Niuton
Jednostka pochodna SI · wielkość: siła
01 · Definicja
Siła, która nadaje masie jednego kilograma przyspieszenie jednego metra na sekundę w każdej sekundzie. Wielkość skromna: mniej więcej z taką siłą naciska na dłoń średnie jabłko.
Definicja powtarza wprost drugą zasadę dynamiki i dlatego nie wymaga ani wzorca, ani stanowiska wzorcującego: niuton jest w całości wyznaczony przez kilogram, metr i sekundę. Stąd bierze się też główne zamieszanie, które jednostka ma usunąć. Masa jest właściwością ciała i nie zmienia się nigdzie we Wszechświecie; ciężar to siła, z jaką ciało naciska na podporę, i zależy od tego, gdzie ciało się znajduje. Kilogram pozostaje kilogramem także na Księżycu, ale niutonów jest tam sześć razy mniej. Dopóki obie wielkości nazywały się kilogramami, różnicę trzeba było trzymać w głowie; niuton wyniósł ją do oznaczenia.
Ruch jednostajny nie wymaga siły: wózek, którego nic nie hamuje, toczy się sam. Niutony są potrzebne, by zmieniać prędkość albo powstrzymywać ciało przed spadaniem. Jeden niuton rozpędza kilogram do metra na sekundę w ciągu sekundy, a dziesięć niutonów rozpędza ten sam kilogram dziesięć razy szybciej albo dziesięć kilogramów w tym samym tempie — w drugiej zasadzie masa i przyspieszenie są równoprawne.
02 · Przeliczanie
Niutony, kilogramy-siły i funty-siły
Wszystkie współczynniki są dokładne z definicji: kilogram-siła i funt-siła są określone przez normalne przyspieszenie ziemskie, a dyna — przez centymetr i gram.
Kilogram-siła jest określony jako ciężar kilograma przy normalnym przyspieszeniu ziemskim — 9,806 65 metra na sekundę do kwadratu. Liczba jest umowna: rzeczywiste przyspieszenie zmienia się od 9,78 na równiku do 9,83 na biegunie, więc ten sam odważnik naciska na wagę inaczej w Quito i w Murmańsku. Dlatego wagi przemysłowe wzorcuje się w miejscu ustawienia.
| Jednostka | Nazwa | Wartość | Gdzie występuje |
|---|---|---|---|
| N | niuton | 1 | podstawowy zapis siły w SI |
| kN | kiloniuton | 0,001 | budownictwo, ciąg, obciążenia |
| MN | meganiuton | 1·10⁻⁶ | rakiety, prasy, mosty |
| mN | miliniuton | 1 000 | pomiary laboratoryjne |
| µN | mikroniuton | 1·10⁶ | mikromechanika, żagiel słoneczny |
| kG | kilogram-siła | 0,101972 | ciężar kilograma przy g₀ |
| G | gram-siła | 101,972 | wagi apteczne i laboratoryjne |
| tG | tona-siła | 0,000101972 | dźwigi, ciąg silników w mowie potocznej |
| lbf | funt-siła | 0,224809 | technika anglojęzyczna |
| ozf | uncja-siła | 3,59694 | małe siły, sprężyny |
| dyna | dyna | 100 000 | układ CGS, fizyka XIX wieku |
| poundal | poundal | 7,23301 | angielski układ absolutny |
| sn | sten | 0,001 | układ MTS, Francja 1919–1961 |
Ciężar liczony przy normalnym przyspieszeniu ziemskim 9,806 65 m/s²; przyspieszenie — dla masy jednej tony.
03 · Rzędy wielkości
od pyłku po startującą rakietęJeden niuton — jabłko na dłoni
04 · Przyrządy pomiarowe
Czym mierzy się siłę
Droga najprostsza: prawo Hooke’a wiąże rozciągnięcie z siłą liniowo, a podziałkę można wycechować wprost w niutonach. Dokładność ogranicza sprężyste działanie następcze i temperatura, dlatego w produkcji przyrząd pozostał zgrubnym miernikiem.
Siatka naklejona na element sprężysty rozciąga się razem z metalem, a jej rezystancja zmienia się o ułamki procenta. Układ mostkowy zamienia to na napięcie — tak działają wszystkie wagi handlowe i przemysłowe, od kuchennej po wagonową.
Krajowe instytuty metrologiczne odtwarzają niuton ciężarami o znanej masie zawieszonymi w polu grawitacyjnym o zmierzonym przyspieszeniu. Największe stanowiska osiągają kilka meganiutonów i to na nich wzorcuje się czujniki laboratoriów badawczych.
