов разных стран и международных организаций по метрологии, стандартизации,физике и электротехнике.

Решения Генеральной конференции и Международного комитета мер и весов по Международной системе единиц учтены в рекомендациях Международной организации по стандартизации (ИСО) по единицам измерений и уже нашли свое отражение в законодательных положениях о единицах и в стандартах на единицы некоторых стран.

В 1958 г. в ГДР было утверждено новое Положение о единицах измерений, построенное на основе Международной системы единиц.

В 1960 г. в правительственном законоположении о единицах измерений Венгерской Народной Республики за основу принята Междунвродная система единиц. 

Государственные стандарты СССР на единиц 1955-1958 гг. были построены на основе системы единиц, принятой Международным комитетом мер и весов в качестве Международной системы единиц.

В 1961 г. Комитет стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР утвердил ГОСТ 9867 -- 61 "Международна система единиц", в котором устанавливается предпочтительное применение этой системы во всех областях науки и техники и при преподавании.

В 1961 г. правительственным декретом узаконена Международная система единиц во Франции и в 1962 г. в Чехословакии.

Международная система единиц получила отражение в рекомендациях Международного союза чистой и прикладной физики, принята Международной электротехнической комиссией и рядом других международных организаций.

В 1964 г. Международная система единиц легла в основу "Таблицы единиц законного измерения" Демократической Республики Вьетнам.

В период 1962 по 1965 гг. в ряде стран были изданы законы о принятии Международой системы единиц в качестве обязательной или предпочтительной и стандарты на единицы СИ.

В 1965 г. в соответствии с поручением XII Генеральной конференции по мерам и весам Международнгое бюро мер и весос провело опрос относительно положения с принятием СИ в странах, присоединившихся к Метрической конвенции.

На 1 октября 1965 г. получены ответы от 30 из 41 опрошенных стран.

13 стран приняли СИ как обязательную или предпочтительную.

В 10 странах допущено применение Международной системы единиц и проводится подготовка к пересмотру законов с целью придания узаконенного, обязательного характера этой системе в данной стране.

В 7 странах СИ допущена как факультативная.

В конце 1962 г. вышла в свет новая рекомендация Международной комиссии по радиологическим единицам и измерениям (МКРЕ), посвященная величинам и единицам в области ионизирующих излучений. В отличие от предыдущих рекомендаций этой комиссии, которые в основном были посвящены специальным (внесистемным) единицам для измерений ионизирующих излучений, новая рекомендация включает таблицу, в которой на первом местедля всех величин поставлены единицы Международной системы.

На происходившей 14-16 октября 1964 г. седьмой сессии Международного комитета законодательной метрологии, в состав котрого входили представители 34 стран, подписавших межправительственную конвенцию, учреждающую Международную организацию законодательной метрологии, была прнята по вопроам внедрения СИ следующая резолюция:

"Международный комитет законодательной метрологии, принимая во внимание необходимость быстрого распространения Международной системы единиц СИ, рекомендует предпочтительное применение этих единиц СИ при всех измерениях и во всех измерительных лабораториях.

В частности, во временных международных рекомендациях. принятых и распространенных Международной конференцией законодательной метрологии, эти единицы должны применять предпочтительно для градуировки измерительных аппаратов и приборов, на которые распространяются эти рекомендации.

Иные единицы, применение которых разрешается этими рекомендациями, допускаются лишь временно, и их должны избегать насколко возможно скоро".

Международный комитет законодательной метрологии создал секретариат-докладчик по теме "Единицы измерений", задачей которого является разработка типового проекта законодательства по единицам измерений на основе Международной системы единиц. Ведение секретариата-докладчика по этой теме приняла на себя Австрия.



Преимущества Международной системы



Международная система универсальна. Она охватывает все области физических явлений, все отрасли техники и народного хозяйства. Международная система единиц органически включает в себя такие давно распространенные и глубоко укоренившиеся в технике частные системы, как метрическая система мер и система практических электрических и магнитных единиц (ампер, вольт, вебер и др.). Лишь система, в которую вошли эти единицы, могла претендовать на признание в качестве универсальной и международной.

Единицы Международной системы в большинстве достаточно удобны по своему размеру, а наиболее важные из них имеют удобные на практике собственные наименования.

Построение Международной системы отвечает современному уровню метрологии. Сюда относится оптимальный выбор основных единиц, и в частности их числа и размеров; согласованность (когерентность) производных единиц; рационализованная форма уравнений электромагнетизма; образование кратных и дольных единиц посредством десятичных приставок.

В результате различные физические величины обладают в Международной системе, как правило, и различной размерностью. Это делает возможным полноценный размерный анализ, предотвращая недоразумения, например, при контроле выкладок. Показатели размерности в СИ целочисленны, а не дробны, что упрощает выражение производных единиц через основные и вообще оперирование с размерностью.  Коэффициенты 4п и 2п присутствуют в тех и только тех уравнениях электромагнетизма, которые относятся к полям со сферической или цилиндрической симметрией. Метод десятичных приставок, унаследованный от метрической системы, позволяет охватить огромные диапазоны изменения физических величин и обеспечивает соответствие СИ десятичной системе исчисления.

Международной системе присуща достаточная гибкость. Она допускает применение и некоторого числа внесистемных единиц.

СИ - живая и развивающаяся система. Число основных единиц может быть и еще увеличено, если это будет необходимо для охвата какой-либо дополнительной области явлений.  будущем не исключено также смягчение некоторых действующих в СИ регламентирующих правил.

Международная система, как говорит и само ее название, призвана стать  повсеместно применяемой единственой системой единиц физических величин. Унификация единиц представляет давно назревшую необходимость. Уже сейчас  СИ сделела ненужными многочисленные системы единиц.

Международная система единиц принята более чем в 130 странах мира.

Международная система единиц признана многими влиятельными международными организациями, включая Организацию Объединенных Наций по вопросам образования, науки и культуры (ЮНЕСКО). Среди признавщих СИ - Международная организация по стандартизации (ИСО), Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ), Международная Электротехническая комиссия (МЭК), Международный союз чистой и прикладной физики и др.


Список используемой литературы



Бурдун 

Власов А.Д., Мурин Б.П. Единицы физических величин в науке и технике, 1990

Ершов В.С. Внедрение Международной системы единиц, 1986.

Камке Д, Кремер К. Физические основы единиц измерения, 1980.

Новосильцев К истории основных единиц СИ, 1975.

Чертов А.Г. Физические велчины (Терминология, определения, обозначения,размерности), 1990.