Кілограм

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Кілограм
1kg with creditcard.JPG
Однокілограмова чавунна гиря, виготовлена згідно з рекомендаціями R52 Міжнародної організації законодавчої метрології для чавунних шестикутних гир[1]
Інформація про одиницю вимірювання
Система одиниць Міжнародна система одиниць (СІ)
Одиниця Маса
Символ кг або kg
Перерахунок в інші системи
1 кг в... дорівнює...
   Евердьюпойс    ≈ 2.205 фунтів

Кілогра́м — одиниця вимірювання маси в Міжнародній системі одиниць (СІ) та деяких інших метричних системах. За означенням, прийнятим III Генеральною конференцією з мір і ваг (ГКМВ) у 1901 році[2]:

один кілограм є одиницею маси, що дорівнює масі міжнародного прототипу кілограма

Крім цього, кілограм входить до числа семи основних одиниць СІ, через які визначаються інші одиниці цієї системи а також, належить до числа основних одиниць в системах МКС, МКСА, МКГСС. Він є єдиною одиницею СІ з префіксом. Одиниця маси без префіксу — грам — дорівнює одній тисячній кілограма. Скорочено кілограм позначається малими літерами кг, міжнародне позначення kg[3].

Кілограм є одиницею маси, а не ваги, хоча в повсякденному вжитку поняття маси й ваги часто ототожнюють. Одиницею вимірювання сили (а вага — це сила, з якою тіло діє на опору або підвіс) у системі СІ є ньютон.

Оскільки маса прототипу кілограма змінюється з часом, а точне визначення основної одиниці СІ важливе для точних вимірювань багатьох фізичних величин, Міжнародний комітет мір і ваг 2005 року ухвалив рішення про необхідність перевизначення кілограма через фундаментальні фізичні сталі[4]. Однак остаточне рішення з цього питання очікується у листопаді 2018 року[5] після фінального голосування ГКМВ.

Етимологія терміну та варіанти його вживання[ред.ред. код]

Слово «кілограм» має походження від фр. kilogramme, котре у свою чергу утворилось від слів грец. χίλιοι (chilioi), що означає «тисяча» та грец. γράμμα (gramma), що означає «маленька вага»[6] Слово «kilogramme» було закріплене у французькій мові у 1795 році[7]. Французький варіант написання слова перейшов у Велику Британію, де вперше був використаний у 1797 році[8], тоді як у США слово було узаконене у формі «kilogram». У Великій Британії використовуються обидва варіанти написання, хоча варіант «kilogram» стає поширенішим[9]. Написання kilogram є сучасною формою, яка застосовується Міжнародним бюро мір і ваги, Національним інститутом стандартів і технології (NIST), Національним метрологічним бюро[en] Великої Британії, Національною науково-дослідницькою радою Канади[en] та Національним інститутом вимірювань[en] Австралії. Положення про міри й ваги[en] у Великій Британії не забороняє використання обох варіантів написань[10].

У XIX столітті французьке слово «kilo», як скорочення від «kilogramme», було запозичене в англійську, де стало використовуватись для означення як кілограмів[11], так і кілометрів[12]. У той час як використання «kilo» було прийнятним у загальних випадках, наприклад у журнальних публікаціях (The Economist)[13], його використання зазвичай вважається недопустимим у певних галузях, таких як наукові публікації, тексти законів чи технічна документація, де автори зобов'язані дотримуватись правил СІ[14][15]. Коли Конгрес США легалізував метричну систему у 1866 році, він дозволив використання слова «kilo» як альтернативу до слова «kilogram»[16], але у 1990 році це рішення було скасоване[17].

Історія[ред.ред. код]

Кілограм як одиницю вимірювання маси було запропоновано після Великої французької революції з метою впорядкування системи одиниць із застосуванням десяткової системи. 7 квітня 1795 року було проголошено нову одиницю грам як «абсолютну вагу об'єму води, рівному кубу одної сотої частини метра за температури плавлення льоду»[18]. Кілограм за такого означення був похідною одиницею, рівною тисячі грамів. З огляду на те, що еталон у вигляді певної кількості води був ненадійним, постала проблема його практичної реалізації. Було виготовлено тимчасовий металевий еталон вагою у 1000 грамів. Водночас було поставлено завдання точного вимірювання маси одного кубічного дециметра, тобто літра, води.

