Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse du Système international d'unités (SI).
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-poids-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 4°C, qui correspond à un maximum de densité.
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.
Ce n’est qu’en 1875, cependant, que l’unité de masse fut redéfinie comme " kilogramme ", qui devint ainsi la seule unité du SI incluant un préfixe multiplicateur.
Un nouvel étalon en platine irridié 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.
Le kilogramme est actuellement défini comme la masse d’un cylindre en platine iridié (90 % platine et 10 % iridium) de 39 mm de diamètre et 39 mm de haut déclaré unité SI de masse depuis 1889 par le Bureau international des poids et mesures (BIPM).
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 du prototype a déjà varié de quelques microgrammes.
Selon James Clerk Maxwell (1831 - 1879) :
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 (KJ ≡ 4,835 979 x 10+14 Hz/V et RK ≡ 2,581 280 7 x 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 x 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 de un mètre l'un de l'autre dans le vide, et à travers desquels passe un courant électrique constant d’exactement 6,241 509 629.152 65 x 1018 charges élémentaires par seconde.
Ces unités sont aussi utilisées en physique relativiste comme unités d'énergie (via la relation E=mc²).
Il est probable que, à la prochaine convention du BIPM, en octobre 2007, à Paris, le gramme sera défini comme unité dérivée, et la valeur de la constante de Planck (h) sera figée à : 6,626 069 01 x 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 [1] [2].
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 connaitre le nombre d'atomes par unité de volume. Des tentatives en ce sens ont été faite 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[3].
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 :
Dans les anciens livres, seuls les multiples et sous-multiples du kilogramme sont utilisés :
Dans la pratique, seuls les multiples du kilogramme sont utilisés :
Correspondance entre les multiples du kilogramme du système international d'unités | ||||||||
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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 en italiques sont peu usitées) :
Correspondance entre les sous-multiples du kilogramme du système international d'unités | ||||||||||||||
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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 |
On utilise également couramment des noms d'unités anciennes, mais arrondies à des valeurs " exactes "
Correspondance entre le kilogramme et les anciennes unités " métrisées " | ||||
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livre | kilogramme | quintal | tonne | |
livre | 1 | 0,5 | 0,005 | 5·10-4 |
grave | 2 | 1 | 0,01 | 0,001 |
kilogramme | 2 | 1 | 0,01 | 0,001 |
quintal | 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.
La table ci-dessous indique les correspondances entre les unités ; les valeurs en italiques indiquent les croisement entre les systèmes anglo-saxons.
Correspondance avec les unités anglo-saxonnes (valeurs arrondies) | ||||||
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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 (1/16) | 0,0283 |
oz t | 31,1 | 1,097 | 1 | 0,083 3 (1/12) | 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 |