Maßeinheit

Aus besserwiki.de
Das ehemalige Büro von Weights and Measures in Seven Sisters, London
Maßeinheiten, Palazzo della Ragione, Padua

Eine Maßeinheit ist eine bestimmte, durch Konvention oder Gesetz festgelegte und übernommene Größe, die als Maßstab für die Messung der gleichen Art von Größe verwendet wird. Jede andere Größe dieser Art kann als ein Vielfaches der Maßeinheit ausgedrückt werden.

Eine Länge ist zum Beispiel eine physikalische Größe. Der Meter ist eine Längeneinheit, die eine bestimmte, vorher festgelegte Länge repräsentiert. Wenn zum Beispiel von "10 Metern" (oder 10 m) die Rede ist, ist eigentlich das 10-fache der bestimmten, vorgegebenen Länge "Meter" gemeint.

Die Definition, Vereinbarung und praktische Verwendung von Maßeinheiten spielt seit der Frühzeit der Menschheit bis in die Gegenwart eine entscheidende Rolle bei ihren Bemühungen. Früher war eine Vielzahl von Einheitensystemen weit verbreitet. Heute gibt es einen globalen Standard, das Internationale Einheitensystem (SI), die moderne Form des metrischen Systems.

Im Handel sind Gewichte und Maße häufig Gegenstand staatlicher Vorschriften, um Fairness und Transparenz zu gewährleisten. Das Internationale Büro für Maße und Gewichte (BIPM) hat die Aufgabe, die weltweite Einheitlichkeit der Maße und ihre Rückführbarkeit auf das Internationale Einheitensystem (SI) zu gewährleisten.

Metrologie ist die Wissenschaft von der Entwicklung national und international anerkannter Maßeinheiten.

In der Physik und der Metrologie sind Einheiten Maßstäbe für die Messung physikalischer Größen, die klar definiert sein müssen, um nützlich zu sein. Die Reproduzierbarkeit von Versuchsergebnissen ist ein zentraler Bestandteil der wissenschaftlichen Methode. Ein einheitliches Einheitensystem erleichtert dies. Wissenschaftliche Einheitensysteme sind eine Verfeinerung des Konzepts der Gewichte und Maße, das historisch für kommerzielle Zwecke entwickelt wurde.

In Wissenschaft, Medizin und Technik werden häufig größere und kleinere Maßeinheiten verwendet als im täglichen Leben. Die kluge Auswahl der Maßeinheiten kann Forschern bei der Problemlösung helfen (siehe z. B. die Dimensionsanalyse).

In den Sozialwissenschaften gibt es keine Standardmaßeinheiten, und die Theorie und Praxis des Messens wird in der Psychometrie und der Theorie der gemeinsamen Messung untersucht.

Geschichte

Eine Maßeinheit ist eine standardisierte Menge einer physikalischen Eigenschaft, die als Faktor verwendet wird, um auftretende Mengen dieser Eigenschaft auszudrücken. Maßeinheiten gehörten zu den frühesten Werkzeugen, die der Mensch erfand. Primitive Gesellschaften benötigten rudimentäre Maße für viele Aufgaben: den Bau von Behausungen in geeigneter Größe und Form, die Herstellung von Kleidung oder den Tausch von Nahrungsmitteln oder Rohstoffen.

Die frühesten bekannten einheitlichen Maßsysteme scheinen alle irgendwann im 4. und 3. Jahrtausend v. Chr. bei den alten Völkern Mesopotamiens, Ägyptens und des Indus-Tals und vielleicht auch in Elam in Persien entstanden zu sein.

Gewichte und Maße werden in der Bibel erwähnt (Levitikus 19:35-36). Es ist ein Gebot, ehrlich zu sein und gerechte Maße zu haben.

In der Magna Carta von 1215 (der Großen Charta) mit dem Siegel von König Johann, die ihm von den Baronen Englands vorgelegt wurde, stimmte König Johann in Klausel 35 zu: "Es soll ein Maß Wein in unserem ganzen Reich geben und ein Maß Ale und ein Maß Korn - nämlich das Londoner Quart - und eine Breite von gefärbten und rostroten Tüchern und Hauberk-Tüchern - nämlich zwei Ellen unterhalb der Webkante..."

