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Pour les articles homonymes, voir kg.Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse dans le Système international d’unités (SI)[1].
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Le gramme a été introduit lors de l’unification des mesures régionales décidée pendant la Révolution française par la loi du 18 germinal an III (7 avril 1795), art. VI ds Bulletin des lois, 1re série, no 135. C’est un des éléments de la triade « longueur-masse-volume » : décimètre-(kilo)gramme-litre de cette unification.
Le gramme était initialement défini comme la masse d’un centimètre cube d’eau à la température de 4 °C, qui correspond à un maximum de masse volumique.
Le 22 juin 1799, un étalon en platine d’un kilogramme (nom originel, le grave), soit la masse d’un décimètre cube d’eau, fut déposé (ainsi qu’un étalon du mètre) aux Archives de France, grâce aux précédents travaux de divers savants, en particulier Lavoisier (guillotiné en 1794).
Cet étalon devint par définition la représentation du kilogramme (mille grammes) par la loi du 10 décembre 1799.
En 1875, l’unité de masse fut redéfinie comme « kilogramme », qui devint ainsi la seule unité du SI incluant un préfixe multiplicateur[2].
Un nouvel étalon en platine iridié de masse pratiquement identique au kilogramme des Archives devait être réalisé dès 1875, mais la coulée fut rejetée car la proportion d’iridium, 11,1 %, se trouvait en dehors des 9 - 11 % spécifiés. Ce n’est qu’en 1889 que le kilogramme des Archives fut remplacé par le prototype international du kilogramme, conservé depuis cette date au pavillon de Breteuil, parfois nommé le grand K[3].
Le kilogramme est actuellement défini comme la masse de ce prototype au pavillon de Breteuil, un cylindre en platine iridié (90 % platine et 10 % iridium) de 39,17 mm de diamètre et 39,17 mm de haut[4] déclaré unité SI de masse depuis 1889 par le Bureau international des poids et mesures (BIPM)[1].
Cette unité de mesure est la dernière du SI à être définie au moyen d’un étalon matériel fabriqué par l’homme, c’est-à-dire un artefact. Celui-ci est conservé sous trois cloches de verre scellées dont il n’est extrait que pour réaliser des étalonnages (opération qui n’a eu lieu que trois fois depuis sa création).
Malgré ces précautions, la masse théorique (entendu dans ce sens, la masse qu'il ferait si on trouvait une autre définition au kilogramme) du prototype a déjà varié de quelques microgrammes par rapport aux masses de copies. Il est souvent incorrectement dit que la masse théorique du prototype aurait diminué de l'équivalent d'un grain de sable de 0,4 mm de diamètre[5]. En fait, on sait seulement que les masses des copies ont augmenté par rapport au prototype. En plus, il est probable que la masse théorique du prototype a aussi augmenté, mais moins que celles des copies. Il est aussi possible que les masses des copies et la masse théorique du prototype aient diminué mais que la masse théorique du prototype ait diminué plus rapidement que les masses des copies[6],[7]. En tout état de cause, par définition, la masse réelle du prototype est elle toujours restée immuable à 1 kg.
Selon James Clerk Maxwell (1831 - 1879) :
« Même si le repère cylindrique du kilogramme est abrité dans un coffre spécial, dans des conditions contrôlées au BIPM, sa masse (théorique) peut dériver légèrement au fil des ans et il est sujet à des modifications de masse (théorique) en raison de la contamination, la perte de matériau de surface par nettoyage, ou d’autres effets. Une propriété de la nature est, par définition, toujours la même et peut en théorie être mesurée n’importe où, alors que le kilogramme est accessible uniquement au BIPM et pourrait être endommagé ou détruit. »
Afin d’assurer la stabilité à long terme du système international d’unités, la 21e Conférence générale des poids et mesures, en 2000[9], a recommandé que « les laboratoires nationaux poursuivent leurs efforts pour affiner les expériences qui relient l’unité de masse à des constantes fondamentales ou atomiques et qui pourraient, dans l’avenir, servir de base à une nouvelle définition du kilogramme. »
Depuis que le SI a défini les valeurs des constantes de Josephson (CIPM (1988) Recommandation 1, PV 56; 19) et von Klitzing (CIPM (1988), Recommandation 2, PV 56; 20), il est possible de combiner ces valeurs (KJ ≡ 4,835 979×10+14 Hz/V et RK ≡ 2,581 280 7×10+4 Ω) avec la définition de l’ampère afin de définir le kilogramme comme ceci :
« Le kilogramme est la masse qui subirait une accélération de précisément 2×10-7 m/s2 lorsqu’elle est soumise à la force par mètre entre deux conducteurs parallèles, rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire négligeable, placés à une distance d’un mètre l’un de l’autre dans le vide, et à travers desquels passe un courant électrique constant d’exactement 6,24150962915265×1018 charges élémentaires par seconde. »
Ces unités sont aussi utilisées en physique relativiste comme unités d’énergie (via la relation E=mc2).
