دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .
لینک پرداخت و دانلود در "پایین مطلب"
فرمت فایل: word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحات:55
یکا و وزن
در کتاب زیبای ((راه های نو در علم)) نوشته آ.اس. ادینگتون، فیزیک دان و فیلسوف بزرگ انگلیسی، چنین می خوانیم:
“اگر اخبار قدیمی را باور کنیم، می گویند که هانری اول، شاه انگلستان، در سال 1120 میلادی یارد را برابر با طول ساعد کشیدة خود تعیین کرده بود. به امر دیوید، شاه اسکاتلند (در سال 1150 میلادی)، که دیدگاهی مردمی تر داشت، اینچ برابر میانگین کلفتی انگشت سه مرد- مردی درشت اندام، مردی با اندام متوسط و مردی ریز اندام- تعیین شده بود. سرانجام، متر اشتباه های مساحان قدیمی را جاودانی کرد.” این نقل قول کوتاه گوشه ای از داستان بلند تلاش های انسان در راه تعیین یکاهای اندازه گیری است. نخست ضرورت هر چه بیشتر یکسان کردن یکاهای اندازه گیری نه تنها در بخش های کوچک تک تک شهرها و کشورها، بلکه در سراسر جهان، و سپس نیازهای روز افزون تعیین دقیق اندازه ها، در پدید آمدن این یکاها نقش داشتند. در قرن وسطی بسیاری از شهرهای بزرگ یکاهای اندازه گیری خاص خود را داشتند و حتی تقریباً تا عصر ما نیز کشورهای مختلق از یکاهای گوناگونی استفاده می کردند. با دقتی که در زمان های قدیم ممکن بود، تعیین یکاها به خوبی انجام نمی شد. طول ساعد شاه هانری پایه دقیقی برای یکای طول نبود. احتمالاً در آن زمان میله ای به طول تقریبی یک ساعد، بریده بودند تا هنگامی که بهواهند طولی را اندازه بگیرند مجبور نشوند شاه خود را به زحمت اندازند، یا هنگامی که شاه بمیرد، این اندازه از میان نرود، و آن وقت این میله به مثابه استاندارد طول به کار می رفت. (منظور از “استاندارد” یکای اندازه گیری چیزی است که آن یکا را از طریق ویژگی خاصی به صورت عمومی تجسم می بخشد.) شاه دیوید به این مسئله دقیق تر توجه کرده است. میانگین کلفتی انگشت سه مرد را همیشه می توان به آسانی تعیین کرد؛ اما همیشه درست به یک اندازه به دست نمی آید. اما این کار پاسخگوی نیازهای آن زمان بود.
پیشرفت ارتباطات جهانی، یعنی کسترش روز افزون مبادله کالا در سراسر جهان سبب احساس نیاز به توافق بر یکاهای اندازه گیری معنی در سراسر جهان شد. اما تلاش در راه دستیابی به دقت هرچه بیشتر یکاهای اندازه گیری ثابت، از نیاز به علم و صنعت ناشی می شود که روز به روز دقیق تر و ظریفتر می شوند. البته همه ملل متمدن در مورد دقت هم عقیده اند. اما متأسفانه رسیدن به وحدت جهانی درباره یک سیستم یکاهای اندازهگیری چندان آسان نیست. البته بیشتر ملل متمدن در طول صد سال گذشته یکاهای سیستم متری را پذیرفته اند.
متر و ترازو از جمله وسایل اندازه گیری اند که بی شک در صنعت و تجارت به کار می روند. از این رو شاید برای خوانندگان جالب باشد کمی درباره چگونگی دستیابی به یکاهای متر و کیلوگرم بدانند؛ یعنی همان یکاهایی که از پایه های سیستم یکاهای اندازهگیری کنونی ما به شمار می روند.
