Sistema de medición SI: historia, propósito, papel en la física
La historia humana tiene varios miles de años, y en varias etapas de su desarrollo, casi todas las naciones han utilizado algunos de sus sistemas de referencia convencionales. Ahora el Sistema Internacional de Unidades (SI) se ha vuelto obligatorio para todos los países.
El sistema contiene siete unidades básicas de medida: segundo — tiempo, metro — longitud, kilogramo — masa, amperio — intensidad de la corriente eléctrica, kelvin — temperatura termodinámica, candela — intensidad de la luz y mol — cantidad de sustancia. Hay dos unidades adicionales: el radián para un ángulo plano y el estereorradián para un ángulo sólido.
SI proviene del francés Systeme Internationale y significa Sistema Internacional de Unidades.
Cómo se determina el contador
En el siglo XVII, con el desarrollo de la ciencia en Europa, los llamados a la introducción de una medida universal o metro católico comenzaron a escucharse con mayor frecuencia. Sería una medida decimal basada en el hecho natural e independiente de la decisión de la persona en autoridad. Tal medida reemplazaría a los muchos sistemas diferentes de medidas existentes entonces.
El filósofo británico John Wilkins propuso tomar la longitud del péndulo como unidad de longitud, cuyo semiperíodo sería igual a un segundo. Sin embargo, dependiendo de la ubicación de la medición, el valor no era el mismo. El astrónomo francés Jean Richet estableció este hecho durante un viaje a América del Sur (1671-1673).
En 1790, el ministro Talleyrand propuso medir la longitud de referencia colocando el péndulo en una latitud estrictamente fija entre Burdeos y Grenoble: 45 ° de latitud norte. Como resultado, el 8 de mayo de 1790, la Asamblea Nacional Francesa decidió que el metro es la longitud de un péndulo con un semiperíodo a 45° de latitud igual a 1 s. Según el SI actual, este metro equivaldría a 0,994 m, sin embargo, esta definición no le sienta bien a la comunidad científica.
El 30 de marzo de 1791, la Academia de Ciencias de Francia aceptó la propuesta de definir un patrón de medida como parte del meridiano de París. La nueva unidad sería la diezmillonésima parte de la distancia del ecuador al Polo Norte, es decir, la diezmillonésima parte de un cuarto de la circunferencia de la Tierra, medida a lo largo del meridiano de París. Esto se conoció como el "Metro verdadero y definitivo".
El 7 de abril de 1795, la Convención Nacional aprobó una ley que introdujo el sistema métrico en Francia e instruyó a los comisionados, incluido el Ch. O. Coulomb, J.L. Lagrange, P.-S. Laplace y otros científicos determinaron experimentalmente las unidades de longitud y masa.
En el período de 1792 a 1797, por decisión de la convención revolucionaria, los científicos franceses Delambre (1749-1822) y Mechen (1744-1804) midieron el mismo arco del meridiano de París con una longitud de 9° 40' desde Dunkerque hasta Barcelona en 6 años años, tendiendo una cadena de 115 triángulos a través de Francia y parte de España.
Sin embargo, más tarde resultó que debido a un cálculo incorrecto de la compresión polar de la Tierra, el estándar resultó ser 0,2 mm más corto. Por lo tanto, la longitud del meridiano de 40 000 km es solo aproximada. Sin embargo, el primer prototipo del metro estándar de latón se realizó en 1795. Cabe señalar que la unidad de masa (el kilogramo, cuya definición se basa en la masa de un decímetro cúbico de agua) también está ligada a la definición del metro.
La historia de la formación del sistema SI.
El 22 de junio de 1799, se fabricaron en Francia dos estándares de platino, el metro estándar y el kilogramo estándar. Esta fecha puede considerarse legítimamente el día del comienzo del desarrollo del sistema SI actual.
En 1832, Gauss creó el llamado Sistema absoluto de unidades, tomando como tres unidades básicas: la unidad de tiempo es el segundo, la unidad de longitud es el milímetro y la unidad de masa es el gramo, porque usando estas unidades particulares, el científico pudo medir la valor absoluto del campo magnético de la Tierra (este sistema recibió el nombre SGS Gauss).
En la década de 1860, bajo la influencia de Maxwell y Thomson, se formuló el requisito de que las unidades base y derivadas deben ser compatibles entre sí. Como resultado, el sistema CGS se introdujo en 1874, con prefijos también distribuidos para denotar subconjuntos y múltiplos de unidades de micro a mega.
