Контакты jokoil@mail.ru КАРТА САЙТА English

Энергодинамическая система физических величин и понятий

(ЭСВП)


Не смешивать с СИ, унифицирующей ЕДИНИЦЫ измерений (разъяснение).

На Главную

Кому и зачем это нужно?

СТУДЕНТАМ на ЗАМЕТКУ

Разъяснение основных терминов

Формы и виды энергии

Условия успешной систематизации

Классификация физических систем

Основная идея системы

Таблицы физических величин

В чем новизна сайта?

     Формы и виды движения

     Подробно об угле поворота

     О движении тела по орбите

     Систематизация величин         силовых полей

     Систематизация величин         колебаний и волн

     Новая единица         температуры

     Обобщение явлений         переноса

     Критерии подобия всюду

     Альтернативные взгляды         на проблемы метрологии


Системный подход в экономике

История проблемы
систематизации величин


Учить физику по-новому!

Учебно-наглядные пособия


Каталог ссылок

Обновления на сайте

Шутки на тему сайта


Oб авторе проекта

Коган И.Ш.

Что такое основная физическая величина?

СОДЕРЖАНИЕ:
1. Равноправны ли физические величины?
2. Определение основной величины.
3. В каком случае основную величину можно принимать условно?
4. Необходимость деления основных величин на естественные и условные.
5. Сколько должно быть естественных основных физических величин?
6. Естественные основные величины и основные единицы не коррелируются друг с другом.

ПРИМЕЧАНИЕ: Для получения краткой справки по поводу недостаточно ясных, редко применяемых или введенных автором сайта терминов пройдитесь по ссылке Предметный указатель.

1. Равноправны ли физические величины?

Видный метролог Л.Брянский (2002) утверждает: “Все величины обозначают существующие свойства, среди которых нет ни основных, ни производных от них. Все величины в этом смысле равноправны. Человек над ними не властен.“ И Л.Брянский прав, пока речь не идет о систематизации физических величин. А любой системный подход подразумевает иерархию элементов системы, когда одни элементы являются составной частью других элементов. И тогда одни физические величины оказываются на вершине иерархии и их называют основными величинами, а другие величины, находящиеся в иерархии ниже их и определяемые с их помощью, называют производными величинами.

Во всех уравнениях, определяющих любую физическую величину, определяемая величина является следствием соотношения определяющих ее величин. Это соотношение как раз и является определяющим уравнением величины или уравнением связи между величинами. И если одна физическая величина определяется по другой, то эти физические величины не равноправны, поскольку следует учитывать наличие причинно-следственной связи между ними.

2. Определение основной величины

В Международном словаре по метрологии JCGM 200:2012 дано такое определение основной величины: “одна из величин (в оригинале величина) подмножества, условно выбранного для данной системы величин так, что никакая из величин подмножества не может выражаться через другие величины“. С двумя примечаниями: "Подмножество, упоминаемое в этом определении, называется набором основных величин" и "Основные величины относят к взаимно независимым, так как основная величина не может быть выражена как произведение степеней других основных величин". В метрологическом справочнике А.Чертова (1990) приведено более короткое и понятное определение основной физической величины: “физическая величина, входящая в систему величин и условно принятая в качестве не зависящей от других величин этой системы“.

В обоих определениях имеется одна неопределенность: на практике основные величины принимаются в зависимости от того, какие приняты основные единицы величин. То есть, де-факто система величин зависит от принятой системы единиц. В работах И.Когана (2007, 2011б) показывается, что системы величин и системы единиц это не одно и то же, и наборы основных величин и основных единиц не обязаны совпадать друг с другом.

3. В каком случае основную величину можно принимать условно?

Важно ответить на вопрос (И.Коган, 2011а): почему в определении из JCGM 200:2012 указано, что основную величину можно принимать условно? По этому вопросу уже почти сто лет ведется дискуссия среди физиков и метрологов. Действительно, если мы ни о чем не условимся, разве нельзя найти такие физические величины, которые не зависят от других величин ни при каких обстоятельствах? То есть такие основные величины, которые выбраны самой Природой, без всяких условностей. По-видимому, можно.

