Контакты jokoil@mail.ru КАРТА САЙТА English

Энергодинамическая система физических величин и понятий

(ЭСВП)


Не смешивать с СИ, унифицирующей ЕДИНИЦЫ измерений (разъяснение).

На Главную

Кому и зачем это нужно?

СТУДЕНТАМ на ЗАМЕТКУ

Разъяснение основных терминов

Формы и виды энергии

Условия успешной систематизации

Классификация физических систем

Основная идея системы

Таблицы физических величин

В чем новизна сайта?

     Формы и виды движения

     Подробно об угле поворота

     О движении тела по орбите

     Систематизация величин         силовых полей

     Систематизация величин         колебаний и волн

     Новая единица         температуры

     Обобщение явлений         переноса

     Критерии подобия всюду

     Альтернативные взгляды         на проблемы метрологии


Системный подход в экономике

История проблемы
систематизации величин


Учить физику по-новому!

Учебно-наглядные пособия


Каталог ссылок

Обновления на сайте

Шутки на тему сайта


Oб авторе проекта

Коган И.Ш.

Каким должен быть комплект естественных основных величин?

СОДЕРЖАНИЕ.
1. Комплект естественных основных величин.
2. Последовательность перечисления естественных основных величин.
3. Свойства естественных основных величин.
4. Почему количество объектов также является естественной основной величиной?
5. О размерностях и единицах величин, характеризующих заряд.
6. Комплект естественных основных величин соответствует современным представлениям.
7. Отличие естественной системы величин от Международной системы величин ISQ.


ПРИМЕЧАНИЕ: Для получения краткой справки по поводу недостаточно ясных, редко применяемых или введенных автором сайта терминов пройдитесь по ссылке Предметный указатель (от А до О и от П до Я), а по поводу примененных обозначений – по ссылке Символьный указатель (латинские буквы и греческие буквы).

1. Комплект естественных основных величин.

Основные требования, предъявляемые к величине, для того, чтобы ее можно было считать естественной основной величиной, зависят от того, рассматривается ли система величин или система единицы измерения. Различие между системами величин и системами единиц описывается в отдельной статье, а также в статье И.Когана (2011).

Комплект основных единиц СИ, как и комплект основных единиц любой системы единиц, должен соответствовать комплекту основных величин, в настоящее время - комплекту международной системы величин ISQ. Но фактически всё обстоит наоборот, комплект основных величин ISQ в точности соответствует комплекту основных единиц СИ, в полном противоречии с принципом причинности. Но в СИ основные единицы могут выбираться условно, исходя из практических соображений. В результате в комплекте основных величин ISQ появились такие величины, которые имеют определяющее уравнение, например, сила тока, количество вещества, чего быть не должно. Выход из этой противоречивой ситуации видится в том, чтобы создать систему естественных основных величин, определяемых законами природы, а не постановлениями Международных конференций.

Естественные основные величины характеризуют 5 категорий, описывающих понятие “материя“:
1. Сама материя, количественной характеристикой которой является энергия.
2. Основное свойство материи - движение, являющееся вращательным.
3. Вместилище движущейся материи - пространство.
4. Свойство, определяющее последовательность событий, - время.
5. Количество считаемых величин, представляющих собой материальные объекты, заполняющие пространство.

В круглых скобках в ячейках схемы указаны символы размерностей естественных основных величин, положенных в основу системы величин, соответствующие этим пяти категориям. В системе величин ISQ основных величин больше за счет копирования набора основных единиц СИ.

Материальные объекты, заполняющие пространство, составляют в совокупности среду. Материя отдельной Вселенной, согласно теории структурного строения материи, состоит из встроенных друг в друга уровней, в которых свойства материальных объектов различны. Теория структурного строения материи, называемая сокращенно уровневой физикой, развита в конце ХХ века. Наиболее полно она представлена в обобщающих работах О.Бондаренко (2005) и В.Пакулина (2012).

Наименьшмй материальный объект любого уровня структуры материи можно назвать элементарным (единичным) зарядом. Объединяясь элементарные заряды образуют физическую систему, обладающую зарядом системы. Наличие различных физических систем с различными зарядами создает неравновесное состояние среды. Систему уравнений, описывающих это состояние, называют физическим полем.