En 1875, representantes de 17 países, incluidos Rusia, Estados Unidos, Francia, Alemania e Italia, firmaron la Convención Métrica, según la cual se estableció la Oficina Internacional de Medidas, el Comité Internacional de Medidas y comenzó a funcionar una convención regular. Conferencia General de Pesos y Medidas (GCMW)… Al mismo tiempo, se comenzó a trabajar en el desarrollo de un patrón internacional para el kilogramo y un patrón para el instrumento de medida.
En 1889 en la primera conferencia de la GKMV, sistema de la ISSbasadas en metros, kilogramos y segundos, como el CGS, sin embargo, las unidades ISS parecían más aceptables debido a la conveniencia del uso práctico. Las unidades ópticas y eléctricas se introducirán más adelante.
En 1948, por orden del gobierno francés y de la Unión Internacional de Física Teórica y Aplicada, la Novena Conferencia General de Pesos y Medidas emitió una instrucción al Comité Internacional de Pesos y Medidas para proponer, con el fin de unificar el sistema de unidades de medición, sus ideas para crear un sistema único de unidades de medida que pueda ser aceptado por todos los países, partes de la Convención Métrica.
Como resultado, se propusieron y adoptaron las siguientes seis unidades en el décimo GCMW en 1954: metro, kilogramo, segundo, amperio, kelvin y candela. En 1956, el sistema se denominó «Systeme International d'Unities» - el sistema internacional de unidades.
En 1960 se adoptó una norma, que por primera vez se denominó «Sistema Internacional de Unidades» y se le asignó la abreviatura «SI» (SI).
Las unidades básicas siguieron siendo las mismas seis unidades: metro, kilogramo, segundo, amperio, kelvin y candela, dos unidades adicionales (radian y estereorradián) y veintisiete derivadas más importantes, sin especificar de antemano otras unidades derivadas que podrían sumarse por - tarde. (La abreviatura en ruso "SI" se puede descifrar como "Sistema Internacional").
Todas estas seis unidades básicas, tanto unidades adicionales como veintisiete unidades derivadas más importantes, coincidieron completamente con las correspondientes unidades básicas, adicionales y derivadas adoptadas en ese momento en los estándares estatales de la URSS para unidades de medida para ISS, MKSA, МКСГ y sistemas SMS.
En 1963 en la URSS, según GOST 9867-61 «Sistema internacional de unidades», SI se acepta como preferencial para los campos de la economía nacional, en ciencia y tecnología, y para la enseñanza en instituciones educativas.
En 1968, en el decimotercer GKMV, la unidad "grado Kelvin" fue reemplazada por "kelvin", y también se adoptó la designación "K". Además, se adoptó una nueva definición de segundo: un segundo es un intervalo de tiempo igual a 9.192.631.770 períodos de radiación correspondientes a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado cuántico fundamental del átomo de cesio-133. En 1997, se adoptaría una aclaración de que este intervalo de tiempo se refiere al átomo de cesio-133 en reposo a 0 K.
En 1971, se añadió otra unidad básica «mol» a 14 GKMV, una unidad para la cantidad de sustancia. Un mol es la cantidad de materia en un sistema que contiene tantos elementos estructurales como átomos hay en el carbono-12 que pesan 0,012 kg. Cuando se usa un mol, los elementos estructurales deben especificarse y pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones y otras partículas o grupos específicos de partículas.
En 1979, la 16ª CGPM adoptó una nueva definición de la candela. La candela es la intensidad luminosa en una dirección dada de una fuente que emite radiación monocromática con una frecuencia de 540 × 1012 Hz, cuya intensidad luminosa en esa dirección es de 1/683 W/sr (vatios por estereorradián).
En 1983, se le dio una nueva definición al contador de 17 GKMV.Un metro es la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío en (1/299.792.458) segundos.
En 2009, el Gobierno de la Federación de Rusia aprobó el "Reglamento sobre las unidades de medida permitidas para su uso en la Federación de Rusia", y en 2015 se le hicieron modificaciones para excluir el "período de validez" de algunas unidades ajenas al sistema.
Las principales ventajas del sistema SI son las siguientes:
1. Unificación de unidades de magnitudes físicas para distintos tipos de medida.
El sistema SI permite que cualquier cantidad física encontrada en diferentes campos de la tecnología tenga una unidad común para ellos, por ejemplo, el joule para todos los tipos de trabajo y la cantidad de calor en lugar de las diferentes unidades actualmente utilizadas para esta cantidad (kilogramo - fuerza - metro, ergio, caloría, vatio-hora, etc.).
2. La universalidad del sistema.
Las unidades SI cubren todas las ramas de la ciencia, la tecnología y la economía nacional, excluyendo la necesidad del uso de otras unidades y generalmente representan un sistema único común a todas las áreas de medición.
3. Conectividad (coherencia) del sistema.
En todas las ecuaciones físicas que definen las unidades de medida resultantes, el factor de proporcionalidad es siempre una cantidad adimensional igual a la unidad.
El sistema SI permite simplificar significativamente las operaciones de resolución de ecuaciones, realización de cálculos y elaboración de gráficos y nomogramas, ya que no es necesario utilizar un número significativo de factores de conversión.
4. La armonía y coherencia del sistema SI facilita enormemente el estudio de las leyes físicas y el proceso pedagógico en el estudio de disciplinas científicas generales y especiales, así como la derivación de varias fórmulas.
5.Los principios de construcción del sistema SI brindan la oportunidad de formar nuevas unidades derivadas según sea necesario y, por lo tanto, la lista de unidades de este sistema está abierta a una mayor expansión.
El propósito del sistema SI y su papel en la física
Hasta la fecha, el sistema internacional de cantidades físicas SI ha sido aceptado en todo el mundo y se usa más que otros sistemas tanto en la ciencia y la tecnología como en la vida cotidiana de las personas: es una versión moderna del sistema métrico.
La mayoría de los países usan unidades SI en tecnología, incluso si usan unidades tradicionales para esos territorios en la vida cotidiana. En los Estados Unidos, por ejemplo, las unidades tradicionales se definen como unidades SI que utilizan coeficientes fijos.
La cantidad Designación Nombre ruso Ruso internacional Ángulo plano radián glad rad Ángulo sólido estereorradián Wed Wed Temperatura en grados Celsius en Celsius OS OS Frecuencia hertz Hz Hz Fuerza Newton Z n Energía joule J J Potencia watt W W Presión pascal Pa Pa Flujo luminoso lumen lm lm Iluminación lux OK lx Carga eléctrica pendiente CL ° C Diferencia de potencial voltios V V Resistencia ohm Ohm R Capacidad eléctrica faradios F F Flujo magnético Weber Wb Wb Inducción magnética Tesla T T Inductancia Henry Mr. H Conductividad eléctrica Siemens Cm C Actividad de una fuente radiactiva becquerel Bq Bq Dosis absorbida de radiación ionizante grey Gr Gy Dosis efectiva de radiación ionizante sievert Sv Sv Actividad del catalizador cat rodado cat
En el Folleto SI, publicado desde 1970, y su suplemento, se proporciona una descripción detallada y exhaustiva del sistema SI en forma oficial; estos documentos están publicados en el sitio web oficial de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas. Desde 1985estos documentos se emiten en inglés y francés y siempre se traducen a varios idiomas en todo el mundo, aunque el idioma oficial del documento es el francés.
La definición oficial precisa del sistema SI es la siguiente: "El Sistema Internacional de Unidades (SI) es un sistema de unidades basado en el Sistema Internacional de Unidades, junto con nombres y símbolos, y un conjunto de prefijos y sus nombres y símbolos junto con las reglas para su uso adoptadas por la Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM) «.
El sistema SI está definido por siete unidades básicas de cantidades físicas y sus derivadas, así como sus prefijos. Se regulan las abreviaturas estándar de las designaciones de unidades y las reglas para escribir derivadas. Hay siete unidades básicas como antes: kilogramo, metro, segundo, amperio, kelvin, mol, candela. Las unidades base son independientes del tamaño y no pueden derivarse de otras unidades.
En cuanto a las unidades derivadas, se pueden obtener a partir de las básicas, realizando operaciones matemáticas como la división o la multiplicación. Algunas de las unidades resultantes, como "radian", "lumen", "colgante", tienen sus propios nombres.
Puede usar un prefijo antes del nombre de la unidad, como milímetro, una milésima de metro y kilómetro, mil metros. El prefijo significa que uno debe dividirse o multiplicarse por un número entero que es una potencia específica de diez.