یکا ها

Units-01.png

دامنه اشیاء و پدیده‌های مورد مطالعه در فیزیک بسیار زیاد است؛ از طول عمر بسیار کوتاه یک هسته تا عمر کره زمین، از اندازه‌ ذرات زیراتمی تا فاصله بزرگ لبه‌های جهان شناخته شده، از نیروی یک پرنده در هنگام پرش تا نیروی بین زمین و خورشید. تعداد این پدیده‌ها آنقدر زیاد است که دانشمندان را نیز به چالش جدی کشانده است. در این مطلب در مورد یکا در فیزیک، انواع یکاها، تبدیل یکاها، سیستم متریک و SI صحبت می‌کنیم.

تعریف یکا

اندازه‌گیری کمیت‌های فیزیکی در شرایط واحد که مقادیر استاندارد هستند بیان می‌شود. به عنوان مثال، طول یک مسیر مسابقه یک کمیت فیزیکی است و می‌تواند در واحد متر (برای دوندگان سرعت) و یا کیلومتر (برای دوندگان ماراتن) بیان شود. بدون واحدهای استاندارد، بیان و مقایسه مقادیر اندازه‌گیری شده به روش معنادار بسیار دشوار است.

دو سیستم اصلی یکا در جهان استفاده می‌شود: دستگاه یکاهای SI (همچنین به عنوان سیستم متریک نیز شناخته می‌شوند) و دستگاه یکاهای انگلیسی (همچنین به عنوان سیستم معمول نیز شناخته می‌شوند). دستگاه یکای انگلیسی از لحاظ تاریخی در جوامع مختلف تحت اداره امپراطوری بریتانیا مورد استفاده قرار می‌گرفت و هنوز هم در ایالات متحده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

امروزه تقریباً همه کشورهای جهان از واحدهای SI به عنوان استاندارد استفاده می‌کنند. همچنین سیستم متریک نیز سیستم استانداردی است که دانشمندان و ریاضیدانان روی آن توافق دارند. SI از لغت فرانسوی Système International گرفته شده است. برای آشنایی بیشتر با کمیت‌ها در فیزیک، می‌توانید فیلم آموزش فیزیک پایه ۱ را که توسط فرادرس ارائه شده است مشاهده کنید. لینک این آموزش در ادامه آورده شده است.

هدف از ارائه یکای معین برای هر کمیت چیست؟

دادن مقدار عددی به کمیت‌های فیزیکی در معادلات و اصول فیزیکی به ما این امکان را می‌دهد که طبیعت را بسیار عمیق‌تر از توصیف کیفی درک کنیم. برای درک محدوده وسیعی که در مقدمه ذکر کردیم، باید واحدهایی را بپذیریم که بتوانند کمیت‌های عددی را توصیف کنند. خواهیم دید که (حتی در بحث روزمره و همیشگی درباره متر، کیلوگرم و ثانیه) در این صورت طبیعت به سادگی توصیف می‌شود.

یکاهای اصلی

جدول زیر واحدهای اساسی SI را نشان می‌دهد. در متون مختلف ممکن است از واحدهای غیر SI مانند اندازه‌گیری فشار خون در میلی متر جیوه (میلی متر جیوه) نیز استفاده شود، که جزو واحدهای رایج اندازه‌گیری است. واحدهای غیراصلی SI قابل تبدیل به واحدهای اصلی SI هستند.

جدول ۱: واحدهای اصلی در SI

طول جرم زمان شدت جریان الکتریکی دما مقدار ماده شدت نور
متر (m) کیلوگرم (kg) ثانیه (s) آمپر (A) کلوین (K) مول (mol) کاندلا (cd)

این یک واقعیت جالب است که برخی از کمیت‌های فیزیکی اساسی تر از بقیه کمیت‌ها هستند و این کمیت‌های اساسی تنها از طریق اندازه‌گیری قابل محاسبه هستند. در ادامه توضیح مختصری در مورد واحد‌های اصلی ارائه می‌دهیم.

یکای زمان

واحد SI برای زمان، ثانیه (s) تاریخچه طولانی دارد. در ابتدا یک ثانیه برابر با زمان 186400 از یک روز خورشیدی تعریف می‌شد. امروزه این تعریف دقیق‌تر شده است و برابر با بازه زمانی است که در آن اتم سزیم ۱۳۳ در وضعیت عادی 9,192,631,770 ارتعاش انجام می‌دهد و با ΔνCs نمایش داده می‌شود که واحد آن برابر با هرتز و معادل s−1 است.

