From Wikipedia, the free encyclopedia
Измерването е процесът за определяне[1] на отношението на една (измервана) физична величина (например дължина или маса) към друга еднородна величина, приета за единица (например, метър или килограм), и въведена в техническо средство (средство за измерване). Измерванията са основен елемент в наблюденията, използвани от научния метод. Науката за измерването, методите и средствата му се нарича метрология. Точността на всяко измерване е свързано с определена грешка или несигурност.
Измерването на различни физични величини като температура, налягане, скорост и други представлява основна част от автоматизацията на процесите главно в промишлеността. В едно управляващо устройство регулираната величина се измерва и се използва за корекция на параметрите за регулиране чрез обратна връзка.
Измерванията, включително и във физиката, се делят на преки и косвени (непреки). Преки измервания се наричат тези, които се извършват с прости измерителни уреди, при което се определя дадената физична величина. При това директно се отчита стойността на измерваната величина като например отчитане на линеен размер върху линия или ролетка. При косвените измервания е трудно да се измери непосредствено търсената величина, затова се измерват други, свързани с нея величини, след което се използва формула за определяне на търсената величина чрез еднозначна зависимост. Косвените измервания са характерни на ниво атоми, с други думи в микросвета или макроизмервания като в космоса. Например определяне на температурата на звездите по техния спектър на излъчване. Някои величини позволяват както пряко, така и непряко измерване.
Индската цивилизация (3000 – 1500 пр.н.е.) е първата известна цивилизация, която използва надеждни мерки и теглилки и стандартизира измерването.[2] Оттогава датира и калибрирането на инструментите. Тази цивилизация достига голяма точност при определянето на дължина, маса и време. На слонова кост са отбелязани мерки с точност до 1,704 mm (1/16 инча). Намерените измерителни уреди ползват инчове и футове. Традиционните архитектурни форми са построени с точност до 1/16 от инча, най-доброто приближение на бронзовата ера. Намерени са пръчки за измерване, които са точно 33 инча и са разграфени на 24 еднакви участъка.
Теглилките са кратни на 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200 и 500, като единицата е приблизително 28 g, подобна на английската или римската унция. Съществуват и други системи за мерене на дължина например отделни части на тялото като естествени измерителни уреди.
Във Вавилон и Древен Египет се използват педя, аршин или лакът за дължина, а за време периодичността на Слънцето и Луната.
За да могат величините от дадена категория да се сравняват помежду си, една конкретна величина, притежаваща постоянна стойност, се избира за величина за сравнение и се нарича мерна единица. Така всяка друга величина от въпросната категория може да бъде изразена като функция на тази единица чрез умножаването ѝ с едно число. Това число се нарича числена стойност на величината, изразена с тази единица. Всяка измерителна система има свои единици, които се наричат основни, те измерват фундаментални физични величини. Всички останали единици се получават на базата на тези и се наричат производни.
Старата метрична система включва няколко разряда единици. Международната система единици (SI) е разработена през 1960 г., по-скоро на базата на старата система метър-килограм-секунда (MKS), отколкото на конкурентната система сантиметър-грам-секунда, която е имала няколко разновидности. В самата SI дефинициите за единиците могат се променят, когато се разработи нов метод, за да бъдат по-ясно и точно предефинирани, по силата на международна конвенция, щом напредъкът на науката и технологиите позволяват извършването на по-точни измервания от времето, по което единиците са били дефинирани.
SI се използва на практика навсякъде по света, като повечето държави дори не поддържат официални дефиниции на други мерни системи. Важно изключение са САЩ, които продължават да използват имперски единици в допълнение към SI. В Обединеното кралство преминаването към SI е правителствена политика, но стари единици все още се използват. Мерните единици на държавите, използващи различна мерна система (напр. САЩ), са изразени в единици от SI.
Дефинициите на единиците от SI се разглеждат и преразглеждат на Международната конференция по мерките и теглилките, в която участват страните, подписали Конвенцията за метъра (в сила от 1875 г. и многократно изменяна), и която се организира веднъж на всеки 4 години в Париж[3].
Международната система от единици (съкр. SI от на френски: Système international d'unités[4]) е съвременната форма на метричната система и е най-широко използваната мерна система както в науката, така и в търговията и инженерното дело.
