Кілограм

Шаблон:Infobox unit Кілогра́м (Шаблон:Lang-en) — одиниця вимірювання маси в Міжнародній системі одиниць (SI) та деяких інших метричних системах. За попереднім означенням, прийнятим III Генеральною конференцією з мір і ваг (ГКМВ) у 1901 році: один кілограм є одиницею маси, що дорівнює масі міжнародного прототипу кілограма.

Чинне визначення (2018): Шаблон:Рамка кілограм визначається через сталу Планка h, яка точно дорівнює 6,62607015×10⁻³⁴ Дж⋅с (кг⋅м²⋅с⁻¹), та визначення метра і секунди. Шаблон:/рамка Тут метр визначається фіксацією числового значення швидкості світла у вакуумі c = 299 792 458 в одиницях м⋅с⁻¹, а секунда визначається через частоту випромінювання $\mathrm{\Delta }{\nu }_{Cs}$ що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133.

Визначений у цих одиницях кілограм записується так:

кг = Шаблон:Math = Шаблон:Math ≈ Шаблон:Math.

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

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 SI є ньютон.

Оскільки маса прототипу кілограма змінюється з часом, а точне визначення основної одиниці SI важливе для точних вимірювань багатьох фізичних величин, у 2005 році Міжнародний комітет мір і ваг ухвалив рішення про необхідність перевизначення кілограма через фундаментальні фізичні сталі. XXVI Генеральна конференція з мір і ваг (13—16 листопада 2018 року) схвалила нове визначення кілограма, засноване на фіксації чисельного значення постійної Планка. Рішення набуло чинності 20 травня 2019 року. За цього з практичної точки зору значення кілограма як одиниці вимірювання не змінюється, але існуючий «прототип» (еталон) більше не визначатиме кілограм, а буде переданий до музею.

Етимологія терміна та варіанти його вживання

Слово «кілограм» має походження від Шаблон:Lang-fr, яке, своєю чергою, утворилося від слів Шаблон:Lang-el (chilioi), що означає «тисяча», та Шаблон:Lang-el (gramma), що означає «маленька вага». Слово «kilogramme» було закріплене у французькій мові у 1795 році. Французький варіант написання слова перейшов у Велику Британію, де вперше був використаний у 1797 році, тоді як у США слово було узаконене у формі «kilogram». У Великій Британії використовуються обидва варіанти написання, хоча варіант «kilogram» стає поширенішим. Написання kilogram є сучасною формою, яка застосовується Міжнародним бюро мір і ваг, Національним інститутом стандартів і технології (NIST), Шаблон:Не перекладено Великої Британії, Шаблон:Не перекладено та Шаблон:Не перекладено Австралії. Шаблон:Не перекладено у Великій Британії не забороняє використання обох варіантів написань.

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

Історія

Сучасний кілограм бере свій початок в епоху Просвітництва та Французької революції. У 1790 р. впливовий французький політик і дипломат Талейран-Перігор закликав створити нову систему одиниць вимірювання, що включає одиницю довжини, отриману з незмінної довжини в природі, і одиницю маси (тоді ваги), рівну масі одиниці об'єму води. У 1791 р. Комісія мір і ваг, призначена Французькою академією наук, вибрала одну десятимільйонну половини довжини меридіана як одиницю довжини і назвала її метром. Спочатку тимчасово використовувалося значення меридіана, отримане на основі вимірювання, проведеного в 1740 р. Луї де Лакайлем. У 1793 році Комісія визначила одиницю маси як масу кубічного дециметра дистильованої води за температури 0 °С і дала їй назву грав. Дві додаткові одиниці — гравет (0,001 грава) та бар (1000 грав) — були додані, щоб охопити той самий діапазон, що й старі одиниці, що призвело до наступного десяткового ряду одиниць: мілігравет, сантигравет, децигравет, гравет, сантиграв, дециграв, грав, сантибар, децибар, бар. Зв'язок із звичною одиницею маси (гран), що використовувалась на той час у Франції, був встановлений Лавуазьє та Аюї: 1 грав = 18841 гран.

Оскільки еталон одиниці маси на основі води був би незручним і нестабільним, регулювання торгівлі вимагало практичнішої реалізації визначення одиниці маси. Тому еталон одиниці маси грава був виготовлений як цілісний металевий артефакт.

