معلومات عن وحدات القياس

تعريف القياس

يعرف القياس في العلوم على أنه عبارة عن مجموعة من البيانات العددية أو الكمية التي تستخدم في وصف حدث أو كيان ما، وعادةً ما تتم عملية القياس عن طريق مقارنة كمية ما مع وحدة قياسية، وتتضمن القياسات بطبيعتها شيئًا من الخطأ نظرًا لأن المقارنة مع الوحدة القياسية لا يمكن أن تكون مثالية، وتعد الدقة من أهم الأمور الواجب مراعاتها عند القيام بعملية القياس، لذلك قام العلماء بوضع معايير خاص ة لمقارنة القياسات والتي تشمل كلًا من نوع الطريقة المستخدمة في القياس وقيمة القراءة النهائية والوحدة المناسبة للقياس ومقدار الشك في القراءة الناتجة، حيث سيتم التفصيل في شرح وحدات القياس والأنظمة المستخدمة في القياس في هذا المقال. [١]

وحدات القياس

تعرف وحدة القياس على أنها كمية محددة تم اختيارها كمعيار بحيث تستخدم في عملية إجراء القياسات ذات النوع نفسه، فعلى سبيل المثال فإن المتر هو وحدة قياس الأطوال في النظام المتري، وعليه فعندما يقال بأن جسمًا يبلغ من الطول 4 أمتار، فهذا يعني أن الجسم يبلغ من الطول أربعة أضعاف الوحدة القياسية المستخدمة هنا وهي المتر، وغالبًا ما تتكون جميع القياسات من جزأين؛ الجزء الأول هو الكمية العددية والجزء الثاني هو وحدة القياس، ففي المثال السابق يمثل الرقم 4 الكمية العددية، بينما يمثل المتر وحدة القياس.[٢]

لقد لعب الاتفاق على تعريف وحدات القياس وطرق استخدامها دورًا إيجابيًا في تحقيق المساعي البشرية المختلفة على مر العصور، فلقد وضعت العديد من أنظمة القياس لهذا الغرض قبل التوصل إلى النظام العالمي للوحدات، حيث يستخدم المكتب الدولي للأوزان والمقاييس هذا النظام لضمان النزاهة والشفافية في الأعمال التجارية المختلفة، كما يستخدم هذا النظام أيضًا في ضمان استنساخ التجارب العلمية والمناهج التجريبية الفيزيائية، وقد تستخدم وحدات قياس أكبر أو أصغر من وحدات القياس المعيارية وفقًا لاختلاف الظروف أو التجارب في الطب والهندسة والمجالات العلمية، كما يلاحظ عدم وجود وحدات قياسية في العلوم الاجتماعية، بحيث تتم دراسة نظريات القياس وتطبيقاتها في القياس النفسي ونظرية القياس الموحد في هذا النوع من العلوم.[٣]

تاريخ وحدات القياس

لقد اعتمدت وحدات قياس الوزن البدائية على استخدام أحجار أو أوعية معينة أو على تحديد قدرة شخص أو حيوان ما على رفع أو نقل الجسم المراد معرفة وزنه، فلقد كانت وحدات القياس في ذلك الوقت غير دقيقة أو محددة، ولكن مع تطور العالم وتقدمه قامت الإمبراطوريات القديمة وخاصةً الموجودة في الشرق الأوسط بتحديد بعض وحدات القياس وتوحيدها لاستخدامها في أعمالهم اليومية، ومن ثم تم نقل هذه الوحدات والأنظمة القياسية إلى الغرب نتيجةً للحروب والتوسعات والأنشطة التجارية، وفي ما يأتي بعض مساهمات الحضارات القديمة في تطور أنظمة وحدات القياس:[٤]

• العصور المصرية: يعد نظام الذراع المصري من أشهر أنظمة قياس الأطوال في العصور القديمة، ولقد تم تطويره منذ 3000 سنة قبل الميلاد، بحيث يعتمد على طول الذراع من الكوع وحتى أطراف الأصابع، ولقد كانت مساطر هذا النظام مقسمة على شكل فترات منتظمة.
• العصور البابلية: تعد وحدة المينا من بين أقدم وحدات قياس الأوزان في العالم، بحيث كانت توجد بأشكال مختلفة، إذ تختلف هذه الأشكال باختلاف أوزانها، ولقد استخدم البابليون نظام الذراع البابلية لقياس الأطوال أيضًا.
• العصور الإغريقية: استخدم الإغريق وحدة تدعى بالإصبع والتي تعادل 19.3 مم في قياس الأطوال، كما استخدموا وحدة الطالن في قياس الأوزان، بحيث يعادل الطالن الواحد 25.8 كغم.
• العصور الرومانية: استخدم الرومان وحدة القدم لتحديد الأطوال المختلفة، كما قاموا باستخدام كلًا من الفرلنغ والميل في القياس أيضًا.
• العصور الصينية القديمة: استخدم الصينيون وحدت مو mou في قياس الأراضي، بينما استخدموا وحدات أخرى في قياس الأوزان تعرف باسم شي zhi وتشانغ zhang.

مخاطر اللبس في وحدات القياس

من المهم جدًا اتباع نظام وحدات قياسية موحد في جميع المجالات العلمية، إذ يسبب عدم توثيق الوحدات المستخدمة واتباع أنظمة قياسية مختلفة إلى حدوث لبس في وحدات القياس المستخدمة مما قد يؤدي إلى حصول أخطاء وكوارث تسبب خسائر اقتصادية وبشرية كبيرة، وفي ما يأتي سيتم ذكر بعض الحوادث التي حصلت نتيجة اللبس في وحدات القياس:[٣]

• تحطم مركبة فضاء تابعة لناسا: حيث كانت هذه المركبة متجهة نحو المريخ، ولكنها تدمرت في عام 1999 بسبب استخدام برامج الكمبيوتر لوحدات قوى مختلفة، فبعضها ما كان يستخدم وحدة نيوتن والبعض الآخر كان يستخدة قوة الرطل، الأمر الذي أدى إلى ضياع الجهد والوقت والمال.
• فقدان طائرة شحن كورية: حيث أقلعت الطائرة من شينغهاي نحو سيئول عام 1999، ولكن تم فقدانها بسبب الخلط في وحدات القياس بين قراءات مقياس الارتفاع وإرشادات طاقم البرج، إذ كانت قراءات المقياس بالأقدام، بينما كانت الإرشادات بالأمتار، مما أدى إلى وفاة ثمانية أشخاص وإصابة سبعة وثلاثون شخصًا آخرًا.
• هبوط اضطراري لطائرة بوينغ: إذ هبطت هذه الطائرة بأمان بفضل مهارات طيارها في عام 1983 بعد اكتشاف أخطاء في كمية الوقود المزودة داخل الطائرة، ولقد حدث هذا بسبب تزامن استخدام النظام المتري والإمبريالي في قياس الكتلة والحجم.

أنظمة القياس

ظهر عدد من السلبيات لعدم استخدام نظام موحد للقياس منذ القدم، ومع تطور العلوم المختلفة فلقد أصبح العالم في حاجة لربط أنظمة القياس بكميات مختلفة مثل الطول والوزن والحجم، ولكن فشلت المحاولات العديدة لربط أنظمة القياس التقليدية ببعضها البعض، كما أظهرت هذه المحاولات عددًا من التناقضات بين هذه الأنظمة، مما دعا إلى تطوير وحدات وأنظمة جديدة، بحيث اختلفت أنظمة الوحدات بين دولة وأخرى، ولكن يعد النظام العالمي للوحدات هو أفضل الأنظمة وأكثرها استخدامًا[٣]، وفيما يأتي سيتم الحديث عن بعض أنظمة القياس التي تم تطويرها على مدى القرون:

• نظام الوحدات الإمبريالية: ولقد وضع هذا النظام في عام 1824 من قبل قانون الأوزان والمقاييس البريطانية، وفي ما يأتي بعض الأمثلة على وحدات القياس المستخدمة في هذا النظام: [٥]
  • الطول: بوصة وقدم وياردة.
  • المساحة: وحدة الرود والفدان.
  • الحجم: الأونصة السائلة والغالون.
  • الكتلة والوزن: الأونصة والرطل والطن.
• وحدات القياس العرفية الأمريكية: ولقد طور هذا النظام من نظام الوحدات الإمبريالية، ومع تشابه العديد من الوحدات بين النظامين إلا إن هنالك بعض الاختلافات، وفي ما يأتي بعض الأمثلة على وحدات القياس المستخدمة في هذا النظام: [٦]
  • الطول: وحدة الفرلنغ والميل والفرسخ.
  • المساحة: القدم المربع والفدان والقسم.
  • الحجم: البوصة المكعبة والقدم المكعب والياردة المكعبة.
  • الكتلة والوزن: الحبة والدرام والطن.
• النظام المتري: تطور النظام المتري كثيرًا منذ ظهوره أول مرة في فرنسا عام 1791، ويعد النظام المتري الدولي هو نفسه النظام العالمي للوحدات المستخدم حاليًا وسيتم التفصيل في الحديث عن هذا النوع لاحقًا.[٣]
• أنظمة الوحدات الطبيعية: يختلف هذا النوع من الأنظمة عن ما سبق بكونها قيم طبيعية موجودة في الطبيعة، بحيث تعتمد هذه الوحدات على الثوابت الفيزيائية فمثلًا يستخدم الرمز e للتعبير عن الشحنة الكهربائية الأولية، بينما يستخدم الرمز c للتعبير عن سرعة الضوء، وعادةً ما تستخدم هذه الوحد في تبسيط المعادلات الفيزيائية. [٧]

النظام العالمي للوحدات

يعد النظام العالمي للوحدات هو نظام القياس الأكثر استخدامًا في العالم، وهو نفسه النظام المتري، بحيث تم بناء هذا النظام على سبع وحدات أساسية، وعشرين بادئة تستخدم قبل الوحدات الأساسية، بحيث تستخدم هذه البادئات عند تحديد مضاعفات وكسور الوحدات، كما يحتوي هذا النظام على 22 وحدة أخرى مشتقة من الوحدات الأساسية، وفيما يأتي سيتم ذكر الوحدات الأساسية للقياس، بينما يبين الجدول الآتي البادئات المستخدمة في هذا النظام:[٨]

• تستخدم الثانية لقياس الزمن.
• يستخدم المتر لقياس الطول.
• يستخدم الكيلوغرام لقياس الكتلة.
• يستخدم الأمبير لقياس التيار الكهربائي.
• يستخدم الكلفن لقياس درجة الحرارة.
• يستخدم المول لقياس كمية المادة.
• تستخدم الشمعة القياسية لقياس شدة الضوء.

البادئة	القيمة
يوتا	1024
زيتا	1021
إكسا	1018
بيتا	1015
تيرا	1012
جيجا	109
ميغا	106
كيلو	103
هيكتو	101
بلا بادئة	100
ديسي	10-1
سنتي	10-2
ملي	10-3
ميكرو	10-6
نانو	10-9
بيكو	10-12
فيمتو	10-15
أتو	10-18
زيبتو	10-21
يوكتو	10-24

وحدات القياس المستخدمة في النظام العالمي للوحدات

تطورت أنظمة القياس عبر العصور المختلفة من أنظمة بسيطة غير دقيقة إلى أنظمة أشمل وأكثر تعقيدًا بحيث تشمل تفاصيل متعددة وقوانينًا محددة لاستخدامها، ولقد انتهت هذه التطورات بوضع النظام العالمي للوحدات، إذ تم تطوير هذا النظام عبر مراحل تاريخية مثيرة للاهتمام، وفي ما يأتي تعاريف وحدات القياس المستخدمة في النظام العالمي للوحدات:[٩]

• المتر: وهي المسافة التي يقطعها الضوء في الفراغ على مدى فاصل زمني يساوي 1/299،792،458 من الثانية.
• الكيلوغرام: وهو كتلة عينة كيلوغرام من خليط البلاتين والإيريديوم، بحيث يحتفظ بهذه العينة داخل المكتب الدولي للأوزان والمقاييس في فرنسا.
• الثانية: استند تعريف الثانية قديمًا إلى يوم قياسي مدته 24 ساعة، بحيث قسمت كل ساعة إلى 60 دقيقة، وكل دقيقة إلى 60 ثانية، ولكن اكتشف لاحقًا أن اليوم يستغرق أقل من 24 ساعة كاملة.
• الأمبير: يعبر الأمبير عن كمية الشحنة الكهربائية المارة في دائرة كهربائية لكل وحدة من الزمن، بحيث يمر فيها واحد كولوم في الثانية، إذ يعادل الكولوم 1018 × 6.241 إلكترون.
• الكلفن: هو وحدة قياس درجة الحرارة الديناميكية الحرارية، بحيث يبدأ هذا المقياس من الصفر، ويمثل الكلفن 1/273.16 من درجة الحرارة الديناميكية الحرارية لنقطة الماء الثلاثية.
• المول: هو رقم يربط الحجم الذري أو الجزيئي بعدد ثابت من الجزيئات، إذ تم تعريف المول على أنه كمية المادة التي تحتوي على أكبر عدد ممكن من العناصر الأولية للمادة نفسها التي توجد في 0.012 كجم من نظير الكربون 12.
• الشمعة القياسية: وهي شدة الإضاءة التي تنبعث من مصدر ضوئي أحادي اللون باتجاه معين عند تردد مساوٍ لِ 1012 × 540.

وحدات القياس المشتقة

تم تكوين وحدات القياس المشتقة من خلال استخدام الأسس والضرب والقسمة بين وحدات القياس الأساسية، ومن الممكن اشتقاق عدد كبير جدًا من الوحد الجديدة فعلى سبيل المثال فإن السرعة هي كمية مشتقة من كميتين أساسيتين وهما الوقت والطول، وبالتالي فإن وحدة قياس السرعة هي متر لكل ثانية، كما تمت تسمية عدد من الوحدات القياسية المشتقة بأسماء مفردة لتسهيل مفرداتها، وفي ما يأتي بعض الكميات المشتقة ووحد قياسها:[٨]

• التردد يقاس بالهيرتز.
• القوة تقاس بالنيوتن.
• الطاقة تقاس بالجول.
• القدرة يقاس بالواط.
• الشحنة الكهربائية تقاس بالكولوم.
• السعة الكهربائية تقاس بالفاراد.
• المقاومة تقاس بالأوم.
• الموصلية الكهربائية تقاس بالسيمنز.
• التدفق المغناطيسي يقاس بالويبر.
• كثافة التدفق المغناطيسي تقاس بالتسلا.
• الحث يقاس بالهنري.
• درجة الحرارة تقاس بالدرجة المئوية.
• النشاط الإشعاعي يقاس بالبيركيل.

تحويل وحدات القياس

غالبًا ما يكون من الضروري التحويل ما بين وحدات القياس، ومع أن عملية تحويل الوحدات قد تبدو مملة وغير مهمة، إلا أن إهمالها قد يكون مكلفًا جدًا، فكما ذكر في السابق أن ناسا فقدت إحدى رحلاتها إلى المريخ بسبب إهمال هذا الأمر، وفي الحياة اليومية قد يحتاج الشخص إلى تحويل وحدات القياس من الأمتار إلى الأميال، أو قد يحتاج إلى تحويل وحدات الأحجام من اللترات إلى الأكواب وهكذا[١٠]، وفي العادة يجب مراعاة نقطتان مهمتان عند عملية تحويل وحدات القياس، وهما كالآتي:[١١]

• يجب ضرب الوحدة بعوامل التحويل بطريقة تلغي الوحدة القديمة وتقدم الوحدة الجديدة المراد استخدامها.
• يجب الحذر عند التعامل مع الأحجام والمساحات، حيث تعامل وحداتها حسب مبادئ علم الجبر، فإذا كانت الوحدة مربعة فإنها تحتاج إلى عاملين لإلغائها.

