Kilogramme
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Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse dans le Système international d’unités (SI)[1].

Sommaire

Historique

Le gramme a été introduit lors de l’unification des mesures régionales décidée pendant la Révolution française par la loi du 18 germinal an III (7 avril 1795), art. VI ds Bulletin des lois, 1re série, no 135. C’est un des éléments de la triade « longueur-masse-volume » : décimètre-(kilo)gramme-litre de cette unification.

Le gramme était initialement défini comme la masse d’un centimètre cube d’eau à la température de °C, qui correspond à un maximum de masse volumique.

Le 22 juin 1799, un étalon en platine d’un kilogramme (nom originel, le grave), soit la masse d’un décimètre cube d’eau, fut déposé (ainsi qu’un étalon du mètre) aux Archives de France, grâce aux précédents travaux de divers savants, en particulier Lavoisier (guillotiné en 1794).

Cet étalon devint par définition la représentation du kilogramme (mille grammes) par la loi du 10 décembre 1799.

En 1875, l’unité de masse fut redéfinie comme « kilogramme », qui devint ainsi la seule unité du SI incluant un préfixe multiplicateur[2].

Un nouvel étalon en platine iridié de masse pratiquement identique au kilogramme des Archives devait être réalisé dès 1875, mais la coulée fut rejetée car la proportion d’iridium, 11,1 %, se trouvait en dehors des 9 - 11 % spécifiés. Ce n’est qu’en 1889 que le kilogramme des Archives fut remplacé par le prototype international du kilogramme, conservé depuis cette date au pavillon de Breteuil, parfois nommé le grand K[3].

Définitions

Définition actuelle

Vue d’artiste de l’étalon kilogramme en platine iridié.

Le kilogramme est actuellement défini comme la masse de ce prototype au pavillon de Breteuil, un cylindre en platine iridié (90 % platine et 10 % iridium) de 39,17 mm de diamètre et 39,17 mm de haut[4] déclaré unité SI de masse depuis 1889 par le Bureau international des poids et mesures (BIPM)[1].

Cette unité de mesure est la dernière du SI à être définie au moyen d’un étalon matériel fabriqué par l’homme, c’est-à-dire un artefact. Celui-ci est conservé sous trois cloches de verre scellées dont il n’est extrait que pour réaliser des étalonnages (opération qui n’a eu lieu que trois fois depuis sa création).

Malgré ces précautions, la masse théorique (entendu dans ce sens, la masse qu'il ferait si on trouvait une autre définition au kilogramme) du prototype a déjà varié de quelques microgrammes par rapport aux masses de copies. Il est souvent incorrectement dit que la masse théorique du prototype aurait diminué de l'équivalent d'un grain de sable de 0,4 mm de diamètre[5]. En fait, on sait seulement que les masses des copies ont augmenté par rapport au prototype. En plus, il est probable que la masse théorique du prototype a aussi augmenté, mais moins que celles des copies. Il est aussi possible que les masses des copies et la masse théorique du prototype aient diminué mais que la masse théorique du prototype ait diminué plus rapidement que les masses des copies[6],[7]. En tout état de cause, par définition, la masse réelle du prototype est elle toujours restée immuable à 1 kg.

Selon James Clerk Maxwell (1831 - 1879) :

« Même si le repère cylindrique du kilogramme est abrité dans un coffre spécial, dans des conditions contrôlées au BIPM, sa masse (théorique) peut dériver légèrement au fil des ans et il est sujet à des modifications de masse (théorique) en raison de la contamination, la perte de matériau de surface par nettoyage, ou d’autres effets. Une propriété de la nature est, par définition, toujours la même et peut en théorie être mesurée n’importe où, alors que le kilogramme est accessible uniquement au BIPM et pourrait être endommagé ou détruit. »

Propositions de futures définitions

Sphère monocristalline d’un kilogramme de Silicium du Projet Avogadro à l’Australian Centre for Precision Optics[8].

