Definícia, prijatie a praktické používanie fyzikálnych jednotiek zohráva v ľudskom poznaní kritickú úlohu. Fyzikálna jednotka je štandardizované množstvo fyzikálnej vlastnosti používaná na vyjadrenie konkrétneho množstva danej vlastnosti. Jednotky sú základným stavebným kameňom vedeckého poznania, inžinierstva, medicíny a dokonca aj každodenného obchodu. Bez nich by bolo porovnávanie meraní a výsledkov experimentov nemožné, čo by viedlo k chaosu a nepresnostiam.
Historický vývoj a potreba štandardizácie
Fyzikálne jednotky patria medzi najranejšie ľuďmi vynájdené „nástroje“. Primitívne spoločnosti potrebovali základné jednotky pri mnohých činnostiach, ako boli napr. Prvé známe systémy váh a mier vznikli niekedy v 4. a 3. tisícročí pred Kr. Mnoho systémov bolo založených na použití častí tela a prírodných pomôcok. Toto prevedenie Vitruviánskeho muža vytvorené Leonardom da Vinci, zobrazuje 9 historických jednotiek: yard, piaď, lakeť, flámsky lakeť, anglický lakeť, francúzsky lakeť, siahu, dlaň a stopu. Tieto skoré jednotky, hoci praktické pre miestne použitie, boli často nekonzistentné a líšili sa od regiónu k regiónu.
Bežne sa používali rozličné systémy jednotiek. V obchode váhy a miery zvyčajne podliehajú vládnej regulácii, aby sa zaistila spravodlivosť a transparentnosť. Pred súčasným metrickým sa používalo mnoho rozličných systémov. Často boli založené na rozmeroch ľudského tela, zodpovedajúc proporciám podľa popisu Marca Vitruvia Pollia. Táto nejednotnosť však spôsobovala značné problémy pri medzinárodnom obchode a vedeckej spolupráci.
Vznik a evolúcia metrického systému
Od prijatia originálneho metrického systému v roku 1791 vo Francúzsku sa vyvinulo množstvo metrických systémov jednotiek. Súčasný štandardizovaný medzinárodný metrický systém je Medzinárodná sústava jednotiek (SI). Dôležitá vlastnosť moderného systému je štandardizácia. Tento systém bol navrhnutý tak, aby bol logický, koherentný a založený na vedeckých princípoch, čím sa predišlo nepresnostiam a nejednoznačnostiam skorších systémov.
Imperiálne jednotky aj americké bežné jednotky sú odvodené od skorších anglických jednotiek. Imperiálne jednotky sa väčšinou používali v Britskom spoločenstve a Britskom impériu. Americké bežné jednotky sú stále hlavným systémom mier v USA napriek tomu, že Kongres 28. júla 1866 prijal metrické jednotky. Urobili sa aj ďalšie opatrenia na prijatie metrického systému v USA, najmä čiastočná redefinícia amerických bežných a imperiálnych jednotiek tak, aby sa dali priamo odvodiť od jednotiek SI.
Neočakávané opatrenie, ktoré poháňa moderný svet
Základné princípy Medzinárodnej sústavy jednotiek (SI)
Najpoužívanejší systém jednotiek je Medzinárodná sústava jednotiek SI. SI obsahuje 7 základných jednotiek. Pre väčšinu veličín sú jednotky potrebné na vyjadrenie hodnôt veličiny. Všetky veličiny však nevyžadujú vlastné jednotky. Použitím fyzikálnych zákonov možno veľkosť jednotky jednej veličiny vyjadriť kombináciou jednotiek iných veličín. Vďaka tomu je potrebných len málo jednotiek. Tieto jednotky sa označujú ako základné. Ostatné jednotky sú odvodené.
