Giây là gì? Tiêu chuẩn thời gian trong công nghiệp tự động hóa

Giây là gì?

Giây (ký hiệu: s) là đơn vị thời gian bắt nguồn từ việc chia một ngày thành 24 giờ, sau đó thành 60 phút, và cuối cùng thành 60 giây, tổng cộng là 24 × 60 × 60 = 86.400 giây mỗi ngày. Định nghĩa hiện hành và chính thức trong Hệ thống Đơn vị Quốc tế (SI) chính xác hơn:

Giây được xác định bằng cách lấy giá trị số cố định của tần số caesium, ΔνCs, tần số chuyển tiếp siêu mịn ở trạng thái cơ bản không bị nhiễu loạn của nguyên tử caesium 133, là 9192631770 khi được biểu thị theo đơn vị Hz, bằng s−1.

Từ nguyên

“Minute (phút)” bắt nguồn từ tiếng Latin pars minuta prima, có nghĩa là “phần nhỏ đầu tiên” tức là phần chia đầu tiên của giờ – chia giờ thành sáu mươi phút, và “second (giây)” bắt nguồn từ pars minuta secunda, “phần nhỏ thứ hai”, lại chia thành sáu mươi giây.

• 1 giờ = 60 phút
• 1 phút = 60 giây

Công dụng

Đồng hồ kim và đồng hồ quả lắc thường có sáu mươi vạch chia trên mặt đồng hồ, biểu thị giây (và phút), và một “kim giây” để đánh dấu thời gian trôi qua tính bằng giây. Đồng hồ kỹ thuật số và đồng hồ quả lắc thường có bộ đếm giây hai chữ số.

Các tiền tố SI thường được kết hợp với từ “giây” để biểu thị các đơn vị chia nhỏ của giây: mili giây (phần nghìn), micro giây (phần triệu), nano giây (phần tỷ), và đôi khi là các đơn vị nhỏ hơn của giây.

Bội số của giây thường được tính bằng giờ và phút. Mặc dù tiền tố SI cũng có thể được sử dụng để tạo thành bội số của giây, chẳng hạn như kilo giây (phần nghìn giây), nhưng các đơn vị này hiếm khi được sử dụng trong thực tế.

Một trải nghiệm hàng ngày với các phần nhỏ của giây là bộ vi xử lý 1 gigahertz có chu kỳ thời gian là 1 nano giây. Tốc độ màn trập của máy ảnh thường được biểu thị bằng các phần nhỏ của giây, chẳng hạn như 1/30 giây hoặc 1/1000 giây.

Đồng hồ và giờ Mặt Trời

Đồng hồ cơ học, không phụ thuộc vào việc đo vị trí quay tương đối của Trái Đất, duy trì một loại thời gian đồng đều gọi là thời gian trung bình, với độ chính xác tùy thuộc vào cấu tạo của nó. Điều này có nghĩa là mỗi giây, phút và mọi đơn vị thời gian khác mà đồng hồ đo được đều có cùng độ dài như nhau.

Trong khi đó, đồng hồ Mặt Trời (sundial) đo vị trí tương đối của Mặt Trời trên bầu trời  được gọi là thời gian biểu kiến  lại không duy trì thời gian đồng đều. Thời gian mà đồng hồ Mặt Trời ghi nhận thay đổi theo mùa trong năm, nghĩa là độ dài của từng giây, phút hay các đơn vị thời gian khác không cố định mà khác nhau ở từng thời điểm trong năm.

Sự chênh lệch giữa thời gian trung bình và thời gian biểu kiến có thể lên đến 15 phút, nhưng giữa hai ngày liên tiếp, sự khác biệt chỉ rất nhỏ. Khoảng 15 phút này là kết quả tích lũy qua một phần của năm. Hiện tượng này chủ yếu là do trục quay của Trái Đất nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh Mặt Trời.

Sự kiện và đơn vị thời gian tính theo giây

Phân số của giây thường được biểu thị bằng ký hiệu thập phân, ví dụ: 2,01 giây (hai và một phần trăm giây).

Bội số của giây thường được biểu diễn dưới dạng phút và giây, hoặc giờ, phút và giây của thời gian đồng hồ, được phân tách bằng dấu hai chấm, chẳng hạn như 11:23:24 hoặc 45:23.

(Cách ghi sau có thể gây nhầm lẫn vì cùng ký hiệu này cũng được dùng để chỉ giờ và phút).

Việc biểu diễn các khoảng thời gian dài hơn như giờ hoặc ngày bằng giây thường không hợp lý, vì kết quả là những con số rất lớn.

Đối với đơn vị giây trong hệ mét, có các tiền tố thập phân biểu thị từ 10⁻³⁰ đến 10³⁰ giây.

