ПРОСТЫМИ СЛОВАМИ О СЛОЖНЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ

Наверное, все помнят советский мультфильм «38 попугаев» и знаменитую фразу Удава «А в попугаях то я гораздо длиннее!». Давайте поговорим об этих самых попугаях, а точнее, немного коснемся темы измерений.

С самого рождения человек сталкивается с измерениями, так при рождении – у ребенка обязательно измеряют рост и вес.

Вот тут-то, мы и сталкиваемся с наукой по имени метрология. Одно из определений метрологии гласит, что это наука о способах, методах и точности измерений. Вес какой то вещи, расстояние, температура воздуха… Это настолько привычно, что мы не задумываясь говорим «сегодня жарко, 30 градусов в тени». Или «поймал рыбину полтора килограмма весом». Или «у нас дача в 30 километрах от города».

Но ведь градусы бывают разными. А расстояния не всегда измеряют в километрах. В разные времена, в разных странах, использовались, да и используются, разные единицы измерения. Вот мы и добрались до темы сегодняшней статьи.

Что такое измерение

Если говорить упрощенно, то измерение это сравнение с эталоном. Посмотрим на примере измерения расстояний. Кстати, длина, ширина, высота, это тоже расстояния на самом деле.

Если у нас есть, например, две палки разной длины, то мы можем сложить вместе и увидеть, какая длиннее. А если эти палки находятся далеко друг от друга и их невозможно сложить вместе? Или если нужно узнать, насколько одна палка длиннее другой?

Это сугубо практическая задача, которая стояла перед человечеством «с начала времен». Без решения этой задачи было бы невозможно построить египетские пирамиды, дворцы правителей Эллады, средневековые замки.

Решение, разумеется, было найдено. Просто взяли одну «палку» и объявили ее эталоном, мерой длины. Теперь все расстояния определялись как количество эталонов. То есть, в нашем случае, сколько раз «эталонная палка» поместится между двумя деревьями.

«Эталонная палка», которая могла быть и чем-то иным, например, металлическим прутком или куском веревки, стала единицей измерения длины. А само измерение стало сравнением измеряемой длины с этим эталоном, с единицей измерения.

Отсюда, кстати, следует интересный вывод. Не суть важно, какой эталон вы применяете. Главное, применять его последовательно, систематически. Если у вас, не важно по какой причине, нет линейки или рулетки, можно воспользоваться любой деревянной рейкой или отрезком веревки (как пример). Просто нанесите на эту рейку деления одинаковой длины и используйте вместо линейки.

И это касается не только измерения длины. Как дальше будет видно, это касается любых измерений.

С глубокой древности наши предки измеряли расстояние собой, своим телом. Это и удобно, и руки с ногами всегда при себе, их нельзя «забыть дома». Система древних мер включала в себя следующие основные мер: версту, сажень, локоть, пядь, вершок. Для поддержания единства установленных мер еще в древние времена создавались эталонные (образцовые) меры.

Известно изречение древнегреческого философа Протагора: «человек есть мера всех вещей». У всех народов использовались части человеческого тела в качестве мер длины, о чем свидетельствуют сами названия: фут – ступня, дюйм – палец, локоть.

Эталоны бывают разные.

Разумеется, какая-то банальная палка не могла долгое время оставаться «божественным», «тайным», «сакральным» эталоном. Да, измерения в древние времена считались тайной доступной лишь избранным. Поэтому эталон длины, мы ведь пока об измерении расстояний говорим, стали изготавливать из различных драгоценных материалов, например, из золота.

А для практического использования жрецами и архитекторами (древний Египет) изготавливали копии золотого эталона из драгоценных пород дерева. Ну а для использования бригадирами и рабочими делали копии эталонов архитектора из обычного дерева или отрезков веревки.

Вот мы и увидели еще одно, очень важное свойство эталона — можно создавать его копии. То есть, можно копировать физическое воплощение единицы измерения, в данном случае, длины.

Разумеется, каждая копия менее точна, чем оригинал. А копия с копии дает еще большую погрешность. А самым точным является первичный эталон. Банальное золото недостойно чести быть первичным эталоном! Этим эталоном может быть только высший правитель, божественный фараон! Да, в данном случае я говорю о древнем Египте. Но примерно тот же образ мысли был и задолго до фараонов, в племенах древнего мира. И в средневековой Европе, через столетия после падения Египта.

Однако, при таком привязанном к конкретному правителю способе определения эталона кроется одна серьезная проблема. Когда на смену одному правителю приходил другой менялся и эталон. Новый правитель мог, например, быть ниже ростом и более худощавым. А значит, и локоть с ладонью становились меньше (в Египте). А если новый король Англии имел более крупные ноги, то фут становился больше, при этом ярд мог и остаться прежним.

Поэтому в конце концов пришли к идее отвязать эталоны от конкретных людей и использовать усредненные параметры. Теперь первичным эталоном стал пруток золота (или иного драгоценного материала), а не человек. И параметры этого эталона не менялись, что было очень удобно. При этом по-прежнему делались копии эталона для практического использования, а сам он хранился во дворцах правителей.

