Средства измерений, обеспечивающие воспроизведение и (или) хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и предназначенные для обеспечения единства измерений, являются эталонами единиц физических величин .
В зависимости от подчиненности национальные эталоны подразделяются на первичные (исходные) и вторичные (подчиненные).
- Первичные эталоны воспроизводят и (или) хранят единицы и передают их размеры с наивысшей точностью, достижимой в настоящее время в соответствующих областях измерений.
- Специальные эталоны воспроизводят единицы в условиях, при которых прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью технически неосуществима.
Первичные и специальные эталоны являются исходными для страны и поэтому утверждаются в качестве государственных эталонов .
Вторичные эталоны подразделяются на:
- эталоны-копии,
- эталоны сравнения,
- рабочие эталоны.
Эталоны-копии являются связующими звеньями для передачи размера единицы от первичных к рабочим эталонам. Эталоны сравнения предназначены для взаимного сличения первичных эталонов, рабочие эталоны - для поверки образцовых и рабочих средств высшей и высокой точности.
В зависимости от состава технических средств, входящих в эталон, различают:
- одиночные эталоны,
- групповые,
- эталонные наборы,
- эталонные комплексы.
Одиночный состоит из одного средства измерений (меры, измерительного прибора, измерительной установки), обеспечивающего воспроизведение и (или) хранение единицы самостоятельно, без участия других средств измерений того же типа.
Групповой эталон - это совокупность однотипных средств измерений, применяемых как одно целое для повышения точности и метрологической надежности эталона. Размер единицы, хранимой групповым эталоном, определяют как среднее арифметическое из значений, найденных с помощью отдельных средств измерений, входящих в состав группового эталона.
Эталонный набор - совокупность средств измерений (мер или измерительных приборов), каждое из которых позволяет воспроизводить и хранить значения физической величины в определенном диапазоне. Иными словами, каждое отдельное средство измерений, входящее в состав эталона, имеет свои номинальные значения или диапазоны измерений. Совокупность средств измерений эталонного набора дает возможность расширить границы диапазона кратных и (или) дольных значений воспроизводимой физической величины.
Эталонный комплекс средств измерений - совокупность неоднотипных технических средств, необходимых для воспроизведения и хранения единицы. Именно к таким эталонам принадлежит государственный первичный эталон единицы массы .
Из чего состоит эталон массы
Он состоит из комплекса следующих средств измерений:
- национального прототипа килограмма - копии № 12 Международного прототипа килограмма, представляющего собой гирю из платиноиридиевого сплава, предназначенную для передачи размера единицы массы гире R1;
- национального прототипа килограмма - копии № 26 Международного прототипа килограмма, представляющего собой гирю из платиноиридиевого сплава, предназначенную для проверки неизменности размера единицы массы, воспроизводимой национальным прототипом килограмма № 12 и для замены его в период сличений 11 в МБМВ (международный банк мер и весов);
- гири R1 и набора гирь, изготовленных из платиноиридиевого сплава, предназначенных для передачи размера единицы массы эталонам-копиям;
- двух компараторов (эталонных весов).
Номинальное значение массы, воспроизводимое эталоном, составляет 1 кг. Государственный первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы со средним квадратическим отклонением результата измерений при сличении с Международным прототипом килограмма, не превышающим 2*10(-3) мг. Гирю R1 с номинальным значением массы 1 кг и набор гирь с номинальными значениями массы от 1*10(-6) до 5*10(-1) кг сличают с номинальным прототипом килограмма - копией № 12 - со средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 8*10(-3) мг для гири R1 и 2*10(-4) - 1,6*10(-2) мг - для набора гирь.
В качестве компараторов применяют эталонные весы однорычажного равноплечего исполнения, имеющие наибольшие пределы взвешивания 1 кг (НмПВ- 2*10(-3) мг), среднее квадратическое отклонение результатов наблюдений которых от 5*10(-4) до 3*10(-2) мг. Цена деления весов составляет от 1*10(-4) до 4*10(-2) мг. Вторичными эталонами единицы массы являются эталоны-копии и рабочие эталоны. В качестве эталонов-копий применяют гири с номинальным значением массы 1 кг, изготовленные из немагнитной нержавеющей стали и компаратор (весы). Среднее квадратическое отклонение результатов сличения эталонов-копий с государственным не должно превышать 1*10(-2) мг.
Эталонные весы, используемые в качестве компаратора, с наибольшим пределом взвешивания 1 кг имеют среднее квадратическое отклонение результата наблюдений, не превышающее 3*10(-2) мг. Цена деления весов, не должна превышать 4*10(-2) мг. Нестабильность эталонов-копий v за межповерочный срок не должна превышать 3*10(-2) мг. Эталоны-копии применяют для передачи размера единицы массы рабочим эталонам сличения с помощью компаратора. В качестве рабочих эталонов применяют одиночные гири, номинальной массы 1 кг и наборы гирь массой от 1 до 500 г, изготовленные из немагнитной нержавеющей стали, и компараторы (весы).
Среднее квадратическое отклонение результатов сличения рабочих эталонов с эталонами-копиями должно лежать в пределах от 8*10(-4) до 2*10(-2) мг.