یکای طول

مرجع اندازه‌گیری طول نیز در تاریخ بسیار تغییر کرده است. در ابتدا یک متر به صورت 110,000,000 فاصله از استوا تا قطب شمال تعریف می‌شد. در سال 1983 یک متر، مسافتی تعریف شد که نور در خلاء طی فاصله زمانی 1299,792,458 طی می‌کند. این تعریف مجدداً در سال 2019 تغییر کرد و اینک با در نظر گرفتن مقدار عددی ثابت سرعت نور در خلاء c که برابر 299,792,458 است و واحد آن ms−1 است بیان می‌شود. در این تعریف ثانیه بر حسب ΔνCs بیان می‌شود.

یکای جرم

در ابتدا جرم مرجع یک کیلوگرم، برابر با جرم یک سیلندر پلاتین-ایریدیوم بود که در موزه بین‌المللی وزن و اندازه‌گیری در نزدیکی پاریس نگهداری می‌شد و در حقیقت جرم همه اجسام در مقایسه با جرم استاندارد به دست می‌آمد. در کنفرانس اخیر واحدها و یکاها مبنای اندازه‌گیری جرم تغییر کرد. بر این اساس یک کیلوگرم با در نظر گرفتن مقدار عددی ثابت پلانک یعنی h تعریف می‌شود، که این کمیت برابر با 6.62607015×10−34 است و هنگامی که در واحد Js بیان می‌شود، معادل kgm2s−1 است جایی که متر و ثانیه بر حسب c و ΔνCs بیان می‌شوند.

یکای جریان الکتریکی

یک آمپر شدت جریانی است که اگر از دو سیم نازک راست به طول بی‌نهایت که به فاصله یک متر و به موازات هم در خلأ قرار دارند عبور کند، به هر متر از سیم‌ها نیروی 2×10−7 نیوتن وارد می‌شود. در کنفرانس یکاها و واحدها در سال 2019 یک آمپر با در نظر گرفتن مقدار عددی ثابت بار اولیه e برابر با 1.602176634×10−19 هنگامی که در واحد C بیان می‌شود، تعریف شده که معادل A s است که در آن ثانیه بر اساس ΔνCs در نظر گرفته می‌شود.

یکای دما

یک کلوین برابر 1273.16 دمای نقطهٔ سه‌گانه آب تعریف شده بود. در کنفرانس یکاها و واحدها در سال 2019 یکای دما با در نظر گرفتن مقدار عددی ثابت بولتزمن k که برابر با 1.380649×10−23 است، تعریف می‌شود. این ثابت هنگامی که در واحد JK−1 بیان می‌شود، معادل kgm2s−2 است که در آن کیلوگرم، متر و ثانیه بر حسب h  c و ΔνCs تعریف می‌شوند.

یکای مقدار ماده

یک مول جرم دستگاهی است که تعداد اجزای سازنده آن (تعداد اتم، مولکول، یون و …) برابر تعداد اتم‌های موجود در ۰٫۰۱۲ کیلوگرم کربن ۱۲ باشد؛ نماد آن (mol) است.

یکای شدت روشنایی

یک کاندلا شدت روشنایی است که از یک منبع نور تک رنگ با فرکانس 540×1012 هرتز و پراکندگی روشنایی برابر 1683 وات بر استرادیان (مجذور رادیان را استرادیان می‌نامیم) به دست بیاید.

یکاهای فرعی

کمیت‌های دیگر به عنوان کمیت‌های مشتق شده از هفت کمیت اصلی از طریق معادلات فیزیکی تعریف می‌شوند. واحدهای SI فرعی به وسیله این معادلات و هفت واحد پایه SI بدست می‌آیند. نمونه‌هایی از واحدهای مشتق شده از SI در جدول (2) آورده شده‌اند.

