Килограмм-сила
Обозначение: kgfВесь мир (устаревшая)
Что такое Килограмм-сила (kgf)?
Формальное определение
Килограмм-сила (обозначение: кгс, международное: kgf или kp — от нем. «Kilopond») — гравитационная метрическая единица силы, равная силе, с которой масса в один килограмм притягивается к Земле при стандартном ускорении свободного падения. Одна килограмм-сила определяется как ровно 9,80665 ньютонов — произведение одного килограмма и стандартного ускорения свободного падения (g_n = 9,80665 м/с²). Килограмм-сила не входит в систему СИ, но широко использовалась в инженерии до её принятия.
Привлекательность килограмм-силы — в интуитивной связи с повседневным опытом: одна килограмм-сила — это вес массы в один килограмм на поверхности Земли. Держа литр воды в руке, вы ощущаете одну килограмм-силу. Однако эта простота имеет цену: она смешивает массу и силу — две принципиально различные физические величины.
Отличие от килограмма
Килограмм (кг) — единица массы. Килограмм-сила (кгс) — единица силы. Объект массой в один килограмм всегда имеет массу один килограмм независимо от местоположения, но создаёт разную силу в разных гравитационных полях: приблизительно 9,81 Н (1 кгс) на Земле, 1,62 Н (0,165 кгс) на Луне и 0 Н (0 кгс) в свободном падении на орбите. Килограмм-сила предполагает земное стандартное ускорение свободного падения как постоянную.
Этимология
Происхождение термина
Термин «килограмм-сила» явно отделяет единицу силы от единицы массы добавлением «-сила» к «килограмму». В немецком языке эквивалент — «Kilopond» (обозначение: kp), образованный от «кило» (тысяча) и латинского «pondus» (вес). В русском языке используется термин «килограмм-сила» (сокращённо кгс).
Формализация этой концепции в килограмм-силу произошла в XIX веке при разработке метрической гравитационной системы единиц, также известной как «техническая система» или система МКГС (метр-килограмм-сила-секунда).
Обозначения
Килограмм-сила имеет несколько обозначений: kgf (наиболее международно признанное), kp (Kilopond, используется в Германии, Скандинавии и частях Южной Америки), кгс (используется в России и русскоязычной литературе), а иногда просто «кг» в неформальных контекстах — источник постоянной путаницы.
Точное определение
Точное определение
Килограмм-сила определяется как: 1 кгс = 1 кг × 9,80665 м/с² = 9,80665 Н (точно). Значение 9,80665 м/с² — стандартное ускорение свободного падения (g_n), принятое 3-й ГКМВ в 1901 году.
Ключевые пересчёты
1 кгс = 9,80665 Н = 2,20462 фунт-силы = 980 665 дин = 0,00980665 кН = 70,9316 паундалов. Обратно: 1 Н = 0,101972 кгс и 1 фунт-сила = 0,453592 кгс.
Связанные единицы
Грамм-сила (гс = 0,00980665 Н) и тонна-сила (тс = 9806,65 Н = 9,80665 кН) — родственные гравитационные единицы. Килограмм-сила-метр (кгс·м) — единица крутящего момента, равная 9,80665 Н·м. Килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см²) — единица давления, равная 98 066,5 Па, часто называемая «технической атмосферой» (ат).
История
Техническая система единиц
Килограмм-сила была центральной единицей метрической гравитационной, или «технической», системы единиц (МКГС), широко использовавшейся в инженерии с середины XIX века до 1970-х годов. В этой системе базовыми единицами были метр (длина), килограмм-сила (сила) и секунда (время). Масса была производной единицей: «техническая единица массы» (1 кгс·с²/м ≈ 9,807 кг).
Эта система имела практическую привлекательность: сила, а не масса — то, что инженеры непосредственно измеряют и используют в проектировании конструкций, машиностроении и гидравлике.
Широкое распространение
Килограмм-сила была стандартной единицей силы в континентальной Европе, Советском Союзе, Японии и большей части Южной Америки с начала XX века до перехода на СИ. Немецкие стандарты DIN, советские ГОСТы и японские стандарты JIS — все использовали килограмм-силу. Манометры читались в кгс/см², динамометрические ключи — в кгс·м, а прочность материалов — в кгс/мм².
Переход на СИ
Принятие системы СИ, начавшееся в 1960-х годах, инициировало переход от килограмм-силы к ньютонам. СИ сознательно выбрала массу (килограмм) как базовую единицу, а ньютон — как производную единицу силы. Европейские страны в основном завершили переход к 1980-м годам, хотя килограмм-сила сохраняется в неформальном использовании.
Япония завершила свою метрификацию в 1999 году с пересмотром Закона об измерениях. Россия официально приняла единицы СИ, но кгс остаётся распространённой в практической инженерии и старой технической документации.
Современное применение
Устаревшие применения
Килограмм-сила сохраняется в ряде важных контекстов, несмотря на замену ньютоном. Измерение давления часто использует кгс/см², особенно в Азии и на постсоветском пространстве. Манометры давления шин, гидравлических систем и промышленные приборы в этих регионах часто отображают кгс/см². Одна кгс/см² равна приблизительно 0,981 бар или 14,22 psi.
Испытания на твёрдость
Шкалы твёрдости Виккерса и Бринелля традиционно выражают испытательную нагрузку в килограмм-силах. Испытание Виккерса может указывать нагрузку 10 кгс, 30 кгс или 50 кгс. Хотя стандарты, совместимые с СИ, выражают эти нагрузки в ньютонах, значения в килограмм-силах остаются встроенными в систему обозначений.
