Kilogram — definicja, wartość, historia i nowa definicja (stała Plancka)

Kilogram — definicja, historia i nowa definicja oparta na stałej Plancka. Poznaj wartość, przeliczenia, zastosowania i znaczenie jednostki masy w nauce i życiu codziennym.

Kilogram (symbol: kg) jest podstawową jednostką masy w Międzynarodowym Układzie Jednostek Miar (SI). Jest powszechnie stosowany w nauce, inżynierii i handlu na całym świecie.

Definicja

Historycznie kilogram bywał opisywany jako przybliżona masa jednego litra wody, jednak w praktyce było to tylko przybliżenie zależne od temperatury i ciśnienia. Od 20 maja 2019 roku kilogram został zdefiniowany w sposób dokładny i trwały poprzez ustalenie wartości stałej Plancka. W wyniku tej redefinicji wartość stałej Plancka została przyjęta jako stała dokładna:

h = 6,62607015×10-34 kg·m2·s-1

W tej definicji kilogram jest powiązany z sekunda i metr — czyli z jednostkami czasu i długości — poprzez dokładnie ustaloną wartość h. Dzięki temu jednostka masy nie zależy już od materialnego wzorca (takiego jak prototyp), lecz od stałej fizycznej.

Wartość i przeliczenia

• 1 kilogram (1 kg) = 1000 gramów (gram).
• 1 tona = 1000 kilogramów (tona).
• 1 kg ≈ 2,20462 funtów.

Przykład praktyczny: masa jednego litra wody przy temperaturze maksymalnej gęstości (około 3,98 °C, czyli 39,16 °F; 277,13 K) i przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym jest bliska 1 kg — stąd historyczny związek między litrem a kilogramem.

Historia

Krótki przegląd najważniejszych etapów:

• 1795 — wprowadzono system metryczny w Francji; gram został zdefiniowany jako jedna tysięczna części kilograma, a kilogram powiązano z masą jednego litra wody.
• 1889 — przyjęto Międzynarodowy Prototyp Kilograma (IPK), wykonany ze stopu platyny i irydu, jako materialny wzorzec jednostki masy przechowywany w BIPM (Międzynarodowe Biuro Miar) w Sèvres pod Paryżem.
• XX–XXI w. — odkryto, że masy wzorców materialnych mogą się nieznacznie zmieniać (dryft), co skłoniło społeczność naukową do dążenia do redefinicji opartej na stałych fizycznych.
• 2019 (20 maja) — na podstawie decyzji Generalnej Konferencji Miar (CGPM) kilogram został zdefiniowany poprzez stałą Plancka; materialny prototyp nie jest już definicją jednostki.

Nowa definicja i realizacje praktyczne

Po ustaleniu dokładnej wartości stałej Plancka realizacja kilograma w laboratoriach odbywa się głównie dwiema metodami:

• Waga Kibble’a (Kibble balance) — urządzenie porównujące siłę elektromagnetyczną z siłą grawitacyjną działającą na masę; pozwala wyznaczyć masę w oparciu o pomiary związane z układami elektrycznymi i ustaloną wartością h.
• Metoda atomowa (sfera krzemowa) — polegająca na zliczaniu atomów w monokrystalicznej sferze krzemu o bardzo znanej strukturze krystalicznej (projekt Avogadro); daje niezależną realizację jednostki masy przez określenie liczby atomów odpowiadających określonej masie.

Uwagi praktyczne

W codziennym użyciu kilogram nadal pełni tę samą rolę co wcześniej — jako podstawowa jednostka masy. Warto jednak pamiętać o różnicy między masą a ciężarem: masa jest miarą ilości materii (niezależną od pola grawitacyjnego), a ciężar to siła wynikająca z działania pola grawitacyjnego na masę (zmienna w zależności od przyspieszenia grawitacyjnego).

Alternatywne definicje

Przez lata proponowano także inne koncepcje zdefiniowania kilograma, na przykład przez określenie liczby atomów konkretnego izotopu w danej próbce przy określonej temperaturze. Wszystkie te propozycje miały na celu osiągnięcie jak największej powtarzalności i niezależności jednostki od pojedynczych materialnych wzorców.

