Системы измерения физических величин

Система единиц - совокупность основных и производных единиц, относящаяся к некоторой системе величин и образованная в соответствии с принятыми принципами. Система единиц строится на основе физических теорий, отражающих существующую в природе взаимосвязь физических величин. Основные единицы пообобраны так, что любую единицу физической величины через совокупность ранее определённых единиц.

В первых системах в качестве основных были выбраны единицы длины и массы, например в Великобритании фут и английский фунт, в России — аршин и русский фунт. В эти системы входили кратные и дольные единицы, имевшие собственные наименования (ярд и дюйм, системе, сажень, вершок, фут и другие). Сложность производных единиц и неудобства в сфере торговли и промышленного производства, связанные с различием национальных систем, натолкнули на идею разработки метрической системы мер (18 в., Франция), послужившей основой для создания международной единиц длины (метр) и массы (килограмм), а также важнейших производных единиц (площади, объёма, плотности).

В 19 в. К. Гаусс и В. Э. Вебер предложили систему для электрических и магнитных величин, названную Гауссом абсолютной. В ней в качестве основных единиц были приняты миллиметр, миллиграмм и секунда, а производные единицы образовывались по уравнениям связи между величинами в простейшем их виде. Во 2-й половине 19 в. Британская ассоциация по развитию наук приняла две системы единиц: СГСЭ (электростатическую) и СГСМ (электромагнитную). Позже появились системы СГС (система Гаусса), технической системы (м, кгс, с), МТС системы единиц и др. В 1901 итальянский физик Дж. Джорджи предложил систему, основанную на метре, килограмме, секунде и одной электрической единице ампер (МКСА система единиц). Система включала получившие распространение на практике единицы: ампер, вольт, ом, ватт, джоуль, фараду, генри. Метрическая система мер была допущена к применению в России законом от 4 июня 1899, проект которого был разработан Д. И. Менделеевым.

Система единиц физических величин МКГСС (MkGS) впервые вошла в практику в конце 19 в., основными единицами которой являются: метр, килограмм-сила, секунда. в русской технике система появилась в 1933 году, последний регламентирующий документ – ГОСТ 7664-61 "Механические единицы". Выбор единицы силы в качестве одной из основных единиц обусловил применение ряда единиц МКГСС (главным образом единиц силы, давления, механического напряжения) в механике и технике. Эту систему называют технической системой единиц. За единицу массы в МКГСС принята масса тела, приобретающего ускорение 1 м/с² под действием приложенной к нему силы 1 кгс. Эту единицу также называют технической единицей массы (т.е.м.). МКГСС имеет ряд существенных недостатков: несогласованность между механическими и практическими электрическими единицами, отсутствие эталона килограмма-силы, отказ от распространённой единицы массы - килограмма (кг) и как следствие (чтобы не применять т. е. м.), образование величин с участием веса вместо массы (удельный вес, весовой расход и т. п.). Все эти обстоятельства приводили к смешению понятий массы и веса, использованию обозначения кг вместо кгс и т.д. Эти недостатки обусловили принятие международных рекомендаций об отказе от МКГСС и о переходе к Международной системе единиц (СИ).

Система СГС (физическая) с основными единицами длины, массы и времени (сантиметр, грамм, секунда) была сформирована в 1871г. Комитетом по электрическим эталонам Британской ассоциации для развития наук, в который входили выдающиеся физики того времени (У. Томсон (Кельвин), Дж. Максвелл, Ч. Уитстон и др.), в качестве системы единиц механики и электродинамики. С введением Международной системы единиц (СИ) в научных работах по физике и астрономии наряду с единицами СИ допускается использовать единицы СГС.

Основными единицами системы МТС (MTS) являются: метр, тонна (единица массы), секунда. Была введена во Франции в 1919 г., в русской науке - в 1933г. (отменена в 1955г.). МТС была аналогична физической системе единиц СГС и предназначалась для практических измерений; с этой целью были выбраны большие по размеру единицы длины и массы.

В 1960г. 11-й Генеральной конференцией по мерам и весам была принята Международная система единиц (СИ) (SI, фр. Système International d’Unités), которая в настоящее время является действующей и универсальной. Система имеет семь основных единиц: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела. Создание СИ открыло перспективу всеобщей унификации единиц и имело следствием принятие многими странами решения о переходе к этой системе или о её преимущественном применении.

Внесистемные единицы физических величин не входят ни в одну из систем единиц. Такие единицы можно разделить на независимые (определяемые без помощи других единиц) и произвольно выбранные, но определяемые через другие единицы. К первым относятся, например, градус Цельсия, определяемый как 0,01 промежутка между температурами кипения воды и таяния льда при нормальном атмосферном давлении, полный угол (оборот) и др. Ко вторым относятся, например, единица мощности — лошадиная сила, техническая атмосфера, миллиметр ртутного столба, бар и др. Внесистемные единицы применяются в инженерном деле для удобства измерений отдельных параметров.

На практике (особенно в приборостроении) также применяются единицы физических величин Американской и Британской систем измерения. Так например, известный нефтяной голубой баррель 1bbl назван исторически по названию бочки, в которой хранили нефть и которую красили в синий цвет. Хотя существуют другие «баррели», например стандартный американский баррель равен 119,24 л, сухой баррель - 115,6 л и др.

В нефтегазовом деле используется особая единица учета органического топлива, применимая для сопоставления тепловой ценности различных видов топлива. Теплота сгорания 1 кг твердого условного топлива (или 1 м³ газообразного условного топлива) составляет 29,3 МДж (7000 ккал), что приблизительно соответствует теплоте сгорания 1 кг каменного угля.

Основные единицы измерения, наиболее часто применяемые в гидравлике представлены в табл.1.1

Таблица 1.1

Основные и производные единицы измерения

физических величин

Единицы	МКГСС (техническая)	СИ	Соотношение единиц (СИ и МКГСС, СГС, внесистемн.ед.)
Длина	м	м	-
Масса	кг с2/м	кг	1 т = 1000 кг
Время	с	с	-
Температура	К	К	К=273,16+°C °F = (°C 1,8) + 32 °C = (°F - 32)/1,8
Плотность	кг с2/м4	кг/м3	1 кг/м3 = 103 г/см3
Объем	м3	м3	1bbl =0,158987 м³ (нефт.баррель)
Сила	кгс	Н	1 кгс = 9,80665 Н
Давление	кгс/м2	Па	1 кгс/м2 = 98066,5 Н/м2 ≈ 105 Па; 1 кгс/см2 = 9,80665 Н/м2 ≈ 10 Па; 1 мм. вод. ст. = 9,80665 Н/м2 ≈ 10 Па; 1 мм. рт. ст. = 133,322 Па; 1 бар (1 атм) = 106 Па 1 psi = 6894,76 Па
Работа, энергия	кгс м	Дж	1 кгс м = 9,80665 Дж
Количество теплоты	кал	Дж	1 кал = 4,1868 Дж
Мощность	кгс·м/с	Вт	1 л.с. = 735,499 Вт; 1 кгс·м/с = 9,80665 Вт; 1 кал/с = 4,1868 Вт; 1 ккал/с = 1,163 Вт

Продолжение табл. 1.1