Διεθνές Σύστημα Μονάδων

Από Βικιεπιστήμιο
Μετάβαση σε: πλοήγηση, αναζήτηση

Στην προσπάθειά μας για την μελέτη των φυσικών φαινομένων, σημαντικό στοιχείο είναι η καταγραφή και η μέτρηση των δεδομένων που προκύπτουν κατά τις πειραματικές μετρήσεις. Για τη διατυπώση των φυσικών νόμων χρειάζεται να περιγράψουμε το μέγεθος διαφόρων ποσοτήτων, όπως είναι το μήκος, η μάζα και ο χρόνος. Εκτός όμως από αυτό, είναι εξαιρετικά χρήσιμο και βόλικο να έχουμε μια κοινή αναφορά στα μεγέθη αυτών των ποσοτήτων, ανεξάρτητα από την χώρα που βρισκόμαστε.

Εισαγωγικά[επεξεργασία]

Ας φανταστούμε ότι κάνουμε ένα πείραμα για την μελέτη της βαρύτητας. Κατα το πείραμά μας αυτό θα χρησιμοποιήσουμε ένα μήλο, το οποίο αφήνουμε να πέσει στη γη από ένα συγκεκριμένο ύψος. Ποιες ποσότητες θα ήταν λοιπόν χρήσιμο να μετρήσουμε για να περιγράψουμε πλήρως το φαινόμενο; Μία απάντηση θα ήταν ο χρόνος που χρειάζεται το σώμα για να πέσει στη γη. Κάποιος άλλος θα πρόσθετε και το ύψος απ'το οποίο το αφήνουμε να πέσει, ενώ κάποιος άλλος θα τόνιζε και τη σημασία της μάζας. Καθώς όμως θελήσουμε να καταγράψουμε αυτές τις πληροφορίες προκύπτει το ερώτημα του πώς θα γίνει αυτό;

Κάθε μέγεθος το περιγράφουμε σε σύγκριση με κάποιο άλλο. Για παράδειγμα, θα μπορούσαμε να πάρουμε ένα ξύλο απ'το έδαφος και να λέγαμε ότι το ύψος που αφήσαμε ήταν 20 φορές το μήκος του ξύλου. Κατά αυτή την επιλόγη προκύπτουν όμως δύο θέματα στα οποία θα πρέπει να δώσουμε ιδιαίτερη προσοχή. Το πρώτο είναι, τι θα γινόταν αν το μέγεθος του ξύλου διαλέξαμε είναι πολυ μικρό για να περιγράψουν το ύψος από το οποίο το αφήσαμε. Για παράδειγμα, αν αφήναμε το μήλο απ'την κορυφή ενός ουρανοξύστη το ύψος θα ισούταν με ένα πολύ μεγάλο πολλαπλάσιο του μήκους του ξύλου, συνεπώς θα μας δυσκόλευε στην μέτρηση. Προκύπτει έτσι η αναγκαιότητα για μια μονάδα μέτρησης που θα μας διευκόλυνε τόσο στα μικρά όσο και στα μεγάλα μεγέθη, σύμφωνα πάντα με το τι μεγέθη μετράμε πιο συχνά. Το δεύτερο θέμα είναι ότι το μέγεθος που επιλέγουμε ως μέτρο αναφοράς θα πρέπει να παραμένει σταθερό και να μην μεταβάλλεται με βάση εξωτερικούς παράγοντες. Στο παράδειγμά μας με το ξύλο, αυτό θα συστέλλοταν και θα διαστέλλοταν ανάλογα με τις αλλαγές της θερμοκρασίας. Αυτή η αλλαγή μπορεί να είναι μικρή αλλά υπολογοσίμη αν, για παράδειγμα, θέλαμε να μετρήσουμε την ακτίνα του ατόμου. Άρα ακόμα μια παράμετρος που θα πρέπει να λάβουμε υπόψιν μας είναι αυτή της ακρίβειας.

Για την μέτρηση των μεγεθών έχει καθιερωθεί να χρησιμοποιούμε δύο στοιχεία, την ποσότητα και την ποιότητα. Το πρώτο χαρακτηρίζει το πόσο μεγάλο είναι το μέγεθος. Το δεύτερο αναφέρεται στο χαρακτήρα του μεγέθους που μετράμε και αναφέρει την μονάδα με την οποία συγκρίνεται το μέγεθος. Χρησιμοποιούμενα σε συνδυασμό μας δίνουν τα χαρακτηριστικά του μεγέθους. Για παράδειγμα, λέμε ότι ένα σώμα έχει μάζα 10 kg. Το 10 αποτελεί την ποσότητα και το χιλιόγραμμο την ποιότητα. Αυτό σημαίνει ότι αν συγκρίνουμε το σώμα με την μονάδα του χιλιογράμμου είναι 10 φορές βαρύτερο.