Эталонные весы (компараторы), имеющие диапазон измерений от 2*10(-3) до 1 кг, обеспечивают значение среднего квадратического отклонения результатов наблюдений на весах от 5*10(-4) до 5*10(-2) мг. Цена деления эталонных весов составляет от 1*10(-4) до 4*10(-2) мг. Нестабильность рабочих эталонов v за межповерочный интервал составляет от 16*10(-4) до 4*10(-2) мг.
Рабочие эталоны применяют для поверки образцовых гирь Iа и I разрядов и рабочих гирь 1-го класса сличением на компараторе. Средства, входящие в состав вторичных эталонов, выполняют следующие функции:
- хранение единицы,
- контроль условий хранения,
- передача размера единицы массы образцовым и рабочим средствам измерений.
Средства, методы и точность передачи размера единицы от эталона рабочим средствам измерений регламентируются документами, утвержденными в установленном порядке, называемыми поверочными схемами. Различают государственные и локальные поверочные схемы.
Государственные поверочные схемы утверждаются в качестве государственных стандартов. Приведенные в поверочных схемах названия эталонных, образцовых и рабочих средств измерений сопровождаются числовыми значениями рабочих диапазонов воспроизведения (для мер) или измерения (для измерительных приборов) воспроизводимых или измеряемых физических величин, а также значениями пределов допускаемой погрешности всех средств измерений, входящих в поверочную схему.
Методы поверки
Важное значение для четкой регламентации и ранжирования взаимосвязи средств измерений, входящих в ту или иную поверочную схему, имеют методы, применяемые при поверке. Методы поверки, указанные в поверочной схеме, отражают специфику поверки данного вида средств измерений. Они должны соответствовать одному из следующих общих методов:
- непосредственное (без компаратора) сличение поверяемого средства измерений с образцовым средством измерений того же вида, т. е. меры с мерой или измерительного прибора с измерительным прибором;
- прямое измерение поверяемым измерительным прибором величины, воспроизведенной образцовой мерой;
- прямое измерение образцовым измерительным прибором величины, воспроизведенной мерой, подвергаемой поверке;
- косвенные измерения величины, воспроизводимой мерой или измеряемой прибором, подвергаемым поверке;
- независимая поверка, т. е. поверка средств измерений относительных (безразмерных) величин, не требующая передачи размера единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений, градуированным в единицах измеряемых величин.
Специфика средств измерений, входящих в приведенную на рис.1 схему, позволяет использовать и регламентировать только два из шести перечисленных методов поверки:
- сличение поверяемого средства измерений с образцовым средством измерений того же вида с помощью компаратора;
- прямое измерение поверяемым измерительным прибором величины, воспроизведенной образцовой мерой.
Для раскрытия взаимосвязей средств измерений, имеющих место при передаче размера единицы массы от эталона рабочим мерам и приборам ниже приведены основные параметры и нормированные значения погрешности образцовых и рабочих средств измерений, входящих в названную поверочную схему, а также указаны методы, применяемые при поверке каждого средства измерений.
Точность не бывает лишней. Именно поэтому во всем мире создана и существует система международных измерений, выраженная в эталонах всех известных человеку измерений. И только эталон килограмма выделяется в линейке единиц измерения. Ведь именно он единственный имеет физический реально существующий прототип. Сколько весит и в какой стране хранится международный эталон килограмма, ответим в этой статье.
Зачем нужны эталоны?
Килограмм, например апельсинов, весит одинаково в Африке и в России? Ответ - да, почти. А все благодаря международной системе определения стандартов эталонакилограмма, метра, секунды и других физических параметров. Эталоны измерений необходимы человечеству для обеспечения экономической деятельности (торговли) и строительной (единство чертежей), промышленной (единство сплавов) и культурной (единство временных интервалов) и многих других сфер деятельности. И если в ближайшем будущем сломается ваш айфон, то весьма вероятно, что это случилось из-за изменений в весе самого главного эталона массы.
История стандартов
Каждая цивилизация имела собственные стандарты и эталоны, которые сменяли друг друга по прошествии веков. В Древнем Египте масса предметов измерялась в кантарах или киккарах. В Древней Греции это были таланты и драхмы. А в России масса товара измерялась в пудах или золотниках. При этом люди разных экономических и политических систем как бы договаривались о том, что единица измерения массы, длины или другого параметра будет сопоставима с единой договорной единицей. Что интересно, даже пуд в давние времена мог отличаться на треть у торговцев из разных стран.
Физика и стандарты
Договоренности, часто устные и условные, работали до того, пока человек не занялся всерьез наукой и инженерным делом. С пониманием законов физики и химии, развитием промышленности, созданием парового котла и развитием международной торговли появилась необходимость в более точных единых стандартах. Подготовительная работа была длительной и кропотливой. Физики, математики, химики всего мира работали над поиском универсального эталона. И в первую очередь - международного эталона килограмма, ведь именно от отталкиваются другие физические параметры (Ампер, Вольт, Ватт).
Метрическая конвенция
Знаменательное событие произошло в предместье Парижа в 1875 году. Тогда впервые 17 стран (и Россия в их числе) подписали метрическую конвенцию. Это международный договор, обеспечивающий единство стандартов. Сегодня к ней присоединились 55 стран в качестве полноправных членов и 41 страна как ассоциированные члены. Тогда же созданы Международное бюро мер и весов и международный комитет мер и весов, главная задача которых следить за единством стандартизации по всему миру.
