Килограмм

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Килограмм
кг, kg

Величина

Масса

Система

СИ

Эталон

Есть

Основная

примечание

См. Приставки СИ

Компьютерное изображение международного прототипа килограмма (эталон килограмма). Размер прототипа сопоставим с размером мяча для гольфа, в соответствии с находящейся рядом дюймовой шкалой. Прототип хранится в штаб-квартире Международного бюро мер и весов в Севре. Как и другие прототипы, края образца имеют четырёхугольные срезы, чтобы минимизировать износ материала.

Килогра́мм (русское обозначение: кг; международное: kg) — единица измерения массы, одна из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ).

Действующее определение килограмма принято III Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1901 году и формулируется так[1][2]:

Килограмм есть единица массы, равная массе международного прототипа килограмма.

Международный прототип (эталон) килограмма, хранится в Международном бюро мер и весов (расположено в Севре близ Парижа) и представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм из платино-иридиевого сплава (90 % платины, 10 % иридия).

Первоначально грамм был определён в 1795 году как масса одного кубического сантиметра дистиллированной воды при температуре 4 °C и стандартном атмосферном давлении на уровне моря (международная стандартная атмосфера — МСА, 101,325 кПа), из чего следовало, что килограмм эквивалентен массе одного кубического дециметра (литра) воды.

Килограмм является единственной из основных единиц системы СИ, которая используется с приставкой («кило», обозначение «к»). Также является единственной из оставшихся к настоящему времени единиц СИ, которые определены на основе объекта, изготовленного человеком, а не на основе физических свойств, что могут быть воспроизведены в разных лабораториях. Четыре из семи базовых единиц в системе СИ определены с учётом килограмма, поэтому постоянство его величины очень важно.

Международный эталон килограмма был выпущен Генеральной конференцией по мерам и весам на основе Метрической конвенции (1795) и под надзор Международного бюро мер и весов (МБМВ), которое хранит его от лица ГКМВ. После того как было обнаружено, что международный эталон килограмма с течением времени даёт отличия в массе, Международный комитет мер и весов (МКМВ) в 2005 году рекомендовал переопределить килограмм с помощью фундаментальных физических свойств. В 2011 году ГКМВ пришла к соглашению, что килограмм должен быть переопределён на основе постоянной Планка, но отложила окончательное решение до следующего собрания в 2014 году.

Международный эталон килограмма практически не подвергается какому-либо перемещению или использованию. Его копии хранятся в национальных метрологических учреждениях по всему миру. В 1889, 1948 и 1989 годах проводились верификации копий с эталоном с целью обеспечить единство измерений массы относительно эталона.

Этимология и употребление[править | править вики-текст]

Слово «килограмм» произошло от французского слова «kilogramme», которое в свою очередь образовалось из греческих слов «χίλιοι» (chilioi), что означает «тысяча» и «γράμμα» (gramma), что означает «маленький вес»[3] Слово «kilogramme» закреплено во французском языке в 1795 году[4]. Французское написание слова перешло в Великобританию, где впервые оно было использовано в 1797 году,[5], в то время как в США слово узаконилось в форме «kilogram». В настоящее время в Великобритании используются оба варианта написания, хотя вариант «kilogram» становится более распространённым.[6][7] Положение о мерах и весах (англ. Weights and Measures Act) в Великобритании не запрещает использование обоих написаний.[8]

В XIX веке французское слово «kilo», сокращение от «kilogramme», было заимствовано в английский язык, где стало применяться для обозначения как килограммов[9], так и километров.[10] В то время как использование «kilo» приемлемо в общих случаях, например в журнальных публикациях (The Economist),[11] его использование обычно считается недопустимым в определённых областях, таких как научные публикации, тексты законов и техническая документация, где авторы должны придерживаться правил СИ.[12][13] Когда Конгресс США легализировал метрическую систему в 1866 году, он разрешил использование слова «kilo» как альтернативу слову «kilogram»,[14] но в 1990 году это было отменено.[15]

Природа массы[править | править вики-текст]

Измерение веса — действие силы тяжести на измеряемый объект вызывает деформацию пружины.
Измерение гравитационной массы — действие силы тяжести на измеряемый объект уравновешено действием силы тяжести на противовес.

Килограмм является единицей массы, величиной, которая соотносится с общим представлением людей о том, насколько тяжела та или иная вещь. В терминах физики, масса — инерциальное свойство (скорость объектов остаётся неизменной до тех пор, пока на них не воздействует внешняя сила). Согласно законам Ньютона и важной формуле, которая выводится из его работ, F = ma, объект массой m в 1 кг получит ускорение a в 1 метр в секунду за секунду (около одной десятой ускорения свободного падения, вызванного притяжением Земли (англ. Gravity of Earth))[16], когда на этот объект действует сила (или равнодействующая всех сил) в 1 ньютон.

