Бірліктердің табиғи жүйесі

Бірліктердің табиғи жүйесі – негізгі бірліктер ретінде іргелі физикалық тұрақтылар қабылданған (мысалы, гравитациялық тұрақты – G, вакуумдағы жарық жылдамдығы – с, Планк тұрақтысы – һ, Больцман тұрақтысы – k, Авогадро саны – NА, электрон заряды – е, электронның тыныштық массасы – me, т.б.) жүйе. Бірліктердің табиғи жүйесінің негізгі бірліктерінің шамасы табиғат құбылыстарына байланысты анықталады; бұл оның – өлшем бірліктерін таңдау практикалық өлшеу талабынан туатын басқа жүйелерден өзгешелігі. Бірліктердің табиғи жүйесінің алғашқы нұсқасын 1906 жылы неміс физигі Макс Планк ұсынған. Планк негізгі бірліктерге һ, с, G, k сияқты бірліктерді алды. Бұл бірліктер жүйесі жер жағдайына тәуелсіз әрі ғаламның барлық уақытына және кез келген бөлігіне жарамды болып есептеледі. Кейін Планктің жүйесінен басқа да табиғи жүйелер (мысалы, Льюистің, Хартридің, Поль Дирактың, тағыда басқа жүйелері) құрастырылды. Бірліктердің табиғи жүйесінде ұзындық, масса және уақыт сияқты өлшем бірліктерінің шамасы өте аз болса (мысалы, Планк жүйесіндегі ұзындық 4,03Һ10-35метр, масса 5,42Һ10-8 килограмм және уақыт 1,34Һ10-43 секунд), керісінше, температураның өлшем бірлігі өте үлкен шама (3,63Һ1032К) болады. Мұның үстіне бұл жүйенің өлшем бірліктерінің бірліктердің халықаралық жүйесінің (СИ) негізгі өлшем бірліктеріне қарағанда қайталау дәлдігі бірнеше есе төмен. Сондықтан бірліктердің табиғи жүйесі практикалық өлшем жүргізуде кең қолданыс тапқан жоқ. Дегенмен, бұл жүйені теориялық физикада пайдалану кейбір физикалық теңдеулерді қарапайым түрге келтіруге мүмкіндік береді. Бірліктердің халықаралық жүйесі (SІ;CИ) Өлшем мен салмақ жөніндегі 11-Бас конференцияда (1960) қабылданған физикалық шамалар бірліктерінің жүйесі. Кейін ол Өлшем мен салмақ жөніндегі 12 – 18-Бас конференцияларда дәлдене түсті. Оны КСРО-да қолдану 1963 жылдан (ГОСТ 9867 – 61) басталды, ал 1982 жылдан ол міндетті түрде қолданыла бастады. Бірліктердің халықаралық жүйесінің артықшылығы – оның ғылым мен техниканың барлық саласын қамтитын әмбебаптығы және пропорционалдық коэффициенттері болмайтын теңдеулер негізінде құрылатын туынды бірліктерінің бір-бірімен үйлесімділігі. Сондықтан есептеу кезінде егер барлық шамалардың мәнін бірліктердің халықаралық жүйесінің бірліктері арқылы өрнектейтін болсақ, онда формулаға бірлік таңдауға тәуелді емес коэффициeнттерді ендірудің қажеті болмайды. Берілген кестеде бірліктердің халықаралық жүйесінің негізгі, қосымша және кейбір туынды бірліктерінің аталуы мен белгіленуі келтірілген. Алғашқы үш негізгі бірлік (метр, килограмм, секунд) механикалық табиғаты бар барлық шамалардың үйлесімді туынды бірліктерін құрастыруға мүмкіндік береді. Ал қалған төрт негізгі бірлік (ампер, кельвин, кандела, моль) механикалық табиғаты болмайтын шамалардың үйлесімді туынды бірліктерін құрастыру үшін қосылған (мысалы, ампер – электрлік және магниттік, кельвин – жылулық, кандела – жарық, моль – молекулалық физика мен химия саласындағы шамалар үшін). Ондық еселік бірліктер мен үлестік бірліктердің аталуы арнаулы қосымша жалғаулардың көмегімен құрастырылады.^[3]

Физикалық шама - бұл сапа тұрғысынан бірнеше физикалық нысанға, сандық тұрғыдан әрбір физикалық нысанға жеке болатын физикалық нысанның (физикалық жүйенің, кұбылыстың немесе үдерістің) сипаттамасы.

Физикалық шаманы өлшеу дегеніміз - оны өлшем бірлігі ретінде алынған біргекті басқа бір шамамен салыстыру.

