 |
Физические величины, единицы и системы единиц физических величин
|
|
|
|
ВВЕДЕНИЕ
Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности (РМГ 29 – 99«Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения»).
Буквальная расшифровка термина метрология базируется на двух древнегреческих корнях этого слова (μέτρον – мера, размер или μέτρεω – измеряю, и λόγος – слово, учение, понятие, а также мысль, разум), и его перевод вполне соответствует термину «наука об измерениях».
В физике все величины принято делить на «измеримые» и «неизмеримые» что нельзя признать вполне корректным. Фактически измерять можно все – физические величины, уровень интеллекта, художественное впечатление от некоторого зрелища, женскую красоту и многое другое. В широком смысле измерения трактуют по-разному – от аппаратурной количественной оценки физических величин до приписывания чисел субъективно оцениваемым свойствам. Неоднозначная трактовка измерений позволяет сторонникам самого широкого подхода к измерениям распространять область интересов «науки об измерениях» за пределы «чистой» метрологии. В результате метрологию смешивают с квалиметрией – областью науки, занимающейся количественной оценкой качества объектов и их частных свойств.
Анализ позволяет раскрыть связи метрологии и ряда других научных и практических сфер деятельности. Связи метрологии со стандартизацией, квалиметрией и сертификацией, представленные в виде пересекающихся множеств, показаны в виде схемы на рисунке 1.1.
В каждой из представленных областей деятельности важное место занимает контроль: измерительный контроль в метрологии, нормоконтроль в стандартизации, контроль уровня качества в квалиметрии и контроль соответствия установленным требованиям в сертификации. При этом чаще всего контролируют соответствие объекта требованиям, установленным нормативными документами по стандартизации. Из рисунка 1.1 следует, что при контроле соответствия в сертификации применяют как экспертные методы, так и методы, заимствованные у метрологии ипредусматривающик применение аппаратурных средств. Измерительный контроль (контроль с использованием средств измерений) и органолептический контроль (контроль с использованием органов чувств эксперта) более подробно рассмотрены ниже.
|
|
|
Метрология существует в неразрывном единстве со стандартизацией. Наиболее тесные связи метрологии со стандартизацией можно наблюдать в следующих областях:
· установление единиц физических величин и их воспроизведения техническими средствами (средствами измерений);
· передача единиц от государственного эталона ко всем рабочим средствам измерений (вплоть до наименее точных);
· получение результатов измерений и формы их представления.
Связи метрологии со стандартизацией являются объектами рассмотрения специальной области – так называемой «законодательной метрологии».
| Рисунок 1.1 – Взаимосвязь стандартизации, метрологии, квалиметрии и сертификации |
| КОНТРОЛЬ (ПРОВЕРКА СОБЛЮДЕНИЯ НОРМ) |
| СТАНДАРТИЗАЦИЯ (НОРМИРОВАНИЕ) |
| СЕРТИФИКАЦИЯ |
| КОНТРОЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ |
| НОРМОКОНТРОЛЬ |
| КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА |
| КВАЛИМЕТРИЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ КАЧЕСТВА |
| МЕТРОЛОГИЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН |
| КОНТРОЛЬ СООТВЕТСТВИЯ |
Даже поверхностный анализ деятельности человека показывает, насколько важна роль измерений. Без измерений невозможны производство, торговля, спорт, деловые и бытовые отношения. Измерения определенных свойств можно рассматривать как однозначное отображение элементов эмпирической системы {Q} на некоторую числовую систему {N} (рисунок 1.2).
|
|
|
| Рисунок 1.2 – Измерение как отображение элементов эмпирической системы физических величин {Q} на систему чисел {N} |
| Измерительное преобразование |
| Физические Q1 величины Q2 Q3 |
| Числа N1 N2 N3 |
Измерительное преобразование в условиях существования уравнения измерения и возможности его корректного решения можно формально описать основным уравнением измерения: Q = Nq,
где Q – измеряемая величина; q – единица измеряемой величины; N – числовое значение, определяющее соотношение между Q и q.