В то время как вес вещества зависит от местной силы гравитации, масса вещества всегда постоянна[17]. Соответственно, для космонавтов в состоянии микрогравитации не требуется никаких усилий, чтобы удерживать какой-либо предмет над полом, они невесомы. Однако, поскольку объекты в состоянии микрогравитации сохраняют свою массу и инерцию, космонавт должен приложить усилие в десять раз большее, чтобы придать одинаковое ускорение десятикилограммовому объекту, чем объекту массой в 1 кг.

Поскольку в любой точке на Земле вес объекта пропорционален его массе, масса объекта в килограммах обычно измеряется путём сравнивания его веса с весом стандартной массы, известной в килограммах, используя прибор, который называется весы. Отношение гравитационных сил, действующих на объекты, измеренные весами, равно отношению их масс.

История[править | править вики-текст]

7 апреля 1795 года грамм был принят во Франции как «абсолютный вес объёма чистой воды, равного кубу [со стороной] в сотую часть метра, и при температуре тающего льда»[18]. Идея использовать заданный объём воды для определения единицы измерения массы была предложена английским философом Джоном Уилкинсом в его эссе 1668 года как способ связать массу и длину[19][20].

Поскольку торговля и коммерция обычно имеют дело с предметами, чья масса намного значительней одного грамма, и поскольку стандарт массы, изготовленный из воды, был бы неудобен в обращении и сохранении, было предписано отыскать способ практической реализации такого определения. В связи с этим был изготовлен временный эталон массы в виде металлического предмета в тысячу раз тяжелее, чем грамм, — 1 кг.

В это же время была поручена работа с необходимой точностью определить массу кубического дециметра (литра) воды.[21][18] Хотя принятое определение килограмма указало температуру воды 0 °C — это весьма устойчивая температурная точка — французский химик Луи Лефёвр-Жино (англ. Louis Lefèvre-Gineau) и итальянский натуралист Джованни Фабброни (англ. Giovanni Fabbroni) после нескольких лет исследований решили переопределить наиболее устойчивую точку воды в стандарте 1799 года: температура, при которой вода имеет наибольшую плотность, которая была определена в 4 °C.[22][23] Они решили, что 1 дм³ воды при своей максимальной плотности эквивалентен 99,9265 % массы временного эталона килограмма, изготовленного четыре года назад[24]

Кратные и дольные единицы[править | править вики-текст]

По историческим причинам, название «килограмм» уже содержит десятичную приставку «кило», поэтому кратные и дольные единицы образуют, присоединяя стандартные приставки СИ к названию или обозначению единицы измерения «грамм» (которая в системе СИ сама является дольной: 1 г = 10−3 кг).

Вместо мегаграмма (1000 кг), как правило, используют единицу измерения «тонна».

В определениях мощности атомных бомб в тротиловом эквиваленте вместо гигаграмма применяется килотонна, вместо тераграмма — мегатонна.

Кратные Дольные
величина название обозначение величина название обозначение
101 г декаграмм даг dag 10−1 г дециграмм дг dg
102 г гектограмм гг hg 10−2 г сантиграмм сг cg
103 г килограмм кг kg 10−3 г миллиграмм мг mg
106 г мегаграмм Мг Mg 10−6 г микрограмм мкг µg
109 г гигаграмм Гг Gg 10−9 г нанограмм нг ng
1012 г тераграмм Тг Tg 10−12 г пикограмм пг pg
1015 г петаграмм Пг Pg 10−15 г фемтограмм фг fg
1018 г эксаграмм Эг Eg 10−18 г аттограмм аг ag
1021 г зеттаграмм Зг Zg 10−21 г зептограмм зг zg
1024 г иоттаграмм Иг Yg 10−24 г иоктограмм иг yg
     применять не рекомендуется      не применяются или редко применяются на практике

Эталон килограмма[править | править вики-текст]

Копия эталона 1 кг, хранится в США.
Дрейф массы копий эталона

На данный момент килограмм — единственная единица СИ, которая определена при помощи предмета, изготовленного людьми — платиново-иридиевого эталона. Все остальные единицы теперь определяются с помощью фундаментальных физических свойств и законов[25].

В XVIII веке при создании метрической системы мер килограмм был определён как масса 1 дм³ воды при 4 °C (при этой температуре у воды наибольшая плотность). В 1799 году был изготовлен прототип килограмма в виде платиновой гири, однако его масса была на 0,028 г больше массы 1 дм³ воды[26].