Im 21. Jahrhundert werden auf der ganzen Welt mehrere Einheitensysteme verwendet, wie das United States Customary System, das British Customary System und das International System. Die Vereinigten Staaten sind jedoch das einzige Industrieland, das noch nicht zumindest weitgehend auf das metrische System umgestellt hat. Die systematischen Bemühungen um die Entwicklung eines allgemeingültigen Einheitensystems gehen auf das Jahr 1790 zurück, als die französische Nationalversammlung die französische Akademie der Wissenschaften beauftragte, ein solches Einheitensystem zu entwickeln. Dieses System war der Vorläufer des metrischen Systems, das in Frankreich schnell entwickelt wurde, sich aber erst 1875 durchsetzte, als der Vertrag über die Metrische Konvention von 17 Nationen unterzeichnet wurde. Nach der Unterzeichnung dieses Vertrags wurde eine Allgemeine Konferenz für Maße und Gewichte (CGPM) gegründet. Die CGPM entwickelte das aktuelle SI-System, das 1954 auf der 10. Konferenz für Maße und Gewichte angenommen wurde. Gegenwärtig sind die Vereinigten Staaten eine Gesellschaft mit zwei Systemen, die sowohl das SI-System als auch das US Customary System verwendet.

Eine öffentliche Maßverkörperung für die Längeneinheit Elle am Altstadt-Rathaus von Braunschweig

In früheren Zeiten wurden Maßeinheiten meistens über Maßverkörperungen definiert, die die entsprechende Eigenschaft hatten. Gut möglich ist dies z. B. bei Längen-, Volumen- und Masseneinheiten, denn diese sind durch Metallstäbe, Kugeln oder Hohlgefäße darstellbar. An allgemein zugänglicher Stelle angebracht, etwa in die Fassade des Rathauses eingemauert, ermöglichte es ein solches Maß jedem, seine eigenen Messgeräte zu kalibrieren. Maßeinheiten wurden früher sehr willkürlich und oft ohne Beziehung zueinander, aber nach praktischen Gesichtspunkten wie Längenabmessungen am menschlichen Körper festgelegt.

Abstraktere Maßeinheiten hatten früher im Alltag nur eine untergeordnete Bedeutung. Derartige Einheiten muss man über Messvorschriften definieren, die vergleichsweise einfach mit hoher Genauigkeit zu reproduzieren sind. Es ist zwischen „Definition“ und „Realisierungsvorschrift“ zu unterscheiden; die geeigneten Realisierungsverfahren unterscheiden sich oft von dem in der Definition festgelegten Verfahren. Welches Verfahren geeignet ist, hängt von den Genauigkeits-Anforderungen ab. Beispielsweise kann für die „Darstellung“ einer Maßeinheit als nationales Normal viel höherer Aufwand betrieben werden als beim Eichen von Handelswaagen. Je nach Genauigkeitsanforderung können auch heute noch verkörperte Maße aktuell sein.

Systeme von Einheiten

Die Verwendung einer einzigen Maßeinheit für eine bestimmte Menge hat offensichtliche Nachteile. So ist es beispielsweise unpraktisch, für die Entfernung zwischen zwei Städten und die Länge einer Nadel die gleiche Einheit zu verwenden. Daher haben sie sich historisch gesehen unabhängig voneinander entwickelt. Eine Möglichkeit, große Zahlen oder kleine Brüche leichter lesbar zu machen, ist die Verwendung von Einheitenpräfixen.

Irgendwann könnte sich jedoch die Notwendigkeit ergeben, die beiden Einheiten miteinander in Beziehung zu setzen und folglich die eine Einheit als Definition für die andere zu wählen oder andersherum. Zum Beispiel könnte ein Zoll durch ein Gerstenkorn definiert werden. Ein Maßsystem ist eine Sammlung von Maßeinheiten und Regeln, die sie zueinander in Beziehung setzen.

