Měrná soustava SI

Jak to vlastně vše bylo?

Jak to mám zvykem, dříve než se ponoříme do faktů ohledně hlavního tématu, je třeba vědět, jak to bylo předtím. Samotný vývoj jednotek budu řešit sice v jiném článku, ale trocha historie nikdy nikoho nezabila. 

Troufnete si odhadnout, co byl základní důvod pro vznik měrných jednotek? Jak už jsem zmínil v úvodu tohoto článku, byl to nejspíše obchod a vztahy mezi regiony. Každý si mohl ve své vesnici říct, že takto se měří délka, takto se měří hmotnost a tak dále. Bohužel to tak i bylo, a tak několik tisíc let před naším letopočtem byl metrický systém poměrně dost fragmentovaný. Nejstarší dochované zmínky o pokusech o jednotnost měření jsou ze starověkého Egypta, Mezopotámie a údolí Indus. 

Nejstarší dochované zmínky jsou z babylonských, egyptských a hebrejských originálů, kde je i Bible. 

Co myslíte, jaké byly v těchto dobách měrné jednotky? Určitě se nepoužívaly žádné etalony. Lidé se museli spoléhat na to, co mají u sebe. Jelikož to v těchto dobách nebylo mnoho, měřilo se nejčastěji částmi těla. Bavíme se samozřejmě o jednotkách délky. Předloktí od lokte po konec prostředního prstu, dlaň, nebo prst. Čas byl měřen podle slunečních období a tak dále. Zajímavé je, že objem nádob se měřil pomocí zrn rostlin. Nádoba se naplnila až po okraj, vysypala a zrna se spočítala. 

Tyto nejstarší praktiky měření se udržely až do doby, kdy je přejímá například i SPQR neboli starověký Řím. Jelikož se v době své slávy rozmáhal po obrovském území, roznášel mimo jiné i měrné jednotky. Ty se na mnoha územích dochovaly do ne tak nedávné doby. Tyto jednotky se dále vyvíjeli skrze Karla Velikého, Magna Carta až po modernější dobu. 

Zajímavé je, že se lidé soustředili na standardy vína, plátna a zlata, místo toho aby stanovili jednotky délky, hmotnosti a další.

Předvečer Metrického systému

Spolu s tím, jak se vyvíjely metody měření se dostával svět do mnohých nedorozumění. Například ačkoli se v roce 1780 v Anglii měřilo stejným palcem jako v Americe, tyto dvě jednotky měly rozdílnou velikost. Stejně tak to bylo po celém světě v mnoha odvětvích. Pro nastavení metrického systému však bylo potřeba mnohem více, než si jen říct – takto to bude. Do té doby totiž neexistoval systém desetinných čísel. Vyjadřování zlomky začínalo být s rozvojem vědy poměrně složité. Smutné je, že desetinná čísla využívali už indiáni, ale pokroková Evropa na to musela přijít až o několik století déle. Byl to Simon Stevin, který v roce 1585 tento systém obhajoval a prohlásil, že je to otázkou let, než se začne systém užívat. 

Návrhů na zavedení metrického systému bylo několik nezávisle na sobě. Například v roce 1668 John Wilkins, 1670 Gabriel Mouton nebo dokonce i v roce 1790 Thomas Jefferson.

Ačkoli se nejednalo o metrický systém tak, jak ho známe dnes, byly to systémy velice podobné s podobnou myšlenkou. Čím dál tím více bylo tedy jasné, že potřeba nastavení jednotného měrného systému je vysokou prioritou. Od poloviny 18. století se začaly měrné systémy jednotit. Například Francie se Španělskem. Po stanovení přesných rozměrů Země a vysvětlení vypouklého rovníku se vydala vědecká asociace do USA a Francie. Pomocí kyvadlových hodin chtěli určit délku v závislosti pohybu kyvadla nad střelkou. Bohužel tato myšlenka skončila neúspěchem, jelikož každá země chtěla svoji definici vzhledem k zeměpisné šířce a gravitačnímu zrychlení. 

Zavedení takových změn nebylo nic snadného. Jednalo se o kompletní přeformování zákonů, standardů, průmyslu a dalších. Takový změna vyžaduje zásadní událost, taková změna vyžaduje příležitost? Ne, taková změna vyžaduje REVOLUCI!