Il est possible que, lors de la prochaine convention du BIPM, le gramme soit défini comme unité dérivée, et la valeur de la constante de Planck (h) soit figée à : 6,62606901×10-34 J⋅s.
Cela dépendra de la précision améliorée de la balance du watt et de sa concordance avec la précision améliorée de la mesure de la masse d’une mole de silicium très pur, ce qui dépend de la précision du mètre « rayons X », qui pourra s’améliorer via les travaux du physicien Theodor W. Hänsch[10],[11].
Une autre approche serait de se baser sur le poids d’un nombre défini d’atomes. Ce décompte n’est pas simple et pourrait être simplifié dans le cas d’un cristal pur permettant ainsi de connaître le nombre d’atomes par unité de volume. Des tentatives en ce sens ont été faites grâce à la fabrication d’une sphère (relativement facile à usiner) de silicium, en tenant compte de la proportion des différents isotopes. La précision ainsi obtenue est de 3 sur 10 millions. Une boule de silicium 28 pourrait atteindre une précision de 2 pour 100 millions à l’horizon 2010[12].
Comme l’unité de base « kilogramme » comporte déjà un préfixe, les préfixes SI sont ajoutés par exception au mot « gramme » ou à son symbole g, bien que le gramme ne soit qu’un sous-multiple du kilogramme (1 g = 10-3 kg).
Par exemple :
Dans les anciens livres, seuls les multiples et sous-multiples du kilogramme sont utilisés :
Dans la pratique, seuls les multiples du kilogramme sont utilisés :
| Correspondance entre les multiples du kilogramme du système international d’unités | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| kg | Mg | Gg | Tg | Pg | Eg | Zg | Yg | |
| kg | 1 | 0,001 | 10−6 | 10−9 | 10−12 | 10−15 | 10−18 | 10−21 |
| Mg | 1 000 | 1 | 0,001 | 10−6 | 10−9 | 10−12 | 10−15 | 10−18 |
| Gg | 106 | 1 000 | 1 | 0,001 | 10−6 | 10−9 | 10−12 | 10−15 |
| Tg | 109 | 106 | 1 000 | 1 | 0,001 | 10−6 | 10−9 | 10−12 |
| Pg | 1012 | 109 | 106 | 1 000 | 1 | 0,001 | 10−6 | 10−9 |
| Eg | 1015 | 1012 | 109 | 106 | 1 000 | 1 | 0,001 | 10−6 |
| Zg | 1018 | 1015 | 1012 | 109 | 106 | 1 000 | 1 | 0,001 |
| Yg | 1021 | 1018 | 1015 | 1012 | 109 | 106 | 1 000 | 1 |
Dans la pratique, seuls les sous-multiples du kilogramme sont utilisés (les unités qui ne sont pas en italiques sont peu usitées) :
| Correspondance entre les sous-multiples du kilogramme du système international d’unités | ||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| yg | zg | ag | fg | pg | ng | µg | mg | cg | dg | g | dag | hg | kg | |
| yg | 1 | 0,001 | 10−6 | 10−9 | 10−12 | 10−15 | 10−18 | 10−21 | 10−22 | 10−23 | 10−24 | 10−25 | 10−26 | 10−27 |
| zg | 1 000 | 1 | 0,001 | 10−6 | 10−9 | 10−12 | 10−15 | 10−18 | 10−19 | 10−20 | 10−21 | 10−22 | 10−23 | 10−24 |
| ag | 106 | 1 000 | 1 | 0,001 | 10−6 | 10−9 | 10−12 | 10−15 | 10−16 | 10−17 | 10−18 | 10−19 | 10−20 | 10−21 |
