Mittayksiköt: määritelmä, SI-järjestelmä ja muut mittausjärjestelmät

Tutustu mittayksiköihin: SI-, imperiaali- ja US-järjestelmät, metrin historia, yksikkömuunnokset ja käytännön esimerkit selkeästi ja ymmärrettävästi.

Mittayksiköt antavat standardit, jotta mittauksiemme luvut viittaavat samaan asiaan. Mittaaminen on prosessi, jossa fysikaalisen suureen kuvaamiseen käytetään numeroita. Voimme mitata, kuinka suuria asiat ovat, kuinka lämpimiä ne ovat, kuinka painavia ne ovat ja monia muita ominaisuuksia. Mittayksiköiden avulla luvut ovat vertailukelpoisia ja toistettavissa riippumatta siitä, kuka mittaa ja missä.

Määritelmä ja miksi tarvitsemme yksiköitä

Mittayksikkö on sopimusperäinen kuvaus siitä, mitä tarkoitetaan tietyllä mittaustuloksella. Ilman yhteisesti sovittuja yksiköitä mittaustulokset olisivat hyödyttömiä esimerkiksi tieteessä, tekniikassa, kaupankäynnissä ja arkipäivän elämässä. Yksiköt kertovat, ovatko kaksi lukuarvoa verrannollisia (esimerkiksi 2 metriä vs. 2 jalkaa eivät ole sama asia).

Lyhyt historia

Ennen laajaa standardointia eri maissa ja alueilla käytettiin omia mittajärjestelmiään. Esimerkiksi pituuden mittana on käytetty sekä paikallisia tangoista, ruumiinosista että muista esineistä johdettuja yksiköitä. Moderni kansainvälinen standardisointi alkoi 1800–1900-luvuilla.

Esimerkiksi metri on vakioyksikkö, jolla mitataan pituutta. Aikaisemmin metri sidottiin fyysiseen esineeseen (kansainväliseen metritankoon), ja myöhemmin spektriviivoihin (krypton‑86‑säteilyn aallonpituus). Nykyään metri määritellään vakion avulla: se on valo‑nopeuden avulla määrätty etäisyys (säätely tehty 1983), eli matka, jonka valo kulkee tyhjiössä tietyssä ajassa.

SI‑järjestelmä (metrijärjestelmä)

Uusin ja laajimmin käytetty järjestelmä on metrijärjestelmä, yleisesti tunnettu SI‑järjestelmänä (Système International d'Unités). SI on desimaalipohjainen eli yksiköiden väliset suhteet ovat kymmenen potensseja, mikä tekee muunnoksista ja laskemisesta yksinkertaisempaa. Esimerkiksi yhdessä metrissä on 100 senttimetriä tai yhdessä kilossa 1000 grammaa.

SI:n seitsemän perusyksikköä ovat:

• metri (pituus) — metri
• kilogramma (massa) — kilogramma
• sekunti (aika)
• ampeeri (sähkövirta)
• kelvin (lämpötila)
• mooli (aineen määrä)
• kandela (valoisuus)

SI‑järjestelmässä monet suureet ovat johdettuja näistä perusyksiköistä (esim. nopeus m/s, voima newton N = kg·m/s²). SI:n etuliitteet kuten kilo‑, milli‑ ja mikro‑ kertovat kymmenen potensseista (kilo = 10³, milli = 10⁻³, mikro = 10⁻⁶), mikä helpottaa sekä hyvin suurien että hyvin pienten määrien ilmaisua.

Muutos kilogramman määrittelyssä

Vuoteen 2019 saakka kilogramma perustui edelleen kansainväliseen fyysiseen prototyyppiin (metalliseen sylinteriin). Vuonna 2019 kilogramma määriteltiin uudelleen luomalla yhteys Planckin vakiosta, mikä teki kaikista SI‑perusyksiköistä vakioihin perustuvia ja siten pysyviä ja toistettavia ilman fyysisiä prototyyppejä.

Muut mittausjärjestelmät

Aiemmin eri maissa käytettiin eri yksiköitä. Nykyään useimmat mittayksiköt kuuluvat johonkin kolmesta pääjärjestelmästä, mutta käytäntöä ja perinteitä esiintyy edelleen:

• Kaksi vanhempaa, brittiläinen imperiaalinen järjestelmä ja siihen läheisesti liittyvä Yhdysvaltain tavanomainen järjestelmä, käyttävät pituuden mittana jalkaa, painon mittana paunaa ja ajan mittana sekuntia. Niissä käytetään myös muita yksiköitä. Näissä kahdessa järjestelmässä suurempia yksiköitä muodostavien pienempien yksiköiden määrä vaihtelee: esimerkiksi jalassa on 12 tuumaa ja punnassa 16 unssia.
• Nykyään useimmat maat käyttävät SI‑järjestelmää virallisena, mutta arjessa ja tietyissä aloilla imperiaalisia tai paikallisia yksiköitä saatetaan käyttää edelleen (esim. rakennusalalla tai ilmailussa).

