Jaka jest skala metryczna?

Jeśli mieszkasz w Stanach Zjednoczonych, możesz zostać wybaczony za niezbyt jasne zrozumienie metrycznego systemu miar, znanego również jako Système Internationale (SI). Stany Zjednoczone są jednym z zaledwie trzech krajów, które nadal korzystają z systemu imperialnego, a ich przynależność do jednostek brytyjskich jest jedynym powodem, dla którego system nie jest przestarzały.

System metryczny, który można scharakteryzować jako skalę metryczną, powstał we Francji, której rząd przyjął go w 1795 roku. Choć zajęło to prawie 200 lat, Brytyjczycy w końcu zrobili to samo, a za nimi praktycznie wszyscy inni kraju, w tym dwóch najbliższych sąsiadów i najważniejszych partnerów handlowych Stanów Zjednoczonych, Kanady i Meksyk.

Co zaskakujące, niektóre brytyjskie jednostki używane obecnie w USA nie są nawet tymi przyjętymi przez brytyjski rząd w 1824 roku, ale przestarzałymi, które Brytyjczycy odrzucili w tamtym czasie.

Naukowcy, kupcy i rządy wolą system metryczny nie bez powodu. Na przykład ma tylko siedem podstawowych jednostek, z których wywodzą się wszystkie inne. Wykorzystuje przyrosty co 10 zamiast 12, a podstawowa jednostka, miernik, opiera się na fizycznym standardzie, który można zweryfikować w dowolnym miejscu.

Ojcem systemu metrycznego był wikariusz kościelny, który mieszkał w Lyonie we Francji w latach 1618-1694. Gabriel Mouton miał doktorat z teologii, ale był także aktywnym naukowcem i astronomem. Jego propozycję systemu pomiarowego opartego na ułamkach dziesiętnych poparli tacy luminarze jak fizyk Christiaan Huygens i matematyk Gottfried Wilhelm von Leibniz i był badany przez Społeczeństwo. Udoskonalenie systemu i przekonanie rządu Francji do jego przyjęcia zajęło jednak naukowcom sto lat.

Podstawową jednostką, którą zaproponował Mouton, byłamiliarów, który został zdefiniowany jako jedna sekunda długości geograficznej na powierzchni Ziemi na równiku. Zostało to podzielone przez podział przez 10 na takie podjednostki jakcenturia, dekuriaipanna.Chociaż żadna z tych jednostek nie została ostatecznie wykorzystana, naukowcy wzięli sobie do serca podstawową ideę Moutona, by oprzeć system pomiarowy na standardzie geofizycznym.

Kiedy rząd francuski po raz pierwszy przyjął system metryczny, miernik stał się jednostką podstawową. Słowo to pochodzi od greckiego słowametron, co oznacza „zmierzyć” i pierwotnie definiowano je jako jedną dziesięciomilionową odległości między równikiem a biegunem północnym wzdłuż południka przechodzącego przez Paryż.

Definicja zmieniła się na przestrzeni lat, a dziś definiuje się ją jako odległość, jaką światło pokonuje w próżni w dokładnie 1/299792458 sekundach. Ta definicja opiera się na prędkości światła, która wynosi dokładnie 299 792 458 metrów na sekundę.

System metryczny rejestruje wszystkie pomiary długości w metrach, ułamkach metrów lub wielokrotnościach metrów, unikając w ten sposób potrzeby podawania wielu jednostek, takich jak cale, stopy i mile. W systemie SI każdy przyrost o 1000, który przesuwa ułamek dziesiętny pomiaru o trzy miejsca w prawo lub w lewo, ma prefiks. Ponadto istnieją przedrostki dla jednej dziesiątej i setnej, a także dla 10 i 100.

