Ньютон
Производная единица СИ · величина: сила
01 · Определение
Сила, которая сообщает массе в один килограмм ускорение в один метр на секунду за секунду. Величина скромная: примерно с такой силой давит на ладонь среднее яблоко.
Определение прямо повторяет второй закон механики и потому не требует ни эталона, ни поверочной установки: ньютон полностью задан килограммом, метром и секундой. Отсюда же главная путаница, которую единица призвана снять. Масса — свойство тела, она не меняется нигде во Вселенной; вес — сила, с которой тело давит на опору, и он зависит от того, где тело находится. Килограмм остаётся килограммом и на Луне, а вот ньютонов на Луне становится вшестеро меньше. Пока обе величины назывались килограммами, разницу приходилось держать в уме; ньютон вынес её в обозначение.
Равномерное движение силы не требует: тележка, которую ничто не тормозит, катится сама. Ньютоны нужны, чтобы менять скорость или удерживать тело от падения. Один ньютон разгоняет килограмм до метра в секунду за секунду, а десять ньютонов разгоняют тот же килограмм в десять раз быстрее либо десять килограммов с прежней скоростью — во втором законе масса и ускорение равноправны.
02 · Пересчёт
Ньютоны, килограмм-силы и фунты силы
Все коэффициенты точны по определению: килограмм-сила и фунт силы заданы через стандартное ускорение свободного падения, а дина — через сантиметр и грамм.
Килограмм-сила определена как вес килограмма при стандартном ускорении свободного падения — девять целых восемьсот шесть тысяч шестьсот пятьдесят миллионных метра на секунду в квадрате. Число условное: реальное ускорение меняется от девяти целых семи восьмидесяти сотых на экваторе до девяти целых восьмисот тридцати на полюсе, так что одна и та же гиря давит на весы по-разному в Кито и в Мурманске. Промышленные весы поэтому калибруют по месту установки.
| Единица | Название | Значение | Где встречается |
|---|---|---|---|
| N | ньютон | 1 | базовая запись силы в СИ |
| kN | килоньютон | 0,001 | строительство, тяга, нагрузки |
| MN | меганьютон | 1·10⁻⁶ | ракеты, прессы, мосты |
| mN | миллиньютон | 1 000 | лабораторные измерения |
| µN | микроньютон | 1·10⁶ | микромеханика, солнечный парус |
| кгс | килограмм-сила | 0,101972 | вес килограмма при g₀ |
| гс | грамм-сила | 101,972 | аптечные и лабораторные веса |
| тс | тонна-сила | 0,000101972 | краны, тяга двигателей в разговоре |
| lbf | фунт силы | 0,224809 | англоязычная техника |
| ozf | унция силы | 3,59694 | мелкие усилия, пружины |
| дина | дина | 100 000 | система СГС, физика XIX века |
| паундаль | паундаль | 7,23301 | английская абсолютная система |
| сн | стен | 0,001 | система МТС, Франция 1919–1961 |
Вес считается при стандартном ускорении свободного падения 9,806 65 m/s²; ускорение — для массы в одну тонну.
03 · Порядки величин
от пылинки до стартующей ракетыОдин ньютон — яблоко на ладони
04 · Приборы измерения
Чем меряют силу
Самый прямой способ: закон Гука связывает растяжение с силой линейно, и шкалу можно градуировать в ньютонах напрямую. Точность ограничена упругим последействием пружины и температурой, поэтому на производстве такой прибор остался в роли грубого измерителя.
Наклеенная на упругий элемент решётка растягивается вместе с металлом, и её сопротивление меняется на доли процента. Мостовая схема превращает это в напряжение — так устроены все торговые и промышленные весы, от кухонных до вагонных.
Национальные метрологические институты воспроизводят ньютон грузами известной массы, подвешенными в поле тяжести с измеренным ускорением. Крупнейшие установки развивают несколько меганьютонов, и по ним поверяют датчики испытательных лабораторий.
