Systemy absolutne i wybrane jednostki używane w XIX-XXI w.
System Gaussa (1833 r.) - milimetr (mm), miligram (mg) i sekunda (s) stanowią podstawę dla wszystkich miar.
System CGS (w 1875 r. opracowany przez Brytyjczyka J. D. Everetta i rozwinięty w 1881 r.). Centymetr (cm), gram (g) i sekunda (s) są punktem wyjścia dla tworzenia innych miar.
System metryczny SI (Systeme Internationale od XVIII w., rozbudowywany w latach 1867, 1875, 1881 i później). Podstawą większości miar są metr (m), kilogram (kg) i sekunda (s) oraz kelwin (K) oparty na stałej Boltzmanna, amper (A) oparty na ładunku elementarnym i mol oparty o stałą Avogadro.
dowolne wielkości ilorazowe, czyli oparte na proporcji bez miana jednostki
1 bel (B) = log10(w/w0), gdzie w to aktualna obserwowana wartość a w0 to przyjęta wartość wzorcowa;
1 decybel (dB) = 0,1 bela. Jednostka nazwana na cześć G. Bella w 1928 r. zastąpiła stosowane w transmisji sygnału elektrycznego jednostki TU (Transmission Unit) oraz MSC (Miles of Standard Cable);
- długość
1 metr (m), 1 kilometr (km) = 1000 m, 1 centymetr (cm) = 0,01 m, 1 milimetr (mm) = 0,001 m.
Od 1983 r. 1 metr to droga światła w próżni w czasie 1/299792458 sekundy;
- powierzchnia
1 metr kwadratowy (m2 = kwadrat o boku długości 1 metra), 1 kilometr kwadratowy (km2 = kwadrat o boku długości 1 km); do mierzenia ziemi do celów rolnych 1 hektar (ha) = 100 arów (ar) = 10 000 m2;
- objętość (pojemność)
1 metr sześcienny (m3 = sześcian o boku długości 1 metra), 1 (l) litr = 1000 cm3;
- kąt płaski (wycinek koła)
1 radian (rad) = m/m, łuk długości 1 metra wycięty z okręgu o promieniu 1 metra);
- kąt przestrzenny (wycinek kuli)
1 steradian (sr) = m2/m2);
- położenie punktu na osi
liczba określająca odległość danego punktu od punktu zerowego osi: ujemna, kiedy dany punkt znajduje się na lewo od zera (od 0 do –∞) i dodatnia, kiedy punkt znajduje się na prawo od zera (od 0 do +∞);
- współrzędne prostokątne na płaszczyźnie
kombinacja dwóch liczb odpowiadających dwóm wzajemnie prostopadłym (czyli skrzyżowanym pod kątem 90o) poziomej osi x oraz pionowej osi y. Osie krzyżują się w punkcie o współrzędnych 0,0, a oddalanie się od tego punktu odpowiada zmianie współrzędnych w stosunku do obu osi;
- współrzędne w przestrzeni
w przestrzeni trójwymiarowej kombinacja trzech liczb odpowiadających trzem wzajemnie prostopadłym osiom skrzyżowanym w ich punktach zerowych: poziomej osi x, pionowej osi y oraz trzeciej osi z. Te trzy osie można uznać za opis kierunków tył-przód, lewo-prawo oraz dół-góra.
W przestrzeniach wielowymiarowych liczba osi odpowiednio rośnie, więc współrzędne przyjmują wartości czterocyfrowe przy czterech wymiarach, pięciocyfrowe przy pięciu wymiarach i tak dalej;
- współrzędne geograficzne
oparte na założeniu, że Ziemia jest kulą, na którą zostaje nałożona siatka geograficzna. Siatka to system kół przecinających się na obu biegunach oraz prostopadłych do nich, lecz wzajemnie równoległych kół (równoleżnikowych) malejących od równika do biegunów. Współrzędne geograficzne to kombinacja dwóch liczb odpowiadających kątowi między równikiem (0o) i Biegunem Północnym (90oN) lub między równikiem (0o) i Biegunem Południowym (90oS) oraz kątowi między umownie przyjętym południkiem (0o) i danym punktem na okręgu w kierunku wschodnim (0o - 180oE) lub zachodnim (0o - 180oW). Litery wskazujące kierunek pochodzą z języka angielskiego: N - north, S - south, W - west oraz E - east.