Afin d’assurer la stabilité à long terme du système international d’unités, la 21e Conférence générale des poids et mesures, en 2000[9], a recommandé que « les laboratoires nationaux poursuivent leurs efforts pour affiner les expériences qui relient l’unité de masse à des constantes fondamentales ou atomiques et qui pourraient, dans l’avenir, servir de base à une nouvelle définition du kilogramme. »

Depuis que le SI a défini les valeurs des constantes de Josephson (CIPM (1988) Recommandation 1, PV 56; 19) et von Klitzing (CIPM (1988), Recommandation 2, PV 56; 20), il est possible de combiner ces valeurs (KJ4,835 979×10+14 Hz/V et RK2,581 280 7×10+4 Ω) avec la définition de l’ampère afin de définir le kilogramme comme ceci :

« Le kilogramme est la masse qui subirait une accélération de précisément 2×10-7 m/s2 lorsqu’elle est soumise à la force par mètre entre deux conducteurs parallèles, rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire négligeable, placés à une distance d’un mètre l’un de l’autre dans le vide, et à travers desquels passe un courant électrique constant d’exactement 6,24150962915265×1018 charges élémentaires par seconde. »

Ces unités sont aussi utilisées en physique relativiste comme unités d’énergie (via la relation E=mc2).

Il est possible que, lors de la prochaine convention du BIPM, le gramme soit défini comme unité dérivée, et la valeur de la constante de Planck (h) soit figée à : 6,62606901×10-34 J⋅s.

Cela dépendra de la précision améliorée de la balance du watt et de sa concordance avec la précision améliorée de la mesure de la masse d’une mole de silicium très pur, ce qui dépend de la précision du mètre « rayons X », qui pourra s’améliorer via les travaux du physicien Theodor W. Hänsch[10],[11].

Une autre approche serait de se baser sur le poids d’un nombre défini d’atomes. Ce décompte n’est pas simple et pourrait être simplifié dans le cas d’un cristal pur permettant ainsi de connaître le nombre d’atomes par unité de volume. Des tentatives en ce sens ont été faites grâce à la fabrication d’une sphère (relativement facile à usiner) de silicium, en tenant compte de la proportion des différents isotopes. La précision ainsi obtenue est de 3 sur 10 millions. Une boule de silicium 28 pourrait atteindre une précision de 2 pour 100 millions à l’horizon 2010[12].

Multiples, sous-multiples et autres unités

Comme l’unité de base « kilogramme » comporte déjà un préfixe, les préfixes SI sont ajoutés par exception au mot « gramme » ou à son symbole g, bien que le gramme ne soit qu’un sous-multiple du kilogramme (1 g = 10-3 kg).

Par exemple :

  • 1 mégagramme (Mg) = 1 000 kg ;
  • 1 milligramme (mg) = 0,000 001 kg.

Dans les anciens livres, seuls les multiples et sous-multiples du kilogramme sont utilisés :

  • myriagramme (mag) : 1 mag = 10 kg ;
  • myriogramme (mog) : 1 mog = 0,000 000 1 kg (= 100 µg).

Dans la pratique, seuls les multiples du kilogramme sont utilisés :

  • kilogramme (kg) : 1 kg = 1 kg ;
  • mégagramme (Mg) : 1 Mg = 1 000 kg ;
  • gigagramme (Gg) : 1 Gg = 1 000 000 kg = 106 kg ;
  • téragramme (Tg) : 1 Tg = 1 000 000 000 kg = 109 kg ;
  • pétagramme (Pg) : 1 Pg = 1012 kg ;
  • exagramme (Eg) : 1 Eg = 1015 kg ;
  • zettagramme (Zg) : 1 Zg = 1018 kg ;
  • yottagramme (Yg) : 1 Yg = 1021 kg.
Correspondance entre les multiples du kilogramme du système international d’unités
kg Mg Gg Tg Pg Eg Zg Yg
kg 1 0,001 10−6 10−9 10−12 10−15 10−18 10−21
Mg 1 000 1 0,001 10−6 10−9 10−12 10−15 10−18
Gg 106 1 000 1 0,001 10−6 10−9 10−12 10−15
Tg 109 106 1 000 1 0,001 10−6 10−9 10−12
Pg 1012 109 106 1 000 1 0,001 10−6 10−9
Eg 1015 1012 109 106 1 000 1 0,001 10−6
Zg 1018 1015 1012 109 106 1 000 1 0,001
Yg 1021 1018 1015 1012 109 106 1 000 1