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». Також було замінено назви інших одиниць — гравета, грава та бара. Новий грам дорівнював старому гравету. Чотири нові префікси (дека-, гекто-, кіло- та міріа-) були додані до метричної системи, щоб охопити майже той самий діапазон одиниць, що і в 1793 році (міліграм, сантиграм, дециграм, грам, декаграм, гектограм, кілограм, міріаграм). Латунний прототип грава був перейменований на попередній кілограм. Кілограм за такого означення був кратною граму 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 −4 °C, за якої густина води найбільша . 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

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 була циліндрична гиря висотою і діаметром 39 міліметрів, що зберігається в Міжнародному бюро мір і ваг 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 I Генеральною конференцією мір і ваг 1889 року.

Крім власне прототипу, що носить назву IPK (Шаблон:Lang-en), у Міжнародному бюро мір і ваг (м. Сен-Клу, Франція) зберігається ще шість його копій за номерами: K1, 7, 8(41), 32, 43 та 47. Ще десять робочих копій (9, 31, 42′, 63, 77, 88, 91 та 650) для звичайного калібрування і дві (25 та 73) для спеціального використання, знаходяться також у Сен-Клу.

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

Розмежування маси і ваги

Шаблон:Multiple image 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: Шаблон:Math; тобто об'єкт масою Шаблон:Math в 1 кг набуде прискорення Шаблон:Math 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, I Генеральна конференція мір і ваг (1889) затвердила міжнародний прототип кілограма як прототип одиниці маси. У рішеннях 3-ї 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

Зміна маси національних прототипів кілограма Шаблон:Nowrap та сестринських копій K32 і K8(41) з часом відносно міжнародного прототипу. 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, було 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»).

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

Пропозиції нового еталону

До 2018 року кілограм залишався єдиною одиницею SI, 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 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, значення якої фіксувалося б точно. Резолюція була прийнята XXIV Генеральною конференцією мір і ваг в жовтні 2011 року, а крім того дата XV конференції була перенесена з 2015 на 2014 рік. 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

З історичних причин, назва «кілограм» уже містить десятковий префікс «кіло», тому кратні й частинні одиниці утворюють, шляхом приєднання стандартних префіксів SI до назви або позначення одиниці вимірювання «грам» (яка у системі SI 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.

Співвідношення з іншими одиницями маси

1 технічна одиниця маси (kgt) = 9,80665 кг

1 гамма (γ) = 1×10−9 кг = 1 мкг

1 гран (gr) ≈ 6,479891×10−5 кг

1 скрупул (scr)≈ 1,295978×10−3 кг

1 пенівейт (dwt) ≈ 1,555174×10−3 кг

1 драхма брит. (dr, dr.av) ≈ 1,77184×10−3 кг

1 фармаційна драхма (dr ap) ≈ 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 торговельний брит. (lb, lb.av) ≈ 0,45359237 кг

1 фунт фармаційний і тройський (lb.ap, lb.tr) ≈ 0,3732417 кг

1 Шаблон:Не перекладено (slug) = 14,5939 кг

1 стоун (stone) = 6,35029318 кг

1 квартер (qr, qr.av) ≈ 12,7006 кг

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

• Атомна одиниця маси
• Грав — початкова назва кілограма
• Кілограм-сила
• Кілограм-сила-метр
• Міжнародна система одиниць (SI)

Джерела

1. Наказ Міністерства економічного розвитку та торгівлі України від 25.08.2015 № 914. Шаблон:Webarchive Про затвердження визначень основних одиниць SI, назв та визначень похідних одиниць SI, десяткових кратних і частинних від одиниць SI, дозволених позасистемних одиниць, а також їх позначень та Правил застосування одиниць вимірювання і написання назв та позначень одиниць вимірювання і символів величин.
2. Шаблон:Книга
3. Шаблон:Книга

Посилання

• Шаблон:СУМ-11
• Кілограм Шаблон:Webarchive / Шаблон:УРЕ
• Шаблон:БСЭ
• Шаблон:Cite web
• Біленко І. І. Фізичний словник. — К.: Вища школа, Головне видав. 1979. — 336 с.