Na siatce współrzędnych Ziemi wyróżniają się szczególne koła równoleżnikowe wyznaczane przez kąt padania promieni słonecznych: równik, dwa zwrotniki i dwa koła podbiegunowe. Równik znajduje się w połowie między zwrotnikiem Raka na północy i zwrotnikiem Koziorożca na południu. Promienie słoneczne padają prostopadle na równik podczas równonocy, na zwrotnik Raka w dniu przesilenia, kiedy na półkuli północnej zaczyna się lato a na zwrotnik Koziorożca w dniu drugiego przesilenia, kiedy na półkuli południowej zaczyna się lato. Koła podbiegunowe zaś wyznaczają obszar wokół biegunów, gdzie panuje dzień polarny latem i noc polarna zimą;
- współrzędne astronomiczne
kombinacja dwóch liczb analogiczna do współrzędnych geograficznych, lecz przeniesiona na widoczne z Ziemi niebo potraktowane jako wewnętrzna powierzchnia sfery. Bieguny nieba to punkty sfery leżące na przedłużeniu osi Ziemi, a więc odpowiadające ziemskim biegunom;
- współrzędne w przestrzeni kosmicznej
kombinacje liczb analogiczne do współrzędnych w przestrzeni i współrzędnych geograficznych oparte o różne wartości wyjściowe zależnie od obiektu. Współrzędne w Układzie Słonecznym odnoszą się do płaszczyzny ruchu planet potraktowanej analogicznie do równika we współrzędnych geograficznych. Współrzędne galaktyczne opierają się na płaszczyźnie przechodzącej przez dysk galaktyki, a współrzędne innych, jeszcze większych obiektów, na przykład grup lokalnych, odnoszą się do ich geometrycznych proporcji;
- czas
zgodnie z koncepcją nawiązującą do dawnej Mezopotamii podstawową jednostką jest sekunda (s). 1 minuta (m) = 60 sekund, 1 godzina (h) = 60 minut = 3600 sekund, 1 doba (dzień i noc) = 24 godziny.
Od 1967 r. 1 sekunda = 9192631770 drgań promieniowania atomu cezu-133, co ma powiązać jednostkę z fizycznymi parametrami materii niezależnymi od warunków panujących na Ziemi i od tradycji kulturowych;
- prędkość
1 metr na sekundę (m/s), 1 kilometr na godzinę (km/h);
- prędkość naddźwiękowa
1 mach = prędkość dźwięku (od nazwiska E. Macha) w ośrodku gazowym lub płynnym, na przykład 1225 km/h w powietrzu o temperaturze 15oC;
- przyspieszenie (zmiana prędkości w czasie)
1 metr na sekundę do kwadratu (m/s2);
1G = 9,80666 m/s2 to przyspieszenie normalne ustalone na 3. Generalnej Konferencji Miar i Wag w 1901 r. jako przyspieszenie ziemskie na poziomie morza na szerokości geograficznej 45,5o. W rzeczywistości przyspieszenie ziemskie jest różne w różnych punktach planety: wysokie na biegunach (9,83332 m/s2), maleje w miarę posuwania się do równika (9,78030 m/s2) i maleje wraz ze wzrostem wysokości nad powierzchnią Ziemi (większa odległość od środka ciężkości planety). Jest też większe nad obszarami zbudowanymi z cięższych skał (większa grawitacja).
- częstotliwość
1 herc (1 Hz = 1 zjawisko okresowe /sek.); w 1930 r. nazwany na cześć H. R. Hertza.
Fale akustyczne są dzielone na bardzo niskie niesłyszalne dla ludzi infradźwięki o częstotliwości < 6 Hz; dźwięki słyszalne dla większości ludzi o częstotliwości od ok. 16 Hz (dźwięki niskie) do ok. 20 kHz (dźwięki wysokie); niesłyszalne dla ludzi ultradźwięki > 20 kHz i bardzo wysokie hiperdźwięki > 1010 Hz (rozchodzące się w kryształach).
