Le kilogramme, dont le symbole est kg (en minuscules), est l'unité de base de masse dans le Système international d'unités (SI).
Le kilogramme est la seule unité SI de base possédant un préfixe (« kilo », symbole k utilisé pour désigner le millier d'une unité) dans son nom. Quatre des sept unités de base du Système international sont définies par rapport au kilogramme, donc sa stabilité est importante.
Du temps où il était en vigueur, le prototype international du kilogramme était rarement utilisé ou manipulé. Des copies en étaient conservées par les laboratoires nationaux de métrologie autour du globe et lui ont été comparées en 1889, 1948 et 1989 pour des besoins de traçabilité. Le prototype international du kilogramme (IPK, ou .) est commandé par la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) sous l'autorité de la Convention du Mètre (1875), et est sous la garde du Bureau international des poids et mesures (BIPM) qui le conserve (au pavillon de Breteuil) au nom de la CGPM.
Après la constatation que la masse du prototype semble dévier de celles de ses copies au cours du temps, le Comité international des poids et mesures (CIPM) recommande en 2005 de redéfinir le kilogramme en fonction de constantes fondamentales de la nature. Dans sa session de 2011, la CGPM convient que le kilogramme devrait être redéfini à partir de la constante de Planck, mais constatant que les travaux existant à cette date ne permettent pas de mettre en œuvre le changement., reporte la décision finale à 2014 puis à la CGPM, qui s'est tenue en 2018 à Paris. Celle-ci permet de figer quatre constantes physiques et de définir un nouveau système d'unités, c'est-à-dire de redéfinir effectivement le kilogramme ; ces définitions entrent en vigueur le ....
Le kilogramme peut désormais être réalisé à partir de la valeur fixée de la constante de Planck et à l'aide d'une balance de Kibble.
Étymologie Le mot « kilogramme » est formé du préfixe « kilo », dérivant du grec ancien , « mille », et de « gramme », représentant 1/ de l'once, par une fausse étymologie. reliant le mot au grec ancien . À l'origine l'unité était le gramme, correspondant à la masse d'un centimètre cube d'eau à la température de la glace fondante. Mais étant instable et peu pratique à manipuler, l'unité retenue fut le kilogramme afin de correspondre à un litre d'eau (à 4°C).. Le mot « kilogramme » est écrit dans la loi française en 1795. L'apocope « kilo » est une abréviation courante qui apparaît dès le .
Le symbole du kilogramme est kg.
Définitions
Le gramme est originellement défini en 1795 comme la masse d'un centimètre cube « d'eau pure » à Soit près de au-dessus du point triple de l'eau., faisant du kilogramme l'égal de la masse d'un litre d'eau pure. Le prototype du kilogramme, fabriqué en 1799 et sur lequel s'appuie le kilogramme jusqu'en , possède une masse égale à celle de d'eau pure.
De 1879 jusqu'au , il était défini comme étant égal à la masse du prototype international du kilogramme déposé au BIPM au pavillon de Breteuil près de Paris.
Depuis le , il est défini en fixant la valeur numérique de , le mètre et la seconde ayant déjà été définis auparavant en fixant pour déterminer la seconde de façon aisément reproductible et précisément mesurable, et en fixant pour déterminer également le mètre en fonction de la seconde de façon aisément reproductible et précisément mesurableProjet de résolution A, pages 7 à 10, conférence générale des poids et mesures (13-16 novembre 2018).. Cette nouvelle définition a été officiellement approuvée par le BIPM le , lors de la conférence générale des poids et mesures..
Portée Masse vignette|Les chaînes de la balançoire soutiennent le poids de cette enfant. En revanche, si une personne, se tenant derrière, tentait de la stopper, elle agirait contre son inertie, qui est liée à sa masse et non à son poids.
Le kilogramme est une unité de masse. Du point de vue physique, la masse est une propriété inertielle, décrivant la tendance d'un objet à conserver la même vitesse en l'absence d'une force extérieure. Selon les lois du mouvement de Newton, un objet de masse accélère d' quand on lui applique une force d'.
Si le poids d'un système dépend de la force locale de la gravité, sa masse est invariante (tant qu'il ne se déplace pas à des vitesses relativistesSelon la théorie de la relativité restreinte d'Albert Einstein, la masse apparente pour un observateur d'un objet de masse au repos s'accroit avec sa vitesse comme (où est le facteur de Lorentz). Cet effet est ridiculement faible aux vitesses usuelles, qui sont de plusieurs ordres de grandeur moindre que celle de la lumière. En pratique, du point de vue du kilogramme, les effets de la relativité sur la constance de la masse n'ont aucun effet sur sa définition et ses réalisations.). En conséquence, pour un astronaute en micropesanteur, aucun effort n'est nécessaire pour maintenir un objet au-dessus du plancher : il est sans poids. Toutefois, comme les objets en micropesanteur conservent leur masse et donc leur inertie, un astronaute doit exercer une force dix fois plus importante pour donner la même accélération à un objet de qu'à un objet d'.
Comme sur Terre, le poids d'un objet est proportionnel à sa masse, sa masse en kilogramme est généralement mesurée en comparant son poids à celui d'un objet standard dont la masse est connue en kilogramme, à l'aide d'une balance. Le rapport de la force de gravitation exercée sur les deux objets est égal au rapport de leur masse.
Relations entre unités
Le kilogramme sous-tend une grande partie du Système international d'unités (SI) tel qu'il est actuellement défini et structuré. Par exemple : le newton, l'unité SI de force, est défini comme la force qui confère une accélération d'un mètre par seconde carrée à un objet d'un kilogramme ; le pascal, l'unité SI de pression, est défini comme égal à un newton par mètre carré.