Dans la pratique, seuls les sous-multiples du kilogramme sont utilisés (les unités qui ne sont pas en italiques sont peu usitées) :

  • kilogramme (kg) : 1 kg = 1 kg ;
  • hectogramme (hg) 1 hg = 0,1 kg ;
  • décagramme (dag) : 1 dag = 0,01 kg ;
  • gramme (g) : 1 g = 0,001 kg ;
  • décigramme (dg) : 1 dg = 0,0 001 kg ;
  • centigramme (cg) 1 cg = 0,00 001 kg ;
  • milligramme (mg) : 1 mg = 0,000 001 kg = 10−6 kg ;
  • microgramme (µg) : 1 µg = 0,000 000 001 kg = 10−9 kg ;
  • nanogramme (ng) : 1 ng = 10−12 kg ;
  • picogramme (pg) : 1 pg = 10−15 kg;
  • femtogramme (fg) : 1 fg = 10−18 kg ;
  • attogramme (ag) : 1 ag = 10−21 kg ;
  • zeptogramme (zg) : 1 zg = 10−24 kg ;
  • yoctogramme (yg) : 1 yg = 10−27 kg.
Correspondance entre les sous-multiples du kilogramme du système international d’unités
yg zg ag fg pg ng µg mg cg dg g dag hg kg
yg 1 0,001 10−6 10−9 10−12 10−15 10−18 10−21 10−22 10−23 10−24 10−25 10−26 10−27
zg 1 000 1 0,001 10−6 10−9 10−12 10−15 10−18 10−19 10−20 10−21 10−22 10−23 10−24
ag 106 1 000 1 0,001 10−6 10−9 10−12 10−15 10−16 10−17 10−18 10−19 10−20 10−21
fg 109 106 1 000 1 0,001 10−6 10−9 10−12 10−13 10−14 10−15 10−16 10−17 10−18
pg 1012 109 106 1 000 1 0,001 10−6 10−9 10−10 10−11 10−12 10−13 10−14 10−15
ng 1015 1012 109 106 1 000 1 0,001 10−6 10−7 10−8 10−9 10−10 10−11 10−12
µg 1018 1015 1012 109 106 1 000 1 0,001 10−4 10−5 10−6 10−7 10−8 10−9
mg 1021 1018 1015 1012 109 106 1 000 1 0,1 0,01 0,001 10−4 10−5 10−6
cg 1022 1019 1016 1013 1010 107 104 10 1 0,1 0,01 0,001 10−4 10−5
dg 1023 1020 1017 1014 1011 108 105 100 10 1 0,1 0,01 0,001 10−4
g 1024 1021 1018 1015 1012 109 106 1 000 100 10 1 0,1 0,01 0,001
dag 1025 1022 1019 1016 1013 1010 107 104 1 000 100 10 1 0,1 0,01
hg 1026 1023 1020 1017 1014 1011 108 105 104 1 000 100 10 1 0,1
kg 1027 1024 1021 1018 1015 1012 109 106 105 104 1 000 100 10 1
Article détaillé : Préfixe du système international.

On utilise également des noms d’unités anciennes, mais arrondies à des valeurs « exactes »

  • la livre : 1 lb ~ 0,5 kg ; 1 kg ~ 2 lb ;
  • le grave : 1 G = 1 kg ; 1 kg = 1 G ;
  • le quintal métrique : 1 q = 100 kg ; 1 kg = 0,01 q ;

À ne pas confondre avec

le quintal français ancien : 48,951 kg environ ou avec

le quintal court d’Amérique du Nord : 45,359 kg environ ou avec

le quintal long du système impérial anglais : 50,802 kg environ.

