Système international d'unités

Pays utilisant les systèmes coutumiers métrique (SI), impérial et américain à partir de 2019.

Le Système international d'unités, ou SI, ^{[2] : 123} est un système d'unités décimal ^[d] et métrique ^[e] établi en 1960 et périodiquement mis à jour depuis lors. L'IS a un statut officiel dans la plupart des pays, ^[f] y compris les États-Unis , ^{[h] le} Canada et le Royaume-Uni , bien que ces trois pays soient parmi une poignée de nations qui, à divers degrés, continuent également d'utiliser leurs systèmes. Néanmoins, avec ce niveau d'acceptation presque universel, le système SI «a été utilisé dans le monde entier comme système d'unités préféré, le langage de base pour la science, la technologie, l'industrie et le commerce». ^{[2] : 123}

Les seuls autres types de systèmes de mesure qui sont encore largement utilisés dans le monde sont les systèmes de mesure coutumiers impériaux et américains , et ils sont légalement définis en termes de système SI . ^[i] Il existe d'autres systèmes de mesure moins répandus qui sont parfois utilisés dans certaines régions du monde. En outre, il existe de nombreuses unités individuelles non SI qui n'appartiennent à aucun système complet d'unités, mais qui sont néanmoins encore régulièrement utilisées dans des domaines et des régions particuliers. Ces deux catégories d'unités sont également généralement définies légalement en termes d'unités SI. ^[j]

Organisme de contrôle

L'IS a été créée et est maintenue par la Conférence générale des poids et mesures (CGPM ^[k] ). ^[4] Dans la pratique, la CGPM suit les recommandations du Comité Consultatif des Unités (CCU), qui est l'organe proprement dit conduisant les délibérations techniques concernant les nouveaux développements scientifiques et technologiques liés à la définition des unités et du SI. Le CCU rend compte au Comité international des poids et mesures (CIPM ^[l] ) qui, à son tour, fait rapport à la CGPM. Voir ci - dessous pour plus de détails.

Toutes les décisions et recommandations concernant les unités sont rassemblées dans une brochure intitulée Le Système international d'unités (SI) ^[m] , qui est publiée par le Bureau international des poids et mesures (BIPM ^[n] ) et périodiquement mise à jour.

Vue d'ensemble des unités

Unités de base SI

Le SI sélectionne sept unités pour servir d' unités de base , correspondant à sept grandeurs physiques de base. ^[o] Ils sont les seconds , avec le symbole s , qui est l'unité SI de la quantité physique de temps ; le mètre , symbole m , l'unité SI de longueur ; kilogramme ( kg , unité de masse ); ampère ( A , courant électrique ); kelvin ( K , température thermodynamique ); mole ( mol , quantité de substance ); et candela ( cd , intensité lumineuse ). ^[2] Notez que «le choix des unités de base n'a jamais été unique, mais s'est développé historiquement et est devenu familier aux utilisateurs du SI». ^{[2] : 126} Toutes les unités du SI peuvent être exprimées en termes d'unités de base, et les unités de base servent d'ensemble préféré pour exprimer ou analyser les relations entre les unités.

Unités dérivées du SI

Le système permet un nombre illimité d'unités supplémentaires, appelées unités dérivées , qui peuvent toujours être représentées comme des produits de puissances des unités de base, éventuellement avec un multiplicateur numérique non trivial. Lorsque ce multiplicateur est égal à un, l'unité est appelée unité dérivée cohérente . ^[p] Les unités dérivées de base et cohérentes du SI forment ensemble un système d'unités cohérent ( l'ensemble des unités SI cohérentes ). ^[q] Vingt-deux unités dérivées cohérentes ont été pourvues de noms et de symboles spéciaux. ^[r] Les sept unités de base et les 22 unités dérivées avec des noms et des symboles spéciaux peuvent être utilisées en combinaison pour exprimer d'autres unités dérivées, ^[s] qui sont adoptées pour faciliter la mesure de diverses grandeurs.

Avant les définitions adoptées en 2018, le SI était défini à travers sept unités de base à partir desquelles les unités dérivées étaient construites en tant que produits des puissances des unités de base. Définir le SI en fixant les valeurs numériques de sept constantes de définition a pour effet que cette distinction n'est, en principe, pas nécessaire, puisque toutes les unités, de base ainsi que les unités dérivées, peuvent être construites directement à partir des constantes de définition. Néanmoins, le concept d'unités de base et d'unités dérivées est maintenu car il est utile et historiquement bien établi. ^[6]

Préfixes métriques SI et nature décimale du système SI

Comme tous les systèmes métriques, le SI utilise des préfixes métriques pour construire systématiquement, pour une même quantité physique, un ensemble d'unités qui sont des multiples décimaux les uns des autres sur une large plage.

Par exemple, alors que l'unité cohérente de longueur est le mètre, ^[t] le SI fournit une gamme complète d'unités de longueur plus petites et plus grandes, chacune d'entre elles pouvant être plus pratique pour une application donnée - par exemple, les distances de conduite sont normalement indiquées en kilomètres (symbole km ) plutôt qu'en mètres. Ici, le préfixe métrique « kilo- » (symbole «k») représente un facteur de 1000; Donc,1 km =1000 m . ^[u]

La version actuelle du SI fournit vingt préfixes métriques qui signifient des puissances décimales allant de 10 ^-24 à 10 ²⁴ . ^{[2] : 143–4} À part les préfixes pour 1/100, 1/10, 10 et 100, tous les autres sont des puissances de 1000.

En général, étant donné toute unité cohérente avec un nom et un symbole séparés, ^[v] on forme une nouvelle unité en ajoutant simplement un préfixe métrique approprié au nom de l'unité cohérente (et un symbole de préfixe correspondant au symbole de l'unité). Puisque le préfixe métrique signifie une puissance particulière de dix, la nouvelle unité est toujours une puissance de dix multiple ou sous-multiple de l'unité cohérente. Ainsi, la conversion entre les unités au sein du SI se fait toujours par une puissance de dix; c'est pourquoi le système SI (et les systèmes métriques plus généralement) sont appelés systèmes décimaux d'unités de mesure . ^{[7] [w]}

Le groupement formé par un symbole de préfixe attaché à un symbole d'unité (par exemple « km », « cm ») constitue un nouveau symbole d'unité indissociable. Ce nouveau symbole peut être élevé à une puissance positive ou négative et peut être combiné avec d'autres symboles d'unité pour former des symboles d'unité composée. ^{[2] : 143} Par exemple, g / cm ³ est une unité SI de densité , où cm ³ doit être interprété comme ( cm ) ³ .

