Mõõtühik: määratlus, ajalugu ja peamised süsteemid (SI, imperial)

Mõõtühikud annavad standardid, et meie mõõtmiste numbrid viitaksid ühele ja samale asjale. Mõõtmine on protsess, mis kasutab numbreid füüsikalise suuruse kirjeldamiseks. Me saame mõõta, kui suured on asjad, kui soojad nad on, kui rasked nad on ja palju muid omadusi. Mõõtühikud võimaldavad andmeid võrrelda, korrata katseid ja luua tehnilisi ning teaduslikke standardeid.

Mõiste ja näide

Näiteks meeter on pikkuse mõõtmise standardühik. Enne selle definitsiooni muutumist oli meetrit pikka aega defineeritud kui kaugus kahe spetsiaalsel vardal oleva tähise vahel (platinum‑iridium standardvarda näide). Tänapäeval määratletakse meeter täpsemalt kvantfüüsika ja valguse abil: meetri aluseks on valguse kiirus vaakumis—ametlikult on meeter see vahemaa, mille valgus läbib vaakumis teatud ajaühikus. Kui öelda, et millegi pikkus on kaks meetrit, tähendab see, et see on kaks korda suurem kui see etteantud standardpikkus.

Lühike ajalooülevaade

Varasematel sajanditel kasutati eri riikides ja regioonides palju erinevaid mõõtühikuid (näiteks jalad, küünar, naelad), mis tekitasid segadust kaubanduses ja teaduses. 18.–19. sajandil tekkis vajadus ühtsete rahvusvaheliste süsteemide järele, mis viis lõpuks meetermõõdustiku ja hiljem rahvusvaheliste lepingute ning organisatsioonide tekkeni. Tänapäeval haldab ja arendab rahvusvahelist mõõtühikute süsteemi BIPM (Bureau International des Poids et Mesures), mis koordineerib SI ja selle definitsioone.

Peamised mõõtühikute süsteemid

Tänapäeval kuulub enamik mõõtühikuid ühte kolmest peamisest süsteemist:

SI ehk meetermõõdustik (süsteemide kaasaegne rahvusvaheline versioon), mis põhineb kümnendil ja millel on koherentne alusühikute hulk ning sünonüümsed prefiksid (milli-, senti-, kilo- jms).
Briti imperialistlik süsteem ja sellega tihedalt seotud USA tavasüsteem, mis kasutavad mitmesuguseid ühikuid nagu jalga, naela ja palju teisiti organiseeritud alamühikuid (näiteks toll ja unts).
Erinevad ajaloos kasutusel olnud ja kohalikud süsteemid, mis on paindlikud, kuid sageli ebastandardiseeritud.

Imperial ja USA tavasüsteem

Kaks vanemat, Briti imperialistlik süsteem ja USA tavasüsteem, kasutavad pikkuse mõõtmiseks jalga ja tolla, kaalu mõõtmiseks naela ning aja mõõtmiseks sekundit. Need süsteemid sisaldavad ühikuid ja teisendusi, mis ei põhine kümnendkorrastel jagudel: näiteks on jalas 12 tolli ja naelas 16 untsi. Kuigi need ühikud on igapäevaelus endiselt laialt levinud (eelkõige USA-s), on teaduses ning rahvusvahelises tehnilises koostöös eelistatud SI-süsteem.

SI-süsteem ja selle loogika

Kolmest süsteemist kõige uuem ja kasutatavam on meetermõõdustik ehk SI-süsteem. Selle aluseks on seitse baasühikut (meter, kilogramm, sekund, amper, kelvin, mool ja kandelah), millest tuletatakse kõik teised ühikud. SI on koherentne süsteem: kui baasühikud kombineerida, tekib automaatselt tuletatud ühik ilma lisakorrutusteta. Näiteks jõud on Newton (kg·m/s²) ja rõhk Pascal (N/m²).

SI-s kasutatakse prefikse (kilo-, mega-, milli-, mikro- jpt), mis põhinevad kümnendkordadel, et hõlpsasti väljendada väga suuri või väga väikeseid väärtusi. Näiteks 1 meeter = 100 sentimeetrit ja 1 kilogramm = 1000 grammi.

Mõned olulised täpsustused mõõtühikute definitsioonides

Ajastu täpsustamise tulemusena on sekund defineeritud nii, et see vastab kindla arv-lainetele teadaoleva aatomkäitumise põhjal (tsesium-133 aatomi vööndi ülemineku sagedus).
Meeter on praegu defineeritud valguse kiiruse fikseeritud väärtuse kaudu vaakumis (CGPM aktsepteeris selle määratluse ametlikult 1983. aastal).
Kilogrammi definitsioon muutus hiljuti: alates 2019. aastast on kilogramm defineeritud Plancki konstandi fikseeritud väärtuse kaudu, mis sidus massi kvantfüüsika konstantidega ja loob stabiilse, kordusväärse standardi ilma füüsilise massivarda vajaduseta.

