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 бъде приложена сила. Съгласно законите на Нютон (F = ma), подложен на сила F от един нютон, предмет с маса m от един килограм, ще получи ускорение a от един метър в секунда на квадрат, 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 повече сила, за да ускори предмет от 10 килограма, в сравнение с предмет от 1 килограм.

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.

История

На 7 април 1795 година във Франция е дефиниран грамът като „абсолютното тегло на обема на 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 година.

Тъй като търговията и размяната обикновено предполага предмети с много по-голяма маса от един грам, и тъй като еталонът с водата е нестабилен и неудобен, се наложило по-практично решение на еталон. По тази причина през 1799 година е изработено монолитно метално тяло от платина, 1000 пъти по-тежко и масивно от грама. То е наречено килограм (Kilogramme des Archives). Този еталон остава валиден за следващите 90 години.

По същото време са направени опити за определяне на масата на един кубичен дециметър (литър) вода. Дефиницията за литър се дава по следния начин: „Литърът е мерна единица за течности и твърди вещества, за който изместването би било това на куб с размер на страната една десета от метъра.“ Първоначалното определение предполага вода при 0 °C, но по-късно, през 1799 година дефиницията е преразгледана и температурата е определена като 4 °C (когато водата достига максималната си плътност). Съвременните измервания с голяма точност дават стойност от 3,984 °C. Учените от XVIII век заключават, че един кубичен дециметър вода при максимална плътност е равен на 99,9265% от масата на килограма, избран за стандарт 4 години по-рано.

Международен еталон на килограма

Конвенцията за метъра е подписана на 20 май 1875 г. и въвежда международната система единици (SI), която от 1889 г. определя размера на килограма като равен на масата на интернационалния прототип на килограма, често наричан в професионалния свят на метрологията „ИПК“. ИПК е направен от сплав на платината, която е 90% платина и 10% иридий (от масата) и е изработен като прав кръгов цилиндър с височина 39,17 mm (равна на диаметъра), за да се сведе площта до минимум. Добавянето на 10% иридий подобрява изцяло платинения „килограм от Архивите“, 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. ИПК и негови шест копия се съхраняват в Международното бюро по мерки и теглилки (на френски език: Bureau International des Poids et Mesures, BIPM) в подходяща среда на сигурно място в сейф в подземието на BIPM в Севр, в покрайнините на Париж. Три независимо управлявани ключове са необходими за отваряне на трезора и сейфа. Официални копия на ИПК са предоставени на други нации, за да служат като техни национални еталони. Те се сравняват с оригиналния ИПК приблизително на всеки 50 години. Еталонът се пази под три херметично затворени похлупака. От 1889 до 2007 г. той е загубил само 50 микрограма от масата си в сравнение със средното тегло на няколкото десетки негови копия.

ИПК е един от трите метални цилиндъра, изработени през 1879 г. През 1883 г. се установява, че той практически не се отличава от масата на „килограма от Архивите“, направен осемдесет и четири години преди това, и е официално ратифициран като килограм 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 изотопни представители, взети като средна стойност на състава на океаните в света, показват, че той е с плътност 0,999975 ±0,000001 kg/L в точката си на максимална плътност (3,984 °C) при стандартно атмосферно налягане (760 mmHg). Така, един кубичен дециметър вода при точката си на максимална плътност е само с 25 милионни части по-малка маса от ИПК. Тази малка разлика, както и фактът, че масата на ИПК е неразличима от масата на „килограма от Архивите“, говори за уменията на учените от преди 212 години, когато те правят измерванията и изработват „килограма от Архивите“.

Еталонът на бъдещето

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)
• 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)