Unités SI cohérentes et non cohérentes

Lorsque des préfixes sont utilisés avec les unités SI cohérentes, les unités résultantes ne sont plus cohérentes, car le préfixe introduit un facteur numérique différent de un. ^{[2] : 137} La seule exception est le kilogramme, la seule unité SI cohérente dont le nom et le symbole, pour des raisons historiques, comprennent un préfixe. ^[X]

L'ensemble complet d'unités SI comprend à la fois l'ensemble cohérent et les multiples et sous-multiples d'unités cohérentes formés en utilisant les préfixes SI. ^{[2] : 138} Par exemple, le mètre, le kilomètre, le centimètre, le nanomètre, etc. sont tous des unités SI de longueur, bien que seul le mètre soit une unité SI cohérente . Une déclaration similaire vaut pour les unités dérivées: par exemple, kg / m ³ , g / dm ³ , g / cm ³ , Pg / km ³ , etc. sont toutes des unités SI de densité, mais parmi celles-ci, seul kg / m ³ est une unité SI cohérente .

De plus, le mètre est la seule unité de longueur SI cohérente. Chaque grandeur physique a exactement une unité SI cohérente, bien que cette unité puisse être exprimée sous différentes formes en utilisant certains des noms et symboles spéciaux. ^{[2] : 140} Par exemple, l'unité SI cohérente de l'impulsion linéaire peut être écrite en kg asm / s ou en N⋅s , et les deux formes sont utilisées (par exemple, comparez respectivement ici ^{[8] : 205} et ici ^{[ 9] : 135} ).

En revanche, plusieurs grandeurs différentes peuvent partager la même unité SI cohérente. Par exemple, le joule par kelvin est l'unité SI cohérente pour deux grandeurs distinctes: la capacité calorifique et l' entropie . En outre, la même unité SI cohérente peut être une unité de base dans un contexte, mais une unité dérivée cohérente dans un autre. Par exemple, l'ampère est l'unité SI cohérente pour le courant électrique et la force magnétomotrice , mais c'est une unité de base dans le premier cas et une unité dérivée dans le second. ^{[2] : 140 [z]}

Unités non SI autorisées

Il existe un groupe spécial d'unités qui sont appelées «unités non-SI qui sont acceptées pour être utilisées avec le SI». ^{[2] : 145} Voir les unités non-SI mentionnées dans le SI pour une liste complète. La plupart de ceux-ci, pour être convertis dans l'unité SI correspondante, nécessitent des facteurs de conversion qui ne sont pas des puissances de dix. Quelques exemples courants de telles unités sont les unités de temps habituelles, à savoir la minute (facteur de conversion de 60 s / min, car 1 min =60 s ), l'heure (3600 s ) et le jour (86 400  s ); le degré (pour mesurer les angles plans,1 ° =π/180 rad ); et l' électronvolt (une unité d'énergie,1 eV =1,602 176 634 × 10 ^-19  J ).

Nouvelles unités

Le SI se veut un système évolutif; des unités ^[aa] et des préfixes sont créés et les définitions d'unités sont modifiées par accord international à mesure que la technologie de mesure progresse et que la précision des mesures s'améliore.

Définition des grandeurs d'unités

Depuis 2019, les grandeurs de toutes les unités SI ont été définies de manière abstraite, qui est conceptuellement séparée de toute réalisation pratique de celles-ci. ^{[2] : 126 [ab]} À savoir, les unités SI sont définies en déclarant que sept constantes de définition ^{[2] : 125–9} ont certaines valeurs numériques exactes lorsqu'elles sont exprimées en termes de leurs unités SI. La plus connue de ces constantes est probablement la vitesse de la lumière dans le vide, c , qui dans le SI a par définition la valeur exacte de c =299 792 458  m / s . Les six autres constantes sont${\ displaystyle \ Delta \ nu _ {\ text {Cs}}}$, la fréquence de transition hyperfine du césium ; h , la constante de Planck ; e , la charge élémentaire ; k , la constante de Boltzmann ; N _A , la constante d'Avogadro ; et K _cd , l' efficacité lumineuse du rayonnement monochromatique de fréquence540 × 10 ¹²  Hz . ^[ac] La nature des constantes de définition va des constantes fondamentales de la nature telles que c à la constante purement technique K _cd . ^{[2] : 128–9} Avant 2019, h , e , k et N _A n'étaient pas définis a priori mais étaient plutôt des quantités mesurées très précisément. En 2019, leurs valeurs ont été fixées par définition à leurs meilleures estimations du moment, assurant la continuité avec les définitions précédentes des unités de base.

En ce qui concerne les réalisations, ce que l'on pense être les meilleures réalisations pratiques actuelles des unités sont décrites dans les « mises en pratique » , ^[ad] également publiées par le BIPM. ^[12] La nature abstraite des définitions des unités est ce qui permet d'améliorer et de changer les mises en pratique au fur et à mesure que la science et la technologie évoluent sans avoir à changer les définitions elles-mêmes. ^[ag]

En un sens, cette façon de définir les unités SI n'est pas plus abstraite que la façon dont les unités dérivées sont traditionnellement définies en termes d'unités de base. Considérons une unité dérivée particulière, par exemple, le joule, l'unité d'énergie. Sa définition en termes d'unités de base est kg ⋅ m ² / s ² . Même si les réalisations pratiques du mètre, du kilogramme et de la seconde sont disponibles, une réalisation pratique du joule exigerait une sorte de référence à la définition physique sous-jacente du travail ou de l'énergie - une procédure physique réelle pour réaliser l'énergie en quantité de un joule tel qu'il puisse être comparé à d'autres exemples d'énergie (comme le contenu énergétique de l'essence mise dans une voiture ou de l'électricité livrée à un ménage).