جدول ۲: نمونه‌هایی از یکاهای به دست آمده از یکاهای اصلی

مساحت مترمربع m2
یکای حجم مترمکعب m3
یکای نیرو کیلوگرم در متر بر مجذورثانیه 1 N=1 kg.ms2
یکای شتاب متر بر مجذورثانیه ms2
یکای انرژی کیلوگرم در مجذور متر بر مجذور ثانیه 1J=1kg(ms)2=1kg.m2s2
یکای چگالی جرم کیلوگرم بر مترمکعب kgm3
یکای حجم ویژه مترمکعب بر کیلوگرم m3kg
یکای چگالی جریان آمپر بر مترمربع Am2
یکای شدت میدان مغناطیسی آمپر بر متر Am
یکای غلظت مقدار ماده مول بر مترمکعب molm3
یکای درخشندگی کاندلا بر مترمربع cdm2
یکای جرم نسبی کیلوگرم بر کیلوگرم 1

سیستم متریک و SI

واحدهای SI بخشی از سیستم متریک هستند. سیستم متریک برای محاسبات علمی و مهندسی مناسب است، زیرا واحدها بر اساس فاکتورهای 10تایی طبقه‌بندی می‌شوند.

سیستم‌های متریک این مزیت را دارند که تبدیل واحدها تنها شامل توان 10 است، برای مثال 100 متر در متر ، 1000 متر در کیلومتر و غیره. در سیستم‌های غیرمتریک، مانند سیستم واحدهای عادی آمریکا، روابط پیچیده‌تر هستند، برای مثال در یک پا 12 اینچ وجود دارد، یا 5280 پا در یک مایل و غیره. یکی دیگر از مزایای سیستم متریک این است که با استفاده از یک پیشوند متریک مناسب، می‌توان از یک واحد برای بازه مقادیر مختلف استفاده کرد. به عنوان مثال، واحد متر در ساخت و ساز مناسب است، در حالی که واحد مسافت مناسب برای مسافرت هوایی کیلومتر است و اندازه‌گیری‌های کوچک با نانومتر انجام می‌شود.

اصطلاح مرتبه به مقیاس یک مقدار بیان‌شده در سیستم متریک اشاره دارد. هر توان 10 در سیستم متریک نشان دهنده مرتبه‌ای متفاوت از اندازه است. به عنوان مثال 101، 102، 103 و غیره همه مقادیر مختلف از نظر مقدار هستند. به صورت کلی، تمام مقادیری که توان یکسان از 10 دارند، از نظر مرتبه‌ برابر هستند. عدد 800 را می‌توان به صورت 8×102 نوشت و 450 را نیز می‌توان به صورت 4×102 در سیستم متریک بیان کرد. بنابراین عدد 800 و 450 از یک مرتبه هستند. در ادامه با واحدهای مختلف سیستم متریک آشنا می‌شویم.

جدول پیشوند یکاها

در ادامه جدول مقیاس‌بندی سیستم متریک را در قالب یک جدول می‌توانید مشاهده کنید:

جدول ۳: جدول پیشوندهای یکا

پیشوند نماد مقدار مثال
اگزا E 1018 اگزامتر Em 1018 m فاصله‌ای که نور در یک قرن طی می‌کند.
پتا P 1015 پتاثانیه Ps 1015 s سی میلیون سال
ترا T 1012 تراوات TW 1012 W خروجی یک لیزر قوی
گیگا G 109 گیگاهرتز GHz 109 Hz فرکانس مایکروویو
مگا M 106 مگاکوری MCI 106 Ci رادیواکتیویته بالا
کیلو K 103 کیلومتر km 103 m حدود ۰٫۶ مایل
هکتو h 102 هکتولیتر hL 102 L ۲۶ گالن
دکا da 101 دکاگرم dag 101 g یک‌ قاشق چای‌خوری کره
100=1
دسی d 10−1 دسی‌لیتر dL 10−1 L کمتر از نصف یک نوشابه
سانتی c 10−2 سانتی‌متر cm 10−2 m ضخامت نوک انگشت
میلی m 10−3 میلی‌متر mm 10−3 m اندازه یک کک
میکرو μ 10−6 میکرومتر μm 10−6 m جزئیات در میکروسکوپ
نانو n 10−9 نانوگرم ng 10−9 g قطعه کوچکی از گرد و غبار
پیکو p 10−12 پیکوفاراد pF 10−12 F خازن کوچک در رادیو
فمتو f 10−15 فمتومتر fm 10−15 m اندازه یک پروتون
آتو a 10−18 آتوثانیه as 10−18 s زمان عبور نور از یک اتم

تبدیل یکا در فیزیک یا تبدیل واحد در فیزیک

تبدیل واحد در دستگاه متریک به راحتی امکان‌پذیر است. کافی است مقدار واحد مبدا از جدول (۳) را بر مقدار واحد مقصد جدول (۳) تقسیم کنید. نتیجه، جواب مورد نظر شما است.