На каждом уровне структуры материи структурные элементы среды характеризуются различными значениями энергии, поэтому характеристики элементарных зарядов являются для каждого уровня его фундаментальными константами. Например, такие константы, как масса и заряд электрона, характеризуют структурный элемент среды на уровне "Вещество".

2. Последовательность перечисления естественных основных величин.

Последовательность перечисления естественных основных величин в комплекте основных величин, показанная на схеме, продиктована структурным строением материи, в основу которого положена современная космология (теория Черных дыр и Белых дыр). При движении материи в результате флуктуаций появляется вращательное движение (вращение), в результате которого появляются вихревые объекты, характеристикой которых является угол поворота вихря вокруг собственной оси. Вихревые материальные объекты становятся элементарными зарядами каждого уровня, а их оболочки образуют физические поля на данном уровне.

Прямолинейное движение вихря является его движением по криволинейной траектории (орбите), радиус кривизны которой стремится к бесконечности. При конечном значении радиуса кривизны его поворот относительно центра кривизны орбиты характеризуется угловым перемещением с той же размерностью, что у угла поворота.

Поля заряженных систем взаимодействуют друг с другом, но это взаимодействие оценивается уже производной величиной, размерность которой состоит из размерностей естественных основных величин. Поэтому наличие такого субъекта, как "заряд", в составе основных величин не обязательно. Однако его отсутствие приводит к появлению в размерностях и единицах производных величин дробных показателей степеней (см. п. 5 статьи). Поэтому условное включение заряда в набор основных величин оказывается удобным средством для упрощения записи размерностей и единиц. Но забывать о том, что заряд является производной, то есть условной основной физической величиной, нельзя.

Для подсчета количества материальных объектов среды становится необходимой пятая естественная основная величина - число структурных элементов однородной системы (оно же количество сущностей, number of entities, количество считаемых величин). На этом список естественных основных величин заканчивается.

Последовательность расположения символов размерностей естественных основных величин в формуле размерности может быть любой, у нас она такова: Е, L, А, С. Что касается символа размерности времени Т, то его следует ставить в конце формулы размерности, так как изменениям во времени подвержены все первые в этом списке физические величины. В итоге система естественных основных величин может читаться, как ЕLАСТ-система.

3. Свойства естественных основных величин.

Энергия является главным свойством материи. Энергия может быть как скалярной, так и векторной величиной. Символом размерности энергии принята буква Е. Добавим, что в работе по физической экономике Д.Конторова и др. (1999) сказано: "Экономика имеет две основные меры: энергию и деньги, вообще говоря, сводимые". Экономика – наука социальная, построенная на категориях социального общества, из приведенной фразы можно сделать вывод о том, что энергия – основная величина не только для неживой природы, но и для социальных обществ. В деталях этот вопрос рассмотрен в отдельной статье.

Энергия в современной физике считается скалярной величиной, поскольку характеризует материю количественно. Однако движущаяся материя имеет направление, следовательно, энергию можно рассматривать и как векторную величину. При такоой трактовке понятие "энергия" ничем не отличается от понятия "движение". Поэтому движение можно считать синонимом энергии, то есть физической величиной. Подробнее об этом в статье о движении, как о физической величине.

Движение материи по своей природе является вращением вихрей. Вращение вихря характеризуется углом поворота, как при кольцевом, так и при торообразном вращении. Значение собственного вращения отдельного вихря и направление его вращения характеризуются угловым моментом, а, следовательно, и углом поворота, оцениваемого плоским углом. О необходимости признания плоского угла основной велиной с присвоением ему символа размерности А говорили многие авторы (Г.Кортум, 1972, Дж.Винанс, 1976, П.Мурдок, 1978, Р.Штиллер, 1978, Л.Барброу, 1978, В. Эдер, 1982, А.Торренс, 1986, Е.Оберхофер, 1992, К.Броунштейн, 1997). И.Коган (2007) предложил в набор основных физических величин включить угол поворота, а плоский угол считать численным значением угла поворота.

