rss twitter

22 нояб. 2018 г.

Просто килограмм. Новый и старый

Мало кто знает (а с ноября 2018 года знающих стало еще меньше) что же такое килограмм? Судя по названию, это просто тысяча грамм. Ведь "kilo" это тысяча, ну а грамм, то что значит? Одна тысячная килограмма.... Вот и настало время историй.

Итак, 7 апреля года во Франции ввели новую единицу для определения массы. Именно массы, а не веса. Простите, но немножко научного занудства не помешает:
Тонна, килограмм, фунта, грамм и прочее служат для измерения массы, а не веса. Несмотря на то, что массу измеряют прибором под названием весы. 

Вес — это та сила с которой объект действует на опору, а значит "вес" измеряется в ньютонах. Когда мы что-то взвешиваем, мы определяем с какой силой это что-то воздействует на наши весы. Все просто 

P=mg

P — это вес, m — это масса, а g — ускорение свободного падения. На нашей с вами планете 9,80665 м/с². Причем на экваторе значение меньше, чем на полюсах. Сюрприз, на экваторе вы будете весить меньше. Но не спешите переезжать, чтобы похудеть, масса останется той же.

С весом определились, вес на Марсе и на Венере будет разный, при одинаковой массе. Вот мы подошли к первому определению массы. Это величина определяющая силу гравитационного взаимодействия. Выше масса — выше сила с которой тела притягиваются. Соответственно с большей силой тело будет давить на весы.

Еще масса является мерой инертности тела. Чем она больше, тем большую силу нужно приложить к телу чтобы изменить его скорость. Даже если оно никуда не двигается (скорость 0), чтобы изменить эту скорость нужна сила.

F=ma (Второй закон Ньютона)

a — это ускорение, то есть скорость изменения скорости. Теперь, и гравитация, и инерция, и вес, и масса, связаны между собой.

Снова к истории


Великая Французская революция 1795. Вводиться метрическая система и тот самый грамм. Идея заключалась в том, чтобы все страны пользовались одной системой измерений. Но как оказалось, даже в наше время унции, фунты и дюймы все еще в ходу.

Первый килограмм


Первый вариант определения килограмма был связан с водой:

Масса одного литра воды при температуре 4 градуса Цельсия.

То есть просто взяли и решили, что кубического дециметра воды это 1 кг? Более чем за сто лет до самой Революции англичанин Джон Уилкинсон думал как связать длину с массой. 

И придумал, что куб воды со стороной в 10 сантиметров должен иметь весить... один грамм при температуре таяния льда. Умножив на 1000 получим тот самый эталон.

Так как взвешивать при помощи воды не очень то удобно, в 1889 году был изготовлен эталон из платиноиридиевого сплава массой 1 кг.

80 копий одинаковой массы отправились в разные лаборатории земли, чтобы каждые 40 лет сравнивать с эталоном, который находиться в Парижской палате мер и весов. Оказалось, что через 100 лет появились расхождения в показаниях (на 50 микро грамм), то ли эталон стал легче, то ли другие образцы стали тяжелее, былой точности оказалось мало... Надо было что-то предпринять.

Ведь современном мире ни одна единица измерений, кроме героя нашего рассказа, не измеряется по эталонному предмету.

Второй килограмм


Ученые объединившиеся в "проект Авогадро" решили к проблеме с помощью атома кремния. Сферам максимально возможной степени идеальности состоящая из 50*1024
(пятьдесят септиллионов), что означает вот столько

50 000 000 000 000 000 000 000 000

атомов кремния-28. Будут весить как раз столько сколько нужно. Почему шар? Потому что шар сложнее "сломать" тем куб или цилиндр и его объем выражается только одной величиной — диаметром.

Опять появляются некие тяжелые предметы которые нужно как-то измерять.... Нет, не то.

Выход был найден в ноябре 2018 года, точнее оформлен документально. 

Теперь килограмм выражается через постоянную Планка из Квантовой механики при помощи весов Киббла (в мире таких устройств только два). 

Постоянную Планка (h) мы знаем достаточно точно, до 34 знака после запятой. А значит достаточно рассчитать силу, с которой катушка отталкивается от постоянного магнита, и тем самым уравновешивает предмет массу которого нужно измерять.

Постоянная Планка выражается в Джоулях умноженных на секунду, а Джоуль, в свою очередь кг·м²/с². В итоге можно записать:

h = 6,626 070 040(81) × 10−34 кг·м²/с

Видите, "кило картошки" можно больше не выражать через материальный предмет. Больше не нужно будет ничего ни с чем сравнивать в буквальном смысле слова.

Новый килограмм вступит в силу, только в марте 2019 года. Значит еще некоторое время старый-добрый эталон будет приносить пользу.

Еще немного науки: