Измерение

На этапе описания и сравнения в первую очередь пытаются вы­яснить свойства объектов, т.е. их способность обнаруживать те или иные стороны в процессах взаимодействия. Систематизация свойств позволяет судить о качестве, поскольку качество - это система важ­нейших, необходимых свойств объекта, без которых он не существу­ет. Качество неотделимо от количества, т.е. внутрикачественного различия объектов, характеризуемого числом и величиной.

Число - одно из основных понятий математики, при помощи ко­ торого обозначается и отображается какая-либо количественная ха­рактеристика объекта, называемая величиной. Величина - это все то, что может быть больше или меньше, что может быть присуще объек­ту в большей или меньшей степени. Чтобы реальному объекту при­писать ту или иную числовую величину, его следует измерить, т.е. экспериментально сравнить с качественно однородной единицей из­мерения.

Измерение - метод научного исследования и процесс, отра­жающий в реальном объекте свойства и отношения, характеризуе­мые числом и величиной.

Современный человек на каждом шагу своей обычной жизни вынужден заниматься элементарными измерениями и счетом: рас­стояний, площадей, весов, сил, времени, скоростей, давлений, темпе­ратур, излучений и т.д., привычно, автоматически используя бытовые измерительные приборы и счетчики или измерительную информацию из средств массовых коммуникаций. Поэтому в обыденном сознании процесс измерения и получения необходимых результатов представ­ляется достаточно простым делом.

Однако другим - ученым-экспериментаторам и теоретикам, проектировщикам и конструкторам, технологам и организаторам материального производства, врачам и преподавателям естественных, технических и других точных наук, - для которых точные измерения являются основным средством познания и рационального преобразо­вания окружающего мира, это «простое дело» выливается в сложный комплекс теоретических, методологических, технических, организа­ционных и др. проблем, охватываемых специальной наукой - метро­логией.

Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Ос­новные проблемы метрологии: создание общей теории измерений; образование единиц физических величин и систем единиц; разработ­ка методов и средств измерений, методов определения точности из­мерений, основ обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений; создание эталонов и образцовых средств измере­ний, проверка мер и средств измерений. В зависимости от специфики проблем различают: 1) теоретическую метрологию, рассматриваю­щую общие теоретические проблемы; 2) прикладную метрологию, за­нимающуюся вопросами практического применения методов и средств измерений; 3) законодательную метрологию, охватывающую комплекс взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, требований и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регла­ментации и контроле со стороны государства. Обеспечением единст­ва измерений и единообразия средств измерения занимается Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ).

В структуру научного измерения включают:

1) объект измерения, рассматриваемый как измеряемая величина или свойство;

2) материальные средства измерения - эталоны, инструменты, приборы, преобразователи, установки и др., имеющие нормирован­ные метрологические характеристики;

3) наблюдателя, осуществляющего измерения с определенными познавательными целями;

4) методы измерения, включающие совокупность практических операций, выполняемых с помощью материальных средств измере­ния, а также определенных логических и вычислительных процедур;

5) результат измерения в форме числовых величин.

Результат измерения физической величины (длины, массы, ско­рости, силы, температуры, напряженности электрополя, периода ко­лебаний и т.д.) получают с помощью единиц измерения. Единица измерения - это конкретное значение физической величины, принято е за основание при сравнении и количественной оценке однородных величин.

Единицы измерений физических величин в целом подразделяют на основные (независимые) и производные, полученные при помощи основных и физико-математических формул, поскольку многие вели­чины функционально связаны между собой.

С помощью основных единиц измерений производят прямую, непосредственную эмпирическую процедуру измерения как сравне­ние некоторого измеряемого свойства с принятым эталоном. Этало­ны - это вещи, меры, измерительные приборы, обеспечивающие вос­произведение, сохранение и передачу единиц измерений с наивысшей точностью, достижимой при данном состоянии науки и техники.

На базе принятых эталонов создана международная система единиц физических величин, сокращенно СИ (SI - Systeme Iпterпa­tioпal). При ее создании специалисты исходили из того, чтобы охва­тить ею все области науки техники; принять удобные для практики размеры основных единиц, уже получивших распространение; вы­брать в качестве единиц такие величины, воспроизведение которых возможно с наибольшей точностью. В системе СИ (SI) в качестве ос­новных приняты семь единиц измерения: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин (единица термодинамической температуры), канделла (единица силы света), моль (единица количества вещества) и две до­полнительные - радиан и стерадиан (единицы плоского и телесного углов). Остальные семнадцать единиц являются производными, имеющими специальные наименования в области механических, теп­ловых, электрических, магнитных, световых радиоактивных явлений. Свидетельством происхождения производных единиц от открытых и сформулированных законов является закрепление собственных имен их авторов в нарицательных наименованиях единиц измерения: герц, ньютон, паскаль, джоуль, кулон, вольт, фарад, ом, сименс вебер, тес­ла, генри, беккерель, грей.

Главной задачей современной метрологии является совершенст­вование и создание полной системы взаимосвязанных естественных эталонов на основе использования фундаментальных физических констант и высокостабильных квантовых явлений.

В этой связи отдельные эталоны имеют свою непростую исто­рию. Так, в качестве эталона основной единицы СИ - метра служил брус из платиноиридиевого сплава с нанесенными на одной из его плоскостей штрихами (хранится в Международном бюро мер и весов в Севре близ Парижа). Из этого же материала выполнен междуна­родный эталон единицы массы - килограмм в форме цилиндра диа­метром и высотой 39 мм.

Первоначально метр был определен как 1×10^-7 часть ¼ длины земного меридиана (Франция, 1791). Для измерения дуги земного ме­ридиана потребовалось семь лет работы научной экспедиции. С 1960 по 1983 год метр определяли через световой эталон как длину, рав­ную 1.650.763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствую­щего переходу уровнями 2р^l0 и 5d⁵ изотопа криптона-86 (оранжевая линия спектра излучения). Согласно определению, принятому 17-й Генеральной конференцией по мерам и весам (1983), «метр - длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299.793.458 долю секунды». При этом одна из основных единиц СИ, эталонная единица времени ­ секунда – определяется временем, равным 9.192.631.770 периодам из­лучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Иными словами, с развитием науки и совершенствованием из­мерительной аппаратуры современные эталоны становятся более точными и надежными в воспроизведении, хранении и передаче ос­новных единиц измерения. Соответственно законодательная метро­логия корректирует нормативную базу - стандарты системы обеспе­чения единства измерений, устанавливает взаимосвязанные правила и положения, требования и нормы, определяющие организацию и ме­тодику проведения работ по оценке и обеспечению точности измере­ний.

Для предварительного обобщения значения измерения в эмпи­рическом исследовании целесообразно кратко напомнить развитие метрологической цепочки. Исходное изучение природы опиралось на наблюдение и описание необычных явлений и установление отдель­ных фактов. Существующие описательные теории, объединяющие факты в качественные целостности на основе некоторых принципов, поставили вопрос о переходе от качественных исследований к коли­чественным величинам. Этот вопрос был сформулирован Галилеем в форме принципа количественного подхода, согласно которому опи­сание физических явлений в точных науках должно опираться на ве­личины, имеющие количественную меру. Поэтому можно сказать, что измерение - принципиально новая ступень в развитии эмпириче­ского познания. Она исторически развилась из метода сравнения, как сравнения некоторого измеряемого свойства с материальным этало­ном.

Современные измерения по способу получения измерительной информации подразделяют на прямые и косвенные. Прямое измере­ние - измерение, при котором результат получают непосредственно из самого процесса измерения опытных данных. Косвенное измере­ние - измерение, при котором искомое значение величины вычисля­ют математическим путем на основе знания других величин, полу­ченных прямым измерением. Таким путем были установлены разме­ры планет солнечной системы, температура и давление внутри Земли, масса электрона и т.д. Косвенные и прямые измерения взаимодейст­вуют между собой, уточняя и проверяя друг друга.

В зависимости от рода измеряемой величины все измерения классифицируют на отдельные виды: линейно-угловые, массы, плот­ности, вязкости, силы и твердости, параметров движения, расхода веществ и вместимости, температурные, давления и разрежения, теп­лофизические, радиотехнические, электрические, магнитные, иони­зирующих излучений, акустические, аэродинамические, времени и частоты, влажности, состава веществ.

В основе этих видов измерений лежат соответствующие принци­пы и методы измерений, где под принципом измерения понимают совокупность природных явлений, на которых основывают измере­ния, а под методом - совокупность приемов использования принци­пов и средств измерений.