Следует заметить, что данное теоретическое положение идеализировано, поскольку в нем не учитываются погрешности измерений, которыми специально занимается метрология.
Метрология в трактовке настоящей дисциплины занимается исключительно измерениями физических величин на макроуровне, не касаясь измерений нефизических величин, измерений в ядерной физике и ряда других, для которых применение основного уравнения измерения невозможно или некорректно.
В соответствии с РМГ 29 – 99 измерение физической величины (измерение величины; измерение) – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.
В РМГ 29 – 99 говорится, что приведенное в нем определение понятия «измерение» соответствует общему уравнению измерений, поскольку в нем учтена техническая сторона (совокупность операций), раскрыта метрологическая суть измерений (сравнение с единицей) и показан гносеологический аспект (получение значения величины).
Следует отметить, что «нахождение соотношения в неявном виде» противоречит строгой трактовке основного уравнения измерения.
От термина «измерение» происходит термин «измерять», наряду с которым нередко применяются такие термины, как «мерить», «обмерять», «замерять», «промерять», а также «обмер», «замеры» и ряд других. Это нестандартные термины и применять их не следует.
|
|
|
Физическая величина (величина; ФВ) – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.
Мы относим к физическим величинам те, которые признаны таковыми в научно-технической практике. Одним из определяющих признаков физической величины является возможность аппаратурного (инструментального) измерения, для чего средством измерения воспроизводится единица измеряемой физической величины. При этом наряду с величинами, безусловно относящимися к физическим (масса, длина, температура, сила электрического тока и др.), в системах единиц физических величин присутствуют частота, разрешающая способность оптических систем, и даже единица количества вещества – полные аналоги числа штучных товаров в одной упаковке (такие величины вполне корректно определены как «счетные»).
Для измерения интересующего нас свойства (физической величины) средство измерения приводят во взаимодействие с объектом, который является носителем соответствующего свойства. Как правило любой объект измерения характеризуется некоторым множеством физических величин (ФВ 1,..., ФВ n, или Q 1,..., Q n). Например, любой предмет имеет массу (она реализуется на предмете как одна физическая величина), размеры (реализуются как множество физических величин номинально разных и номинально одинаковых), плотность, твердость, электрические и магнитные характеристики. Физическая величина, присущая конкретному объекту, является не единственной его характеристикой. Поэтому измерение некоторой заданной физической величины можно представить моделью, показанной на рисунке 1.3. Очевидно также, что результат измерения Хi не может идеально отражать измеряемое свойство и отличается от истинного значения измеряемой физической величины Qi. Отсюда естественно возникает разговор о точности измерений.
| ИЗМЕРЕНИЕ Qi |
| ОБЪЕКТ ИЗМЕРЕНИЯ Qi ФВ1,..., ФВn (ФВi = Qi) |
| РЕЗУЛЬТАТ ИЗМЕРЕНИЯ Xi = Qi + ∆i |
| Рисунок 1.3 – Модель измерения физической величины |
| Q’i |
| X’i |
|
|
|
Точность результата измерений – одна из характеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения. Поскольку точность измерения тем выше, чем меньше его погрешность, для количественной характеристики точности измерений обычно используют значения погрешностей.
Погрешность результата измерения (погрешность измерения) – отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины.
Упоминание в определении действительного значения измеряемой величины не вполне корректно, поскольку само оно не совпадает с истинным значением измеряемой величины, и, следовательно, не может быть базой для отсчета погрешности. Погрешность измерения можно представить в виде разности между результатом измерения (полученным при измерении значением физической величины) и истинным значением физической величины
∆ = х – Q,
где ∆ – погрешность измерения, х – результат измерения (полученное при измерении значение физической величины),
Q – истинное значение физической величины.
