LỊCH SỬ CHUẨN HÓA

Cân và đo

Những đơn vị đo lường cổ thường được chuẩn hóa tùy theo địa phương và thời đại. Theo truyền thuyết, ở nước Anh thời Trung Đại chúng được tính theo kích thước cơ thể vua Anh thời ấy: đốt ngón tay (inch), độ dài từ mũi đến hết bàn tay (yard) – hoặc theo hoạt động di chuyển: bước chân (foot) và khoảng cách tương đương với một giờ đi bộ (mile). Ở Trung Hoa thời cổ thì có các đơn vị khác như thốn (đốt), xích (thước), trượng, lý (dặm), lượng (lạng),cân, canh, khắc (giờ), v.v...

Bội số của các đơn vị đo cũng khác nhau, nó có thể theo hệ đếm thập phân hoặc hệ 4, 7, 16, 20, 24, 60 v.v. nên tính toán và chuyển đổi rất phiền phức, gây thiệt hại kinh tế lớn.

Ý tưởng thống nhất một đơn vị đo lường cơ bản là do nhà bác học Anh John Wilkins đề ra đầu tiên trong một tác phẩm xuất bản năm 1668 (hình trên). Năm 1675, nhà bác học Ý Tito Livio Burattini gọi nó là mét và định nghĩa bằng một mẫu chuẩn (nay đo được khoảng 993,9 mm).

Sau một thời gian dài giao thương các sản phẩm công nghiệp cùng sự phát triển khoa học và kỹ thuật, nhiều chính quyền thấy phải áp đặt trong thực tiễn một hệ thống đo lường chuẩn hóa chặt chẽ. Với sự thiết lập hệ mét-thập phân ở nước Pháp cách mạng tư sản thì châu Âu mới chấm dứt dần dần tình trạng đo lộn xộn. Hệ này được Vương quốc Hà Lan dùng từ 1816 nhưng ngay tại Pháp thì bị bãi bỏ năm 1812 khi Napoleon đổ và chỉ tái lập sau khởi nghĩa Paris 1830.

Hệ mét (1795)

Ở Pháp, nguyên tắc bắt buộc áp dụng các đơn vị đo đã được ấn định trong Công ước theo sắc lệnh ngày 18 tháng Nảy mầm năm thứ III của Nhà nước Cộng hòa, tức 7-4-1795. Sắc lệnh đó thiết lập hệ mét, ấn định danh mục các đơn vị và lần đầu tiên đã chính thức dùng định nghĩa 1 mét bằng 1/40 triệu độ dài kinh tuyến Trái đất. Mặt khác lấy đơn vị khối lượng là kilogram.

Ngày 22 tháng 6 năm 1799, những mẫu chuẩn đầu tiên của mét và kilogram đã được đặt ở Viện lưu trữ quốc gia Pháp, tại Sèvres, gần Paris. Cũng năm đó, ở Pháp, đạo luật ngày 19 tháng Giá rét năm VII (tức ngày 10-12-1799) quy định bắt buộc áp dụng hệ mét. Quá trình chuyển sang sử dụng hệ mét trên thế giới tuy nhiên đã tiến triển mất gần hai thế kỷ.

Hệ đơn vị quốc tế SI (1960)

Năm 1832 nhà bác học Đức Gauss đưa ra hệ thống Gauss, rồi 30 năm sau, các nhà vật lý Anh Maxwell et Thomson đưa ra hệ thống CGS, cả hai hệ này đều dựa trên 3 đơn vị cm, gram, giây. Năm 1946 hệ thống MKSA ra đời, dựa trên 3 đơn vị mét, kilogram, giây và thêm ampe. Năm 1954 thêm kenvin và canđela.

