19.1: Vitengo vya Msingi vya Umbali
- Page ID
- 176038
Malengo ya kujifunza
Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:
- Kuelewa umuhimu wa kufafanua kitengo cha umbali wa kiwango
- Eleza jinsi mita ilikuwa awali defined na jinsi imebadilika baada ya muda
- Jadili jinsi rada inatumika kupima umbali kwa wanachama wengine wa mfumo wa jua
Hatua za kwanza za umbali zilitegemea vipimo vya binadamu—inchi kama umbali kati ya knuckles kwenye kidole, au yadi kama span kutoka kidole cha index kupanuliwa hadi pua ya mfalme wa Uingereza. Baadaye, mahitaji ya biashara yalisababisha hali fulani ya vitengo hivyo, lakini kila taifa lilijaribu kuanzisha ufafanuzi wake mwenyewe. Haikuwa hadi katikati ya karne ya kumi na nane kwamba jitihada zozote halisi zilifanywa kuanzisha sare, seti ya kimataifa ya viwango.
Mfumo wa Metric
Moja ya urithi wa kudumu wa zama za Mfalme wa Kifaransa Napoleon ni kuanzishwa kwa mfumo wa metri ya vitengo, iliyopitishwa rasmi nchini Ufaransa mwaka 1799 na sasa hutumiwa katika nchi nyingi duniani kote. Kitengo cha msingi cha urefu wa urefu ni mita, awali iliyofafanuliwa kama moja ya milioni kumi ya umbali juu ya uso wa Dunia kutoka kwa equator hadi pole. Wanaastronomia wa Kifaransa wa karne ya kumi na saba na kumi na nane walikuwa waanzilishi katika kuamua vipimo vya Dunia, hivyo ilikuwa mantiki kutumia habari zao kama msingi wa mfumo mpya.
Matatizo ya vitendo yanapo na ufafanuzi ulioonyeshwa kwa ukubwa wa Dunia, kwa kuwa mtu yeyote anayetaka kuamua umbali kutoka sehemu moja hadi nyingine hawezi kutarajiwa kwenda nje na kupima tena sayari. Kwa hiyo, mita ya kati ya kiwango kilicho na bar ya chuma cha platinum-iridium ilianzishwa huko Paris. Mwaka 1889, kwa makubaliano ya kimataifa, bar hii ilifafanuliwa kuwa urefu wa mita moja, na nakala sahihi za bar ya awali ya mita zilifanywa kutumika kama viwango vya mataifa mengine.
Vitengo vingine vya urefu vinatokana na mita. Hivyo, kilomita 1 (km) ni sawa na mita 1000, sentimita 1 (cm) sawa na mita 1/100, na kadhalika. Hata vitengo vya zamani vya Uingereza na Amerika, kama vile inchi na maili, sasa hufafanuliwa kulingana na mfumo wa metri.
Ufafanuzi wa kisasa wa Mita
Mwaka 1960, ufafanuzi rasmi wa mita ulibadilishwa tena. Kutokana na teknolojia bora ya kuzalisha mistari spectral ya wavelengths inayojulikana (tazama sura ya mionzi na Spectra), mita ilikuwa upya kwa sawa 1,650,763.73 wavelengths ya mpito fulani atomiki katika kipengele krypton-86. Faida ya upyaji huu ni kwamba mtu yeyote aliye na maabara yenye vifaa vyenye uwezo anaweza kuzaliana mita ya kawaida, bila kutaja bar yoyote ya chuma.
Mnamo 1983, mita hiyo ilifafanuliwa mara nyingine tena, wakati huu kwa suala la kasi ya mwanga. Mwanga katika utupu unaweza kusafiri umbali wa mita moja katika 1/299,792,458.6 pili. Leo, kwa hiyo, wakati wa kusafiri mwanga hutoa kitengo cha msingi cha urefu. Weka njia nyingine, umbali wa pili ya pili (kiasi cha mwanga wa nafasi hufunika kwa pili) hufafanuliwa kuwa mita 299,792,458.6. Hiyo ni karibu mita milioni 300 ambazo mwanga hufunika kwa sekunde moja tu; mwanga kweli ni haraka sana! Tunaweza tu kutumia mwanga wa pili kama kitengo cha msingi cha urefu, lakini kwa sababu za vitendo (na kuheshimu mila), tumeelezea mita kama sehemu ndogo ya pili ya mwanga.
Umbali ndani ya mfumo wa jua
Kazi ya Copernicus na Kepler ilianzisha umbali wa jamaa wa sayari—yaani jinsi mbali na Jua sayari moja inalinganishwa na nyingine (tazama Kuchunguza Anga: Kuzaliwa kwa Astronomia na Mizunguko na Mvuto). Lakini kazi yao haikuweza kuanzisha umbali kamili (katika sekunde za mwanga au mita au vitengo vingine vya urefu). Hii ni kama kujua urefu wa wanafunzi wote katika darasa lako tu ikilinganishwa na urefu wa mwalimu wako wa astronomia, lakini si kwa inchi au sentimita. Urefu wa mtu unapaswa kupimwa moja kwa moja.