Прямолинейное движение материальных объектов происходит в пространстве. Количественно оно характеризуется линейным перемещением, оцениваемым единицами длины. А темп движения характеризуется временем. Необходимость включения в комплект основных величин длины и времени дополняющих разъяснений не требует. О количестве считаемых величин, как основной величине, следует сказать подробнее.

4. Почему количество объектов должно являться естественной основной величиной?

Уровневое строение материи показывает, что переход от более высокого уровня к более низкому характеризуется тем, что материальные объекты, более энергичные, меньшие по размерам и с большими угловыми скоростями вращения, объединяются в объекты, менее энергичные, большие по размерам и с меньшими угловыми скоростями вращения.

Каждый уровень структуры материи характеризуется минимальными (граничными) значениями характеристик материальных объектов данного уровня, воспринимаемыми как фундаментальные физические константы. Материальный объект с такими граничными значениями воспринимается как неделимый структурный элемент данного уровня. Он и является единичным объектом на любом структурном уровне. Все материальные объекты любого уровня состоят из целого числа структурных элементов или количества считаемых величин (символ размерности С).

При уменьшении значений характеристик единичных материальных объектов ниже значений фундаментальных физических констант данного уровня материальные объекты переходят на более высокий иерархический уровень с другими значениями фундаментальных физических констант. Это схематично изображено на странице, посвященной уровневому строению материи. Однородность структурных элементов лежит в основе законов сохранения элементарных частиц, например, в основе закона сохранения электрического заряда.

Всё сказанное выше является обоснованием того, что естественной системой величин должна быть ЕLАСТ-система величин. Такая система величин названа нами энергодинамической, поскольку в ее основе лежат энергия и движение. О том, как эта проблема рассматривалась в физике в разные периоды времени, детально рассказывается в разделе “История проблемы систематизации“.

5. О размерностях и единицах величин, характеризующих заряд.

Все величины, в размерность которых входит в первой степени размерность заряда системы Q, являются величинами первого порядка (см. статью И.Когана, 2011, п.8 и 9). По отношению к ним в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона и законом Кулона, в которых присутствует произведение двух зарядов системы, энергия и длина являются величинами второго порядка. Поэтому заряд системы по отношению к энергии и длине является производной величиной, размерность которой Q = E1/2L1/2. Деление физических величин на величины первого и второго порядка и объясняет причину появления дробных степеней показателей размерностей.

Размерность элементарного (единичного) заряда (например, электрона в электрическом заряде системы) равна E1/2L1/2С-1, где размерность С относится к количеству элементарных зарядов в заряде системы. Это соответствует единицам Дж1/2 м1/2 для заряда системы и Дж1/2 м1/2 шт-1 для единичного заряда. Вместо единицы штука можно поставить единицу cnt (от count - считать), хотя название этой единицы пока находится в состоянии обсуждения.

Включение заряда системы Q в комплект основных величин условно, оно не обязательно. Просто если заряд системы не ввести в систему величин в качестве условной основной величины, то размерности энергии и длины в величинах второго порядка, будут иметь в формулах размерности дробные показатели степени с числом 2 в знаменателе. Это и имело место в системе единиц СГС у всех электромагнитных величин. Некоторые ученые (к ним относится и такой известный физик, как Зоммерфельд) называли дробные показатели в степени размерности неестественными, но это не так. Они неудобные, но вполне естественные. Единицу электрического заряда с помощью единицы электрического тока ввели в СИ именно для того, чтобы избавиться от неудобства.

6. Комплект естественных основных величин соответствует современным представлениям.

В основе выбора комплекта естественных основных величин лежит представление о движении материи, как о механическом движении материальных объектов на любом уровне структуры материи.

Согласно современным представлениям для замкнутых систем (см. классификацию физических систем) существуют особые функции координат и скоростей, называемые интегралами движения, характеризующие физическую систему в целом. Среди них выделяют три особых интеграла движения, обладающих свойством аддитивности. Под этим свойством понимается то, что значение интеграла движения для всей системы равно сумме значений интегралов движения для каждой из частей системы. Эти три аддитивных интеграла движения называются энергией, импульсом и моментом импульса, они сохраняются неизменными.

