Unité de mesure - Unit of measurement

L'ancien bureau des poids et mesures à Seven Sisters, Londres
Unités de mesure, Palazzo della Ragione , Padoue

Une unité de mesure est une grandeur définie d'une quantité , définie et adoptée par convention ou par la loi, qui sert d'étalon pour la mesure du même type de quantité. Toute autre quantité de ce type peut être exprimée en multiple de l'unité de mesure. Par exemple, une longueur est une quantité physique . Le mètre est une unité de longueur qui représente une longueur prédéterminée définie. Lorsque nous disons 10 mètres (ou 10 m), nous entendons en fait 10 fois la longueur prédéterminée définie appelée "mètre". La mesure est un processus consistant à déterminer la taille ou la taille d'une quantité physique par rapport à une quantité de référence de base du même type.

La définition, l'accord et l'utilisation pratique des unités de mesure ont joué un rôle crucial dans l'activité humaine depuis les premiers âges jusqu'à nos jours. Une multitude de systèmes d'unités étaient autrefois très courants. Il existe maintenant une norme mondiale, le Système international d'unités (SI), la forme moderne du système métrique .

Dans le commerce, les poids et mesures font souvent l'objet d'une réglementation gouvernementale, afin d'assurer l'équité et la transparence. Le Bureau international des poids et mesures (BIPM) est chargé d'assurer l'uniformité mondiale des mesures et leur traçabilité au Système international d'unités (SI).

La métrologie est la science qui consiste à développer des unités de mesure acceptées à l'échelle nationale et internationale.

En physique et en métrologie, les unités sont des normes de mesure de grandeurs physiques qui nécessitent des définitions claires pour être utiles. La reproductibilité des résultats expérimentaux est au cœur de la méthode scientifique . Un système standard d'unités facilite cela. Les systèmes scientifiques d'unités sont un raffinement du concept de poids et mesures développé historiquement à des fins commerciales.

La science , la médecine et l' ingénierie utilisent souvent des unités de mesure plus grandes et plus petites que celles utilisées dans la vie quotidienne. La sélection judicieuse des unités de mesure peut aider les chercheurs dans la résolution de problèmes (voir, par exemple, l'analyse dimensionnelle ).

En sciences sociales , il n'y a pas d'unités de mesure standard et la théorie et la pratique de la mesure sont étudiées en psychométrie et en théorie de la mesure conjointe .

Histoire

Une unité de mesure est une quantité normalisée d'une propriété physique, utilisée comme facteur pour exprimer les quantités présentes de cette propriété. Les unités de mesure ont été parmi les premiers outils inventés par les humains. Les sociétés primitives avaient besoin de mesures rudimentaires pour de nombreuses tâches : construire des habitations de taille et de forme appropriées, confectionner des vêtements ou troquer de la nourriture ou des matières premières.

Les premiers systèmes de mesure uniformes connus semblent tous avoir été créés au cours des 4e et 3e millénaires avant JC parmi les anciens peuples de la Mésopotamie , de l' Égypte et de la vallée de l' Indus , et peut-être aussi de l' Élam en Perse .

Les poids et mesures sont mentionnés dans la Bible (Lévitique 19 :35-36). C'est un commandement d'être honnête et d'avoir des mesures justes.

Dans la Magna Carta de 1215 (La Grande Charte) avec le sceau du roi Jean , mis devant lui par les barons d'Angleterre, le roi Jean a convenu dans la clause 35 « Il y aura une mesure de vin dans tout notre royaume, et une mesure de de la bière et une mesure de maïs, à savoir la pinte de Londres, et une largeur de draps teints et roux et haubert, à savoir deux aunes sous la lisière..."

Depuis le 21e siècle, des systèmes à unités multiples sont utilisés dans le monde entier, tels que le système coutumier des États-Unis, le système coutumier britannique et le système international. Cependant, les États-Unis sont le seul pays industrialisé qui ne s'est pas encore au moins en grande partie converti au système métrique. L'effort systématique pour développer un système d'unités universellement acceptable remonte à 1790 lorsque l'Assemblée nationale française a chargé l'Académie française des sciences de proposer un tel système d'unités. Ce système a été le précurseur du système métrique qui a été rapidement développé en France mais n'a été accepté universellement qu'en 1875 lorsque le traité de la Convention métrique a été signé par 17 nations. Après la signature de ce traité, une Conférence générale des poids et mesures (CGPM) a été créée. La CGPM a produit le système SI actuel qui a été adopté en 1954 lors de la 10e conférence des poids et mesures. Actuellement, les États-Unis sont une société à double système qui utilise à la fois le système SI et le système coutumier américain.