طول ساعد شاه هانری و میانگین کلفتی انگشت سه مرد، حتی در شکل بسیار ابتدایی خود، همان چیزی بودند که امروزه استاندارد طول نامیده می شوند. این استاندارد همچنین چیزی است که به بیان دیگر یکای عمومی اندازه گیری را نشان می دهد و به کمک آن اندازه های استاندارد دیگر را می توان تعیین کرد. استاندارد باید یا مانند طول یاعد شاه هانری یک چیز کاملاً مشخص باشد، یا مانند میانگین کلفتی انگشت سه مرد چیزی باشد که آن را همیشه بتوان به دست آورد.
تعریف یکای طول کنونی ما، متر، را به هویگنس فیزیکدان هلندی، که ساعت آونگدار را نیز اختراع کرده است، نسبت می دهند. یکاس طول پیشنهادی او از نوع دوم است. در آغاز قرن هفدهم میلادی، گالیله کشف کرد که دوره نوسان هر آونگ، یعنی مدت رفت و برگشت کامل، در نوسان های کوچک آونگ مستقل از اندازه نوسان هاست و تنها به طول آونگ بستگی دارد. هویگنس (1658 میلادی) پیشنهاد کرد که طول آونگ ثانیه ای را به عنوان یکای طول برگزینند. این آونگ از یک گلوله سنگین کوچک و یک نخ بسیار سبک تشکیل می شود و برای یک نیم نوسان- زمان میان دو گذر پی در پی از وضعیت سکون- درست به 1 ثانیه نیاز دارد. منظور از طول آونگ، فاصله نقطه آویختن آونگ تا مرکز گلوله است؛ تقریباً 993/0 متر است. اگر این پیشنهاد را می پذیرفتند، متر ما 7 میلی متر کوتاه تر از مقدار امروزینش می شد. اما این استاندارد دو عیب دارد. نخست اینکه آن را تنها به کمک اندازه گیری زمانی می توان تعیین کرد و احتمال بروز خطا در آن وجود دارد. دوم اینکه به زودی پی بردند که مدت نوسان آونگ، که به وزن موضعی بستگی دارد، بسته به ارتفاع از سطح دریا و عرض جغرافیایی کمی تغییر می کند.
اما فکر تعیین یکای طول به وسیله طول تقریبی آونگ ثانیه ای از آن پس از بین نرفت. در سال 1790 میلادی، اواسط نخستین نا آرامی های انقلاب فرانسه، به دستور تالیران وزیر امور خارجه، جمعی از دانش اندوختگان در پاریس گرد هم آمدند تا درباره تعیین تا حد امکان دقیق چنین یکای طولی- متر کنونی- تصمیم بگیرند. در این میان پی بردند که یک چهارم محسط زمین، که در یک درجه طول جغرافیایی از قطب تا استوا اندازه گیری شده، تقریباً ده میلیون برابر طول آونگ ثانیه ای است. چون محیط زمین طی میلیون ها سال تغییر نگرده است، به نظر می رسد که پایه مناسبی برای تعیین یکای طول باشد. پس تصمیم گرفته شد که متر درست یک ده میلیونیم یک چهارم محیز زمین معین شود. قدم بعد ساخت استاندارد طولی بود که به این ترتیب تعیین شد. به این منظور باید محیط زمین را دوباره با دقت زیادی اندازه می گرفتند. البته نه ممکن بود و نه لازم که کلِّ فاصله از قطب شمال تا استوا را اندازه بگیرند، و کافی بود فاصله میان دو نقطه با عرض جغرافیایی مشخص را اندازه بگیرند. چنین اندازه گیری ای بین سال های 1792 تا 1799 میلادی میان دونکرک و بارسلون صورت گرفت. طول این فاصله را با توازن، فوت فرانسوی قدیمی، تعیین کردند، و توانستند حساب کنند که چند توازن در یک متر می گنجد. آن وقت توانستند به کمک استاندارد قدیمی توازن، استاندارد جدید متر را ایجاد کنند. این مرتبه اولیه یک میله پلاتینی بود که طولش یک متر را نشان می داد. در سال 1897 میلادی، میله ای از آلیاژ پلاتین- ایریدیم با مقطع خاصی جای آن را گرفت، که فاصله دو خط کاملاً نازک در روی آن طول متر را نشان می داد. این استاندارد طول نیز مانند استاندارد کیلوگرم در اداره بین المللی اوزان و مقیاس ها در سور پاریس نگه داری می شود. جندین دوجین نسخه دقیق از این استاندارد ساخته شد و طبق قرعه به اداره های مسئول اوزان و مقیاس ها در کشورهای مختلف داده شد. همراه با این نسخه ها خط کش مدرج، متر نواری، و متر تاشو که در عمل کاربرد کمابیش مستقیم دارند، ایجاد شد.
