Килограм

Килограм
Създадено с компютър изображение на прототипа за килограм, който е показан в близост до линийка за визуализация на размера. Еталонът е изработен от сплав на платина и иридий и се пази в Севр, Франция, в специално помещение.
Основни характеристики
Стандарт	основна SI единица
Физична величина	маса
Символ	kg
Изразена в	Природни единици: 4,59467(23)×107 маси на Планк Енергия: 1,356392733(68)×1050Hz 89 875 517 873 681 764 J Американска система единици: 2,204622622 паунда
Килограм в Общомедия

Килограм е една от седемте основни единици в SI и се използва за физичната величина маса. Символът, с който се означава, е kg, но в популярни издания в България се използва и кг, със знаци от кирилицата, под влияние на руските означения на мерните единици. Наименованията на кратните и дробните единици на един килограм се образуват с прибавяне на представки към единицата грам (например милиграм, декаграм). Масата на 1 L дестилирана вода при температура 4 °C е приблизително равна на един килограм. Това е първоначалната му дефиниция. Актуалната дефиниция съгласно стандарта ISO 80000-4 е:

Килограм е единицата за маса; тя е равна на масата на международния еталон на килограма.

Този прототип (или еталон) представлява цилиндър с височина и с диаметър равни на 39,17 mm, изработен от сплав на 90 % платина и 10 % иридий и се пази в Международното бюро за мерки и теглилки в Севр, Франция. Килограмът остава единствената мерна единица, която се определя с предмет, всички останали се определят чрез фундаментални физични закони или свойства.

Във всекидневието много често думите маса и тегло се използват за едно и също нещо, което е грешка. Масата е скаларна величина и се измерва в kg, докато теглото е векторна величина, представлява гравитационната сила и се измерва в N или килограм-сила. В американската система за мерни единици един килограм е равен на 2,2046 паунда и съответно един паунд е равен на 0,45359237 kg.

По исторически причини названието килограм вече съдържа представката „кило“ затова кратните единици се образуват с представка пред грам, 1 g = 10⁻³ kg. Вместо мегаграм (1000 kg) се използва понятието тон, вместо гигаграм се използва килотон и вместо тераграм се използва мегатон.

Определение

Грамът, 1/1000 от килограма, е временно дефиниран през 1795 г. като масата на един кубичен сантиметър вода при температурата на топене на леда. Окончателният килограм, превърнат в еталон през 1799 г. и на който е базиран съвременният Международен еталон за килограм от 1875 г., има маса, равна на масата на 1 кубичен дециметър вода при нейната максимална плътност, при приблизително 4 °C.

Килограмът е единствената основна единица в SI с представка („кило-“) в името. Това е и единствената единица в SI, която все още се дефинира чрез конкретен предмет, а не чрез фундаментална физическа характеристика, която да може да се възпроизведе в различни лаборатории. Три други основни единици (кандела, ампер, мол) и 17 производни единици (нютон, паскал, джаул, ват, кулон, волт, фарад, ом, сименс, вебер, тесла, хенри, катал, грей, сиверт, лумен, лукс) в SI се дефинират чрез килограма, така че неговата устойчивост е от особено значение. Само 8 други единици не изискват килограма в дефиницията си – за температура (келвин, градус Целзий), време и честота (секунда, херц, бекерел), дължина (метър) и ъгъл (радиан, стерадиан).

Международният еталон за килограм е поръчан от Генералната конференция по мерки и теглилки на основание на Конвенцията за метъра от 1975 г. и се поддържа от Международното бюро за мерки и теглилки. След като е установено, че Международният еталон за килограм изменя масата си спрямо своите копия, през 2005 г. Международният комитет за мерки и теглилки издава препоръка килограмът да бъде предефиниран въз основа на фундаментална константа в природата. На своето заседание през 2011 г. Генералната конференция се съгласява по принцип, че килограмът трябва да се предефинира чрез константата на Планк. Крайното решение първоначално е отложено до 2014 г., а след това повторно до следващото заседание на конференцията.

Самият Международен еталон за килограм се използва и манипулира много рядко. Негови копия се съхраняват в националните метрологични лаборатории на всяка страна по света. Тези копия са сравнявани с Международния еталон през 1889, 1948 и 1989 г., за да се осигури съответствието на измерванията на масата по света с еталона.

