Килограмм

Статья на основе материалов из Википедии

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 у других прототипов, 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). Кроме того, является единицей массы и относится к числу основных единиц в системах МКС, МКСА, МКСК, МКСГ, МКСЛ, МКГСС[5].

Действующее определение килограмма принято III Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1901 году и формулируется так[6][7]:

Килограмм — 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 было введено понятие не килограмма, а грамма, который был определён в 1795 году как вес одного кубического сантиметра чистой воды при температуре таяния льда[1][8], 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.

Современный международный эталон килограмма был выпущен Генеральной конференцией по мерам и весам в 1889 году на основе Метрической конвенции (1875) 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 XXIV ГКМВ пришла к соглашению, что килограмм должен быть переопределён на основе постоянной Планка, но отложила окончательное решение до следующей конференции в 2014 году. XXV ГКМВ, состоявшаяся в 2014 году, приняла решение продолжить работу по подготовке новой ревизии СИ, включающей переопределение килограмма, и предварительно наметила закончить эту работу к 2018 году с тем, чтобы заменить существующую СИ обновлённым вариантом на XXVI ГКМВ[9].

Международный эталон килограмма практически не подвергается какому-либо перемещению или использованию. Его копии хранятся в национальных метрологических учреждениях по всему миру. В 1889, 1948, 1989 и 2014 годах проводились верификации копий с эталоном с целью обеспечить единство измерений массы относительно эталона[10].

Этимология и употребление

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»[11]. Французское написание слова перешло в Великобританию, где впервые оно было использовано в 1797 году,[12]Написание kilogram является современной формой, используемой Международным бюро мер и весов, Национальным институтом стандартов и технологий (NIST), {{ }#invoke:Не переведено|main|o=1|l={{{leave|}> }}|a={{{text|{}}}}}} Великобритании, Национальным научно-исследовательским советом Канады, и {{ }#invoke:Не переведено|main|o=1|l={{{leave|}> }}|a={{{text|{}}}}}} Австралии. {{ }#invoke:Не переведено|main|o=1|l={{{leave|}> }}|a={{{text|{}}}}}} в Великобритании не запрещает использование обоих написаний.

В XIX веке французское слово «kilo», сокращение от «kilogramme», было заимствовано в английский язык, где стало применяться для обозначения как килограммов[13] В то время как использование «kilo» приемлемо в общих случаях, например в журнальных публикациях (The Economist),[14][15] но в 1990 году это было отменено.

Природа массы

Килограмм является единицей массы, величины, которая соотносится с общим представлением людей о том, насколько тяжела та или иная вещь. В терминах физики, масса характеризует два различных свойства тела: гравитационное взаимодействие с другими телами и инертность. Первое свойство выражается законом всемирного тяготения: гравитационное притяжение прямо пропорционально произведению масс. Инертность находит отражение в первом (скорость объектов остаётся неизменной до тех пор, пока на них не воздействует внешняя сила) и втором законе Ньютона: a = F/m; то есть 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)[16], когда на этот объект действует сила (или равнодействующая всех сил) в 1 ньютон. По современным представлениям, гравитационная и инертная массы эквивалентны.

В то время как вес тела зависит от местной силы гравитации, масса всегда постоянна. Соответственно, для космонавтов в состоянии невесомости не требуется никаких усилий, чтобы удерживать какой-либо предмет над полом. Однако поскольку объекты в состоянии невесомости сохраняют свою массу и инерцию, космонавт должен приложить усилие для того, чтобы придать ускорение объекту; это усилие тем больше, чем больше масса объекта.

Поскольку вес пропорционален массе, масса объекта обычно измеряется путём сравнения его веса с весом тела стандартной массы с помощью прибора, который называется «весы». Отношение гравитационных сил, действующих на объекты, измеренное весами, равно отношению их масс.

История

7 апреля 1795 года грамм был принят во Франции как «абсолютный вес объёма чистой воды, равного кубу стороной в сотую часть метра, и при температуре тающего льда»[1]. 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[17][18].