بعدها اندازهگیری دقیقتر، زمین نشان داد که متر اولیه هنوز هم درست به اندازه یک ده میلیونیم یک چهارم محسط زمین نیست. البته این مطلب در عمل کاملاً بی اهمیت بود و توجه زیادی به آن نشد. تعریق متر دیگر به محیط زمین اشاره نمی کرد، بلکه تا سال 1960 میلادی، فقط و فقط بر فاصله میان دو خط باریک روی متر استاندارد در پاریس مبتنی بود.
امروزه می توان- و باید هم بتوان- طولها را با دقتی اندازه گیری کرد که متر پاریسی دیگر آن کفایت نکند، زیرا با این دقت، حتی خط های نازک آن نیز خیلی ضخیمند. از این رو، از سا 1960 میلادی تاکنون متر بسیار بسیار دقیق تر تعریف شده است: 1 متر درست 73/1650763 برابر طول موج معین گاز بی اثر کریپتون است. خواننده از چنین تعریف بسیار دقیقی تعجب خواهد کرد. اما این مطلب بر اندازه گیرهایی که سال ها در مؤسسه های بزرگ در سراسر دنیا صورت گرفته مبتنی است و واقعاً به این اندازه دقیق است.
در زندگی روزمره ما گذشته از اندازه گیری طول، سنجش وزن نیز نقش مهمی بازی می کند. اما معمولاً وزن اجسام، یعنی سنگینی آنها، را تعیین نمی کنیم، بلکه ماده محتوی آنها، یعنی جرم آنها، را تعیین می کنیم. (در زندگی روزمره تقریباً همیشه به جای جرم، اصطلاح وزن را می گیوند. اما در اینجا ما باید میان جرم به عنوان اندازه لختی و مقدار ماده، و وزن، کشش جسم به وسیله زمین، یعنی یک نیرو، به دقت فرق بگذاریم، زیرا به مفاهیم کاملاً متفاوتی مربوط می شوند.) جرم را می توان از وزن به دست آورد، زیرا جرم و وزن به دقت با هم متناسبند. پس از تعیین متر به عنوان یکای طول، به فکر تعیین یکای جرم جدیدی افتادند. تصمیم گرفتند جرم یک دسیمتر مکعب (مکعبی به ضلع 10 سانتی متر) آب با دمای 4 درجه سیلسیوس را به عنوان یکای جرم، 1 کیلوگرم، اختیار کنند. مشخص کردن یک دمای خاص ضروری است، زیرا حجم هر مقدرا معین آب متناسب با دمای تغییر می کند. انتخاب دمای 4 درجه سیلسیوس به این دلیل است که آب در این دما بیشترین چکالی خود را دارد. اما خیلی زود پی بردند که با وسایل اندازه گیری آن زمان، حجم را به دشواری می توان با دقت مطلوب انجام داد. از این رو تصمیم گرفتند، درست مانند متر، برای کیلوگرم نیز یک استاندارد ایجاد کنند، که با دقت هرچه بیشتر پاسخگوی تعریق اولیه خود باشد. استاندارد کیلوگرم کنونی جسمی از آلیاژ پلاتین- ایریدیم است، که همه کشورهای متمدن نسخه هایی از آن را دارند. بعدها با اندازه گیری های دقیق روشن شد که این استاندارد کاملاً به دقت پاسخگوی تعریق اولیه نیست، بلکه تقریباً 3 میلیگرم سنگین تر است. اما به این مطلب دیگر توجه نکردند، بلکه تصمیم گرفتند جرم دقیق استاندار کیلوگرم با یک تیر دو نشان زدند. این استاندارد مانند هر جسم در مقابل جرم خود وزنی متناسب