Після кількох років досліджень французький хімік Луї Лефевр-Жіно та італійський натураліст Джовані Фабброні дійшли висновку, що найточніше визначення буде не за температури плавлення льоду (0 °C) а за температури, коли густина води найбільша — 4 °C. Визначена маса становила 99,9265 % тимчасового еталона. 1799 року було виготовлено платиновий еталон, маса якого відповідала масі літра води за температури 4 °C. Цей кілограм отримав назву кілограма архіву і слугував еталоном впродовж наступних 90 років.

Міжнародний прототип кілограма[ред.ред. код]

Один з еталонів кілограма (США)

1875 року 17 країн світу підписали Метричну конвенцію, яка започаткувала процес створення міжнародної системи одиниць. На виконання цієї домовленості було виготовлено новий Міжнародний прототип кілограма.

Сучасним еталоном кілограма є циліндрична гиря висотою і діаметром 39 міліметрів, що зберігається в Міжнародному бюро мір і ваги у Севрі (передмістя Парижа, Франція). Цю гирю відлито 1879 року зі сплаву платини (90 %) та іридію (10 %), вперше виготовленого французьким хіміком Сент-Клер Девілем 1872 року. Завдяки використанню сплаву платини й іридію збільшилася твердість зразка.

Прототип було затверджено 1-ою Генеральною конференцією мір і ваг 1889 року.

Крім власне прототипу, що носить назву IPK (англ. international prototype kilogram), в Міжнародному бюро мір і ваги (м. Сен-Клу, Франція) зберігається ще шість його копій за номерами:K1, 7, 8(41)[19], 32, 43 та 47[20]. Ще десять робочих копій (9, 31, 42′, 63, 77, 88, 91 та 650)[21] для звичайного калібрування і дві (25 та 73) для спеціального використання[22], знаходяться також у Сен-Клу.

Понад 100 прототипів цього еталона також зберігаються в інших країнах як національні прототипи[23].

Розмежування маси і ваги[ред.ред. код]

Вимірювання маси через вагу тіла — дія сили тяжіння на об'єкт вимірювання викликає деформацію пружини
Вимірювання гравітаційної маси — дія сили тяжіння на об'єкт вимірювання зрівноважується дією сили тяжіння на противагу

Коли кілограм було затверджено як одиницю вимірювання, ще не було чіткого розуміння різниці між масою і вагою. Маса — характеристика інертних чи гравітаційних властивостей тіл. Перша властивість відображається у першому (швидкість тіл залишається незмінною доти, поки на них не подіє зовнішня сила) і другому законі Ньютона: a = F/m; тобто об'єкт масою m в 1 кг набуде прискорення a в 1 метр на секунду в квадраті, коли на цей об'єкт діє сила (чи рівнодійна усіх сил) в 1 ньютон, друга виражається законом всесвітнього тяжіння: гравітаційне притягування є прямо пропорційним добутку мас. Вага — це сила, з якою тіло діє на опору або підвіс. Маса тіла однакова в будь-якому місці на Землі, тоді як його вага залежить від сили тяжіння, тобто, відрізнятиметься. Вона залежить від географічної широти й довготи, висоти над рівнем моря і навіть від порід, що залягають під поверхнею у визначеному місці.

З метою усунення плутанини, що існувала на той час, 1-ша Генеральна конференція мір і ваг (1889 рік) затвердила міжнародний прототип кілограма як прототип одиниці маси. У рішеннях 3-ої Генеральної конфереції мір і ваг чітко розмежовано кілограм як одиницю сили та кілограм як одиницю маси.

Існує також окреме фундаментальне фізичне питання про рівність інерційної та гравітаційної мас, але в контексті визначення еталона кілограма воно не суттєве.

Точність еталона[ред.ред. код]

Зміна маси національних прототипів кілограма K21–K40 та сестринських копій K32 і K8(41) з часом відносно міжнародного прототипу[24]. Усі вимірювання подано як відносні. Вимірювань маси, що свідчили б про те, який із прототипів найстабільшіший щодо природних інваріантів, немає. Існує імовірність, що всі прототипи збільшили свою масу за 100 років, а K21, K35, K40 та міжнародний прототип набрали меншу масу, ніж інші.

