قياس (فيزياء)
القياس (بالإنجليزية: Measurement) عملية قرن الأعداد بالكميات الفيزيائية أو الظواهر. أو هو طريقة لمعرفة عدد وحدات القياس الموجودة في شيء ما. وهذه الوحدات تشمل الأمتار والجرامات والساعات.
والقياس أساسي للعلوم والهندسة والإنشاء والمجالات التقنية الأخرى وفي كل الفعاليات اليومية تقريبا. ولهذا السبب درست العناصر والشروط والقيود لكل وسائل القياس المختلفة.
علم القياس في الفيزياء هو تقنية استخدام آلات وأساليب لتحديد (قياس) قيم فيزيائية معينة مثل الطول أوالوزن أوالقوة أوالضغط أوالتيار الكهربائي أوالحرارة أو الوقت.
من الناحية العلمية، يتم تقدير الشيء المراد قياسه (أي إعطاءه قدر معين) حسب إطارات معينة يتم تحديدها مسبقا. فعلى سبيل المثال، يتم استخدام المتر لتحديد المسافة، والجرام لتحديد الكتلة. يضم علم القياس مجالات عديدة أهمها: أنظمة القياس وأساليبه، بالإضافة إلى تحديد المقياس، وتصحيحه من الأخطاء التي تنتج عن تأثيرات معينة غير مرغوب فيها، ويتم تحديد مقدار الخطأ في أجهزة القياس المختلفة عن طريق المعايرة (علم قياس)
يُعد القياس واحدًا من أقدم مهاراتنا. تبدأ العديد من الأسئلة التي يسألها الناس يوميًا بأداة الاستفهام (كَمْ)، فقد يسأل شخص صديقه: كم أخًا وأختًا لك؟ أو كم وزنك؟ وتستخدم الأعداد للإجابة عن كلا السؤالين. نجيب عن السؤال الأول بالعدد وعن الثاني بالوزن. فكل طفل في العائلة يعد ولايقاس، كفرد من أفرادها. ولكن وزن الشخص يقاس، ويتم هذا باستخدام الميزان.
وما من شخص تقريبًا إلا ويستخدم القياس يوميًا، بما في ذلك الطعام الذي نأكله والملابس التي نرتديها والعمل الذي نقوم به والعديد من الألعاب التي نلعبها. ومثلاً، نشتري اللحم بالكيلو جرام والأقمشة بالأمتار وندفع أجور كثير من العمال بالساعة ويفوز بالسباق العداء الذي يجري مسافة 100م في أقصر زمن.
يستخدم الناس القياس ليساعدهم علي فهم بعضهم بعضًا والعمل معًا بيسر. فقد يكتب ولد ما إلى آخر يعيش بعيدًا عنه واصفًا نفسه بأنه طويل وثقيل الوزن. وكان الأفضل أن يصف نفسه فيشير إلى أن طوله 137سم، ووزنه 40 كجم. وبالطريقة نفسها، يستطيع نجار أن يطلب بابًا يبلغ عرضه 76سم، وهو يعلم أنه يناسب المكان المخصص له في البيت.
أنواع القياس
يستخدم هذا الأسلوب لتحديد المقاييس التي يصعب تحديدها كمّيا. هنا يتم استخدام المحاكاة للقيمة الأصلية، ليتم إظهارها عبر قيم قياسية أخرى يمكن ضبطها. مثالا على ذلك: الميزان الزنبركي لقياس الوزن مع وجود سلّم قيم عليه بالميليمتر. يتطلب استخدام هذا الميزان وجود قطع وزن محددة للقيام بالمقارنة.