Imperiaalisen ja Yhdysvaltain järjestelmän välillä on pieniä, mutta merkittäviä eroja (esim. gallonan koko ja fluid ounce), joten yksiköiden tarkka tuntemus ja muunnokset ovat tärkeitä kansainvälisessä viestinnässä.

Poikkeukset ja erikoistapaukset

Kaikki suureet eivät noudata pelkästään desimaalipohjaista jakoa. Esimerkiksi ajan mittaaminen ei ole täysin desimaalinen: Toinen on ajan mittaamisen perusyksikkö, ja ajan yksiköissä käytetään seksagesimaalijärjestelmää: 60 sekuntia on yksi minuutti ja 60 minuuttia on yksi tunti. Samoin kulmamitat ilmaistaan usein asteina, minuuteina ja sekunteina (360 astetta koko ympyrässä), mikä on historiallisesti periytynyt.

Mittayksiköiden standardointi ja tarkkuus

Mittayksiköiden kansainvälinen ylläpito ja päivitykset tapahtuvat kansainvälisten elinten kautta, kuten Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) ja sen alaiset kokoukset (CGPM, CIPM). Tieteellisessä metrologiassa keskitytään siihen, että määritelmät perustuvat mahdollisimman pysyviin luonnonvakioihin ja että mittaukset ovat toistettavissa eri laboratorioissa.

Mittaustulokseen vaikuttavat aina epävarmuudet — mittaustarkkuus, resoluutio ja virhelähteet. Siksi mittauksissa ilmoitetaan usein myös epävarmuusarvio, jotta tulosten luotettavuus ja vertailtavuus säilyvät.

Usein käytettyjä etuliitteitä ja esimerkkejä

• kilo (k) = 10³, esimerkiksi 1 kilogramma = 1000 grammaa
• hecto (h) = 10², esimerkiksi 1 hehtometri = 100 metriä
• deci (d) = 10⁻¹, esimerkiksi 1 desimetri = 0,1 metriä
• centi (c) = 10⁻², esimerkiksi 1 senttimetri = 0,01 metriä
• milli (m) = 10⁻³, esimerkiksi 1 millimetri = 0,001 metriä
• micro (µ) = 10⁻⁶, nano (n) = 10⁻⁹, mega (M) = 10⁶ jne.

Yhteenveto

Mittayksiköt ovat välttämättömiä, jotta mittaukset olisivat merkityksellisiä ja vertailukelpoisia. SI‑järjestelmä tarjoaa kansainvälisen ja desimaalipohjaisen tavan ilmaista suureita, mutta historialliset ja alueelliset järjestelmät elävät edelleen tietyillä aloilla. Nykyään yksiköiden määritelmät pyritään sitomaan luonnonvakioihin, mikä parantaa mittausten pysyvyyttä ja tarkkuutta.

Mittayksikköjärjestelmät

Eri puolilla maailmaa käytetään monia eri standardeja ja yksiköitä. Joidenkin käyttö väheni 1800- ja 1900-luvuilla.

Metrijärjestelmä

Metrijärjestelmä on mittajärjestelmä, jota käytetään suurimmassa osassa maailmaa. Sitä kutsutaan myös kansainväliseksi yksikköjärjestelmäksi eli SI-järjestelmäksi.

Metrijärjestelmän mittayksikköjä ovat mm. seuraavat:

• Pituuden tai lineaarisen koon yksiköt perustuvat metriin. Niitä ovat kilometri (km), joka on 1 000 metriä, senttimetri (cm) ja millimetri (mm), joka on 1/1 000 metriä.

• Tilavuuden yksikkö on litra. Sitä käytetään nestemäärän mittaamiseen. Millilitra (lyhenne mL) on nestemäärä, joka täyttää kuution, jonka jokainen sivu on 1 senttimetri. Yksi litra nestettä täyttäisi kuution, jonka jokainen sivu on 10 cm.

• Massan yksikkö on kilogramma. Kilogramma (kg) on yhden vesilitran massa (4 °C:n lämpötilassa ja 1 013,25 kPa:n paineessa). 1 gramma (g) on 1 millilitran veden massa 4 °C:ssa (39 °F). Metrinen tonni on 1 000 kilogrammaa tai miljoona grammaa.

Imperial-yksiköt

Imperial-yksiköt määriteltiin Yhdistyneessä kuningaskunnassa vuonna 1824. Nämä yksiköt perustuivat vastaaviin ennen vuotta 1824 käytössä olleisiin yksiköihin. Imperial-yksiköitä käytettiin maissa, jotka olivat osa brittiläistä imperiumia. Vaikka monet näistä maista, Yhdistynyt kuningaskunta mukaan lukien, ovat virallisesti ottaneet käyttöön SI-järjestelmän, vanhempaa yksikköjärjestelmää käytetään edelleen.