Fale elektromagnetyczne są dzielone na zakresy zależnie od częstotliwości i długości: fale małej częstotliwości < 10 kHz mają długość > 30 km; fale radiowe ok. 10 kHz - 1 Ghz mają długość ok. 30000 - 0,3 m; mikrofale 1 - 300 Ghz mają długość ok. 30 cm - 1 mm; fale podczerwone ok. 0,3 THz - 3,8·1014 Thz mają długość ok. 50 μm- 2500 nm; fale światła widzialnego dla człowieka ok. 3,8·1014 Thz - 7,9·1014 Thz mają długość ok. 780 - 380 nm; fale nadfioletowe ok. 7,9·1014 Thz - 3·1016 Thz mają długość ok. 380 - 10 nm; fale rentgenowskie ok. 7,9·1016 Thz - 3·1019 Thz mają długość ok. 10 nm - 10 pm; fale promieniowania gamma > 3·1019 Thz mają długość < 10 pm.
- masa
1 kilogram (kg), 1 tona (t) = 1000 kg, 1 gram (g) = 0,001 kg, miligram (mg) = 0,001 g.
- gęstość, ciężar właściwy
1 kilogram na metr sześcienny (kg/m2), 1 gram na centymetr sześcienny (g/cm2);
- moment bezwładności
1 kilogram razy metr do kwadratu (kg · m2);
- siła
1 niuton (N = m · kg/s2); na cześć Newtona;
- przeciążenie (siła skierowana przeciwnie do przyspieszenia poruszającego się ciała)
0G = przeciążenie zerowe, czyli stan nieważkości;
1G = przeciążenie równoważne przyspieszeniu normalnemu na Ziemi;
1 niuton (N = m · kg/s2);
- ciśnienie
1 atmosfera (at = N/cm2 = m · kg/[s2 · cm2]) = 760 mm słupa rtęci Hg w temperaturze 0oC przy normalnym przyspieszeniu ziemskim, co odpowiada przeciętnemu ciśnieniu powietrza (mechanicznemu naciskowi związanemu z ciężarem powietrza) na Ziemi na poziomie morza.
1 atmosfera = 1,01325 bara (bar) = 101325 paskali (Pa); na cześć Pascala = 1013,25 hektopaskali;
- ciepło (energia)
1 kaloria (cal) = ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1 g wody o 1oC przy ciśnieniu 1 atm;
- energia
1 dżul (J = N · m); na cześć Joule’a; 1 elektronowolt (eV = 1,602 · 10-19J); energia przeniesienia elektronu w polu elektrycznym o różnicy napięcia równej 1 V;
- moc
1 wat (W = N · m/s = J/s); na cześć Watta; (w 1770 r. Watt wprowadził jednostkę koń mechaniczny = 735,49875 W);
- praca
1 kilowatogodzina (kWh = kg · W · h);
- głośność czyli natężenie dźwięku
1 wat na metr kwadratowy (W/m2);
ok. 10-12W/m2 = 1 decybel (dB) = 0,1 bela (B) = 10 log10(P/P0), gdzie P = badana głośność, P0 = głośność wzorcowa.
Na przykład: 0 dB - cisza; 10 dB - szelest liści; 20 dB - szept; 50 dB - rozmowa; 80 dB - głośna muzyka; 100 dB - głośne maszyny; 110-140 dB - krzyczący kibice sportowi lub muzyka rockowa; 130-140 dB - artyleria; 140 dB - granica bólu spowodowanego przez falę dźwiękową; ponad 300 dB - wybuch Krakatau w 1883 r.;
1 fon = 1 dB o częstotliwości 1 kHz;
1 son = 40 fonów;
- temperatura
1 kelwin (K, na cześć Kelvina), 0oK = -273,16oC; (Celsjusza).
W XX w. kelwin jest obliczany w oparciu o stałą Boltzmanna.