Необходимость измерений в любом промышленном производстве проиллюстрирована рисунком 1,4.
| измерения |
| СЫРЬЕ |
| измерения |
| ОБРАБ |
| ЗАГОТОВКА |
| ДЕТАЛЬ |
| СБОРКА |
| СЛОЖНОЕ ИЗДЕЛИЕ |
| ОБРАБ |
| измерения |
| измерения |
| ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ (включая средства измерений) |
| измерения |
| Рисунок 1.4 – Место измерений в производстве |
Измерения необходимы для оценки любого объекта трансформации (сырья, заготовки, детали, сборочной единицы) до ее начала, во время ее проведения и по окончании. В любом технологическом процессе надо знать, с чем приходится работать, чтобы планировать сам процесс, следить за тем как процесс идет, чтобы при необходимости корректировать его. Результат переработки исходного объекта тоже подлежит измерениям для оценки его качества и принятия управляющих решений (пропустить далее в обработку, продажу, эксплуатацию, забраковать, вернуть на переработку...).
Измерения имеют важнейшее значение не только в переработке продукции машиностроения, легкой и пищевой промышленности. Без измерений невозможно строительство, торговля, фармакология. Особое значение измерения имеют в навигации (морской и аэрокосмической) для определения места на Земле, в том числе и в военных целях.
Геометрия (в буквальном смысле связанная с землеустроительством) не только невозможна без измерений, но и по некоторым гипотезам привела к появлению метрологии, не зря у них общий корень «метр».
|
|
|
Приборостроение как одна из ведущих отраслей промышленного производства в значительной степени обязана своим появлением необходимости измерять и обрабатывать измерительную информацию.
Определяющее значение измерения имеют и для любых экспериментальных исследований. Д.И.Менделеев сказал: «Наука начинается там, где начинают измерять. Точная наука немыслима без меры». Место измерений в экспериментальных научных исследованиях показано на рисунке 1.5.
| обработка результатов измерений |
| ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ |
| РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ |
| ЭКСПЕРИМЕНТ |
| измерения |
| измерения |
| измерения |
| Рисунок 1.5 – Место измерений в научных исследованиях |
Достоверные результаты исследований и выводы из них могут быть получены только при «опережающей точности измерений». Любой тонкий эффект можно зафиксировать только тогда, когда измерения позволяют выделить его из информационного шума, в том числе и обусловленного погрешностями измерений.
Обмен результатами производственной и научной деятельности, международная кооперация в науке, промышленности и торговле требуют обеспечения достоверности всех результатов производственных и научных измерений. Поэтому в метрологии вводятся такие понятия, какединство измерений и единообразие средств измерений.
Единство измерений – состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы.
Обеспечение единства измерений необходимо для обеспечения современного производства с разделением труда и кооперацией как в масштабах одной страны, так и в международных промышленно-экономических отношениях. Вот почему с давних пор активно работают международные метрологические организации, принимаются общие для всех метрологические стандарты, гармонизируются требования к измерениям, к средствам измерений, к оценке их метрологических характеристик.
Необходимое, хотя и недостаточное условие соблюдения единства измерений – единообразие средств измерений. Единообразие средств измерений характеризуется тем, что они проградуированы в узаконенных единицах и их метрологические свойства соответствуют нормам. Для обеспечения такого единообразия приходится разрабатывать эталоны единиц физических величин, создавать эталоны как технические устройства, передавать значение единицы от эталонов другим, менее точным средствам измерений.
Метрология использует для повышения точности измерений новейшие достижения физики и других наук. Постоянно создаются новые, все более точные средства измерений, включая эталоны, совершенствуются методы измерений и передачи единиц физических величин рабочим средствам измерений, а также методы выявления и оценки погрешностей измерений. В соответствии с требованиями обеспечения единства измерений метрология уделяет особое внимание поиску и исключению систематических погрешностей измерений, а также вероятностной оценке случайных погрешностей, которые невозможно прогнозировать и оценивать другими методами.
Особое место в метрологии занимает математическая обработка результатов измерений. Для обработки результатов косвенных измерений, для построения моделей объектов измерений и процессов измерительного преобразования, для оценки систематических погрешностей используют различные разделы математического анализа, аналитической геометрии и других областей «детерминированной» математики. Наряду с этим для оценки случайных составляющих погрешности измерений широко используется аппарат теории вероятностей и математической статистики.
На сегодняшний день можно признать существование объективно сложившихся теоретических основ в следующих областях измерений:
· физические измерения в макромире (включая технические измерения);
· квантово-механические измерения;
· психологические измерения;
· кибернетические измерения;
· математические измерения.
Есть и некоторые другие пока еще недостаточно четко оформившиеся области измерений.
Физическими измерениями занимается метрология, одним из приоритетов которой является «теория погрешностей измерения».
Квантовомеханические измерения фактически основаны на взаимодействии микрообъекта с измерительным макроприбором.
Психологические и им подобные измерения (измерения в социологии, психологии, системотехнике и других подобных областях) сводятся к выбору типа шкалы и «помещению» объекта в некоторую ее область. Теоретические аспекты таких измерений разрабатываются в квалиметрии.
В кибернетических измерениях рассматривают воздействие помех в измерительном канале на искажение измерительной информации. Для этих целей разработана «информационная теория измерений».
Математические измерения (например, в геометрии) основаны на допущении «идеальных измерений», результаты которых свободны от погрешностей. Но изучение измерения как некоторого способа (алгоритма) получения числового результата в ходе измерительного эксперимента привело к разработке «алгоритмической теории измерения», где основное внимание уделяют измерению как процессу, который должен быть выполнен в соответствии с рационально построенным алгоритмом.
«Частные теории измерений» необходимы для использования в конкретных областях, а метрология как общенаучная область акцентирует внимание на следующих проблемах:
· Создание единиц и систем единиц, необходимых для измерений.
· Методы выявления и оценивания погрешностей измерений.
· Математическая обработка и представление результатов измерений.
Измерения физических величин, или физические измерения являются предметом изучения метрологии. В противоположность этому нефизические измерения являются основным объектом изучения квалиметрии. Практика показывает, что подходы к измерению физических величин невозможно механически переносить на нефизические измерения. Особенности измерений любых свойств могут быть учтены применением для их оценки соответствующих шкал.
В самом широком смысле слова измерение можно трактовать как классификацию свойств объектов, в ходе которой каждому из свойств приписывают определенный знак (цифру, букву, слово и т.д.). Здесь под измерением понимается, прежде всего, оценка по шкале наименований. Однако при наличии двух основных элементов, характеризующих процесс измерения (измеряемого свойства объекта и результата измерения), зачастую в качестве результата измерения признается только числовая символизация. В этом случае измерение можно трактовать как «приписывание чисел», что придает результату видимость объективности, однако числовая символизация ничем не лучше любой другой (нечисловой).
Средство физического измерения – техническое устройство, с помощью которого осуществляется измерительное преобразование, а процесс измерения обусловлен инструкцией по применению средства измерения (методикой выполнения измерений), которая обеспечивает получение объективной оценки измеряемой физической величины.
При нефизическом измерении средство измерения реализуется, как правило, в виде заранее подготовленной шкалы (она должна быть достаточно наглядной и понятной), которая воспроизводится экспертом, а процесс измерения (собственно измерение), имеет ряд специфических моментов (наличие возможности оценивания, как способности различения уровней сигнала; понимание инструкции по измерению; объективность наблюдателя и т.д.). Оценка измеряемой величины заключается в выставлении баллов и/или рангов и не может быть объективной, поскольку и «средством измерений» и «устройством измерительного преобразования» является субъект – эксперт.
Принципиальные различия физических и нефизических измерений очевидны из рисунка 1.6.