Физикалық шамаларды арнайы аспаптардың көмегімен өлшейді. Ең карапайым өлшеу құралдарының бірі - сызғыш. Оның көмегімен қашықтықты және денелердің сызықтық мөлшерін: ұзындығын, енін, биіктігін елшейді.

X физикалық шамасын математикалық әдістердің кемегімен басқа физикалық шамалар арқылы А, В, С түріндс өрнектеуге болады:

 

Х=kA^aB^bC^g (1)

 

мұндағы, - тепе-теңдік коэффициенті, (αβϒ)дәреже көрсеткіштері.

(1) теңдеуде көрсетілген формулалар бір физикалық шамалар арқылы басқа физикалық шамаларды сипаттайтын физикалық шама арасындағы теңдеу деп аталады. Мұндай теңдеулердегі тепе-теңдік коэффициентті сирек жағдайларда 1 -ге тең болады. Бұл коэффициенттің мәні, бірліктердің таңдауынан тәуелді болмайды, тек қана теңдеуге кіретін шамалардың байланысына қарай анықталады.

Әрбір шаманың жуйесіне негізгі шамалар саны әбден нақтылы және оны минимумға түйістіруге тырысатын болуы керек. Негізгі шамалар кез келіен түрде бола алады, бірақ жүйенің тәжірибелік қолдану үшін ыңғайлы болуы маңызды. Әдеттегідей, негізгі шамалар ретінде дүниенің материалдық қасиеттерін сипаттайтын: ұзындықты, массалардың уақытты, күшті, температураны, заттық санын және тағы басқа шамаларды таңдалады. Әрбір негізгі шамаға негізгі физикалық шаманың өлішемі деп аталатын латынша немесе грек әліпбиінің бас әріп түріндегі нышан берілген. Мысалы, ұзындық өлшемі - L, масса - М, уақыт - Т, тоқ күші - I және тағы басқалар.

 

Өлшемнің ұғымы туынды шама үшін де жүргізіледі.

Негізгі шамалар бір-біріне тәуелді емес, бірақ олар туынды деп аталатын басқа физикалық шамалармен байланыс орнату үшін негіз ретінде қызмет етеді.

Туынды физикалық шамалық өлшемін тепе-теңдік коэффициенті және негізгі шамалардың нышандарының әртүрлі дәрежелері мен осы жүйеде қабылданған физикалық шамалармен байланысып жасалған өрнекті дәрежелі бір мүшенің формасындағы өрнек деп атайды. Бір мүшеге кіретін негізгі шамалардың нышандарының дәрежелерін бөлшектерден алады, оқ және теріс қаралатын шаманың байланысы негізгі болып табылады. Шаманың туындысының байланысы жүйенің басқа шамалары арқылы шама туындысының анықтау теңдеуімен өрнектеледі. Шама туындысының өлшемі олардың өлшемдерінің орнына анықтайтын теңдеуіне алмастыру жолымен анықталады. Ол үшін (2) формула түрінде көрсете алатын байланыстың теңдеуінің қарапайым түрі қолданылады. Мысалы, егер жылдамдықтар V үшін анықтайтын V₌ s / t теңдеу болса, мұндағы уақыт t пысықтау жолдың ұзындығы s болып табылса, онда жылдамдықтың өлшемі формула L / Т бойынша анықталады.

Шама дәнекерлік теңдеулердің формасы бірлік өлшемдеріне тәуелді болмайды. Өлшем бұл қасиетпен шамалардың бағасының барлық басқа қабылдауларынан айырмашылығы болады.

Шамалардың өлшемін dim-нің нышанымен: белгі қояды. Жылдамдықтық өлшемі біздің жағдайда:

 

Dim V = L Т ^-1 (2)

 

сияқты бейнеленеді.

Мысалы, осы түрдегі кез келген шама өлшемінің (ұзындық, масса, уақыт) LМТ-тың шамалары жүйесінде мына формуламен орнектеледі:

 

Dim х = L^l М^m Т^t (3)

 

мұндағы, L, М, Т - ұзындық, масса және уақыт ретінде негізгі қабылданған шамалардың нышандары осы жағдайда: l, m, t −олардың шамасының туындысының х өлшсмдік көрсеткіштері.

Мысалы, теңдеуге қарағанда өлшем шамалардың арасындағы байланыс, ортақ мінездемеден астам болып табылады, өйткені ол ылғи бір өлшемді күшті және кинетикалық энергияның әртүрлі табиғат шамаларын иемдене алады.

Өлшемдерді кең түрде қолдану:

- бір жүйеден басқасына бірлік ауыстыруға;

- есептеу формулаларының дұрыстығы тексеруге;

- шама туынды өлшемдерінің өзгеруі негізгі шамалар өлшемдерінің өзгеруін бағалауға мүмкіндік береді.