Эталоны первой метрической конвенции
Эталоном метра стала линейка из сплава платины и иридия (9 к 1) длиною в одну сорокамиллионную часть Парижского меридиана. Эталон килограмма из такого же сплава соответствовал массе одного литра (дециметра кубического) воды при температуре в 4 градуса по Цельсию (наивысшая плотность) при стандартном давлении над уровнем моря. Стандартом секунды стала 1/86400 часть длительности средних солнечных суток. Все 17 стран участников конвенции получили по копии эталона.
Место Z
Прототипы и оригинал эталона сегодня хранятся в Палате мер и весов в г. Севр под Парижем. Именно в предместье Парижа и находится место, где хранится эталонкилограмма, метра, канделы (сила света), ампера (сила тока), кельвина (температура) и моль (как единица вещества, физического эталона нет). Система мер и весов, которая основана на этих шести эталонах, названа Международной системой единиц (СИ). Но история эталонов на этом не окончилась, она еще только начиналась.
СИ
Система стандартов, которой мы пользуемся - СИ (SI), от французского Systeme International d’Unites - включает семь базовых величин. Это метр (длина), килограмм (масса), ампер (сила тока), кандела (сила света), кельвин (температура), моль (количество вещества). Все остальные физические величины получаются путем различных математических исчислений с использованием базовых величин. Например, единица силы равна кг х м/с 2 . Все страны мира, кроме США, Нигерии и Мьянмы, используют систему СИ для измерений, что означает сравнение неизвестной величины с эталоном. А эталон - это эквивалент физического значения, о котором все договорились, что он абсолютно точен.
Эталон кило это сколько?
Казалось бы чего проще - эталон 1 килограмма это вес 1 литра воды. Но на самом деле это не совсем так. Что принимать за эталон килограмма из порядка 80 прототипов - вопрос довольно сложный. Но волею случая был выбран оптимальный вариант состава сплава, который просуществовал более 100 лет. Эталон килограмма массы изготовлен из сплава платины (90 %) и иридия (10 %), и представляет собой цилиндр, диаметр которого равен высоте и составляет 39,17 миллиметров. Были также изготовлены и его точные копии, количеством в 80 штук. Копии эталона килограмманаходятся в странах-участниках конвенции. Главный же эталон хранится в предместье Парижа и накрыт тремя герметичными капсулами. Везде, где находится эталон килограмма,с периодичностью в десять лет проводится сверка с самым главным международным эталоном.
Самый главный эталон
Международный эталон килограмма был отлит в 1889 году и хранится в г. Севр во Франции в сейфе Международного бюро мер и весов, накрытый тремя герметичными колпаками из стекла. Ключи от этого сейфа есть лишь у трех высокопоставленных представителей бюро. Вместе с главным эталоном в сейфе находится и шесть его дублеров или преемников. Каждый год главную меру веса, что принимается за эталон килограмма, торжественно извлекают для освидетельствования. И с каждым годом он становится все худее и худее. Причина такого похудения - отрыв атомов при извлечении образца.
Российская версия
Копия эталона есть и в России. Хранится он во ВНИИ метрологии им. Менделеева в Санкт-Петербурге. Это два платиново-иридиевых прототипа - № 12 и № 26. Они находятся на подставке из кварца, накрыты двумя стеклянными колпаками и закрыты в металлическом сейфе. Температура воздуха внутри капсул 20 °С, влажность 65 %. Отечественный прототип имеет вес 1, 000000087 килограмма.
Эталон килограмма худеет
Сверки эталона показали, что точность национальных эталонов порядка 2 мкг. Все они хранятся в аналогичных условиях, и расчеты показывают, что эталон килограмма за сто лет теряет в весе 3 х 10 −8 веса. Но по определению, масса международного эталона соответствует 1 килограмму, а любые изменения реальной массы эталона приводят и к изменению самого значения величины килограмма. В 2007 году выяснилось, что килограммовый цилиндр стал весить на 50 микрограмм меньше. И уменьшение его веса продолжается.
Новые технологии и новый эталон меры веса
Для устранения погрешностей ведется поиск новой структуры эталона килограмма. Есть разработки по определению эталоном определенного количества изотопов кремния-28. Существует проект «Электронный килограмм». В национальном институте стандартов и технологий (2005, США) сконструирован прибор, основанный на необходимой для создания электромагнитного поля, способного поднять 1 кг массы. Точность такого измерения - 99,999995 %. Есть разработки определения массы в отношении к массе покоя нейтрона. Все эти разработки и технологии позволят уйти от привязки к физическому эталону массы, достичь более высокой точности и возможности проведения сверки в любой точке мира.
Другие перспективные проекты
И пока мировые светила науки определяются, какой путь решения проблемы более надежен, самым перспективным считают проект, при котором масса не будет меняться с течением времени. Таким эталоном стало бы тело кубической формы из атомов изотопа углерода-12 с высотой в 8,11 сантиметра. В таком кубе будет 2250 х 281489633 атомов углерода-12. Исследователи из национального института стандартов и технологий США предлагают определять эталон килограмма, используя постоянную Планка и формулу E=mc^2 .