القياس بالانحياز عن الصفر
هنا يتم مسبقا ضبط قيمة قياسية معروفة، بحيث أن يكون الفرق بينها وبين القيمة المراد قياسها، صفر. مثالا على ذلك: «الميزان ذو كفين» مع وجود وحدة لإظهار عزم الدوران الناتج عن الثقلين المتواجدين في كلا الكفّين. يتم هنا استخدام طقم أثقال لتحاكي ثقل الجسم المراد قياسه. يستخدم هذا الأسلوب لتحديد المقاييس التي يصعب تحديدها كمّيا. هنا يتم استخدام المحاكاة للقيمة الأصلية، ليتم إظهارها عبر قيم قياسية أخرى يمكن ضبطها. مثالا على ذلك: الميزان الزنبركي لقياس الوزن مع وجود سلّم قيم عليه بالميليمتر. يتطلب استخدام هذا الميزان وجود قطع وزن محددة للقيام بالمقارنة
القياس المباشر وغير المباشر
يمكن قياس العديد من الأشياء بمقارنتها مباشرة بـأدوات القياس. ولكن نقوم ـ أحيانًا ـ بالقياس بشكل غير مباشر بسبب تعذر أو استحالة القياس مباشرة. فلتحديد كمية الماء في حوض للسباحة، نستطيع إيجاد حجمه بالوحدات المكعبة عن طريق قياس الطول والعرض والعمق. وهذه الطريقة غير المباشرة المتضمنة بعض الحسابات ـ أسهل وأسرع من تفريغ كل مياه الحوض باستخدام وعاء القياس.
ويقيس المسّاحون المسافات الشاسعة بطريقة غير مباشرة. فهم يقيسون الزوايا ثم يطبقون بعض المبادئ الرياضية مثل حساب المثلثات. انظر: مسح الأراضي. ويقيس الفلكيون أيضًا المسافة بين القمر والنجوم بطريقة غير مباشرة. انظر: علم الفلك.
القياس المباشر
في القياس المباشر يتم مقارنة قيمة القياس بطريقة فورية بواسطة سلّم للقياس أو نقطة نظام معيّنة. من الأمثال البسيطة عن استخدام القياس المباشر: إلقاء مسطرة على الطول المراد قياسه وقراءة الطول عنها بعد مقارنة طول الجسم بها. هذا النوع من القياس يحتوي دائما على خطأ قياس معين لا يمكن تفاديه في أغلب الأحيان.
القياس غير المباشر
يستخدم هذا النوع من القياس عند وجود صعوبات معينة تجعل استخدام القياس المباشر غير ممكنا. مثالا على ذلك، قياس بعد القمر عن كوكب الأرض، حيث نرى هنا استحالة استعمال القياس المباشر بواسطة شريط مقياس. فلقياس هذا البعد، نستخدم هنا سرعة ارتداد الموجات الضوئية أو الإذاعية التي يعكسها القمر، مما يمكننا اليوم من حساب بعد القمر عن الأرض مع نسبة خطأ لا تتعدى بضع ميليمترات.
كيف تتم القياسات
يتضمن كل قياس شيئين: 1- العدد 2- الوحدة. والعدد في حد ذاته ليس قياسًا. فليس هناك من معنى لقولنا أن طول العصا 6، فلن يعرف أحد أن طول العصا 6سم أو 6م. ولكن يصبح القياس ذا معنى إذا وصف أحد العصا بأن طولها 6سم.
أنظمة القياس
للقياس نظامان رئيسيان: 1- النّظام الإمبراطوري، 2- النظام المتري. وترتبط وحدات القياس في كل نظام بعضها مع بعض.
بدأ النظام الإمبراطوري حوالي القرن الثالث عشر الميلادي، بالرغم من أنّ وحداته ترجع إلى فترة مبكرة عن ذلك. وتسْتَخِدم معظم الأمم ـ والعلماء ـ النظام المتري. والاسم الرسمي لهذا النظام هوالنظام العالمي للوحدات.
أدوات القياس
اخترع الناس أدوات للقياس كالساعة والموازين وشريط القياس ومقاييس الحرارة ونبائط أخرى للحصول على قياسات دقيقة. ويتضمن القياس بالأدوات مقارنة الشيء أو الحادث المراد قياسه بالوحدات المُبينة على الأداة. فمثلاً، بوضع مسطرة إلى جانب قلم سيتبين عدد السنتيمترات والمليمترات المساوية لطول القلم.