Vilevile, ili kuanzisha umbali kabisa, wanaastronomia walipaswa kupima umbali mmoja katika mfumo wa jua moja kwa moja. Kwa ujumla, karibu na sisi kitu ni, kipimo hicho kitakuwa rahisi zaidi. Makadirio ya umbali wa Venus yalifanywa kama Venus ilivuka uso wa Jua mwaka 1761 na 1769, na kampeni ya kimataifa iliandaliwa ili kukadiria umbali wa Eros asteroid mwanzoni mwa miaka ya 1930, wakati obiti yake iliuleta karibu na Dunia. Hivi karibuni, Venus shilingi (au transited) uso wa jua katika 2004 na 2012, na kuruhusiwa sisi kufanya umbali wa kisasa makadirio, ingawa, kama tutaona chini, na kisha haikuwa zinahitajika (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).
Kama ungependa maelezo zaidi kuhusu jinsi mwendo wa Venus kote Jua ulivyotusaidia kupiga umbali katika mfumo wa jua, unaweza kurejea kwa maelezo mazuri na mwanaastronomia wa NASA.
ufunguo wa uamuzi wetu wa kisasa wa vipimo vya mfumo wa jua ni rada, aina ya wimbi la redio ambayo inaweza bounce mbali vitu imara (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Kama ilivyojadiliwa katika sura kadhaa za awali, kwa muda gani boriti ya rada (kusafiri kwa kasi ya mwanga) inachukua kufikia ulimwengu mwingine na kurudi, tunaweza kupima umbali unaohusika kwa usahihi sana. Mwaka 1961, ishara za rada zilipigwa mbali na Venus kwa mara ya kwanza, kutoa kipimo cha moja kwa moja cha umbali kutoka Dunia hadi Venus kwa suala la sekunde za mwanga (kutoka wakati wa kusafiri kwa mzunguko wa rada).
Baadaye, rada imetumiwa kuamua umbali wa Mercury, Mars, satelaiti za Jupiter, pete za Saturn, na asteroids kadhaa. Kumbuka, kwa njia, kwamba haiwezekani kutumia rada kupima umbali wa Jua moja kwa moja kwa sababu Jua halionyeshi rada kwa ufanisi sana. Lakini tunaweza kupima umbali wa vitu vingine vingi vya mfumo wa jua na kutumia sheria za Kepler kutupa umbali wa Jua.
Kutoka umbali mbalimbali (unaohusiana) wa mfumo wa jua, wanaastronomia walichagua umbali wa wastani kutoka Dunia hadi Jua kama kiwango chetu cha “kupima fimbo” ndani ya mfumo wa jua. Wakati Dunia na Jua ziko karibu zaidi, ziko karibu kilomita milioni 147.1 mbali; wakati Dunia na Jua ziko mbali zaidi, ziko umbali wa kilomita milioni 152.1 mbali. Wastani wa umbali huu wawili huitwa kitengo cha astronomia (AU). Kisha tunaelezea umbali mwingine wote katika mfumo wa jua kwa suala la AU. Miaka ya uchambuzi mkubwa wa vipimo vya rada imesababisha uamuzi wa urefu wa AU kwa usahihi wa takriban sehemu moja katika bilioni. Urefu wa 1 AU unaweza kuonyeshwa wakati wa kusafiri mwanga kama 499.004854 sekunde za mwanga, au karibu na dakika 8.3 za mwanga. Ikiwa tunatumia ufafanuzi wa mita iliyotolewa hapo awali, hii ni sawa na 1 AU = mita 149,597,870,700.
Umbali huu ni, bila shaka, hutolewa hapa kwa kiwango cha juu sana cha usahihi kuliko kawaida inahitajika. Katika maandishi haya, sisi ni kawaida kuridhika ya kueleza idadi kwa michache ya maeneo muhimu na kuondoka ni saa hiyo. Kwa madhumuni yetu, itakuwa ya kutosha kuzunguka namba hizi:
\[ \begin{array}{l} \text{speed of light: } c=3 \times 10^8 \text{ m/s }= 3 \times 10^5 \text{ km/s} \\ \text{ length of light-second: ls}=3 \times 10^8 \text{ m }= 3×10^5 \text{ km } \\ \text{ astronomical unit: AU} =1.50×10^{11} \text{ m } =1.50 \times 10^8 \text{ km } =500 \text{ light-seconds} \end{array} \nonumber\]
Sasa tunajua kiwango cha umbali kabisa ndani ya mfumo wetu wa jua kwa usahihi wa ajabu. Hii ni kiungo cha kwanza katika mlolongo wa umbali wa cosmic.
Umbali kati ya miili ya mbinguni katika mfumo wetu wa jua wakati mwingine ni vigumu kufahamu au kuweka katika mtazamo. Tovuti hii ya maingiliano hutoa “ramani” inayoonyesha umbali kwa kutumia kiwango chini ya skrini na inakuwezesha kupiga (kwa kutumia funguo zako za mshale) kupitia skrini za “nafasi tupu” ili ufikie sayari ijayo—yote ilhali umbali wako wa sasa kutoka Jua unaonekana kwa kiwango.
Dhana muhimu na Muhtasari
Vipimo vya awali vya urefu vilizingatia vipimo vya binadamu, lakini leo, tunatumia viwango vya dunia nzima vinavyotaja urefu katika vitengo kama vile mita. Umbali ndani ya mfumo wa jua sasa umeamua kwa muda gani inachukua ishara za rada kusafiri kutoka Dunia hadi kwenye uso wa sayari au mwili mwingine halafu kurudi.