| Рисунок 1.6 – Измерения в метрологии и квалиметрии |
| ПОЛУЧАЕМЫЕ ОЦЕНКИ |
| МЕТРИЗОВАННЫЕ ЧИСЛА |
| · СИМВОЛЫ · БАЛЛЫ, МЕСТА, СОРТА, КЛАССЫ, РАЗРЯДЫ, РАНГИ, др. |
| ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ШКАЛЫ |
| · ИНТЕРВАЛОВ · ОТНОШЕНИЙ · ПОРЯДКА (модифицированная) |
| · НАИМЕНОВАНИЙ · ПОРЯДКА |
| ПРОЦЕДУРА ИЗМЕРЕНИЙ |
| ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ |
| ЭКСПЕРТНОЕ ОЦЕНИВАНИЕ, наблюдение, беседа, анкетирование |
| СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ |
| ТЕХНИЧЕСКОЕ (мера, прибор, установка…) |
| ЭКСПЕРТ |
| КВАЛИМЕТРИЯ Нефизические измерения |
| МЕТРОЛОГИЯ Физические измерения |
Следует признать, что даже при высоком уровне объективности участвующих в измерениях экспертов процедура нефизического измерения и его результаты зависят от субъективных факторов (например, от вкусов тех экспертов, которые составляли или трактуют конвенционально установленную «шкалу»).
Сравнение физического и нефизического измерений показывает, что есть принципиальные различия в применяемых методах получения количественных оценок измеряемых величин. В результате даже парадигму физического измерения, равно как и математические методы в измерениях и обработке результатов нельзя использовать одинаковым образом во всех научных сферах, поскольку каждый научный метод связан со специфическими содержательными проблемами и теоретическими конструкциями, весьма различными для разных научных дисциплин.
Измерения, счет, контроль
Если под измерением понимать количественную (числовую) оценку интенсивности некоторого конкретного свойства, то счет тоже подходит под такое определение (более того, «измерение количества вещества» фактически можно рассматривать как счет; оценка разрешающей способности оптических систем основана на счете, счетными являются единицы частоты, разрешающей способности оптической системы монитора и т.д.). Различение континуального и дискретного в измерениях почти всегда носит условный характер. В частности, оно перестает быть очевидным с переходом от макроуровня к анализу на уровне квантовой механики.
Различить измерения и счет удается, если под счетом понимать определение количества целочисленных объектов в некотором заданном множестве, а под измерением свойства – экспериментальное нахождение количественной оценки его интенсивности. При этом измерения физических величин осуществляют с использованием специальных технических средств, в которые заложена определенная мера физической величины (нормированный уровень свойства), а счет может осуществляться как без специальных технических средств, так и с их применением (счетчики банкнот, счетчики числа деталей).
Контроль подразумевает определение соответствия или несоответствия контролируемого объекта заданному уровню по одному или нескольким свойствам. Любой контроль принято рассматривать как контроль качества (контроль уровня качества), поскольку фактически он должен ответить на единственный вопрос: соответствует ли контролируемое свойство объекта установленному для него уровню качества?
Контроль предусматривает два действия (которые иногда могут быть совмещены в одной операции):
· определение действительного (реального) значения свойства контролируемого объекта;
· установление соответствия или несоответствия реального свойства контролируемого объекта заданным нормам.
Пример совмещения контроля в одной операции – визуальная проверка требования об отсутствии царапин, заметных невооруженным глазом (если царапина обнаружена, требование нарушено).
В зависимости от контролируемых свойств контроль может быть органолептическим или инструментальным (аппаратурным).
Органолептический контроль, осуществляемый экспертными методами и средствами, является объектом изучения квалиметрии. Привлекаемые эксперты в зависимости от контролируемых свойств могут использовать зрение (визуальный контроль), осязание (тактильный контроль), слух (контроль по звуку), вкусовые рецепторы (контроль по вкусу), обоняние (контроль по запаху).
Контроль, осуществляемый с использованием средств измерений, называется измерительным контролем. Измерительный контроль является объектом изучения метрологии (поскольку его основа – аппаратурное измерение). Используемые для контроля средства измерений могут быть относительно простыми, не осуществляющими измерительное преобразование измеряемой физической величины (меры), более сложными (осуществляющими измерительное преобразование) – измерительные приборы, установки, системы. В ряде случаев для контроля могут применяться индикаторы – средства измерений, предназначенные для определения перехода свойства за установленное пороговое значение.
Схематически контроль свойств объектов (органолептический и инструментальный) представлен на рисунке 1.7.