Cette chaîne de dépendance se succède sur plusieurs unités SI. Par exemple : le joule, l'unité SI d'énergie, est défini comme le travail d'une force d'un newton quand elle agit sur un mètre ; le watt, l'unité SI de puissance, est défini comme égal à un joule par seconde ; l'ampère est défini relativement au newton, et donc au kilogramme.
La valeur des principales unités d'électricité (coulomb, volt, tesla et weber) dépend ainsi du kilogramme, tout comme celle des unités de lumière, la candela étant définie grâce au watt et définissant à son tour le lumen et le lux. Si la masse du prototype international du kilogramme venait à changer, toutes ces unités varieraient en conséquence.
Comme la magnitude de nombreuses unités SI est définie par la masse d'un objet de métal de la taille d'une balle de golf et vieux de plus de , la qualité du prototype international est protégée avec application afin de préserver l'intégrité du système. Cependant, en dépit de la meilleure intendance, la masse moyenne de l'ensemble des prototypes et du prototype international a vraisemblablement divergé de plus de depuis la troisième vérification périodique en 1989. De plus, les laboratoires de métrologie nationaux doivent attendre la quatrième vérification périodique pour confirmer cette tendance historique.
La définition des unités SI est toutefois différente de leur réalisation pratique. Par exemple, le mètre est défini comme la distance parcourue par la lumière pendant un de seconde. Sa réalisation pratique prend typiquement la forme d'un laser hélium-néon et la longueur du mètre est délinéée comme d'onde de la lumière de ce laser. Si, par hasard, on réalisait que la mesure officielle de la seconde avait dérivé de quelques parties par million (elle est en réalité extrêmement stable, avec une reproductibilité de quelques parties pour ), cela n'aurait aucun effet automatique sur le mètre car la seconde — et donc la longueur du mètre — est absorbée par le laser qui en assume la réalisation pratique. Les scientifiques calibrant les appareils continueraient à mesurer le même nombre de longueurs d'onde du laser jusqu'à ce qu'un accord soit conclu pour procéder différemment. Dans le cas de la dépendance du monde extérieur à la valeur du kilogramme, si on déterminait que la masse du prototype international avait changé, cela n'aurait aucun effet automatique sur les autres unités de mesure, leur réalisation pratique fournissant un niveau d'abstraction les isolant. Si la variation de masse était définitivement prouvée, une solution consisterait à redéfinir le kilogramme comme égal à la masse du prototype plus une valeur de compensation.
À long terme, la solution consiste à libérer le système SI du prototype international en développant une réalisation pratique du kilogramme qui puisse être reproduite dans différents laboratoires en suivant une spécification définie. Les unités de mesure dans ces réalisations pratiques possèdent leur magnitude précisément définie et exprimée en fonction de constantes physiques fondamentales. Le kilogramme serait ainsi basé sur une constante universelle invariante. Actuellement, aucune alternative n'a encore atteint l'incertitude de par milliard (environ ) requise pour faire mieux que le prototype. Toutefois, la balance du watt du National Institute of Standards and Technology approche de ce but, avec une incertitude démontrée de .
Historique vignette|K4, l'un des deux prototypes nationaux des États-Unis, photographié en 1915 protégé par deux cloches. Ce prototype est fabriqué en un alliage de platine et d'iridium et mesure en diamètre et en hauteur. Comme les autres prototypes, ses côtés possèdent un quadruple chanfrein pour minimiser l'usure. Par comparaison, une balle de golf mesure de diamètre pour une masse de .
Le système métrique est créé en France à l'initiative de Charles-Maurice de Talleyrand-Périgord. Le , le gouvernement français ordonne à l'Académie des sciences de déterminer précisément la magnitude des unités de base du nouveau système. L'Académie partage la tâche en cinq commissions ; celle chargée de la détermination de la masse comprend initialement Antoine Lavoisier et René Just Haüy ; Lavoisier est guillotiné le et Haüy est temporairement emprisonné, ils sont remplacés à la commission par Louis Lefèvre-Gineau et Giovanni Fabbroni.
Le concept d'utiliser une unité de volume d'eau pour définir une unité de masse est proposée par le philosophe anglais John Wilkins en 1668, afin de lier la masse et la longueur. Le système métrique ayant par ailleurs défini le mètre, « qui a été adopté pour l'unité fondamentale de tout le système des mesures »Décret relatif aux poids et aux mesures, du 18 germinal an 3 (7 avril 1795)., l'unité de poids qui en découle pouvait alors être le mètre cube d'eau d'une tonne (dont l'ordre de grandeur est celui des déplacements des navires), le décimètre cube d'un kilogramme (du même ordre de grandeur que la livre, d'usage courant sur les marchés pour peser les marchandises), le centimètre cube d'un gramme (du même ordre que le denier dans le système des poids de marc, poids des pièces monétaires courantes), ou le millimètre cube d'un milligramme (de l'ordre de la prime, utilisée pour les mesures de précision).
Le gramme est introduit par la loi du 18 germinal an III () ; il est défini comme « le poids absolu d'un volume d'eau pure égal au cube de la centième partie du mètre, et à la température de la glace fondante ». Le choix de l'unité de base se porte donc sur le centimètre cube d'eau, le même décret prévoyant également dans ce système métrique universel une unité mesure monétaire, « l’unité des monnaies prendra le nom de franc, pour remplacer celui de livre usité jusqu'aujourd'hui » : le choix du gramme comme unité de poids préparant la voie à un franc métrique universelLa livre correspondait à l'époque à ~, soit la valeur d'un poids d'or de l'ordre du gramme. En pratique, cependant, la mise en place du franc germinal en 1803 se fait avec une dévaluation supplémentaire : à (soit ) ou ..