Что такое Килограмм (kg)?
Формальное определение
Килограмм (обозначение: кг, международное: kg) — основная единица измерения массы в Международной системе единиц (СИ). Это единственная базовая единица СИ, название которой содержит приставку «кило». С 20 мая 2019 года килограмм определяется путём фиксации численного значения постоянной Планка равным точно 6,62607015×10⁻³⁴ Дж·с (кг·м²·с⁻¹).
Килограмм широко используется в науке, технике, торговле и повседневной жизни для измерения массы тел. Один килограмм приблизительно равен массе одного литра воды при температуре 4 °C и нормальном атмосферном давлении (101,325 кПа). Эта связь не случайна — исторически килограмм был определён именно через массу воды указанного объёма.
Приставки и производные единицы
Кратные и дольные единицы образуются с помощью стандартных приставок СИ от единицы «грамм», а не от «килограмм». Это уникальная особенность: хотя килограмм является базовой единицей СИ, приставки присоединяются к «грамму». Например, 10⁶ граммов — это мегаграмм (Мг), а не «килокилограмм». На практике вместо мегаграмма чаще используется слово «тонна».
Килограмм входит в определение множества производных единиц СИ: ньютон (сила), паскаль (давление), джоуль (энергия), ватт (мощность), кулон (электрический заряд, через ампер и секунду) и многих других. Без точного определения килограмма невозможно обеспечить согласованность всей системы единиц.
Этимология
Греческие и латинские корни
Слово «килограмм» происходит от французского «kilogramme», введённого в оборот в 1795 году при создании метрической системы. Французское слово образовано из двух компонентов: греческой приставки «χίλιοι» (chilioi — «тысяча») и позднелатинского «gramma» (малая мера веса), которое, в свою очередь, восходит к древнегреческому «γράμμα» (gramma — «буква, запись», а в переносном значении — «малый вес»).
В древнегреческой системе мер грамма составляла 1/24 унции, то есть была очень малой единицей массы. Латинское «gramma» было заимствовано из греческого и использовалось в средневековой аптекарской практике. Когда создатели метрической системы искали название для новой единицы массы, они взяли именно это слово и добавили приставку «кило-» для обозначения тысячекратного увеличения.
Уникальная приставка в названии
Интересно, что приставка «кило-» в составе названия базовой единицы СИ — уникальный случай. Все остальные базовые единицы (метр, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела) не содержат приставок. Это историческое наследие: при создании метрической системы базовой единицей массы был грамм, но он оказался слишком мал для практического использования, и килограмм занял его место. Предпринимались попытки переименовать базовую единицу (предлагались названия «грав» и «гиор»), однако они не увенчались успехом.
Точное определение
Определение через постоянную Планка
С 20 мая 2019 года килограмм определяется через фиксированное значение постоянной Планка: h = 6,62607015×10⁻³⁴ Дж·с = 6,62607015×10⁻³⁴ кг·м²·с⁻¹. Из этого определения следует, что один килограмм равен h/(6,62607015×10⁻³⁴ м²·с⁻¹). Определение опирается на то, что метр и секунда уже зафиксированы через скорость света и частоту цезиевого перехода соответственно.
Весы Киббла
На практике реализация определения осуществляется двумя методами. Первый — весы Киббла (ранее называвшиеся ватт-весами): прибор, в котором механическая мощность уравновешивается электрической. Измеряя электрические величины (напряжение через эффект Джозефсона и сопротивление через квантовый эффект Холла), можно связать массу с постоянной Планка с относительной неопределённостью порядка 10⁻⁸.
Проект «Авогадро»
Второй метод — проект «Авогадро» (X-ray crystal density method), основанный на подсчёте атомов в монокристалле кремния-28 высокой изотопной чистоты. Зная постоянную Авогадро, параметр решётки и молярную массу кремния-28, можно вычислить массу сферы с точностью, сопоставимой с весами Киббла. Оба метода дают согласующиеся результаты, что подтверждает надёжность нового определения.
