2.1. Класифікація фізичних величин
Поняття фізичної величини (ФВ) - одне з найбільш загальних понять у фізиці та метрології. Під ФВ (ДСТУ 268-194) слід розуміти властивість, загальну в якісному відношенні для безлічі матеріальних об’єктів, але індивідуальну в кількісному відношенні для кожного з них. Так усі об’єкти мають масу і температуру, але для кожного конкретного об’єкта як маса, так і температура різні залежно від різних обставин.
Для встановлення різниці в кількісному відношенні властивостей кожного об’єкта вводиться поняття «розмір ФВ».
Між розмірами кожної ФВ існують відносини, які мають таку ж саму логічну структуру, що й між числовими формами (цілими, раціональними, дійсними числами, векторами). Тому численність числових форм з відносинами між ними може слугувати моделлю ФВ, тобто безлічі її розмірів і відносин між ними.
Можна виділити три групи ФВ, вимірювання яких проводиться за принципово різними правилами.
До першої групи належать величини, безліч розмірів яких визначаються за відношенням типу «твердий - м’який», «тепле - холодне», «кисле - солодке» і т. д. У математиці такі відносини отримали назву «відносини порядку та еквівалентності». Наявність подібних відносин встановлюється теоретично, виходячи із загально- фізичних міркувань, або експериментально, за допомогою засобів вимірювання й експериментатора. Так без особливих зусиль можна визначити, що мідь твердіша за гуму, але визначити відмінність міді за твердістю з іншими металами (свинцем, оловом) без засобів вимірювання неможливо, тому що їх твердість відрізняється незначно.
Друга група величин характеризується тим, що відношення порядку й еквівалентності стосується не тільки розмірів величин, а й відмінностей у парах цих величин (потенціал, енергія, температура та ін.). Так інтервал температур буде однаковим, якщо будуть однакові відстані між поділками на шкалі ртутного термометра. Мова йде не про температуру як ступінь нагрівання, а лише про рівність інтервалів температур.
До третьої групи величин, крім зазначених раніше визначень, відносяться характерні відносини, які називаються операціями, подібно до арифметичного додатка (множення на п) та вирахування. Результат відповідає сумі п розмірів певної вимірюваної величини. До таких величин відносяться: довжина, тиск, маса, термодинамічна температура і т. д. До величин третьої групи можна віднести і безліч інтервалів розмірів величин другої групи, тому що для них можливо встановити операцію, подібну до додатка. Отже, ці величини є найбільш зручними для використання. Тому їх і називають фізичними.
Між властивостями об’єкта існують взаємозв’язки. Модель об’єкта описується сукупністю рівнянь, які називаються рівняннями між величинами. У кожному розділі науки кількість рівнянь завжди менша, ніж кількість вхідних величин. Тому в окрему групу прийнято виділяти величини, кількість яких дорівнює різниці між кількістю величин і кількістю незалежних рівнянь.
Ці величини і відповідні їм одиниці вимірювання називаються основними величинами і основними одиницями. Решта величин та одиниць, які однозначно визначаються через основні, називаються похідними.
ФВ поділяються на вимірювані й оцінювані.
Вимірювані ФВ можуть бути виражені кількісно у вигляді певного числа встановлених одиниць виміру. ФВ, для яких неможливо ввести одиницю виміру, можуть бути тільки оцінювальними (землетрус -
7 балів, шторм - 10 балів, твердість за шкалою Мооса - 5 балів і т. д.).
|
|
За видами появи ФВ поділяються на 3 групи (рис. 2.1):
- речовинні (пасивні), тобто ті, що описують фізичні та фізико- хімічні властивості речовин, матеріалів і виробів з них. До цієї групи належить маса, щільність (питома вага), електричний опір, ємність, індуктивність та ін. Іноді наведені ФВ називають пасивними. Для їх вимірювань необхідно використовувати додаткові джерела енергії, за допомогою яких формується сигнал інформації, що вимірюється. При цьому пасивні ФВ перетворюються в активні, які й вимірюються;
- енергетичні (активні), тобто величини, які описують характеристики процесів перетворення, передачі і використання енергії. До них відносяться струм, напруга, потужність, енергія. Ці величини називають активними. Вони можуть бути перетворені на сигнали вимірювальної інформації без використання додаткових джерел енергії;
- які характеризують протікання процесів у часі. До цієї групи відносяться різного виду спектральні характеристики, кореляційні функції і т. ін.
За належністю до різних груп фізичних процесів ФВ поділяються на просторово-тимчасові, механічні, теплові і т. д.
За ступенем умовної незалежності від інших величин даної групи ФВ поділяються на основні (умовно незалежні), похідні (умовно залежні) та позасистемні.
За наявності розмірності ФВ поділяються на розмірні, тобто ті, які мають розмірність, і безрозмірні.
ДСТУ 2681-94 наводить наступні терміни.
Розмір (фізичної) величини - кількісний вміст ФВ у даному об’єкті. Не слід використовувати термін «величина» як кількісну характеристику даної властивості, наприклад, у термінах «величина напруги», «величина маси» та ін. У таких випадках слід використовувати термін «розмір напруги», «розмір маси».
Основна (фізична) величина - ФВ, що входить до системи ФВ і прийнята за незалежну від інших величин цієї системи.
Похідна (фізична) величина - ФВ, що входить до системи величин та визначається через основні величини цієї системи.
Розмірність фізичних величин - вираз, що відображає її зв’язок з основними величинами системи величин.
Розмірність основної фізичної величини - умовний символ ФВ у даній системі величин.