Природа на масата

Измерване на тегло – земното притегляне на измерваното количество предизвиква деформация на пружината

Измерване на маса – гравитационната сила върху измерваното количество се уравновесява от гравитационната сила върху тежестите

Килограмът е единица за маса – величина, която съответства на ежедневното разбиране за това, колко „тежък“ е даден предмет. От физична гледна точка масата е инерционно свойство – свързана е със склонността на даден предмет да остава в покой или да запазва движението си с постоянна скорост, докато върху него не бъде приложена сила. Съгласно втория закон на Нютон (F = ma), ако към предмет с маса m от един килограм се приложи сила F от един нютон, той ще получи ускорение a от един метър в секунда на квадрат (1 m/s²), което съответства приблизително на една десета от земното ускорение.

Докато теглото на даден предмет зависи от силата на гравитационното поле на мястото, на което се намира, масата му остава независима от гравитацията, тъй като тя е мярка за количеството вещество, което съдържа предмета. По тази причина за космонавтите, намиращи се в микрогравитация, не се изисква усилие, за да задържат предметите над пода (те са „безтегловни“), но тъй като предметите запазват своята маса и инертност и при микрогравитация, космонавтът трябва да използва десет пъти по-голяма сила, за да ускори до определена скорост предмет от 10 kg, в сравнение с предмет от 1 kg.

Тъй като във всяка точка на Земята теглото на даден обект е пропорционална на масата му, масата на предметите в килограми обикновено се измерва, като се сравнява теглото им с теглото на стандартни предмети с известна маса при използването на устройство, наречено везна. Съотношението на гравитационните сили, действащи върху двата предмета, измерено от везната, е равно на съотношението на техните маси.

„Килограмът от Архива“

Килограмът на Араго, точно копие на „килограма от Архива“, поръчано през 1821 г. от Съединените щати и изработено под надзора на френския физик Франсоа Араго, което служи като първи еталон за килограм в Съединените щати до 1889 г.

На 7 април 1795 г. във Франция е дефиниран грамът като „абсолютното тегло на обема чиста вода, равен на куб със страна една стотна част от метъра при температурата на топене на леда.“ Идеята за използване на специфичния обем на водата за определяне на масата най-напред е лансирана от английския философ Джон Уилкинс през 1668 г. като начин за свързване на маса и дължина.

Тъй като стопанството и бита обикновено се използват предмети с много по-голяма маса от един грам, и тъй като еталон, изработен от вода, би бил нестабилен и неудобен, се наложило по-практично решение на еталон. По тази причина през 1799 г. като временен еталон е изработено монолитно метално тяло от платина, 1000 пъти по-тежко и масивно от грама.

По същото време започва работа по точното определяне на масата на един кубичен дециметър (литър) вода. Макар утвърдената в правителствения декрет дефиниция на килограма да определя водата да бъде с температура 0 °C, след няколкогодишни изследвания Луи Льофевр-Жино и Джовани Фаброни решават да предефинират през 1799 г. еталона чрез плътността – по тяхното определение водата трябва да има максимална плътност, като по това време се смята, че това става при 4 °C (съвременните измервания с по-голяма точност дават стойност от 3,984 °C). Льофевр-Жино и Фаброни установяват, че един кубичен дециметър вода при максимална плътност е равен на 99,9265% от масата на временния еталон, изработен четири години по-рано. През същата 1799 г. е изработен от платина нов еталон, който трябва да бъде равен, доколкото това е възможно по това време, на масата на един кубичен дециметър вода при температура 4 °C. Еталонът е предаден на Архива на Републиката през юни, а на 10 декември 1799 г. е официално утвърден като „килограмът от Архива“ и единицата килограм е дефинирана като равна на неговата маса. Този еталон се използва през следващите 90 години.

Международен еталон на килограма

От 1889 г. килограмът е дефиниран като равен на масата на конкретен предмет, наричан международен еталон на килограма, често наричан в професионалния свят на метрологията IPK (Шаблон:Lang-en). Международният еталон е изработен от платинената сплав Pt-10Ir, съставена от 90% платина и 10% иридий (по маса), обработена в прав кръгов цилиндър с височина и диаметър 39,17 mm (равна на диаметъра), за да се сведе до минимум околната му повърхнина. Добавянето на 10% иридий подобрява изцяло платинения „килограм от Архива“, като значително увеличава твърдостта, но същевременно запазва много от качествата на платината – изключителна устойчивост към окисление, изключително висока плътност, задоволителна електрическа и топлинна проводимост и ниска магнитна възприемчивост. Международният еталон и негови шест копия се съхраняват в Международното бюро по мерки и теглилки (Шаблон:Lang-fr) в сейф с контролирана среда в подземието на сградата на Бюрото в Сен Клу (пощенският адрес на комплекса е в съседния Севър, но еталонът се намира в „Павилион дьо Бретьой“ на територията на Сен Клу), в покрайнините на Париж. Три независимо управлявани ключа са необходими за отваряне на трезора. Официални копия на Международния еталон са предоставени на други държави, за да служат като техни национални еталони. Те се сравняват с оригиналния Международен еталон приблизително на всеки 40 години, осигурявайки връзката между местните измервания и Международния еталон.

