Μονάδες μήκους, μάζας και χρόνου

Για να μπορούν οι επιστήμονες να επικοινωνούν μεταξύ τους ως προς τις μετρήσεις των φυσικών μεγεθών, δημιουργήθηκε η ανάγκη του ορισμού κοινών μονάδων μέτρησης. Έτσι το 1960, μια διεθνής επιτροπή όρισε τις μονάδες μέτρησης των θεμελιωδών μεγεθών. Το σύστημα που διαμόρφωσε ονομάζεται Διεθνές Σύστημα και συμβολίζεται με SI. Στο σύστημα αυτό οι μονάδες μάζας, μήκους και χρόνου είναι, το χιλιόγραμμο μάζας (Kg), το μέτρο (m) και το δευτερόλεπτο (s) αντίστοιχα. Άλλες πρότυπες μονάδες του SI που ορίστηκαν από την ίδια επιτροπή είναι οι μονάδες θερμοκρασίας το Κελβιν (Kelvin), του ηλεκτρικού ρεύματος το αμπέρ (ampere), της έντασης φωτοβολίας η καντέλα (candela) και της ποσότητας της ύλης το μολ (mole). Αυτές οι επτά θεμελιώδης μονάδες είναι οι βασικές μονάδες του SI. Παρακάτω περιγράφονται οι ορισμοί των μονάδων των θεμελιωδών μεγεθών της μηχανικής, όπως ορίζονται στο σύστημα SI:

Μάζα

Μονάδα μάζας του SI είναι το χιλιόγραμμο που ορίζεται με την ποσότητα μάζας ενός κυλίνδρου κατασκευασμένου από κράμα λευκόχρυσου – ιριδίου που φυλάσσεται στο Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών στην πόλη Sevres της Γαλλίας.

Το πρότυπο αυτό μέτρο μάζας συμφωνήθηκε το 1901 και δεν έχει επέλθει από τότε καμία αλλαγή στον ορισμό του, διότι το κράμα λευκόχρυσου – ιριδίου είναι σταθερό και δεν αλλοιώνεται.

Χρόνος

Πριν από το 1960 η μονάδα του χρόνου οριζόταν με τη χρησιμοποίηση της μέσης ηλιακής μέρας. Έτσι το μέσο ηλιακό δευτερόλεπτο, που είναι η βασική μονάδα χρόνου, είχε αρχικά οριστεί ως το (1/60)(1/60)(1/24) της μέσης ηλιακής μέρας. Ο χρόνος που μετριέται με βάση την περιστροφή της Γης γύρο από τον άξονα της λέγεται παγκόσμιος χρόνος. Σήμερα όμως είναι γνωστό ότι η περίοδος περιστροφής της Γης γύρω από τον άξονα της μεταβάλλεται.

Το 1967 ορίστηκε εκ νέου το δευτερόλεπτο με την χρησιμοποίηση οργάνων που λέγονται ατομικά ρολόγια. Μ’ αυτά τα όργανα μετριούνται οι συχνότητες συγκεκριμένων ατομικών μεταπτώσεων (που είναι πολύ σταθερές) με ακρίβεια 1:1012. Αυτό αντιστοιχεί σε αβεβαιότητα μικρότερη από 1 δευτερόλεπτο κάθε 30.000 χρόνια. Οι συχνότητες αυτές δεν είναι ευαίσθητες σε αλλαγές του περιβάλλοντος του «ρολογιού». Έτσι, το 1967 ορίστηκε εκ νέου η μονάδα χρόνου του SI, το δευτερόλεπτο (second), με τη χρησιμοποίηση της χαρακτηριστικής συχνότητας του ατόμου του καισίου ως «ρολογιού αναφοράς».

Ένα δευτερόλεπτο ορίζεται ο χρόνος που χρειάζεται ένα άτομο καισίου 133 για να κάνει 9.192.631.770 ταλαντώσεις. Αυτό το νέο πρότυπο μέτρο του χρόνου έχει το πλεονέκτημα ότι δεν καταστρέφεται και είναι εύκολο να το αναπαραγάγει κανείς στο εργαστήριο.

Μήκος

Μέχρι το 1960 μονάδα του μήκους ήταν το μέτρο που είχε οριστεί ότι ισούται με την απόσταση ανάμεσα σε δυο γραμμές χαραγμένες πάνω σε ειδική ράβδο λευκόχρυσου – ιριδίου που φυλασσόταν σε χώρο με ελεγχόμενη θερμοκρασία. Ωστόσο, η περιορισμένη ακρίβεια με την οποία μπορεί να μετρηθεί η απόσταση ανάμεσα στις δυο γραμμές δεν ικανοποιεί τις ανάγκες της σημερινής επιστήμης και τεχνολογίας. Έτσι ορίστηκε εκ νέου το πρότυπο μέτρο ως 1.650.763,73 μήκη κύματος του πορτοκαλέρυθρου χρώματος που εκπέμπει μια λυχνία γεμάτη με κτυπτό-86.

Τέλος, τον Οκτώβριο του 1983 το πρότυπο μέτρο ορίστηκε εκ νέου ως εξής: Ένα μέτρο ισούται με την απόσταση που διανύει το φως στο κενό στη διάρκεια 1/299.792.458 δευτερολέπτων.

Συστήματα μονάδων

Το πιο συνηθισμένο σύστημα μονάδων είναι το SI ή mks με μονάδες όπως περιγράψαμε παραπάνω. Ένα άλλο σύστημα μονάδων είναι το cgs ή σύστημα του Gauss, στο οποίο οι μονάδες μήκους, μάζας και χρόνου είναι το εκατοστό του μέτρου (cm), το γραμμάριο (g) και το δευτερόλεπτο (s) αντίστοιχα.