Точність відтворення одиниці маси — кілограма — з допомогою прототипу кілограма здебільшого задовольняє запити сучасної науки й техніки (відносна похибка не перевищує 2·10−8). Проте перспективи їх розвитку потребують подальшого підвищення точності відтворення одиниць маси. Крім того, зруйновність та невідтворюваність міжнародного прототипу кілограма залишає в центрі уваги метрологів проблему встановлення природної міри для кілограма.

У результаті останнього (на 2005 рік) зіставлення копій та еталона кілограма було виявлено, що спільний еталон (який перебуває в Парижі) поважчав на 28 мікрограмів. З огляду на це, а також задля встановлення стабільного еталона маси запропоновано кілька варіантів заміни еталона кілограма на надійніший (наприклад, задаючи кількість атомів у кристалі якого-небудь хімічного елемента чи через одиниці енергії, або за допомогою так званих «обернених ампер-вагів»). Але досі альтернативне визначення кілограма не ухвалено.

Інший напрям розв'язання цієї проблеми полягає в розробленні та створенні зразків маси одноізотопного складу. Здійснені дослідження показують реальну можливість відтворення одиниці маси з точністю, що набагато перевищує будь-які практичні потреби.

Пропозиції нового еталону[ред.ред. код]

Станом на 2011 рік кілограм залишається єдиною одиницею СІ, визначеною за допомогою артефакту. Раніше такою ж одиницею був метр, але потім він був перевизначений через інваріантну фізичну сталу (довжину хвилі світла, випроміненого Криптоном), таким чином одиницю довжини стало можливим відтворити в різних лабораторіях світу, користуючись інструкціями. На 94 конференції Міжнародного комітету мір і ваг 2005 року[25] була прийнята рекомендація, що схожу процедуру потрібно провести з кілограмом.

У жовтні 2010 року Міжнародний комітет мір і ваг проголосував резолюцію, яка закликала перевизначити кілограм так, щоб він визначався через сталу Планка[26][27], значення якої фіксувалося б точно. Резолюція була прийнята 24 Генеральною конференцією мір і ваг[28] в жовтні 2011 року, а крім того дата 25 конференції була перенесена з 2015 на 2014 рік[29]. Таке визначення теоретично дозволяє будь-якому приладу, здатному визначити кілограм через сталу Планка з потрібною точністю і стабільністю, стати новим еталоном. Таку здатність мають, наприклад, ватові терези.

Кратні й частинні одиниці кілограма[ред.ред. код]

З історичних причин, назва «кілограм» уже містить десятковий префікс «кіло», тому кратні й частинні одиниці утворюють, шляхом приєднання стандартних префіксів СІ до назви або позначення одиниці вимірювання «грам» (яка у системі СІ сама є частинною: 1 г = 10−3 кг).

Замість мегаграма (1000 кг), зазвичай, використовують одиницю вимірювання «тонна».

У визначеннях потужності атомних бомб у тротиловому еквіваленті замість гігаграма застосовується кілотонна, замість тераграма — мегатонна.

Кратні Частинні
величина назва позначення величина назва позначення
101 г декаграм даг dag 10−1 г дециграм дг dg
102 г гектограм гг hg 10−2 г сантиграм сг cg
103 г кілограм кг kg 10−3 г міліграм мг mg
106 г мегаграм Мг Mg 10−6 г мікрограм мкг µg
109 г гігаграм Гг Gg 10−9 г нанограм нг ng
1012 г тераграм Тг Tg 10−12 г пікограм пг pg
1015 г петаграм Пг Pg 10−15 г фемтограм фг fg
1018 г ексаграм Ег Eg 10−18 г атограм аг ag
1021 г зетаграм Зг Zg 10−21 г зептограм зг zg
1024 г йотаграм Йг Yg 10−24 г йоктограм йг yg
   застосовувати не рекомендовано
   не застосовуються або рідко застосовуються на практиці