La situation avec les constantes de définition et toutes les unités SI est analogue. En fait, d'un point de vue purement mathématique , les unités SI sont définies comme si nous déclarions que ce sont les unités de la constante de définition qui sont maintenant les unités de base, toutes les autres unités SI étant des unités dérivées. Pour rendre cela plus clair, notez d'abord que chaque constante de définition peut être considérée comme déterminant la grandeur de l'unité de mesure de cette constante de définition; ^{[2] : 128} par exemple, la définition de c définit l'unité m / s comme1 m / s = c/299 792 458 ('la vitesse d'un mètre par seconde est égale à un 299 792 458 ème de la vitesse de la lumière »). De cette façon, les constantes définissant définissent directement les sept unités suivantes: le hertz ( Hz ), une unité de la quantité physique de fréquence (notez que des problèmes peuvent survenir lorsqu'il s'agit de la fréquence ou de la constante de Planck car les unités de mesure angulaire (cycle ou radian) sont omis dans SI. ^{[13] [14] [15] [16] [17]} ); le mètre par seconde ( m / s ), une unité de vitesse; joule-seconde ( J⋅s ), une unité d' action ; coulomb ( C ), une unité de charge électrique ; joule par kelvin ( J / K ), une unité à la fois d' entropie et de capacité thermique ; la mole inverse ( mol ^-1 ), unité d'une constante de conversion entre la quantité de substance et le nombre d'entités élémentaires (atomes, molécules, etc.); et lumen par watt ( lm / W ), une unité d'une constante de conversion entre la puissance physique transportée par le rayonnement électromagnétique et la capacité intrinsèque de ce même rayonnement à produire une perception visuelle de la luminosité chez les humains. De plus, on peut montrer, en utilisant l'analyse dimensionnelle , que chaque unité SI cohérente (qu'elle soit de base ou dérivée) peut être écrite comme un produit unique des puissances des unités du SI définissant des constantes (en analogie complète avec le fait que chaque SI dérivé cohérent l'unité peut être écrite comme un produit unique des puissances des unités SI de base). Par exemple, le kilogramme peut être écrit sous la forme kg = ( Hz ) ( J⋅s ) / ( m / s ) ² . ^[ah] Ainsi, le kilogramme est défini en fonction des trois constantes de définition Δ ν _Cs , c et h car, d'une part, ces trois constantes de définition définissent respectivement les unités Hz , m / s et J⋅s , ^[ai] tandis que, d'autre part, le kilogramme peut être écrit en fonction de ces trois unités, à savoir, kg = ( Hz ) ( J⋅s ) / ( m / s ) ² . ^[aj] Certes, la question de savoir comment réaliser réellement le kilogramme en pratique serait, à ce stade, toujours ouverte, mais ce n'est pas vraiment différent du fait que la question de savoir comment réaliser réellement le joule en pratique est toujours principe ouvert même une fois que l'on a réalisé les réalisations pratiques du mètre, du kilogramme et de la seconde.

Une conséquence de la redéfinition du SI est que la distinction entre les unités de base et les unités dérivées n'est en principe pas nécessaire, puisque toute unité peut être construite directement à partir des sept constantes de définition. Néanmoins, la distinction est conservée car «elle est utile et historiquement bien établie», et aussi parce que la série de normes ISO / CEI 80000 ^[ak] spécifie des grandeurs de base et dérivées qui ont nécessairement les unités SI correspondantes. ^{[2] : 129}

Spécification des constantes fondamentales par rapport aux autres méthodes de définition

La manière actuelle de définir le système SI est le résultat d'un mouvement de plusieurs décennies vers une formulation de plus en plus abstraite et idéalisée dans laquelle les réalisations des unités sont séparées conceptuellement des définitions. ^{[2] : 126}

Le grand avantage de procéder de cette manière est que, à mesure que la science et les technologies se développent, des réalisations nouvelles et supérieures peuvent être introduites sans qu'il soit nécessaire de redéfinir les unités. ^{[ae] Les} unités peuvent maintenant être réalisées avec «une précision qui n'est finalement limitée que par la structure quantique de la nature et nos capacités techniques, mais pas par les définitions elles-mêmes. ^[af] Toute équation physique valide reliant les constantes de définition à une unité peut être utilisée pour réaliser l'unité, créant ainsi des opportunités d'innovation ... avec une précision croissante au fur et à mesure que la technologie progresse ». ^{[2] : 122} Dans la pratique, les Comités consultatifs du CIPM fournissent des « mises en pratique » (techniques pratiques) ^[12], qui sont les descriptions de ce que l'on considère actuellement comme les meilleures réalisations expérimentales des unités. ^[20]

Ce système n'a pas la simplicité conceptuelle de l'utilisation d'artefacts (appelés prototypes ) comme réalisations d'unités pour définir ces unités: avec les prototypes, la définition et la réalisation sont une seule et même chose. ^[al] Cependant, l'utilisation d'artefacts présente deux inconvénients majeurs qui, dès qu'elle est techniquement et scientifiquement réalisable, conduisent à les abandonner comme moyen de définir des unités. ^[ap] Un inconvénient majeur est que les artefacts peuvent être perdus, endommagés, ^[ar] ou modifiés. ^[as] L'autre est qu'ils ne peuvent en grande partie pas bénéficier des progrès de la science et de la technologie. Le dernier artefact utilisé par le SI était le Kilogramme Prototype International (IPK), un cylindre particulier de platine-iridium ; de 1889 à 2019, le kilogramme était par définition égal à la masse de l'IPK. Les préoccupations relatives à la stabilité d'une part, et des progrès dans des mesures précises de la constante de Planck et la constante d' Avogadro de l'autre, conduit à une révision de la définition des unités de base , mis en vigueur le 20 mai 2019. ^[27] Cette a été le plus grand changement dans le système SI depuis qu'il a été formellement défini et établi en 1960, et il a abouti aux définitions décrites ci-dessus. ^[28]

Dans le passé, il existait également diverses autres approches des définitions de certaines des unités SI. On a utilisé un état physique spécifique d'une substance spécifique (le point triple de l'eau , qui a été utilisé dans la définition du kelvin ^{[29] : 113–4} ); d'autres se référaient à des prescriptions expérimentales idéalisées ^{[2] : 125} (comme dans le cas de l' ancienne définition SI de l'ampère ^{[29] : 113} et de l'ancienne définition SI (initialement adoptée en 1979) de la candela ^{[29] : 115} ).

