Килограм — дефиниция в SI и съвременното определение с постоянната на Планк

Научете за килограма в SI и новото му определение чрез константата на Планк — история, значение и съвременни методи на измерване.

Килограмът е основната единица за маса в Международната система единици (SI). Той се използва широко в науката, техниката и търговията по целия свят. Исторически килограмът е бил свързван с масата на един литър вода, но това е приближена връзка, а не точно определение.

Съвременно определение (от 20 май 2019 г.)

От 20 май 2019 г. определението за килограм се основава на константата на Планк, като числената й стойност е фиксирана на 6,62607015×10⁻³⁴ kg⋅m²⋅s⁻¹. Това означава, че килограмът вече не се определя от физически прототип (като Международния прототип на килограма), а чрез фиксиране на точното числено значение на фундаментална физична константа и чрез връзката й с вече дефинираните метър и секунда. Практическата реализация на това определение се извършва чрез методи като Kibble баланс (понякога наричан watt balance) и чрез проекти за броене на атоми (метод, базиран на сферична калибрация на силициев кристал).

История и предишно определение

До 2019 г. килограмът беше дефиниран като масата на Международния прототип на килограма (IPK) — цилиндър от сплав платина‑иридий, съхраняван в Международното бюро по тегломерие и измервания (BIPM) в Севр, Франция. С течение на времето се наблюдаваха малки промени между копията на този прототип и оригинала, което мотивира преосмисляне на дефиницията в полза на стабилни фундаментални константи.

Реализация на единицата

• Kibble баланс: измерва електрически и механични величини и свързва масата с плътно дефинираната стойност на константата на Планк.
• Проектът „Авагадро“ със сфера от чист силиций: цели да реализира килограма чрез точно броене на атомите в добре калибрирана сфера и връзка с числото на Авагадро.

Практическа информация и преобразувания

Често използвани съотношения и напомняния:

• Един тон е равен на 1000 килограма.
• Един литър вода тежи приблизително един килограм при температура около 3,98 °C (39,16 °F; 277,13 K) и при стандартно морското равнище. Това приближение е в основата на историческото определение на грам през 1795 г.
• За превръщане в англоезични мерни единици: 1 kg ≈ 2,2046226218 паунда (≈ 2,20462 lb). (В оригиналния текст беше изписано „2,2 килограмма“, което е печатна грешка — правилното е паунди.)

Защо това има значение

Рedefинирането на килограмa чрез фиксиране на стойността на константата на Планк осигурява стабилност и универсалност на единицата — дефиницията вече не зависи от един физически обект, който може да се промени с времето. Това улеснява прецизни измервания в науката, индустрията и търговията и дава възможност за по-надеждни и повторяеми реализации на единицата в различни лаборатории по света.

Маса и тегло

Килограмът е единица за маса. На нормален език измерването на масата определя колко тежко е нещо. От научна гледна точка това не е правилно. Масата е инерционно свойство. Тя измерва склонността на даден обект да се движи с определена скорост, когато върху него не действа сила.

Законите за движението на сър Исак Нютон съдържат важна формула: F = ma. F е сила. m е маса. a е ускорение. Обект с маса (m) от един килограм ще се ускори (a) с един метър в секунда за секунда, когато върху него действа сила (F) от един нютон. Това е около една десета от ускорението, дължащо се на земното притегляне.

Теглото на материята зависи от силата на гравитацията. Масата на материята не зависи. Масата на един обект е еднаква навсякъде. Материята има инвариантна маса, ако приемем, че не се движи с релативистична скорост по отношение на наблюдател. Според специалната теория на относителността на Айнщайн релативистката маса (видимата маса по отношение на наблюдател) на обект или частица с маса на покой m₀ нараства със скоростта му като M = γm₀ (където γ е коефициентът на Лоренц). Този ефект е нищожно малък при ежедневните скорости, които са с порядък по-малки от скоростта на светлината, но става забележим при много високи скорости. Например при движение със скорост само 10 % от скоростта на светлината по отношение на наблюдател - изключително висока скорост в сравнение с ежедневните скорости (около 108 милиона км/ч или 67 000 000 мили в час) - релативистката маса на обекта се увеличава с малко над 0,5 %.

Що се отнася до килограма, ефектът на относителността върху постоянството на масата на материята е просто интересен научен феномен, който няма никакво влияние върху определението за килограм и практическото му приложение. Предметите са "безтегловни" за астронавтите в условията на микрогравитация. Въпреки това обектите продължават да имат своята маса и инерция. Астронавтът трябва да използва десет пъти по-голяма сила, за да ускори десеткилограмов обект със същата скорост като еднокилограмов обект.

Една обикновена люлка, както е показано на картинката, може да покаже връзката между силата, масата и ускорението. Някой може да бутне възрастен на люлката. Възрастният ще се ускори бавно. Той ще се люлее само на малко разстояние напред, преди люлката да промени посоката си. Ако на люлката седи дете, то ще се люлее напред по-бързо и по-далеч.

 
Веригите на люлката поддържат теглото на детето. Ако някой застане зад него и се опита да го спре, той ще действа срещу инерцията му. Тази инерция се дължи на масата, а не на теглото на детето.  

Въпроси и отговори

В: Коя е основната единица за маса в Международната система единици (SI)?

В: Как се определя понастоящем определението за килограм?

Въпрос: Съществуват ли други методи за определяне на килограм?

В: На колко килограма се равнява един килограм?

В: Колко килограма се съдържат в един тон?

Въпрос: Какво е теглото на един литър вода на морското равнище и при 3,98°C (39,16°F; 277,13K)?

В: Кога е създадена тази основа за определяне на грама?

Търсене по буква