Konečně je tu metr a kilogram

Děkujeme Francii, tak bych to zahájil. Zatímco zbytek světa si řešil své. V roce 1789 se chystala francouzská revoluce po vzoru té americké. Pokud pomineme všechny okolní události, výsledkem revoluce bylo i jedno ustanovení, které následně ovlivnilo celý svět. Byla to komplexní definice do té doby známých jednotek. Tento fakt vyplynul z potřeby seskupit měrný systém, aby nebránil obchodu, dal se dobře zdanit a podporoval rozvoj. To zdanění mě nepřekvapuje. 

Před nastavením metrického systému existovalo ve Francii přes čtvrt milionu různých definic měrných jednotek.

Roku 1790 byl francouzskou akademií věd stanoven tým pěti vědců, který měl prozkoumat veškeré alternativy měrných systémů a určit ten nejlepší. Po roce bádání přišli s řešením. Spolu se zavedením desetinných čísel měla být jednotka délka stanovena na základě zlomku zemského obloukového kvadrantu a hmotnost na kostce destilované dešťové vody omezené desetinným zlomkem jednotky délky. Návrh byl přijat v 30. března 1791. Následovala série měření, různých dohadů a definicí. 

Nakonec byl jednotkou délky určen jeden metr. Ten znázorňoval jednu miliontinu vzdálenost severního pólu k rovníku. Měřil se poledník procházející Paříží. Hmotnostní jednotkou se stal jeden gram. Nastalo další dilema. Gram byl pro práci příliš malý, proto se muselo stanovit, jak se bude soustava navyšovat a ponižovat. Jelikož nikdo nechtěl zažít to, co se dělo v Imperiálních jednotkách, nebo v těch amerických, kde se jednotky jmenují pokaždé jinak, přišli vědci se zajímavým řešením. Systém předpon vyjadřující násobky na bázi deseti, sta, nebo tisíc. Tak se před gram přidala předpona „kilo“, označující tisícinásobek jednoho gramu, tedy jeden kilogram. Ten sloužil pro stanovení kubického decimetru, následně „litru“. Definice gramu byla následně stanovena jako jedna miliontina kubického metru destilované vody. 

Po dalších 3 letech definování a práce nad novým systémem byl 7. dubna 1795 konečně formálně stanoven a uznán. Vyjadřoval šest základních nových jednotek:

• Metr, používaný pro délku, definovaný jako jedna miliontina vzdálenosti mezi severním polem a rovníkem přes Paříž. 
• Are, pro oblastní měření (100m2)
• Stere (1m3) pro měření palivového dříví
• Litr (1dm3) pro objem kapalin
• Gram, pro měření hmotnosti, definovaný jako hmotnost jednoho centimetru krychlového destilované vody
• Frank, oficiální francouzská měna

Násobky byly definovány jako desítková soustava a pojmenovány podle řeckých předpon: myria (10 000), kilo (1000), hecto (100), deka (10). Submultiny byly pak definovány latinskými deci (0,1), centi(0,01) a mili (0,001).

Výsledkem bylo také vytvoření etalonů pro přesné určení délky a standardů pro měření hmotnosti. Délkový etalon byl vyroben z platiny. 

Dne 2. listopad 1801 Napoleon Bonaparte opět povoluje používání starých jednotek, avšak tento zákon byl zrušen roku 1840.

Následný vývoj

Po konci revoluce, kdy byl systém již v plném využívání, se Francie snažila přesvědčit zbytek Evropy, aby také na nový systém přešli. Nicméně, cesta byla ještě dlouhá. Systém byl moderní, byl revoluční, ale stále měl poměrně dost mezer. Například se soustředil na hmotnost a délku, ale co další rozvoj například v elektrotechnice, fyzice a dalších? Chtělo to vytvořit systém, který by dokázal obsáhnout veškeré základní jednotky a nejlépe vyjadřoval i závislost mezi nimi. 

Začalo se tedy pracovat na soustavách, které by rozvíjely původní systém a doplnily ho tak do finální podoby. 

Následovalo stanovení síly. Nejdříve byla jednotka pro sílu stanovena jako kilogram. Tedy zastoupení působení hmotnosti jednoho kilogramu. Následně přepracováno na kilopond a později na Newton. 