À l'avenir, l'ensemble des constantes de définition utilisées par le SI peut être modifié à mesure que des constantes plus stables sont trouvées, ou s'il s'avère que d'autres constantes peuvent être mesurées plus précisément. ^[à]

Histoire

La motivation initiale pour le développement du SI était la diversité des unités qui avaient surgi dans les systèmes centimètre-gramme-seconde (CGS) (en particulier l'incohérence entre les systèmes d' unités électrostatiques et d'unités électromagnétiques ) et le manque de coordination entre les diverses disciplines qui les utilisaient. La Conférence générale des poids et mesures (français: Conférence générale des poids et mesures - Conférence générale), qui a été créé par la Convention du Mètre de 1875, a réuni de nombreuses organisations internationales pour établir les définitions et les normes d'un nouveau système et d'uniformiser les règles pour rédiger et présenter des mesures.

Adopté en 1889, l'utilisation du système d'unités MKS a succédé au système d'unités centimètre-gramme-seconde (CGS) dans le commerce et l' ingénierie . Le système du mètre et du kilogramme a servi de base au développement du Système international d'unités (en abrégé SI), qui sert maintenant de norme internationale. Pour cette raison, les normes du système CGS ont été progressivement remplacées par des normes métriques incorporées à partir du système MKS. ^[30]

En 1901, Giovanni Giorgi proposa à l' Associazione elettrotecnica italiana  [ it ] (AEI) que ce système, étendu avec une quatrième unité à prendre dans les unités d' électromagnétisme , soit utilisé comme système international. ^[31] Ce système a été fortement encouragé par l'ingénieur électricien George A. Campbell . ^[32]

Le Système international a été publié en 1960, sur la base des unités MKS, à la suite d'une initiative qui a débuté en 1948.

Le SI est réglementé et développé en permanence par trois organisations internationales qui ont été créées en 1875 en vertu de la Convention du Mètre . Il s'agit de la Conférence générale des poids et mesures (CGPM ^[k] ), du Comité international des poids et mesures (CIPM ^[l] ) et du Bureau international des poids et mesures (BIPM ^[n] ). Les restes de l' autorité ultime avec la Conférence générale, qui est un organe plénier à travers laquelle ses États membres ^[av] agir ensemble sur les questions liées à la science mesure et étalons de mesure; il se réunit généralement tous les quatre ans. ^[33] La CGPM élit le CIPM, qui est un comité de 18 personnes composé d'éminents scientifiques. Le CIPM fonctionne sur la base des conseils d'un certain nombre de ses comités consultatifs, qui réunissent des experts mondiaux dans leurs domaines spécifiques en tant que conseillers sur des questions scientifiques et techniques. ^{[34] [aw]} L'un de ces comités est le Comité consultatif des unités (CCU), qui est responsable des questions liées au développement du Système international d'unités (SI), à la préparation des éditions successives de la brochure SI et aux conseils au CIPM sur les questions relatives aux unités de mesure. ^[35] C'est le CCU qui examine en détail tous les nouveaux développements scientifiques et technologiques liés à la définition des unités et du SI. En pratique, en ce qui concerne la définition du SI, la CGPM approuve simplement formellement les recommandations du CIPM qui, à son tour, suit les conseils du CCU.

Le CCU est composé des membres suivants: ^{[36] [37]} laboratoires nationaux des États membres de la CGPM chargés de l'établissement des normes nationales; ^[ax] les organisations intergouvernementales et les organismes internationaux pertinents; ^[ay] commissions ou comités internationaux; ^[az] unions scientifiques; ^{[b bis]} membres personnels; ^[bb] et, en tant que membre de droit de tous les comités consultatifs, le directeur du BIPM .

Toutes les décisions et recommandations concernant les unités sont rassemblées dans une brochure intitulée Le Système international d'unités (SI) ^{[2] [m]} , qui est publiée par le BIPM et périodiquement mise à jour.

Le système international d'unités est composée d'un ensemble d' unités de base , des motifs dérivés , et un ensemble de multiplicateurs sur la base décimale, qui sont utilisés comme préfixes . ^{[29] : 103-106} Les unités, à l'exclusion des unités préfixées, ^[bc] forment un système d'unités cohérent , qui est basé sur un système de grandeurs de telle sorte que les équations entre les valeurs numériques exprimées en unités cohérentes ont exactement le même forme, y compris les facteurs numériques, que les équations correspondantes entre les quantités. Par exemple, 1 N = 1 kg x 1 m / s ² dit que l' un newton est la force nécessaire pour accélérer une masse d' une Kilogramme un mètre par seconde au carré , comme liée par le principe de cohérence à l'équation concernant les quantités correspondantes : F = m × a .

Les unités dérivées s'appliquent aux quantités dérivées, qui peuvent par définition être exprimées en termes de quantités de base et ne sont donc pas indépendantes; par exemple, la conductance électrique est l'inverse de la résistance électrique , avec pour conséquence que le siemens est l'inverse de l'ohm, et de même, l'ohm et le siemens peuvent être remplacés par un rapport d'un ampère et d'un volt, car ces quantités portent un relation définie les uns avec les autres. ^[bd] D'autres grandeurs dérivées utiles peuvent être spécifiées en termes de base SI et d'unités dérivées qui n'ont pas d'unités nommées dans le système SI, comme l'accélération, qui est définie en unités SI comme m / s ² .

Unités de base

Les unités de base SI sont les éléments constitutifs du système et toutes les autres unités en sont dérivées.