Mit dem Fortschreiten der Wissenschaft entstand die Notwendigkeit, die Messsysteme für verschiedene Größen wie Länge, Gewicht und Volumen miteinander in Beziehung zu setzen. Der Versuch, verschiedene traditionelle Systeme miteinander in Beziehung zu setzen, brachte viele Ungereimtheiten zutage und führte zur Entwicklung neuer Einheiten und Systeme.

Die Einheitensysteme variieren von Land zu Land und einige der verschiedenen Einheitensysteme sind das CGS-Einheitensystem, das FPS-Einheitensystem, das MKS-Einheitensystem und das SI-Einheitensystem. Unter den verschiedenen weltweit verwendeten Einheitensystemen ist das Internationale Einheitensystem oder SI-Einheitensystem das am weitesten verbreitete und international anerkannte System. In diesem SI-Einheitensystem gibt es sieben SI-Basiseinheiten und drei Zusatzeinheiten. Die SI-Basiseinheiten sind Meter, Kilogramm, Sekunde, Kelvin, Ampere, Candela und Mol, die drei zusätzlichen SI-Einheiten sind Radiant, Steradiant und Becquerel. Alle anderen SI-Einheiten lassen sich von diesen Basiseinheiten ableiten.

Zu den heute gebräuchlichen Maßsystemen gehören das metrische System, das imperiale System und die in den Vereinigten Staaten gebräuchlichen Einheiten.

Traditionelle Systeme

In der Vergangenheit basierten viele der gebräuchlichen Maßsysteme in gewissem Maße auf den Abmessungen des menschlichen Körpers. Dies hatte zur Folge, dass die Maßeinheiten nicht nur von Ort zu Ort, sondern auch von Person zu Person variieren konnten.

Metrische Systeme

Die metrischen Einheitensysteme haben sich seit der Einführung des ursprünglichen metrischen Systems in Frankreich im Jahr 1791 weiterentwickelt. Das derzeitige internationale metrische Standardsystem ist das Internationale System der Einheiten (abgekürzt: SI). Ein wichtiges Merkmal der modernen Systeme ist die Standardisierung. Jede Einheit hat eine universell anerkannte Größe.

Ein Beispiel für die Metrifizierung im Jahr 1860, als die Toskana Teil des modernen Italiens wurde (z. B. ein "libbra" = 339,54 Gramm)

Sowohl die imperialen Einheiten als auch die US-amerikanischen Maßeinheiten gehen auf frühere englische Einheiten zurück. Imperiale Einheiten wurden hauptsächlich im britischen Commonwealth und im ehemaligen britischen Empire verwendet. In den Vereinigten Staaten werden außerhalb der Wissenschaft, der Medizin, vieler Industriezweige und einiger Bereiche der Regierung und des Militärs nach wie vor hauptsächlich benutzerdefinierte Einheiten verwendet, obwohl der Kongress am 28. Juli 1866 das metrische Maß gesetzlich genehmigt hat. In den USA wurden einige Schritte in Richtung Metrifizierung unternommen, insbesondere die Neudefinition grundlegender US-amerikanischer und imperialer Einheiten, die sich exakt von SI-Einheiten ableiten. Seit dem internationalen Yard- und Pfund-Abkommen von 1959 ist der US-amerikanische und imperiale Zoll nun genau als 0,0254 m definiert, und das US-amerikanische und imperiale avoirdupois-Pfund ist nun genau als 453,59237 g definiert.

Natürliche Systeme

Während die oben genannten Einheitensysteme auf willkürlichen, als Normen formalisierten Einheitenwerten beruhen, gibt es in der Wissenschaft auch natürliche Einheitenwerte. Die darauf basierenden Einheitensysteme werden als natürliche Einheiten bezeichnet. Ähnlich wie die natürlichen Einheiten sind die atomaren Einheiten (au) ein praktisches System von Maßeinheiten, das in der Atomphysik verwendet wird.