Современная метрическая система
Современные эталоны совсем не те, что были ранее. Метр, первоначально соотнесенный с длиною окружности планеты, сегодня соответствует расстоянию, что проходит луч света за одну 299792458-ю секунды. А вот секунда - это то время, за которое проходит 9192631770 колебаний атома цезия. Преимущества квантовой точности в данном случае очевидны, ведь они могут быть воспроизведены в любом месте планеты. В итоге, единственным эталоном, который существует физически, остается пока эталон килограмма.
Сколько стоит эталон?
Просуществовав более 100 лет, эталон уже стоит немало, как предмет уникальный и артефактный. А в целом для определения ценового эквивалента необходимо подсчитать количество атомов в килограмме чистого золота. Число получится из порядка 25 цифр и это без учета идейной ценности данного артефакта. Но пока о продаже эталона килограмма говорить рано, ведь пока не избавилось от единственно оставшегося физического эталона международной системы единиц.
Во всех часовых поясах планеты время определяется относительно всемирного времени UTC (например, UTC+4:00). Что примечательно, у аббревиатуры вообще нет расшифровки, она принята в 1970 году международным союзом электросвязи. Были предложены два варианта: английский CUT (Coordinated Universal Time) и французский TUC (Temps Universel Coordonné). Выбрали среднюю нейтральную аббревиатуру.
На море используется измерение «узел». Для измерения скорости корабля использовали специальный лаг с узлами на одинаковом расстоянии, который бросали за борт и отсчитывали количество узлов за определенный период времени. Современные приборы куда более совершенны, чем веревка с узлами, но название осталось.
Слово скурпулезность, значение которого чрезвычайная точность и аккуратность, пришло в языки от названия древнегреческого эталона веса - скрупула. Он был равен 1,14 грамму и использовался при взвешивании серебряных монет.
Название денежных единиц также часто берут начало в названиях мер веса. Так, стерлингами в Британии назывались монеты из серебра, таких монет весили фунт. В Древней Руси в ходу были «гривны серебра» или «гривны золота», что означало определенное количество монет, выраженное в весовом эквиваленте.
Странное измерение мощности автомобилей в лошадиных силах имеет вполне реальное происхождение. Изобретатель паровой машины именно так решил продемонстрировать преимущество своего изобретения над тяговым транспортом. Он подсчитал, сколько лошадь может поднять груза в минуту и обозначил это количество как одну лошадиную силу.
Что такое килограмм? Детский вопрос! Это же масса литра воды. Чтобы получить его в домашних условиях, достаточно иметь водопроводный кран и литровую банку. Но вот «настоящее и полновесное» эталонное кило в последнее время стремительно теряет в весе.
Увы, всемирный эталон килограмма, как явствует из New York Times, стал жертвой загадочной и продолжительной болезни. Заглянем в анамнез.
В XVIII веке килограмм был определён как масса кубического дециметра воды при температуре её наибольшей плотности (4 o С). Как оказалось, такое определение не вполне конструктивно: нужен очень точный кубический дециметр, совершенно чистая вода и абсолютно правильный термометр.
За дополнительными сведениями о заболевшем обратимся в Книгу Судеб - БСЭ.
«Килограмм, единица массы, одна из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ). Он равен массе международного прототипа, хранимого в Международном бюро мер и весов. Прототип в 1799 году был выполнен в виде цилиндрической гири из платины.
Масса прототипа килограмма оказалась приблизительно на 0,028 грамма больше массы одного кубического дециметра воды.
Самый главный на сегодняшний день килограмм - просто кусок железа (фото bipm.org).
В 1889 году было принято существующее определение килограмма и в качестве международного прототипа была утверждена гиря со знаком К („К“ готическое заглавное), изготовленная из платиноиридиевого сплава (10% Ir) и имеющая форму цилиндра диаметром и высотой 39 мм».
Оказывается, сработанный английским ювелиром платиноиридиевый килограмм - единственная основная единица СИ, доблестно хранящая своё определение аж с позапрошлого века. И сама хранящаяся в виде материального артефакта.
Метр, например, поначалу соотнесённый с длиной земной окружности, теперь приравнен к расстоянию, проходимому светом за одну 299792458-ю долю секунды. А собственно секунда - это время, за которое атом цезия совершает 9192631770 колебаний.
Мало того, что эти единицы определены с подобающей квантовой точностью, они ещё могут быть адекватно воспроизведены в любой точке мира. Клонировать килограмм куда сложнее, вдобавок для этого требуется сложная бюрократическая процедура.
Видимо, долгое время такое уникальное положение килограмма всех устраивало, раз не было достаточных побудительных оснований к созданию его скрупулёзной формулы.
Но переменчивый килограмм тянет за собой в дрейфующее плавание и Ватт, и другие смежные единицы измерения.
А в изменчивости килограмма не осталось никаких сомнений, несмотря на все меры предосторожности: эталон хранится под тремя герметичными стеклянными колпаками в сейфе охраняемого замка в окрестностях Парижа, а ключи от сейфа имеют лишь три особо приближенных бюрократа из Международного бюро мер и весов (Bureau International des Poids et Mesures — BIPM).
Килограмм и 6 его приспешников хранятся в постоянно запертом сейфе (фото bipm.org).
Вместе с главным килограммом в сейфе располагаются 6 преемников, а всего за время правления по его образу и подобию было изготовлено более 80 копий.