Základné jednotky SI nie sú najmenším možným súborom jednotiek. Boli definované menšie súbory. Napríklad existujú súbory jednotiek, v ktorých má elektrické a magnetické pole rovnakú jednotku. Každá hodnota fyzikálnej veličiny je vyjadrená pomerom k jednotke danej veličiny. Znak násobenia je zvyčajne vynechaný, tak ako je vynechaný medzi premennými vo vedeckom zápise vzorcov.
Základné jednotky SI a ich definície
- Meter (m): Meter je dĺžka dráhy, ktorú prejde svetlo vo vákuu za 1/299792458 sekundy. Táto definícia zabezpečuje, že meter je konštantný a nezávislý od akýchkoľvek fyzických objektov.
- Kilogram (kg): Kilogram sa rovná hmotnosti medzinárodného prototypu kilogramu (platino-irídiový valec), ktorý je umiestnený v Medzinárodnom úrade pre miery a váhy (BIPM) v Paríži. Pozoruhodné je, že kilogram je základná jednotka SI s predponou; gram je definovaný ako odvodená jednotka, rovná 1/1000 kilogramu. Predpony ako mega sa pridávajú ku gramu, nie kilogramu (napr. Mg, nie Mkg).
- Sekunda (s): Sekunda je trvanie presne 9192631770 periód žiarenia, ktoré zodpovedá prechodu medzi dvoma hladinami veľmi jemnej štruktúry základného stavu cézia (133Cs) pri teplote 0 kelvinov.
- Ampér (A): Ampér je stály elektrický prúd, ktorý pri prechode dvoma priamymi rovnobežnými nekonečne dlhými vodičmi zanedbateľného kruhového prierezu, umiestnenými vo vákuu vo vzdialenosti 1 meter od seba, vyvolá silu 2×10⁻⁷ newtonu na 1 meter dĺžky vodičov.
- Kelvin (K): Kelvin je 1/273,16 termodynamickej teploty trojného bodu vody. V bežnom živote sa však používajú po celom svete stupne Celzia (°C), ktoré sú s kelvinom priamo prevoditeľné.
- Mól (mol): Mól je látkové množstvo sústavy, ktorá obsahuje práve toľko elementárnych jedincov (entít), koľko je atómov v 0,012 kilogramu čistého uhlíka (12C). Pri udávaní látkového množstva treba elementárne častice (entity) špecifikovať; môžu to byť atómy, molekuly, ióny, elektróny, iné častice alebo bližšie určené zoskupenia častíc.
- Kandela (cd): Kandela je svietivosť zdroja, ktorý v danom smere vysiela monochromatické žiarenie s frekvenciou 540×10¹² hertzov, a ktorého žiarivosť v tomto smere je 1/683 wattu na steradián.
Odvodené jednotky a konverzia
Odvodené jednotky vznikajú kombináciou základných jednotiek. Napríklad, v SI je jednotka rýchlosti meter za sekundu (m/s). Jednotka sa môže násobiť sama sebou a vytvorí jednotku s exponentom (napr. m² pre plochu alebo m³ pre objem). Niektoré jednotky majú špeciálne názvy, no považujú sa za ekvivalenty. Napríklad 1 Newton je ekvivalentom k 1 kg·m/s².
Veličina tak môže mať niekoľko určených jednotiek. Na prevod medzi jednotkami sa používajú konverzné faktory. Jedným z príkladov dôležitosti správnej jednoty jednotiek je zlyhanie programu NASA Mars Climate Orbiter, ktorý bol namiesto vstupu na obežnú dráhu Marsu náhodne zničený pri nehode v septembri 1999. Príčinou boli nezhody v komunikácii o hodnotách fyzikálnych jednotiek: rozličné programy používali rozdielne jednotky (jeden tím používal newton-sekundy a druhý libry-sekundy). Ďalším známym incidentom bol pád nákladného letu Korean Air z Šanghaja do Soulu 15. apríla 1999, kde boli inštrukcie zmätočné, pretože výškomer bol v stopách, zatiaľ čo iné údaje boli v metroch.