Unités dérivées

Les unités dérivées dans le SI sont formées par des puissances, des produits ou des quotients des unités de base et sont potentiellement illimitées en nombre. ^{[29] : 103 [40] : 14,16} Les unités dérivées sont associées à des quantités dérivées; par exemple, la vitesse est une quantité dérivée des quantités de base de temps et de longueur, et donc l'unité dérivée SI est le mètre par seconde (symbole m / s). Les dimensions des unités dérivées peuvent être exprimées en termes de dimensions des unités de base.

Des combinaisons d'unités de base et d'unités dérivées peuvent être utilisées pour exprimer d'autres unités dérivées. Par exemple, l'unité de force SI est le newton (N), l'unité SI de pression est le pascal (Pa) - et le pascal peut être défini comme un newton par mètre carré (N / m ² ). ^[43]

Préfixes

Des préfixes sont ajoutés aux noms d'unité pour produire des multiples et des sous - multiples de l'unité d'origine. Tous ces éléments sont des puissances entières de dix, et au-dessus de cent ou en dessous d'un centième, tous sont des puissances entières de mille. Par exemple, kilo- désigne un multiple de mille et milli- dénote un multiple d'un millième, donc il y a mille millimètres au mètre et mille mètres au kilomètre. Les préfixes ne sont jamais combinés, donc par exemple un millionième de mètre est un micromètre , pas un millimillimètre. Les multiples du kilogramme sont nommés comme si le gramme était l'unité de base, donc un millionième de kilogramme est un milligramme , pas un microkilogramme. ^{[29] : 122 [44] : 14} Lorsque les préfixes sont utilisés pour former des multiples et sous-multiples de la base SI et des unités dérivées, les unités résultantes ne sont plus cohérentes. ^{[29] : 7}

Le BIPM spécifie 20 préfixes pour le Système international d'unités (SI):

Unités non-SI acceptées pour une utilisation avec SI

De nombreuses unités non-SI continuent d'être utilisées dans la littérature scientifique, technique et commerciale. Certaines unités sont profondément ancrées dans l'histoire et la culture, et leur utilisation n'a pas été entièrement remplacée par leurs alternatives SI. Le CIPM a reconnu et reconnu ces traditions en compilant une liste d' unités non SI acceptées pour être utilisées avec SI : ^[29]

Bien qu'il ne s'agisse pas d'une unité SI, le litre peut être utilisé avec des unités SI. Il équivaut à (10 cm) ³  = (1 dm) ³  = 10 ^-3  m ³ .

Certaines unités de temps, d'angle et d'anciennes unités non SI ont une longue histoire d'utilisation. La plupart des sociétés ont utilisé le jour solaire et ses subdivisions non décimales comme base de temps et, contrairement au pied ou à la livre , ils étaient les mêmes quel que soit l'endroit où ils étaient mesurés. Le radian , étant 1/2πd'une révolution, a des avantages mathématiques mais est rarement utilisé pour la navigation. De plus, les unités utilisées pour la navigation dans le monde sont similaires. La tonne , le litre et l' hectare ont été adoptés par la CGPM en 1879 et ont été conservés comme unités pouvant être utilisées aux côtés des unités SI, ayant reçu des symboles uniques. Les unités cataloguées sont données ci-dessous:

Ces unités sont utilisées en combinaison avec des unités SI dans des unités communes telles que le kilowattheure (1 kW⋅h = 3,6 MJ).

Notions communes des unités métriques

Les unités de base du système métrique, telles que définies à l'origine, représentaient des quantités ou des relations communes dans la nature. Ils le font toujours - les quantités modernes définies avec précision sont des raffinements de définition et de méthodologie, mais toujours avec les mêmes grandeurs. Dans les cas où la précision de laboratoire peut ne pas être requise ou disponible, ou lorsque les approximations sont suffisamment bonnes, les définitions originales peuvent suffire. ^[être]

• Une seconde correspond à 1/60 de minute, soit 1/60 d'heure, soit 1/24 de jour, donc une seconde équivaut à 1/86400 de jour (l'utilisation de la base 60 remonte à l'époque babylonienne) ; une seconde est le temps qu'il faut à un objet dense pour tomber librement à 4,9 mètres du repos. ^[bf]
• La longueur de l' équateur est proche de40 000 000  m (plus précisément40 075 014 0,2 m ). ^[45] En fait, les dimensions de notre planète ont été utilisées par l'Académie française dans la définition originale du mètre. ^[46]
• Le mètre est proche de la longueur d' un pendule qui a une période de 2 secondes ; ^{[bg] la} plupart des tables à manger mesurent environ 0,75 mètre de haut; ^[47] un humain très grand (basketball en avant) mesure environ 2 mètres de haut. ^[48]
• Le kilogramme est la masse d'un litre d'eau froide; un centimètre cube ou un millilitre d'eau a une masse d'un gramme; une pièce de 1 euro pèse 7,5 g; ^[49] une pièce de 1 dollar américain de Sacagawea pèse 8,1 g; ^[50] une pièce britannique de 50 pence pèse 8,0 g. ^[51]
• Une candela est à peu près l'intensité lumineuse d'une bougie moyennement brillante, ou 1 puissance de bougie; une ampoule à incandescence à filament de tungstène de 60 W a une intensité lumineuse d'environ 64 candelas. ^[bh]
• Une mole d'une substance a une masse qui est sa masse moléculaire exprimée en unités de grammes; la masse d'une mole de carbone est de 12,0 g et la masse d'une mole de sel de table est de 58,4 g.
• Étant donné que tous les gaz ont le même volume par mole à une température et une pression données éloignées de leurs points de liquéfaction et de solidification (voir Gaz parfait ), et l'air est d'environ 1/5 d'oxygène (masse moléculaire 32) et 4/5 d'azote (masse moléculaire 28), la densité de tout gaz presque parfait par rapport à l'air peut être obtenue avec une bonne approximation en divisant sa masse moléculaire par 29 (car 4/5 × 28 + 1/5 × 32 = 28,8 ≈ 29). Par exemple, le monoxyde de carbone (masse moléculaire 28) a presque la même densité que l'air.
• Une différence de température d'un kelvin équivaut à un degré Celsius: 1/100 de la différence de température entre les points de congélation et d'ébullition de l'eau au niveau de la mer; la température absolue en kelvins est la température en degrés Celsius plus environ 273; la température du corps humain est d'environ 37 ° C ou 310 K.
• Une ampoule à incandescence de 60 W de 120 V (tension secteur américaine) consomme 0,5 A à cette tension. Une ampoule de 60 W de 240 V (tension secteur européenne) consomme 0,25 A à cette tension. ^[bi]

