الكميات الفيزيائية physical Quantities

الصفة الفيزيائية القابلة للقياس (أي التعبير عنها بالأرقام باستخدام أداة قياس معينة) تسمى كمية فيزيائية فقولنا مثلا (اللون) لا يعني كمية فيزيائية ، أما قولنا (شدة اللون) أو (طول موجة اللون) فهي كميات فيزيائية ؛ لأنها صفات يمكن أن نقيسها . وهناك نوعان من الكميات الفيزيائية هما :

1-1 الكميات الفيزيائية الأساسية Fundamental Physical Quantities

هي الكميات التي تكون معروفة بذاتها ، وتعرف بما تم الاصطلاح به عليها ، وهي لا تعرف بدلالة الكميات الفيزيائية الأخرى ولذلك تسمى أحيانا الكميات الفيزيائية غير المعرفة (Undefined) ، مثل : الكتلة . والمسافة . والزمن . وهذه هي الكميات الفيزيائية الأساسية في علم الميكانيكا فنقول إن الكتلة هي مقدار ما في الجسم من مادة ، فلم نعرفها بدلالة غيرها من الكميات وهناك كميات أساسية أخرى ، مثل : الشحنة ودرجة الحرارة وغيرهما .

1-2 الكميات الفيزيائية المشتقة Derived Physical Quantities

‏وهي الكميات التي يتم اشتقاقها من الكميات الأساسية ، وتعرف بدلالتها ، ولذلك تسمى أحيانا بالكميات المعرفة (Defined) ، مثل : السرعة والتسارع والقوة والشغل : فمثلا يعرف الشغل بأنه ناتج ضرب القوة في الإزاحة .

‏من الضروري أن نعلم أن قياس الكمية الفيزيائية يعني تحديد مقدارها بأداة القياس . والمقدار يعني رقما ووحدة قياس معيارية . ولذلك لا نكتفي بذكر رقم ليحدد مقدار كمية فيزيائية . فلا نقول ، مثلا ، إن كتلة الجسم تساوي 10 بل نقول كتلة الجسم تساوي 10 غرام ، أي أن كتلة الجسم تساوي (10) أضعاف كتلة الغرام المتعارف والمصطلح عليها . وكذلك الحال بالنسبة لجميع الكميات الفيزيائية المعرفة وغير المعرفة .

1-3 الوحدات الأساسية Fundamental Units

معظم الكميات الفيزيائية التي تستخدم في الفيزياء ، يمكن أن يتم ربطها بالكميات الأساسية الستة ، وهي الكتلة ، والمسافة ، والزمن ، وشدة التيار ، والشمعة ، ودرجة الحرارة . فمثلاً ، يقاس الشغل بوحدات الكتلة ، والمسافة ، والزمن ؛ لأن الشغل عبارة عن وحدة قوة في وحدة مسافة وينطبق القول نفسه على جميع الوحدات المشتقة ؛ لذلك من الضروري فقط أن يتفق العلماء على وحدات الكميات الأساسية الست هذه ، ليكون لدينا نظام متجانس من الوحدات . ولذلك اتفق علماء الفيزياء في مؤتمر المواصفات والمقاييس ، على استخدام نظام عالمي للوحدات يطلق عليه اسم نظام (SI) .

في هذا النظام المذكور ، تم اتفاق العلماء على استخدام وحدات المتر والكيلوغرام والثانية ، وتعرف هذه الوحدات بوحدات MKS ، أي بالعربية م . كغ . ث . وفي ما يأتي عرض مبسط لهذه الوحدات .

أ- المتر Meter : وهو وحدة طول ، يساوي 1560763.73 من طول موجة الضوء الأحمر المنبعث في الفراغ من نظير الكريبتون 86 عند درجة حرارة النقطة الثلاثية للنتروجين وتساوي ^°210-)) س .

ب- الكيلو غرام Kilogram : وهي وحدة الكتلة ، وهو يساوي كتلة ^3-10 متر مكعب (1لتر) من الماء المقطر في درجة حرارة °4+ س .

ج- الثانية Second : وهي وحدة الزمن ، وهي تساوي (86400/1) من معدل اليوم الشمسي ، ويمكن ربط قيمتها بخاصية ذرية ، فمثلاً جزئ الأمونيا (NH₃) له تركيب هرمي قاعدته من ثلاث ذرات هيدروجين ، وتقع ذرة النتروجين (N) عند قمة الهرم ، كما في الشكل (1) . ويوجد وضع مماثل لوضع ذرة النتروجين اسفل قاعدة الهرم ، وتتذبذب ذرة النتروجين بين الموقعين في فترة زمنية محددة . وعليه تعرف الثانية بأنها الزمن الذي تحتاجه ذرة النتروجين لتعمل 2.378588 x40¹⁰ ؟ ذبذبة بين الموضعين .

الشكل (1): تذبذب ذرة النتروجين بين موقعي اتزان في جزيء الأمونيا NH₃

بالإضافة إلى نظام MKS في النظام العالمي للوحدات ، فإن هناك نظاماً آخر . وهو نظام الوحدات الأصغر والمشتقة من هذا النظام ، وهو نظام CGS أي سنتمتر - غرام - ثانية .

وهناك الوحدات البريطانية للكميات الفيزيائية الأساسية في الميكانيكا ، وهذا النظام سائع الاستعمال في الهندسة الميكانيكية ، وهو نظام Foot-Slug-Sec فوحدة المسافة هي القدم ، ووحدة الكتلة هي Slug (وهي الكتلة التي اذا أثرت عليها قوة قدرها 1 باوند اكتسبت تسارعاً مقداره (1 قدم / ث2) ووحدة الزمن هي الثانية (Second) ووحدات قياس الطول في النظام البريطاني هي :

1 ياردة = 3 قدم                        1 yd = 3 ft

1 قدم = 12 بوصة                     1 ft = 12 in

1 ميل = 1760 ياردة                 1 mi = 1760 yd

         = 5280 قدم                     = 5280 ft

وتسهيلاً للتعبير عن الكميات الفيزيائية الكبيرة جداً ، فإننا نستخدم مقاطع (Prefixes) لتدل على أجزاء أو مضاعفات الوحدة ، كما يبين الجدول (1-1) الآتي :

وإليك بعض الأمثلة على استخدام المقاطع في التعبير عن المقادير الفيزيائية :

1-4 قياس الزوايا المستوية (فقرة إضافية) Plane Angles Measurement

‏هناك نظامان لقياس الزوايا هما : نظام الدرجات (degrees)) ونظام الزوايا نصف القطرية الـ " راديان " radians) .