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[19][1]. Хотя принятое определение килограмма указало температуру воды 0 °C — это весьма устойчивая температурная точка — французский химик {{ }#invoke:Не переведено|main|o=1|l={{{leave|}> }}|a={{{text|{}}}}}} и итальянский натуралист {{ }#invoke:Не переведено|main|o=1|l={{{leave|}> }}|a={{{text|{}}}}}} 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[20] . Они решили, что 1 дм³ воды при своей максимальной плотности эквивалентен 99,9265 % массы временного эталона килограмма, изготовленного четыре года назадВременный 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 {{ }#invoke:Не переведено|main|o=1|l={{{leave|}> }}|a={{{text|{}}}}}}, 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.

Кратные и дольные единицы

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.

Эталон килограмма

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[3].

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[2].

Нынешний эталон был изготовлен в 1889 году из платиново-иридиевого сплава в виде цилиндра высотой и диаметром 39 мм[2]. 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[2], они хранятся во ВНИИ метрологии им. Менделеева.

За время, прошедшее с изготовления международного эталона, его несколько раз сравнивали с национальными копиями. Измерения показали рост массы копий относительно эталона в среднем на 50 мкг за 100 лет[3][21]. Хотя абсолютное изменение массы международного эталона не может быть определено с помощью существующих методов измерения, оно определённо должно иметь место[3].

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[22]. В последующее десятилетие рядом международных организаций велась работа по выработке предварительных предложений о переопределении килограмма[23].

Перспективы

В 2011 году XXIV Генеральная конференция по мерам и весам приняла Резолюцию, 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[4].

В частности, предполагается, что СИ станет системой единиц, в которой постоянная Планка h равна 6,62606X Дж·c точно[24]. 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, когда она 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.

В принципиальном плане возможно альтернативное определение килограмма, основанное на результатах работы The Avogadro Project. Команда проекта, создав сферу из изотопа кремния 28Si массой 1 кг и рассчитав количество атомов в ней, предполагает описать килограмм как определённое количество атомов данного изотопа кремния[25]. Однако Международное бюро мер и весов использовать такой вариант определения килограмма не планирует[4][26].

См. также

Примечания

Комментарии

  1. Decree on weights and measures — 1795-04-07 — 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. — fr — 2013-05-10
  2. Большая советская энциклопедия / гл. ред. А. М. Прохоров : Советская энциклопедия, 1969—1978
  3. Why change the SI? на сайте Международного бюро мер и весов
  4. On the future revision of the International System of Units, the SI — Resolution 1 of the 24th CGPM (2011) / BIPM — 2015-11-11 — en
  5. Единицы величин. Словарь-справочник — М. : Издательство стандартов, 1990 — 240 — 61 — ISBN 5-7050-0118-5
  6. Unit of mass (kilogram) — SI Brochure: The International System of Units (SI) edition, 2006; updated in 2014 / BIPM — 2015-11-11 — en
  7. Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации — Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений / Росстандарт — 2018-02-28
  8. Nouveau Dictionnaire portatif de la Langue Françoise — https://books.google.ru/books?id, 1797 — 2 — 695
  9. On the future revision of the International System of Units, the SI — Resolution 1 of the 25th CGPM (2014) / BIPM — 2015-10-8 — en
  10. Verifications — Resolution 1 of the 25th CGPM (2014) / BIPM — 2015-10-8 — en
  11. Слово «kilogramme» закреплено во французском языке в 1795 году
  12. , 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.
  13. , так и километров.
  14. его использование обычно считается недопустимым в определённых областях, таких как научные публикации, тексты законов и техническая документация, где авторы должны придерживаться правил СИ.
  15. Когда Конгресс США легализировал метрическую систему в 1866 году, он разрешил использование слова «kilo» как альтернативу слову «kilogram»,
  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. An Essay towards a Real Character and a Philosophical Language (Reproduction) — PDF — 2011-04-03 — 2013-05-10
  18. An Essay towards a Real Character and a Philosophical Language (Transcription) — PDF — 2011-04-03 — 2013-05-10
  19. Эта же директива определила литр как «единицу измерения объёма как для жидкостей, так и для твёрдых тел, которая равна объёму куба 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.»
  20. 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.
  21. Towards a redefinition of the kilogram — The BIPM watt balance / BIPM — 2015-10-10 — en
  22. The definition of the kilogram Resolution 7 of the 21st meeting of the CGPM (1999)
  23. Каршенбойм С. Г. О переопределении килограмма и ампера в терминах фундаментальных физических констант — http://ufn.ru/ufn06/ufn06_9/Russian/r069d.pdf — УФН, 2006 — 176 — 9 — 975-982
  24. Здесь Х заменяет одну или более значащих цифр, которые будут определены в окончательном релизе на основании наиболее точных рекомендаций CODATA.
  25. The Avogadro Project
  26. On the future revision of the International System of Units, the SI — Resolution 1 of the 25th CGPM (2014) / BIPM — 2015-11-11 — en