Комбинация органолептического и инструментального контроля ряда свойств любого объекта применяется для контроля уровня его качества. Минимально необходимый уровень качества определяет порог, разделяющий объекты на годные и бракованные, соответствующие и несоответствующие, пригодные для поставки (дальнейшей обработки, продажи, применения) и непригодные. На производстве таким контролем занимаются работники отдела технического контроля (ОТК), в рамках отрасли и государства – различные инспекции и специальные контрольные и надзорные органы.
Следует иметь в виду, что изделие, справедливо прошедшее контроль ОТК, а также сертифицированное изделие не обязаны обладать высоким уровнем качества. Если при проектировании разработчик ориентировался на ограниченный технический уровень и минимальную себестоимость, не следует ожидать очень высокого уровня качества.
| Рисунок 1.7 – Контроль заданных свойств объектов |
| ПОРЯДОК КОНТРОЛЯ |
| ПОЛУЧЕНИЕ ОЦЕНКИ КОНТРОЛИРУЕМОГО СВОЙСТВА |
| СРАВНЕНИЕ ОЦЕНКИ КОНТРОЛИРУЕМОГО СВОЙСТВА С НОРМАМИ |
| ЗАКЛЮЧЕНИЕ О ГОДНОСТИ ПО КОНТРОЛИРУЕМОМУ СВОЙСТВУ |
| ВИДЫ КОНТРОЛЯ |
| ВИЗУАЛЬНЫЙ |
| ТАКТИЛЬНЫЙ |
| ПО ЗВУКУ |
| ПО ВКУСУ |
| ПО ЗАПАХУ |
| ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ОЦЕНОК КОНТРОЛИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ |
| МЕРАМИ |
| ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ |
| ИНДИКАТОРАМИ |
| ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ УСТАНОВКАМИ И СИСТЕМАМИ |
| ОРГАНОЛЕПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ЭКСПЕРТНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОЦЕНОК КОНТРОЛИРУЕМЫХ СВОЙСТВ |
Никто не требует от дешевого струйного принтера высококачественной печати фотографий, от бижутерии – уровня качества бриллиантов. Всем известны отличающиеся по цене и емкости однотипные электрические батарейки, матрицы CD или DVD. Успешное прохождение контроля всего лишь гарантирует, что уровень качества не ниже установленного в технической документации. При этом набор требований, зафиксированных в документации, не обязательно соответствует высокому, а тем более, наивысшему уровню качества.
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ, ЕДИНИЦЫ И СИСТЕМЫ ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Понятие «величина» как оценка размеров какого-либо объекта появилось еще до математики, а математическое понятие «величина» на сегодняшний день связывают с числом. В физике и математике укоренился подход, в соответствии с которым существуют «размерные» и «безразмерные» величины. При этом «величина» рассматривается как число, наименование единицы – как «размерность». В метрологии эти понятия имеют принципиально иное значение, из-за чего иногда возникают недоразумения и путаница.
Применяемое для количественной оценки определенного свойства в математике и часто в физике понятие «величина» идеально – это абстрактная количественная оценка величины любого вида (физической либо нефизической), определяемая числом как номинальное или абсолютно точное значение. В метрологии документом РМГ 29–99 введено понятие «физическая величина» (величина) – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. В «Международном словаре основных и общих терминов метрологии» (VIM—93) понятие величина (измеримая) раскрывается как «характерный признак (атрибут) явления, тела или вещества, которое может выделяться качественно и определяться количественно».
Понятие «физическая величина» (сюда же включаются и «химические» либо иные величины) настолько фундаментально, что дать ему корректное определение практически невозможно. Понятно что физическая величина –свойство, присущее реальным объектам, которое на множестве свойств объектов может быть индивидуальным в количественном отношении, то есть иметь разные уровни интенсивности. Если уровни свойств доступны количественной оценке аппаратурными методами, их изучением занимается метрология.
Необходимость оценивания уровней интенсивности таких свойств привела к появлению в РМГ 29–99 ряда базовых терминов и определений:
· размер физической величины (размер величины) – количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу;
· значение физической величины – выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц;
· числовое значение физической величины – отвлеченное число, входящее в значение величины;
· истинное значение физической величины – значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину.