Нынешний эталон был изготовлен в 1889 году из платиново-иридиевого сплава в виде цилиндра высотой и диаметром 39 мм[26]. С тех пор он хранится в Международном бюро мер и весов под тремя герметичными стеклянными колпаками. Были изготовлены также точные официальные копии международного эталона, которые используются как национальные эталоны килограмма. Всего было создано более 80 копий. Две копии международного эталона были переданы России[26], они хранятся во ВНИИ метрологии им. Менделеева. Примерно раз в 10 лет национальные эталоны сравниваются с международным. Эти сравнения показывают, что точность национальных эталонов составляет примерно 2 мкг. Так как они хранятся в тех же условиях, нет никаких оснований считать, что международный эталон точнее. По разным причинам за сто лет международный эталон теряет 3·10−8 своей массы. Однако, по определению, масса международного эталона всегда в точности равна одному килограмму. Поэтому любые изменения действительной массы эталона приводят к изменению величины килограмма.

Исходя из стремления к устранению упомянутых нестабильностей, XXI Генеральная конференция по мерам и весам в 1999 году в своей Резолюции рекомендовала национальным лабораториям продолжить усилия по совершенствованию установления связи единицы массы с фундаментальными или атомными константами, имея в виду будущее переопределение килограмма[27]. В последующее десятилетие рядом международных организаций велась работа по выработке предварительных предложений о переопределении килограмма[28].

Перспективы[править | править вики-текст]

В 2011 году XXIV Генеральная конференция по мерам и весам приняла Резолюцию[29], в которой предложено в будущей ревизии Международной системы единиц (СИ) продолжить переопределение основных единиц таким образом, чтобы они были основаны не на созданных человеком артефактах, а на фундаментальных физических постоянных или свойствах атомов.