Физикалық шама мәні - қабылданған бірлікпен физикалық шама өлшемін сандық түрде өрнектеу.

Физикалық шаманың нақты мәні — тәжірибелік жолмен алынған және шынайы мәнге өте жақындатылған, өлшеу барысында шынайы мән орнына қолданылатын физикалық шама мәні.

Физикалық шаманың өлшем бірлігі - бұл шартты түрде сандық мәні бірге тең деп алынған белгіленген мөлшердегі физикалық шама.

Өлшем бірліктері кейбір нәрселерді сандық түрде өрнектеу қажет болғанда, мысалы, сусымалы және сұйық заттардың санын, қашықтық, процесс сипаттамаларын өрнектеу үшін пайда бола бастады. Көпем, ұзындық, масса өлшемдері пайда болды.

Алғашында өлшем бірліктер оларды жаңғырту үшін мөлшермен байланысты болды. Өлшенетін шаманың өлшем көпемі мөлшермен жаңғыртылған шама көпеміне тең болады. Өйткені бір бірлік өлшенетін шаманың үлкен және кіші мөлшерін өлшеу үшін қолайсыз болды, өзара еселі және бөлшектік қатынасты бірнеше бірліктер қолданылды, сонымен қатар бұл қатынастардың әртүрлі коэффициенттері де қолданылды.

Ғылым мен техниканың дамуына байланысты шамалардың бірліктерінің өлшемін жасауда қолданылатын физикалық нысандардың қасиеттері тұрақтылық пен жаңғыртушылық талаптарына сай келмеді. Бұл бірліктердің табиғи өлшемдерінен бас тартуға алып келді. Метрикалық өлшемдерді жасауға көшті, ұзындық пен массаның бірлігі - метр мен килограммның заттық эталондары жасалды (мысалы, ұзындықтың бірлігінің табиғи дәл өлшемі - Жер меридианы бөлшегінің ұзындығы).

Ары қарай, ғылымның дамуы мен өлшем дәлдігіне деген талантардың артуына байланысты адамның қолымен жасалған эталондар масса мен ұзындық бірлігінің жоғары дәлдікпен сақталуы мен көшірілуін қамтамасыз ете алмайтыны анықталды. Физикалық шамалар бірлігінің тура және сенімді жаңғыртылуы мен сақталуы үшін қолдануға болатын физикалық құбылыстарды зерттеу басталды. Монохроматты жарық толқынының ұзындығын қолдана отырып ұзындықты өлшеу мүмкіндігі анықталды, ол дәлдікті он есе арттырды. Бірақ кейінірек мұндай дәлдік те жеткіліксіз болды және жоғары дәлдікке жету үшін зерттеулер жүргізілді.

Сонымен, шама өлшем бірліктерінің дамуын бірнеше кезеңдерге бөлуге болады.

Бірінші кезеңде шаманың өлшем бірлігін еркінше таңдалған табиғи немесе антроломорфты шамамен байланыстырған. Өлшенетін шама бірлігінің мөлшері жаңғыртылатын шама мөлшеріне теңестірілген.

Екінші кезең табиғатпен жаңғыртылған шама бірлігінен бас гартумен және жасайды, заттай эталондарға (метрге, килограммға) өтумен сипатталады.

Үшінші кезеңде физикалық шамалар бірліктерінің дамуы анықталды. Шама бірліктерінің жасанды эталондары ғылым мен техника талаптарына сай жаңғыра, сақтала және беріле қамтамасыз ете алмайтыны анықталды. Физикалық константалар мен жоғары тұрақты қүбылыстарды қолдану физикалық шама бірліктерін жаңғырту дәлдігін арттыруға мүмкіндік берді. Қазір метр мөлшері вакуумдағы жарық жылдамдығы арқылы анықталады. Мұндай тәсіл бізді физикалық шамалардың «табиғи» бірлігіне жақындатты.

Жекелеген физикалық шамалар бойынша бір кезеңнен келесі кезеңге ауысу әлі де орын алуда.

Апайда масса бірлігі екінші кезеңде қалған. Масса бірлігі ретінде алғашында судың текше дециметрінің массасы алынған, казіргі кезге дейін масса бірлігі килограммның жасанды эталондарымен - 1889 жылы дайындалған платина-иридийлі гирлермен анықталады. Килограммды анықтау басқа бірліктермен байланыссыз, бұл бірлік тәуелсіз болып қалады.

