دستگاه بینالمللی یکاها (SI)[1]: زبان جهانی اندازهگیری
چرا به یک سیستم جهانی اندازهگیری نیاز داریم؟
تصور کنید میخواهید یک دستور کیک را دنبال کنید. در یک دستور نوشته شده: «2 فنجان آرد». اما اگر فنجان شما با فنجان نویسندهٔ دستور متفاوت باشد، کیک شما خراب میشود! در گذشته، هر کشوری یا حتی هر منطقهای واحدهای اندازهگیری مخصوص به خود داشت (مانند ذرع، گز، فرسنگ). این بینظمی در تجارت و علم مشکلات زیادی ایجاد میکرد. برای حل این مشکل، دانشمندان به فکر ایجاد یک سیستم اندازهگیری یکسان، دقیق و قابل تکرار برای همه افتادند که نتیجه آن، شکلگیری دستگاه بینالمللی یکاها (SI) بود.
هفت سنگ بنای اندازهگیری: یکاهای اصلی SI
سیستم SI بر اساس هفت یکای اصلی بنا شده است. هر کمیت فیزیکی اصلی، یکای استاندارد خودش را دارد. این یکاها بهگونهای انتخاب شدهاند که به هم وابسته نباشند.
| کمیت فیزیکی | نام یکا | نماد یکا | تعریف مختصر (مثال) |
|---|---|---|---|
| طول | متر[4] | m | مسافتی که نور در خلأ در 1/299,792,458 ثانیه میپیماید. (قد یک انسان بالغ حدود 1.7 m) |
| جرم | کیلوگرم[5] | kg | بر اساس ثابت پلانک[6] تعریف میشود. (یک لیتر آب تقریباً جرمی برابر 1 kg دارد) |
| زمان | ثانیه[7] | s | مدت زمان 9,192,631,770 دوره از تابش مربوط به گذار اتم سزیم.[8] (ضربان قلب در حالت استراحت حدود 1 بار در ثانیه) |
| جریان الکتریکی | آمپر[9] | A | جریانی ثابت که با عبور از دو سیم موازی بینهایت در خلأ، نیروی مشخصی بین آنها ایجاد میکند. (یک لامپ کوچک حدود 0.5 A جریان میکشد) |
| دمای ترمودینامیکی | کلوین[10] | K | 1/273.16 دمای نقطهٔ سهگانهٔ آب. (دمای اتاق حدود 293 K است) |
| مقدار ماده | مول[11] | mol | مقدار مادهای که به تعداد اتمهای موجود در 0.012 kg کربن-$^{12}$ ذره (اتم، مولکول، یون و...) دارد. (کاربرد اصلی در شیمی) |
| شدت نور | کاندلا[12] | cd | شدت نور یک منبع در یک جهت خاص. (یک شمع معمولی حدود 1 cd روشنایی دارد) |
ساختن یکاهای جدید: یکاهای فرعی
بیشتر کمیتهایی که در زندگی روزمره و علم با آنها سر و کار داریم، مانند مساحت، سرعت، نیرو و انرژی، از ترکیب یکاهای اصلی ساخته میشوند. به اینها، یکاهای فرعی میگوییم. برای مثال:
یکاهای فرعی مهم دیگری نیز وجود دارند که نام مخصوص خود را گرفتهاند، مانند نیوتن برای نیرو ($1\ N = 1\ kg.m/s^2$) یا ژول برای انرژی ($1\ J = 1\ N.m$).
