Килограмм и эталон массы¶

Килограмм — основная единица измерения массы в Международной системе единиц (СИ), одна из семи базовых единиц этой системы. Обозначается символом «кг» (международное обозначение — kg). Запись «5 кг» означает массу, равную пяти килограммам. Килограмм остаётся единственной единицей СИ, исторически определявшейся через материальный эталон, а не через фундаментальную физическую константу, вплоть до реформы 2019 года.

¶Определение и современный статус

С 20 мая 2019 года килограмм определяется через фиксированное численное значение постоянной Планка. Согласно принятому определению, постоянная Планка h равна точно 6,62607015⋅10⁻³⁴ Дж·с. Поскольку джоуль выражается через секунду и метр, а метр и секунда определяются через скорость света и частоту перехода атома цезия-133, масса килограмма оказывается связанной с фундаментальными константами. Такое определение не зависит от конкретного физического объекта и обеспечивает долговременную стабильность единицы.

До 2019 года килограмм определялся как масса международного прототипа килограмма — платино-иридиевого цилиндра, хранящегося в Международном бюро мер и весов во французском городе Севр близ Парижа. Прототип был изготовлен в 1889 году из сплава платины (90 %) и иридия (10 %).

¶История

Метрическая система была введена во Франции в конце XVIII века. В 1795 году была установлена единица массы «грав», которую вскоре заменили на грамм — массу одного кубического сантиметра воды при температуре таяния льда. Однако грамм оказался слишком малой величиной для практических измерений, поэтому в качестве основной единицы был принят килограмм — масса одного кубического дециметра воды.

В 1799 году был изготовлен платиновый эталон килограмма. В 1875 году подписана Метрическая конвенция, учредившая Международное бюро мер и весов. В 1889 году изготовили 40 копий прототипа, которые распределили между странами-участницами; Россия получила две копии.

В XX веке выяснилось, что масса международного прототипа и его копий медленно меняется — за столетие расхождение составило около 50 микрограммов. Это стало одной из причин перехода к определению через постоянную Планка.

¶Соотношения с другими единицами

Килограмм связан с производными и внесистемными единицами массы:

В Российской Федерации килограмм применяется как основная единица массы в соответствии с Положением о единицах величин, допускаемых к применению. Наравне с ним допускаются тонна, грамм, миллиграмм, а также внесистемные единицы — карат и тонна (для отдельных видов продукции).

¶Применение

Килограмм используется практически во всех сферах, где требуется измерение массы: в торговле, промышленности, науке, медицине, сельском хозяйстве, на транспорте. Запись «5 кг» типична для маркировки весовой продукции — упаковок крупы, сахара, муки, картофеля, строительных смесей, бытового газа в баллонах, багажа на транспорте.

В быту масса в килограммах указывается на этикетках товаров, в кулинарных рецептах, при взвешивании на бытовых весах. В промышленности и логистике оперируют как килограммами, так и тоннами. В научных расчётах килограмм входит в состав производных единиц: ньютон (кг·м/с²), джоуль (кг·м²/с²), паскаль (кг/(м·с²)), ватт (кг·м²/с³).

¶Эталоны и поверка в России

В России хранение и передачу единицы массы обеспечивает система метрологических институтов. Государственный первичный эталон килограмма хранится во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии имени Д. И. Менделеева (ВНИИМ, Санкт-Петербург). После реформы 2019 года эталон воспроизводит килограмм с помощью весов Киббла, связывающих механическую и электрическую мощность через постоянную Планка.

Для практических измерений служат рабочие эталоны и гири различных классов точности. Поверка весов и гирь в России проводится аккредитованными организациями в рамках национальной системы обеспечения единства измерений. Погрешность бытовых весов обычно составляет от нескольких граммов до десятков граммов; лабораторные весы обеспечивают точность до микрограммов.

¶Кратные и дольные единицы

Стандартные приставки СИ образуют ряд единиц массы:

• микрограмм (мкг) — 10⁻⁹ кг;
• миллиграмм (мг) — 10⁻⁶ кг;
• грамм (г) — 10⁻³ кг;
• килограмм (кг) — базовая единица;
• мегаграмм (Мг) — 10³ кг, совпадает с тонной;
• гигаграмм (Гг) — 10⁶ кг.

Особенность килограмма в том, что приставки формально присоединяются к грамму, а не к килограмму, поскольку сам килограмм уже содержит приставку «кило».

¶Интересные факты

• Килограмм — единственная базовая единица СИ, название которой включает десятичную приставку.
• Международный прототип килограмма хранится в трёх вложенных стеклянных колпаках в подвале Международного бюро мер и весов; доступ к нему ограничен.
• Масса одного литра чистой воды при температуре около 4 °C и нормальном атмосферном давлении приблизительно равна одному килограмму — это соотношение было исходной идеей определения.
• В 2019 году для переопределения килограмма использовались весы Киббла — сложная электромеханическая установка, позволяющая связать массу с электрическими величинами.

Источники: материалы Международного бюро мер и весов, ВНИИМ имени Д. И. Менделеева, ГОСТ 8.057, публикации по реформе СИ 2019 года.