Một số đơn vị thời gian phổ biến tính bằng giây gồm: (1 giờ bằng bao nhiêu giây)

• 1 phút = 60 giây
• 1 giờ = 3.600 giây
• 1 ngày = 86.400 giây
• 1 tuần = 604.800 giây
• 1 năm (không nhuận) = 31.536.000 giây
• 1 thế kỷ (theo lịch Gregory trung bình) = 3.155.695.200 giây.

Trong thiên văn học, 1 năm Julian chính xác bằng 31.557.600 giây.

Một số hiện tượng thường gặp diễn ra trong khoảng một giây:

• Một hòn đá rơi tự do được khoảng 4,9 mét.
• Con lắc dài khoảng 1 mét có chu kỳ dao động một giây, vì vậy đồng hồ quả lắc có con lắc dài xấp xỉ 1 mét.
• Vận động viên chạy nước rút nhanh nhất chạy được 10 mét trong một giây.
• Sóng biển ở vùng nước sâu di chuyển khoảng 23 mét trong một giây.
• Âm thanh truyền trong không khí với tốc độ khoảng 343 mét mỗi giây.
• Ánh sáng mất 1,3 giây để đi từ Mặt Trăng đến Trái Đất, quãng đường khoảng 384.400 km.

Các đơn vị khác có liên quan đến giây

Giây là một phần trực tiếp của nhiều đơn vị đo lường khác, chẳng hạn như:

• Tần số được đo bằng hertz (Hz) – đơn vị nghịch đảo của giây (s⁻¹).
• Vận tốc đo bằng mét trên giây (m/s).
• Gia tốc đo bằng mét trên giây bình phương (m/s²).
• Trong hệ mét, đơn vị becquerel (Bq) – dùng để đo độ phóng xạ – cũng được biểu thị bằng nghịch đảo của giây (s⁻¹).
• Các bậc cao hơn của giây còn được sử dụng trong các đạo hàm của gia tốc, chẳng hạn như “jerk” (tốc độ thay đổi của gia tốc).

Mặc dù trong đời sống hằng ngày, nhiều đơn vị dẫn xuất thường được thể hiện bằng đơn vị thời gian lớn hơn thay vì giây, nhưng chúng đều được định nghĩa dựa trên giây chuẩn SI.

Ví dụ:

• Thời gian được tính bằng giờ và phút;
• Vận tốc ô tô đo bằng km/h hoặc dặm/giờ (mph);
• Điện năng tiêu thụ đo bằng Kilowatt giờ (kWh);
• Tốc độ quay của bàn xoay đĩa đo bằng vòng/phút (rpm).

Ngoài ra, hầu hết các đơn vị cơ bản khác trong Hệ SI đều liên hệ trực tiếp với giây:

• Mét (m) được định nghĩa bằng cách cố định tốc độ ánh sáng trong chân không là 299.792.458 m/s.
• Các đơn vị cơ bản khác như kilogram (kg), ampere (A), kelvin (K) và candela (cd) cũng phụ thuộc vào giây.
• Chỉ có một đơn vị cơ bản là mol (mol) không phụ thuộc vào giây
• Và trong số 22 đơn vị dẫn xuất có tên riêng, chỉ có radian (rad) và steradian (sr) là không liên quan đến giây.

Tiêu chuẩn đo thời gian

Một hệ thống các đồng hồ nguyên tử trên toàn thế giới được sử dụng để giữ thời gian chính xác thông qua sự đồng thuận: các đồng hồ này sẽ “bỏ phiếu” cho thời gian chính xác, và tất cả đồng hồ tham gia đều được điều chỉnh để đồng bộ với giá trị trung bình đó, gọi là Thời gian Nguyên tử Quốc tế (TAI – International Atomic Time).

TAI đo thời gian bằng giây nguyên tử, có độ chính xác cực cao. Tuy nhiên, thời gian dân sự lại được xác định sao cho phù hợp với chuyển động quay của Trái Đất.

Tiêu chuẩn quốc tế hiện nay dùng để đo thời gian dân sự là Thời gian Phối hợp Quốc tế (UTC – Coordinated Universal Time).

Thang thời gian này “đếm” theo cùng giây nguyên tử như TAI, nhưng có thể thêm hoặc bớt “giây nhuận” (leap second) để bù lại những biến đổi nhỏ trong tốc độ quay của Trái Đất.

Ngoài ra còn có một dạng thời gian gọi là UT1, thuộc nhóm Giờ Phổ quát (Universal Time).

Khác với UTC, UT1 không sử dụng giây nguyên tử chính xác tuyệt đối, mà được xác định dựa trên chuyển động quay thực tế của Trái Đất so với Mặt Trời, và không bao gồm giây nhuận.

Sự khác biệt giữa UT1 và UTC luôn nhỏ hơn một giây, giúp duy trì sự đồng bộ giữa thời gian thiên văn và thời gian nguyên tử.

Đơn vị đo thời gian trong hệ thống đơn vị quốc tế SI

Bội số SI cho giây (s)