Системата SI е разработена през 1960 г. от системата метър-килограм-секунда, като по време на разработката са представени някои нови единици, които не са били преди това част от метричната система. Оригиналната система SI има седем базови физични единици:
Базова физична величина | Базова единица | Символ | Настояща константа в SI | Ново предложение |
---|---|---|---|---|
Време | секунда | s | Делене на Цезий-133 | също като настоящата система SI |
Дължина | Метър | m | Скорост на светлината във вакуум, c | също като настоящата система SI |
Маса | килограм | kg | масата на международния еталон (прототип) на килограма. | Константа на Планк, h |
Електрически ток | Ампер | A | Пермеабилитет във вакуум или магнитна константа | Заряд на електрона, e |
Температура | Келвин | K | Тройна точка на водата, Абсолютна нула | Константа на Болцман |
Количество вещество | Мол | mol | Моларната маса на Въглерод-12 | Число на Авогадро NA |
Интензитет на светлината | Кандела | cd | Източник на светлина с честота 540 THz | също като настоящата система SI |
Особеност на тази система е въвеждането едновременно на единица за маса: килограм (kg) и единица за сила: Нютон (N). Определението на нютон е, че това е силата, придаваща импулс от 1 kg·m/s. Това означава, че ако сила от 1 нютон е постоянно приложена към тяло с маса 1 kg, то всяка секунда скоростта му ще се увеличава с 1 m/s. За нашата планета земното притегляне е около 9,81 m/s², което означава, че тяло с маса 1 kg тежи 9,81 N.
Има два вида единици SI, базови единици и производни единици. Базовите единици са за измерването на време, дължина, маса, температура, количество вещество, електрически ток и интензитета на светлината. Производните единици се получават от базовите единици, като например единицата за мощност ват, определена от базовите единици като m²·kg·s-³. Друга физична величина например е плътност на материалите, измервана в kg/m³.
В България системата се въвежда официално със стандарт БДС 3952:1965. От 2009 г. се въвежда Международният стандарт ISO 80000 или IEC 80000, който е официален и в България и включва единиците SI.
Системата CGS (сантиметър-грам-секунда) е кохерентна система единици, която през 19 век постепенно се е наложила при измерванията във физиката. Подобно на използваната днес международна система SI, и тя почива на метричните единици метър, килограм и секунда, но основните ѝ единици имат други десетични представки. В областта на механиката тя е разширена с единиците келвин, кандела и мол. Днес се прилага рядко, като е забранено да се използва заедно с единиците от международната система SI.
Производни на системата CGS са единиците дина, ерг, поаз, стокс, гаус, оерстед и максуел. Те също не трябва да се използват едновременно с единиците от SI.
През 1954 г. международна комисия препоръча системата MKS като основа за една обща единна система в областта на науката и техниката. През следващите десетина години системата CGS постепенно бива изместена от системата SI в учебниците и в практиката на специалистите. Някои физици обаче продължили да ползват системата CGS заради по-удобните в отделни случаи изчисления. Системата се поддържа от Международния съюз за чиста и приложна физика (International Union of Pure and Applied Physics, IUPAP).
Имперски единици обикновено се наричат единиците от почти излязлата от употреба британска (или английска) система от единици, основаваща се на фунт, ярд и галон. Приета е от английския парламент през 1824 г. и е използвана в цялата Британска империя. През 1963 и 1985 г. имперските единици се предефинират в единици от SI.
Официално имперските единици се използват само в 4 страни в света: Либерия, Мианмар, Обединено кралство Великобритания и Северна Ирландия и САЩ, като в Либерия и Мианмар на практика се използва метричната система.
При извършване на измерването се изпълняват следните стъпки:
Техническото средство, което се използва за измерване и имащо нормирани технически характеристики, възпроизвеждащо и/или съхраняващо единицата на физичната величина, чийто размер се приема за постоянен (в рамките на установената погрешност на техническото измервателно средство) в течение на определен период на време. Могат да са оптично-механични, оптични, интерферационни, пневматични, електрически и други. Могат да бъдат контактни и безконтактни, едномерни и многомерни, стационарни и портативни. Класификацията им се определя и от:
Точността на измерването зависи от техническото средство и представлява степента на съвпадане на показанията на измервателното средство с действителното значение на измерваната величина. Колкото е по-малка разликата, толкова по-голяма е точността на техническото средство. Тази точност често е показана на самия прибор например на скалата на стрелковия уред. Когато се говори за увеличаване на точността на измерването се има предвид, че размера на отклонението на измерваната величина от действителната стойност се намалява.
За да се направи оценка на верността на измерването е необходимо да се определи степента на погрешност. В зависимост от причините грешките се разделят на систематични, груби и случайни. [5]
В квантовата физика измерването играе решаваща роля. Поради силно намаления мащаб – от порядъка на размерите на атома и субатомните частици – измерването се дефинира като „тестване или манипулиране на една физическа система с цел получаване на числен резултат“. Наред с уравнението на Шрьодингер, което описва еволюцията на вълновата функция във времето, има също така и собствени закони за начина, по който една система реагира по време на измерването (вж. ефект на наблюдателя). Освен това съотношението на неопределеност на Хайзенберг описва фундаментално ограничение при измерването на повече от една физична величина, независимо от точността на апаратурата. Поради това предсказанията на теоретичните модели в квантовата физика са предимно във вид на вероятности, а използваните математически инструменти за предсказване на евентуалния резултат от измерването, развити през XX век, включват линейна алгебра и функционален анализ.