- wilgotność powietrza
liczba gramów wody w 1 m3gazu (wilgotność bezwzględna),
zawartość wody w stosunku do maksymalnego nasycenia danej objętości gazu w danej temperaturze (wilgotność względna wyrażana zwykle w procentach);
- zachmurzenie
procent nieba zajęty przez chmury od 0 przy braku chmur do 100 przy całkowitym zachmurzeniu;
- długość fali świetlnej
1 angstrem (Å) = 10-10 m; jednostkę wprowadza Szwed A. J. Ångström w 1866 r.;
- natężenie światła
1 świeca = natężenie światła świecy ze spermacetu o masie 1/6 funta (angielskiego) palącej się z szybkością 129 granów (grains) na godzinę = 1,02 kandeli;
1 kandela (cd, po łacinie candela oznacza świecę) = częstotliwość 540 · 1012 Hz przy natężeniu 1/683 W · 1 steradian (sr);
- ilość światła lub moc źródła światła
1 lumen = liczba kandeli przypadająca na 1 steradian (lm = cd · sr);
- intensywność, czyli natężenie oświetlenia
1 luks (lx) = 1 lumen (lm) na metr kwadratowy powierzchni (m2);
- moc układu optycznego, zwłaszcza soczewki
1 dioptria (D, dpt, δ) = 1/m, odwrotność ogniskowej wyrażonej w metrach, przy czym znak plus przed liczbą dioptrii oznacza skupianie światła, a znak minus rozpraszanie;
- napięcie elektryczne
1 wolt (V); jednostka nazwana na cześć Volty, na Kongresie Elektryków w Paryżu w 1881 r.;
- natężenie prądu elektrycznego
1 amper (A); na cześć Ampère’a, na Kongresie Elektryków w Paryżu w 1881 r.
W XX w. jest obliczany w oparciu o ładunek elementarny;
- opór elektryczny
1 om (Ω = V/A), na cześć Ohma, na Kongresie Elektryków w Paryżu w 1881 r.;
- ładunek elektryczny
1 e = ładunek elementarny niesiony przez ujemny elektron lub dodatni proton; 1 farad = iloczyn stałej Avogadro i ładunku elementarnego, co daje ładunek jednego mola elektronów nazwany na cześć Faradaya; 1 kulomb © lub amperosekunda (As); na cześć Coulomba;
- pojemność elektryczna
1 farad (F = C/V); na cześć Faradaya;
- praca prądu elektrycznego
1 watosekunda (W · s);
- natężenie pola elektrycznego
1 wolt na metr (V/m);
- natężenie pola magnetycznego
1 amper na metr (A/m);
- promieniotwórczość substancji
1 bekerel (Bq = 1/s) = liczba emitowanych cząstek na sekundę; na cześć Becquerela;
- ilość promieniowania pochłoniętego przez materię
1 grej (Gy = 1J/kg) na cześć L. H. Graya;
- biologiczny równoważnik promieniowania pochłoniętego przez organizm
1 siwert (Sv = J/kg) wyraża dawkę promieniowania skuteczną dla danej tkanki lub narządu, czyli najmniejszą dawkę uszkadzającą tę tkankę lub narząd;
1 siwert dla całego organizmu to suma dawek skutecznych dla różnych narządów pomnożonych przez masę tych narządów; na cześć R. M. Sieverta;
- masa atomowa
1 jednostka względnej masy atomowej u (od angielskiego unit) lub Da (na cześć Daltona) to pierwotnie masa atomu wodoru, potem 1/16 masy atomu tlenu (F. W. Aston), a po międzynarodowych zjazdach chemików (1960) i fizyków (1961) 1/12 masy atomu węgla 12C. Bezwzględna masa atomowa może być wyrażana w gramach (g).