Další vývoj se snažil založit poměrovou rovinu mezi centimetr, gram a sekundu. Vzhledem ke kyvadlovým hodinám byl poměr času a vzdálenosti považován za stanovitelný. Pokud si však uvědomíme, že vzhledem k zeměpisné šířce se tento pohyb může měnit, zdá se to nesmyslné. Tak jako tak dal tento vývoj vzniku první soustavy, soustavy CGS (Centimetr – Gram – Sekunda).

CGS

Tento systém byl stanovený v roce 1874 a přetrval až do roku 1889, kdy ho nahradil systém MKS (Metr – Kilogram – Sekunda). CGS se spoléhalo na centimetr jako jednotku délky, gram jako jednotku hmotnosti a sekundu jako jednotku času. 

MKS

Systém, který nahradil CGS v roce 1889 a setrval až do roku 1960. Jeho výhodou bylo lepší vyjadřování nově vzniklých jednotek a poměrů. 

Takže ano – děkujeme Francouzům za jejich práci. Vlivem toho, že jak francouzská vláda, tak i vědci kolující po celé Evropě, stále propagovali metrický systém a jeho výhody, dostal se i do zbytku světa. Trvalo to však téměř 100 let. Až 25. května 1875 podepsali zástupci 18 zemí dokument dnes známí jako Metrická konvence. Ta poskytovala informace, etalony a definice všech jednotek používaných metrickým systémem. Zároveň založila Mezinárodní úřad pro míry a váhy, který spravuje mezinárodní výbor. Postupný rozvoj vědy a techniky však požadoval redefinici některých definicí v současných soustavách. Na základě toho začalo vznikat něco, co dnes všichni známe jako soustavu SI. 

V Rakousku-Uhersku byla metrická soustava zavedena zákonem ze dne 23. července 1871 a uváděla ho v platnost 1. ledna 1876.

SI jako soustava setrvající do dnes

Tak jsme se skrze francouzskou historii prokousaly až k poslední zastávce tohoto článku, kterou je soustava SI. Tato soustava je výsledkem mnoha stovek odborníků a vědců, kteří se snažili co nejlépe vyjádřit definice a vztahy základních jednotek. Od konce francouzské revoluce uplynulo již více než sto let, píše se rok 1921 a řada odborníků začíná připravovat novou soustavu. O 27 let později, v roce 1948, začíná mezinárodní standardizační proces a v roce 1960 byla nová soustava, soustava SI, vyhlášena jako plně platná. Bohužel jí stály v cestě dvě světové války, proto to trvalo tolik let. Po vyhlášení platnou začal proces implementování do právních řádů jednotlivých států. 

V Československu je v platnosti od 29.3.1962, uvedena v platnost zákonem 35/1962 Sb.

Takže tedy, co je to SI? Tato soustava se zkratkou označující francouzský Le Systéme International d’Unités (mezinárodní systém jednotek), je mezinárodně smluvená soustava fyzikálních veličin. Jako základ má sedm veličin, tedy sedm kamenů, které jsou dále rozvíjeny. O definici jednotek, uložení a správu etalonů se stará Mezinárodní úřad pro míry a váhy ve francouzské Sévres. 

Ve svých definicích považuje jako základní následující jednotky:

Délka

Zde zůstal základní měrnou jednotkou jedem metr (m). Jeho definice se změnila na následující. Jeden metr je vzdálenost, kterou světlo urazí za 1/299 792 458 sekundy. 

Hmotnost

Základní jednotkou je jeden kilogram (kg). Definován je hmotností mezinárodního prototypu kilogramu. Ten je uložen v Mezinárodním úřadě pro váhy a míry. 

Kilogram je jedinou jednotkou, která nemá pevně stanovenou konstantu

Čas

Sekunda (s) přetrvala jako základní měrná jednotka pro čas. Jedna sekunda je doba trvání 9 192 631 770 period záření, odpovídající přechodu mezi dvěma hyperjemnými hladinami základního stavu atomu. 

Elektrický proud

Základní jednotkou elektrického proudu je ampér (A). Jeden ampér je přímo úměrný proudu ve dvou rovnoběžných vodicích o nekonečné délce a zanedbatelném průžezu vzájemně vzdálených ve vakuu jeden metr vyvolá mezi těmito vodiči sílu rovnou 2x10-7N na jeden metr dálky. 

