Systém mezinárodních jednotek (SI) je jedním z nejrozšířenějších systémů měření na světě. Každá fyzikální veličina má svou vlastní měrnou jednotku, která je univerzální a uznávaná mezinárodním společenstvím.
Hmotnost je jednou z hlavních fyzikálních veličin, které určují stav hmotného objektu a jeho interakci s okolím. Základní jednotkou pro měření hmotnosti v systému si je kilogram (kg).
Proč zrovna kilo? Odpověď na tuto otázku leží v historii vývoje vědy a standardizace. V roce 1793 byl ve Francii přijat nový systém měření a hmotnostních jednotek známý jako metrický systém. Jedním ze základních standardů tohoto systému je kilogram. Byl definován jako hmotnost 1 litru vody při teplotě tání ledu.
Následně byl vytvořen mezinárodní prototyp kilogramu, který byl měřítkem pro všechna masová měření ve světové vědě. Postupem času se však ukázalo, že etalon vyrobený z platiny a iridia je vystaven času a životnímu prostředí, což vede k malým, ale znatelným změnám jeho hmotnosti.
Začátek historie masy
Historie měření hmotnosti má dlouhou a zajímavou evoluci. Od nejstarších dob lidé potřebovali určit masu objektů a tvorů, aby usnadnili obchod, výstavbu a další oblasti života.
Jednou z prvních metod měření hmotnosti bylo použití vyvážených vah. Jednoduchým nápadem bylo porovnat hmotnost objektu s hmotností známého nákladu na druhém konci vah. Aby se předešlo rozdílům v hmotnosti různých hmotností, používaly balanční váhy srovnání hmotnosti s jinými objekty.
Postupem času byly pro přesnější měření a mezinárodní standardizaci vyvinuty různé regionální jednotky měření hmotnosti. Některé z nejznámějších hmotnostních jednotek zahrnují libry, zlatice a Grana.
| Jednotka hmotnosti | Popis |
|---|---|
| Libra | Anglická jednotka hmotnosti, která se blíží 0,4536 kilogramu |
| Kuželka | Staroruská a staroispánská jednotka hmotnosti přibližně 4,266 gramu |
| Grand | Hmotnostní jednotka používaná k popisu hmotnosti drahokamů se rovná přibližně 0,0648 gramu |
S rozvojem vědy a technologie se však ukázalo, že pro přesnější a univerzálnější měření je nutné nastavit konzistentní systém jednotek měření hmotnosti. V roce 1875 byl proto vyvinut systém mezinárodních jednotek (SI), ve kterém se hmotnost měří v kilogramech.
Kilogram byl vybrán jako jednotka hmotnosti v Si, protože byl považován za jednu z nejstabilnějších a nejrozšířenějších jednotek na světě. V roce 1889 byl vytvořen a schválen mezinárodní prototyp kilogramu, který byl měřítkem pro všechny ostatní kilogramy.
Systém si a metrický systém měření
Kilogram je základní jednotka pro měření hmotnosti v Si. Původně byl kilogram definován jako hmotnost jednoho litru vody, ale později byla přijata přesnější definice. Nyní je kilogram určen hmotností mezinárodního prototypu kilogramu uloženého v mezinárodní organizaci v Paříži.
Metrický systém měření je také založen na číselných předponách, které jsou přidány k základním jednotkám, aby odkazovaly na velké nebo malé hodnoty. Například předpona "kilo -" označuje multiplikátor 1000, takže kilogram je 1000 gramů.
Použití metrického systému měření a kilogramu v Si poskytuje pohodlí a jednotnost při měření hmotnosti po celém světě. Díky tomuto systému mohou vědci, inženýři a další odborníci snadno sdílet data a výsledky výzkumu navzdory národním hranicím a rozdílům v jazycích.
Celkově je použití kilogramu v Si jedním z příkladů úspěšné standardizace, která podporuje zjednodušení a konzistenci ve vědeckých a technických oborech i v každodenním životě.
Určení kilogramu
Dříve byl kilogram definován jako hmotnost mezinárodního prototypu kilogramu vyrobeného z platiny a iridia, který byl uložen v mezinárodním Úřadu pro míry a váhy ve Francii. Kvůli některým faktorům, jako je oxidace a znečištění, však prototyp začal časem měnit svou hmotnost.
Nová definice vychází z Planckovy konstanty - základní konstanty v kvantové fyzice. Planckova konstanta spojuje energii částice s frekvencí jejího energetického záření. Běžným měřením hmotnosti tedy může být měření energie fotonu.
V současné době se hmotnost kilogramu určuje prostřednictvím krystalu silicia-28, izotopu silicia. K určení hmotnosti kilogramu se používá speciální nástroj zvaný krystalická mřížka silicia.
Tato nová definice kilogramu nejen poskytuje stabilnější a přesnější metrologii, ale také umožňuje širší využití směrů kvantové fyziky ve vědě a technologii.
Historie měření hmotnosti v kilogramech
Před vytvořením si byla hmotnost obvykle měřena pomocí fyzikálních objektů, jako jsou standardní závaží nebo kovové bloky. To však vedlo k problémům, jako je opotřebení a degradace těchto objektů, což ztěžovalo přesné měření hmotnosti.
V roce 1799 francouzský fyzik a chemik Antoine Lavoisier navrhl použití nového systému jednotek založeného na přirozených konstantách. Navrhl, aby nová jednotka měření hmotnosti byla definována jako hmotnost objemu vody, jejíž hustota se rovná jedné. Kilogram byl tedy definován jako hmotnost jednoho litru vody při teplotě tání ledu.
Stanovení hmotnosti vody se stalo základem pro nový systém jednotek a v roce 1889 byl vytvořen mezinárodní prototyp kilogramu. Tento prototyp vyrobený z platiny a iridia byl hmotnostním standardem a byl použit ke kalibraci jiných měřicích přístrojů.