في حالة تحويل 80 مترًا إلى كيلومترات، فإن معامل التحويل يكون 1/103، بحيث يعرف معامل التحويل على أنه النسبة ما بين كمية وحدة ما والتي تساوي الوحدة الأخرى، وهنا فإن 1 كم يعادل 1000 مترًا حسب الجدول المدرج سابقًا، ومن الممكن القول بأن 1 كم يعادل 103 مترًا:80 م × 1 كم / 1000م = 0.08 كم بحيث يحذف المتر الموجود في البسط مع المتر الموجود في المقام، تبقى الوحدة الجديدة وهي الكيلومتر.[١٠]

وحدات قياسية غير عادية

لا تشكل وحدات القياس غير العادية جزءًا من أنظمة وحدات القياس المعروفة، خاصةً أن هذه الوحدات ليس لها كمية دقيقة، كما تستخدم وحدات القياس غير العادية في القياسات العامية، فهي وحدات مصممة للمقارنة ما بين الأشياء الشائعة والمألوفة، وفي ما يأتي بعض وحدات القياس التي تنتمي إلى المجموعات المختلفة: [١٢]

• محيط الأرض: وهي وحدة لقياس الأطوال الكبيرة، بحيث يعادل محيط الأرض 40 ألف كيلومتر.
• السيريومتر: وهي وحدة تستخدم لقياس المسافات الموجودة في الفضاء، وتعادل هذه الوحدة 15.8 سنة ضوئية.
• المورغن: تستخدم هذه الوحدة لقياس المساحات وتعادل 0.856532 هكتار.
• فدان القدم: بحيث تستخدم هذه الوحدة في الولايات المتحدة الأمريكية لقياس أحجام الخزانات والقنوات المائية، وتعادل هذه الوحدة 1233.48 مترًا مكعبًا.
• الشمس: بحيث تستخدم هذه الوحدة عند مقارنة كتل الجسيمات في الفضاء، بحيث تعادل هذه الوحدة 2 × 1030 كيلوغرام.
• السنة المجرية: بحيث تعادل هذه السنة مقدار الوقت الذي يستغرقه النظام الشمسي في الدوران لمرة واحدة حول قلب المجرة، وتساوي السنة المجرية حوالي 250 مليون سنة.

المراجع[+]

1. ↑ “Measurement Definition in Science”, www.thoughtco.com, Retrieved 02-11-2019. Edited.
2. ↑ “Units and Standards”, www.encyclopedia.com, Retrieved 02-11-2019. Edited.
3. ^ أ ب ت ث “Unit of measurement “, www.wikiwand.com, Retrieved 02-10-2019. Edited.
4. ↑ “Measurement system”, www.britannica.com, Retrieved 02-11-2019. Edited.
5. ↑ “Imperial units “, www.wikiwand.com, Retrieved 02-10-2019. Edited.
6. ↑ “United States customary units “, www.wikiwand.com, Retrieved 02-11-2019. Edited.
7. ↑ “Natural units “, www.wikiwand.com, Retrieved 02-11-2019. Edited.
8. ^ أ ب “International System of Units “, www.wikiwand.com, Retrieved 02-11-2019. Edited.
9. ↑ “Units of Measurement”, courses.lumenlearning.com, Retrieved 02-11-2019. Edited.
10. ^ أ ب “Unit Conversion”, phys.libretexts.org, Retrieved 04-11-2019. Edited.
11. ↑ “Units and Measurement (Summary)”, phys.libretexts.org, Retrieved 04-11-2019. Edited.
12. ↑ “List of unusual units of measurement “, www.wikiwand.com, Retrieved 04-11-2019. Edited.