Для освидетельствования престарелого килограмма, происходящего раз в год, он торжественно извлекается из своего хранилища. И каждый раз обнаруживается микроскопическое уменьшение веса.
Килограмм чахнет. Об этом ясно говорят сравнения с другими обитателями сейфа. Природа болезни загадочна, но все симптомы налицо: за сто лет килограмм теряет около 0,00000003-й части своей драгоценной массы.
А ведь даже похудение всего на 50 микрограмм (меньше веса соляной крупинки) может серьёзно исказить результаты сложных научных вычислений. Не вызывает сомнений необходимость замены уникального килограмма на абстрактный килограмм.
Международная команда исследователей из Германии, Австралии, Италии и Японии под эгидой Немецкой лаборатории стандартов (German standards laboratory) хочет переопределить килограмм как массу определённого числа атомов. В лаборатории сделан совершенно круглый килограммовый шар из чистого кристаллического кремния.
Если точно известно, какие атомы составляют кристалл и на каком расстоянии они находятся друг от друга, то, измерив размер шара, можно вычислить число атомов кремния, его составляющих. Это число и будет определением килограмма.
Для производства шара необходимо было получить изотоп кремния очень высокой степени очистки. Помощь в этом начинании оказала Россия - на старых, ещё советских ядерных оружейных фабриках имеются центрифуги, использовавшиеся для выработки высокообогащённого урана.
Возможно, этот кремниевый шар станет новым килограммом. Но только в виде числа составляющих его атомов (фото nytimes.com).
Полученный шар потребовалось измерить на «круглость». Кристалл был педантично замерен в полумиллионе точек. Вывод: шар - самое круглое творение рук человеческих. Если увеличить шар до размеров Земли, высота Эвереста составит всего четыре метра.
Интригующая особенность шара: совершенно невозможно на глаз определить, покоится он или вращается. Только если на поверхность упадёт пылинка, взгляду будет за что зацепиться.
Хотя число атомов кремния, составляющих уникальный объект, ещё не подсчитано, методика уже вызывает критику из другого лагеря, сплотившего учёных из США, Англии, Франции и Швейцарии.
По их мнению, с сегодняшними технологиями невозможно точно сосчитать число атомов, поэтому килограмм легче и надёжнее вычислить, используя электрическое напряжение. Измерение энергии, дескать, проще подсчёта атомов. Может и проще, но только не на словах.
В работе используется сложный механизм, называемый балансом Ватта. В основу методики положена эквивалентность механической и электрической мощности.
Следует создать электромагнитное поле, поместить в него эталонный килограмм, и замерить параметры эксперимента. Поскольку гравитационное поле постоянно и детерминировано местоположением трёхэтажной установки, через эталонный килограмм можно связать значения механических и электрических величин.
Правда, надо ещё учесть приливно-отливные воздействия, а прочие проявления внешней среды можно исключить, поместив установку в глубокий вакуум.
Кремниевая сфера, созданная в Австралийской Национальной лаборатории измерений (Australias National Measurement Laboratory — NML).
Измерив значения длины, времени, электрического тока и сопротивления (а все они могут быть вычислены на основе фундаментальных и инвариантных квантовых явлений) можно квантовым же способом оцифровать и основную единицу - килограмм. Подобным образом была уже определена масса электрона.
О точности изощрённого и окольного способа вычисления килограмма говорить пока рано, учёные поглощены устранением колебаний напряжения в электрических цепях. Однако они уверены, что победа будет за ними, а не за конструкторами кремниевых шаров.
По информации New York Times, секция массы BIMP - инстанция, в конечном счёте, определяющая судьбу килограмма - склоняется к последнему подходу, но сделать окончательный выбор пока что очень сложно. Но выбирать хотят между этим двумя, хотя существуют и другие варианты.
Например, как и всё в нашем мире купли-продажи, пресловутый килограмм может иметь точное ценовое выражение.
Для его исчисления надо узнать количество атомов в килограмме чистого золота. По сегодняшним прикидкам, в таком числе должно быть порядка 25 цифр, но ничего более определённого сказать о нём нельзя.
Cтраница 2
Из сплава платины с иридием в нашей стране изготовлен эталон килограмма, представляющий собой прямой цилиндр диаметром 39 мм и высотой тоже 39 мм.
В Международной системе единиц (SI) килограмм (эталон килограмма в Севре) принят в качестве единицы массы для того, чтобы исключить эту путаницу.
Из сплава платины с иридием в нашей стране изготовлен эталон килограмма, представляющий собой прямой цилиндр диаметром 39 мм и высотой тоже 39 мм. Он хранится в Ленинграде, во Всесоюзном научно-исследовательском институте метрологии им.
Силы: 1 килограмм-силы (кгс) - вес эталона килограмма в месте его хранения (в Севре, где находится Международное бюро мер и весов); 1 кгс - основная единица устаревшей технической системы единиц; 1 тс (тонна силы) № кгс.
В СССР национальными прототипами являются эталон метра № 28 я эталон килограмма № 12, полученные Россией в 1889 г. от Международного бюро мер и весов. Тогда же были получены эталон метра № 11 и килограмма № 26, которые являются эталонами-копиями. Национальные прототипы и их копии хранятся и воспроизводятся во Всесоюзном научно-исследовательском институте метрологии (ВНИИМ) им.