Es gibt auch eine große Anzahl von ungewöhnlichen und nicht standardisierten Einheiten. Dazu gehören die Sonnenmasse (2×1030 kg), die Megatonne (die Energie, die bei der Detonation von einer Million Tonnen Trinitrotoluol (TNT) freigesetzt wird) und das Elektronenvolt.

Gesetzliche Kontrolle von Gewichten und Maßen

Um Betrügereien im Einzelhandel einzudämmen, gibt es in vielen nationalen Gesetzen Standarddefinitionen von Gewichten und Maßen, die verwendet werden dürfen (daher "gesetzliches Maß"), und diese werden von Justizbeamten überprüft.

Informeller Vergleich mit bekannten Begriffen

In informellen Zusammenhängen kann eine Menge als Vielfaches einer bekannten Einheit beschrieben werden, die sich leichter kontextualisieren lässt als ein Wert in einem formalen Einheitensystem. So kann beispielsweise in einer Publikation eine Fläche in einem fremden Land als ein Vielfaches der Fläche einer Region in der Nähe der Leserschaft beschrieben werden. Die Neigung, bestimmte Konzepte häufig zu verwenden, kann zu lose definierten "Systemen" von Einheiten führen.

Basiseinheiten und abgeleitete Einheiten

Für die meisten Größen ist eine Einheit erforderlich, um Werte dieser physikalischen Größe zu vermitteln. So ist es beispielsweise unmöglich, jemandem eine bestimmte Länge zu vermitteln, ohne irgendeine Einheit zu verwenden, da eine Länge nicht ohne eine Referenz beschrieben werden kann, die dem angegebenen Wert einen Sinn verleiht.

Aber nicht alle Größen benötigen eine eigene Einheit. Nach den physikalischen Gesetzen können Einheiten von Größen als Kombinationen von Einheiten anderer Größen ausgedrückt werden. Daher ist nur ein kleiner Satz von Einheiten erforderlich. Diese Einheiten werden als Basiseinheiten bezeichnet, und die anderen Einheiten sind abgeleitete Einheiten. Basiseinheiten sind also die Einheiten von Größen, die von anderen Größen unabhängig sind, und das sind die Einheiten von Länge, Masse, Zeit, elektrischem Strom, Temperatur, Lichtstärke und Stoffmenge. Abgeleitete Einheiten sind die Einheiten der Größen, die von den Basisgrößen abgeleitet sind, und einige der abgeleiteten Einheiten sind die Einheiten von Geschwindigkeit, Arbeit, Beschleunigung, Energie, Druck usw.

Verschiedene Einheitensysteme beruhen auf einer unterschiedlichen Auswahl von verwandten Einheiten, einschließlich grundlegender und abgeleiteter Einheiten.

Berechnungen mit Maßeinheiten

Einheiten als Dimensionen

Jeder Wert einer physikalischen Größe wird durch einen Vergleich mit einer Einheit dieser Größe ausgedrückt. So wird beispielsweise der Wert einer physikalischen Größe Z als Produkt aus einer Einheit [Z] und einem numerischen Faktor ausgedrückt:

Zum Beispiel sei 2 Kerzenständer" sein, dann ist Kerzenständer.

Das Multiplikationszeichen wird in der Regel weggelassen, so wie es auch in der wissenschaftlichen Notation von Formeln zwischen Variablen weggelassen wird. Die Konvention, die zur Darstellung von Mengen verwendet wird, wird als Mengenkalkül bezeichnet. In Formeln kann die Einheit [Z] so behandelt werden, als wäre sie eine bestimmte Größe einer Art physikalischer Dimension: siehe Dimensionsanalyse für weitere Informationen zu dieser Behandlung.

Einheiten können nur addiert oder subtrahiert werden, wenn sie vom gleichen Typ sind; Einheiten können jedoch immer multipliziert oder dividiert werden, wie George Gamow zu erklären pflegte. Beispiel: seien "2 Kerzenhalter" und "3 Taxifahrer", dann

"2 Kerzenständer" mal "3 Taxifahrer" Kerzenständer Droschkenkutscher.

