Кіріспе

Бұрыш үшін SI жүйесіндегі туынды бірлік.

Анықтама

Бір радиан – шеңбердің радиусымен ұзындығы тең доғаны қиып алатын шеңбер ортасынан түсетін бұрыш ретінде анықталады. Көбінесе, радианмен өлшенген бұрыш шамасы доға ұзындығының шеңбер радиусына қатынасына тең болады; яғни, θ – радианмен өлшенген бұрыш, s – доға ұзындығы, ал r – радиус болса, . Тік бұрыш – тура π/2 радианға тең. Бір толық айналымға сәйкес келетін айналу бұрышы (360°) – шеңбер ұзындығының радиусқа бөлінуінен шығады, яғни 2π. Демек, 2π радиан 360 градусқа тең. 1 = 2π рад = 360° қатынасын доға ұзындығының формуласын қолдану арқылы шығаруға болады. Радиан – шеңбердің радиусына тең ұзындығы бар доғамен түзілген бұрыштың өлшемі болғандықтан, оны одан әрі қарапайымдастыруға болады. Екі жағын 360° көбейту арқылы келесісі шығады.

Бірлік символы

Халықаралық өлшемдер және салмақтар бюросы мен Халықаралық стандарттау ұйымы радианның символы ретінде rad белгісін белгілейді. 1909 жылы қолданылған баламалы символдар: c (шеңберлік өлшем үшін үстін сызылған c әрпі), r әрпі немесе үстін сызылған нүкте. Алайда, rad тек бұрыштарды білдіру үшін қолданылады, жалпыға бірдей ұзындық қатынастарын білдірмейді. 1=θ = 2A/r^(2) шеңберлік сектордың ауданы қолданылған ұқсас есептеу 1 радианды 1 м2/м2 етеді. Ең бастысы, радиан – өлшемсіз бірлік, ол 1-ге тең. SI 2019 жүйесінде радиан 1=1 рад = 1 деп анықталады. Математикада және ғылымның барлық салаларында 1=рад = 1 дегенді қолдану – ұзақ уақыттан бері қалыптасқан практика. Джакомо Прандо «қазіргі жағдай физикалық теңдеулердің өлшемдік талдауында радианның елес түрінде пайда болуы мен жоғалуына әкеледі» деп жазады. Мысалы, шкивтен жіппен ілінген нысан rθ сантиметрге көтеріледі немесе түседі, мұнда r – шкивтің радиусы (сантиметрмен), ал θ – шкивтің радианмен бұрылу бұрышы. r-ді θ-мен көбейту кезінде радиан бірлігі нәтижеден жоғалады. Сол сияқты, дөңгелектің бұрыштық жылдамдығының формуласында 1=ω = v/r, радиандар ω бірліктерінде кездеседі, бірақ оң жағында емес. Энтони Френч бұл құбылысты «механиканы оқытудағы мәңгілік проблема» деп атайды. Оберхофер өлшемдік талдау кезінде радианды елемеу және радианды конвенция мен контексттік білімге сәйкес бірліктерде қосу немесе алып тастау туралы кеңесті «педагогикалық тұрғыдан қанағаттанғысыз» деп санайды. 1993 жылы Америка физика мұғалімдерінің метрикалық комитеті радианды тек бұрыштың өлшемі (рад), бұрыштық жылдамдық (рад/с), бұрыштық үдеу (рад/с2) және бұрылу қатаңдығы (Н⋅м/рад) сияқты сандық шамаларда, басқа бұрыштық өлшемдер қолданылғанда әртүрлі сандық мәндер алынған жағдайда ғана көрсету керек деп нақтылады, ал моментке (Н⋅м) және инерция моментіне (кг⋅м2/с) қатысты емес. 1936 мен 2022 жылдар аралығында кем дегенде он ғалым радианды «жазық бұрыштың» негізгі шамасы (және өлшемі) үшін өлшемнің негізгі бірлігі ретінде қарастыру туралы ұсыныс жасады. Квинсидің ұсыныстарды қарауы екі түрлі ұсыныс бар екенін көрсетеді. Біріншісі радиус бірлігін радианға метрге ауыстыруды ұсынады, бірақ бұл шеңбер ауданы үшін өлшемдік талдаумен үйлеспейді (1 = πr ^ 2). Екіншісі өлшемдік тұрақтыны енгізуді ұсынады. Квинсидің айтуынша, бұл тәсіл SI-мен салыстырғанда «логикалық тұрғыдан дұрыс», бірақ «көптеген таныс математикалық және физикалық теңдеулерді өзгертуді» қажет етеді. Бұрыш үшін өлшемдік тұрақты «өте ерекше» және теңдеулерді өлшемдік тұрақтыны қосу үшін өзгерту қиындығы оның кеңінен қолданылуына кедергі келтіруі мүмкін. Мысалы, Boost бірлік кітапханасы жазық бұрышты өлшеммен бұрыш бірліктерін анықтайды, ал Mathematica бірлік жүйесі де бұрыштардың бұрыштық өлшемін қарастырады.