SI σύστημα μονάδων[επεξεργασία]

Για την μέτρηση των μεγεθών καθιερώθηκε ένα κοινά αποδεκτό σύστημα μονάδων, που έχει ως στόχο την καλύτερη επικοινωνία και επεξεργασία δεδομένων μεταξύ ανθρώπων από άλλες χώρες. Το σύστημα αυτό ονομάζεται Systéme International και συνήθως χρησιμοποιούμε τη συντομογραφία SI. Χρησιμοποιεί εφτά θεμελιώδη μεγέθη, από τα οποία μπορούν να παραχθούν όλα τα άλλα.

Πίνακας 1 - Μονάδες στο SI
Ποσότητα Μονάδα μέτρησης
Μάζα χιλιόγραμμο (kg)
Χρόνος δευτερόλεπτο (s)
Μήκος μέτρο (m)
Θερμοκρασία κέλβιν (K)
Ένταση ηλεκτρικού ρεύματος αμπέρ (A)
Ένταση φωτοβολίας καντέλα (cd)
Ποσότητα ύλης μολ (mol)

Μάζα[επεξεργασία]

Εικόνα κατασκευασμένη με υπολογιστή του Διεθνούς Πρότυπου Χιλιογράμμου. Δίπλα του ένα χάρακας σε ίντσες για σύγκριση.

Μονάδα μάζας στο S.I είναι το χιλιόγραμμο. Ορίζεται ότι ισούται με την μάζα ενός κυλίνδρου κατασκευασμένου από κράμα ιριδίου και λευκόχρυσου που φυλάσσεται στο Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών στο Sévres της Γαλλίας.

Το κράμα το οποίο χρησιμοποιείται είναι 90% λευκόχρυσος και 10% ιρίδιο. Το ύψος του και η διάμετρός του είναι 39,17 mm (φτιάχτηκε έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθεί η επιφάνει του κυλίνδρου).Έχουν φτιαχτεί αντίγραφα αυτου του πρωτότυπου για να χρησιμεύσουν ως πρότυπα για άλλες χώρες ,τα οποία συγκρίνονται με το αρχικό περίπου κάθε 40 χρόνια

Χρόνος[επεξεργασία]

Το δευτερόλεπτο ορίζεται ως η χρονική διάρκεια 9.192.631.770 ταλαντώσεων που κάνει ένα άτομο καισίου-133. Αυτός ο ορισμός αναφέρεται σε ένα άτομο σε θερμοκρασία 0 K (απόλυτο μηδέν) και χωρίς την ύπαρξη μαγνητικού πεδίου.

Μήκος[επεξεργασία]

Αρχικά το μέτρο ορίστηκε ως το 10-7 της απόστασης του Βόρειου Πόλου από τον Ισημερινό από τον μεσηβρινό που διέρχεται από το Παρίσι. Εγκαταλείφθηκε όμως, κυρίως λόγω της δυσχρηστίας του. Απο τότε έγιναν αρκετές αλλαγές στον ορισμό του, όταν τον Οκτώβριο του 1983 το Γενικό Συνέδριο Μέτρων και Σταθμών όρισε το μέτρο ως την απόσταση που διανύει το φως στο κενό στη διάρκεια 1/299.792.458 δευτερολέπτων.

Θερμοκρασία[επεξεργασία]

Η κλίμακα Κέλβιν χρησιμοποιήθηκε κυρίως λόγω της συσχέτισής της με την κλίμακα Κελσίου. Πιο αυστηρά, η κλίμακα Κέλβιν ορίζεται από δύο σημεία, του απολύτου μηδενός και του τριπλού σημείου του νερού. Το απόλυτο μηδέν είναι η χαμηλότερη θερμοκρασία που μπορεί να υπάρξει στη φύση και το τριπλό σημείο του νερού η θερμοκρασία όπου το νερό μπορεί να υπάρξει και στις τρεις καταστάσεις του - υγρό, στερεό και αέριο. Έτσι συνδέεται με την κλίμακα Κελσίου καθώς το απόλυτο μηδέν ορίζεται ως 0 Κ και -273,15 °C και το τριπλό σημείο του νερού ως 273,16 Κ και 0.01 °C. Ο τύπος μετατροπής των βαθμών Κελσίου (°C) σε κέλβιν (Κ) είναι: K = °C + 273,15 .