Співвідношення з іншими одиницями маси[ред.ред. код]

1 технічна одиниця маси (kgt) = 9,80665 кг
1 гамма (γ)[30] = 1×10−9 кг = 1 мкг
1 гран (gr) ≈ 6,479891×10−5 кг
1 скрупул (scr)≈ 1,295978×10−3 кг
1 пеннівейт (dwt) ≈ 1,555174×10−3 кг
1 драхма брит. (dr, dr.av)[31] ≈ 1,77184×10−3 кг
1 фармаційна драхма (dr ap)[31] ≈ 2,1943×10−3 кг
1 тройська унція (oz, ozt) ≈ 3,11035×10−2 кг
1 брит. унція (oz) ≈ 2,8349523×10−2 кг
1 тонна пробірна коротка (short assay ton, AT) ≈ 2,916667×10−2 кг
1 тонна пробірна довга (long assay ton, AT) ≈ 3,26667×10−2 кг
1 фунт торгівельний брит. (lb, lb.av) ≈ 0,45359237 кг
1 фунт фармаційний і тройський (lb.ap, lb.tr) ≈ 0,3732417 кг
1 слаг[en] (slug) = 14,5939 кг
1 стоун (stone) = 6,35029318 кг
1 квартер (qr, qr.av) ≈ 12,7006 кг[30]
1 центнер короткий (американський) (cwt) = 45,359237 кг
1 центнер довгий (англійський або лондонський) (sh cwt) = 50,80234544 кг
1 довга (англійська) тонна (ton, long ton) = 1016,0469088 кг
1 коротка (американська) тонна (ton, short ton) = 907,18474 кг

Див. також[ред.ред. код]

Виноски[ред.ред. код]