  • la tonne : 1 t = 1 000 kg ; 1 kg = 0,001 t.
Correspondance entre le kilogramme et les anciennes unités « métrisées »
livre kilogramme quintal métrique tonne
livre 1 0,5 exactement 0,005 5×10-4
grave 2 1 0,01 0,001
kilogramme 2 1 0,01 0,001
quintal métrique 200 100 1 0,1
tonne 2 000 1 000 10 1

Les unités anglo-saxonnes sont assez largement utilisées de par le monde. On utilise couramment les unités du système avoirdupois (av), et, dans certains cas spécifiques, les unités du système troy (t) : médicaments et métaux précieux.

  • Système avoirdupois
    • livre (lb av) : 1 lb av = 0,453 592 37 kg ; 1 kg = 2,204 622 6 lb av
    • once (oz av) : 1 oz av = 0,028 349 523 125 kg ; 1 kg = 35,273 961 950 oz av
  • Système troy
    • livre (lb t) : 1 lb t = 0,373 241 721 6 kg ; 1 kg = 2,679 228 881 lb t
    • once (oz t) : 1 oz t = 0,031 103 476 8 kg ; 1 kg = 32,150 747 oz t

La table ci-dessous indique les correspondances entre les unités ; les valeurs en italiques indiquent les croisements entre les systèmes anglo-saxons.

Correspondance avec les unités anglo-saxonnes (valeurs arrondies)
g oz av oz t lb t lb av kg
g 1 0,035 3 0,032 2 0,002 68 0,002 20 0,001
oz av 28,3 1 0,911 0,076 0 0,062 5 (116) 0,0283
oz t 31,1 1,097 1 0,083 3 (112) 0,068 6 0,031 1
lb t 373 13,2 12 1 0,823 0,373
lb av 454 16 14,6 1,22 1 0,454
kg 1 000 35,3 32,2 2,68 2,20 1

Le carat est une autre unité de masse.

Notes et références

  1. a et b « Unité de masse (kilogramme) », sur le site du BIPM, bipm.org.
  2. « Le kilogramme », sur le site du BIPM, bipm.org.
  3. [1]
  4. (en) T. J. Quinn, « New Techniques in the Manufacture of Platinum-Iridium Mass Standards », dans Platinum Metals Rev., vol. 30, (2), 74-79, 1986, p. 74-79 [texte intégral [PDF] (page consultée le décembre 2009)] .
  5. « Le kilogramme pèserait moins d’un kilo ! » Maxisiences, 24 janvier 2011. « Les scientifiques se demandent combien pèse un kilo »., Nouvelobs.com avec AFP, 24 janvier 2011. « La masse du kilo pose question ». La Figaro, 24 janvier 2011.
  6. [2]
  7. [3]
  8. (en)Australian Centre for Precision Optics (CSIRO).
  9. 8e édition de la brochure sur le SI du BIPM, p. 76 [PDF].
  10. (en)« NIST Improves Accuracy of ‘Watt Balance’ Method for Defining the Kilogram », sur le site nist.gov.
  11. (en)« Replace Kilogram Artifact Now With Definition Based on Nature, Experts Say », sur le site nist.gov.
  12. Ian Robinson, Redéfinir le kilogramme, Pour la Science, mars 2007, p. 68-74.

Voir aussi

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  • KILOGRAMME — n. m. Mesure de poids qui équivaut à mille grammes. Cinq cents kilogrammes. On dit souvent, par abréviation, kilo. Cinquante kilos …   Dictionnaire de l'Academie Francaise, 8eme edition (1935)

  • kilogramme — 2.2046 lb. Abbreviated as kg …   Dictionary of ichthyology

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