Năm 1960, hệ đơn vị đo lường quốc tế SI (Système international d’unités, tức ISO 1000) đã xác định 6 đơn vị cơ bản trên, từ đó suy ra các đơn vị khác (thí dụ vận tốc m/s, áp suất kg/m2). Năm 1971 thêm đơn vị mol và vì vậy hiện nay hệ SI bao gồm 7 đơn vị cơ bản ký hiệu là: m, kg, s, A, K, mol, cd. Cụ thể:

 độ dài: mét (m); 
 khối lượng: kilogram (kg); 
 thời gian: giây (s); 
 cường độ dòng điện: ampe (A); 
 nhiệt độ: kenvin (K, tương đương với °C tức độ Celsius, nhưng thang nhiệt kế kenvin xuất phát từ không độ tuyệt đối chứ không phải 0°C, 0°C = 276,16°K); 
 lượng chất (mol); 
 cường độ sáng canđela (cd).

Các đơn vị đo lớn nhỏ hơn thì được thống nhất tính theo hệ thập phân (trừ thời gian tính riêng theo hệ 60/24/7/365).

Tại khối Ănglo-Xắcxông, tới năm 1980 nước Anh mới hoàn toàn chuyển đổi xong sang hệ SI và cùng Canada, Nam Phi, New Zeland, Úc là 5 nước chuyển chậm nhất.

Tuy nhiên những đơn vị truyền thống (ounce, karat, inch, galon...) vẫn được dùng phổ biến ở một vài lĩnh vực riêng như kim loại đá quý, điện tử và bia, rượu, sữa v.v.

TĨNH HỌC VÀ CƠ HỌC

Tĩnh học (thế kỷ XVI-XVII)

Nhà bác học xứ Flandre S. Stevin (1548-1620), tức Simon de Bruges, được coi là người sáng tạo ra môn tĩnh học thời nay. Tĩnh học là khoa học nghiên cứu sự cân bằng của các vật thể, cũng như các điều kiện tạo nên sự cân bằng đó. Thiên tài đi trước Stevin là nhà bác học người Hy Lạp thời cổ đại Archimède.

Trọng tâm (thế kỷ II tr. CN)

Archimède sinh ra ở Syracuse vào năm 287 trước CN, ông là người đầu tiên đã xác định được trọng tâm của những vật rắn đồng chất có hình dạng xác định như hình trụ, hình cầu và hình nêm. Archimède đã phát triển khái niệm đó trong tác phẩm Sách về sự cân bằng. Ở đó, ông cũng đã trình bày một lý thuyết đòn bẩy chặt chẽ nhất.

Cân treo (khoảng 3500 tr. CN)

Khoảng 3500 trước CN, để cân lúa mì hoặc vàng, người Ai Cập đã sử dụng cân hai đĩa treo trên một tay đòn.

Cân thiên bình (thế kỷ X tr. CN)

Loại cân này có hai tay đòn không đều do người Trung Quốc phát minh ra vào thế kỷ X trước CN, được những dân du mục cưỡi ngựa mang đến phương Tây khoảng gần trước khi chúa Giêsu ra đời. Hiện nó vẫn đang được sử dụng.

Cân Roberval (1670)

Năm 1670, nhà toán học, vật lý và cơ học Pháp G. P. de Roberval (1602-1675) đã giới thiệu một trong những phát minh của mình với Viện hàn lâm Khoa học Paris. Đó là cái cân hai đĩa được đỡ bởi một đòn cân và gắn với một đòn đỡ bởi hai cọc cứng dẫn hướng cho chuyển động của chúng.

Một thời gian dài, cân Roberval là phổ biến nhất trong các loại cân thương mại. Nó đã được thay thế bởi cân Roberval bán tự động rồi sau đó bởi cân điện tử.

Cân nhanh nhất trên thế giới (1988)

Do tổ chức Pháp Saviphar hiệu chỉnh, loại cân này, được gọi là Regulator II, là một hệ thống đo lường mới có gắn với máy tính cho phép cân được hơn hai trăm lần trong một phút. Vậy nên nó là loại cân nhanh nhất trên thế giới, có thể sử dụng trong nhiều lĩnh vực cần chính xác như trong công nghiệp dược hoặc công nghiệp chất nổ. Nhờ lắp máy vi tính và lực kế điện tử tự động nên độ chính xác của cân vào cỡ 1/10.000.

