Иоланда Гевара - Том 38. Измерение мира. Календари, меры длины и математика

• Название: Том 38. Измерение мира. Календари, меры длины и математика
• Автор: Иоланда Гевара
• Издательство: «Де Агостини»
• Жанр: Математика
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-9774-0732-8

Измерения играют важнейшую роль в современной науке, но без них немыслима и повседневная жизнь. Например, без измерений невозможно узнать, что находится рядом с нами, а что — вдали. Если мы составим список всех измерений, которые проводим в течение дня, то удивимся тому, каким длинным он будет. За свою историю человечество выработало различные методы измерений. С их помощью мы смогли определить размеры нашей планеты, протяженность межзвездного пространства и даже измерить время. В этой книге пойдет речь о математических методах, на которых строятся астрономические, геодезические, календарные и метрологические измерения.

---

Измерение предполагает абстрагирование, при котором из всех характеристик объекта выделяется одна, которую мы хотим оценить количественно, иными словами, поставить ей в соответствие некоторое число. Если мы хотим поставить книгу на полку, интерес будут представлять ее длина или ширина, но если мы хотим придавить этой книгой листья растений для гербария, то прежде всего обратим внимание на ее вес или толщину.

В процессе измерений становится понятен смысл термина «величина». Хотя первое его значение, приведенное в толковом словаре, это «размер, объем, протяжение вещи», нас интересует другое определение — «все, что можно измерить и исчислить (в математике, физике)». Именно эта формулировка ближе всего к теме нашего обсуждения. Еще более понятно определение величины, данное Международным бюро мер и весов, согласно которому величина — это «свойство явления, тела или вещества, которое может быть выражено количественно в виде числа с указанием отличительного признака как основы для сравнения».

Процесс измерения представляет собой сравнение неизвестной величины, которую мы хотим определить, и известной нам величины, которую мы выбрали в качестве единицы измерения. В процессе измерения мы определяем соотношение размера объекта и конкретной единицы измерения.

Для любого измерения необходима единица измерения — величина, которая выбрана в качестве основы для сравнения со всеми остальными величинами того же типа. Результатом измерения является величина, которая выражается числом и названием соответствующей единицы измерения в полном или сокращенном виде: 25 кг, 30 м, 28 с и так далее.

Необходимость проводить измерения для планирования походов, проведения сельскохозяйственных работ, количественной оценки торгового оборота при покупках и продажах, для уплаты налогов и совершения многих других действий привела к возникновению великого множества единиц измерения. В традиционных системах мер единицы измерения определялись на основе частей тела, каких-то действий, связанных с сельскохозяйственными работами, или просто из соображений удобства для конкретной социальной группы.

Меры, определяемые на основе человеческого тела, сегодня мы называем антропоморфными — это локоть, пядь, фут, сажень и другие. Можно сказать, что знаменитое изречение Плутарха «человек есть мера всех вещей существующих» также относится к нашему обсуждению в том смысле, что с древних времен ряд единиц измерения был связан с самим человеком, с его телом. Разумеется, антропоморфные единицы, имевшие одно и то же название, в разных странах и в разное время отличались.

Антропоморфные меры.

Длинные расстояния измерялись с помощью единиц времени: в днях или часах пути пешком, на лошади и так далее. Такие меры называются путевыми. Позднее появились и другие меры, в частности стадий, лига или миля. Миля, к примеру, была путевой мерой, которую использовали еще древние римляне. Она равнялась восьми стадиям, или 1000 шагов в пять римских футов, то есть «ног» (примерно 1375 м). Сухопутная миля, которую используют англичане, равняется 1609 м. Существует и морская миля — 1852 м.

Для измерения площадей земельных участков использовались меры, связанные с человеческим трудом, например время, необходимое для обработки. Также меры площади пахотной земли, например испанская фанега, характеризовали количество зерна, которое можно было на ней вырастить. Подобные единицы не были постоянными и зависели от множества факторов.

Количество зерна традиционно измерялось по объему, и единицей измерения считался сосуд, например та же самая испанская фанега. Применение подобных мер могло вызывать конфликты: зерно можно отмерять одним и тем же измерительным инструментом либо по край, либо с горкой.

Метрическая система мер и другие системы

Большинству из нас привычна метрическая система мер. Мы измеряем расстояния между городами в километрах, отмеряем лекарство или молоко в детской бутылочке с соской в миллилитрах (или кубических сантиметрах), а если хотим приобрести жилье, то интересуемся его площадью в квадратных метрах.

Одновременно мы используем единицы из других систем: время мы отсчитываем в минутах, но придаем особое значение интервалу не в 10, а в 60 минут (этот интервал имеет свое название — час), а минута, в свою очередь, делится на 60 секунд. Есть свои единицы измерения для перчаток или обуви, которые выражаются не в сантиметрах или других единицах, производных от метра. Даже сегодня мы используем единицы из разных систем мер, и все они помогают нам описать окружающий мир.

В современных технологиях используются единицы измерения, которые не являются частью метрической системы мер. Классический пример — форматы бумаги в системе DIN. Наиболее популярным из них является DIN А4 (210 x 297 мм).

Эта система мер, используемая в большинстве стран мира, основана на немецком стандарте, введенном Deutsches Institut fur Normung (Немецким институтом по стандартизации) в 1922 году — стандарте DIN, который затем стал частью стандарта ISO (Международной организации по стандартизации). С форматами бумаги стандарта DIN работает большинство цифровых печатных машин и фотокопировальных аппаратов для частного и промышленного использования. Этот формат бумаги был создан с учетом трех условий: во-первых, соотношение большей стороны к меньшей у листов разного размера должно быть одинаковым; во-вторых, листы последовательных форматов по площади должны отличаться друг от друга ровно в два раза, так, что если разрезать лист пополам, то получится два одинаковых листа следующего формата; в-третьих, площадь листа наибольшего формата, А0, должна составлять ровно 1 м2.

Формат листа бумаги, соотношение сторон которого при складывании пополам остается неизменным.

Как найти искомое соотношение? Рассмотрим прямоугольный лист бумаги со сторонами а и b соответственно. Лист бумаги большего формата должен иметь стороны 2а и b. Чтобы соотношение длин его сторон было прежним, должно выполняться условие:

Следовательно:

Иными словами, соотношение длины большей стороны к меньшей должно равняться √2. Если мы разрежем пополам лист бумаги, удовлетворяющий этому условию, то указанное соотношение сторон будет выполняться и для двух полученных листов.

Зная размеры листа формата А0, несложно определить размеры листа следующего формата (А1): достаточно разделить его большую сторону пополам и принять длину большей стороны листа А1 равной длине меньшей стороны листа А0. Если мы выполним аналогичные действия для листа А1, точнее, разделим его большую сторону пополам и оставим меньшую сторону неизменной, то получим лист формата А2 и так далее, как показано на следующем рисунке.

Размеры листов бумаги формата DIN.

* * *

РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ЛИСТА ФОРМАТА А0

Прямоугольник со сторонами а и b должен иметь площадь 1 м2, при этом длины его сторон должны удовлетворять соотношению b = √2·а:

Зная а, мы с легкостью вычислим b:

Таким образом, лист бумаги формата DIN А0 имеет следующие размеры:

* * *

Прямые и косвенные измерения

Измерения могут быть прямыми, например измерение температуры термометром, и косвенными — в этом случае для получения результата требуется несколько измерений. Если мы проводим измерения с помощью специального измерительного инструмента, то речь идет о прямых измерениях. В таких случаях мы получаем результат, сравнивая измеряемую величину с другой величиной, имеющей ту же физическую природу. Это происходит, к примеру, при сравнении длины объекта с длиной размеченного эталона.

Методы измерений — это приемы, используемые для измерения величины: подсчет, оценка, использование формул или применение измерительных инструментов.

Большинство людей ассоциируют с измерением именно применение инструментов — линеек, рулеток, мерных сосудов, термометров, часов, хронометров и так далее.

Иногда прямое измерение невозможно: во-первых, существуют величины, которые нельзя измерить путем сравнения с эталоном той же природы, во-вторых, рассматриваемая величина может быть слишком мала или слишком велика, и у нас не найдется подходящего инструмента для ее измерения. В таких ситуациях следует прибегнуть к косвенному измерению: провести измерение с помощью какой-то другой величины и вычислить искомое значение на ее основе.