Jeśli mierzysz odległości między miastami, nie podajesz ich w tysiącach metrów. Możesz użyć kilometrów. Podobnie naukowcy mierzący odległości atomowe nie muszą wyrażać ich w miliardowych częściach metra. Potrafią używać nanometrów. Lista prefiksów obejmuje:

• 10¹⁸ metrów: egzamin (Em) 10 ⁻¹⁸ metry: attometr (am)
• 10¹⁵ metry: petametr (Pm) 10 ⁻¹⁵ metry: femtometr (fm)
• 10¹² metrów: termometr (Tm) 10 ⁻¹² metry: pikometr (pm)
• 10⁹ metrów: gigametr (Gm) 10 ⁻⁹ metry: nanometr (nm)
• 10⁶ metry: megametr (Mm) 10 ⁻⁶ metry: mikrometry (µm)
• 10³ metry: kilometr (km) 10 ⁻³ metry: milimetr (mm)
• 10² metry: hektometr (hm) 10 ⁻² metry: centymetr (cm)
• 10¹ metry: dekametr (tama) 10 ⁻¹ metry: decymetr (dm)

Te przedrostki są używane w całym systemie pomiarowym. Odnoszą się one do jednostek masy (gramy), czasu (sekundy), prądu elektrycznego (ampery), jasności (kandela), temperatury (kelwiny) i ilości materii (mole).

Kiedy mierzysz długość, mierzysz w jednym wymiarze. Rozszerz swoje pomiary do dwóch wymiarów, aby określić obszar, a jednostkami będą metry kwadratowe. Dodaj trzeci wymiar i mierzysz objętość w metrach sześciennych. Nie można było wykonać tej prostej progresji, używając jednostek brytyjskich, ponieważ system brytyjski ma różne jednostki dla wszystkich trzech wielkości, a nawet ma więcej niż jedną jednostkę długości.

Metry kwadratowe nie są szczególnie przydatnymi jednostkami do pomiaru małych obszarów, takich jak powierzchnia ogniwa słonecznego. W przypadku małych obszarów zwyczajowo przelicza się metry kwadratowe na centymetry kwadratowe. W przypadku dużych obszarów bardziej przydatne są kilometry kwadratowe. Współczynniki konwersji to 1 metr kwadratowy = 10⁴ centymetry kwadratowe = 10 ⁻⁶ kilometrów kwadratowych.

Podczas pomiaru objętości w układzie SI litry są bardziej użytecznymi jednostkami niż metry sześcienne, głównie dlatego, że metr sześcienny jest zbyt duży, aby go przenosić. Litr jest definiowany jako 1000 centymetrów sześciennych (zwanych również mililitrami), co oznacza 0,001 metra sześciennego.

Oprócz miernika system metryczny definiuje tylko sześć innych jednostek, a wszystkie inne jednostki są z nich wyprowadzane. Inne jednostki mogą mieć nazwy, takie jak niuton (siła) lub wat (moc), ale te jednostki pochodne zawsze można wyrazić w kategoriach podstawowych. Sześć podstawowych jednostek to:

• ​Drugi (e)​

–

To jest jednostka czasu. Kiedyś opierał się na długości dnia, ale teraz, gdy wiemy, że dzień to w rzeczywistości mniej niż 24 godziny, potrzebna jest bardziej precyzyjna definicja. Oficjalna definicja sekundy opiera się teraz na wibracjach atomu cezu-133.

• ​kilogram (kg)​

–

Jednostką masy w systemie korzystającym z pomiaru metrowego jest kilogram. Ponieważ jest to 1000 gramów, nie wydaje się to być jednostką podstawową, ale gram jest przydatny tylko przy pomiarze długości w centymetrach. System mierzący w metrach, kilogramach i sekundach nazywa się systemem MKS. Ten, który mierzy w centymetrach, gramach i sekundach, to system CGS.

• ​Kelwin (K)​

–

W przeciwieństwie do tego, czego można się spodziewać, temperatura nie jest mierzona w skali Celsjusza w systemie SI, chociaż kraje stosujące system metryczny zwykle mierzą temperaturę w stopniach Celsjusza. Robią to, ponieważ konwersja jest tak prosta. Stopnie są tej samej wielkości, a temperatura 0 stopni Celsjusza odpowiada 273,15 Kelwina. Aby przekonwertować Celsjusza na Kelvina, po prostu dodaj 273,15.

• ​Amper (A)​

–

Jednostka prądu elektrycznego określa ilość ładunku elektrycznego przechodzącego przez punkt w przewodniku w ciągu jednej sekundy. Jest definiowany jako jeden kulomb, czyli 6,241 × 10¹⁸ elektronów na sekundę.

• ​Kret (mol)​

– Jest to miara ilości atomów w próbce określonej substancji. Jeden mol to liczba atomów w 12 gramach (0,012 kg) próbki węgla-12.