История
Истоки во Франции
Килограмм был впервые определён в 1795 году во Франции как масса одного кубического дециметра (литра) воды при температуре плавления льда. Это определение было частью масштабной реформы системы мер и весов, инициированной Французской революцией. Учёные Лавуазье и Гайтон де Морво провели эксперименты по определению массы воды с высокой точностью.
Первый эталон
В 1799 году был изготовлен платиновый эталон килограмма — «Килограмм Архивов» (Kilogramme des Archives), хранившийся в Национальном архиве Франции. Его масса была определена как масса одного кубического дециметра воды при температуре наибольшей плотности (около 4 °C). Этот цилиндр из чистой платины диаметром около 39 мм и высотой около 39 мм стал первым официальным эталоном килограмма.
Международное признание
В 1875 году 17 стран подписали Метрическую конвенцию, учредившую Международное бюро мер и весов (МБМВ) в Севре, близ Парижа. Одной из главных задач стало создание международных эталонов. В 1879 году Джордж Маттей (Johnson Matthey) изготовил три цилиндра из платино-иридиевого сплава (90% Pt, 10% Ir), один из которых — KI — по массе максимально совпал с «Килограммом Архивов».
В 1889 году на I Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) цилиндр KI был официально утверждён как Международный прототип килограмма (МПК). Он хранился в МБМВ под тремя стеклянными колпаками в подвале Павильона Бретёй при контролируемой температуре и влажности. Были изготовлены 40 копий (позже — более 80), которые передали странам-участницам. Копия № 12 была передана России.
Проблема дрейфа массы
Три верификации МПК (в 1889, 1946 и 1989 годах) показали тревожную тенденцию: масса национальных копий расходилась с оригиналом. К 1989 году расхождения достигали 50 микрограммов (50 мкг). При этом было невозможно определить, теряет ли массу МПК или набирают копии — ведь килограмм по определению был равен массе МПК. Эта проблема получила название «дрейф массы МПК».
В 2005 году Международный комитет мер и весов начал подготовку к переопределению килограмма через фундаментальную физическую постоянную. Были предложены два подхода: через постоянную Планка (весы Киббла) и через постоянную Авогадро (проект кремниевой сферы). К 2017 году оба метода достигли требуемой точности (относительная неопределённость менее 2×10⁻⁸).
Современное переопределение
16 ноября 2018 года на XXVI Генеральной конференции по мерам и весам в Версале представители 60 стран единогласно проголосовали за новое определение килограмма через постоянную Планка. Решение вступило в силу 20 мая 2019 года — во Всемирный день метрологии. Это стало историческим событием: впервые за 130 лет килограмм перестал зависеть от материального артефакта.
МПК не был уничтожен — он по-прежнему хранится в МБМВ и используется как контрольный эталон, однако его масса теперь может быть измерена, а не определена по определению. Первые измерения после переопределения показали, что масса МПК составляет 1 кг минус примерно 10 микрограммов.
Современное применение
В торговле и промышленности
Килограмм является основной единицей массы практически во всех странах мира. В торговле он используется для маркировки продуктов питания, указания массы товаров и расчёта стоимости. На рынках и в магазинах весь мир (за исключением США, Мьянмы и Либерии) взвешивает товары в килограммах и граммах.
В промышленности килограмм применяется для расчёта нагрузок на конструкции, дозировки сырья, контроля качества продукции. В строительстве масса строительных материалов (бетон, сталь, кирпич) указывается в килограммах и тоннах. В сельском хозяйстве урожайность измеряется в центнерах (100 кг) или тоннах с гектара.
В медицине
В медицине килограмм используется для определения массы тела пациентов, расчёта индекса массы тела (ИМТ = масса в кг / рост в м²), дозировки лекарственных препаратов (мг/кг массы тела) и расчёта парентерального питания. Точное знание массы тела критически важно в педиатрии и анестезиологии.
В науке
В научных исследованиях килограмм служит базой для производных единиц СИ. Ньютон (единица силы) равен кг·м/с², паскаль (единица давления) — кг/(м·с²), джоуль (единица энергии) — кг·м²/с², ватт (единица мощности) — кг·м²/с³. Точность определения килограмма напрямую влияет на точность всех этих величин.
Применение в быту
На кухне
В кулинарии килограмм и его дольные единицы — незаменимый инструмент. Рецепты указывают массу ингредиентов в граммах и килограммах: 1 кг муки, 500 г сахара, 200 г масла. Кухонные весы, градуированные в граммах, есть практически в каждом доме, использующем метрическую систему. Профессиональные пекари и кондитеры всегда взвешивают ингредиенты, а не измеряют их объёмно, поскольку масса даёт более точный и воспроизводимый результат.
Здоровье и фитнес
Для контроля здоровья килограмм используется при взвешивании на напольных весах. Индекс массы тела (ИМТ), который рассчитывается как масса в килограммах, делённая на квадрат роста в метрах, — один из основных показателей для оценки нормального веса. Нормальный ИМТ составляет от 18,5 до 24,9 кг/м². Врачи-диетологи рекомендуют отслеживать массу тела регулярно, а дозировки многих лекарств рассчитываются в миллиграммах на килограмм массы тела.
Покупки
При покупках в магазинах и на рынках килограмм — стандартная единица для фруктов, овощей, мяса, рыбы, круп и других продуктов. Цена указывается за килограмм или за 100 граммов. Фасованные товары маркируются с указанием массы нетто в граммах или килограммах. При покупке бытовой техники масса указывается в килограммах — это важно при доставке и установке.
Спорт и тренировки
В фитнесе и спорте килограмм используется для обозначения массы снарядов: гантели 5 кг, штанга 20 кг (олимпийский гриф), блины по 1,25–25 кг. Спортсмены отслеживают прогресс, записывая рабочие веса в килограммах. Весовые категории в боксе, борьбе и тяжёлой атлетике определяются в килограммах: например, в тяжёлой атлетике — 55 кг, 61 кг, 67 кг и так далее.
В науке и промышленности
Физика и инженерия
В физике килограмм является фундаментальной единицей, входящей в определение основных производных величин. Сила измеряется в ньютонах (1 Н = 1 кг·м/с²), давление — в паскалях (1 Па = 1 кг/(м·с²)), энергия — в джоулях (1 Дж = 1 кг·м²/с²), мощность — в ваттах (1 Вт = 1 кг·м²/с³). Второй закон Ньютона F = ma непосредственно связывает массу в килограммах с силой и ускорением.
Метрология
В метрологии — науке об измерениях — килограмм играет ключевую роль. Весы Киббла (ватт-весы) позволяют реализовать определение килограмма через постоянную Планка с относительной неопределённостью порядка 10⁻⁸. Национальные метрологические институты (ВНИИМ в России, NIST в США, PTB в Германии, NPL в Великобритании) обеспечивают прослеживаемость всех измерений массы к первичному эталону.
Химия и фармацевтика
В химии и фармацевтике точные измерения массы критически важны. Аналитические весы в лабораториях измеряют массу с точностью до 0,1 мг (10⁻⁴ г) и даже до 0,01 мг. При синтезе лекарственных препаратов отклонение массы активного вещества на доли процента может повлиять на эффективность и безопасность лекарства. Молярная масса веществ выражается в граммах на моль (г/моль).
Промышленность и авиация
В промышленности точные измерения массы необходимы для контроля качества продукции, дозировки компонентов, расчёта прочности конструкций и определения грузоподъёмности транспортных средств. В авиации масса воздушного судна, топлива, груза и пассажиров рассчитывается в килограммах с высокой точностью — от этого зависит безопасность полёта. Максимальная взлётная масса Boeing 737-800 составляет 79 016 кг.
Кратные и дольные единицы
| Название | Обозначение | Множитель |
|---|---|---|
| Микрограмм | мкг | 10⁻⁹ кг (10⁻⁶ г) |
| Миллиграмм | мг | 10⁻⁶ кг (10⁻³ г) |
| Сантиграмм | сг | 10⁻⁵ кг (10⁻² г) |
| Дециграмм | дг | 10⁻⁴ кг (10⁻¹ г) |
| Грамм | г | 10⁻³ кг |
| Декаграмм | даг | 10⁻² кг (10¹ г) |
| Гектограмм | гг | 10⁻¹ кг (10² г) |
| Килограмм | кг | 10⁰ кг (10³ г) |
| Мегаграмм (тонна) | Мг | 10³ кг (10⁶ г) |
Интересные факты
Международный прототип килограмма (МПК) — платино-иридиевый цилиндр — потерял около 50 микрограммов массы за 100 лет по сравнению со своими копиями. Это примерно масса отпечатка пальца.
Стоимость одних весов Киббла, используемых для реализации нового определения килограмма, составляет от 1 до 3 миллионов евро. В мире существует менее 10 таких приборов.
Кремниевая сфера проекта «Авогадро» — один из самых совершенных объектов, созданных человеком: отклонение от идеальной сферы составляет менее 50 нанометров на диаметре 93,6 мм.
Килограмм — единственная базовая единица СИ, в названии которой есть приставка. Предпринимались попытки переименовать его в «грав» или «гиор», но безуспешно.
На Луне тело массой 1 кг весит всего 1,62 Н (что эквивалентно «весу» примерно 165 граммов на Земле), поскольку ускорение свободного падения на Луне в 6 раз меньше земного.
Масса одного кубического метра воды при 4 °C составляет 999,975 кг — почти ровно 1 тонну. Это не совпадение, а следствие исторического определения килограмма через воду.
Самый точный эталон массы в России — копия МПК № 12, хранящаяся во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева в Санкт-Петербурге. Она была изготовлена в 1889 году.
В МПК содержится примерно 2,15×10²⁵ атомов платины и 2,39×10²⁴ атомов иридия — всего около 2,39×10²⁵ атомов.
Голосование за переопределение килограмма 16 ноября 2018 года в Версале было единогласным: все 60 делегатов проголосовали «за». Некоторые учёные прослезились от волнения.
Русский фунт (409,5 г) отличался от английского фунта (453,6 г). В 1899 году в России был принят закон, установивший соотношение: 1 русский фунт = 0,40951241 кг.
Региональные особенности
В подавляющем большинстве стран мира килограмм является основной единицей массы. Метрическая система официально принята более чем в 180 странах, и килограмм используется в торговле, промышленности, медицине и науке. Однако существуют заметные региональные особенности.
США и Великобритания
В США метрическая система официально разрешена с 1866 года, но не является обязательной. Американцы в быту используют фунты (1 фунт ≈ 0,454 кг) и унции (1 унция ≈ 28,35 г). Килограмм применяется в науке, медицине и международной торговле, а также в маркировке продуктов питания (где указывается масса и в метрических, и в имперских единицах). В Великобритании килограмм используется в торговле с 2000 года, однако многие британцы по-прежнему мыслят в фунтах и стоунах, особенно когда речь идёт о массе тела.
Азия
В Китае наряду с килограммом используется традиционная единица «цзинь» (斤), равная ровно 500 граммам (0,5 кг). На рынках и в повседневной речи китайцы часто говорят «один цзинь риса» вместо «полкилограмма». В Японии исторически использовались единицы «кан» (3,75 кг) и «моммэ» (3,75 г), но сейчас они практически вышли из употребления. В ряде стран Юго-Восточной Азии (Таиланд, Вьетнам) наряду с килограммом используются местные традиционные единицы, хотя метрическая система является официальной.
Таблица конвертаций
| Единица | Значение | |
|---|---|---|
| Грамм (g) | 1 000 | Конвертировать → |
| Фунт (lbs) | 2,20462 | Конвертировать → |
| Унция (oz) | 35,274 | Конвертировать → |
| Стоун (st) | 0,157473 | Конвертировать → |
| Метрическая тонна (t) | 0,001 | Конвертировать → |