Градиандар арасында

радиан бір айналымға тең, ол анықтамасы бойынша 400 градианға (400 гон немесе 400г) тең. Радианды градианға айналдыру үшін көбейтіңіз, ал градианды радианға айналдыру үшін көбейтіңіз. Мысалы,

Физика

Радиан физикада бұрыштық өлшемдер қажет болған кезде кеңінен қолданылады. Мысалы, бұрыштық жылдамдық әдетте секундына радиан (rad/s) бірлігінде беріледі. Бір секундтағы бір толық айналыс 2 радианға тең. Сол сияқты, бұрыштық үдеудің бірлігі көбінесе секундына радиан квадрат (rad/s²) болып табылады. Өлшемдік талдау үшін бұрыштық жылдамдық пен бұрыштық үдеудің өлшемдері с⁻¹ және с⁻² болып табылады. Сондай-ақ, екі толқынның фазалық айырмасын радиандармен де көрсетуге болады. Мысалы, егер екі толқынның фазалық айырмасы (n⋅2π) радиан болса, мұндағы n – бүтін сан, онда олар бір фазада есептеледі, ал егер фазалық айырмасы (n⋅π) радиан болса, мұндағы n – бүтін сан, онда олар антифазада есептеледі. Радианның кері шамасы (rad⁻¹) сияқты туынды бірліктерде де қолданылады, мысалы, радианға метр (бұрыштық толқын ұзындығы үшін) немесе радианға джоуль (нютон-метрге тең).

Префикстер мен нұсқалары

Субмультипльдерге арналған метрикалық префикстер радианмен бірге қолданылады. Миллирадиан (mrad) – радианның мыңнан бір бөлігі (0,001 рад), яғни 1 рад = 10³ мрад. Дөңгелектің ішінде 2 × 1000 миллирадиан (≈ 6283,185 мрад) бар. Сондықтан миллирадиан – толық шеңберге түсетін бұрыштың шамалы бөлігі. Бұл бұрыштық өлшем бірлігі телескоптық прицелдерді шығаратын компаниялар ретикулдарындағы (стадиаметрлік) қашықтықты өлшеу үшін жиі қолданылады. Лазерлік сәулелердің дивергенциясы да әдетте миллирадианмен өлшенеді. Бұрыштық миллирадиан – НАТО және басқа да әскери ұйымдар артиллерия мен нысанаға алу кезінде қолданатын миллирадианға жуық шама. Әрбір бұрыштық миллирадиан шеңбердің 1/6400 бөлігін көрсетеді және миллирадианнан шамамен 1,875% кішірек. Нысанаға алу жұмыстарында жиі кездесетін кіші бұрыштар үшін, есептеулерде 6400 санын пайдалану ыңғайлылығы, оның енгізетін шағын математикалық қателерден артық. Бұрын басқа артиллериялық жүйелер әртүрлі жуықтамаларды қолданған; мысалы, Швеция «стрек» жүйесін, ал КСРО қолданған. Миллирадианға негізделген НАТО миллирадианы 1000 м қашықтықта шамамен 1 м-ге дейін созылады (мұндай кіші бұрыштарда қисықтыққа мән берудің қажеті жоқ). Миллиден кіші префикстер өте кішкентай бұрыштарды өлшеу үшін пайдалы. Микрорадиандар (μrad, e=6) және нанорадиандар (nrad, e=9) астрономияда қолданылады, сонымен қатар өте төмен дивергенциясы бар лазерлердің сәуле сапасын өлшеу үшін де қолданылуы мүмкін. Көбірек таралғаны – доғалық секунд, ол ≈ 4,8481 микрорадианға тең (шамамен).