Noms des unités

Les symboles des unités SI sont censés être identiques, quelle que soit la langue utilisée, ^{[29] : 130-135} mais les noms sont des noms ordinaires et utilisent le jeu de caractères et suivent les règles grammaticales de la langue concernée. Les noms d'unités suivent les règles grammaticales associées aux noms communs : en anglais et en français, ils commencent par une lettre minuscule (par exemple, newton, hertz, pascal), même lorsque l'unité porte le nom d'une personne et que son symbole commence par une majuscule . ^{[29] : 148} Ceci s'applique également aux "degrés Celsius", ^[bj] puisque "degré" est le début de l'unité. ^{[53] [54]} Les seules exceptions sont au début des phrases et dans les en- têtes et les titres de publication . ^{[29] : 148} L'orthographe anglaise pour certaines unités SI diffère: l'anglais américain utilise l'orthographe deka- , meter et liter , tandis que l'anglais international utilise deca- , meter et liter .

Symboles d'unité et valeurs des quantités

Bien que l'écriture des noms d'unités soit spécifique à la langue, l'écriture des symboles d'unité et des valeurs des quantités est cohérente dans toutes les langues et, par conséquent, la brochure SI a des règles spécifiques en ce qui concerne leur écriture. ^{[29] : 130-135} La directive produite par le National Institute of Standards and Technology (NIST) ^[55] clarifie les domaines spécifiques à la langue en ce qui concerne l'anglais américain qui ont été laissés ouverts par la brochure SI, mais qui sont par ailleurs identiques au SI Brochure. ^[56]

Règles générales

Les règles générales ^[bk] pour l’écriture des unités et des quantités SI s’appliquent au texte manuscrit ou produit à l’aide d’un processus automatisé:

• La valeur d'une quantité est écrite sous la forme d'un nombre suivi d'un espace (représentant un signe de multiplication) et d'un symbole d'unité; par exemple, 2,21 kg,7,3 × 10 ²  m ² , 22 K. Cette règle inclut explicitement le signe de pourcentage (%) ^{[29] : 134} et le symbole des degrés Celsius (° C). ^{[29] : 133 Les} exceptions sont les symboles pour les degrés angulaires plans, les minutes et les secondes (°, ′ et ″, respectivement), qui sont placés immédiatement après le nombre sans espace intermédiaire.
• Les symboles sont des entités mathématiques, pas des abréviations, et en tant que tels n'ont pas de point ajouté / point (.), À moins que les règles de grammaire ne l'exigent pour une autre raison, par exemple pour désigner la fin d'une phrase.
• Un préfixe fait partie de l'unité et son symbole est précédé d'un symbole d'unité sans séparateur (par exemple, k en km, M en MPa, G en GHz, μ en μg). Les préfixes composés ne sont pas autorisés. Une unité préfixée est atomique dans les expressions (par exemple, km ² équivaut à (km) ² ).
• Les symboles d'unité sont écrits en utilisant le type romain (droit), quel que soit le type utilisé dans le texte environnant.
• Les symboles des unités dérivées formées par multiplication sont joints par un point central (⋅) ou un espace insécable; par exemple, N⋅m ou N m.
• Les symboles des unités dérivées formées par division sont joints par un solidus (/) ou donnés sous forme d' exposant négatif . Par exemple, le "mètre par seconde" peut être écrit m / s, m s ⁻¹ , m⋅s ⁻¹ , ou m/s. Un solidus suivi sans parenthèses d'un point central (ou d'un espace) ou d'un solidus est ambigu et doit être évité; par exemple, kg / (m⋅s ² ) et kg⋅m ⁻¹ ⋅s ⁻² sont acceptables, mais kg / m / s ² est ambigu et inacceptable.

Dans l'expression de l'accélération due à la gravité, un espace sépare la valeur et les unités, le `` m '' et le `` s '' sont en minuscules car ni le mètre ni le second ne portent le nom de personnes et l'exponentiation est représentée par un exposant ' 2 '.

• La première lettre des symboles des unités dérivées du nom d'une personne est écrite en majuscules ; sinon, ils sont écrits en minuscules . Par exemple, l'unité de pression est nommée d'après Blaise Pascal , donc son symbole est écrit "Pa", mais le symbole pour mole est écrit "mol". Ainsi, "T" est le symbole de tesla , une mesure de la force du champ magnétique , et "t" le symbole de la tonne , une mesure de la masse . Depuis 1979, le litre peut exceptionnellement être écrit en utilisant soit un «L» majuscule ou un «l» minuscule, une décision motivée par la similitude de la lettre minuscule «l» avec le chiffre «1», en particulier avec certaines polices de caractères ou en anglais. écriture de style. Le NIST américain recommande que, aux États-Unis, «L» soit utilisé plutôt que «l».
• Les symboles n'ont pas une forme plurielle, par exemple 25 kg, mais pas 25 kg.
• Les préfixes majuscules et minuscules ne sont pas interchangeables. Par exemple, les quantités 1 mW et 1 MW représentent deux quantités différentes (milliwatt et mégawatt).
• Le symbole du marqueur décimal est un point ou une virgule sur la ligne. En pratique, la virgule décimale est utilisée dans la plupart des pays anglophones et dans la plupart des pays d’Asie, et la virgule dans la plupart des pays d’ Amérique latine et d’ Europe continentale . ^[57]
• Les espaces doivent être utilisés comme séparateur de milliers (1 000 000 ) par opposition aux virgules ou aux points (1 000 000 ou 1 000 000) pour réduire la confusion résultant de la variation entre ces formes dans différents pays.
• Tout saut de ligne à l'intérieur d'un nombre, à l'intérieur d'une unité composée ou entre un nombre et une unité doit être évité. Lorsque cela n'est pas possible, les sauts de ligne doivent coïncider avec des milliers de séparateurs.
• Parce que la valeur de «milliard» et «billion» varie entre les langues , les termes sans dimension «ppb» (parties par milliard ) et «ppt» (parties par billion ) doivent être évités. La brochure SI ne propose pas d'alternatives.

Impression des symboles SI

Les règles relatives à l'impression des quantités et des unités font partie de l'ISO 80000-1: 2009. ^[58]

D'autres règles ^[bk] sont spécifiées en ce qui concerne la production de texte en utilisant des presses à imprimer , des traitements de texte , des machines à écrire et analogues.

Brochure SI

Couverture de la brochure Le système international d'unités

La CGPM édite une brochure qui définit et présente le SI. ^[29] Sa version officielle est en français, conformément à la Convention du Mètre . ^{[29] : 102} Cela laisse une certaine marge de manœuvre aux variations locales, en particulier concernant les noms d'unité et les termes dans différentes langues. ^{[bl] [40]}

La rédaction et la maintenance de la brochure de la CGPM sont assurées par l'un des comités du Comité international des poids et mesures (CIPM). Les définitions des termes «quantité», «unité», «dimension», etc. qui sont utilisées dans la brochure SI sont celles données dans le vocabulaire international de métrologie . ^[59]

Les quantités et les équations qui fournissent le contexte dans lequel les unités SI sont définies sont maintenant appelées le Système international de quantités (ISQ). L'ISQ est basé sur les quantités sous-jacentes à chacune des sept unités de base du SI . D'autres grandeurs, telles que la surface , la pression et la résistance électrique , sont dérivées de ces grandeurs de base par des équations claires et non contradictoires. L'ISQ définit les grandeurs mesurées avec les unités SI. ^[60] L'ISQ est formalisé, en partie, dans la norme internationale ISO / CEI 80000 , qui a été achevée en 2009 avec la publication de l' ISO 80000-1 , ^[61] et a été largement révisée en 2019-2020, le reste étant à l'étude.

Sphère de silicium pour le projet Avogadro utilisée pour mesurer la constante d'Avogadro à une incertitude type relative de 2 × 10 ⁻⁸ ou moins, détenu par Achim Leistner ^[62]

Les métrologues distinguent soigneusement entre la définition d'une unité et sa réalisation. La définition de chaque unité de base du SI est établie de manière à être unique et à fournir une base théorique solide sur laquelle les mesures les plus précises et reproductibles peuvent être effectuées. La réalisation de la définition d'une unité est la procédure par laquelle la définition peut être utilisée pour établir la valeur et l'incertitude associée d'une quantité de même nature que l'unité. Une description de la mise en pratique ^[bm] des unités de base est donnée dans une annexe électronique à la brochure SI. ^{[63] [29] : 168-169}

La mise en pratique publiée n'est pas la seule façon de déterminer une unité de base: la brochure SI déclare que «toute méthode conforme aux lois de la physique pourrait être utilisée pour réaliser n'importe quelle unité SI». ^{[29] : 111} Dans l'exercice actuel (2016) de révision des définitions des unités de base , divers comités consultatifs du CIPM ont exigé que plus d'une mise en pratique soit élaborée pour déterminer la valeur de chaque unité. ^[64] En particulier:

• Au moins trois expériences distinctes doivent être effectuées, donnant des valeurs ayant une incertitude-type relative dans la détermination du kilogramme de pas plus de5 × 10 ⁻⁸ et au moins une de ces valeurs doit être meilleure que2 × 10 ⁻⁸ . La balance Kibble et le projet Avogadro doivent être inclus dans les expériences et toutes les différences entre celles-ci doivent être conciliées. ^{[65] [66]}
• Lorsque le kelvin est déterminé, l'incertitude relative de la constante de Boltzmann dérivée de deux méthodes fondamentalement différentes telles que la thermométrie acoustique des gaz et la thermométrie des gaz à constante diélectrique est meilleure qu'une partie de10 ^-6 et que ces valeurs soient corroborées par d'autres mesures. ^[67]

Modifications du SI

Le Bureau international des poids et mesures (BIPM) a décrit le SI comme "la forme moderne du système métrique". ^{[29] : 95 L'} évolution de la technologie a conduit à une évolution des définitions et des normes qui a suivi deux volets principaux - des modifications du SI lui-même et une clarification de la façon d'utiliser des unités de mesure qui ne font pas partie du SI mais qui sont néanmoins utilisées sur une base mondiale.

Depuis 1960, la CGPM a apporté un certain nombre de modifications au SI pour répondre aux besoins de domaines spécifiques, notamment la chimie et la radiométrie. Ce sont principalement des ajouts à la liste des unités dérivées nommées, et comprennent la mole (symbole mol) pour une quantité de substance, le pascal (symbole Pa) pour la pression , le siemens (symbole S) pour la conductance électrique, le becquerel (symbole Bq ) pour " activité rapportée à un radionucléide ", le gris (symbole Gy) pour les rayonnements ionisants, le sievert (symbole Sv) comme unité de rayonnement équivalent de dose et le katal (symbole kat) pour l' activité catalytique . ^{[29] : 156 [68] [29] : 156 [29] : 158 [29] : 159 [29] : 165}

La plage des préfixes définis pico- (10 ^-12 ) à tera- (10 ¹² ) a été étendue à 10 ^-24 à 10 ²⁴ . ^{[29] : 152 [29] : 158 [29] : 164}

La définition de 1960 du mètre standard en termes de longueurs d'onde d'une émission spécifique de l'atome de krypton-86 a été remplacée par la distance parcourue par la lumière dans le vide exactement 1/299 792 458 deuxièmement, de sorte que la vitesse de la lumière soit maintenant une constante de la nature exactement spécifiée.

