Види фізичних одиниць

Поняття фізичної величини – це найзагальніше поняття у фізиці та метрології. Під фізичною величиною слід розуміти властивість, спільну в якісному відношенні для багатьох матеріальних об’єктів та індивідуальну в кількісному відношенні для кожного з них. Так, усі об’єкти мають масу й температуру, проте для кожного окремого об’єкта як маса, так і температура різні та конкретні за певних обставин. Розглядаючи електричну схему, можна сказати, що по всіх гілках проходить струм, але у кожній гілці він різний за величиною.

Для встановлення різниці за кількісним вмістом властивостей у кожному об’єкті вводиться поняття «розмір фізичної величини».

Між розмірами кожної фізичної величини існує відношення, яке має ту саму логічну структуру, що й між числовими формами (цілими, раціональними чи дійсними числами, векторами). Тому множина числових форм з визначеними співвідношеннями між ними може слугувати моделлю фізичної величини, тобто множини її розмірів та співвідношення між ними.

Правила, відповідно до яких числові форми приписуються розмірам величин, обумовлюються присутністю тих чи інших відношень та множини їх розмірів. Виходячи з цього, можна виділити три групи фізичних величин, вимірювання яких здійснюється за принципово різними правилами.

До першої групи відносяться величини, множина розмірів яких визначається лише за відношеннями типу «тверде – м’яке», «тепле – холодне», «кисле – солодке» та ін. В математиці такі відношення дістали назву відношення порядку й еквівалентності. Наявність подібних відношень встановлюється теоретично, виходячи із загально-фізичних міркувань, або ж експериментально, за допомогою засобів вимірювання та експериментатора. Так, без особливих зусиль можна визначити, що мідь твердіша за гуму, але визначити відмінність сплавів міді з іншими металами (свинцем, оловом) за твердістю без засобів вимірювання просто неможливо, тому що за твердістю ці метали не сильно відрізняються.

Друга група величин характеризується тим, що відношення порядку й еквівалентності стосується не тільки розмірів величин, а й відмінностей у парах цих розмірів. До другої групи відносяться такі величини, як потенціал, енергія, температура та інші. Можливість порівняння інтервалів їх розмірів зумовлена самими визначеннями цих величин. Так, інтервали температур будуть однаковими, якщо будуть однакові відстані між відповідними поділками на шкалі ртутного термометра. Йдеться не про температуру як ступінь нагрітості тіла, а лише про рівність інтервалів температур.

Для третьої групи величин крім згаданих раніше визначень характерні відношення, названі операціями, що подібні до арифметичного додавання та віднімання. Операція приймається визначеною, якщо її результати (сума чи різниця) за розмірами подібні до фізичної величини й вона може бути технічно реалізованою. За допомогою операції додавання можна реалізовувати операцію множення на число п. Результат такого множення відповідає сумі п розмірів певної вимірюваної величини. До таких величин відносяться: довжина, тиск, маса, термодинамічна температура тощо. Сума двох мас є масою такого тіла, яка врівноважує маси двох тіл. За наявності різниці двох тіл врівноваження терезів проводиться масою тіла, поміщеного на легшу чашу.

До величин третьої групи можна також віднести множину інтервалів розмірів величин другої групи, тому що для них можливо встановити операцію, подібну до додавання. Оскільки всі арифметичні операції зводяться до додавання, то ці величини виявляються найпридатнішими для використання у фізиці. Тому їх найчастіше називають фізичними.

З розвитком науки й техніки визначення фізичних величин постійно уточнюється.

Уточнення визначень в напрямку, що дозволяє відкрити більше число відношень у множині їх розмірів і ввести їх для третьої або ж хоча б до другої групи величин, дає можливість спрощувати аналітичний вираз фізичних законів.

Властивості об’єкта, який характеризується певною основною для нього величиною, описуються за допомогою інших, раніше визначених величин. Це обумовлено наявністю об’єктивних взаємозвязків між властивостями об’єктів, які можна записати за допомогою величин і подати у вигляді моделі об’єкта. Модель об’єкта описується сукупністю рівнянь, які й називаються рівняннями між величинами. За їх допомогою формулюється визначення певних величин та вказуються способи вимірювання останніх.

У будь-якому розділі науки кількість рівнянь завжди менша, ніж кількість вхідних величин, тому прийнято виділяти в окрему групу величини, кількість яких дорівнює різниці між кількістю величин і кількістю незалежних рівнянь.

Ці величини й відповідні їм одиниці вимірювання навиваються основними величинами і основними одиницями. Решта величин і одиниць, які однозначно визначають через основні, називаються похідними.

Сукупність вибраних основних і похідних величин називається системою величин. Так само визначається і система одиниць.