پیشوندها: از بسیار کوچک تا بسیار بزرگ
اندازهگیری فاصلهٔ بین شهرها با متر، یا جرم یک قرص دارو با کیلوگرم، اعداد بسیار بزرگ یا بسیار کوچکی تولید میکند که کار با آنها سخت است. برای رفع این مشکل، SI از پیشوندها استفاده میکند. این پیشوندها در واقع مضاربی از توان ده هستند که قبل از نام یکا میآیند.
| پیشوند | نماد | ضریب (توان ده) | مثال کاربردی |
|---|---|---|---|
| کیلو | k | 103 (1,000) | کیلوگرم (kg)، کیلومتر (km) |
| سانتی | c | 10-2 (0.01) | سانتیمتر (cm) |
| میلی | m | 10-3 (0.001) | میلیلیتر (mL)، میلیگرم (mg) |
| میکرو | μ | 10-6 | میکرومتر (μm) برای اندازهگیری باکتری |
| مگا | M | 106 (1,000,000) | مگاهرتز (MHz) در فرکانس رادیو |
| گیگا | G | 109 | گیگاهرتز (GHz) در سرعت پردازندهٔ رایانه |
یکاها در عمل: از آزمایشگاه تا زندگی روزمره
شاید فکر کنید SI فقط مربوط به دانشمندان در آزمایشگاههاست، اما این سیستم بهطور گستردهای در اطراف ما حضور دارد. وقتی پزشک فشار خون شما را میگیرد، نتیجه را بر حسب میلیمتر جیوه (mmHg) اعلام میکند که یک یکای فرعی بر اساس SI است. وقتی بستهبندی خوراکیها را میخوانید، میزان انرژی آن بر حسب کیلوژول (kJ) یا کیلوکالری درج شده است. حتی وقتی میگویید سرعت اینترنت شما 50مگابیت بر ثانیه است، از پیشوند مگا و یکای ثانیه استفاده کردهاید. در ورزش، رکورد دو 100 متر بر حسب ثانیه ثبت میشود و در نجومی، فاصلههای بین سیارهای را گاهی با واحدهایی مانند «سال نوری» میسنجند که خود بر اساس سرعت نور (متر بر ثانیه) تعریف میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. یکای اصلی جرم در SI، کیلوگرم است نه گرم. دلیل تاریخی دارد و به خاطر استاندارد کردن یک شیء فیزیکی (استاندارد کیلوگرم) بود. گرچه پیشوند «کیلو» نشاندهندهٔ 1000 است، اما کیلوگرم بهعنوان یکای پایه انتخاب شده است. با این حال، در محاسبات علمی، اغلب از گرم نیز استفاده میشود.
پاسخ: این یک اشتباه رایج است. جرم مقدار مادهٔ تشکیلدهندهٔ یک جسم است و در همه جای جهان ثابت میماند. یکای آن کیلوگرم (kg) است. اما وزن، نیرویی است که در اثر گرانش به جرم وارد میشود (وزن = جرم × شتاب گرانش). یکای وزن در SI، مانند هر نیروی دیگری، نیوتن (N) است. وزن شما روی ماه کمتر از زمین است، چون گرانش ماه کمتر است، اما جرم شما در هر دو مکان یکسان است.
پاسخ: سیستم اینچ و پوند (سیستم امپراتوری) یک سیستم قدیمی است که هنوز در برخی کشورها برای مصارف غیرعلمی رایج است. سیستم SI به دلایل زیادی برتر است: ۱) یک سیستم دهدهی است (بر پایهٔ عدد 10) که محاسبات را بسیار آسان میکند. ۲) یکاهای آن به هم وابسته و منسجم هستند. ۳) یک سیستم بینالمللی است که ارتباط علمی و تجاری را تسهیل میکند.
پاورقی
[1] SI: مخفف International System of Units (دستگاه بینالمللی یکاها).
[2] یکاهای اصلی: Base Units.
[3] یکاهای فرعی: Derived Units.
[4] متر: Metre (متر).
[5] کیلوگرم: Kilogram.
[6] ثابت پلانک: Planck constant.
[7] ثانیه: Second.
[8] گذار اتم سزیم: Transition of the caesium-133 atom.
[9] آمپر: Ampere.
[10] کلوین: Kelvin.
[11] مول: Mole.
[12] کاندلا: Candela.