В частности, предполагается, что СИ станет системой единиц, в которой постоянная Планка h равна 6,626 06X·10−34 Дж·c точно[30]. Результатом этого должна явиться отмена ныне действующего определения килограмма и принятие нового. Как сказано в Резолюции, «килограмм останется единицей массы, но его величина будет установлена путём фиксации численного значения постоянной Планка в точности равным 6,626 06X·10−34, когда оно выражается единицей СИ м2·кг·с−1, которая равна Дж·с». В Резолюции также отмечается, что сразу после предполагаемого переопределения килограмма масса его международного прототипа будет равна 1 кг, но это значение приобретёт погрешность и впоследствии будет определяться экспериментально.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. ГОСТ 8.417-2002. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин.
  2. Определение килограмма на сайте Международного бюро мер и весов
  3. The Concise Oxford Dictionary. — Oxford: The Clarendon Press, 1964.
  4. Décret relatif aux poids et aux mesures du 18 germinal an 3 (7 avril 1795) (фр.). Grandes lois de la République. Digithèque de matériaux juridiques et politiques, Université de Perpignan. Проверено 3 ноября 2011. Архивировано из первоисточника 10 мая 2013.
  5. Kilogram. Oxford English Dictionary. Oxford University Press. Проверено 3 ноября 2011. Архивировано из первоисточника 10 мая 2013.
  6. Kilogram. Oxford Dictionaries. Проверено 3 ноября 2011. Архивировано из первоисточника 10 мая 2013.
  7. Написание kilogram является современной формой, используемой Международным бюро мер и весов, Национальным институтом стандартов и технологий (NIST), Национальным метрологическим бюро (англ. National Measurement Office) Великобритании, Национальным научно-исследовательским советом Канады, и Национальным институтом измерений (англ. National Measurement Institute) Австралии.
  8. Spelling of "gram", etc. Weights and Measures Act 1985. Her Majesty's Stationery Office (30 октября 1985). Проверено 6 ноября 2011. Архивировано из первоисточника 10 мая 2013.
  9. "kilo (n1)", Oxford English Dictionary (2nd ed.), Oxford: Oxford University Press, 1989, <http://www.oed.com/viewdictionaryentry/Entry/103394>. Проверено 8 ноября 2011. 
  10. "kilo (n2)", Oxford English Dictionary (2nd ed.), Oxford: Oxford University Press, 1989, <http://www.oed.com/viewdictionaryentry/Entry/103395>. Проверено 8 ноября 2011. 
  11. Style Guide. The Economist (7 января 2002). Проверено 8 ноября 2011. Архивировано из первоисточника 10 мая 2013.
  12. kilogram, kg, kilo. Termium Plus. Government of Canada. Проверено 6 ноября 2011. Архивировано из первоисточника 10 мая 2013.
  13. kilo. How Many?. Проверено 6 ноября 2011. Архивировано из первоисточника 10 мая 2013.
  14. 29th Congress of the United States, Session 1. H.R. 596, An Act to authorize the use of the metric system of weights and measures (13 мая 1866). Архивировано из первоисточника 10 мая 2013.
  15. (28 July 1998) «Metric System of Measurement:Interpretation of the International System of Units for the United States; Notice». Federal Register (United States Department of Commerce) 63 (144). Проверено 2011-11-10. “Obsolete Units As stated in the 1990 Federal Register notice, ...”
  16. В профессиональной метрологии ускорение, вызванное притяжением Земли, принимается как стандартное ускорение свободного падения (обозначается символом g), которое определяется как точно 9,80665 м/с². Выражение 1 м/с² означает, что каждую секунду скорость изменяется на 1 метр в секунду.
  17. Вещество имеет постоянную массу в предположении, что оно не движется с релятивистской скоростью относительно наблюдателя. Согласно специальной теории относительности Альберта Эйнштейна, релятивистская масса (как её видит наблюдатель) объекта или частицы с массой покоя m0 возрастает из-за скорости как M = γm0 (где γ — Лоренц-фактор). Этот эффект пренебрежимо мал при обычных скоростях в нашем мире, которые на много порядков уступают скорости света. Например, чтобы изменить релятивистскую массу одного килограмма на 1 мкг, что примерно соответствует регистрирующим возможностям современных технологий) потребовалось бы придать ему скорость равную 0,0045 % скорости света относительно наблюдателя, что составило бы 13,4 км/с. В современной физике массой принято называть инвариантную массу, или «массу покоя», а не «релятивистскую массу».
  18. 1 2 Decree on weights and measures (7 апреля 1795). — «Gramme, le poids absolu d'un volume d'eau pure égal au cube de la centième partie du mètre, et à la température de la glace fondante.»  Архивировано из первоисточника 10 мая 2013.
  19. An Essay towards a Real Character and a Philosophical Language (Reproduction) (PDF). Проверено 3 апреля 2011. Архивировано из первоисточника 10 мая 2013.
  20. An Essay towards a Real Character and a Philosophical Language (Transcription) (PDF). Проверено 3 апреля 2011. Архивировано из первоисточника 10 мая 2013.
  21. Эта же директива определила литр как «единицу измерения объёма как для жидкостей, так и для твёрдых тел, которая равна объёму куба [со стороной] в десятую часть метра». Оригинальный текст: «Litre, la mesure de capacité, tant pour les liquides que pour les matières sèches, dont la contenance sera celle du cube de la dixièrne partie du mètre.»
  22. Современные измерения показывают, что температура, при которой вода имеет наибольшую плотность составляет 3,984 °C. Однако учёные конца XVIII века заключили, что она была 4 °C.
  23. L'histoire du mètre, la détermination de l'unité de poids. Архивировано из первоисточника 10 мая 2013.
  24. Временный эталон килограмма был изготовлен в соответствии с единственным неточным измерением плотности воды, сделанным ранее Антуаном Лавуазье и Рене Жюст Гаюи, которое показало, что один кубический дециметр дистиллированной воды при 0 °C имеет массу в 18 841 гран согласно французской системе мер (англ. Units of measurement in France), которой скоро предстояло исчезнуть. Более новое и аккуратное измерение, проведённое Лефёвром, Жино и Фабброни показало, что масса кубического дециметра воды при температуре 4 °C составляет 18 827,15 гран.
  25. Why change the SI?  (англ.) на сайте Международного бюро мер и весов
  26. 1 2 3 Килограмм — статья из Большой советской энциклопедии (3-е издание). К. П. Широков
  27. The definition of the kilogram Resolution 7 of the 21st meeting of the CGPM (1999)
  28. Каршенбойм С. Г. О переопределении килограмма и ампера в терминах фундаментальных физических констант // УФН. — 2006. — Т. 176. — № 9. — С. 975-982.
  29. On the possible future revision of the International System of Units, the SI. Resolution 1 of the 24th meeting of the CGPM (2011).
  30. Здесь Х заменяет одну или более значащих цифр, которые будут определены в окончательном релизе на основании наиболее точных рекомендаций CODATA.

Литература[править | править вики-текст]

Логотип Викисловаря
В Викисловаре есть статья «килограмм»
  • Смирнова Н. А. Единицы измерений массы и веса в Международной системе единиц. — М, 1966.