Thủy tĩnh học (Hydrostatics)

Nguyên lý Archimède

Archimède (287-212 tr. CN) là người đầu tiên đã phát biểu nguyên lý vật nổi mang tên ông: toàn bộ vật nhúng trong một chất lưu (lỏng hoặc khí) ở cân bằng trong đó sẽ chịu một lực đẩy thẳng đứng, hướng từ dưới lên trên, bằng trọng lượng của chất lưu bị vật chiếm chỗ và đặt tại trọng tâm phần chất lưu bị chiếm chỗ.

Ơreka!

Ta biết rằng sau khi tìm ra nguyên lý mang tên ông, Archimède đã thốt lên “Ơreka!” (Tìm thấy rồi!) và chạy ra khỏi buồng tắm quên mặc quần. Những tình tiết khác quanh khám phá đó được biết đến ít hơn: người ta kể rằng tên bạo chúa thành Syracuse, Hiéron II, một kẻ bản tính đa nghi, đã giao vàng ròng cho một người thợ kim hoàn để đúc và chạm một chiếc vương miện. Archimède đã được giao nhiệm vụ kiểm tra công việc của người thợ thủ công đó. Lúc bây giờ ông đã có ý nhấn chìm vào trong một cái chậu đầy ắp nước trước hết là vương miện, rồi sau đó là vàng và bạc cùng trọng lượng như trọng lượng của vương miện. Người ta kể rằng sau mỗi lần nhúng như thế ông lại cân nước trào ra.

Cuối cùng ông đã phát hiện ra con số của lần cân đầu nằm giữa các con số của hai lần cân sau, chứng tỏ rằng vương miện đã được làm từ một hỗn hợp của vàng và bạc. Và thế là người thợ kim hoàn, kẻ đã ăn cắp vàng ròng phải sửa lại vương miện.

Nghịch lý thủy tĩnh (1586)

Nhà toán học và vật lý học xứ Flandre S. Stevin, nhân viên thanh tra đê điều của chính phủ Hà Lan và với chức đó, ông trực tiếp quan tâm tới các lực bên trong các chất lỏng và là người đầu tiên tiến hành nghiên cứu khoa học thực sự về chúng.

Năm 1586 đã xuất hiện ba cuốn sách cơ học của ông. Ở đó ông đã trình bày nghịch lý thủy tĩnh nổi tiếng: áp suất của một chất lỏng lên đáy của bình chứa chỉ phụ thuộc vào độ cao so với đáy bình của chất lỏng và không phụ thuộc vào hình dạng bình chứa. Ngược lại, trọng lượng của chất lỏng chứa ở trong lại phụ thuộc vào hình dạng bình chứa.

Hệ thức cơ bản (1651-1654)

Năm 1663, đã xuất bản cuốn “Khảo luận về sự cân bằng của các loại rượu” của B. Pascal (1623-1662). Trong công trình viết giữa các năm 1651 và 1654 đó, Pascal đã phát biểu lại theo ý ông nghịch lý thủy tĩnh do Stevin nêu lên: hiệu áp suất lực giữa hai điểm trong một chất lỏng ở trạng thái cân bằng thì bằng trọng lực của cột chất lỏng có độ cao bằng hiệu các độ cao của hai điểm. Về sau từ đó suy ra nguyên lý bình thông nhau.

Định lý cơ bản

Vẫn xuất phát từ hệ thức cơ bản, Pascal đã rút ra định lý cơ bản của ông: toàn bộ phần áp suất tăng ở một điểm trong một chất lỏng không nén được ở cân bằng đều được truyền nguyên vẹn sang tất cả các điểm của chất lỏng đó.

Trích sách “Thế giới phát minh” (Le Livre mondial des Inventions), do Valérie-Anne Giscard d’Estaing