با این جرم نیز دارد. این وزن درواقع حالت خاصی از یک نیرو است؛ یعنی نیرویی که بر اثر گرانش زمین به هر جسم وارد می شود. به همین سبب، استاندارد جرم را به عنوان استانداردی برای تعیین یکای نیرو و نیز به کار بردند، یعنی آن را به عنوان وزن یکای جرم برگزیدند، به بیان دقیق تر، وزن آن در ارتفاع سطح دریا و عرض جغرافیایی 45 درجه، زیرا طبیعتاً وزن هر جسم به اندازه نیروی گرانش در هر مکان وابسته است، و این نیرو به فاصله از مرکز زمین بستگی دارد. می دانیم که وزن کمی کشیده است و فاصله مرکز زمین از قطب ها نسبت به استوا کمی زیادتر است. متأسفانه در نامگذاری این یکای نیرو اشتباهی رخ داد. نیرو و جرم دو کمیت فیزیکی کاملاً متفاوتند و مستقیماً به هم ربطی ندارند. برای مثال، هنگامی که با نیروی عضلانی خود یک فنر را می کشیم، هیچ جرمی مستقیماً در آن نقش ندارد. تنها در حالت خاصی که جسمی را بلند می کنیم، و به این وسیله نیروی عضلانی خود را بر ضد گرانش زمین، یعنی بر ضد وزن متناسب با جرم جسم به کار می گیریم، جرم جسم نیز نقشی بازی می کنند. مثال دیگر وقتی است که جسمی را برخلاف مقاومت لختی آن به حرکت در می آوریم و به آن شتاب می دهیم. پس چون نیرو چیزی کاملاً متفاوت با جرم است، طبیعتاً یکای آن نیز باید نامی متفاوت با یکای جرم داشته باشد. ولی از آنجا که استاندارد است، اگرچه ویژگی های مختلف آن برای دو مفهوم مورد نظر بود، نام یکسانی برای دو یکای مختلف به کار گرفته شد. امروزه به درستی معلوم نیست که در گذشته تا چه حد به این نکته توجه کرده اند. چنین به نظر می رسد که یکای نیرو را، درست مانند یکای جرم، به عنوان 1 کیلوگرم تعیین کرده اند. این کار به ابهاما ها و مشکلات بسیاری انجامید، و به همین سبب است که اگثر مردم اغلب تفاوت های اساسی میان جرم و وزن را اصلاً نمی دانند. اصطلاح ((جرم)) در زبان محاوره ای مردم به ندرت مطرح می شود، و هنگامی که از ((وزن)) سخن می گویند اغلب منظورشان جرم به مثابه اندازه لختی یا مقدار ماده است. هنگامی که می گویند جسمی 10 کیلوگرم وزن دارد، بلکه به یک مقدار خاص ماده اشاره می کنند.
برای برطرف کردن این ابهام که فهم مفاهیم فیزیکی مهمتر را بسیار دشوارتر می کند، فیزیک دانان درصدد برآمدند که نام دیگری برای یکای نیرو برگزینند و از اصطلاح کیلوگرم نیرو استفاده کردند. مثلاً اگر جرم جسمی 3 کیلوگرم بود، وزن آن نیز 3 کیلوگرم نیرو می شود. باید توجه داشت که اصطلاح ((وزن کردن)) دو معنی می دهد و در هر دو مورد تعیین جرم و وزن به کار می رود. قبلاً با نام های ((کیلوگرم)) و ((کیلوگرم نیرو)) تمایز میان این دو مفهوم را نشان می دادند. امروزه در سیستم SI ، نام ((نیوتون)) برای یکای نیرو انتخاب شده و این مشکل از میان رفته است.