ХХ ғасырдан бұрын

Бұрышты доғаның ұзындығымен өлшеу идеясы математиктерде ерте заманда қолданылған. Мысалы, әл-Каши (шамамен 1400 ж.) диаметрлік бөліктерді бірлік ретінде пайдаланған, онда диаметрдің бір бөлігі радианға тең болған. Олар диаметр бөлігінің сексагезималдық кіші бірліктерін де қолданған. Ньютон 1672 жылы «дененің дөңгелек қозғалысының бұрыштық шамасы» туралы айтқан, бірақ оны астрономиялық алгоритмді жасау үшін салыстырмалы өлшем ретінде ғана қолданған. Радиан өлшемі туралы түсінік әдетте 1716 жылы қайтыс болған Роджер Котсқа байланысты. 1722 жылы оның туысы Роберт Смит Котстың математикалық жазбаларын жинап, «Harmonia mensurarum» атты кітапқа жариялаған. Редакциялық түсініктемелердің бір тарауында Смит бір радианды градустармен есептеудің алғашқы жарияланған нұсқасын берді, Котстың сақталмаған жазбасына сілтеме жасай отырып. Смит радианды атауын қоспағанда, толық сипаттады – «Енді бұл сан шеңбердің радиусына қатысты жартылай шеңберге тең 180 градусқа шамалас, яғни 1-ге 3.141592653589-ға» – және оның бұрыштық өлшем бірлігі ретіндегі табиғилығын мойындады. 1765 жылы Леонард Эйлер радианды бұрыш өлшемінің бірлігі ретінде қабылдады. Эйлер, мүмкін, радиандық конвенция деп аталатын осы конвенцияны бірінші болып қабылдаған, ол бұрыштық жылдамдық үшін қарапайым формула береді: 1 = ω = v/r. Радиандық конвенция кеңінен қабылданды, ал басқа конвенциялар өлшемдік тұрақтыны қажет етудің кемшілігіне ие, мысалы 1 = ω = v/(ηr). Радиан термині кеңінен таралғанға дейін бұл бірлік көбінесе бұрыштың дөңгелек өлшемі деп аталды. Радиан термині алғаш рет 1873 жылдың 5 маусымында Белфаст қаласындағы Корольдік колледжде Джеймс Томсон (Лорд Келвиннің інісі) ұсынған емтихан сұрақтарында пайда болды. Ол бұл терминді 1871 жылдан бері қолданған, ал 1869 жылы Томас Мьюр, сол кезде Сент-Эндрюс университетінде, «рад», «радиальды» және «радиан» терминдері арасында шешілмейтін күйде болған. 1874 жылы Джеймс Томсонмен кеңескеннен кейін Мьюр радианды қабылдады. Радиан атауы осыдан кейін бірден кеңінен қолданылмады. 1890 жылы жарық көрген Лонгманның мектеп тригонометриясы радианды дөңгелек өлшем деп атады. 1893 жылы Александр Макфарлейн «дөңгелек қатынастар үшін нақты талдамалық аргумент – доғаның радиусқа қатынасы емес, сектордың ауданының екі еселенген радиус квадратына қатынасы» деп жазды. Бір себеппен бұл мақала Чикагодағы Колумбия көрмесімен байланысты өткен математикалық конгресс баяндамаларынан алынып тасталды (167-бетте мойындалған) және жеке түрде оның «Кеңістік талдауы туралы еңбектерінде» (1894) жарияланды. Макфарлейн осы идеяға немесе аудандардың қатынасына гиперболалық бұрыштың негізін қарастырғанда келді, ол ұқсас түрде анықталған.