И при класическите физически измервания има ограничения в точността на измервания поради обратното влияние на апаратурата върху процеса. От електротехниката е известно например измерването на напрежението на празен ход на един източник на напрежение, което не може да се извърши с реално съществуващи измервателни уреди без грешка.
Тъй като скоростта на светлината е една крайна величина, винаги има закъснение между измерената в даден момент и действителната стойност. Информацията се нуждае от време за да стигне от измервания обект до наблюдателя. Например температурата на една звезда не е реална в момента на измерване, а е от времето на излъчване.
Една величина е измерима, ако има принцип на измерването, с помощта на който тя може да се измери и може да се бъде оценена с количествени мерки. Също така обхваща и всички изисквания за повторяемост на резултатите от измерването. Физическите величини са измерими. Някои извънфизични величини могат да се изразят или свързват към физични величини. Пример за това е използването на разпределението на спектъра на светлината за оценка на цветовете.
Определянето на редица нефизични величини, като например коефициент на интелигентност на хората или индекс на щастие на дадена страна, също се нарича измерване. От физична гледна точка обаче това не е точно измерване, а оценка. Подобни оценки се извършват и с помощта на социологични изследвания, включително допитване, използване на различни въпросници и други.
При редица величини няма пряка връзка към измервателните единици, но независимо от това се изисква създаването на определено степенуване на величината. За целта често се създават ска̀ли на подреждане:
За измерване на масата на даден предмет се използват уреди, наричани везни (наричани още кантар или теглилка). Различните видове везни използват основно два вида принципи на измерване:
Везните се използват в медицината, търговията, производството и научните лаборатории и преди употреба трябва да се калибрират.
Измерваните дължини в природата могат да бъдат от наноразмери до светлинни години. За всеки размер се използват подходящите измервателни уреди и физични методи. Това могат да бъдат оптически уреди като измервателни микроскопи, лазерни далекомери или други подходящи уреди. Най-елементарният уред за измерване на дължина е линийката, изобретена още 1500 г. пр.н.е. и изработена от слонова кост от индската цивилизация. Днес се прави от пластмаса и се използва в геометрията, картографията, техническото чертане, инженерните науки и други за измерване на дължини или построяване на прави линии. Тя е вече разграфена и калибрирана.
Други уреди за измерване на дължина са дърводелският метър, шивашкият метър и ролетката. Дърводелският метър всъщност е дълъг един или два метра, но може да се сгъва до дължина от само 20 cm, което го прави много удобен за носене в джоба. От друга страна шивашкият метър е направен от мека пластмаса или импрегниран плат, така че да се навива и да измерва кривини, като обиколка на кръст и други, и също заема много малко място и може да се носи в джоба. Ролетката е инструмент за измерване на дължини, който е направен най-често от метална лента, широка от 1 до 2 cm, с деления в една или две мерни единици (например сантиметри и инчове), която се навива и прибира в собствен корпус посредством вграден механизъм (обикновено пружина за ролетки до 10 m), има и механизъм за застопоряване. Използва се в строителството, промишлеността, бита и земемерството. Дължината на ролетката е от 1 до 100 m.
В науката и промишлеността за прецизни измервания на дължини са разработени много модерни методи, едни от които са лазерни уреди за измерване на разстояния и движение (микропреместване).
Уредите за измерване на времето се наричат часовник и хронометър. Служат за измерване на времетраенето на дадено събитие или процес и за по-добро планиране на отделните дейности. Часовникът е едно от най-старите човешки изобретения; в съвременната си форма е изобретен около 14 век. Днес най-точните устройства за измерване и отчитане на времето са атомните часовници, които могат да запазят точността си до секунда в продължение на милиони години и служат за еталониране на средствата за измерване на времето.
Уредите за измерване на температурата се наричат термометри. За практическо измерване на температурата се избира някой термодинамичен параметър (например температурното разширение) на определено термометрично вещество (например течност, като живак или спирт). Изменението на този параметър еднозначно се свързва с изменението на температурата. Съществуват термометри, които използват и други физични свойства, например електрическото съпротивление.
За измерване на налягането на газове и течности в затворено пространство се използват манометри, а за измерване на налагането на атмосферния въздух (т.нар. атмосферно налягане) се използват барометри.
Има най-различни мерни единици и измервания, извършвани от различни групи хора за развлечение, измислени или реално съществуващи, но предназначени основно за шеги. В англоезичния свят такива са например: