Kilogram
Symbol: kgWorldwide
Qu'est-ce qu'un/une Kilogram (kg) ?
Définition Formelle
Le kilogramme (symbole : kg) est l'unité de base de la masse dans le Système international d'unités (SI). Depuis le 20 mai 2019, il est défini en fixant la valeur numérique de la constante de Planck h à exactement 6.62607015 × 10⁻³⁴ joule-secondes (J·s), ce qui équivaut à kg·m²·s⁻¹. Cette définition relie le kilogramme à la seconde et au mètre, qui sont eux-mêmes définis par des constantes physiques fondamentales. La redéfinition garantit que le kilogramme peut être réalisé dans n'importe quel laboratoire correctement équipé dans le monde sans référence à un objet physique.
Le kilogramme est la seule unité de base du SI dont le nom inclut un préfixe ("kilo-"). Un kilogramme équivaut à 1000 grammes. Dans l'usage quotidien, le kilogramme est largement compris comme la masse d'un litre d'eau à environ 4 °C, bien que cette relation ne fasse pas partie de la définition formelle. La correspondance étroite entre 1 kg et 1 litre d'eau est une caractéristique délibérée de la conception originale du système métrique, destinée à rendre les conversions entre masse et volume intuitives pour les substances courantes.
Rôle dans le Système SI
Le kilogramme est utilisé pour mesurer la masse des objets physiques dans pratiquement tous les domaines scientifiques, industriels et commerciaux. Il sert de base pour les unités dérivées du SI telles que le newton (kg·m·s⁻²), le pascal (kg·m⁻¹·s⁻²) et le joule (kg·m²·s⁻²). En pratique, le kilogramme est utilisé pour tout, de la mesure du poids corporel et des portions alimentaires à la quantification des réactifs chimiques et à la spécification des charges de propergol de fusée.
Parmi les sept unités de base du SI, le kilogramme occupe une position unique en raison de sa dépendance historique à un artefact physique — le Prototype international du kilogramme — pendant plus de 130 ans. La redéfinition de 2019 a fait du kilogramme la dernière des unités de base à être libérée de la dépendance à une norme matérielle, complétant un programme de plusieurs décennies visant à ancrer l'ensemble du SI sur des constantes invariantes de la nature.
Etymology
Racines Anciennes
Le mot "kilogramme" dérive du français "kilogramme," qui a été créé lors de la création du système métrique dans les années 1790. Le préfixe "kilo-" vient du mot grec "chilioi" (χίλιοι), signifiant "mille." La racine "gramme" remonte au latin tardif "gramma," signifiant un petit poids, qui lui-même a été emprunté au grec "gramma" (γράμμα), signifiant à l'origine quelque chose d'écrit ou une petite unité. Dans le contexte des poids, "gramma" se réfère à 1/24 d'une once dans le système romain tardif.
Entrée dans les Langues Modernes
Le gouvernement révolutionnaire français a assemblé une commission de scientifiques, y compris Antoine Lavoisier et le Marquis de Condorcet, pour concevoir un système de mesure rationnel. Ils ont choisi le système de préfixes basé sur des racines grecques et latines : préfixes d'origine grecque (kilo-, hecto-, déca-) pour les multiples et préfixes d'origine latine (milli-, centi-, déci-) pour les fractions. Le "gramme" a été défini comme la masse d'un centimètre cube d'eau, et le "kilogramme" — mille grammes — est devenu la norme pratique parce qu'une masse d'un gramme était trop petite pour servir de référence physique fiable.
La décision de faire du kilogramme plutôt que du gramme l'unité de base de la masse a eu une particularité durable dans la nomenclature scientifique. Contrairement à toutes les autres unités de base du SI, le kilogramme porte un préfixe, ce qui crée une étrangeté lors de l'ajout de préfixes supplémentaires : par exemple, un millionième de kilogramme est appelé un milligramme (et non un microkilogramme). Le SI résout cela en appliquant des préfixes supplémentaires au gramme plutôt qu'au kilogramme, donc nous avons des microgrammes, des nanogrammes, et ainsi de suite.
Precise Definition
La Définition de la Constante de Planck
Le kilogramme est défini en prenant la valeur numérique fixe de la constante de Planck h à 6.62607015 × 10⁻³⁴ lorsqu'elle est exprimée dans l'unité J·s, ce qui équivaut à kg·m²·s⁻¹, où le mètre et la seconde sont définis en termes de la vitesse de la lumière c et de la fréquence de transition hyperfine du césium-133 ΔνCs. Sous forme algébrique, la définition peut être écrite comme : 1 kg = (h / 6.62607015 × 10⁻³⁴) × s × m⁻². Cela signifie que quiconque peut mesurer la constante de Planck avec une précision suffisante peut réaliser indépendamment le kilogramme.
Méthodes de Réalisation Expérimentale
Les deux principales méthodes expérimentales pour réaliser le kilogramme selon cette définition sont la balance Kibble (anciennement appelée balance watt) et la méthode de densité de cristal aux rayons X (le projet Avogadro). La balance Kibble équivaut la puissance électrique à la puissance mécanique : elle équilibre la force gravitationnelle sur une masse d'essai contre une force électromagnétique générée par une bobine conductrice dans un champ magnétique, liant la masse à la constante de Planck à travers des mesures de tension et de courant traçables aux normes électriques quantiques. Le projet Avogadro utilise des sphères de silicium-28 hautement enrichies pour compter les atomes et relier la masse à la constante de Planck via la constante d'Avogadro et les masses atomiques.
Calibration Pratique
Pour une calibration pratique, des instituts nationaux de métrologie tels que le NIST (États-Unis), le PTB (Allemagne) et le NPL (Royaume-Uni) maintiennent des normes de masse primaires qui sont périodiquement vérifiées par rapport aux mesures de la balance Kibble. L'incertitude standard relative des réalisations de kilogrammes via la balance Kibble est de l'ordre de 10⁻⁸ (environ 10 microgrammes par kilogramme), ce qui est suffisant pour tous les besoins scientifiques et commerciaux connus. Le BIPM à Sèvres, en France, continue de coordonner des comparaisons internationales pour garantir la cohérence entre les normes nationales.
Histoire
Origines dans la Révolution Française
Le kilogramme a été défini pour la première fois en 1795 pendant la Révolution française comme la masse d'un décimètre cube (un litre) d'eau à la température de la glace fondante. Cette définition pratique faisait partie d'un effort plus large pour créer un système de mesure rationnel, basé sur le décimal, qui pourrait servir de norme universelle. Le gouvernement révolutionnaire cherchait à remplacer le patchwork chaotique des systèmes de mesure féodaux — la France seule avait plus de 800 unités de mesure différentes — par un cadre cohérent basé sur la nature.
En 1799, le Kilogramme des Archives, un artefact en platine solide, a été fabriqué par le orfèvre et fabricant d'instruments français Nicolas Fortin sous la direction du chimiste Antoine Lavoisier et du mathématicien Louis Lefèvre-Gineau. Ce cylindre, mesurant 39 mm de hauteur et de diamètre, a été déposé dans les Archives de la République et a servi de norme définitive de masse pendant 90 ans.
Le Prototype International
En 1875, la Convention du Mètre a été signée par 17 nations, établissant le Bureau international des poids et mesures (BIPM) à Sèvres, près de Paris. La Convention a mandaté la création de nouveaux prototypes internationaux plus précis. En 1889, la Première Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM) a remplacé le Kilogramme des Archives par le Prototype international du kilogramme (IPK), un cylindre composé de 90 % de platine et de 10 % d'iridium, mesurant 39.17 mm de hauteur et 39.17 mm de diamètre. L'IPK — connu de manière informelle sous le nom de "Le Grand K" ou "Big K" — et ses six copies officielles étaient stockés sous trois cloches imbriquées dans un coffre à température contrôlée au BIPM.
Quarante répliques de l'IPK ont été fabriquées et distribuées aux nations signataires comme prototypes nationaux. Ces répliques étaient périodiquement retournées à Sèvres pour comparaison avec l'IPK dans un processus connu sous le nom de "vérification périodique." La troisième vérification, complétée entre 1988 et 1992, a révélé des résultats préoccupants : les masses des copies nationales avaient divergé de l'IPK jusqu'à 50 microgrammes sur 100 ans. Encore plus préoccupant, il était impossible de déterminer si les copies avaient gagné de la masse ou si l'IPK avait perdu de la masse — ou une combinaison des deux.
Le Besoin de Redéfinition
Cette instabilité était profondément problématique car le kilogramme, en tant que dernière unité SI définie par un artefact physique, introduisait une incertitude fondamentale dans toutes les mesures qui en dépendaient. Puisque le newton, le pascal, le joule, le watt et de nombreuses autres unités dérivées dépendent du kilogramme, tout dérive de la masse de l'IPK se propageait à travers l'ensemble du système. Au début des années 2000, la communauté de la métrologie a convenu que le kilogramme devait être redéfini en termes d'une constante fondamentale de la nature.
L'effort pour redéfinir le kilogramme a pris plus de deux décennies et impliqué deux approches expérimentales indépendantes. Bryan Kibble au Laboratoire national de physique du Royaume-Uni a inventé la balance watt (rebaptisée plus tard balance Kibble en son honneur après sa mort en 2016) en 1975. Cet appareil équivaut la puissance mécanique et électrique pour lier la masse à la constante de Planck. Pendant ce temps, le Projet international d'Avogadro, dirigé par le PTB en Allemagne, a produit la sphère la plus parfaite au monde — une boule de silicium-28 isotopiquement enrichie de 1 kg — pour déterminer la constante d'Avogadro avec une précision sans précédent. Les deux méthodes ont convergé vers des valeurs cohérentes de la constante de Planck d'ici 2017.
La Redéfinition de 2019
Le 16 novembre 2018, lors de la 26e Conférence Générale des Poids et Mesures tenue au Palais des Congrès à Versailles, des représentants de 60 nations ont voté à l'unanimité pour redéfinir le kilogramme en fixant la constante de Planck à exactement 6.62607015 × 10⁻³⁴ J·s. La nouvelle définition est entrée en vigueur le 20 mai 2019 — Journée mondiale de la métrologie. L'IPK reste dans son coffre au BIPM mais est désormais un objet de musée plutôt qu'une norme définissante.
Le mot "kilogramme" dérive du français "kilogramme," qui a été construit à partir du grec "chilioi" (mille) et du latin tardif "gramma" (un petit poids). Malgré le préfixe "kilo-," le kilogramme, et non le gramme, a été choisi comme l'unité de base du SI pour la masse parce que la norme en platine d'un kilogramme était beaucoup plus pratique à fabriquer et à maintenir qu'un artefact d'un gramme.
Utilisation actuelle
Dans le Commerce et le Commerce
Le kilogramme est l'unité standard de masse utilisée dans presque tous les pays du monde. C'est l'unité légale de mesure pour le commerce, le commerce et l'étiquetage dans tous les pays qui ont adopté le système métrique, ce qui inclut pratiquement chaque nation sur Terre. Les articles d'épicerie, le poids corporel, les colis d'expédition et les matériaux industriels sont tous couramment mesurés en kilogrammes. Dans l'Union européenne, tous les produits emballés doivent afficher leur masse en grammes ou en kilogrammes, et les étiquettes de prix dans les marchés et supermarchés font référence aux kilogrammes comme unité standard.
En Science et Ingénierie
En science et en ingénierie, le kilogramme est fondamental et omniprésent. Il apparaît dans les calculs impliquant la force (newtons = kg·m/s²), la pression (pascals = kg/m·s²), l'énergie (joules = kg·m²/s²) et la puissance (watts = kg·m²/s³). Les dosages médicaux sont calculés en fonction de la masse du patient en kilogrammes — par exemple, de nombreux médicaments sont prescrits en milligrammes par kilogramme de poids corporel. Les formulations chimiques spécifient les quantités de réactifs en grammes et en kilogrammes. L'ingénierie aérospatiale repose sur des mesures basées sur le kilogramme pour les charges de carburant, les capacités de charge utile et les calculs de poussée. Le kilogramme est également essentiel en science des matériaux, où la densité est exprimée en kilogrammes par mètre cube.
Aux États-Unis
Les États-Unis sont l'un des rares pays qui n'utilisent pas le kilogramme comme unité principale de masse dans le commerce quotidien, préférant la livre à la place. Cependant, la livre américaine a été légalement définie en termes de kilogramme depuis 1959 (1 lb = 0.45359237 kg exactement), et les kilogrammes sont largement utilisés dans les contextes scientifiques, militaires et médicaux américains. L'étiquetage pharmaceutique américain, par exemple, utilise des unités métriques. L'armée américaine a adopté le système métrique pour la logistique et les opérations, et la NASA utilise des unités métriques pour la conception de tous les vaisseaux spatiaux et la planification des missions — une politique renforcée après la perte de l'orbiteur climatique de Mars en 1999, causée par une erreur de conversion d'unités entre livres-force et newtons.
Dans le commerce international et l'expédition, le kilogramme est la norme universelle. Les frais de fret aérien sont calculés par kilogramme dans le monde entier, et le Système international d'unités sert de langage de mesure commun pour le commerce mondial. Même dans les pays qui utilisent des unités non métriques sur le plan national, le kilogramme est utilisé pour les transactions internationales, les déclarations en douane et la collaboration scientifique.
Everyday Use
Dans la Cuisine
Dans la cuisine, le kilogramme et ses sous-multiples sont indispensables. Les recettes du monde entier spécifient les ingrédients en grammes et en kilogrammes — un pain standard nécessite environ 500 g de farine, un sac de sucre d'un kilogramme est un aliment de base dans le garde-manger, et le beurre se présente généralement en blocs de 250 g dans les pays métriques. Les balances de cuisine numériques calibrées en grammes fournissent la précision nécessaire pour la pâtisserie, où des mesures précises affectent directement le résultat. Les chefs professionnels et les boulangers préfèrent presque universellement peser les ingrédients plutôt que de mesurer par volume car le poids est plus constant et reproductible.
Santé et Fitness
Pour la santé et le fitness, le kilogramme est l'unité standard pour surveiller le poids corporel dans la plupart des pays du monde. L'indice de masse corporelle (IMC), l'outil de dépistage le plus largement utilisé pour la classification du poids, est calculé en utilisant la masse en kilogrammes et la taille en mètres : IMC = masse (kg) / taille² (m²). Un IMC de 18.5 à 24.9 est considéré comme sain pour les adultes. Les étiquettes nutritionnelles sur les produits alimentaires dans les pays métriques expriment l'énergie par 100 g ou par portion, et les directives diététiques spécifient les apports quotidiens recommandés en macronutriments en grammes. Les équipements de gym dans les pays métriques — haltères, barres, plaques de poids et machines — sont calibrés en kilogrammes, les plaques olympiques standard pesant 25 kg, 20 kg, 15 kg, 10 kg, 5 kg, 2.5 kg et 1.25 kg.
Achats et Voyage
Lors des achats, les consommateurs rencontrent constamment des kilogrammes. Les produits frais, la viande et les fruits de mer sont tarifés au kilogramme dans les supermarchés et les marchés fermiers à travers l'Europe, l'Asie, l'Afrique et l'Amérique du Sud. Les biens emballés affichent un poids net en grammes ou en kilogrammes. Les limites de poids des bagages pour les voyages aériens sont spécifiées en kilogrammes — généralement 23 kg pour les bagages enregistrés en classe économique sur les vols internationaux et 7 à 10 kg pour les bagages à main. Les services postaux dans le monde entier calculent les frais d'expédition en fonction du poids en kilogrammes.
Dans les voyages et la logistique quotidienne, le kilogramme est omniprésent. Les capacités de charge des véhicules, les limites de poids des ascenseurs et les évaluations de charge des ponts sont toutes spécifiées en kilogrammes (ou tonnes métriques). Un sac standard de ciment pèse 25 kg ou 50 kg selon le pays. Les machines à laver spécifient leur capacité en kilogrammes de vêtements secs — une machine à laver typique pour les ménages gère 7 à 9 kg. Même les nouveau-nés sont pesés en kilogrammes dans la plupart des pays, le poids de naissance moyen étant d'environ 3.5 kg.
In Science & Industry
Physique et Constantes Fondamentales
En physique, le kilogramme est central à la définition de la force, de l'énergie et de la puissance. La deuxième loi de Newton, F = ma, définit la force en newtons, où un newton est la force requise pour accélérer une masse d'un kilogramme à un mètre par seconde au carré (1 N = 1 kg·m/s²). La pression est mesurée en pascals (1 Pa = 1 kg/m·s²), l'énergie en joules (1 J = 1 kg·m²/s²), et la puissance en watts (1 W = 1 kg·m²/s³). Le kilogramme imprègne donc tout l'édifice de la mesure physique. En physique gravitationnelle, les masses des planètes et des étoiles sont exprimées en kilogrammes (la masse de la Terre est d'environ 5.972 × 10²⁴ kg), et l'équation célèbre d'Einstein E = mc² relie la masse en kilogrammes à l'énergie en joules à travers la vitesse de la lumière.
Métrologie
En métrologie — la science de la mesure elle-même — le kilogramme occupe une place spéciale. La redéfinition de 2019 a été l'une des réalisations les plus significatives de l'histoire de la science de la mesure. Les instituts nationaux de métrologie à travers le monde, y compris le NIST (États-Unis), le PTB (Allemagne), le NPL (Royaume-Uni), le NRC (Canada) et le NMIJ (Japon), maintiennent des normes primaires de kilogramme traçables à la constante de Planck à travers des expériences de balance Kibble. Une balance Kibble est un appareil complexe qui coûte généralement plusieurs millions de dollars à construire et à faire fonctionner, nécessitant des mesures ultra-précises du courant électrique et de la tension référencées aux normes quantiques (l'effet Josephson pour la tension et l'effet Hall quantique pour la résistance). L'incertitude relative de ces mesures est d'environ 1 × 10⁻⁸, correspondant à environ 10 microgrammes par kilogramme.
Chimie et Médecine
En chimie et en pharmacologie, le kilogramme et ses sous-multiples (grammes, milligrammes, microgrammes) sont les unités standard pour quantifier les réactifs, les produits et les dosages. La masse molaire est exprimée en grammes par mole (g/mol), reliant le monde macroscopique des kilogrammes à l'échelle atomique. Les dosages de médicaments sont généralement spécifiés en milligrammes ou microgrammes par kilogramme de masse corporelle du patient — par exemple, l'anesthésique courant propofol est administré à 1.5 à 2.5 mg/kg pour l'induction. En toxicologie judiciaire, la concentration d'alcool dans le sang et les niveaux de drogues sont mesurés en milligrammes par décilitre ou en microgrammes par litre, tous finalement traçables aux normes de masse basées sur le kilogramme.
Ingénierie
En ingénierie, le kilogramme est essentiel pour l'analyse structurelle, le contrôle de qualité de fabrication et l'optimisation des processus. Les ingénieurs civils calculent les charges mortes et les charges vivantes en kilogrammes (ou kilonewtons) lors de la conception de bâtiments et de ponts. Les ingénieurs aérospatiaux doivent connaître la masse de chaque composant à quelques grammes près pour optimiser l'efficacité du carburant — la masse à vide de la navette spatiale était d'environ 78 000 kg, et chaque kilogramme économisé dans la structure permettait un kilogramme supplémentaire de charge utile. En fabrication, le contrôle statistique des processus utilise des mesures de masse en grammes ou en kilogrammes pour garantir la cohérence des produits, des comprimés pharmaceutiques (généralement 100 à 500 mg chacun) aux composants automobiles.
Multiples & Submultiples
| Name | Symbol | Factor |
|---|---|---|
| Microgram | μg | 0.000000001 |
| Milligram | mg | 0.000001 |
| Gram | g | 0.001 |
| Kilogram | kg | 1 |
| Metric tonne (megagram) | t | 1000 |
Interesting Facts
The International Prototype of the Kilogram (IPK), also known as "Le Grand K," was used as the world's mass standard from 1889 to 2019 — a reign of exactly 130 years. It is a platinum-iridium cylinder just 39 mm tall and 39 mm in diameter, roughly the size of a golf ball.
During the third periodic verification (1988-1992), scientists discovered that the IPK and its copies had diverged in mass by up to 50 micrograms — roughly the mass of a fingerprint. Since the IPK was the definition of the kilogram, it was technically impossible to say whether it had gained or lost mass; by definition, it was always exactly one kilogram.
A Kibble balance — the instrument used to realize the kilogram from the Planck constant — typically costs between $1 million and $3 million to build and requires a vibration-isolated, temperature-controlled laboratory to operate. As of 2024, fewer than a dozen Kibble balances exist worldwide.
The Avogadro Project created the world's most perfect sphere: a 1-kg ball of isotopically enriched silicon-28, polished to within 0.3 nanometers of a perfect sphere. If this sphere were scaled up to the size of Earth, its tallest mountain would be only 2.4 meters high.
The kilogram is the only SI base unit whose name contains a prefix. This historical quirk means that SI prefix rules are applied to the gram (milligram, microgram) rather than the kilogram, making it unique among all seven base units.
On Earth, a one-kilogram mass weighs about 9.81 newtons. On the Moon, the same kilogram would weigh only about 1.62 newtons — roughly one-sixth of its Earth weight — but its mass remains exactly one kilogram regardless of location.
The International Space Station has a mass of approximately 420,000 kg (420 metric tonnes), making it the most massive human-made object ever assembled in orbit. Its mass has been measured using the Space Acceleration Measurement System, which tracks how the station responds to known forces.
Before the 2019 redefinition, the kilogram was the only SI base unit still defined by a physical artifact. All other base units had been redefined in terms of fundamental constants by 1983, when the meter was linked to the speed of light. The kilogram held out for 36 more years.
A standard Olympic weightlifting barbell weighs exactly 20 kg for men and 15 kg for women. The heaviest single lift in competition history is the 263.5 kg clean and jerk by Lasha Talakhadze of Georgia in 2021.
The human body is roughly 60% water by mass. For a 70 kg adult, this means approximately 42 kg of water, distributed among blood plasma, interstitial fluid, and intracellular fluid.
Regional Variations
Global Metric Adoption
In the vast majority of countries worldwide, the kilogram is the sole legal unit of mass for commerce, science, and daily life. The European Union, China, India, Japan, Brazil, Russia, Australia, and virtually all nations in Africa, Asia, and South America use the kilogram exclusively. In these countries, body weight is discussed in kilograms, produce is sold per kilogram, and industrial specifications reference metric mass units. The global standardization of the kilogram has been one of the great successes of the SI system.
The United States
The United States is the most prominent exception. Americans measure body weight in pounds, buy groceries in pounds and ounces, and use tons (short tons of 2000 pounds) for large quantities. However, the US pound is legally defined as exactly 0.45359237 kg, and metric units are used in American science, medicine, the military, and international trade. US food labels are required to show both customary and metric units. Myanmar and Liberia are the only other countries that have not fully adopted the metric system, though both are in the process of transitioning.
Traditional Units in Asia and the UK
Several countries maintain traditional mass units alongside the kilogram for cultural or commercial purposes. In China, the jin (市斤) equals exactly 500 grams (0.5 kg), and the liang (两) equals 50 grams. Chinese markets often price goods per jin rather than per kilogram. In Southeast Asia, the kati (also spelled catty) is a traditional unit that varies by country: it equals 604.79 grams in Malaysia and Singapore, but 600 grams in mainland China and Taiwan. In Japan, the traditional kan (貫) equals 3.75 kg and the momme (匁) equals 3.75 grams, though these are now used mainly in specific contexts such as pearl weight (momme) and traditional crafts. In the United Kingdom, the stone (14 pounds, approximately 6.35 kg) remains the preferred unit for stating personal body weight in everyday conversation, even though metric units are used for most other purposes.