Podsumowanie: od 2019 roku kilogram jest jednostką zdefiniowaną w sposób trwały i precyzyjny poprzez wartość stałej Plancka, a jego praktyczne realizacje uzyskuje się m.in. za pomocą wag Kibble’a oraz metod atomowych.

Masa i ciężar

Kilogram jest jednostką masy. W normalnym języku pomiar masy określa, jak ciężka jest dana rzecz. Nie jest to poprawne z naukowego punktu widzenia. Masa jest właściwością bezwładnościową. Mierzy tendencję obiektu do utrzymywania się przy danej prędkości, gdy nie działa na niego żadna siła.

Prawa ruchu Sir Isaaca Newtona zawierają ważny wzór: F = ma. F to siła. m to masa. a to przyspieszenie. Obiekt o masie (m) jednego kilograma będzie przyspieszał (a) o jeden metr na sekundę na sekundę, gdy działa na niego siła (F) o wartości jednego niutona. Jest to mniej więcej jedna dziesiąta przyspieszenia wynikającego z grawitacji ziemskiej.

Ciężar materii zależy od siły grawitacji. Masa materii nie. Masa obiektu jest wszędzie taka sama. Materia ma niezmienną masę przy założeniu, że nie porusza się z prędkością relatywistyczną względem obserwatora. Zgodnie z teorią szczególnej względności Einsteina, masa relatywistyczna (masa pozorna względem obserwatora) obiektu lub cząstki o masie spoczynkowej m0 rośnie wraz z jego prędkością jako M = γm0 (gdzie γ jest współczynnikiem Lorentza). Efekt ten jest znikająco mały przy prędkościach codziennych, które są o rzędy wielkości mniejsze od prędkości światła, ale staje się zauważalny przy bardzo dużych prędkościach. Na przykład, podróż z prędkością zaledwie 10% prędkości światła w stosunku do obserwatora - co jest niezwykle szybkie w porównaniu z prędkościami codziennymi (około 108 milionów km/h lub 67 000 000 mph) - zwiększa masę relatywistyczną obiektu o nieco ponad 0,5%.

W odniesieniu do kilograma, wpływ względności na stałość masy materii jest po prostu interesującym zjawiskiem naukowym, które nie ma żadnego wpływu na definicję kilograma i jego praktyczne zastosowania.</ref> Obiekty są "nieważkie" dla astronautów w mikrograwitacji. Jednak obiekty te nadal mają swoją masę i bezwładność. Astronauta musi użyć dziesięć razy więcej siły, aby przyspieszyć dziesięciokilogramowy obiekt w tym samym tempie, co obiekt jednokilogramowy.

Zwykła huśtawka, jak pokazano na rysunku, może pokazać związek siły, masy i przyspieszenia. Ktoś mógłby popchnąć dorosłego na huśtawce. Osoba dorosła przyspieszałaby powoli. Zanim huśtawka zmieni kierunek, osoba dorosła odchyliłaby się do przodu tylko na krótką odległość. Jeśli na huśtawce siedziałoby dziecko, to huśtałoby się ono do przodu szybciej i dalej.

Łańcuchy na huśtawce utrzymują ciężar dziecka. Jeśli ktoś stanąłby za nią i spróbował ją zatrzymać, działałby wbrew jej bezwładności. Ta bezwładność pochodzi od jej masy, a nie ciężaru.

Pytania i odpowiedzi

P: Jaka jest podstawowa jednostka masy w Międzynarodowym Układzie Jednostek Miar (SI)?

P: Jak obecnie ustala się definicję kilograma?

P: Czy istnieją inne metody definiowania kilograma?

P: Ile kilogramów jest równe jednemu kilogramowi?

P: Ile kilogramów mieści się w jednej tonie?

Q: Jaki jest ciężar jednego litra wody na poziomie morza i w temperaturze 3,98°C (39,16°F; 277,13K)?

P: Kiedy ustalono tę podstawę do definiowania gramów?

Szukaj według litery