А что можно сказать о эталонах времени, веса, объема, температуры? В целом, тут все очень похоже на эталоны длины, с одной стороны, но с другой, привязать к человеку же не получается.

Вес и объем

С эталонами, мерами, единицами измерений, веса и объема получилось проще всего. Можно взять, например, камень (метеорит очень бы подошел, как почти божественная сущность), кусок металла, плод какао (обязательно сорванный правителем) и объявить его эталоном. А взвешивать, то есть сравнивать с этим эталоном, можно на рычажных веса известных с доисторических времен.

Именно так появились фунты, пуды, караты, гривны, золотники. Как и эталоны длины изготавливались эталоны веса. И с этих эталонов делали копии для практического использования.

Время

А вот с эталоном времени все гораздо сложнее. Время не является чем то материальным, что можно потрогать. Пока не было необходимости измерять короткие промежутки времени можно было просто ориентироваться на смену дня и ночи (утро, день, вечер, ночь, сумерки, рассвет) и времен года (весна, лето, осень, зима).

С развитием цивилизации возникла потребность измерять короткие промежутки времени. И вот тут была проявлена большая изобретательность. Измерение времени свели к измерению осязаемых величин.

Клепсидра («водяные часы») и песочные часы в качестве меры времени используют объем воды или песка. Эталоном, мерой времени, единицей измерения, здесь является время за которое определенный объем воды или песка перельется (пересыплется) из одной чаши в другую.

Температура

Не менее сложная ситуация с температурой. Да, в отличии от времени ее можно ощутить, потрогать. Но это не помогает ее измерить. Но и тут была проявлена изобретательность. Измерение температуры свели к измерению длины, а точнее, объема.

Спиртовые и ртутные термометры использовали изменение объема жидкости в зависимости от температуры, что приводило изменению высоты столбика в капилляре. Оставалось разделить участок капилляра между двумя крайними положениями столбика жидкости (между холодно и горячо) на несколько частей.

И тут возникает вопрос, что считать «холодно», а что «горячо»? И на сколько частей делить? Так и появились разные градусы. В привычных на градусах Цельсия за «холодно» принята точка замерзания воды (дистиллированная вода со льдом). Это условный ноль. А за «горячо» точка кипения дистиллированной воды на уровне моря. Это условные 100 градусов. Эти две точки определяют прямую линию, которую можно продолжить и в область отрицательных температур, и далеко за температуру кипения воды.

Требуется стандартизация

Развитие науки, техники, торговли, экономики, потребовало навести хоть какой-то порядок. Начало этому было положено (как обычно считается) во Франции после Великой французской революции. Именно тогда появилась метрическая система, которой сегодня пользуются в большинстве стран мира. При этом сохранилась и старая Английская система, которую часто называют Имперской. Она используется в США, Великобритании, и некоторых бывших колониях.

Метрическая система начиналась с определения метра и килограмма. Одновременно, но чуть позже, была предложен альтернативный вариант, в основу которого легли сантиметр и грамм (а также, секунда, что и дало название этой системы СГС).

Единая система единиц получила название СИ (Système International d’Unités). Были приняты и альтернативные варианты. Уже упоминавшаяся СГС и нечто среднее между СГС и СИ — МКС (метр, килограмм, секунда).

Основные (базовые) единицы измерения.

При создании любой системы необходимо определиться, что будет лежать в ее основе. И это вопрос может быть не таким простым, как кажется, на первый взгляд. Например, возьмем раздел физики — электричество. Что первично, напряжение или ток?

В конечном итоге было принято, что есть 7 основных, или базовых, единиц. Это метр — длина, килограмм — масса, секунда — время, ампер — ток, кельвин — температура, моль — количество вещества, кандела — сила света.

Применение метрической системы мер сыграло выдающуюся роль не только в становлении единства измерений между странами, но и способствовало становлению и развитию национальных метрологических институтов и метрологии в целом как науки об измерениях.

В наше время эталоны подразделяются на первичный (обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране точностью), вторичный (эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы), эталон сравнения (эталон, применяемый для сличений эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом), исходный эталон (эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами из имеющихся (в данной лаборатории, организации, на предприятии) эталонов, от которого получают размер единицы подчиненные средства измерений, рабочий эталон (эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений) и другие. А вообще эталон единиц величин это средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы величины (кратных, либо дольных значений единицы величины) с целью передачи ее размера другим средствам измерений данной величины, утвержденное в порядке, установленном уполномоченным государственным органом.

В нашей стране эталонами занимается Государственный научный метрологический центр в лице РГП «КазСтандарт» — одним из видов деятельности которого является создание, совершенствование (модернизация), хранение, применение и обслуживание государственных эталонов и эталонов единиц величин, а также создание систем передачи размеров единиц величин, воспроизведение и передача размеров единиц величин от эталонов к эталонам и средствам измерений юридических и физических лиц.

Измерить все, что поддается измерению, а что не поддается – сделать измеряемым (Галилео Галилей).

Республиканское государственное учреждение «департамент Комитета технического регулирования и метрологии по Жамбылской области»