Es sollte zwischen Einheiten und Normen unterschieden werden. Eine Einheit ist durch ihre Definition festgelegt und unabhängig von physikalischen Bedingungen wie der Temperatur. Im Gegensatz dazu ist ein Standard eine physikalische Realisierung einer Einheit und realisiert diese Einheit nur unter bestimmten physikalischen Bedingungen. Zum Beispiel ist ein Meter eine Einheit, während ein Metallstab ein Standard ist. Ein Meter ist unabhängig von der Temperatur gleich lang, aber ein Metallstab ist nur bei einer bestimmten Temperatur genau einen Meter lang.

Es gibt bestimmte Regeln, die beim Umgang mit Einheiten beachtet werden müssen:

  • Behandeln Sie Einheiten algebraisch. Nur gleiche Terme addieren. Wenn eine Einheit durch sich selbst dividiert wird, ergibt die Division eine einheitenlose Einheit. Wenn zwei verschiedene Einheiten multipliziert oder dividiert werden, ist das Ergebnis eine neue Einheit, die mit der Kombination der Einheiten bezeichnet wird. Im SI ist die Einheit der Geschwindigkeit zum Beispiel Meter pro Sekunde (m/s). Siehe Dimensionsanalyse. Eine Einheit kann mit sich selbst multipliziert werden, wodurch eine Einheit mit einem Exponenten entsteht (z. B. m2/s2). Einfach ausgedrückt: Einheiten gehorchen den Gesetzen der Indizes. (Siehe Potenzierung.)
  • Einige Einheiten haben spezielle Namen, die jedoch wie ihre Äquivalente behandelt werden sollten. Zum Beispiel ist ein Newton (N) gleichbedeutend mit 1 kg⋅m/s2. So kann eine Größe mehrere Einheitenbezeichnungen haben, z. B. kann die Einheit für die Oberflächenspannung entweder als N/m (Newton pro Meter) oder kg/s2 (Kilogramm pro Sekunde zum Quadrat) bezeichnet werden.

Ausdrücken einer physikalischen Größe in einer anderen Einheit

Bei der Umrechnung von Einheiten geht es um den Vergleich verschiedener physikalischer Standardwerte, entweder für eine einzelne physikalische Größe oder für eine physikalische Größe und eine Kombination aus anderen physikalischen Größen.

Man beginnt mit:

Ersetzen Sie die ursprüngliche Einheit durch ihre Bedeutung in Bezug auf die gewünschte Einheit z. B. wenn , dann:

Jetzt und sind beides numerische Werte, also berechne einfach ihr Produkt.

Oder, was mathematisch das Gleiche ist, multiplizieren Sie Z mit der Einheit, das Produkt ist immer noch Z:

Ein Beispiel: Sie haben einen Ausdruck für eine physikalische Größe Z mit der Einheit Fuß pro Sekunde (), und Sie wollen ihn in Bezug auf die Einheit Meilen pro Stunde ():

  1. Finden Sie Fakten, die die ursprüngliche Einheit mit der gewünschten Einheit in Beziehung setzen:
    1 Meile = 5280 Fuß und 1 Stunde = 3600 Sekunden
  2. Als Nächstes verwenden Sie die obigen Gleichungen, um einen Bruch zu konstruieren, der einen Wert von Eins hat und Einheiten enthält, die, wenn sie mit dem ursprünglichen physikalischen Wert multipliziert werden, die ursprünglichen Einheiten aufheben:
  3. Zuletzt multipliziert man den ursprünglichen Ausdruck des physikalischen Wertes mit dem Bruch, der als Umrechnungsfaktor bezeichnet wird, um denselben physikalischen Wert in einer anderen Einheit ausgedrückt zu erhalten. Hinweis: Da gültige Umrechnungsfaktoren dimensionslos sind und einen numerischen Wert von 1 haben, ändert die Multiplikation einer physikalischen Größe mit einem solchen Umrechnungsfaktor (der 1 ist) diese physikalische Größe nicht.