Жоғарыда айтылғандай, алғашында физикалық шамалардың бірліктері бір-бірімен байланыссыз ерікті таңдалды. Мысалы «шынтақ» I Генрихтің скилетр ұзындығымен сәйкес келді, көп елдерде кеңінен қолданылатын ұзындың бірлігі «фут» - Ұлы Карлдың табан ұзындығына тең болды.

Әр мемлекетте және тіпті әр қалада өзіндік бірліктер жасалды. Ф.Энгельс атапөткендей, сол Уақытта Германияның құрамына көптеген ұсақ мемлекеттер кіргендіктен елде жүздеген өлшемдер мен шамалар болған. Бір бірліктерді басқа бірліктерге аудару өте күрделі болды және өлшеу нәтижелерінің кателігінің артуына әкеліп соқтырды. Одан басқа, әртүрлі еқбек салалары өз бірліктерін жасады. Осының барлығы ғылым мен техниканың дамуын тежеді.

1872 жылы метрикалық жүйенің эталондары жөніндегі Халықаралық комиссия шартты материалды эталондар негізіндегі масса және ұзындық бірліктеріне көшу туралы шешім қабылдады.

1875 жылы 17 мемлекет (соның ішінде Ресей) Метрикалық конвенқияға қол қойған дилломатиялық конференция өтті. Ол бойынша:

- метр мен килограммның халықаралық эталондары қабылданды;

- өлшемдер мен шамалардың Халықаралық бюросы кұрылды;

- өлшемдер мен шамалардың Халықаралық комитеті кұрылды;

- өлшемдер мен шамалар бойынша Бас конференцияны алты жылда бір рет шақыру бекітілді.

Платина мен иридий қоспасынан метр мен килограммның үлгілері жасалды.

1889 жылы Парижде өлшемдер мен шамалар бойынша I Бас конференция өткізіліп, онда дайындалған үлгілерден метр мен килограммның халықаралық эталондары бекітіліп, олар өлшемдер мен шамалардың Халықаралық бюросына сақтауға берілді. Қалған дайындалған метр мен килограмм үлгілері жеребе бойынша Метрикалық конвенцияға қол қойған мемлекеттерге таратылды. Ресей екі эталондық метр (№ 11 и № 28) және екі эталондық килограммға (№ 12 и № 26) ие болды. № 28 Мстр және № 12 килограмм Ресейдің мемлекеттік эталондары ретінде бекітілді. Сөйтіп, 1899 жылы халықаралық метрикалық өлшемдердің бекітілуі аяқталды.

Ол уақытта Ресейде метрикалық өлшемдерді ендіру туралы сұрақ шешілмеген еді, метрикалық өлшемдер тек факультативті тұрғыда ғана қабылданды. Олар Кеңес декретінде 1918 жылғы 14 қыркүйектен бастап қана міндетті ретінде енгізілген. Метрикалық өлшемдерге толық көшу 1927 жылы аяқталды.

Өнеркәсіп пен сауданың қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін физикалық шамалар бірліктерінің ауқымды жүйесін құру қажт болды.

Алғаш рет физикалық шамалар бірліктерінің жүйесі деген ұғымды 1832 жылы неміс ғалымы Карл Гаусс (1777 - 1855) енгізді. Ол бірнеше тәуелсіз кез келген шамаларды таңдап алуды ұсынды. Осы шамалардың бірліктері негізгі деп аталды. Одан кейін, шамалар арасындағы заңды байланыстарды қолдана отырып, басқа шамалар бірліктерін шығарды, оларды туынды бірліктер деп атады. Осы негізгі және туынды бірліктердің жиынтығы физикадың шамалар бірліктерінің жүйесі болып табылады.

Алғашында МКС (метр-килограмм-секунд) бірліктер жүйесі құрылды, ол негізгі үш бірлік ұзындық, масса және уақытқа негіздепді. Кейінірек - СГС жүйесі, ол да негізгі бірліктер: ұзындық, масса және уақыт - сантиметр, грамм, секунд негізінде және МТС жүйесі (метр - тонна - секунд). Кейбір аралықта техникалық бірліктер жүйесі - МКГКС қолданылды, ол ұзындық, күш, уақыт бірліктері негізінде (метр - килограмм - күш - секунд).

Физикалық шамалардың өлшем бірліктер жүйесі қатарының болуы, жүйеден тыс бірліктердің көптігі, бір жүйеден екінші жүйеге ауысу кезеңіндегі ыңғайсыздың ғылым мен техниканың барлық салаларын қанағаттандыратын, халықаралық дәрежеде қабылданатын бірыңғай әмбебап бірліктер жүйесін құруды қажет етті.