Примечание – Истинное значение физической величины может быть соотнесено с понятием абсолютной истины. Оно может быть получено только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и средств измерений.
Здесь и далее курсивом выделены материалы, заимствованные из метрологических нормативных документов. Иногда в скобках приводятся краткие формы терминов, которые можно использовать, если контекстная информация исключает возможность неправильного толкования.
Для количественной оценки значений физических величин применяют единицы соответствующих физических величин. Поскольку существуют объективные связи между физическими величинами, очевидно, что единицы физических величин не могут назначаться произвольно. Логика требует объединения единиц физических величин в достаточно строгую систему.
Система (от древнегреческого σύστημα – соединенное в одно целое из многих частей) – множество закономерно соединенных между собой элементов, образующих определенную целостность, единство.
В определении следует обратить внимание на три важных момента: наличие элементов, их закономерное объединение и вновь образованное благодаря этому качество соединения – его целостность. Элементами системы могут выступать предметы, явления, процессы, принципы, теории; связями – объективно существующие или искусственно созданные закономерности.
Поскольку физические величины существуют как объективные свойства, а числовые значения единиц назначают, единицы вторичны по отношению к физическим величинам. В соответствии с данным положением для получения системы единиц физических величин теоретически правильным представляется предварительное создание системы физических величин.
Система физических величин – совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин. В этих системах выбранные независимые величины называют основными, а прочие, получаемые с их использованием, – производными.
На базе системы физических величин создают систему единиц физических величин. Главной характеристикой системы единиц физических величин является наличие системно связанных значений каждой из величин, принятых за единицу. Единицы независимых величин устанавливают конвенционально (по договоренности), это основные единицы системы. Остальные единицы системы – производные – получают из физических формул (количественных уравнений связи между величинами).
До начала глубокого исследования этой проблемы метрологами системы физических величин в явном виде не рассматривались, а проявлялись как побочный продукт эмпирически создаваемых систем единиц. Системы единиц предназначались для обслуживания конкретных областей физики, например, системы МТС (метр-тонна-секунда) или СГС (сантиметр-грамм-секунда) для механики, а для обеспечения механических и электрических измерений использовалась система МКСА (метр-килограмм-секунда-ампер).
Наличие множества разнообразных единиц для измерений одной физической величины, например, работы и энергии (эрг, джоуль, калория), приводит к необходимости пересчета числовых значений при переходе от одной системы к другой. Такие преобразования не только требовали выполнения лишней работы, но и приводили к частому появлению механических ошибок. Кооперация научно-технических областей, в которых применяли разные единицы, привела пользователей к выводу о необходимости создания универсальной системы единиц, которая позволяет избавиться от перерасчетов. Такая система требует соответствующей основы – универсальной системы физических величин.
Универсальная система физических величин должна охватывать максимум величин, с которыми имеют дело большинство потребителей в своей научной и производственной деятельности. Они и будут использовать единицы универсальной системы, образованной на базе соответствующей системы величин. Наряду с этим не отрицается возможность создания специальных систем единиц для конкретных узких областей.
В системах величин как в любых системах присутствуют элементы (физические величины) и связи между ними (уравнения связи между величинами). Уравнениями связи называют соотношения между величинами, записанные в качественной форме, например, скорость равна частному от деления расстояния (длины) на время, за которое это расстояние пройдено
V = L/T.
Возможны еще две трансформированные формы этого уравнения связи (T = L/V и L = VT), но из всех этих трех выражений независимым уравнением связи можно назвать только одно (любое на выбор), поскольку все они несут одну и ту же информацию.
Строгость системы обеспечивается включением в нее только величин, связанных известными физическими законами. При этом число независимых связей оказывается меньше числа величин, поэтому для выражения неизвестных величин требуются дополнительные шаги, в частности назначение «основных величин», условно принимаемых за известные.
Для создания системы физических величин следует:
· выбрать область распространения системы и определить полный набор входящих в систем
|
|
|
