Kilogram

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Na tento článek je přesměrováno heslo kg. O dalších významech zkratky pojednává článek KG.
Přibližná podoba mezinárodního prototypu kilogramu

Kilogram (hovorově kilo) je základní jednotka hmotnosti, značka je kg. Odpovídá přibližně hmotnosti 1 litru vody. Podle soustavy SI je kilogram definován jako hmotnost mezinárodního prototypu kilogramu uloženého u Mezinárodního úřadu pro míry a váhySèvres (Francie). První definice kilogramu pocházela z roku 1875. Tomu předcházelo pověření vědců v dobách krále Ludvíka XVI, aby stanovili jednotky v desítkové soustavě.[1]

Název je odvozen z latinského kořene grámma, plus předpona soustavy SI kilo. Přestože označení jednotky již obsahuje předponu, jedná se o základní jednotku a naopak gram je považován za násobek této základní jednotky. Kilogram je jedinou takovou jednotkou v soustavě SI.[2]

Definice[editovat | editovat zdroj]

Podle rozhodnutí 3 Generální konference pro míry a váhy z roku 1901 je kilogram definován jako jednotka hmotnosti takto:[3]

  • S přihlédnutím k rozhodnutí Mezinárodního výboru pro míry a váhy ze dne 15. října 1887, podle kterého je kilogram definován jako jednotka hmotnosti,
  • s přihlédnutím k rozhodnutí obsaženém ve schválení prototypů metrického systému, jednoznačně přijatém Generální konferencí pro míry a váhy dne 26. září 1889
  • a vzhledem k nutnosti ukončit nejednoznačnosti, které v současné praxi stále existují ohledně významu slova váha, které se někdy používá pro hmotnost a někdy pro mechanickou sílu,

Konference vyhlašuje, že:

  1. Kilogram je jednotka hmotnosti; je roven hmotnosti mezinárodního prototypu kilogramu.
  2. Slovo váha označuje kvantitu stejné povahy jako síla: váha tělesa je součinem jeho hmotnosti a tíhového zrychlení; jmenovitě normální váha tělesa je součin jeho hmotnosti a normálního tíhového zrychlení.
  3. Hodnota normálního tíhového zrychlení přijatá Mezinárodní službou pro míry a váhy je 980,665 cm/s².

– CGPM, Declaration on the unit of mass and on the definition of weight; conventional value of gn

Prototyp kilogramu[editovat | editovat zdroj]

Standardní kilogram hmotnosti,
kopie č. 4, uložený v Národním institutu pro normalizaci a technologie v USA. Zobrazen jeden ze dvou kusů, které slouží jako oficiální standard pro definování všech jednotek vah a hmotnosti ve Spojených státech. Jedná se o jednu ze 40 kopií, které byly vyrobeny ve Francii v roce 1884. Tento kilogram se liší (lišil) od hmotnosti prototypu kilogramu o 75 mikrogramů.
(foto: National Geographic - leden 1915)

Mezinárodní prototyp kilogramu je válec o výšce i průměru 39 mm vyrobený ze slitiny 90 % platiny a 10 % iridia.[4] Podle něj byly vyrobeny co možná identické kopie, které uchovávají příslušné instituty v různých státech. Těchto kopií bylo vyrobeno celkem 80. V Česku uchovává tento státní etalon (kopie č. 67) Český metrologický institut.[5] Materiál pro zhotovení prototypu byl volen podle následujících kritérií:[6]

Problémy definice[editovat | editovat zdroj]

Kilogram je poslední jednotka SI, která je definovaná pomocí prototypu, a ne fyzikální definicí.[4] Kilogram byl zvolen tak, aby odpovídal hmotnosti 1 litru vody prosté vzduchu při teplotě, při které má voda maximální hustotu (3,98 °C), při normálním atmosférickém tlaku (760 mm Hg). Tato původní definice však má závažné nedostatky, obsahuje totiž kruhovou závislost: jednotka hmotnosti se zde definuje s pomocí tlaku, který je ovšem definován prostřednictvím hmotnosti. Kvůli těmto problémům byl tedy kilogram v roce 1889 definován na základě prototypu, který byl ovšem vyroben tak, aby kilogram přibližně vyhovoval původní definici. Při výrobě původního standardu však došlo k malé odchylce, která způsobila, že 1 kilogram vody nemá objem přesně 1 litr, ale 1,000 028 l. Definice prototypem má i další problémy:

Změna prototypu[editovat | editovat zdroj]

Z nejasných příčin za posledních 100 let prototyp ztratil přibližně 50 mikrogramů. Jelikož je však kilogram definován jako aktuální hmotnost prototypu, změnila se tím i definovaná velikost kilogramu a znamená to, že objekt, který měl před 100 lety hmotnost 1 000 kg a vůbec se od té doby nezměnil, má dnes hmotnost cca 1 000,000 05 kg.