Точка / характеризует наивысшую точность, которая достигается при сличениях эталонов килограмма. Кривая 2 имеет минимум при нагрузке, равной 1 кг. Это объясняется тем, что в точке / передача значения единицы массы производится прямым сравнением с эталонами, в то время как при других нагрузках сказываются дополнительно погрешности, связанные с калибровкой гирь, воспроизводящих кратные или дольные значения килограмма. Как известно, с уменьшением предельной нагрузки весов абсолютные значения погрешностей быстро падают. Быстрый рост значений приведенных погрешностей объясняется в значительной мере тем, что при малых нагрузках влияние внешних возмущений и сил трения сказывается в сравнительно большей степени, чем при больших нагрузках.
Исследования, производимые в этой области, пока еще не позволяют заменить искусственный эталон килограмма естественным, не зависящим от сохранности прототипа.
Новый эталон метра был изготовлен из устойчивого сплава платины и иридия и вместе с эталоном килограмма (масса 1 000028 куб.
В 1889 г. иод наблюдением международной комиссии было закончено изготовление 34 эталонов метра и 43 эталонов килограмма. В том же году в Париже на первой международной конференции по мерам и весам были утверждены международные прототипы метра и килограмма.
В подвалах ИнтернациональногсГбюро весов и мер близ - Парижа хранится эталон из иридистзй платины, признанный всеми как эталон килограмма. Так как литр является единицей измерения объемов жидкостей, более правильно и точно употреблять один миллилитр как одну тысячную часть литра, но не один кубический сантиметр.
Как бы ни была высока точность, с которой хранилась единица длины при помощи платиноиридие-вого штрихового прототипа метра, этот эталон подвержен изменениям, так как он являлся вещественным, как и эталон килограмма.
| Технохимические весы.| Пружинные весы. |
Единицей массы в СИ является килограмм. Эталон килограмма представляет собой специально изготовленный платиноиридиевый цилиндр, хранящийся в сейфе Международного бюро мер и весов в Севре, под Парижем.
Единица массы килограмм равна массе международного прототипа килограмма. Эталоном килограмма является платиноиридиевый прототип, принятый на III Генеральной конференции по мерам и весам в 1901 г. и хранящийся в Париже.
Для измерения силы ее сравнивают с весом определенных тел. Эталоном килограмма служит платино-иридиевыи цилиндр, хранящийся в Международной палате мер и весов в Севре близ Парижа. Вес эталона килограмма с большой точностью приближается к весу 1 дм3 чистой воды при температуре 4 С для географической широты Парижа.
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ ЭТАЛОН
ЕДИНИЦЫ МАССЫ (килограмм)
Эталонные весы с наибольшим пределом взвешивания 1 кг
Утвержден Постановлением Госстандарта СССР от 6.12.1984 г. № 4109, хранится во ВНИИМ им. Д.И.Менделеева. Эталон предназначен для воспроизведения, хранения и передачи размера единицы массы, получаемого на основании периодических сличений с Международным прототипом килограмма. Основу эталона составляют копии № 12 и № 26 Международного прототипа килограмма, который хранится в Международном бюро мер и весов. Копии были изготовлены фирмой «Джонсон, Маттей и К 0 » из платино-иридиевого сплава в виде прямого круглого цилиндра с высотой, равной диаметру, подогнаны по массе и исследованы в МБМВ, переданы России в 1889 г
В составе эталона:
Национальный прототип килограмма - копия № 12 Международного прототипа килограмма;
Национальный прототип килограмма - копия № 26 Международного прототипа килограмма;
Эталонная гиря массой 1 кг и набор эталонных гирь массой от 1 до 500 г из пла- тино-иридиевого сплава;
Эталонные весы-компараторы с наибольшими пределами взвешивания 1 кг; 200, 25 и 3 г.
Область применения:
Метрологическое обеспечение единства измерений массы во всех областях науки и производственной деятельности: машиностроение, приборостроение, микроэлектроника, транспорт, оборонная промышленность, научные исследования, системы контроля и учета продукции, сельское хозяйство и др.
Современные эталоны - это, как правило, сложные аппаратурные комплексы. А эталон массы был и остается гирей - платиново-иридиевой "образца 1889 года" (именно тогда Международное бюро мер и весов изготовило 42 эталона килограмма). Сущность самой измерительной операции также осталась прежней и сводится к сравнению двух масс при взвешивании. Конечно, изобретены сверхчувствительные весы, растет точность взвешивания, благодаря которой появляются новые научные открытия (так, например, были открыты аргон и другие инертные газы).
Эту килограммовую гирю из платины и иридия сделала в 1889 году парижская ювелирная фирма по заказу Международного бюро мер и весов. Всего таких эталонов было изготовлено 42, а стран, подписавших тогда конвенцию о принятии метрической системы, - 17. По мере “подключения” к новой системе измерений других стран им вручали эталон килограмма.
Килограмм никак не связан ни с физическими константами, ни с какими-либо природными явлениями. Поэтому эталон берегут тщательнее: не дают пылинке на него сесть, ведь пылинка - это уже несколько делений на чувствительных весах. Международный прототип эталона достают из хранилища не чаще одного раза в пятнадцать лет, российский - раз в пять лет. Все работы ведутся со вторичными эталонами (только их допускается сравнивать с основным), от вторичного эталона значение массы передается рабочим эталонам, от них - к образцовым наборам гирь.