وتتضمن معظم القياسات قراءة نوع من المقياس. والمشكلة أنه مهما بلغ عدد التقسيمات الجزئية للمقياس فإن الشيء المراد قياسه قد يقع غالبًا بين اثنتين من هذه التقسيمات، ونتيجة لذلك يبقى أي قياس تقريبًا، ومهما بلغت دقة القياس فلن يتطابق تمامًا مع أداة القياس. فبدون عدسات مكبرة ـ على سبيل المثال ـ يبقى قياس المسطر ة دقيقًا لأقرب نصف مليمتر. وباستخدام جهاز يدعى الفرجار الميكرومتر يمكن الحصول على قياسات لأقرب واحد إلى خمسين مليمترًا. انظر: الميكروميتر.
تشمل أدوات القياس نبائط كثيرة ومتنوعة. فالعدادات تقيس كميات مثل عدد ليترات البترول أو عدد الأمتار المكعبة من الغاز الطبيعي. ويقيس عداد الكيلو واط ـ ساعة كمية الكهرباء. ويقيس عداد السرعة سرعة السيارة أو المركبات الأخرى، ويسجل عداد المسافات المسافة التي تقطعها المركبة، وتقيس أجهزة أخرى حجم مواد كالنفط ـ مثلاً ـ الذي يقاس بالبراميل.
بعض من المقادير الفيزيائية وآلات قياسها
الزمن : يتم تحديده للاستخدام التقني بواسطة الميقاتية.
التوتر أو الجهد الكهربائي: يتم قياسه بواسطة آلة الفولتمتر.
التيار أو الجريان الكهربائي : يتم قياسه بواسطة مقياس غلفاني Galvanometer.
درجات الحرارة: يتم قياسها بواسطة المِجَرّ (ميزان الحرارة) أو بواسطة مزدوجة حرارية.
الرطوبة (رطوبة الهواء، النسبية، المطلقة): يتم قياسها بواسطة مرطاب قياس الرطوبة Hygrometer.
الطول/المسافة/العمق: يتم قياسها بواسطة أدوات قياس البعد.
السرعة: يتم قياسها بواسطة عداد السرعة Speedometer.
الضغط: بواسطة مقياس الضغط، أو الباروميتر، أو بواسطة شريط التواء Jauge de déformation.
القوة: بواسطة Kraftaufnehmer.
الزخم: بواسطة آلة قياس التدفق Mass flow meter.
مستوى الصوت: بواسطة آلة قياس ارتفاع الموجات Schallpegelmessgerät.
قوة الإضاءة: اللكس-متر لقياس الوحدات الضوئية.
القوة المغناطيسية: بواسطة مغناطومتر، وهناك السكويد لقياس القيمة والاتجاه لقوة مغناطيسية بشكل دقيقSQUID.
قياس الحجم والحيز
يتضمن قياس حجم الأشياء أو الحيز ثلاثة أنواع ذات صلة بالقياس: 1-الطول أو المسافة. 2-المساحة. 3- الحجم. فالطول أو المسافة قياس البعد بين نقطتين، مثل البعد بين مدينتين أو البعد بين نهايتي قلم رصاص. والمساحة قياس مدى سطح، مثل سطح أرضية الغرفة أو الحقل. أما الحجم، فقياس الحيز الذي يشغله المجسم، مثل الصندوق أو الغرفة.
الطول والمسافة
قاس القدماء أطوال الأشياء، مثل أطوال الحيوانات، بمقارنتها بطول شيء معين كالعصا. وطورت عدة حضارات قديمة أنظمة القياس المبنية على وحدات تمثل طول جزء معين من جسم الإنسان. فالوحدة التي تسمى الذراع كانت تمثل طول ساعد الإنسان من المرفق إلى رأس إصبعه الوسطى. ووجد علماء الآثار في مصر قطعًا خشبية وألواحًا حجرية تمثل الذراع يرجع تاريخها إلى 3000 ق.م.