Конвенцията за метъра, подписана на 20 май 1875 г., допълнително формализира метричната система, станала по-късно основа на Международната система единици (SI). Подписването на конвенцията води до изработването на Международния еталон на килограма – един от три цилиндъра, създадени през 1879 г. от британската компания „Johnson Matthey“ (тя продължава и в наши дни да произвежда почти всички национални еталони). През 1883 г. се установява, че масата на Международния еталон практически не се отличава от масата на „килограма от Архива“, направен осемдесет и четири години преди това, след което той е официално утвърден като еталон от първата Обща конференция по мерките и теглилките през 1889 г.

Съвременните измервания на Виенския стандарт на средната океанска вода, която е чиста дестилирана вода с изотопен състав, представителен за средната стойност на Световния океан, показват, че тя е с плътност 0,999975 ±0,000001 kg/L в точката си на максимална плътност (3,984 °C) при стандартно атмосферно налягане (760 mmHg или 101 325 Pa). Така, един кубичен дециметър вода при точката си на максимална плътност е само с 25 милионни части по-малка маса от Международния еталон.

Копия на Международния еталон за килограм

Реплика на националния еталон за килограм K20, един от двата еталона, съхранявани в американския Национален институт за стандарти и технологии (NIST) в Гейтърсбърг, които служат за основни еталони за определяне на всички единици за маса и тегло в Съединените щати

Различните копия на Международния прототип за килограм имат следните означения в литературата:

• Самият Международен еталон IPK – намира се в Сен Клу, Франция.
• Шест директни копия, номерирани K1, 7, 8(41), 32, 43 и 47 – намират се в Сен Клу, Франция.
• Десет работни копия – осем (9, 31, 42′, 63, 77, 88, 91 и 650) за редовна употреба и две (25 и 73) за специални нужди. – намират се в Сен Клу, Франция
• Национални еталони, съхранявани в: Австралия (44 и 87), Австрия (49), Белгия (28 и 37), Бразилия (66), Великобритания (18, 81 and 82), Германия (52, 55 и 70), Дания (48), Египет (58), Израел (71), Индия (57), Индонезия (46), Испания (24 и 3), Италия (5 и 76), Канада (50 и 74), Кения (95), Китай (60 и 64; 75 в Хонконг), Мексико (21, 90 и 96), Нидерландия (53), Норвегия (36), Пакистан (93), Полша (51), Португалия (69), Румъния (2), Русия (12 и 26), САЩ (20, 4, 79, 85 и 92), Северна Корея (68), Сингапур (83), Словакия (41 и 65), Сърбия (11 и 29), Тайван (78), Тайланд (80), Турция (54), Унгария (16), Финландия (23), Франция (35), Чехия (67), Швейцария (38 и 89), Швеция (40 и 86),ЮАР (56), Южна Корея (39, 72 и 84), Япония (6 и 94).
• Няколко допълнителни копия, съхранявани от ненационални организации, като Френската академия на науките в Париж (34) и Института по метрология в Торино (62).

Предложения за бъдеща дефиниция

Днес килограмът е единствената от седемте основни единици за измерване в SI, чиито еталон е направен от човек предмет, а не подчинен на фундаментални физични свойства, дефиниции или закони. Очаква се да се въведе определение за килограм на базата на връзката между масата и константата на Планк – една от основните константи в квантовата механика. Засега не е ясно кога точно ще стане това, но според учените и официалните представители на BIPM металният иридиево-платинен цилиндър скоро ще остане в историята.

Единици за маса

Кратни единици за маса

Стойност	Символ	Име		Стойност	Символ	Име
10-1 g 10-2 g 10-3 g 10-6 g 10-9 g 10-12 g 10-15 g 10-18 g 10-21 g 10-24 g	dg cg mg µg ng pg fg ag zg yg	дециграм сантиграм милиграм микрограм нанограм пикограм фемтограм атограм септограм йоктограм		101 g 102 g 103 g 106 g 109 g 1012 g 1015 g 1018 g 1021 g 1024 g	dag hg kg Mg Gg Tg Pg Eg Zg Yg	декаграм хектограм килограм мегаграм (тон) гигаграм тераграм петаграм ексаграм сетаграм йотаграм

Бележки

Цитирани източници

• The International System of Units (SI) (PDF) // bipm.org. BIPM, 2006. Посетен на 2017-04-30. (на английски)
• Picard, A. Director's Report on the Activity and Management of the International Bureau of Weights and Measures; Supplement: scientific Departments // Bureau International des Poids et Mesures, February 2012. Посетен на 2013-08-03. (на английски)
• Verifications // bipm.org. BIPM, 2013a. Посетен на 2013-08-04. (на английски)
• Calibration and characterization certificates: Mass // bipm.org. BIPM, 2013b. Посетен на 2013-08-04. (на английски)
• Some BIPM calibrations and services in mass and related quantities // bipm.org. BIPM, 2013c. Посетен на 2013-08-04. (на английски)
• Resolutions adopted by the CGPM at its 25th meeting (18‐20 November 2014) (PDF) // bipm.org. BIPM, 2014. Посетен на 2017-04-30. (на английски)
• Resolution of the 1st CGPM (1889) // bipm.org. BIPM, 2017. Посетен на 2017-05-20. (на английски)
• Chaplin, Martin. Water Properties // lsbu.ac.uk. lsbu.ac.uk, 2017. Посетен на 2017-05-20. (на английски)
• Girard, G. The Third Periodic Verification of National Prototypes of the Kilogram (1988 – 1992) // Metrologia 31 (4). 1994. DOI:10.1088/0026-1394/31/4/007. p. 317 – 336. (на английски)
• Gutfelt, Bengt et al. 13th Comparison between the Swedish national kilogram and SP principal standards for one kilogram. Borås, SP Technical Research Institute of Sweden, 2014. ISBN 978-91-87461-72-9. Посетен на 217-05-12. (на английски)
• Jabbour, Z. J. et al. The Kilogram and Measurements of Mass and Force // Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology 106. 2001. DOI:10.6028/jres.106.003. p. 26. Посетен на 2013-08-04. (на английски)
• An Essay towards a Real Character and a Philosophical Language (Reproduction) (PDF) // metricationmatters.com. metricationmatters.com, 2011a. Посетен на 2011-04-03. (на английски)
• An Essay towards a Real Character and a Philosophical Language (Transcription) (PDF) // metricationmatters.com. metricationmatters.com, 2011b. Посетен на 2011-04-03. (на английски)
• Making the first international kilograms and metres // ukma.org.uk. National Physical Laboratory, 2013. Посетен на 2013-08-04. (на английски)
• OpenStreetMap // openstreetmap.org. openstreetmap.org, 2017. Посетен на 2017-05-20. (на английски)
• ((ru)) slovari.yandex.ru. slovari.yandex.ru, 2013, http://slovari.yandex.ru/~книги/БСЭ/Килограмм/, посетен на 28 декември 2013, "Из 40 изготовленных копий прототипа две (№12 и №26) были переданы России. Эталон №12 принят в СССР в качестве государственного первичного эталона единицы массы, а №26 – в качестве эталона-копии." 
• Decree on weights and measures // smdsi.quartier-rural.org. smdsi.quartier-rural.org, 1999. Посетен на 2017-05-08. 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. (на френски)
• Smith, F.J. Standard Kilogram Weights // Platinum Metals Review 17 (2). 1973. p. 66 – 68. (на английски)
• Stock, Michael et al. 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). 24 March 2015. DOI:10.1088/0026-1394/52/2/310. p. 310 – 316. (на английски)
• Kütle Laboratuvarları // ume.tubitak.gov.tr. TÜBİTAK, 2014. Посетен на 2014-06-16. (на турски)
• Quinn, T. J. New Techniques in the Manufacture of Platinum-Iridium Mass Standards // Platinum Metals Review 30 (2). 1986. p. 74 – 79. (на английски)
• Quinn, Terry. From Artefacts to Atoms: The BIPM and the Search for Ultimate Measurement Standards. Oxford University Press, 2011. ISBN 978-0195307863. (на английски)
• Zupko, Ronald Edward. Revolution in Measurement: Western European Weights and Measures Since the Age of Science. DIANE Publishing, 1990. (на английски)