Aja mõõtmine ja erandid

Aja mõõtmine ei järgi alati kümnendsüsteemi prefikse—see tugineb pigem seksagesimaalsele süsteemile: 60 sekundit moodustab ühe minuti ja 60 minutit ühe tunni. Ka päeva jagunemine, kuu- ja aastaarvutused on seotud astronoomiliste ja kalendriliste tingimustega ning võivad nõuda täiendavaid korrigeerimisi (näiteks liigaasta või hüposekunde).

Miks ühtsed mõõtühikud on tähtsad

Ühtsed mõõtühikud tagavad, et leiutised, teaduslikud tulemused ja tehnilised standardid on rahvusvaheliselt mõistetavad ja korduvuskatsete jaoks võrreldavad. Need vähendavad vigu tööstuses, meditsiinis, ehituses ja teaduses. Rahvusvaheline koostöö standardite alal (näiteks SI arendamine) on võimaldanud kiiret tehnoloogilist arengut ning automatiseeritud mõõtmislahendusi kogu maailmas.

Praktiline soovitus: kui tegutsete rahvusvahelises keskkonnas või teaduses, kasutage võimalusel SI-ühikuid; kui peate teisendama ühikuid Imperial/USA ja SI vahel, kasutage täpseid teisendustegureid või usaldusväärset teisendustarkvara, kuna ümardamisest võivad tekkida olulised vead.

Õllekannud, Oktoberfestil: Need mahutavad ühe liitri õlut

Sellesse kuubikusse mahub üks liiter vedelikku.

Number ja mõõtühik

Mõõdetava asja omadus on esitatud mõõtühikute arvuna. Arvul on mõte ainult siis, kui on antud ka mõõtühik.

Näiteks Eiffeli torn Pariisis Prantsusmaal on 300 meetri (980 jala) kõrgune. See tähendab, et vahemaa Eiffeli torni tipust kuni põhja on 300 meetrit. Eiffeli torni mõõdetav omadus on kaugus. Mõõdetud arv on 300. 300 mida? Mõõtühik on meeter.

Mõõtmisstandardid

Standardid on spetsiaalsed objektid, mida kasutatakse mõõtmiste tegemiseks. Standardi näide on näiteks meetripulk. Kui te mõõdate midagi meetrikaardiga, saate seda mõõtmist võrrelda millegi muuga, mida samuti mõõdetakse meetrikaardiga. See muudab mõõtmise ja mõõtmiste võrdlemise lihtsamaks.

Teaduses, meditsiinis ja tehnikas kasutatakse väiksemaid mõõtühikuid, et mõõta väikeseid asju väiksema veaga. Suurte asjade mõõtmisel on lihtne kasutada suuremaid mõõtühikuid. Astronoomilistes mõõtmistes, nagu galaktika laius, kasutatakse valgusaastaid ja parsekte.

Väikeste mõõtmiste puhul, nagu aatomi mass, kasutatakse spetsiaalseid mõõtühikuid.

Mõõtühikute süsteemid

Maailmas on kasutusel palju erinevaid standardeid ja mõõtühikuid. Mõnda kasutati vähem 19. ja 20. sajandil.

Metriline süsteem

Meetermõõdustik on mõõtmissüsteem, mida kasutatakse enamikus maailma osades. Seda nimetatakse ka rahvusvaheliseks mõõtühikute süsteemiks ehk SI.

Meetermõõdustiku mõõtühikud on järgmised:

Pikkuse või lineaarse suuruse ühikud põhinevad meetril. Nende hulka kuuluvad kilomeeter (km), mis on 1000 meetrit, sentimeeter (cm) ja millimeeter (mm), mis on 1/1000 meetrit.

Mahuühikuks on liiter. Seda kasutatakse vedeliku koguse mõõtmiseks. Milliliiter (lühend mL) on vedeliku kogus, mis täidaks kuubiku, mille iga külg on 1 sentimeetri pikkune. Üks liiter vedelikku täidaks kuubiku, mille iga külg on 10 cm pikkune.

Massiühik on kilogramm. Kilogramm (kg) on 1 liitri vee mass (temperatuuril 4 °C või 39 °F ja rõhul 1013,25 kPa või 146,959 psi). 1 gramm (g) on 1 milliliitri vee mass temperatuuril 4 °C (39 °F). Tonn on 1000 kilogrammi ehk miljon grammi.

Keiserlikud mõõtühikud

Ühendkuningriigis määratleti impeeriumiühikud 1824. aastal. Need mõõtühikud põhinesid sarnastel ühikutel, mis olid kasutusel enne 1824. aastat. Imperiali mõõtühikuid kasutati riikides, mis kuulusid Briti impeeriumi. Kuigi paljud neist riikidest, sealhulgas Ühendkuningriik, on ametlikult üle võtnud SI-süsteemi, kasutatakse endiselt vanemat mõõtühikute süsteemi.