| fg | 109 | 106 | 1 000 | 1 | 0,001 | 10−6 | 10−9 | 10−12 | 10−13 | 10−14 | 10−15 | 10−16 | 10−17 | 10−18 |
| pg | 1012 | 109 | 106 | 1 000 | 1 | 0,001 | 10−6 | 10−9 | 10−10 | 10−11 | 10−12 | 10−13 | 10−14 | 10−15 |
| ng | 1015 | 1012 | 109 | 106 | 1 000 | 1 | 0,001 | 10−6 | 10−7 | 10−8 | 10−9 | 10−10 | 10−11 | 10−12 |
| µg | 1018 | 1015 | 1012 | 109 | 106 | 1 000 | 1 | 0,001 | 10−4 | 10−5 | 10−6 | 10−7 | 10−8 | 10−9 |
| mg | 1021 | 1018 | 1015 | 1012 | 109 | 106 | 1 000 | 1 | 0,1 | 0,01 | 0,001 | 10−4 | 10−5 | 10−6 |
| cg | 1022 | 1019 | 1016 | 1013 | 1010 | 107 | 104 | 10 | 1 | 0,1 | 0,01 | 0,001 | 10−4 | 10−5 |
| dg | 1023 | 1020 | 1017 | 1014 | 1011 | 108 | 105 | 100 | 10 | 1 | 0,1 | 0,01 | 0,001 | 10−4 |
| g | 1024 | 1021 | 1018 | 1015 | 1012 | 109 | 106 | 1 000 | 100 | 10 | 1 | 0,1 | 0,01 | 0,001 |
| dag | 1025 | 1022 | 1019 | 1016 | 1013 | 1010 | 107 | 104 | 1 000 | 100 | 10 | 1 | 0,1 | 0,01 |
| hg | 1026 | 1023 | 1020 | 1017 | 1014 | 1011 | 108 | 105 | 104 | 1 000 | 100 | 10 | 1 | 0,1 |
| kg | 1027 | 1024 | 1021 | 1018 | 1015 | 1012 | 109 | 106 | 105 | 104 | 1 000 | 100 | 10 | 1 |
On utilise également des noms d’unités anciennes, mais arrondies à des valeurs « exactes »
À ne pas confondre avec
le quintal français ancien : 48,951 kg environ ou avec
le quintal court d’Amérique du Nord : 45,359 kg environ ou avec
le quintal long du système impérial anglais : 50,802 kg environ.
| Correspondance entre le kilogramme et les anciennes unités « métrisées » | ||||
|---|---|---|---|---|
| livre | kilogramme | quintal métrique | tonne | |
| livre | 1 | 0,5 exactement | 0,005 | 5×10-4 |
| grave | 2 | 1 | 0,01 | 0,001 |
| kilogramme | 2 | 1 | 0,01 | 0,001 |
| quintal métrique | 200 | 100 | 1 | 0,1 |
| tonne | 2 000 | 1 000 | 10 | 1 |
Les unités anglo-saxonnes sont assez largement utilisées de par le monde. On utilise couramment les unités du système avoirdupois (av), et, dans certains cas spécifiques, les unités du système troy (t) : médicaments et métaux précieux.
La table ci-dessous indique les correspondances entre les unités ; les valeurs en italiques indiquent les croisements entre les systèmes anglo-saxons.
| Correspondance avec les unités anglo-saxonnes (valeurs arrondies) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| g | oz av | oz t | lb t | lb av | kg | |
| g | 1 | 0,035 3 | 0,032 2 | 0,002 68 | 0,002 20 | 0,001 |
| oz av | 28,3 | 1 | 0,911 | 0,076 0 | 0,062 5 (1⁄16) | 0,0283 |
| oz t | 31,1 | 1,097 | 1 | 0,083 3 (1⁄12) | 0,068 6 | 0,031 1 |
| lb t | 373 | 13,2 | 12 | 1 | 0,823 | 0,373 |
| lb av | 454 | 16 | 14,6 | 1,22 | 1 | 0,454 |
| kg | 1 000 | 35,3 | 32,2 | 2,68 | 2,20 | 1 |
Le carat est une autre unité de masse.
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