Другое дело, как выбрать основные единицы при унификации единиц. В этом случае важно, чтобы основными единицами величин были такие, которыми было бы удобно пользоваться, то есть удобно, точно и экономично измерять. И это главная причина того, что системы величин и системы единиц могут быть не адекватны друг другу. Ведь при систематизации физических величин необходимо, чтобы основные величины были такими, для которых в Природе отсутствуют уравнения связи. И в этом случае никакие практические соображения не должны влиять на то, что следует считать основными величинами. Если речь идет о систематизации физических величин, то слово “условно“ следует изъять из определения основной величины. Это слово важно только при создании систем единиц.

В системах единиц имеются “примеры, в которых безразмерные величины в одной системе единиц оказываются размерными в другой системе” (Л.Брянский, А.Дойников и Б.Крупин, 1999). Эти примеры свидетельствуют о том, что при составлении систем единиц не соблюдаются правила системного подхода. В той же статье сказано: “Выбор числа единиц, принимаемых за основные, и самих этих единиц произволен.” То есть природная закономерность при выборе основных единиц для систем единиц не обязательна.

Международная стандартизация единиц измерений, начавшаяся исторически как унификация мер и весов, так и осталась унификацией, только поднялась на современный уровень. Наличие международных соглашений еще не говорит о том, что существует систематизация единиц измерений. Ведь термин “систематизация“ можно применять только при отсутствии произвольности при выборе основных элементов системы. (Определения терминов “систематизация“, “унификация“ и “классификация“ приведены в статье, посвященной терминологии системного подхода).

4. Необходимость деления основных величин на естественные и условные

Системный подход требует придерживаться принципа причинности. А следствием принципа причинности является принцип последовательности: те производные величины, что находится на более низком иерархическом уровне, должны определяться теми величинами, что находится на более высоком иерархическом уровне. И только те физические величины, которые находятся на самом высоком иерархическом уровне, заслуживают того, чтобы именно их считали основными. А уж в каких единицах будет их измерять человек, – для Природы это совершенно безразлично.

Исходя из этого, физические величины, которые находятся на самом высоком иерархическом уровне и, следовательно, не определяются уравнениями связи, следует называть естественными основными величинами. А те производные величины, которые по практическим соображениям принято условно считать основными величинами, следует называть условными основными величинами.

Естественные основные величины существуют независимо от того, станем ли мы их измерять, – это характеристики свойств Природы. Набор основных величин (на греческом языке базис основных величин) обязана установить наука. Любые соображения и действия при выявлении базиса естественных основных величин не могут относиться к разряду волевых событий, даже если такие события имеют форму международных конференций. Волевой подход при систематизации физических величин приводит только к бессистемности, чьи признаки мы и наблюдаем, когда анализируем наборы основных единиц в системах единиц.

5. Сколько должно быть естественных основных физических величин?

Число основных физических величин, как считает К.Широков (1979), обычно определяется путем вычитания числа уравнений связи между физическими величинами из общего числа этих величин. Правда, указывается и на то, что “такой способ не всегда дает однозначный результат“. По нашему мнению, неоднозначность результата − это признак следующего: либо число основных величин выбрано неверно, либо в число уравнений связи включены такие уравнения, которые дублируют друг друга. Так что способ, предлагаемый К.Широковым, является ненадежным критерием для определения числа основных величин. К.Широков считает также, что свидетельством того, что число основных величин неполно, является наличие одинаковых размерностей у физических величин, имеющих разную физическую природу. Но физическую природу величины определяет уравнение связи, а не размерность величины.

Известен пример, когда одинаковую размерность имеют такие различные физические величины, как вращающий момент и энергия. Этот недостаток исчезает после того, как в число естественных основных величин добавляется угол поворота. Бессистемность в размерностях и единицах физических величин, применяемых при описании колебаний и волн, устраняется после добавления в число естественных основных величин числа структурных элементов (количества объектов), которое выглядит в этом разделе физики в виде числа периодов колебаний или числа волн (И.Коган, 2011в). В Международном метрологическом словаре JCGM 200:2012 сказано (п.1.4, прим. 3): "Количество объектов” можно рассматривать как основную величину в любой системе величин." Но, с другой стороны, величина "сила", имеющая везде одинаковую размерность, может определяться различными уравнениями связи.

