القياس ( Measurement )
☰ جدول المحتويات
 |
يستخدم الناس أدوات القياس من مختلف الأنواع يوميا. تشمل هذه الأدوات الساعات لمعرفة الوقت، ومقاييس الحرارة لمعرفة درجة الحرارة، والموازين لوزن الأشياء، والمساطر لقياس الطول. |
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 40كجم. وبالطريقة نفسها، يستطيع نجار أن يطلب بابًا يبلغ عرضه 76سم، وهو يعلم أنه يناسب المكان المخصص له في البيت.
تناقش هذه المقالة كيفية ابتكار القياسات، وتطوّر بعض وحدات القياس المهمة. ★ تَصَفح: الأوزان والمقاييس.
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 هو النظام العالمي للوحدات. ★ تَصَفح: النظام المتري.
 |
عمل القياس .يتم العديد من القياسات التي نقوم بها بمقارنة الشيء المراد قياسه بوحدات أداة القياس. ولكن عدداً قليلاً من الأشياء يمكن قياسها بعدد متساوٍ من هذه الوحدات. وللحصول على قياس دقيق لا بد من استخدام أجزاء الوحدة. فالصورة (على اليسار) مثلاً تبيِّن أن قياس طول القلم مابين 17 و18 سم. وبما أنه أقرب إلى 18سم منه إلى 17 سم، فنستطيع القول إن طوله 18سم ولكن الصورة (على اليمين) تبين أنّ طول القلم أقل من 18سم. والقياس الدقيق لطول القلم هو 17,7 سم. |
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. ★ تَصَفح: 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.
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.
 |
الذراع: واحد من أقدم وحدات الطول التي استخدمها القدماء. ويساوي المسافة من مرفق الانسان إلى رأس أصبعه الوسطى. |
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 أقدام ياردة، 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
 |
الميزان: لمقارنة وزن شيء بوزن شيء آخر. طور المصريون القدماء الميزان ليزنوا القمح. |
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
 |
ساعة الظل: أرشدت المصريين القدماء إلى عدد الساعات قبل وبعد الظهيرة. وكان عليهم إدارتها عند الظهيرة يوميًا. |
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
 |
المكشاف الحراري: أول نبيطة تبين درجة الحرارة. جرب جاليليو وأوروبيون آخرون مثل هذه النبائط في نهاية القرن السادس عشر الميلادي. |
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.
القياس غير 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. ★ تَصَفح: مسح الأراضي ؛ حساب المثلثات. ويقيس الفلكيون أيضًا المسافة بين القمر والنجوم بطريقة غير مباشرة. ★ تَصَفح: علم الفلك.