Jednou z příčin změny hmotnosti může být ztráta atomů vodíku, které se do slitiny dostaly jako parazitní příměsi při její přípravě. Další, i když dovozovanou příčinou je lidský faktor, kdy při opakovaném, i jemném, čištění prototypu v průběhu 100 let byl prototyp prostě odřen, a tím mírně ztratil na hmotnosti. Přitom není úplně jasné, jestli se jedná o skutečnou ztrátu hmotnosti právě tohoto hlavního mezinárodního prototypu; situace může být i opačná, kdy z neznámé příčiny narostla hmotnost ostatních národních prototypů. Do přesnosti měření vstupuje i přesnost tzv. komparačních vah (prototypy nelze vážit absolutně).[7]

Ztráta prototypu[editovat | editovat zdroj]

U definice jediným prototypem hrozí teoretická možnost, že by tento prototyp mohl být ztracen nebo zničen. Ryze fyzikální definice by poskytla možnost jej kdykoli a kdekoli znovu vyrobit.

Nemožnost sdělení definice[editovat | editovat zdroj]

Definici prototypem nelze předat na dálku, např. v hypotetické situaci, kdy by bylo potřeba kilogram popsat někomu, kdo se nemůže dostat k prototypu (například obyvatelé vzdálené planety). Čistě fyzikální definici by bylo možné prostě odeslat jako zprávu a o realizaci prototypu (případně konverzi na své jednotky) by se již adresát postaral sám.

Navrhované fyzikální definice[editovat | editovat zdroj]

Kromě výše uvedených problémů je i z principiálních důvodů definice prototypem považována za neuspokojivou a hledá se definice založená na neměnných vlastnostech přírody. Problematikou definice jednotky se v lednu 2011 zabývala i mezinárodní konference vědců z Mezinárodního úřadu pro míry a váhy, konaná v budově Královské společnostiLondýně s úkolem stanovit směry v definování jednotky kilogramu. V současné době existuje několik zvažovaných způsobů, jak přistoupit k nové definici, podle toho, jaká fundamentální fyzikální konstanta by se definicí zafixovala:[8]

Planckova konstanta[editovat | editovat zdroj]

Pevným stanovením Planckovy konstanty by s pomocí kvantové fyzikyrelativistického vztahu mezi energiíhmotností E=hf=mc^2 bylo možno definovat jednotku hmotnosti. Možnou realizací jsou wattové váhy (anglicky watt balance), které porovnávají tíhu tělesa s magnetickou silou. Aby bylo možno tento postup použít, je potřeba dosáhnout relativní nejistoty měření asi 1 × 10−8, v současné době se dosahuje nejistoty asi 5,2 × 10−8.[9]

Avogadrova konstanta[editovat | editovat zdroj]

Pevným stanovením Avogadrovy konstanty, která definuje jednotku látkového množství jeden mol by bylo kdykoli možno realizovat etalon kilogramu jako Avogadrovu kouli z křemíku s přesně určeným počtem atomů. Počet atomů v jednom molu látky je však hodně velký a vždy bude existovat malá odchylka způsobená chybou počítání atomů.[10]

Tímto problémem se začal v roce 2003 zabývat Spolkový fyzikálně-technický institutBraunschweiguNěmecku pod názvem „Projekt Avogadro“.

Za tímto účelem byl zkonstruován předmět ve tvaru koule z chemicky čistého křemíku s atomovým číslem 28 a poloměrem lišícím se pouze o jednotky atomů – a současně nejdokonaleji kulatý předmět na Zemi.[11]

Elementární náboj[editovat | editovat zdroj]

Stanovením elementárního náboje by bylo možné kilogram definovat pomocí magnetické síly mezi vodiči se známým proudem, která tělesu udělí stanovené zrychlení.

Nová definice kilogramu[editovat | editovat zdroj]

Podrobnější informace naleznete v článku Nové definice SI.

Na 24. Všeobecné konferenci pro váhy a míry, která se konala 17.–21. října 2011, byl připraven návrh budoucí revize soustavy SI, ve kterém je definice kilogramu odvozena z Planckovy konstanty. Jelikož však zatím nebyly splněny požadavky na přesnost jejího měření, nebyla tato revize na tomto zasedání zatím přijata.[12]

Násobné jednotky[editovat | editovat zdroj]

Předpony lze dávat k základu gram (nanogram, gigagram), nikoli k základnímu kilogramu (tedy nikoli milikilogram, megakilogram). Z praktických důvodů se však užívá také kilotuna a megatuna, viz dále.

Kromě kilogramu se často používají následující jednotky:

Nanogram[editovat | editovat zdroj]

1 nanogram je tisícina mikrogramu.

Mikrogram[editovat | editovat zdroj]

Mikrogram (značka μg) je tísícina miligramu (miliontina gramu, tzn. miliardtina kilogramu). V běžném životě je to příliš malé množství, aby mělo nějaký praktický význam. Běžně se však používá při sledování výskytu superstopových množství látek v přírodě (například některé vzácné prvky se mořské vodě vyskytují v řádu koncentrací μg/l, doporučená denní dávka vitaminu B12 je 2,5 μg) nebo v jaderné fyzice při udávání obsahu krátkodobě žijících izotopů (μg/kg nebo dokonce μg/t).