- rozmiary jądra atomowego
1 fermi (f) = 10-15 m; na cześć Fermiego;
- stężenie roztworu
liczba gramów substancji rozpuszczonej/liczba gramów całego roztworu (stężenie wagowe); liczba gramów substancji rozpuszczonej przypadającej na 100 gramów roztworu (stężenie procentowe); liczba gramów substancji rozpuszczonej w 1 litrze roztworu (stężenie objętościowe); liczba moli substancji rozpuszczonej w 1 litrze roztworu (stężenie molowe);
- ilość materii (liczność molekuł)
1 mol, czyli liczba Avogadro 6,02 · 1023 molekuł, ewentualnie liczba atomowa (z układu okresowego pierwiastków) lub cząsteczkowa (suma liczb atomowych pierwiastków tworzących cząsteczkę) wyrażona w gramach;
- kwasowość
pH = 0-14 wprowadza Duńczyk S. P. Sørensen w laboratorium Carlsberga w 1909 r. jako teoretyczną liczbę wolnych jonów wodoru H + w roztworze wodnym. W rzeczywistości pH to ujemny logarytm dziesiętny z aktywności jonów H3O + wyrażonej jako liczba moli H3O + w decymetrze sześciennym wody (pH = -log10 [H3O+] = -log10[mol H3O + /1 dm3]). Roztwór silnie kwaśny pH = 0 (żrący kwas solny HCl); roztwór kwaśny pH = 0-6,5; roztwór obojętny pH = 7 (czysta woda); roztwór słabo zasadowy pH = 7,5-8 (ślina człowieka, krew człowieka, woda morska); roztwór zasadowy pH = 8-12,5; roztwór silnie zasadowy pH = 12,5-14 (żrąca zasada sodowa NaOH);
- aktywność substancji biologicznie czynnych
jednostka międzynarodowa (j.m., international unit IU) stosowana do określania poziomu aktywnej biologicznie substancji w witaminach, enzymach, hormonach, lekach, szczepionkach i innych preparatach medycznych. Jest to minimalna ilość wystarczająca, żeby dana substancja wykazywała oddziaływanie biologiczne. To oznacza, że dla każdej substancji jest ustalana odrębna jednostka, a więc nie można porównywać jednostek różnych substancji. Poza tym jednostka danej substancji jest różna dla człowieka i dla innych organizmów.
- względna twardość minerałów w skali Mohsa od 1 do 10
1 - talk Mg3Si4O10(OH)2, 2 - gips CaSO4 ·2H2O, 3 - kalcyt CaCO3, 4 - fluoryt CaF2, 5 - apatyt Ca5(PO4)3(OH-Cl-F), 6 - ortoklaz KAlSi3O8, 7 - kwarc SiO2, 7,5 - cyrkon ZrSiO4, 8 - topaz Al2SiO4(OH-F-)2, 9 - korund Al2O3, 10 - diament C;
- siła trzęsienia ziemi
1 magnituda w skali Richtera (C. F. Richter, 1935) = dziesiętny logarytm z maksymalnej amplitudy w mikrometrach (mikronach) zapisanej przez sejsmograf 100 km od epicentrum,
1-2 magnitudy to mikrotrzęsienia, często niezauważalne; ok. 4,5 magnitudy - niegroźne wstrząsy, 4,9-6,1 - słabe trzęsienie ziemi powodujące niewielkie zniszczenia, 6,2 - 7,3 - silne trzęsienie ziemi i duże zniszczenia, 7,4 - 8,9 - bardzo silne trzęsienie niszczące powierzchnię w promieniu kilkuset kilometrów; 9 i więcej - zniszczenia przybierają postać katastrofy na wielkim obszarze.
- siła eksplozji
mierzona jako odpowiednik siły eksplozji danej ilości trotylu TNT (wyrażonej w kilogramach i tonach, czyli tysiącach kilogramów);
- eksplozywność wulkanów
według skali C. Newhalla i S. Selfa VEI (od angielskiego Volcanic Explosivity Index) 0 – erupcje nieeksplozywne (lawa wypływa z krateru) a objętość materiału piroklastycznego nie przekracza 10 tysięcy m3 (na przykład Mauna Loa); 1 – 10-100 tysięcy m3 materiału piroklastycznego (na przykład Stromboli na Wyspach Liparyjskich); 2 – 100 tysięcy-1 milion m3; 3 - 1-10 milionów m3; 4 – 10-100 milionów m3; 5 – 1-10 km3 (na przykład erupcja St. Helens w roku 1980); 6 – 10-100 km3 (Pinatubo w roku 1991); 7 – ponad 100 km3 (Tambora w roku 1815; Taupo w 24. tysiącleciu p.n.e.); 8 – ponad 1000 km3 (erupcje Yellowstone 2,1 miliona, 1,3 miliona i ok. 650 tysięcy lat p.n.e.);