Termodynamický teplota

Zde je základní jednotkou jeden Kelvin (K). Jeden kelvin je 1/273,16 díl absolutní teploty trojného bodu vody

Svítivost

Kandela se značkou cd, je základní jednotkou svítivosti. Kandela je svítivost zdroje, který vdaném svěrutvysílá monochromatické zážení s frekvencí 540x1012 a jehož zářivost v tomto směru je 1/683 W/sr

Látkové množství

Určitě jste slyšeli jednotku mol. Tak přesně ten je jednotkou látkového množství. Jeden mol je takové množství, které obsahuje tolik elementárních jednotek, kolik je uhlíkových atomů v 12g uhlíku. 

Pokud některým obratům nerozumíte, nevadí. Zajímavé je, že navzdory tomu, že původní soustava SI dbala na vyjádření měrných jednotek samostatně na přírodních faktech, aby byly co nejlépe prokazatelné, později se vyvinula. Vědci zjistili, že je lepší, když budou jednotky navzájem vyjádřitelné. V tomto případě se může zapomenout na věcné etalony například metru. Ten byl vyjádřen jako dráha světla v poměru k sekundě. Díky tomu je určení přesnější a oprostěné od možných chyb. Etalony mají totiž jednu velkou nevýhodu. Podobně jako každý materiál, i ten na etalonech stále pracuje. Proto jsou dnešní etalony vyrobené ze směsi platiny a iridia. Tato slitina je považována za nejstálejší.Dv

Jelikož jde věda stále dopředu a modernizace s rozvojem přináší neustálý pokrok, chystá se nová soustava, která nahradí soustavu SI. V této soustavě by měl být nově definovaný například kilogram, látkové množství nebo termodynamická teplota. Uvidíme, co zítřek přinese. 

Zase o něco moudřejší

Tak co tomu říkáte? Věřili byste, že metrická soustava, kterou dnes až na Libérii, USA a Myanmar využívá celý svět, vymyslelo 5 vědců za doby francouzské revoluce? Kdyby mi to někdo řekl před pár lety, asi bych tomu také nevěřil. Teď ještě donutit především USA, aby se přidala na stranu síly a začala používat metrický systém. Proč, ptáte se? Bohužel přepočty mezi metry, yardy, galony, litry a dalšími jednotkami jsou často poměrně kostrbaté. Mohu vám prozradit dva případy o kterých jsem se dočetl. Jedním je ospalý programátor a druhým překvapený pilot, tak který chcete slyšet jako první? 

Začněme tím se šťastným koncem. Jeden kanadský pilot tankoval v Montrealu palivo do komerčního letadla. Neuvědomil si jiné jednotky, a tak dal příkaz natankovat 22 300 jednotek. Bohužel jednotky v Montrealu jsou libry a ne kilogramy. Během letu mu začalo svítit hladové oko, jak se říká (1 libra je cca 0,45 kg). Když se to stane v autě, je to ok, ale Boeing 767 s více než 200 lidmi na palubě? O tom by skoro mohl být film s Tomem Hanksem v hlavní roli až na to, že kanadský pilot musel přistát na vojenském letišti, a ne na řece Hudson. Vše dobře dopadlo. 

Horší případ zažil jeden z programátorů ve vesmírném programu, který programoval algoritmus pro sondu letící k Venuši. Při převodu zadal hodnotu pro palec 24,5 mm místo 25,4 mm. Ono si řeknete: no co milimetr sem, milimetr tam. Jenže když se plánuje let do vzdálenost 41 milionů kilometrů, je to buď 1 673 469 387 755,102 nebo 1 614 173 228 346,46 palců. Pokud správně počítám, tak to taková chyba způsobila, že sonda minula Venuši o 2 500 kilometrů. No a my se zlobíme, když fotbalista překopne bránu při penaltě. Nevím, jak to s programátorem dopadlo, ale na jeho místě bych radši seděl v té sondě, než byl v kanceláři se svým nadřízeným. Škoda se vyšplhala na cca 2 miliardy dolarů. 

Jak je vidět, takové chyby se zkrátka budou stávat. Jsem rád, že alespoň v rámci Evropy platí metrický systém a soustava SI na 100%.

Pokud vás zajímá, jak je to s angloamerickou měrnou soustavu, můžete si přečíst můj článek na toto téma.