СИ бірлігі ретінде

Пауль Квинси және басқалар «Бұрыштардың Халықаралық бірліктер жүйесіндегі (SI) мәртебесі ұзақ уақыттан бері дау-дамай мен түсініспеушіліктерге себеп болып келеді» деп жазды. 1960 жылы CGPM SI жүйесін құрды, ал радиан стерадианмен бірге «қосымша бірлік» ретінде жіктелді. Бұл ерекше класс ресми түрде «негізгі немесе туынды бірліктер» ретінде қарастырылды, себебі CGPM радианның негізгі бірлік пе, туынды бірлік пе деген мәселеде бір келісімге келе алмады. Ричард Нельсон: «Осы түсініксіздік [қосымша бірліктерді жіктеуде] олардың дұрыс интерпретациясы туралы белсенді талқылауға себеп болды», - деп жазады, бірақ ағымдағы тәжірибеге қатысты өзгерістерден аулақ болу үшін бұл ұсыныстан бас тартты. 1980 жылдың қазан айында CGPM қосымша бірліктерді өлшемсіз туынды бірліктер деп шешті, сондай-ақ CGPM оларды SI туынды бірліктерінің өрнектерінде қолдану немесе қолданбау еркіндігін берді, себебі «бір уақытта үйлесімді және ыңғайлы болатын және жазық және кеңістіктік бұрыштарды негізгі шамалар ретінде қарастыруға мүмкіндік беретін формализм жоқ» және «радиан мен стерадианды SI негізгі бірліктері ретінде қарастыру мүмкіндігі] тек жеті негізгі бірлікке негізделген SI жүйесінің ішкі үйлесімділігін бұзады» деген негізде. 1995 жылы CGPM қосымша бірліктер класын жойды және радиан мен стерадианды «өлшемсіз туынды бірліктер ретінде анықтады, олардың атаулары мен белгілері басқа SI туынды бірліктерінің өрнектерінде қажет болған жағдайда қолданылуы мүмкін» деп белгіледі. Михаил Калинин 2019 жылы жазған мақаласында 1980 жылғы CGPM шешімін «негізсіз» деп сынады және 1995 жылғы CGPM шешімі дәйекті емес аргументтерді қолданды және «SI терминологиясында көптеген сәйкессіздіктер, қайшылықтар мен қарама-қайшылықтарға» әкелді деді. 2013 жылғы CCU отырысында Питер Мор радианды өлшемсіз бірлік ретінде анықтаудан туындаған күдікті дәйектіліктер туралы баяндама жасады. CCU президенті Ян М. Миллс бұл мәселені «жеңілмейтін проблема» деп атады және SI жүйесіндегі бұрыштар мен өлшемсіз шамалар жөніндегі CCU жұмыс тобы құрылды. CCU соңғы рет 2021 жылы өткізілді, бірақ бір келісімге келе алмады. Аз ғана мүшелер радианды негізгі бірлік ретінде қарастыруды қатты қолдады, бірақ көпшілігі қазіргі жағдайды қабылдауға болады немесе өзгеріс шешілген мәселелерден гөрі көп проблема тудырады деп ойлады. Басқа да жұмыстармен қатар, «SI қосымша бірліктерінің тарихи қолданылуын қарастыру және оларды қайта енгізудің пайдасы бар-жоғын бағалау» үшін жұмыс тобы құрылды.