یکاهای اندازه‌گیری: زبان مشترک علم و زندگی
چرا به اندازه‌گیری نیاز داریم؟
تصور کنید می‌خواهید برای دوست خود یک میز تحریر بسازید. چگونه اندازه چوب‌های مورد نیاز را به نجار می‌گویید؟ یا وقتی برای خرید شیر به مغازه می‌روید، چگونه مقدار آن را مشخص می‌کنید؟ پاسخ همه این سوالات در یک کلمه است: اندازه‌گیری. اندازه‌گیری به ما کمک می‌کند تا کمیت‌های مختلف مانند طول، جرم، زمان و حجم را به صورت دقیق و قابل درک برای همه بیان کنیم. بدون یکاهای استاندارد اندازه‌گیری، هرج و مرج به وجود می‌آمد و انجام کوچک‌ترین معاملات و پروژه‌های علمی غیرممکن می‌شد.
سیستم متریک: زبان جهانی اندازه‌گیری
امروزه پرکاربردترین سیستم اندازه‌گیری در جهان و به ویژه در علم، سیستم بین‌المللی یکاها1 (SI) است که به آن سیستم متریک نیز می‌گویند. این سیستم بر پایه عدد 10 (مبنای ده) استوار است که تبدیل بین یکاهای کوچک و بزرگ را بسیار آسان می‌کند. برای مثال، هر متر برابر با 100 سانتی‌متر و هر کیلومتر برابر با 1000 متر است.
یکاهای اصلی و تعریف آن‌ها
سیستم SI بر هفت یکای اصلی تعریف شده است. این یکاها پایه و اساس همه اندازه‌گیری‌های دیگر هستند.
| کمیت | نام یکا | نماد یکا | توضیح مختصر |
|---|---|---|---|
| طول | متر | m | مسافتی که نور در خلأ در 1/299,792,458 ثانیه می‌پیماید. |
| جرم | کیلوگرم | kg | جرم یک استوانه فلزی خاص به نام «ل Grande K» در فرانسه (اکنون بر اساس ثابت پلانک تعریف می‌شود). |
| زمان | ثانیه | s | مدت زمان 9,192,631,770 دوره از تابش مربوط به انتقال بین دو سطح انرژی اتم سزیوم-133. |
| جریان الکتریکی | آمپر | A | جریان ثابتی که اگر در دو رسانای موازی با طول بی‌نهایت قرار گیرد، نیروی مشخصی بین آن‌ها ایجاد می‌کند. |
یکاهای فرعی و پیشوندها
از ترکیب یکاهای اصلی، یکاهای دیگری به دست می‌آیند. برای مثال، سرعت از تقسیم طول بر زمان به دست می‌آید و یکای آن متر بر ثانیه (m/s) است. همچنین برای اندازه‌گیری مقادیر بسیار کوچک یا بسیار بزرگ از پیشوندهایی استفاده می‌شود که قبل از نام یکا می‌آیند.
| پیشوند | نماد | ضریب | مثال |
|---|---|---|---|
| کیلو | k | 1000 (103) | کیلومتر (km) = 1000 متر |
| سانتی | c | 0.01 (10-2) | سانتی‌متر (cm) = 0.01 متر |
| میلی | m | 0.001 (10-3) | میلی‌گرم (mg) = 0.001 گرم |
| میکرو | μ | 0.000001 (10-6) | میکرومتر (μm) برای اندازه‌گیری باکتری |
برای تبدیل بین این یکاها کافی است ضریب تبدیل را بدانیم. برای تبدیل متر به سانتی‌متر، عدد را در 100 ضرب می‌کنیم. برای تبدیل برعکس، عدد را بر 100 تقسیم می‌کنیم. مثلاً 2.5 m = 250 cm.
کاربرد یکاها در آزمایش‌های علمی ساده
بیایید یک آزمایش ساده را در نظر بگیریم: "بررسی سرعت رشد یک گیاه لوبیا". برای انجام این آزمایش به چه اندازه‌گیری‌هایی نیاز داریم؟
- طول: هر روز ارتفاع گیاه را با یک خط‌کش اندازه می‌گیریم. یکای آن سانتی‌متر (cm) است.
- زمان: مدت زمان رشد گیاه را اندازه می‌گیریم. یکای آن روز یا هفته است.
- حجم: مقدار آبی که به گیاه می‌دهیم باید ثابت باشد. از یک استوانه مدرج استفاده می‌کنیم و مثلاً هر روز 50 mL (میلی‌لیتر) آب به آن می‌دهیم.
- جرم: ممکن است بخواهیم بدانیم جرم دانه لوبیا چقدر است. آن را با ترازو اندازه می‌گیریم. یکای آن گرم (g) است.
در پایان می‌توانیم میانگین سرعت رشد گیاه را در روز محاسبه کنیم که یکای آن سانتی‌متر بر روز (cm/day) خواهد بود. این محاسبه با استفاده از یک فرمول ساده انجام می‌شود:
مثال عددی: اگر گیاهی در طول 10 روز از 5 cm به 15 cm برسد، سرعت رشد آن می‌شود: $ \dfrac{15 - 5}{10} = 1 \, \text{cm/day} $
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
این یک اشتباه بسیار رایج است. جرم مقدار ماده تشکیل‌دهنده یک جسم است و همیشه ثابت می‌ماند (یکای آن کیلوگرم). اما وزن در واقع نیروی جاذبه‌ای است که زمین به آن جرم وارد می‌کند (یکای آن نیوتن). وزن شما روی ماه کمتر از زمین است زیرا重力 ماه کمتر است، اما جرم شما در هر دو مکان یکسان است.
لیتر یک یکای رایج برای حجم مایعات و گازها در زندگی روزمره است (مثل یک بطری آب 1.5 L). اما در محاسبات علمی دقیق، یکای استاندارد حجم در سیستم SI، متر مکعب (m³) است. رابطه بین آن‌ها ساده است: 1 m³ = 1000 L.
رایج‌ترین یکاهای دما سلسیوس (°C) و فارنهایت (°F) هستند. اما یکای اصلی دما در سیستم SI، کلوین (K) است که در محاسبات علمی بسیار مهم است. صفر مطلق (سردترین دمای ممکن) برابر با 0 K یا -273.15 °C است.
پاورقی
1SI: Système international d'unités (سیستم بین‌المللی یکاها)