Systèmes d'unités

L'utilisation d'une seule unité de mesure pour une certaine quantité présente des inconvénients évidents. Par exemple, il n'est pas pratique d'utiliser la même unité pour la distance entre deux villes et la longueur d'une aiguille. Ainsi, historiquement, ils se développeraient indépendamment. Une façon de faciliter la lecture des grands nombres ou des petites fractions consiste à utiliser des préfixes d'unité .

À un moment donné, cependant, le besoin de relier les deux unités peut survenir et, par conséquent, le besoin de choisir une unité pour définir l'autre ou vice versa. Par exemple, un pouce pourrait être défini en termes de grain d'orge . Un système de mesure est un ensemble d'unités de mesure et de règles les reliant les unes aux autres.

Au fur et à mesure que la science progressait, il est devenu nécessaire de relier les systèmes de mesure de différentes quantités, comme la longueur, le poids et le volume. L'effort d'essayer de relier différents systèmes traditionnels entre eux a révélé de nombreuses incohérences et a entraîné le développement de nouvelles unités et de nouveaux systèmes.

Le système d'unités varie d' un pays à l' autre et une partie de l'autre système d'unités sont système d'unités CGS , système FPS d'unités , le système d'unités MKS et système d'unités SI . Parmi les différents systèmes d'unités utilisés dans le monde, le plus largement utilisé et internationalement accepté est le Système international d'unités , ou système d'unités SI. Dans ce système d'unités SI, il y a sept unités de base SI et trois unités supplémentaires. Les unités SI de base sont le mètre, le kilogramme, la seconde, le kelvin, l'ampère, la candela et la mole et les trois unités SI supplémentaires sont le radian, le stéradian et le becquerel. Toutes les autres unités SI peuvent être dérivées de ces unités de base.

Les systèmes de mesure d'usage moderne comprennent le système métrique , le système impérial et les unités usuelles des États-Unis .

Systèmes traditionnels

Historiquement, bon nombre des systèmes de mesure qui avaient été utilisés étaient dans une certaine mesure basés sur les dimensions du corps humain. Par conséquent, les unités de mesure pourraient varier non seulement d'un endroit à l'autre, mais aussi d'une personne à l'autre.

Systèmes métriques

Les systèmes métriques d'unités ont évolué depuis l'adoption du système métrique original en France en 1791. Le système métrique standard international actuel est le Système international d'unités (en abrégé SI). Une caractéristique importante des systèmes modernes est la normalisation . Chaque unité a une taille universellement reconnue.

Un exemple de métrique en 1860 lorsque la Toscane est devenue une partie de l'Italie moderne (ex. un "libbra" = 339,54 grammes)

Les unités impériales et les unités usuelles américaines dérivent d' unités anglaises antérieures . Les unités impériales étaient principalement utilisées dans le Commonwealth britannique et l'ancien Empire britannique . Les unités coutumières américaines sont toujours le principal système de mesure utilisé aux États-Unis en dehors de la science, de la médecine, de nombreux secteurs de l'industrie et de certains secteurs gouvernementaux et militaires, et bien que le Congrès ait légalement autorisé la mesure métrique le 28 juillet 1866. Quelques pas vers les États-Unis métriques ont été faites, en particulier la redéfinition des unités américaines et impériales de base pour dériver exactement des unités SI. Depuis l' accord international de triage et de livre de 1959, le pouce américain et impérial est maintenant défini comme exactement0,0254  m , et la livre avoirdupois américaine et impériale est maintenant définie comme exactement453,592 37  g .

Systèmes naturels

Alors que les systèmes d'unités ci-dessus sont basés sur des valeurs unitaires arbitraires, formalisées sous forme de normes, certaines valeurs unitaires apparaissent naturellement en science. Les systèmes d'unités basés sur ceux-ci sont appelés unités naturelles . Semblables aux unités naturelles, les unités atomiques (au) sont un système pratique d'unités de mesure utilisé en physique atomique .

