اندازه گیری چیست؟ معرفی 7 واحد SI

اندازه گیری بخشی جدایی ناپذیر از علم امروزی و همچنین مهندسی، تجارت و زندگی روزمره مردم است که معمولا به عنوان یک شاخص علمی و قابل استناد نسبت به روش های کیفی تحقیق در نظر گرفته می شود.

با وجود فراگیر بودن اندازه گیری، همیشه اختلافات زیادی در مورد چگونگی تعریف اندازه گیری، چیزهایی که قابل اندازه گیری است یا شرایط اندازه گیری وجود دارد. معمولا در تعریف های امروزی اندازه گیری را عملیاتی می دانند که یک سیستم را از جنبه هایی مانند اعداد، بردار ها، طبقات و … مورد ارزیابی قرار دهد. اما این تعریف موارد مختلفی از فعالیت های ادراکی و زبانی که معمولا اندازه گیری در نظر گرفته نمی شود را نیز در بر می گیرد. پس این یک توصیف بسیار کلی است و نمی توان آن را تعریفی دقیق در نظر گرفت.

فیلسوفان در زمینه های مختلف متافیزیکی، مفهومی، معرفت شناختی و معنایی، دیدگاه های خود را درباره اندازه گیری نوشته اند. دیدگاه مرکزی فلسفه در مورد ماهیت آن، مفهوم کمیت قابل اندازه گیری و موضوعات مرتبط با آن است.

بررسی اجمالی اندازه گیری

بحث های فلسفی مدرن درباره این موضوع که از اواخر قرن نوزدهم میلادی تا به امروز را در بر می گیرد، ممکن است به چندین رشته تحقیقاتی تقسیم شود. این رشته ها دیدگاه های مختلفی را در مورد ماهیت اندازه گیری و شرایطی که اندازه گیری را ممکن و قابل اعتماد می سازد، منتقل می کند. رشته های اصلی شامل نظریه های ریاضی، قراردادگرایی، عملیات گرایی، واقع گرایی، محاسبات مبتنی بر مدل و محاسبات نظری اطلاعات است. دیدگاه کلی این رشته ها به شرح زیر است:

• نظریه های ریاضی، اندازه گیری را به عنوان نگاشت رابطه های کیفی تجربی به همراه رابطه های بین اعداد در نظر می گیرد.
• عملیات گرایی و قراردادگرایی، اندازه گیری را به عنوان مجموعه ای از عملیات که معنا را تشکیل می دهد، در نظر می گیرد.
• واقع گرایی، اندازه گیری را با تخمین زدن خصوصیات و یا رابطه های مستقل از ذهن در نظر می گیرد.
• محاسبات نظری اطلاعات، اندازه گیری با جمع آوری و تفسیر اطلاعات در مورد یک سیستم در نظر می گیرد.
• محاسبات مبتنی بر مدل، اندازه گیری را با جمع آوری و تفسیر اطلاعات در مورد یک سیستم در نظر می گیرد.

تعریف امروزی

در تعریف های امروزی و متعارف، اندازه گیری تخمین بزرگی بعضی از ویژگی های اجسام مانند طول و وزن، نسبت به یک واحد اندازه گیری استاندارد است.

این عملیات معمولا به کمک ابزار های مانند خط کش یا ترازو برای مقایسه جسم با استاندارد هایی مانند متر یا کیلوگرم صورت می گیرد.

در تئوری، اندازه گیری مشاهده ای است که عدم قطعیت بیان شده به صورت کمیت را کاهش می دهد. این عملیات شامل محاسبه یک کمیت فیزیکی مانند دما، زمان یا انرژی است.

برای اندازه گیری معمولا نیاز به ابزاری مانند سرعت سنج، دماسنج، ترازو یا ولت متر داریم که به این منظور طراحی و مندرج شده است.

تاریخچه ای کوتاه

کلمه اندازه گیری از کلمه یونانی “metron” به معنای نسبت محدوده گرفته شده است. متر، پس از انقلاب به عنوان واحد طول استاندارد تعیین شد و بعد از آن در بیشتر نقاط جهان مورد استفاده قرار گرفت.

“زمانی که بتوانید آنچه را که در موردش صحبت می کنید را اندازه گیری و آن را با اعداد بیان کنید، به این معناست که در مورد آن چیزی می دانید. اما زمانی که نمی توانید آن را با اعداد و ارقام بیان کنید، دانش شما ناچیز و نامطلوب است. ممکن است آغاز دانش باشد، اما شما به آرامی در افکار خود تا سطح علم پیش رفته اید.”

“لرد کلوین“

دقت و عدم قطعیت اندازه گیری همیشه دارای خطا و در نتیجه عدم قطعیت است. در واقع کاهش (نه الزاما حذف) عدم قطعیت در مفهوم اندازه گیری نقش اساسی دارد. خطاهای اندازه گیری معمولا در مورد مقدار واقعی کمیت مطرح می شود. بر این اساس، هر اندازه گیری دارای سه بخش کران خطا، برآورد و احتمال اینکه مقدار واقعی در محدوده خطای برآورد قرار دارد تقسیم می شود. به عنوان مثال، محاسبه اندازه طول یک صفحه چوب می تواند نتایج جالبی مانند 2.53 متر به علاوه و منهای 0.01 متر با احتمال 99 درصد شود!

در علم، در جایی که محاسبه دقیق اهمیت زیادی دارد، اندازه گیری شامل سه بخش است:

1. اندازه گیری
2. حاشیه خطا
3. سطح اطمینان

استانداردها

سیستم بین المللی واحدها

واحدهای پایه SI به شرح زیر می باشد:

1. متر (m) واحد طول یا جابجایی: یک متر مسافتی است که یک پرتو انرژی الکترومغناطیسی از خلاء در 1/299,792,458 ثانیه طی می کند.
2. کیلوگرم (kg) واحد جرم: مرجع این واحد یک نمونه اولیه بین المللی خاص ساخته شده از پلاتین  ایریدیوم است که در محلی مشخص نگهداری می شود.
3. ثانیه (S) واحد زمان: به دو روش دینامیکی و اتمی می توان زمان را اندازه گرفت. در ابتدا با توجه به چرخش زمین و زمان طلوع خورشید از شرق و غروب آن، طول روز را به 24 ساعت و سپس آن را به قسمت های 60 دقیقه ای و در نهایت 60 ثانیه ای تقسیم می کردند. با توجه به اینکه مدت زمان چرخش زمین ثابت نیست، زمان را به صورت دقیق نمی توان اندازه گیری نمود و در طول زمان تغییر می کند. از این رو، از سال 1967 میلادی به بعد، برای محاسبه زمان از ساعت های اتمی استفاده می شود که ارتعاشات اتم سزیوم را محاسبه می کند. پس یک ثانیه بر اساس واحد SI معادل 9192631770 دور از این ارتعاشات است.
4. کلوین (K) واحد دما: یک کلوین که درجه کلوین نیز نامیده می شود، معادل 1/273.16 (3.6609 x 10-3) از دمای ترمودینامیکی نقطه سه گانه آب خالص (H2O) است. نقطه صفر مطلق کلوین برابر با -273 درجه سانتی گراد است.
5. آمپر (A) واحد جریان الکتریکی: یک آمپر جریانی است که نیرویی معادل با 0.0000002 نیوتن بین دو سیم مستقیم، موازی، کاملاً رسانا با طول بی نهایت و قطر صفر تولید می کند که با فاصله ای یک متری در خلاء از هم جدا شده اند.
6. کاندلا (cd) واحد شدت نور: شدت نور در واقع نوری است که از یک منبع نور مشخص مانند لامپ یا شمع در جهتی خاص تابش کند. این تابش الکترومغناطیسی در جهت مشخصی است که دارای شدت 1/683 وات در هر استرادیان در فرکانس 540 تراهرتز است.
7. مول (mol) واحد کمیت ماده: یک مول معادل تعداد اتم ها در 0.012 کیلوگرم از رایج ترین ایزوتوپ کربن یعنی C-12 است. این مقدار تقریبا 6.022169 است و ثابت آووگادرو نیز نامیده می شود.

دستگاه بریتانیایی

 مقیاس ها (Scales)

 بزرگی به معنای تعیین درجه ای است که یک امتیاز بیشتر یا کمتر است. فواصل مساوی به معنای فاصله یکسان هر امتیاز با امتیاز دیگری است. صفر مطلق نقطه ای است که در آن می توان امتیاز صفر را تعیین کرد. این ویژگی ها در مجموع 4 مقیاس اندازه گیری را تعیین می کند:

1. مقیاس اسمی: در مقیاس اسمی فقط نام ها نشان داده می شود یا اگر اعداد نمایش داده شوند، فقط به عنوان برچسب برای طبقه بندی و شناسایی جسم است. این نوع مقیاس هیچ کدام از 3 ویژگی بالا را ندارد.
2. مقیاس ترتیبی: این نوع مقیاس دارای ویژگی بزرگی است. اعدادی که در این مقیاس به جسم نسبت داده می شود، میزان نسبی برخورداری آن جسم از یک ویژگی خاص را مشخص می کند. یعنی معلوم می شود که این جسم دارای بزرگی کمتر یا بیشتر نسبت به جسم دیگری است.
3. مقیاس فاصله ای: در این نوع مقیاس، اجسام به گونه ای درجه بندی می شوند که در آنها ترتیب و امکان مرتب سازی وجود دارد و امکان محاسبه اختلاف بین دو متغیر نیز وجود دارد. این مقیاس دارای ویژگی ها بزرگی و فواصل مساوی است اما صفر مطلق ندارد.
4. مقیاس نسبت: بهترین نوع مقیاس، مقیاس نسبت است. در این نوع مقیاس امکان شناسایی اجسام وجود دارد. می توان به جسم رتبه یا ترتیب داد و تفاوت ها یا فواصل را با یکدیگر مقایسه کرد. این موضوع نشان می دهد که مقیاس نسبت هر سه نوع ویژگی بالا را که ذکر کردیم یعنی صفر مطلق، فواصل مساوی و بزرگی را شامل می شود.

صحت (Accuracy) و دقت (precision)

صحت (Accuracy) و دقت (precision)، دو جنبه کلیدی در اندازه گیری هستند که این عملیات را قابل اطمینان می کند. مجموعه ای از محاسبه های مکرر وزن را در نظر بگیرید که روی یک جسم مشخص انجام می شود. از دیدگاه واقعی و مبتنی بر خطا، نتایج این اندازه گیری در صورتی دقیق هستند که به مقدار واقعی کمیت جسم نزدیک باشد. برای فهم بهتر این موضوع، یک صفحه هدف گیری را در نظر بگیرید. در صورتی که تیرهای پرتاب شده به  هدف نزدیک تر باشد، صحت اندازه گیری بالاتر است.