Ένταση ηλεκτρικού ρεύματος[επεξεργασία]

Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος μετράται στο SI με αμπέρ. Το αμπέρ είναι η ένταση ενός σταθερού ρεύμαοτος το οποίο, αν διαρρέει δύο ευθείς παράλληλους αγωγούς απείρου μήκους και αμελητέας διατομής, και τοποθετηθούν ένα μέτρο μακριά στο κενό θα αναπτυχθεί μεταξύ των αγωγών μια δύναμη ίση με 2 10-7 N/m

Ένταση φωτοβολίας[επεξεργασία]

Σύμφωνα με το 16ο Γενικό Συμβούλιο Μέτρων και Σταθμών η καντέλα ορίστηκε ως ένταση φωτοβολίας σε μια ορισμένη κατεύθυνση μια φωτεινής πηγής που εκπέμπει μονοχρωματική ακτινοβολία συχνότητας 540 1012 Hz και έχει ένταση ακτινοβολίας σε αυτή την κατεύθυνση 1/683 watt ανά στερακτίνιο.

Ποσότητα ύλης[επεξεργασία]

Η ποσότητα ύλης στο SI μετράται με το μολ. Ένα μολ είναι η ποσότητα που περιέχει περίπου 6.02214 1023 οντότητες.
Δεν πρέπει να συγχέουμε το μολ με την μάζα. Το μολ σαν ποσότητα μοιάζει πιο πολύ με την ντουζίνα. Μπορούμε για παράδειγμα να πούμε ότι έχουμε μια ντουζίνα αυγά και μια ντουζίνα μόρια. Το ίδιο και με το μολ. Είναι προφανές λοιπόν ότι δύο μολ από διαφορετικές οντότητες δεν έχουν απαραίτητα την ίδια μάζα.

Πολλαπλάσια και υποπολλαπλάσια[επεξεργασία]

Επειδή πολλά μεγέθη για να συγκριθούν με την πρότυπη μονάδα θέλουν πολύ μεγάλους ή πολύ μικρούς συντελεστές (όπως η απόστασης Γης-Ήλιου ή η ακτίνα του ατόμου) χρησιομοποιούμε δυνάμεις του 10 ώστε να διευκολυνθούμε στην γραφή αυτών των ποσοτήτων. Υπάρχουν πολλά πολλαπλάσια και υποπολλαπλάσια που δηλώνονται με διεθνώς τυποποιημένα κατάλληλα προθέματα, τα κυριότερα από τα οποία δίνονται στον παρακάτω πίνακα.

Πίνακας 2 - Προθέματα μονάδων του SI
Όνομα yotta- zetta- exa- peta- tera- giga- mega- kilo- hecto- deca-
Σύμβολο Y Z E P T G M k h da
Παράγοντας 1024 1021 1018 1015 1012 109 106 103 102 101
Όνομα deci- centi- milli- micro- nano- pico- femto- atto- zepto- yocto-
Σύμβολο d c m µ n p f a z y
Παράγοντας 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 10-24
Πίνακας 3 - Προθέματα μονάδων του SI στα ελληνικά
Όνομα γιοττα- ζεττα- εξα- πετα- τερα- γιγα- μεγα- χιλιο- εκατο- δεκα-
Σύμβολο Y Z E P T G M k h da
Παράγοντας 1024 1021 1018 1015 1012 109 106 103 102 101
Όνομα δεκατο- εκατοστο- χιλιοστο- μικρο- νανο- πικο- φεμτο- αττο- ζεπτο- γιοκτο-
Σύμβολο d c m µ n p f a z y
Παράγοντας 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 10-24

Χρησιμοποιούμενο το σύμβολο με την μονάδα μας δίνει το αντίστοιχο πολλαπλάσιο ή υποπολλαπλάσιο. Για παράδειγμα το 2,5 dm διαβάζεται "δύο κόμμα πέντε δεκατόμετρα" και σημαίνει: 2,510-1 m. Θα πρέπει να αποσαφηνιστεί όμως ότι το για την μάζα το ίδιο το χιλιόγραμμο (kg) σημαίνει ότι έχουμε χίλια γραμμάρια, δηλαδή 1 kg είναι 103 gr.