- siła i prędkość wiatru
0-12 w skali Beauforta (F. Beaufort, 1805-1832). 0 - nieruchome powietrze; 1 - wiatr do 3 mil na godzinę; 2 - wiatr 4-7 mil/h; 3 - łagodna bryza 8-12 mil/h; 4 - bryza 13-18 mil/h: 5 - bryza 19-24 mile/h; 6 - silny wiatr 25-31 mil/h; 7 - silny wiatr 32-38 mil/h; 8 - wichura 39-46 mil/h; 9 - wichura 47-54 mile/h; 10 - burza 55-63 mile/h; 11 - gwałtowna burza 64-72 mile/h; 12 - huragan 73-83 mile/h;
- siła huraganu
1-6 w skali Saffira-Simpsona (H. Saffir, B. Simpson, 1969-1973), gdzie 1 - prędkość wiatru osiąga wartości do 95 mil/153 km/h; 2 - do 110 mil/177 km/h; 3 - do 130 mil/210 km/h (raczej niewielkie zniszczenia budynków murowanych); 4 - do 155/mil 250 km/h (znaczące zniszczenia, powodzie); 5 - do 175 mil/280 km/h (duże zniszczenia, rozległe powodzie); 6 - ponad 175 mil/280 km/h (katastrofalne zniszczenia, wiatr spotykany głównie na Pacyfiku);
- siła tornada
F0-F6 (Amerykanin Ted Fujita, 1971), F0 = 64-116 km/h, F1 = 117-180 km/h (relatywnie słaby huragan), F2 = 181-253 km/h (duże zniszczenia w zabudowie), F3-F4-F5 = 254-333-419 km/h (ogromne zniszczenia, zburzone nawet mocne budynki), F6 = ponad 513 km/h (totalna katastrofa);
- prawdopodobieństwo kolizji Ziemi z innym obiektem kosmicznym
skala Torino (NASA) od 0 (kolizja wykluczona), poprzez 1-7 (coraz większe prawdopodobieństwo zderzenia) do 8-10 (zderzenie Ziemi z innym obiektem kosmicznym jest uznawane za pewne, lecz z różnymi skutkami);
- jasność gwiazd
skala 1 - 6 od najjaśniejszych do najsłabszych gwiazd widocznych na niebie gołym okiem (Hipparch, II w. p.n.e.);
absolutna jasność gwiazdy = jasność danej gwiazdy obserwowanej z odległości 10 parseków;
- odległość w kosmosie
1 jednostka astronomiczna j. a. = średnia odległość Ziemi od Słońca = 150 milionów km;
1 rok świetlny = droga światła w ciągu ziemskiego roku = ok. 9461 miliardów km;
1 parsek 1” = odległość, przy której paralaksa gwiazdy obserwowanej z Ziemi w ciągu jednego roku wynosi 1 sekundę kątową; 1 parsek = 3,258 lat świetlnych = 206,265 jednostek astronomicznych;
- ilość informacji
1 bit = jedna z dwóch możliwych odpowiedzi „tak” lub „nie” (bit od angielskiego binary information theoretical unit), 1 byte (w komputerach) = 8 bitów;
1 kubit (qubit, quantum bit) = bit kwantowy przyjmujący wartość między 0 i 1, najmniejsza możliwa jednostka informacji jako kombinacja dwóch wymiarów określających położenie danego punktu na dwuwymiarowej powierzchni;
- inteligencja
wskaźnik IQ ustalany na podstawie testów: IQ < 65 oznacza niedorozwój umysłowy, IQ ≈ 100 to inteligencja przeciętna w danej kulturze, a IQ > 100 to inteligencja ponadprzeciętna (W. Stern, 1902; A. Binet, 1905);
- jednostki stosowane w fizyce kwantowej
podstawę jednostek stosowanych w mechanice kwantowej stanowią masa elektronu me = 9,110 · 10-31kg, ładunek elektryczny elektronu, czyli ładunek elementarny e = 1,602 176 6208(98)· 10-19C, promień atomu wodoru a = 5,292 · 10-11m jako elementarna jednostka długości i prędkość światła w próżni c = 2,998·108m/s.
Podstawą systemu jednostek Plancka są stała grawitacji G = 6,672 · 10-11N · m2/kg2, prędkość światła w próżni c = 2,998 · 108m/s, określająca kwant energii stała Plancka ħ = 6,626 · 10-34J/s oraz stała Diraca ħ/2π = 1,055 · 10-34J/s opisująca kwant momentu pędu i spin cząstki.
Za podstawę systemu jednostek relatywistycznych służy stała Diraca, a fundamentalne elementy stanowią masa elektronu; ładunek elektronu; prędkość światła w próżni i długość fali elektronu jako elementarna jednostka długości.