وبنى القدماء وحدات أخرى على أساس القياسات الجسدية. فاستخدم الرومان الوحدة أنسيا والتي كانت تعادل عرض الإبهام، واشتقت الكلمة الإنجليزية إنش من تلك الكلمة. وتساوي 12 بوصة قدمًا، والذي يساوي تقريبًا طول قدم رجل. وتساوي ثلاثة أقدامياردة، وكانت تساوي حوالي المسافة من أنف الرجل إلى رأس إصبعه الوسطى وذراعه مشدودة.
ولكن وحدات القياس، التي بُنيت على قياسات الأشخاص، لم تعُد صالحة بسبب اختلاف قياساتهم. وتتكون أنظمة القياس الحديثة من وحدات مبنية على مـعايير قياسـية اتٌّفِق عليها مـن قبل مستخدميها. وتستـخدم الأنظمة المترية المتر معـيارًا لقياس الطول. وعرَّف العلماء المتر بأنه المسافـة التي يقطــعها الضوء في مكان مفرغ خلال 1/299,792,458 من الثانية. وتساوي هذه المسافة نحو 39 بوصة وثلث البوصة. ولهذا نجد أَن أدوات القياس في جميع أنحاء العالم كالمساطر لها وحدات القياس المعيارية نفسها.
والوحدات العامة للطول في النظام الإمبراطوري هي حسب ترتيبها التصاعدي: البوصة والقدم والياردة والميل، أما الوحدات العامة للطول في نظام القياس المتري فهي: المليمتر، والسنتيمتر، والديسيميتر، والمتر، والكيلومتر.
المساحة
لا يمكن معرفة مساحة سطح بالطول وحده. فقياس المساحة يتطلب كلاً من الطول والعرض. فقد يكون طول غرفة 4م، ولا يعطي هذا القياس أي فكرة عن مساحة هذه الغرفة، ويرجع ذلك إلى أن للغرفة عرضًا أيضًا. فإذا كان عرض الغرفة 3م. فبضـرب 4× 3 نحصل على مساحة أرضية الغرفة وتساوي 12م². والمتر المربع هو المساحة المغطاة بمربع طول كل ضلع فيه متر واحد.
وليس ضروريًا أنْ تكون المساحة على شكل مربع لقياسها، إذ يمكن إيجاد أي مساحة بإيجاد عدد المربعات اللازمة لتغطيتها. وتشمل وحدات قياس المساحة في النظام الإمبراطوري، البوصة المربعة، والأقدام المربعة، والياردات المربعة، والأميال المربعة. ويستخدم النظام المتري السنتيمترات المربعة بالإضافة إلى الأمتار المربعة. وبعض وحدات المساحة لا تتضمن كلمة مربع كالهكتار مثلاً.
الحجم
لا تعطي مساحة مجسم حجمه الكلي، أي حجم الحيز الذي يشغله. فقد صُمِّمَ العديد من قياسات الحجم بوحدات مكعبة. والوحدة المكعبة هي حجم مكعب أبعاده تساوي وحدة طول. فحجم المكعب الذي طول كل من أبعاده متر واحد هو متر مكعب.
ولنفرض أن مهندس تكييف أراد إيجاد حجم غرفة أبعادها 12م و10م وارتفاع سقفها عن أرضيتها 3م. يستطيع المهندس أن يملأ الغرفة بصناديق حجم كل منها م§، وبِعَد الصناديق يحصل على حجمها. وبما أن مساحة أرضية الغرفة 120م²، فإننا نحتاج إلى 120 صندوقًا لتغطيتها. ونحتاج إلى طبقتين إضافيتين لملء الغرفة، تتكون كل طبقة من 120 صندوقًا. وعليه يحتاج المهندس لثلاثة أضعاف 120 صندوقاً حجم كل منها م§، أو 360 صندوقًا، لذا فإن حجم الغرفة 360م§.