Jednotky objemu a obsahu
Objem vyjadruje veľkosť priestoru, ktorý zaberá teleso. Ako jednotky objemu využívame „kubické“ jednotky odvodené od jednotiek dĺžky - napríklad meter kubický (m³) je objem veľkosti priestoru, ktorý zaberá kocka so stranou s dĺžkou 1 meter (táto jednotka sa ľudovo označuje tiež ako „kubík“).
Obsah vyjadruje veľkosť plochy. Základnou jednotkou obsahu je meter štvorcový (m²), čo je plocha štvorca so stranou s dĺžkou 1 meter.
V prípade väčšiny veličín máme základnú jednotku, z ktorej pomocou predpôn odvodzujeme ďalšie jednotky. Toto systematické použitie mocnín desiatky je jedným z hlavných rysov metrického systému jednotiek. Ak máte pocit, že prevody jednotiek sú komplikované, vedzte, že mnohé iné používané systémy jednotiek sú značne komplikovanejšie (napr. 12 palcov = 1 stopa, 3 stopy = 1 yard, 1760 yardov = 1 míľa).
Špeciálne jednotky a ich využitie
- Typografické jednotky: Jednotka pixel sa dá interpretovať aj v jednotkách dĺžky, a preto sa môžeme stretnúť so značkami mm, cm, in, pt a pc, ktoré predstavujú klasické rozmery. Typografické jednotky pt (point) a pc (pica) sa odvodzujú od anglického palca. Prevod pt na pixely je závislý od nastavenia systémového zobrazenia. Normálne sú monitory nastavené na 96 dpi (96 px na palec), čo pri 72 pt na palec dáva vzťah 3pt = 4px.
- Jednotky rádioaktivity: 1 Ci (Curie) je množstvo rádioaktívnej látky, v ktorej nastane za 1 sekundu 37 miliárd (3,7 * 10¹⁰) rádioaktívnych rozpadov. Tento počet približne súhlasí s počtom alfa-častíc vyslaných 1 gramom rádia za 1 sekundu.
- Prírodné jednotky: Niektoré fyzikálne jednotky sa vo vede vyskytujú prirodzene ako základné prírodné konštanty. Systémy jednotiek založené na týchto jednotkách sa označujú ako prírodné jednotky, alebo prirodzená sústava jednotiek.
Dôležitosť metrológie a BIPM
Medzinárodný úrad pre miery a váhy (BIPM; z francúzskeho Bureau international des poids et mesures) zaisťuje celosvetovú jednotnosť fyzikálnych jednotiek. Vo fyzike a metrológii sú fyzikálne jednotky štandardom pre meranie fyzikálnych veličín. Reprodukovateľnosť a porovnateľnosť výsledkov experimentov je pre vedecké metódy kľúčová, čo práve štandardný systém fyzikálnych jednotiek uľahčuje. Vedecké systémy fyzikálnych jednotiek sú upresnením starého konceptu váh a mier, pôvodne vyvíjaného pre komerčné účely.
Veda, medicína a inžinierstvo často používajú väčšie alebo menšie jednotky ako tie používané v bežnom živote. Napríklad v medicíne sa často používajú miligramy a mikrogramy, zatiaľ čo v astronómii sa používajú svetelné roky. V spoločenských vedách neexistujú žiadne štandardizované jednotky, čo sťažuje kvantifikáciu a porovnávanie výsledkov naprieč štúdiami.
Treba rozlišovať medzi jednotkami a štandardmi. Jednotka je daná svojou definíciou a je nezávislá od fyzikálnych podmienok ako je teplota. Napriek tomu štandard je realizácia jednotky a predstavuje danú jednotku iba za určitých fyzikálnych podmienok.
Celkovo možno povedať, že pochopenie a správne používanie fyzikálnych jednotiek je nevyhnutné pre pokrok vedy, techniky a udržanie poriadku v medzinárodnom obchode a komunikácii.