Эталонные весы во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева установлены на специальном фундаменте в 700 тонн, не связанном со стенами здания, чтобы исключить влияние вибраций. Температура в помещении, где за сутки на весы устанавливаются две килограммовые гири, поддерживается с точностью до 0,01 о С, а все операции ведутся из соседней комнаты с помощью манипуляторов. Погрешность эталона массы России не превышает +0,002 мг.
Государственный первичный эталон единицы массы Государственный эталон единицы массы - килограмм - является самым древним из всех государственных эталонов, хотя в современном его составе он был утвержден в 1968 г. Размер килограмма был впервые задан при установлении метрической системы через размер его дольной единицы - грамма, определенного как масса дистиллированной воды при температуре таяния льда в объеме куба с ребром 1/100 метра. Позднее перешли к более удобному размеру единицы - килограмму, как массе воды в объеме кубического дециметра. В качестве нормальных условий была принята температура +4°С, при которой вода имеет наибольшую плотность. В 1889 г. по результатам тщательных измерений массы 1 дм3 воды во Франции был изготовлен первый прототип килограмма - платино-иридиевая гиря в виде цилиндра высотой 39 мм, равной ее диаметру, впоследствии названная архивным килограммом. Дальнейшие успехи точного взвешивания позволили установить, что масса архивного килограмма на 0,028 г больше массы 1 дм воды и что определить массу платинового килограмма можно в тысячу раз точнее, чем массу 1 дмводы. В 1878-83 гг. были изготовлены 43 новые килограммовые гири по образцу архивного килограмма из платиноиридиевого сплава. Одна из этих гирь, масса которой оказалась наиболее близкой к архивному килограмму, в 1899 г. на I ГКМВ была принята в качестве международного прототипа килограмма, который и определяет в настоящее время размер единицы массы для всех стран Метрической конвенции. Россия получила в 1889 году две копии (№12 и №26) международного килограмма. Первый Государственный эталон единицы массы в нашей стране был утвержден в 1918 г. Им являлся один из национальных прототипов, приобретенных Россией в 1889 г., - копия №12 международного прототипа килограмма. В МБМВ за 1883 -1889 гг. была произведена окончательная подгонка всех прототипов и их исследование. Вся процедура изготовления прототипа №12 и его исследования подробно изложена в сертификате МБМВ на этот прототип, согласно которому масса прототипа №12 на 1889 г. составляла1кг + (0,068± 0,002) мг. Все национальные прототипы каждые 25 - 35 лет должны сличаться в МБМВ с международным прототипом килограмма (или с его свидетелями). Передача размера килограмма (или его дольных частей) от прототипа №12 ко вторичным эталонам (эталонным гирям) до 1966 г. осуществлялась при помощи эталонных весов №1 с нагрузкой до 1 кг. Однако весы не входили тогда в состав Государственного эталона килограмма.Действующий в настоящее время Государственный первичный эталонединицы массы - килограмма утвержден в 1968 г. в составе следующих средств измерений: 1) копия №12 международного прототипа килограмма; 2) эталонные весы №1 и №2. Прототип №12 обеспечивает воспроизведение и хранение единицы массы национальном масштабе - масштабе всей страны. При этом используются сложные приемы бережливого хранения вещественного килограмма и ювелирная техника работы на эталоне. Даже при самом тщательном и осторожном применении прототипа неизбежно его взаимодействие с внешними объектами, неизбежен износ (изменение массы). Поэтому для его применения и хранения были выбраны особые правила и приемы, прежде всего - максимальное сокращение его перемещений и использование для передачи размера единицы нескольких эталонов-копий, сличение которых с прототипом №12 производится методом совокупных измерений. Для минимизации изменений массы прототипа он хранится на кварцевой пластинке под двумя стеклянными колпаками в стальном шкафу особого сейфа, находящегося в термостатированном помещении. Годовое колебание температуры в помещении не превышает 2°С. Важным элементом Государственного первичного эталона килограмма являются эталонные весы, при помощи которых осуществляется передача размера единицы вторичным эталонам - эталонам-копиям массой в 1 кг. Сличения проводятся примерно 1 раз в 10 лет. Эталонные весы являются одним из наиболее точных измерительных устройств. Как и большинство высокоточных весов, эталонные весы №1 и №2 являются равноплечными призменными рычажными весами. Весы №2 имеют ряд преимуществ по сравнению с весами №1 в части конструкции и снабжены автоматическим регистрирующим устройством. Управление обоими "эталонными" весами производится дистанционно при помощи манипуляторов, которые позволяют освобождать коромысла весов (и перемещать в них гири) из другого помещения, с расстояния почти 4 м.Для уменьшения влияний температурных и воздушных колебаний в процессе измерений, а также попадании всевозможных пылинок, эталонные весы заключены в специальный стеклянный кожух. Специальное устройство позволяет измерять дистанционно температуру воздуха внутри весов с погрешностью 0,002°С. Использование методики, основанной на способе Гаусса, позволяет обеспечивать на государственном первичном эталоне воспроизведение единицы массы в 1 кг и передачу ее размера вторичным эталонам с СКО результата, не превышающим 0,007 мг при условии соблюдения установленных правил хранения и применения эталонов массы. Государственный первичный эталон единицы массы хранится и применяется во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева. Опыт применения национальных прототипов килограмма из платиноиридиевого сплава на протяжении более 80 лет показал, что эти гири обладают высокой стабильностью массы; по исследованиям МБМВ эти гири обеспечат хранение единицы массы с погрешностью не более 10 -8 в течение нескольких столетий их применения. В настоящее время, однако, остается принципиальное несовершенство эталона, связанное с искусственным определением единицы массы. Стремясь заменить его естественным эталоном и получить гарантию определенной стабильности, ученые ведут поиски путей существенного повышения точности определения атомной единицы массы с тем, чтобы выразить килограмм через массу какой-либо элементарной частицы или атома. Германские ученые стремятся вывести единицу массы через трудоемкий подсчет количества атомов, содержащихся в килограммовом кристалле кремния. Речь идет об основном изотопе кремния - 28, отделением которого от прочих изотопов немецкие ученые занимаются совместно в сотрудничестве с российскими физиками-ядерщиками, разработавшими наиболее эффективные методы центрифужного получения высокообогащенных радиоактивных элементов. Американские ученые пошли по другому пути: их идея заключается в том, чтобы точно измерить в ваттах величину электромагнитной мощности, необходимой для уравновешивания эталонного килограмма (так называемый ваттовый баланс). Окончательное решение – какой из этих двух вариантов определения килограмма взять за основу – остается за Международным комитетом мер и весов.