وتُعد السعة من أهم استخدامات قياس الحجم وهي كمية المادة التي يسعها الوعاء. وتُباع العديد من المنتجات بمقياس السعة، فيباع ـ مثلاً ـ الحليب باللتر أو الباينت. وبالرغم من أن هذا المقياس للسعة لا يستخدم كلمة مكعب إلا أنه مبني على مقياس المكعب. والوحدة الأساسية للحجم في النظام المتري هي الديسيمتر المكعب، والمعروف باسم اللتر.
قياس الوزن
لقياس الوزن (الثقل) عدد من الاستخدامات المهمة، إذ يشترى أو يُباع بالوزن العديد من المنتجات العامة. فالأسواق المركزية تبيع معظم منتجاتها بالوزن، بما فيها الزبدة والقهوة واللحوم والفواكه الطازجة والخضراوات. وتدخل في صناعة العديد من الصناعات مواد تقاس بالوزن كصناعة الزجاج والحديد وإنتاج الكيميائيات.ولقياس الوزن ثلاثة أنظمة في النظـــام الإمبراطوري: 1- الموازين الصيدلانية. 2- وزن أفْوارْديبْوا. 3- وزن تروي.
وقد نتج عن هذه الأنظمة خلط بسبب استخدامها التسمية نفسها للكثير من وحداتها، مع أنها مختلفة في أوزانها وعدد وحداتها الجزئية. فرطل أفوارديبوا يساوي 16 أوقية أفوارديبوية، ويساوي كل من رطل الموازين الصيدلانية أو التروي 12 أوقية أفوارديبوية وهي أقَل قليلاً من أوقية الموازين الصيدلانية أو التروي.
ويُعرف وزن الجسم بأنه مقدار قوة جذب الأرض لكتلة (كمية مادة) ذلك الجسم. ولذلك فالوزن والكتلة بينهما علاقة، إذ تدل وحدات الكتلة الجرام والكيلو جرام في النظام المتري على وزن الجسم، وتُستخدم لهذا الغرض. والكيلو جرام يساوي 1,000جم.
وأقدم سجلات الموازين المعروفة تلك المدفونة في قبور المصريين القدماء التي يرجع تاريخها إلى نحو 40 قرنًا قبل الميلاد.
ومعيار القياس لجميع وحدات الكتلة في النظامين الإمبراطوري والمتري أُسطوانة من فلز البلاتين ـ الأيريديوم كتلتها تساوي تمامًا كجم واحد. وهي محفوظة لدى المكتب الدولي للأوزان والمقاييس في فرنسا.
قياس الزمن
عندما بدأ القدماء في قياس الزمن (الوقت)، بنوا قياسهم على: 1- التغيرات من النهار إلى الليل 2- الزمن بين اكتمال القمر والذي يليه 3- فصول السنة. وأصبحت مدد الأزمان الثلاثة الأساس للأيام، والشهور، والسنوات.وفيما بعد طوّر الناس وحدات للزمن أقل من اليوم، فاستخدم البابليون المزوَلة لتقسيم الزمن بين شروق الشمس وغروبها إلى 12 جزءًا، والتي أطلق عليها فيما بعد مسمى الساعات. وأصبحت أجهزة الساعات في القرن الثامن عشر الميلادي من الدقة بحيث أمكن استخدامها لتحديد الزمن بوحدات أقل من الساعة، فقسمت الساعة إلى60 دقيقة، والدقيقة إلى 60 ثانية.
وتتزايد وتتناقص وحدات الزمن الأقل من الثانية أو الأطول من السنة بمقدار 10 وحدات. ويمكن تقسيم الثواني إلى عشرة أجزاء أو إلى مائة جزء. والعقْدُ حقبة زمنية تساوي 10سنوات، بينما القَرْنُ حقبة زمنية تساوي 100سنة.
