Νιούτον
Παράγωγη μονάδα SI · μέγεθος: δύναμη
01 · Ορισμός
Η δύναμη που δίνει σε μάζα ενός χιλιογράμμου επιτάχυνση ενός μέτρου ανά δευτερόλεπτο κάθε δευτερόλεπτο. Μέγεθος μετριοπαθές: περίπου με τέτοια δύναμη πιέζει την παλάμη ένα μέτριο μήλο.
Ο ορισμός επαναλαμβάνει ευθέως τον δεύτερο νόμο της μηχανικής και γι’ αυτό δεν απαιτεί ούτε πρότυπο ούτε διάταξη διακρίβωσης: το νιούτον καθορίζεται πλήρως από το χιλιόγραμμο, το μέτρο και το δευτερόλεπτο. Από εδώ πηγάζει και η βασική σύγχυση που η μονάδα καλείται να άρει. Η μάζα είναι ιδιότητα του σώματος και δεν αλλάζει πουθενά στο Σύμπαν· το βάρος είναι η δύναμη με την οποία το σώμα πιέζει το στήριγμά του και εξαρτάται από το πού βρίσκεται. Ένα χιλιόγραμμο παραμένει χιλιόγραμμο και στη Σελήνη, τα νιούτον όμως γίνονται εκεί έξι φορές λιγότερα. Όσο και τα δύο μεγέθη λέγονταν χιλιόγραμμα, τη διαφορά έπρεπε να τη θυμάται κανείς· το νιούτον την έβγαλε στο σύμβολο.
Η ομαλή κίνηση δεν χρειάζεται δύναμη: ένα καροτσάκι που τίποτα δεν φρενάρει κυλά μόνο του. Τα νιούτον χρειάζονται για να αλλάξει η ταχύτητα ή για να συγκρατηθεί ένα σώμα από την πτώση. Ένα νιούτον φέρνει ένα χιλιόγραμμο στο ένα μέτρο ανά δευτερόλεπτο μέσα σε ένα δευτερόλεπτο, ενώ δέκα νιούτον επιταχύνουν το ίδιο χιλιόγραμμο δέκα φορές γρηγορότερα ή δέκα χιλιόγραμμα με τον ίδιο ρυθμό — στον δεύτερο νόμο μάζα και επιτάχυνση είναι ισότιμες.
02 · Μετατροπή
Νιούτον, χιλιόγραμμα-δύναμη και λίβρες-δύναμη
Όλοι οι συντελεστές είναι ακριβείς εξ ορισμού: το χιλιόγραμμο-δύναμη και η λίβρα-δύναμη ορίζονται μέσω της κανονικής επιτάχυνσης της βαρύτητας, και το dyn μέσω του εκατοστού και του γραμμαρίου.
Το χιλιόγραμμο-δύναμη ορίζεται ως το βάρος ενός χιλιογράμμου στην κανονική επιτάχυνση της βαρύτητας, 9,806 65 μέτρα ανά δευτερόλεπτο στο τετράγωνο. Ο αριθμός είναι σύμβαση: η πραγματική επιτάχυνση κυμαίνεται από 9,78 στον ισημερινό ως 9,83 στον πόλο, ώστε ο ίδιος σταθμός πιέζει τη ζυγαριά διαφορετικά στο Κίτο και στο Μούρμανσκ. Γι’ αυτό οι βιομηχανικές ζυγαριές βαθμονομούνται στον τόπο εγκατάστασης.
| Μονάδα | Ονομασία | Τιμή | Πού απαντά |
|---|---|---|---|
| N | νιούτον | 1 | η βασική γραφή της δύναμης στο SI |
| kN | κιλονιούτον | 0,001 | κατασκευές, ώση, φορτία |
| MN | μεγανιούτον | 1·10⁻⁶ | πύραυλοι, πρέσες, γέφυρες |
| mN | μιλινιούτον | 1 000 | εργαστηριακές μετρήσεις |
| µN | μικρονιούτον | 1·10⁶ | μικρομηχανική, ηλιακό ιστίο |
| kgf | χιλιόγραμμο-δύναμη | 0,101972 | βάρος χιλιογράμμου στο g₀ |
| gf | γραμμάριο-δύναμη | 101,972 | ζυγαριές φαρμακείου και εργαστηρίου |
| tf | τόνος-δύναμη | 0,000101972 | γερανοί, ώση κινητήρων στον προφορικό λόγο |
| lbf | λίβρα-δύναμη | 0,224809 | αγγλόφωνη τεχνική |
| ozf | ουγγιά-δύναμη | 3,59694 | μικρές δυνάμεις, ελατήρια |
| dyn | dyn | 100 000 | σύστημα CGS, φυσική του 19ου αιώνα |
| poundal | poundal | 7,23301 | αγγλικό απόλυτο σύστημα |
| sn | σθένος | 0,001 | σύστημα MTS, Γαλλία 1919–1961 |
Το βάρος υπολογίζεται στην κανονική επιτάχυνση της βαρύτητας 9,806 65 m/s²· η επιτάχυνση, για μάζα ενός τόνου.
03 · Τάξεις μεγέθους
από τον κόκκο σκόνης ως τον πύραυλο που απογειώνεταιΈνα νιούτον — ένα μήλο στην παλάμη
04 · Όργανα μέτρησης
Με τι μετριέται η δύναμη
Ο πιο άμεσος δρόμος: ο νόμος του Χουκ συνδέει γραμμικά την επιμήκυνση με τη δύναμη, και η κλίμακα μπορεί να βαθμολογηθεί κατευθείαν σε νιούτον. Την ακρίβεια περιορίζουν η ελαστική υστέρηση του ελατηρίου και η θερμοκρασία, γι’ αυτό στην παραγωγή το όργανο έμεινε ως χονδρικό μετρητικό.
Το πλέγμα που είναι κολλημένο στο ελαστικό σώμα τεντώνεται μαζί με το μέταλλο και η αντίστασή του μεταβάλλεται κατά κλάσματα του εκατοστού. Μια γέφυρα το μετατρέπει σε τάση — έτσι λειτουργούν όλες οι εμπορικές και βιομηχανικές ζυγαριές, από της κουζίνας ως των βαγονιών.
Τα εθνικά ινστιτούτα μετρολογίας υλοποιούν το νιούτον με φορτία γνωστής μάζας κρεμασμένα σε πεδίο βαρύτητας με μετρημένη επιτάχυνση. Οι μεγαλύτερες εγκαταστάσεις αναπτύσσουν αρκετά μεγανιούτον και πάνω τους βαθμονομούνται οι αισθητήρες των εργαστηρίων δοκιμών.
Ο χαλαζίας υπό φορτίο γεννά μόνος του φορτίο, και η απόκριση προλαβαίνει κρούση διάρκειας μικροδευτερολέπτων. Με τέτοιους αισθητήρες μετρούν τη δύναμη κοπής, την ανάκρουση και τις δοκιμές πρόσκρουσης· στατικό φορτίο δεν κρατούν — το φορτίο διαρρέει.
05 · Κανόνες γραφής
Κεφαλαίο N χωρίς τελεία
Το σύμβολο σχηματίστηκε από επώνυμο, γι’ αυτό γράφεται με κεφαλαίο, ενώ η ονομασία της μονάδας στο κείμενο με μικρό: ένα νιούτον, αλλά N. Το ρωσικό σύμβολο είναι Н και σε ανάμεικτο κείμενο συγχέεται εύκολα με το λατινικό H του χένρι. Ανάμεσα στον αριθμό και το σύμβολο μπαίνει αχώριστο διάστημα.
Το πρόθεμα κιλο γράφεται με μικρό γράμμα: kN, όχι KN. Η ροπή δύναμης δίνεται σε νιούτον-μέτρο και, αν και έχει την ίδια διάσταση με το τζάουλ, δεν επιτρέπεται να αντικαθιστά το ένα το άλλο: το έργο και η ροπή είναι διαφορετικά μεγέθη. Το χιλιόγραμμο-δύναμη και ο τόνος-δύναμη επιτρέπονταν στην τεχνική ως τη δεκαετία του ογδόντα, απαντούν σε παλιά σχέδια και εγχειρίδια και το πρότυπο ISO 80000-4 δεν τα συνιστά πλέον.
06 · Γειτονικές μονάδες
Το νιούτον στέκει στη ρίζα ενός ολόκληρου θάμνου παράγωγων μονάδων: διαιρέστε το με εμβαδόν και βγαίνει το πασκάλ· πολλαπλασιάστε το με διαδρομή και βγαίνει το τζάουλ.
νιούτον ανά τετραγωνικό μέτρο
δύναμη
νιούτον-μέτρο έργου
Στα γειτονικά δελτία του Simetrium: πασκάλ για την πίεση, τζάουλ για το έργο, βατ για την ισχύ και χιλιόγραμμο — η θεμελιώδης μονάδα μέσω της οποίας ορίζεται το νιούτον. Από τις μονάδες εκτός SI στέκουν δίπλα λίβρα-δύναμη και πόδι-λίβρα, που ζουν στην αγγλόφωνη τεχνική.
07 · Ιστορικό μέρος
Με τι μετρούσαν τη δύναμη πριν από το νιούτον
Ο δεύτερος νόμος της κίνησης διατυπώθηκε χωρίς καμία μονάδα δύναμης: ο Νεύτων έγραφε για αναλογίες, όχι για αριθμούς. Η μέτρηση της δύναμης σε κάτι ορισμένο χρειάστηκε μόνο με τον ερχομό των μηχανών και των μηχανικών υπολογισμών.
Οι μηχανικοί λογάριαζαν σε χιλιόγραμμα-δύναμη — το βάρος ενός σταθμού, κατανοητό με το μάτι. Οι φυσικοί προτίμησαν το σύστημα εκατοστό-γραμμάριο-δευτερόλεπτο με το dyn, εκατό χιλιάδες φορές μικρότερο από το νιούτον. Οι υπολογισμοί του ενός στρατοπέδου έπρεπε να μεταφράζονται για το άλλο.
Η ένατη Γενική Συνδιάσκεψη Μέτρων και Σταθμών ενέκρινε την ονομασία νιούτον για τη δύναμη που φέρνει ένα χιλιόγραμμο στο ένα μέτρο ανά δευτερόλεπτο μέσα σε ένα δευτερόλεπτο. Το 1960 η μονάδα μπήκε στο Διεθνές Σύστημα μαζί με τις υπόλοιπες παράγωγες.
Το χιλιόγραμμο-δύναμη έφυγε από τα έγγραφα αλλά έμεινε στον λόγο: η ώση του κινητήρα δίνεται ακόμη σε τόνους και η δύναμη της πρέσας σε χιλιόγραμμα. Η ζυγαριά ελατηρίου στο κατάστημα δείχνει μάζα ενώ μετρά δύναμη, και ρυθμίζεται στην τοπική επιτάχυνση της βαρύτητας.
Το νιούτον δεν υλοποιείται με πρότυπο — μόνο υπολογίζεται
Το χιλιόγραμμο είχε πρότυπο, το μέτρο μια χαραγή σε πλατινένιο κανόνα· το νιούτον δεν έχει ούτε μπορεί να έχει αντικείμενο-υπόδειγμα. Η μονάδα ορίζεται μέσω τριών θεμελιωδών και υλοποιείται με υπολογισμό: κρεμούν φορτίο γνωστής μάζας και το πολλαπλασιάζουν με την επιτάχυνση της βαρύτητας, μετρημένη επιτόπου με ακρίβεια εκατομμυριοστών. Από εδώ και η ιδιαιτερότητα της μετρολογίας της δύναμης: ένα εθνικό πρότυπο δύναμης είναι δεμένο σε γεωγραφικό σημείο. Να μεταφέρεις τη μηχανή σε άλλη πόλη σημαίνει να μετρήσεις ξανά την τοπική επιτάχυνση, γιατί αλλάζει με το γεωγραφικό πλάτος, με το υψόμετρο, ακόμη και με την πυκνότητα των πετρωμάτων κάτω από τα θεμέλια. Ένα βουνό διακοσίων μέτρων δίπλα στο εργαστήριο μετατοπίζει το αποτέλεσμα στο έκτο ψηφίο. Ο ζυγός με βραχίονες δεν ξέρει καθόλου αυτή την έγνοια: συγκρίνει μάζες, και η βαρύτητα απλοποιείται και στους δύο δίσκους — γι’ αυτό το ζύγισμα είναι χιλιετίες αρχαιότερο από τη μέτρηση της δύναμης.
Κατάλογος · μονάδες μέτρησης
Ένα δελτίο για κάθε μέγεθος
Επτά θεμελιώδεις μονάδες SI, είκοσι δύο παράγωγες με δικό τους όνομα και οι μονάδες εκτός συστήματος χωρίς τις οποίες δεν τα βγάζει πέρα ούτε η τεχνική ούτε η καθημερινότητα. Καθεμιά έχει το φύλλο της: ορισμός, μετατροπή, όργανα, κανόνες γραφής. Σε 32 γλώσσες.
Παράγωγες μονάδες SI με δικό τους όνομα
ανοιχτό το δελτίο του νιούτονΘεμελιώδεις μονάδες SI
με τερακότα — χιλιόγραμμο, μέτρο και δευτερόλεπτο, από τα οποία συντίθεται το νιούτονΜονάδες εκτός συστήματος
με τερακότα — μονάδες δύναμης άλλων συστημάτωνΓλώσσα του δελτίου
32 γλώσσες. Το σύμβολο N είναι διεθνές· η ονομασία ακολουθεί το επώνυμο και γι’ αυτό αλλάζει λίγο: newton, Newton, ньютон, ニュートン.