В основе сохранения энергии E лежит однородность времени Т, характеризуемого длительностью процесса движения. В основе сохранения импульса лежит однородность пространства, характеризуемого протяженностью L. В основе сохранения момента импульса лежит изотропия пространства, понимаемая в том смысле, что поворот системы, характеризуемый углом поворота А, не отражается на свойствах системы. Поэтому эти четыре физические величины с размерностями Е, А, L и Т являются естественными основными величинами. В статье, посвященной законам сохранения, показано, что базовым является закон сохранения энергии. Закон сохранения импульса и закон сохранения момента импульса вытекают из закона сохранения энергии в качестве частных случаев.

7. Отличие естественной системы величин от Международной системы величин ISQ.

В Международную систему величин ISQ (см. Международный словарь JCGM 200:2012) наряду с естественными физическими величинами включено 5 условных основных величин. Это масса, электрический ток, термодинамическая температура, сила света и количество вещества.

В частности, сила света является производной величиной от энергии. Электрический ток введен вместо электрического заряда потому, что его удобно измерять. А введение в качестве основной величины количества вещества с единицей моль является просто ошибкой

Напомним, что введение в систему величин любой производной величины в качестве условной основной разрешается существующим стандартом. Лишь бы было удобно и экономично измерять и создавать измерительные эталоны. На этом построена вся практическая метрология. В отличие от систем единиц системы естественных величин в наличии измерительных эталонов не нуждаются.

Литература

1. Бондаренко О.Я., 2005, Уровневая физика. Что это? – Сборник статей, Бишкек, 96 с.
2. Коган И.Ш. 2011, Природа размерности и классификация физических величин. – “Законодательная и прикладная метрология, 4, с.с. 40-50.
3. Конторов Д.С., Михайлов Н.В., Саврасов Ю.С., 1999, Основы физической экономики. (Физические аналогии и модели в экономике.) – М.: Радио и связь, 184 с.
4. Пакулин В.Н., 2012, Структура материи. Вихревая модель микромира. – СПб, НТФ "Истра", 120 с.
5. JCGM 200:2012 International vocabulary of metrology – Basic and general concepts and associated terms (VIM). 3rd ed. 2008 version with minor corrections. URL: http://www.bipm.org/utils/common/documents/jcgm/JCGM_200_2012.pdf,
6. Русский перевод JCGM 200:2008: Международный словарь по метрологии. Основные и общие понятия и соответствующие термины. - Всерос. науч.-исслед. ин-т метрологии им. Д. И. Менделеева, Белорус. гос. ин-т метрологии. Изд. 2-е, испр. — СПб.: НПО «Профессионал», 2010. — 82 с. URL: http://mathscinet.ru/slaev/records/images/SlaevChun02.pdf
7. Barbrow L.E., 1978, Dimensionally correct units for rotation. Mech. Eng., 100, 129
8. Brownstein K.R., 1997, Angles—let’s treat them squarely. Am. J. Phys., 65, 605–614
9. Eder W.E., 1982, A viewpoint on the quantity “plane angle“. Metrologia, 18, 1–12
10. Kortum H., 1972, Bemerkungen zu den Masseinheiten in Rotationssystemen. Feingeratetechnik, 21, 518-519
12. Murdoch Р., 1978, Taking another look at the angle. Eng. Educ. News, 5, No. 6, 2
13. Oberhofer E.S., 1992, What happens to the “radians“? Phys. Teach., 30, 170–171.
14. Stiehler R.D., 1978, Getting the right angle. Eng. Educ. News, 5, No. 2, 2
15. Torrens A.B., 1986, On angles and angular quantities. Metrologia, 22, 1–7
16. Winans J.G., 1976, Definitions and units in mechanics. Found. Phys., 6, 209-219


© И. Коган Дата первой публикации 01.06.2009
Дата последнего обновления 12.01.2016

Оглавление раздела Предыдущая Следующая