Системы единиц физических величин

Система единиц — это совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин, построенная в соответствии с принятыми принципами.
Исторически первой системой единиц физических величин была принятая в 1791 г. Национальным собранием Франции метрическая система мер.

Она не являлась еще системой единиц в современном понимании, а включала в себя единицы длин, площадей, объемов, вместимостей и веса, в основу которых были положены две единицы: метр и килограмм. В 1832 г. немецкий математик К.Гаусс предложил методику построения системы единиц как совокупности основных и произ­водных.

За основу были приняты три независимые друг от друга единицы: миллиметр — единица длины; миллиграмм — единица массы; секунда — единица времени. Все остальные единицы мож­но было определить с помощью этих трех. Такую систему единиц, связанных определенным образом с тремя основными единицами длины, массы и времени, Гаусс назвал абсолютной систе­мой.

В дальнейшем с развитием науки и техники появился ряд систем единиц физических величин, построенных по принципу, предло­женному Гауссом, базирующихся на метрической системе мер, но отличающихся друг от друга основными единицами.

Система СГС. Система единиц физических величин СГС, в ко­торой основными единицами являются с антиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени, была принята в 1881 г. Первым международным конгрессом электриков. Конгресс основывался на принципах, предложенных Гауссом, и ввел наименование для двух важнейших производных единиц: дина — для измерения силы и эрг — работы. Для из­мерения мощности в системе СГС применяется эрг в секунду, ки­нетической вязкости — стокс, динамической — пуаз.

Давление в системе СГС измеряют в динах на квадратный сан­тиметр. Эта единица в прошлом называлась бар, однако в связи с переименованием в бар единицы давления, равной 105 Н/м2, для единиц давления СГС иногда применяют наименование барий и одновременно микробар (так как она равна одной миллионной нового бара).

Исторически сложилось так, что для них к настоящему времени существует семь видов системы СГС для электрических и магнитных величин, из которых наиболее распространены три:

1.  система СГСЭ, построенная на трех основных единицах — сантиметре, грамме, секунде; диэлектрическая проницаемость ва­куума принята равной безразмерной единице. Эта система назы­вается также абсолютной электростатической систе­мой единиц;
2.  система СГСМ, основные единицы которой такие же, как и системы СГСЭ — сантиметр, грамм, секунда, а магнитная прони­цаемость вакуума принята равной безразмерной единице. Эта си­стема называется также абсолютной электро-магнитной системой единиц;
3. система СГС, называемая также симметричной или с истемой Га у с с а. В ней электрические единицы совпадают с электрическими единицами СГСЭ, а магнитные — с магнитными.

Система МКГСС. В период установления метрической системы мер, в конце XVIII в., килограмм был принят как единица веса. Применение килограмма как единицы веса, а в последующем как единицы силы вообще, привело в конце XIX в. к формированию системы единиц физических величин с тремя основными единица­ми: метр — единица длины, килограмм ­сила — единица силы и секунда — единица времени (система МКГС).

Килограмм­сила (кгс) — это сила, которая сообщает массе, равной массе междуна­родного прототипа килограмма, ускорение 9,80665 м/с2 (нормальное ускорение свободного падения).
Эта система единиц широко распространилась в механике и технике, получив неофициальное наименование «техническая». Одной из причин распространения системы МКГСС явилось удоб­ство выражения сил в единицах веса и удобный размер основной единицы силы — килограмм­силы.

За единицу массы в системе МКГСС принята масса тела, получающего ускорение 1 м/с2 под действием приложенной силы 1 кгс. Эта единица (килограмм­ сила­ секунда в квадрате на метр) иногда называется технической единицей массы или инертной, хотя оба эти наименования не установлены ни в одной из рекомендаций на единицы физических величин. Единица массы МКГСС — 1 кгс с2/м  9,81 кг — единицы массы системы СИ. Широко при­ менялись в технике единицы работы и энергии МКГСС — кило­ грамм­сила­метр (кгс­м) и единица мощности — килограмм­сила­ метр в секунду (кгс  м/с).

Система МТС. В системе единиц МТС основными единицами являются: единица длины — метр, единица массы — тонна и единица времени — секунда. Эта система единиц впервые была установлена в 1919 г. во Фран­ции, где была принята в законоположении о единицах измерений. В 1927—1933 гг. система МТС была рекомендована советскими стандартами на механические единицы.