Oder ein Beispiel aus dem metrischen System: Sie haben einen Wert für den Kraftstoffverbrauch in der Einheit Liter pro 100 Kilometer und möchten ihn in der Einheit Mikroliter pro Meter angeben:

Auswirkungen in der realen Welt

Ein Beispiel für die Bedeutung vereinbarter Einheiten ist das Scheitern des NASA Mars Climate Orbiter, der bei einer Mission zum Mars im September 1999 versehentlich zerstört wurde, anstatt in die Umlaufbahn einzutreten, und zwar aufgrund von Missverständnissen über den Wert von Kräften: Verschiedene Computerprogramme verwendeten unterschiedliche Maßeinheiten (Newton oder Pfund Kraft). Dadurch wurden beträchtliche Mengen an Arbeit, Zeit und Geld verschwendet.

Am 15. April 1999 ging der Korean-Air-Frachtflug 6316 von Schanghai nach Seoul verloren, weil die Besatzung die Anweisungen des Tower (in Metern) und die Angaben des Höhenmessers (in Fuß) verwechselte. Drei Besatzungsmitglieder und fünf Personen am Boden kamen dabei ums Leben. Siebenunddreißig Personen wurden verletzt.

1983 ging einer Boeing 767 (die dank der Segelflugkünste ihres Piloten sicher landete und als "Gimli Glider" bekannt wurde) mitten im Flug der Treibstoff aus, weil zwei Fehler bei der Berechnung des Treibstoffvorrats des ersten Flugzeugs von Air Canada, das metrische Maße verwendete, gemacht wurden. Dieser Unfall war das Ergebnis einer Verwechslung aufgrund der gleichzeitigen Verwendung von metrischen und imperialen Maßen sowie einer Verwechslung von Massen- und Volumenmaßen.

Als Kolumbus in den 1480er Jahren seine Reise über den Atlantik plante, nahm er irrtümlich an, dass die Meile, auf die sich die arabische Schätzung von 56⅔ Meilen für die Größe eines Grades bezog, dieselbe sei wie die tatsächlich viel kürzere italienische Meile von 1.480 Metern. Seine Schätzung für die Größe des Grades und für den Umfang der Erde war daher um etwa 25 % zu klein.

Eigenschaften

Zur Vermeidung von Messwerten mit sehr großen oder sehr kleinen Zahlen können bei den meisten Einheiten Vorsätze für Maßeinheiten verwendet werden (Ausnahmen z. B. bei Grad Celsius oder Minute).

Größen der Dimension Zahl haben die Maßeinheit Eins (Einheitenzeichen 1). Diesen Größen werden zur Verdeutlichung häufig zusätzlich Hilfsmaßeinheiten verliehen, beispielsweise Dutzend (für eine Stückzahl), Radiant (für ebene Winkel) oder Bel (für logarithmierte Verhältnisse). Für Anteile der Maßeinheit 1 sind z. B. % (Prozent), ‰ (Promille) oder ppm (Millionstel) gebräuchlich.

Einheitenzeichen

Einheitenzeichen werden stellvertretend für die Einheitennamen verwendet. Sie sind meistens lateinische Buchstaben, aber auch griechische Buchstaben oder sonstige Zeichen. Für alte Maßeinheiten waren auch Einheitenzeichen gebräuchlich, die keinem Alphabet angehören. Einheitenzeichen werden nicht kursiv gesetzt – auch dann nicht, wenn der umgebende Text kursiv ist. Bei Maßangaben steht zwischen der Zahl und dem Einheitenzeichen ein Leerzeichen; eine Trennung durch Zeilenumbruch ist zu vermeiden.

Zahlenwerte sollen gemäß DIN 1301 zwischen 0,1 und 1000 liegen. An Stelle größerer oder kleinerer Werte sollen Vorsätze für Maßeinheiten verwendet werden. (Vorsätze werden beim Kilogramm ausnahmsweise nicht vor das kg, sondern vor das g (Gramm) gesetzt, z. B. mg für Milligramm mit .)