Miligram[editovat | editovat zdroj]

Miligram (značka mg) je tisícina gramu, tzn. miliontina kilogramu. Používá se nejčastěji v chemii či lékařství, například obsahy běžných kovových prvků jako je měď nebo zinek se v živočišných a rostlinných tkáních pohybují v řádu jednotek až stovek mg/kg. Obsahy alkalických kovů nebo typických aniontů jako uhličitany se v minerálních vodách obvykle uvádějí v mg/l.

Gram[editovat | editovat zdroj]

Gram (značka g) je definován jako jedna tisícina kilogramu. Dnes se často využívá jako jednotka pro vážení přísad při vaření a nákupu potravin. Cena pro potraviny prodávané v menším množství než jeden kilogram bývá běžně uváděna jako cena za 100 g. Také údaje o obsahu a složení jednotlivých potravin bývají vztahovány k hmotnosti 100 g a tudíž odpovídají procentům hmotnosti. Gram je základní jednotkou hmotnosti ve starší soustavě CGS.

Dekagram[editovat | editovat zdroj]

Dekagram (oficiální značka v soustavě SI je dag, ale v běžném životě se častěji používá zastaralé označení dkg) je 10 gramů, tedy jedna setina kilogramu. Je to jednotka používaná převážně v maloobchodě s potravinami. Čech mluvící hovorovou češtinou kupující množství menší než jeden kilogram většinou definuje požadované množství v dekagramech (hovorově deka: Dejte mi 20 deka šunky, prosím.). Přestože jednotková cena se v maloobchodě zpravidla udává na 100 gramů nebo na kilogram, český zákazník kupuje na deka.

Metrický cent[editovat | editovat zdroj]

Hovorově metrák, odpovídá 100 kg. Značí se q.

Podrobnější informace naleznete v článku Metrický cent.

Tuna[editovat | editovat zdroj]

Tuna (značka t, někdy Mg) je jednotka hmotnosti, která nepatří do soustavy SI, avšak může se používat spolu s jednotkami SI. Odpovídá 1000 kilogramům a znamená totéž co megagram. Vyšší řády hmotností se často vztahují k tuně (kilotuna, megatuna).

Jednotka tuna se používá např. v dopravním značení pro vyjadřování povolené hmotnosti vozidla.

Kilotuna[editovat | editovat zdroj]

Kilotuna (značka kt, dle SI gigagram, Gg) je tisíc tun, čili milion kilogramů.

Megatuna[editovat | editovat zdroj]

Megatuna (značka Mt, dle prakticky nepoužívané definice SI teragram, značka Tg) je milion tun, čili miliarda kilogramů. V ekvivalentech kilotun a megatun TNT se obvykle udává energie uvolněná výbuchem jaderné zbraně. Nejsilnější známá jaderná zbraň (sovětská Car-bomba) měla sílu okolo 57 Mt TNT.[1]

Instituce[editovat | editovat zdroj]

Systémem měření a váhami se zabývají následující mezinárodní instituce:

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. BIMP: The name "kilogram": a historical quirk
  2. BIMP: The kilogram
  3. BIMP: Resolution of the 3rd meeting of the CGPM (1901)
  4. a b BIMP: International prototype of the kilogram
  5. Český metrologický institut: ČESKÉ STÁTNÍ ETALONY
  6. BIMP: Frequently asked questions about the kilogram (1)
  7. BIMP: Frequently asked questions about the kilogram (2)
  8. Petr Kulhánek, Aldebaran bulletin 29/2008: Budou mít fundamentální konstanty přesné hodnoty?
  9. Definice založené na elektromagnetické síle
  10. Martin Žáček: Nová definice kilogramu, Aldebaran bulletin 28/2008
  11. World's Roundest Object!
  12. BIPM: Resolution 1 of the 24th meeting of the CGPM (2011)

Literatura[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]

Externí obrázky[editovat | editovat zdroj]

  • [2] The IPK in three nested bell jars
  • [3] K20, the US National Prototype Kilogram
  • [4] Steam cleaning a 1 kg prototype before a mass comparison
  • [5] The IPK and its six sister copies in their vault
  • [6] Silicon sphere for the Avogadro Project
  • [7] The NPL’s Watt Balance project
  • [8] Rueprecht Balance, an Austrian-made precision balance, was used by the NIST from 1945 until 1960
  • [9] The BIPM’s modern precision balance featuring a standard deviation of one ten-billionth of a kilogram (0.1 µg)
  • [10] Mettler HK1000 balance, featuring 1 µg resolution and a 4 kg maximum mass. Also used by NIST and Sandia National Laboratories’ Primary Standards Laboratory
  • [11] FG 5 absolute gravimeter