Postupem času se však ukázalo, že hmotnost mezinárodního prototypu kilogramu se mění. Změny byly způsobeny odchylkami prototypu od původní definice hmotnosti vody a fyzikálními procesy, jako je oxidace a znečištění povrchu prototypu.
| Rok | Událost |
|---|---|
| 2019 | Mezinárodní konference o opatřeních a hmotnostech se rozhodla použít novou definici kilogramu na základě Planckovy konstanty. |
| 1889 | Vytvoření mezinárodního prototypu kilogramu z platiny a iridia. |
| 1799 | Antoine Lavoisier navrhuje určit kilogram jako hmotnost jednoho litru vody. |
V důsledku toho bylo rozhodnuto předefinovat kilogram na základě základních trvalých přirozeností. V současné době je jedna taková definice založena na Planckově konstantu, která spojuje hmotu s energií. Tato nová definice kilogramu poskytuje stabilnější a přesnější hmotnost, která nezávisí na konkrétním fyzikálním objektu.
Historie měření hmotnosti v kilogramech tak začala návrhem Antoina Lavoisiera použít hmotnost vody jako základ pro nový systém jednotek. A zatímco předchozí mezinárodní prototyp kilogramu byl nahrazen,nová definice kilogramu na základě Planckovy konstanty je nadále hlavní v systému SI.
Standardní kilogram
Mezinárodní prototyp kilogramu je fyzikálním objektem vyrobeným z platiny a iridia a je uložen u Mezinárodního úřadu pro váhy a míry (BIPM) ve Francii. Tento standardní prototyp kilogramu je základem pro všechna měření hmotnosti v systému SI.
Navzdory své důležitosti však může být tento fyzický objekt v průběhu času opotřebován a měněn hmotou. To vytváří problémy pro vědecká a technická měření, která vyžadují vysokou přesnost.
Ve světle toho BIPM ve spolupráci s národními institucemi vyvíjí nový systém určování kilogramu založený na základních konstantách přírody, jako je Planckova konstanta a Boltzmannova konstanta. To umožní vytvořit stabilnější a přesnější jednotku hmotnosti, která nebude záviset na fyzickém objektu.
Tento nový standardní determinátor kilogramu, nazývaný "klasický" determinátor kilogramu, byl implementován v roce 2019 a od té doby jsou všechny hmoty měřeny pomocí tohoto nového determinantu.
Výsledkem je, že standardní prototyp kilogramu je základem pro určení hmotnosti v systému si, ale zastarává kvůli své náchylnosti ke změnám. Zavedení nového determinantu kilogramu založeného na základních konstantách umožňuje vytvořit stabilnější a přesnější jednotku hmotnosti v systému SI.
Výhody použití kilogramu v systému SI
- Snadné použití: Kilogram je nejběžnější jednotkou pro měření hmotnosti a často se používá v každodenním životě. Je dobře známá lidem a je snadno vnímatelná.
- Univerzálnost: Kilogram je součástí mezinárodního systému jednotek, který zajišťuje jeho univerzálnost a obecně přijatelnost. To usnadňuje porovnávání a sdílení dat mezi různými zeměmi a kulturami.
- Koordinovanost: Kilogram je definován a koordinován pomocí národního prototypu u Mezinárodního úřadu pro váhy a míry ve Francii. To zajišťuje stabilitu a přesnost měření hmotnosti v různých laboratořích a nástrojích.
- Relativita: Kilogram je základní jednotkou pro měření hmotnosti v systému SI a umožňuje budovat vztahy a rovnice mezi různými fyzikálními veličinami.
- Kompatibilita: Kilogram se snadno vyměňuje s jinými jednotkami měření hmotnosti v systému SI, jako jsou gramy nebo tuny, pomocí jednoduchých matematických transformací. To umožňuje použití kilogramu v různých oblastech vědy a inženýrství.
Obecně platí, že použití kilogramu v systému SI poskytuje standardizaci a všestrannost měření hmotnosti, což přispívá k rozvoji vědy, technologie a obchodu v měřítku celé planety.
Budoucnost systému měření hmotnosti v Si
K dnešnímu dni je hmotnost kilogramu definována jako hmotnost standardního prototypu známého jako mezinárodní prototyp kilogramu (IPK), který je uložen u Mezinárodního úřadu pro míry a váhy (BIPM) ve Francii. Postupem času však IPK může měnit svou hmotnost a stát se méně přesným. Proto je potřeba hledat stabilnější a spolehlivější způsob měření hmotnosti.
Jedním z navrhovaných způsobů je propojení jednotky hmoty se základními konstantami přírody. K určení hmotnosti lze například použít planckovu konstantu nebo elementární náboj. To umožní stanovit přesnou definici kilogramu a zajistit jeho nezávislost na fyzických objektech.
Dalším přístupem k definici hmotnosti je použití ultracitlivých vah založených na kvantových jevech. Tyto váhy jsou schopny měřit hmotnost s vysokou přesností a mohou být použity k provádění pracovních standardů hmotnosti.
Zavádění nových definic a metod měření hmotnosti však vyžaduje dlouhý výzkum a experimentování a harmonizaci mezi různými zeměmi a organizacemi. V současné době probíhá mezinárodní vědecký výzkum s cílem vyvinout novou definici kilogramu, která bude udržitelná a komplexní.
Budoucnost systému měření hmotnosti v si tedy slibuje, že bude přesnější, spolehlivější a stabilnější. To však bude vyžadovat spoustu času a harmonizace, aby se vytvořil standard, který bude používán světovou komunitou a bude pokrývat všechny oblasti vědy, technologie a obchodu.