  1. International Recommendation R 52 - Hexagonal weights - Metrological and technical requirements. International Organization of Legal Metrology. 2004. Процитовано December 28, 2012. 
  2. Unit of mass (kilogram). SI Brochure: The International System of Units (SI) [8th edition, 2006; updated in 2014] (en). BIPM. Процитовано 2015-11-11. 
  3. ДСТУ 3651.0-97 Метрологія. Одиниці фізичних величин Основні одиниці фізичних величин міжнародної системи одиниць Основні положення, назви та позначення.
  4. 94th Meeting of the International Committee for Weights and Measures (2005) Recommendation 1: Preparative steps towards new definitions of the kilogram, the ampere, the kelvin and the mole in terms of fundamental constants
  5. von Klitzing, Klaus (February 2017). Metrology in 2019. Nature Physics 13 (2) (Springer Nature). с. 198. Bibcode:2017SSPMA..47l9503L. arXiv:1707.06785. doi:10.1360/SSPMA2017-00044. 
  6. Fowler, HW; Fowler, FG (1964). The Concise Oxford Dictionary. Oxford: The Clarendon Press. 
  7. Décret relatif aux poids et aux mesures du 18 germinal an 3 (7 avril 1795) [Decree of 18 Germinal, year III (7 April 1795) regarding weights and measures]. Grandes lois de la République (French). Digithèque de matériaux juridiques et politiques, Université de Perpignan. Архів оригіналу за 2013-05-10. Процитовано 2011-11-03. 
  8. Kilogram. Oxford English Dictionary. Oxford University Press. Архів оригіналу за 2013-05-10. Процитовано 2011-11-03. 
  9. Kilogram. Oxford Dictionaries. Архів оригіналу за 2013-05-10. Процитовано 2011-11-03. 
  10. Spelling of "gram", etc. Weights and Measures Act 1985. Her Majesty's Stationery Office. 1985-10-30. Архів оригіналу за 2013-05-10. Процитовано 2011-11-06. 
  11. «kilo (n1)». Oxford English Dictionary (2nd вид.). Oxford: Oxford University Press. 1989. http://www.oed.com/viewdictionaryentry/Entry/103394. Процитовано 2011-11-08. 
  12. «kilo (n2)». Oxford English Dictionary (2nd вид.). Oxford: Oxford University Press. 1989. http://www.oed.com/viewdictionaryentry/Entry/103395. Процитовано 2011-11-08. 
  13. Style Guide. The Economist. 2002-01-07. Архів оригіналу за 2013-05-10. Процитовано 2011-11-08. 
  14. kilogram, kg, kilo. Termium Plus. Government of Canada. Архів оригіналу за 2013-05-10. Процитовано 2011-11-06. 
  15. kilo. How Many?. Архів оригіналу за 2013-05-10. Процитовано 2011-11-06. 
  16. 29th Congress of the United States, Session (1866-05-13). H.R. 596, An Act to authorize the use of the metric system of weights and measures. Архів оригіналу за 2013-05-10. 
  17. Metric System of Measurement:Interpretation of the International System of Units for the United States; Notice. Federal Register 63 (144) (United States Department of Commerce). 28 July 1998. с. 40340. Процитовано 2011-11-10. «Obsolete Units As stated in the 1990 Federal Register notice,» 
  18. Decree on weights and measures. 1795-04-07. Архів оригіналу за 2013-05-10. «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.» 
  19. Прототип № 8(41) випадково був проштампований номером 41, але його аксесуари носили правильний номер 8. Оскільки прототип з позначкою 8 відсутній, цей прототип називається 8(41)
  20. Richard Davis The SI unit of mass // «Metrologia» November 2003. - DOI: 10.1088/0026-1394/40/6/001
  21. Номери 42 ', 77 і 650 називаються «стандартами», а не «прототипами» через дещо занижену масу отриману при виготовленні. Не зважаючи на те, що їх маса менша від номінальної на понад 1 мг, вони ідентичні до прототипів і використовуються під час звичайного калібрування
  22. Stock, Michael; Barat, Pauline; Davis, Richard S.; Picard, Alain; Milton, Martin J. T. (24 March 2015). Calibration campaign against the international prototype of the kilogram in anticipation of the redefinition of the kilogram part I: comparison of the international prototype with its official copies. Metrologia 52 (2). с. 310–316. Bibcode:2015Metro..52..310S. doi:10.1088/0026-1394/52/2/310. 
  23. Calibration and characterization certificates: Mass на сайті Міжнародного бюро мір і ваги (англ.)
  24. G. Girard (1994). The Third Periodic Verification of National Prototypes of the Kilogram (1988–1992). Metrologia 31 (4). с. 317–336. doi:10.1088/0026-1394/31/4/007. 
  25. Recommendation 1: Preparative steps towards new definitions of the kilogram, the ampere, the kelvin and the mole in terms of fundamental constants 94th meeting of the International Committee for Weights and Measures. October 2005. с. 233. Процитовано 3 November 2011. 
  26. NIST Backs Proposal for a Revamped System of Measurement Units. Nist.gov. Архів оригіналу за 2013-06-23. Процитовано 2011-04-03. 
  27. Ian Mills (2010-09-29). Draft Chapter 2 for SI Brochure, following redefinitions of the base units. CCU. Архів оригіналу за 2013-06-23. Процитовано 2011-01-01. 
  28. Resolution 1 - On the possible future revision of the International System of Units, the SI 24th meeting of the General Conference on Weights and Measures. Sèvres, France. 17 - 21 October 2011. Процитовано 25 October 2011. 
  29. Генеральна конференція мір і ваг (23 October 2011). "General Conference on Weights and Measures approves possible changes to the International System of Units, including redefinition of the kilogram.". Прес-реліз. Переглянутий 25 October 2011.
  30. а б Cardarelli, François Encyclopaedia of Scientific Units, Weights and Measures: Their SI Equivalences and Origins, London: Springer, 2003. — ISBN 978-1-4471-1122-1
  31. а б Russ Rowlett. How Many? A Dictionary of Units of Measurement (en). University of North Carolina at Chapel Hill. Архів оригіналу за 2012-07-02. Процитовано 2010-10-22. 

Джерела[ред.ред. код]

  • Сук О. П., Базакуца В. А. Фізичні величини та одиниці. — Х. : ХДПУ, 1998. — 320 с.
  • Смирнова Н. А. Единицы измерений массы и веса в международной системе единиц.. — М. : Издательство комитета стандартов, мер и измерительных приборов при Совете министров СССР, 1966. — 60 с.

Посилання[ред.ред. код]