USA tavaühikud

USA tavaühikud on USAs kasutatavad ametlikud mõõtühikud. Need on sarnased Briti imperialistlike ühikutega ja põhinevad samuti Ühendkuningriigis enne Ameerika iseseisvumist kasutatud ühikutel. Mõned ühikud erinevad Briti ühikutest. Näiteks on 20 imperiaalset vedelat untsi ühes imperial pintis, kuid 16 USA vedelat untsi ühes USA pintis. Lisaks sellele on USA vedelikuunts veidi suurem kui imperiaalne vedelikuunts. Selle tulemusel on USA pinti ja gallonid väiksemad kui imperial pinti ja gallonid. Ameerika Ühendriikides on meetermõõdustik kaubanduses seaduslik alates 1866. aastast, kuid teised mõõtühikud, nagu gallon, toll ja nael, on endiselt laialdaselt kasutusel.

Imperial ja USA mõõtühikud on järgmised:

Pikkus - tolli (in), jala (ft), jardi (yd) ja miili.

1 jalg = 12 tolli
1 jardi = 3 jalga (jala mitmuses) = 36 tolli
1 miil = 1760 meetrit = 5280 jalga

Imperial maht - imperial fluid ounce (fl oz), imperial pint (pt) ja imperial gallon (gal).

1 imperiaalne pint = 20 imperiaalset vedelat untsi
1 imperiaalne gallon = 8 imperiaalset pinti

USA maht - USA vedelunts (fl oz), USA tass (cp), USA pint (pt), USA quart (qt) ja USA gallon (gal).

1 USA tass = 8 USA vedelat untsi
1 USA pint = 2 USA tassi = 16 USA vedelat untsi
1 USA kvart = 2 USA pinti = 4 USA tassi = 32 USA vedelat untsi
1 USA gallon = 4 USA kvart = 8 USA pinti = 16 USA tassi

Kaal ja mass - unts (oz), nael (lb) ja kivi (st).

1 nael = 16 untsi
1 kivi = 14 naela

Kaalu ja mahu untsid on erinevad. Isegi vee mõõtmisel ei ole kaaluuntside arv sama, mis vedelikuuntside arv.

Süsteemidevaheline konverteerimine

Metriline to USA

1 meeter = 1,09 jardi = 39,37 tolli.
1 liiter = 33,3 vedelat untsi = 1,76 pinti = .26 USA gallonit.
1 kilogramm = 35,32 untsi = 2,2 naela

USA to meetermõõdustik

Pikkus

1 tolli = 2,54 sentimeetrit
1 jalg = 30,48 sentimeetrit
1 jaar = 0,9144 meetrit
1 miil = 1,609344 kilomeetrit

Köide

1 vedelunts = 29,6 milliliitrit
1 pint = 473,1 milliliitrit
1 gallon = 3,79 liitrit
1 tass = 236,55 milliliitrit

Mass

1 unts = 28,35 grammi
1 nael = 0,45359237 kilogrammi

Muud mõõtühikud

Ajaühik on sekund. Minute (60 sekundit) ja tund (60 minutit või 3600 sekundit) on suuremad ühikud. Päev on defineeritud kui 24 tundi, kuid Maa pöörlemine on aeglustunud. Seda erinevust korrigeeritakse mõne aasta lõpus nn hüppesekundiga. Nädal (7 päeva) ja kuu on samuti standardühikud.

Raha suhtes kasutatavat mõõtühikut nimetatakse arvestusühikuks. Tavaliselt on see riigi poolt emiteeritud valuuta. Näiteks Ameerika Ühendriigid kasutavad dollareid. Iga dollar on 100 senti. Ühendkuningriik kasutab naela. Iga nael on 100 penni või penni. Euroopa Liit kasutab eurot. Euro on 100 senti.

Elektri, magnetismi ja kiirguse mõõtühikud leiutati enamasti 19. sajandil, kui teadlased õppisid neid mõõtma. Algselt kasutati enamiku puhul imperiaalset süsteemi, kuid tänapäeval on tavaks kasutada nende jaoks meetermõõdustikku.

Küsimused ja vastused

K: Mis on mõõtmine?

V: Mõõtmine on protsess, mis kasutab numbreid füüsikalise suuruse kirjeldamiseks. Seda saab kasutada objekti suuruse, temperatuuri, kaalu ja muude omaduste mõõtmiseks.

K: Kuidas määratleti meetrit enne 1982. aastat?

V: Enne 1982. aastat määratleti üks meeter kui kahe spetsiaalse metallvarraste vahelist kaugust.

K: Millised on kolm mõõtühikute süsteemi?

V: Kolm mõõtühikute süsteemi on Briti imperialistlik süsteem, USA tavaühikute süsteem ja meetermõõdustik ehk SI-süsteem.

K: Mitu tolli on ühes jalas?

V: Ühes jalas on 12 tolli.

K: Mitu untsi on ühes naelas?

V: Ühes naelas on 16 untsi.

K: Mitu sentimeetrit on ühes meetris?

V: Ühes meetris on 100 sentimeetrit.

K: Mille poolest erineb aja mõõtmine teistest mõõtmistest?

V: Aja mõõtmine ei järgi teiste mõõtmiste puhul kasutatavat skeemi, sest see põhineb seksagesimaalsüsteemil, mille kohaselt 60 sekundit moodustavad 1 minuti ja 60 minutit 1 tunni.