Источники

  1. Decree on weights and measures — 1795-04-07 — 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. — fr — 2013-05-10
  2. Большая советская энциклопедия / гл. ред. А. М. Прохоров : Советская энциклопедия, 1969—1978
  3. Why change the SI? на сайте Международного бюро мер и весов
  4. On the future revision of the International System of Units, the SI — Resolution 1 of the 24th CGPM (2011) / BIPM — 2015-11-11 — en
  5. Единицы величин. Словарь-справочник — М. : Издательство стандартов, 1990 — 240 — 61 — ISBN 5-7050-0118-5
  6. Unit of mass (kilogram) — SI Brochure: The International System of Units (SI) edition, 2006; updated in 2014 / BIPM — 2015-11-11 — en
  7. Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации — Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений / Росстандарт — 2018-02-28
  8. Nouveau Dictionnaire portatif de la Langue Françoise — https://books.google.ru/books?id, 1797 — 2 — 695
  9. On the future revision of the International System of Units, the SI — Resolution 1 of the 25th CGPM (2014) / BIPM — 2015-10-8 — en
  10. Verifications — Resolution 1 of the 25th CGPM (2014) / BIPM — 2015-10-8 — en
  11. Слово «kilogramme» закреплено во французском языке в 1795 году
  12. , 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.
  13. , так и километров.
  14. его использование обычно считается недопустимым в определённых областях, таких как научные публикации, тексты законов и техническая документация, где авторы должны придерживаться правил СИ.
  15. Когда Конгресс США легализировал метрическую систему в 1866 году, он разрешил использование слова «kilo» как альтернативу слову «kilogram»,
  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. An Essay towards a Real Character and a Philosophical Language (Reproduction) — PDF — 2011-04-03 — 2013-05-10
  18. An Essay towards a Real Character and a Philosophical Language (Transcription) — PDF — 2011-04-03 — 2013-05-10
  19. Эта же директива определила литр как «единицу измерения объёма как для жидкостей, так и для твёрдых тел, которая равна объёму куба 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.»
  20. 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.
  21. Towards a redefinition of the kilogram — The BIPM watt balance / BIPM — 2015-10-10 — en
  22. The definition of the kilogram Resolution 7 of the 21st meeting of the CGPM (1999)
  23. Каршенбойм С. Г. О переопределении килограмма и ампера в терминах фундаментальных физических констант — http://ufn.ru/ufn06/ufn06_9/Russian/r069d.pdf — УФН, 2006 — 176 — 9 — 975-982
  24. Здесь Х заменяет одну или более значащих цифр, которые будут определены в окончательном релизе на основании наиболее точных рекомендаций CODATA.
  25. The Avogadro Project
  26. On the future revision of the International System of Units, the SI — Resolution 1 of the 25th CGPM (2014) / BIPM — 2015-11-11 — en

Литература

  • Смирнова Н. А. Единицы измерений массы и веса в Международной системе единиц — М, 1966

Ссылки

Единицы СИ
Основные единицы
Производные единицы
со специальными наименованиями
Принятые для
использования с СИ
См. также