Неформальное инженерное использование
Во многих странах инженеры и техники неформально выражают силы как «килограммы», имея в виду килограмм-силы. Механик может сказать, что пружина имеет «натяжение 50 кг», подразумевая 50 кгс (490 Н). Это сокращение, хотя технически некорректное, глубоко укоренено в цеховой культуре.
Фитнес и спорт
Динамометры для измерения силы хвата, рыболовные весы и некоторое спортивное оборудование отображают силу в килограмм-силах. Динамометр хвата может показывать 40 кгс для среднего мужского хвата. Тросовые тренажёры в залах часто маркируют стопки грузов в «кг», хотя фактически указывают килограмм-силу.
Применение в быту
Взвешивание и весы
Наиболее универсальная повседневная встреча с килограмм-силой — шаг на напольные весы. Когда весы показывают «70 кг», они фактически измеряют гравитационную силу 70 кгс (686 Н) на тензодатчике или пружинном механизме. Дисплей показывает «массу» в килограммах, но измерение — на самом деле сила в килограмм-силах.
Кухонные и рыночные весы
Пружинные кухонные весы и подвесные рыночные весы измеряют силу (кгс) и отображают массу (кг). Электронные весы с тензодатчиками тоже измеряют силу, но откалиброваны для отображения массы.
Рыбалка
Рыболовные весы обычно отображают вес в килограммах (фактически кгс). Весы «на 5 кг» могут измерять до 5 кгс силы. Прочность лески иногда указывается в килограммах — леска «на 10 кг» выдерживает 10 кгс (98 Н) натяжения.
Давление в шинах
Во многих азиатских и восточноевропейских странах давление в шинах выражается в кгс/см². Типичное давление в шинах легкового автомобиля 2,2 кгс/см² равно приблизительно 32 psi или 2,15 бар. Шиномонтажные станции и манометры в этих регионах обычно используют кгс/см² наряду с бар или psi.
В науке и промышленности
Испытания материалов
Испытания на твёрдость остаются наиболее заметным научным применением килограмм-силы. Шкалы твёрдости Роквелла, Виккерса и Бринелля — все исходно основаны на нагрузках в килограмм-силах. Испытание Бринелля применяет нагрузки 500, 1500 или 3000 кгс с помощью шарика из закалённой стали или карбида вольфрама.
Историческая техническая литература
Огромные объёмы инженерных данных — свойства материалов, строительные расчёты, спецификации машин — были опубликованы с использованием единиц на основе килограмм-силы. Инженеры, обращающиеся к старым справочникам, должны пересчитывать: прочность может быть указана в кгс/мм² (1 кгс/мм² = 9,80665 МПа), момент — в кгс·м (1 кгс·м = 9,80665 Н·м), давление — в кгс/см² (1 кгс/см² = 98,0665 кПа).
Метрология
Килограмм-сила играла историческую роль в определении стандартов давления и силы. «Техническая атмосфера» (1 ат = 1 кгс/см² = 98 066,5 Па) широко использовалась как стандарт давления. Грузопоршневые манометры, генерирующие точные давления с помощью калиброванных масс под действием гравитации, фактически измеряют в килограмм-силах на единицу площади.
Интересные факты
Килограмм-сила в немецкоговорящих странах часто называется «килопонд» (kp). Термин происходит от латинского «pondus» (вес), что делает «килопонд» буквально «тысяча весов» — более точный термин, чем «килограмм-сила», поскольку явно ссылается на вес, а не на массу.
Каждые напольные весы в мире фактически измеряют килограмм-силу (гравитационную силу), а не килограммы (массу). На Луне показания были бы неверны — вы бы казались весящими лишь около 1/6 земного веса, хотя ваша масса не изменилась бы.
Килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см²) иногда называется «технической атмосферой» (ат) для отличия от «стандартной атмосферы» (атм = 101 325 Па = 1,0332 кгс/см²). Они близки, но не идентичны.
В советской космической программе тяга ракет выражалась в тоннах-силах (тс = 1000 кгс). Двигатель РД-170, самый мощный жидкотопливный ракетный двигатель из когда-либо созданных, развивал тягу 740 тс (7257 кН).
Япония официально перешла с килограмм-силы на ньютоны в 1999 году, но многие японские инженеры старше 50 лет до сих пор мыслят в кгс и мысленно пересчитывают. Это поколенческое разделение типично для стран, позднее перешедших на СИ.
Испытание на твёрдость по Бринеллю, стандартизированное в 1900 году, использует нагрузки 500, 1500 или 3000 кгс. Эти кажущиеся круглыми числа становятся неудобными в СИ: 4903 Н, 14 710 Н и 29 420 Н.
Типичное человеческое рукопожатие создаёт силу около 3–7 кгс (30–70 Н). «Крепкое» рукопожатие — около 5 кгс, а «костоломное» может достигать 10 кгс.
Таблица конвертаций
| Единица | Значение | |
|---|---|---|
| Ньютон (N) | 9,80665 | Конвертировать → |
| Фунт-сила (lbf) | 2,20462 | Конвертировать → |
| Дина (dyn) | 980 665 | Конвертировать → |
| Килоньютон (kN) | 0,009807 | Конвертировать → |
| Тонна-сила (метрическая) (tf) | 0,001 | Конвертировать → |