Un grand nombre d' unités inhabituelles et non standard peuvent également être rencontrées. Ceux-ci peuvent inclure la masse solaire (2 × 10 30  kg ), la mégatonne (l'énergie dégagée par la détonation d'un million de tonnes de trinitrotoluène , TNT) et l' électronvolt .

Contrôle légal des poids et mesures

Pour réduire l'incidence de la fraude dans le commerce de détail, de nombreuses lois nationales ont des définitions standard des poids et des mesures qui peuvent être utilisées (d'où « mesure légale »), et celles-ci sont vérifiées par les juristes.

Comparaison informelle avec des concepts familiers

Dans des contextes informels, une quantité peut être décrite comme des multiples de celle d'une entité familière, ce qui peut être plus facile à contextualiser qu'une valeur dans un système d'unités formel. Par exemple, une publication peut décrire une zone dans un pays étranger comme un nombre de multiples de la zone d'une région locale pour le lectorat. La propension à utiliser fréquemment certains concepts peut donner lieu à des « systèmes » d'unités vaguement définis.

Unités de base et dérivées

Pour la plupart des quantités, une unité est nécessaire pour communiquer les valeurs de cette quantité physique. Par exemple, transmettre à quelqu'un une longueur particulière sans utiliser une sorte d'unité est impossible, car une longueur ne peut pas être décrite sans une référence utilisée pour donner un sens à la valeur donnée.

Mais toutes les quantités ne nécessitent pas une unité propre. En utilisant des lois physiques, les unités de quantités peuvent être exprimées comme des combinaisons d'unités d'autres quantités. Ainsi, seul un petit ensemble d'unités est nécessaire. Ces unités sont prises comme unités de base et les autres unités sont des unités dérivées . Ainsi les unités de base sont les unités des quantités qui sont indépendantes des autres quantités et ce sont les unités de longueur, de masse, de temps, de courant électrique, de température, d'intensité lumineuse et de quantité de substance. Les unités dérivées sont les unités des quantités qui sont dérivées des quantités de base et certaines des unités dérivées sont les unités de vitesse, de travail, d'accélération, d'énergie, de pression, etc.

Différents systèmes d'unités sont basés sur différents choix d'un ensemble d'unités apparentées comprenant des unités fondamentales et dérivées.

Calculs avec unités de mesure

Unités comme dimensions

Toute valeur d'une quantité physique est exprimée comme une comparaison à une unité de cette quantité. Par exemple, la valeur d'une quantité physique Z est exprimée comme le produit d'une unité [Z] et d'un facteur numérique :

Par exemple, soit "2 chandeliers", puis chandelier.

Le signe de multiplication est généralement omis, tout comme il est omis entre les variables dans la notation scientifique des formules. La convention utilisée pour exprimer les quantités est appelée calcul des quantités . Dans les formules, l'unité [Z] peut être traitée comme s'il s'agissait d'une grandeur spécifique d'une sorte de dimension physique : voir l'analyse dimensionnelle pour en savoir plus sur ce traitement.

Les unités ne peuvent être ajoutées ou soustraites que si elles sont du même type ; cependant, les unités peuvent toujours être multipliées ou divisées, comme l' expliquait George Gamow . Soit "2 chandeliers" et "3 chauffeurs de taxi", alors

"2 chandeliers" fois "3 cabdrivers" chandelier cabdriver.

Une distinction doit être faite entre les unités et les normes. Une unité est fixée par sa définition et est indépendante des conditions physiques telles que la température. En revanche, une norme est une réalisation physique d'une unité et ne réalise cette unité que sous certaines conditions physiques. Par exemple, un mètre est une unité, tandis qu'une barre de métal est une norme. Un mètre a la même longueur quelle que soit la température, mais une barre de métal mesure exactement un mètre de long uniquement à une certaine température.