Yhdysvaltain tavanomaiset yksiköt

Yhdysvaltain tavanomaiset yksiköt ovat Yhdysvalloissa käytettyjä virallisia yksiköitä. Ne ovat samankaltaisia kuin Ison-Britannian imperialistiset yksiköt, ja ne perustuvat myös Yhdistyneessä kuningaskunnassa käytettyihin yksiköihin, jotka olivat käytössä ennen Yhdysvaltain itsenäistymistä. Osa yksiköistä eroaa brittiläisistä yksiköistä. Esimerkiksi englantilaisessa pintissä on 20 englantilaista nesteunssia, mutta yhdysvaltalaisessa pintissä on 16 yhdysvaltalaista nesteunssia. Lisäksi yhdysvaltalainen nesteunssin on hieman suurempi kuin englantilainen nesteunssin. Tästä seuraa, että Yhdysvaltain pintit ja gallonat ovat pienempiä kuin imperiumin pintit ja gallonat. Yhdysvalloissa metrijärjestelmä on ollut laillinen kaupassa vuodesta 1866 lähtien, mutta muita mittoja, kuten gallonaa, tuumaa ja puntaa, käytetään edelleen laajalti.

Imperial- ja US-mittayksikköjä ovat mm:

• Pituus - tuuma (in), jalka (ft), jaardi (yd) ja maili.
• 1 jalka = 12 tuumaa
• 1 jaardi = 3 jalkaa (monikko jalka) = 36 tuumaa.
• 1 maili = 1760 jaardia = 5280 jalkaa.

• Keisarillinen tilavuus - keisarillinen nesteunssi (fl oz), keisarillinen pint (pt) ja keisarillinen gallona (gal).
• 1 englantilainen tuoppi = 20 englantilaista juoksevaa unssia.
• 1 brittiläinen gallona = 8 brittiläistä tuoppia.

• Yhdysvaltain tilavuus - Yhdysvaltain nesteunssi (fl oz), Yhdysvaltain kuppi (cp), Yhdysvaltain pint (pt), Yhdysvaltain kvartti (qt) ja Yhdysvaltain gallona (gal).
• 1 Yhdysvaltain kuppi = 8 Yhdysvaltain nesteunssia
• 1 US pint = 2 US cups = 16 US fluid ounces = 16 US nestemäistä unssia.
• 1 Yhdysvaltain kvartti = 2 Yhdysvaltain tuoppia = 4 Yhdysvaltain kuppia = 32 Yhdysvaltain juoksevaa unssia
• 1 Yhdysvaltain gallona = 4 Yhdysvaltain kvarttia = 8 Yhdysvaltain tuoppia = 16 Yhdysvaltain kuppia

• Paino ja massa - unssit (oz), punnat (lb) ja kivet (st).
• 1 punta = 16 unssia
• 1 kivi = 14 kiloa

Painon ja tilavuuden unssit ovat erilaisia. Jopa vettä mitattaessa paino-unssin määrä ei ole sama kuin nesteunssin määrä.

Muuntaminen järjestelmien välillä

Metriikka =Yhdysvaltain

• 1 metri = 1,09 jaardia = 39,37 tuumaa.
• 1 litra = 33,3 nestemäistä unssia = 1,76 tuoppia = .26 Yhdysvaltain gallonaa.
• 1 kilogramma = 35,32 unssia = 2,2 kiloa.

Yhdysvaltain metriikkaan

• Pituus
• 1 tuuma = 2,54 senttimetriä
• 1 jalka = 30,48 senttimetriä
• 1 jaardi = 0,9144 metriä
• 1 maili = 1,609344 kilometriä
• Volume
• 1 nesteunssia = 29,6 millilitraa
• 1 tuoppi = 473,1 millilitraa
• 1 gallona = 3,79 litraa
• 1 kuppi = 236,55 millilitraa
• Massa
• 1 unssia = 28,35 grammaa
• 1 punta = 0,45359237 kilogrammaa.

 
Maat, jotka käyttävät metrijärjestelmää, englantilaista järjestelmää ja Yhdysvaltain tavanomaista järjestelmää vuodesta 2019 alkaen.  

Kysymyksiä ja vastauksia

Q: Mitä on mittaaminen?

K: Miten metri määriteltiin ennen vuotta 1982?

K: Mitkä ovat kolme mittayksikköjärjestelmää?

K: Kuinka monta tuumaa on yhdessä jalassa?

K: Kuinka monta unssia on yhdessä punnassa?

K: Kuinka monta senttimetriä on yhdessä metrissä?

K: Miten ajan mittaaminen eroaa muista mittauksista?

Hae kirjaimella