Масса – это инерционная характеристика тела, показывающая, насколько трудно выводится оно внешней силой из состояния покоя или равномерного и прямолинейного движения. Единица силы есть сила, которая, воздействуя на единицу массы, изменяет ее скорость на единицу скорости в единицу времени.
Все тела притягиваются друг к другу. Таким образом, всякое тело вблизи Земли притягивается к ней. Иначе говоря, Земля создает действующую на тело силу тяжести. Эта сила называется его весом . Сила веса, как указывалось выше, неодинакова в разных точках на поверхности Земли и на разной высоте над уровнем моря из-за различий в гравитационном притяжении и в проявлении вращения Земли. Однако полная масса данного количества вещества неизменна; она одинакова и в межзвездном пространстве, и в любой точке на Земле.
Точные эксперименты показали, что сила тяжести, действующая на разные тела (т.е. их вес), пропорциональна их массе. Следовательно, массы можно сравнивать на весах, и массы, оказавшиеся одинаковыми в одном месте, будут одинаковы и в любом другом месте (если сравнение проводить в вакууме, чтобы исключить влияние вытесняемого воздуха). Если же некое тело взвешивать на пружинных весах, уравновешивая силу тяжести силой растянутой пружины, то результаты измерения веса будут зависеть от места, где проводятся измерения. Поэтому пружинные весы нужно корректировать на каждом новом месте, чтобы они правильно показывали массу. Простота же самой процедуры взвешивания явилась причиной того, что сила тяжести, действующая на эталонную массу, была принята за независимую единицу измерения в технике.
| Энергия движений | движ |  |
|||||||||
| Масса - килограмм (кг, kg) | микрограмм (мкг) = 10 –9 кг миллиграмм (мг) = 10 –6 кг грамм (г) = 10 –3 кг центнер метрический (ц) = 100 кг тонна метрическая (т, тн) = 1000 кг | ||||||||||
| Сила - ньютон (Н, N) Размерность: Н = кг·м/с2 | килоньютон (кН) = 1000 Н меганьютон (МН) = 106 Н | ||||||||||
| Энергия, работа, количество теплоты - джоуль (Дж, J) Размерность: Дж = Н·м = кг·м2/с2 | килоджоуль (кДж) = 1000 Дж мегаджоуль (МДж) = 106 Дж | ||||||||||
| Масса (мера механической инертности тел, т.е. инерционности; мера взаимодействия тел с гравитационным полем) | m | килограмм (кг) | |||||||||
| Сила (мера взаимодействия тел) | F = m · a | ньютон (Н = кг · м / с2) | |||||||||
| Работа (мера воздействия на тело, вызывающего изменение его состояния, в механике - вызывающего перемещение под действием силы, внешней или внутренней) | A = F · s | ||||||||||
| Энергия (мера способности тела совершить работу) | E = A | джоуль (Дж = Н · м) кг · м2 / с2 | |||||||||
| Кинетическая энергия | E к = m · v 2 / 2 | ||||||||||
| Потенциальная энергия в гравитационном поле | E п = m · g · Δh, где g - ускорение свободного падения, Δh - разность высот, между которыми переместилось тело массой m. | ||||||||||
| Энергия | Е | физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения материи и мерой перехода движения материи из одних форм в другие | |||||||||
| Сила | F | векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности взаимодействия тел. Приложенная к массивному телу сила является причиной изменения его скорости или возникновения в нем деформаций | |||||||||
| Джоуль | J | Работа, произведенная силой в 1 ньютон при перемещении ею тела на расстояние 1 метр в направлении действия | |||||||||
Механическая работа – физическая величина, равная произведению силы на путь, пройденный телом вдоль направления этой силы. Единица измерения работы – 1 джоуль (1 Дж = 1 Н·м).
Энергия тела – физическая величина, показывающая работу, которую может совершить это тело. Энергия измеряется теми же единицами, что и работа – джоулями.