أما المعيار القياسي للزمن فهو الساعة الذرية. وتقيس بعض هذه الساعات الزمن بدقة متناهية بحيث لا يزيد مقدار الخطأ (الزيادة أو النقصان) في دقتها على الثانية الواحدة خلال أكثر من 300 سنة. ويعتمد مبدأ عمل الساعة الذرية على حساب عدد الاهتزازات الناتجة عن ذرات عنصر السيزيوم. وتهتز هذه الذرات بمعدل 9,192,631,770 مرة في الثانية.
قياس الحرارة
تطوّر قياس الحرارة في وقت متأخر كثيرًا عن القياسات الأخرى. فقد طوّر العالم الإيطالي جَاليليو في نهاية القرن السادس عشر الميلادي واحدًا من أوائل مقاييس الحرارة. ويقارن مقياسه حرارة جسم بآخر. ولهذا فإن مقياس جاليليو ليس فعالاً كمقاييس الحرارة الحالية التي تقيس الحرارة بتدرج ثابت. وأكثر مقاييس الحرارة شيوعًا مقاييس الأنابيب الزجاجية المعبأة بالزئبق أو الكحول الملونة. ومع تغير درجة الحرارة، يتحرك مستوى السائل في داخل المقياس.
ولدرجة الحرارة تدريجان يستخدمان بشكل واسع هما:1- التدريج الفهرنهايتي 2- التدريج المئوي. وقد طوِّر كلاهما في بداية القرن الثامن عشر الميلادي. ويُعد التدريج المئوي جزءاً من النظام المتري. ويُستخدم من قبل معظم شعوب العالم والعلماء في كل مكان.
ويتجمد الماء ـ في التدرج الفهرنهايتي تحت ضغط جوي عادي ـ عند 32°م ويغلي عند 212°م. ويتجمد الماء ـ في التدريج المئوي ـ عند درجة الصفر ويغلي عند 100°. وسمي التدريج المئوي قديمًا بتدريج سَنْتِيجريد ويرجع ذلك إلى وجود مائة درجة بين درجتي تجمد الماء وغليانه. وتعني كلمة سنتيجريد التقسيم إلى 100 جزء. وعلى كل فقد سمي هذا التدريج رسميا باسم التدريج المئوي عام 1948م. ولا يوجد معيار قياس ثابت لدرجة الحرارة. وتستخدم عدة درجات لمعايرة مقاييس درجات الحرارة، ومنها درجة 0,01 مئوية، وهي الدرجة التي يكون فيها الماء في حالاته الثلاث، السائلة، والغازية والصلبة في آن واحد.
قياسات أخرى
يُطلق على وحدات قياس الطول والحرارة والزمن والكتلة،القياسات الأساسية. ويمكن ضمها لاشتقاق وحدات قياس أخرى تدعى القياسات المُشْتَقّة. فمثلاً، تقاس المساحة بضرب وحدة طول بأخرى لينتج عنها وحدة قياس مشتقة هي الوحدة المربعة.
وتضم بعض القياسات المشتقة اثنتين أو أكثر من القياسات الأساسية أو المشتقة. فقياس السرعة يضم وحدات الطول والزمن. وتدل وحدات مثل الأميال في الساعة أو الأمتار في الثانية على المسافة المقطوعة في زمن معين. ومن القياسات المشتقة الضغط الذي يقيس مقدار القوة المؤثرة على وحدة المساحة. وتشمل وحدات الضغط، الرطل لكل بوصة مربعة والباسْكال.
ويستخدم الناس في مجالاتهم المختلفة مئات القياسات المشتقة. فمثلاً، يقيس العلماء الكهرباء بعدة وحدات قياس مشتقة، حيث يقيس الفُولت القوة اللازمة لانسياب التيار الكهربائي، ويقيس الأوم مقدار المقاومة لانسياب التيار. ويقيس مهندسو الحرارة الطاقة الحرارية بالوحدة الحرارية البريطانية أو السعرات الحرارية. ويقيس مهندسو الإضاءة كمية الإنارة على سطح باللكس أو القدم ـ شمعة.