Il y a certaines règles qui doivent être utilisées lors du traitement des unités :

  • Traitez les unités algébriquement. N'ajoutez que des termes similaires. Lorsqu'une unité est divisée par elle-même, la division donne une unité sans unité. Lorsque deux unités différentes sont multipliées ou divisées, le résultat est une nouvelle unité, désignée par la combinaison des unités. Par exemple, en SI, l'unité de vitesse est le mètre par seconde (m/s). Voir analyse dimensionnelle . Une unité peut être multipliée par elle-même, créant une unité avec un exposant (par exemple m 2 /s 2 ). En termes simples, les unités obéissent aux lois des indices. (Voir Exponentiation .)
  • Certaines unités ont des noms spéciaux, mais ceux-ci doivent être traités comme leurs équivalents. Par exemple, un newton (N) équivaut à 1 kg⋅m/s 2 . Ainsi, une quantité peut avoir plusieurs désignations d'unités, par exemple : l'unité de tension superficielle peut être appelée N/m (newton par mètre) ou kg/s 2 (kilogramme par seconde au carré).

Exprimer une valeur physique en termes d'une autre unité

La conversion d'unités implique la comparaison de différentes valeurs physiques standard, soit d'une seule quantité physique, soit d'une quantité physique et d'une combinaison d'autres quantités physiques.

Commençant par:

remplacer l'unité d'origine par sa signification en termes d'unité souhaitée , par exemple si , alors :

Maintenant et sont tous deux des valeurs numériques, alors calculez simplement leur produit.

Ou, ce qui est mathématiquement la même chose, multipliez Z par l'unité, le produit est toujours Z :

Par exemple, vous avez une expression pour une valeur physique Z impliquant l'unité de pieds par seconde ( ) et vous la voulez en termes d'unité de miles par heure ( ) :

  1. Trouvez des faits reliant l'unité d'origine à l'unité souhaitée :
    1 mile = 5280 pieds et 1 heure = 3600 secondes
  2. Ensuite, utilisez les équations ci-dessus pour construire une fraction qui a une valeur d'unité et qui contient des unités telles que, lorsqu'elle est multipliée par la valeur physique d'origine, annulera les unités d'origine :
  3. Enfin, multipliez l'expression originale de la valeur physique par la fraction, appelée facteur de conversion , pour obtenir la même valeur physique exprimée en termes d'unité différente. Remarque : étant donné que les facteurs de conversion valides sont sans dimension et ont une valeur numérique de un , multiplier toute quantité physique par un tel facteur de conversion (qui est 1) ne modifie pas cette quantité physique.

Ou comme exemple en utilisant le système métrique, vous avez une valeur d'économie de carburant dans l'unité de litres aux 100 kilomètres et vous la voulez en termes d'unité de microlitres par mètre :

Implications dans le monde réel

Un exemple de l'importance des unités convenues est l'échec de la NASA Mars Climate Orbiter , qui a été accidentellement détruit lors d'une mission vers Mars en septembre 1999 au lieu d'entrer en orbite en raison de mauvaises communications sur la valeur des forces : différents programmes informatiques ont utilisé différentes unités de mesure ( newton contre livre force ). Des quantités considérables d'efforts, de temps et d'argent ont été gaspillées.

Le 15 avril 1999, le vol cargo 6316 de Korean Air de Shanghai à Séoul a été perdu en raison de la confusion entre les instructions de la tour (en mètres) et les relevés altimétriques (en pieds). Trois membres d'équipage et cinq personnes au sol ont été tués. Trente-sept ont été blessés.

En 1983, un Boeing 767 (qui grâce aux compétences de vol à voile de son pilote a atterri en toute sécurité et est devenu connu sous le nom de Gimli Glider ) a manqué de carburant en plein vol en raison de deux erreurs dans la détermination de l'approvisionnement en carburant du premier avion d' Air Canada à utiliser mesures métriques. Cet accident résulte à la fois d'une confusion due à l'utilisation simultanée des mesures métriques et impériales et d'une confusion des mesures de masse et de volume.

Lors de la planification de son voyage à travers l'océan Atlantique dans les années 1480, Colomb a supposé à tort que le mile mentionné dans l'estimation arabe de 56⅔ miles pour la taille d'un degré était le même que le mile italien en réalité beaucoup plus court de 1 480 mètres. Son estimation de la taille du degré et de la circonférence de la Terre était donc d'environ 25 % trop petite.

Voir également

Remarques

Liens externes

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