Кварц под нагрузкой сам рождает заряд, и отклик успевает за ударом длительностью в микросекунды. Такими датчиками меряют силу резания, отдачу и краш-тесты; статическую нагрузку они не держат — заряд стекает.
05 · Правила записи
Прописная N без точки
Обозначение образовано от фамилии, поэтому первая буква прописная, а название единицы в тексте пишется со строчной: ньютон, но N. Русское обозначение — Н, и в смешанном тексте его легко спутать с латинской H, обозначающей генри. Между числом и обозначением ставится неразрывный пробел.
Приставка кило пишется строчной буквой: kN, а не KN. Момент силы обозначают ньютон-метром, и хотя размерность у него та же, что у джоуля, подменять одно другим нельзя: работа и момент — разные величины. Килограмм-сила и тонна-сила допускались в отечественной технике до восьмидесятых годов, встречаются в старых чертежах и справочниках и по ГОСТ 8.417 к применению не рекомендуются.
06 · Соседние единицы
Ньютон стоит в основании целого куста производных: разделите его на площадь — получится паскаль, умножьте на путь — джоуль.
ньютон на квадратный метр
сила
ньютон-метр работы
В соседних паспортах Simetrium: паскаль для давления, джоуль для работы, ватт для мощности и килограмм — базовая единица, через которую ньютон определён. Из внесистемных рядом стоят фунт силы и фут-фунт, живущие в англоязычной технике.
07 · Исторический раздел
Чем измеряли силу до ньютона
Второй закон движения был сформулирован без всякой единицы силы: Ньютон писал о пропорциях, а не о числах. Измерять силу в чём-то определённом стало нужно только с приходом машин и инженерных расчётов.
Инженеры считали в килограмм-силах — весе гири, понятном на глаз. Физики предпочли систему сантиметр-грамм-секунда с диной, в сто тысяч раз меньшей ньютона. Расчёты одного лагеря приходилось переводить для другого.
Девятая Генеральная конференция по мерам и весам утвердила название ньютон для силы, разгоняющей килограмм на метр в секунду за секунду. В 1960 году единица вошла в состав Международной системы вместе с остальными производными.
Килограмм-сила ушла из документов, но осталась в речи: тягу двигателя по-прежнему называют тоннами, а усилие пресса — килограммами. Пружинные весы в магазине показывают массу, хотя меряют силу, и калибруются под местное ускорение свободного падения.
Ньютон нельзя воспроизвести эталоном — только вычислить
У килограмма был эталон, у метра — штрих на платиновой линейке; у ньютона нет и не может быть предмета-образца. Единица определена через три базовые и воспроизводится расчётом: подвешивают груз известной массы и умножают её на ускорение свободного падения, измеренное на месте установки с точностью до миллионных долей. Отсюда особенность силовой метрологии: национальный эталон силы привязан к географической точке. Перенести машину в другой город — значит заново измерить локальное ускорение, потому что оно меняется с широтой, высотой и даже с плотностью пород под фундаментом. Двухсотметровая гора рядом с лабораторией смещает результат в шестом знаке. Коромысленные весы этой заботы не знают вовсе: они сравнивают массы, и сила тяжести сокращается в обеих чашах — поэтому взвешивание древнее измерения силы на тысячелетия.
Каталог · единицы измерения
Паспорт на каждую величину
Семь базовых единиц СИ, двадцать две производные с собственными именами и внесистемные единицы, без которых не обходится ни техника, ни быт. Каждая — отдельный лист: определение, пересчёт, приборы, правила записи. На 2 языках.
Производные СИ с собственным именем
открыт паспорт ньютонаБазовые единицы СИ
терракотой — килограмм, метр и секунда, из которых сложен ньютонВнесистемные единицы
терракотой — единицы силы других системЯзык паспорта
2 языков. Обозначение N международное, название единицы следует за фамилией и потому меняется мало: newton, Newton, ньютон, ニュートン.