1948 жылы өлшемдер мен шамалар бойынша IX Бас конференцияда бірыңғай тәжірибелік бірліктер жүйесі ұсынылды, онда негізгі бірліктер болып метр, килограмм, секунд және электрлік шамалардың бір бірлігі алынды.

X Бас конференқияда (1954 жылы) жаңа жүйенің негізгі бірліктері: ұзындық - метр, масса - килограмм, уақыт - секунд, ток күші - ампер, термодинамикалық темлература - кельвин, жарық күші - кандепа қабылданды.

X Бас конференқиядан кейін өлшемдер мен шамалардың Халықаралық комитеті жаңа жүйенің туынды бірліктерінің тізімін дайындапб Бұл жүйені Халықаралық бірліктер жүйесі деп атауды ұсынды.

XІ Бас конференқия 1960 жылғы өлшемдер мен шамалар бойынша жаңа жүйені нақты қабылдады. оған «Халықаралық бірліктер жүйесі» деген атау берді, қысқартылған түрде: «SI» - «СИ».

1963 жылы КСРО-да ГОСТ 9867-61 «Халықаралық бірліктер жүйесі» енгізілді, осыған орай СИ бірлікгерін қолдану бекітілді.

1978 жылы СЭВ сгандарттау бойынша Комиссиясының 43 отырысында СТ СЭВ 1052-78 «Метрология. Физикалық шамалар бірліктері» бекітілді, ол Мемстандарттық 6 сәуірдегі 1979 жылғы №113 қаулысы бойынша КСРО мемлекеттік стандарты ретінде енгізіліп, алдымен келісім-құқықтық қатынастар мен халық шаруашылығында 1 қақтардан 1980 жылғы бастап қолданыла бастады. СТ СЭВ 1052-78 стандарты СЭВ мемлекет-мүшелерінде қолданылатын физикалық шамалар бірліктерін, мемлекеттер арасындағы келісім - құқықтық қатынастардағы және СЭВ органдарында қолданылатын бірліктерді бекітті. Кейін ГОСТ 8.417-81 «ГСИ. Физикалық шамалар бірліктері» енгізілді, ол ғылымның, техниканың және экономиканың барлық салаларын қамтыды.

Жаңа жүйенің артықшылықтарына оның әмбебаптығы (барлық өлшемдер саласын қамтиды), келісімділік (барлық туынды бірліктер бірыңғай ереже бойынша жасалған) және ғылым мен техниканың даму дәрежесіне орай жаңа туынды бірліктерді жасау мүмкіндіктері жатты.

Өлшем бірліктерінің халықаралық жүйесі (СИ) — өлшемдердің халықаралық қалпы, метрикалық жүйесінің заманауи нұсқасы. СИ күндепікті, өмірмен қатар ғылым және техникада әлемдегі ең көп пайдаланатын бірліктер жүйесі болып табылады. Қазіргі кезде әлемнің көп елдерінде СИ заңды түрдегі бірліктер жүйесі ретінде қабылданған және тіпті күндепікті өмірде дәстүрлі бірліктерді қолданатын елдердің өзі осы жүйе бірліктерін ғылымда әрқашан пайдаланады. Осы аздаған елдер (мысалы, АҚШ) дәстүрлі бірліктердің өзін СИ бірліктеріне ауыстырған.

СИ бойынша ұзындықтық негізгі бірлігі метр (1 м), уақыт-секунд (1 с), масса - килограмм (1 кг), электр тоғының күшіамер (1 А), термодинамикалық темлература - кельвин (1 К), жарық күші - кандепла (1 кд) және зат мөлшері - моль (1 моль) болып табылады.

Метр 1/299792458 секунд аралығында вакуумде өтетін жарық жолының ұзындығына тең.

299792458м/свакуумдағы постулатталған жылдамдығы, дәл, қателіксіз тұрақты.

Секунд - цезий-133 атомының қалыпты жағдайының өте жұқа құрылымының екі деңгейінің арасындағы ауысымға сәйкес 9192631770 сәулелену кезеңі жүзеге асатын аралық.

Килограмм килограмның халықаралық эталон - платина- иридий гірдің массасына тең.

Ампер өзгермейтін тоқ күшіне тең, ол тоқ бір-бірінен 1 м аралықта вакуум ішінде орналасқан, ұзындығы шексіз және көлденең қимасының ауданы өте аз болатын екі параллель тік өткізгіш арқылы өткенде, өткізгіштің әрбір 1 м ұзындығы бойында 2 • 10-7 ньютонға тең өзара әрекеттесу күшін тудырады.

Анықтамаға сәйкес ампер өлшемі килограмм мен метр эталондарына сүйенсді. Бірақ ампер де метр сияқты негізгі бірлік болып табылады.