В большинстве систем единиц, а их в истории метрологии насчитывается около полутора десятка, число основных единиц равнялось трем или четырем, но в ХХ веке в СИ оно достигло семи за счет условных основных единиц. По нашему мнению, число естественных основных величин (число естественных основных единиц) должно равняться пяти. Именно такое число представлено в статье, посвященной базису естественных основных величин. Такое же число естественных основных величин (пять) представлено К.Томилиным (2006) после анализа истории создания естественных систем единиц. Заметим, что число 5 не накладывает никаких ограничений на число основных единиц в системах единиц, так как при создании систем единиц допускается введение условных основных единиц.

6. Естественные основные величины и основные единицы не коррелируются друг с другом

В метрологии широко применяется термин “основная единица“. В Международном словаре по метрологии JCGM 200:2012 дано такое определение основной единицы: “единица измерения, принятая по соглашению для основной величины“. Л.Брянский (2002) характеризует “основные единицы“ так: “Основная роль основных единиц – образование единиц производных, определение их размеров и размерностей. А главное требование к ним – минимально возможное число и возможность воспроизведения их значений с требуемой точностью.“ Заметим, что к естественным основным величинам два последние требования не предъявляются. Набор естественных основных величин существует объективно, конкретное число естественных основных величин определяется наукой, к нему не могут применяться слова “минимальное“ или “максимальное“. Точность измерения естественных основных величин не может влиять на их набор.

Во избежание терминологической путаницы не следует устанавливать связь между естественными основными величинами и основными единицами. Основные единицы при унификации единиц можно выбирать условно, свобода их выбора не ограничена. Как и свобода увеличения или уменьшения числа основных единиц до тех пор, пока это будет сочтено целесообразным и экономически оправданным. А естественные основные величины существуют объективно, вне зависимости от воли человека. О том, какие физические величины являются естественными основными величинами, рассказано в следующей статье.

Литература

1. Брянский Л.Н., 2002, Непричесанная метрология. – М.: ПОТОК-ТЕСТ, 160 с.
2. Брянский Л.Н., Дойников А.С., Крупин Б.Н., 1999, О “размерностях” безразмерных единиц. – Законодательная и прикладная метрология, № 4, с.с. 48-50.
3. Коган И.Ш., 1998, О возможном принципе систематизации физических величин. – “Законодательная и прикладная метрология”, 5, с.с. 30-43.
4. Коган И.Ш., 2007, Системы физических величин и системы их единиц – независимые друг от друга понятия. – http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/8792.html
5. Коган И.Ш., 2011а, Основные физические величины назначаются или продиктованы природой? – “ Законодательная и прикладная метрология, 3, с.с. 55-56.
6. Коган И.Ш. 2011б, Природа размерности и классификация физических величин. – “ Законодательная и прикладная метрология, 4, с.с. 40-50.
7. Коган И.Ш. 2011в, Метрологические и терминологические проблемы описания периодических процессов и выбора единиц измерений. – “Мир измерений”, 6, с.с. 12-18.
8. Томилин К.А., 2006, Фундаментальные физические постоянные в историческом и методологическом аспектах. – М.: Физматлит, 368 с.
9. Широков К.П., 1979, Размерность физических величин и их применение в метрологии. – “Измерительная техника”, 6, с. 13.
10. Чертов А.Г., 1990, Физические величины. – М.: Высшая школа, 336 с.
11. JCGM 200:2012 International vocabulary of metrology – Basic and general concepts and associated terms (VIM). 3rd ed. 2008 version with minor corrections. URL: http://www.bipm.org/utils/common/documents/jcgm/JCGM_200_2012.pdf,
12. Русский перевод JCGM 200:2008: Международный словарь по метрологии. Основные и общие понятия и соответствующие термины. - Всерос. науч.-исслед. ин-т метрологии им. Д. И. Менделеева, Белорус. гос. ин-т метрологии. Изд. 2-е, испр. — СПб.: НПО «Профессионал», 2010. — 82 с. URL: http://mathscinet.ru/slaev/records/images/SlaevChun02.pdf


© И. Коган Дата первой публикации 01.04.2008
Дата последнего обновления 24.01.2014

Оглавление раздела Предыдущая Следующая