Kwarc pod obciążeniem sam wytwarza ładunek, a odpowiedź nadąża za uderzeniem trwającym mikrosekundy. Takimi czujnikami mierzy się siłę skrawania, odrzut i testy zderzeniowe; obciążenia statycznego nie utrzymają — ładunek spływa.
05 · Zasady zapisu
Wielkie N bez kropki
Symbol pochodzi od nazwiska, dlatego pisze się go wielką literą, a nazwę jednostki w tekście — małą: niuton, ale N. Rosyjski symbol to Н i w tekście mieszanym łatwo pomylić go z łacińskim H oznaczającym henr. Między liczbą a symbolem stawia się spację nierozdzielającą.
Przedrostek kilo pisze się małą literą: kN, a nie KN. Moment siły podaje się w niutonometrach i choć jego wymiar jest taki sam jak dżula, nie wolno zastępować jednego drugim: praca i moment to różne wielkości. Kilogram-siła i tona-siła były dopuszczone w technice do lat osiemdziesiątych, występują na starych rysunkach i w poradnikach, a norma ISO 80000-4 ich już nie zaleca.
06 · Jednostki sąsiednie
Niuton stoi u podstawy całego krzewu jednostek pochodnych: podzielcie go przez pole — wyjdzie paskal, pomnóżcie przez drogę — wyjdzie dżul.
niuton na metr kwadratowy
siła
niutonometr pracy
W sąsiednich kartach Simetrium: paskal dla ciśnienia, dżul dla pracy, wat dla mocy oraz kilogram — jednostka podstawowa, przez którą niuton jest zdefiniowany. Z jednostek spoza układu obok stoją funt-siła i stopofunt, żyjące w technice anglojęzycznej.
07 · Dział historyczny
Czym mierzono siłę przed niutonem
Druga zasada dynamiki została sformułowana bez żadnej jednostki siły: Newton pisał o proporcjach, nie o liczbach. Mierzenie siły w czymś określonym stało się potrzebne dopiero wraz z maszynami i obliczeniami inżynierskimi.
Inżynierowie liczyli w kilogramach-siłach — ciężarze odważnika, zrozumiałym na oko. Fizycy woleli układ centymetr-gram-sekunda z dyną, sto tysięcy razy mniejszą od niutona. Obliczenia jednego obozu trzeba było przeliczać dla drugiego.
Dziewiąta Generalna Konferencja Miar zatwierdziła nazwę niuton dla siły rozpędzającej kilogram do metra na sekundę w ciągu sekundy. W 1960 roku jednostka weszła do Układu Międzynarodowego wraz z pozostałymi pochodnymi.
Kilogram-siła zniknął z dokumentów, ale został w mowie: ciąg silnika nadal podaje się w tonach, a siłę prasy w kilogramach. Waga sprężynowa w sklepie pokazuje masę, choć mierzy siłę, i jest nastawiana na miejscowe przyspieszenie ziemskie.
Niutona nie da się odtworzyć wzorcem — tylko obliczyć
Kilogram miał wzorzec, metr — kreskę na platynowej linijce; niuton nie ma i mieć nie może przedmiotu-wzorca. Jednostka jest zdefiniowana przez trzy podstawowe i odtwarzana rachunkiem: zawiesza się ciężar o znanej masie i mnoży ją przez przyspieszenie ziemskie, zmierzone w miejscu ustawienia z dokładnością do milionowych. Stąd osobliwość metrologii siły: krajowy wzorzec siły jest przywiązany do punktu geograficznego. Przenieść maszynę do innego miasta znaczy zmierzyć na nowo miejscowe przyspieszenie, bo zmienia się ono z szerokością, wysokością, a nawet z gęstością skał pod fundamentem. Dwustumetrowa góra obok laboratorium przesuwa wynik na szóstym miejscu. Waga belkowa nie zna tej troski wcale: porównuje masy, a siła ciężkości skraca się na obu szalkach — dlatego ważenie jest o tysiąclecia starsze od mierzenia siły.
Katalog · jednostki miary
Karta dla każdej wielkości
Siedem jednostek podstawowych SI, dwadzieścia dwie pochodne z własnymi nazwami oraz jednostki spoza układu, bez których nie obejdzie się ani technika, ani życie codzienne. Każda ma osobny arkusz: definicja, przeliczanie, przyrządy, zasady zapisu. W 11 językach.
Jednostki pochodne SI z własną nazwą
otwarta karta niutonaJednostki podstawowe SI
terakotą — kilogram, metr i sekunda, z których złożony jest niutonJednostki spoza układu
terakotą — jednostki siły innych układówJęzyk karty
11 języków. Symbol N jest międzynarodowy, nazwa idzie za nazwiskiem i dlatego zmienia się niewiele: newton, Newton, ньютон, ニュートン.