Выбор тонны в качестве основной единицы массы казался удачным, так как достигалось соответствие между единицами длины и объема, с одной стороны, и единицей массы — с другой (с точностью, достаточной для боль­шинства технических расчетов, 1 т соответствует массе 1 м3 воды). Кроме того, единица работы и энергии в этой системе (килоджоуль) и единица мощности (киловатт) совпадали с соответствующими кратными практическими электрическими единицами.

В системе МТС единицей силы служит с тен (сн), равный силе, сообщающей массе 1 т ускорение 1 м/с2, единицей давления — пьеза — 1 сн/м2. Абсолютная практическая система электрических единиц. Эта система была установлена в 1881 г. первым Международным конгрессом электриков в качестве производной от системы СГСМ и предназначалась для практических измерений в связи с тем, что электрические и магнитные единицы системы СГСМ оказались неудобными для практики (одни слишком велики, другие слишком малы).

В числе первых практических электрических единиц были приняты:

• практическая единица электрического сопротивления, рав­ная 109 единицам сопротивления СГСМ, которая получила впоследствии наименование «ом»;
• практическая единица электродвижущей силы, равная 108 единицам электродвижущей силы СГСМ, названная «вольт»;
• практическая единица силы электрического ток, равная 10 1 электромагнитным единицам силы тока СГСМ, названная «ампер»;
• практическая единица электрической емкости, равная 10 9 единицам электрической емкости СГСМ, названная «фа­рад».

Второй Международный конгресс электриков в 1889 г. включил в список практических электрических единиц еще три:

1. джоуль как единицу энергии, равную 107 единицам энергии СГСМ;
2. ватт, равный 107 единицам мощности СГСМ;
3. квадрант (впоследствии это наименование заменено на «ген­ри») как единицу индуктивности, равную 109 единицам индуктив­ности СГСМ.

В дальнейшем решениями МЭК и ГКМВ были установлены другие практические электрические и магнитные единицы (напри­мер, вебер, сименс, тесла). Международные электрические единицы, отличавшиеся от единиц абсолютной практической системы электрических единиц тем, что они базировались не на теоретическом определении еди­ниц, а на их эталонах, были приняты в 1893 г. в Чикаго Третьим международным конгрессом электриков.

Конгресс установил три основные международные электриче­ские единицы: международный ом, для определения которо­го использовали ртутный эталон, международный ампер, определяемый с помощью серебряного вольтметра, и междуна­родный вольт, определяемый по элементу Кларка. Остальные электрические единицы (международный кулон, фарад и др.) были определены как производные от них.

Завершением работы по установлению международных элек­трических единиц и четкому разграничению абсолютных практи­ческих единиц и международных явились решения Международной Лондонской конференции электриков в 1908 г. В качестве единиц, которые с достаточным приближением при практических измере­ниях и для законодательных целей воспроизводят электрические единицы, конференция рекомендовала принять международный ом, международный ампер, международный вольт и международный ватт.

Система МКСА. Основы этой системы были предположены в 1901 г. итальянским ученым Дж.Джорджи, поэтому система имеет и второе наименование, принятое в 1958 г. МЭК — «система Джор­джи», но не получившая, однако, распространения. Основными единицами системы МКСА являются метр, килограмм, секунда и ампер. В системе МКСА сила измеряется в ньютонах, работа и энергия — джоулях, мощность — ваттах.

В системе МКСА механические единицы полностью согласованы с единицами абсолютной практической системы электрических и магнитных единиц — ампером, вольтом, омом, кулоном и др. Си­стема МКСА является частью Международной системы единиц СИ.
Внесистемные единицы.

Несмотря на определенные преимуще­ства, которые дает применение единиц, определяемых той или иной системой, до настоящего времени широко распространены раз­личные единицы, не укладывающиеся ни в одну из систем. Число так называемых внесистемных единиц довольно велико, и от мно­гих из них нельзя отказаться ввиду удобства их применения в определенных областях, другие из них сохранились в силу истори­ческих традиций.

Так, исторически возникла единица давления — атмосфера, равная давлению, производимому силой 1 кгс на площадь 1 см2, ибо атмосфера близка по размеру к среднему давлению атмосферного воздуха на уровне моря.