• ​Kandela (cd)​

–

Ta jednostka sięga czasów, kiedy świece zapewniały jedyne sztuczne oświetlenie. Była to ilość oświetlenia zapewniana w jednym steradianie przez pojedynczą świecę, ale współczesna definicja jest nieco bardziej złożona. Jedna kandela jest definiowana jako światłość danego źródła emitująca światło monochromatyczne o częstotliwości 5,4 x 10¹⁴ Hertza i o natężeniu promieniowania 1/683 watów na steradian. Steradian to okrągły przekrój kuli o powierzchni równej kwadratowi promienia kuli.

System metryczny ma 22 nazwane jednostki, które wywodzą się z siedmiu podstawowych. Większość z nich, choć nie wszystkie, nosi imię wybitnych naukowców, którzy wnieśli znaczący wkład w dziedzinę, w której jednostki są istotne. Na przykład, jednostka siły została nazwana na cześć Sir Izaaka Newtona, który położył podwaliny pod mechanikę, badanie ciał w spoczynku i ruchu. Innym przykładem jest jednostka pojemności elektrycznej, farad, której nazwa pochodzi od Micheala Faradaya, pioniera badań nad elektromagnetyzmem.

Jednostki pochodne są następujące:

• Siłaniuton (N)m kg

s ⁻² Ciśnienie/strespaskal (Pa)mi ⁻¹ kg s ⁻² Energia/pracadżul (J)mi² kg s ⁻² Moc/strumień promieniowaniawat (W)mi² kg s ⁻³ Ładunek elektrycznykulomb (C)s A Potencjał elektrycznywolt (V)mi² kg s ⁻³ ZA ⁻¹ Pojemnośćfarad (F)mi ⁻²kg ⁻¹s⁴ZA² Opór elektrycznyom (Ω)mi²kg s ⁻³ZA ⁻² Przewodność elektrycznasiemens (S)mi ⁻² kg ⁻¹ s³ ZA² Strumień magnetycznyweber (Wb)mi² kg s ⁻²ZA ⁻¹ Gęstość strumienia magnetycznegotesla (T)kg s ⁻²ZA-¹ IndukcyjnośćHenryk (H)mi²kg s ⁻²ZA ⁻² TemperaturaCelsjusza (°C)K

− 273.15 Strumień świetlnylumen (lm)mi²mi ⁻²cd = cd Natężenie światła (lx)luks (lx)mi²mi ⁻⁴cd = m ⁻²Płyta CD Aktywność radioaktywnabekerel (Bq)s ⁻¹ Dawka pochłoniętaszary (Gy)mi²s ⁻² Równoważnik dawkisiwert (Sv)mi²s ⁻² Aktywność katalitycznakatal (kat)s ⁻¹ molo Kąt płaskiradian (rad)m.m ⁻¹ = 1 Kąt bryłowysteradian (sr)mi²mi ⁻² = 1

W porównaniu do systemu angielskiego, który jest mieszaniną jednostek tworzonych na rynku angielskim, system metryczny jest elegancki, dokładny i oparty na uniwersalnych standardach fizycznych.

Jest czymś tajemniczym, dlaczego system angielski jest nadal używany w Stanach Zjednoczonych, zwłaszcza biorąc pod uwagę, że Kongres uchwalił ustawę o konwersji metryk w 1975 r., aby koordynować rosnące wykorzystanie systemu metrycznego w tym zakresie kraj. Utworzono Radę Metryczną, a agencje rządowe były zobowiązane do korzystania z systemu metrycznego. Problem polega na tym, że konwersja była dobrowolna dla ogółu społeczeństwa, a większość ludzi po prostu zignorowała Zarząd, który rozwiązał się w 1982 roku.

Można powiedzieć, że jedynym powodem dalszego używania systemu angielskiego w Stanach Zjednoczonych jest przyzwyczajenie. Truizmem jest, że stare nawyki ciężko umierają, ale biorąc pod uwagę elegancję systemu metrycznego i fakt, że używa go teraz cały świat, jest mało prawdopodobne, aby ktokolwiek używający systemu angielskiego nadal to robił za dużo dłużej.

Zmiana może wydawać się zniechęcająca, ale system metryczny został zaprojektowany przez naukowców, aby był łatwy w użyciu, a to korzyść, która przewyższa uparte trzymanie się tradycji.