Quelques modifications aux conventions de notation ont également été apportées pour atténuer les ambiguïtés lexicographiques. Une analyse sous l'égide du CSIRO , publiée en 2009 par la Royal Society , a mis en évidence les opportunités pour achever la réalisation de cet objectif, au point d'une lisibilité machine universelle sans ambiguïté. ^[69]

Redéfinitions 2019

Inversez les dépendances des unités de base SI sur sept constantes physiques , auxquelles sont attribuées des valeurs numériques exactes dans la redéfinition de 2019. Contrairement aux définitions précédentes, les unités de base sont toutes dérivées exclusivement de constantes de la nature. Les flèches sont affichées dans la direction opposée par rapport aux graphiques de dépendance typiques , c. -à -d. ${\ displaystyle a \ rightarrow b}$ dans ce graphique signifie ${\ displaystyle b}$ dépend de ${\ displaystyle a}$.

Après que le mètre a été redéfini en 1960, le prototype international du kilogramme (IPK) était le seul artefact physique sur lequel les unités de base (directement le kilogramme et indirectement l'ampère, la taupe et la candela) dépendaient pour leur définition, rendant ces unités soumises à des comparaisons des kilogrammes standards nationaux avec l'IPK. ^[70] Lors de la 2e et 3e vérification périodique des prototypes nationaux du kilogramme, une divergence significative s'était produite entre la masse de l'IPK et toutes ses copies officielles stockées dans le monde: les copies avaient toutes sensiblement augmenté en masse par rapport à l'IPK. Lors des vérifications extraordinaires effectuées en 2014 en vue de la redéfinition des normes métriques, la divergence persistante n'a pas été confirmée. Néanmoins, l'instabilité résiduelle et irréductible d'un IPK physique a miné la fiabilité de l'ensemble du système métrique pour la mesure de précision de la petite (atomique) à la grande (astrophysique) échelles.

Il a été proposé que: ^[71]

• En plus de la vitesse de la lumière, quatre constantes de la nature - la constante de Planck , une charge élémentaire , la constante de Boltzmann et la constante d'Avogadro - doivent être définies pour avoir des valeurs exactes
• Retrait du prototype international du kilogramme
• Les définitions actuelles du kilogramme, de l'ampère, du kelvin et de la mole soient révisées
• Le libellé des définitions d'unité de base devrait changer l'accent, passant d'une unité explicite à des définitions constantes explicites.

Les nouvelles définitions ont été adoptées lors de la 26e CGPM le 16 novembre 2018 et sont entrées en vigueur le 20 mai 2019. ^[72] Le changement a été adopté par l'Union européenne par le biais de la directive (UE) 2019/1258. ^[73]

Pierre marquant la frontière austro-hongroise / italienne à Pontebba affichant des myriamètres , une unité de 10 km utilisée en Europe centrale au 19ème siècle (mais obsolète depuis ) ^[74]

L'improvisation des unités

Les unités et les grandeurs unitaires du système métrique qui est devenu le SI ont été improvisées au coup par coup à partir de quantités physiques quotidiennes à partir du milieu du 18e siècle. Ce n'est que plus tard qu'ils ont été moulés en un système de mesure décimal cohérent orthogonal.

Le degré centigrade comme unité de température résultait de l'échelle conçue par l'astronome suédois Anders Celsius en 1742. Son échelle désignait de manière contre-intuitive 100 comme point de congélation de l'eau et 0 comme point d'ébullition. Indépendamment, en 1743, le physicien français Jean-Pierre Christin a décrit une échelle avec 0 comme point de congélation de l'eau et 100 comme point d'ébullition. L'échelle est devenue connue sous le nom d'échelle centi-grade, ou 100 gradations de température.

Le système métrique a été développé à partir de 1791 par un comité de l' Académie française des sciences , chargé de créer un système de mesures unifié et rationnel. ^[75] Le groupe, qui comprenait des hommes de science français prééminents, ^{[76] : 89 a} utilisé les mêmes principes pour relier la longueur, le volume et la masse qui avaient été proposés par le pasteur anglais John Wilkins en 1668 ^{[77] [78]} et le concept d'utiliser le méridien de la Terre comme base de la définition de la longueur, proposé à l'origine en 1670 par l'abbé français Mouton . ^{[79] [80]}

Carl Friedrich Gauss

En mars 1791, l'Assemblée adopta les principes proposés par la commission pour le nouveau système de mesure décimal, y compris le mètre défini comme étant 1/10 000 000 de la longueur du quadrant du méridien terrestre passant par Paris, et autorisa un levé pour établir précisément la longueur de le méridien. En juillet 1792, le comité proposa les noms mètre , sont , litre et tombe pour les unités de longueur, superficie, capacité et masse, respectivement. Le comité a également proposé que les multiples et sous-multiples de ces unités soient désignés par des préfixes décimaux tels que centi pour un centième et kilo pour mille. ^{[81] : 82}

Thomson

Maxwell

William Thomson (Lord Kelvin) et James Clerk Maxwell ont joué un rôle de premier plan dans l'élaboration du principe de cohérence et dans la dénomination de nombreuses unités de mesure. ^{[82] [83] [84] [85] [86]}

Plus tard, au cours du processus d'adoption du système métrique, le latin gramme et kilogramme a remplacé les anciens termes provinciaux gravet (1/1000 grave ) et grave . En juin 1799, sur la base des résultats du relevé des méridiens, le mètre standard des Archives et le kilogramme des Archives sont déposés aux Archives nationales françaises . Par la suite, cette année-là, le système métrique a été adopté par la loi en France. ^{[87] [88]} Le système français a été de courte durée en raison de son impopularité. Napoléon la ridiculisa et, en 1812, introduisit un système de remplacement, les mesures usuelles ou «mesures coutumières» qui restaurèrent bon nombre des anciennes unités, mais redéfinies en termes de système métrique.

Au cours de la première moitié du XIXe siècle, il y avait peu de cohérence dans le choix des multiples préférés des unités de base: typiquement le myriamètre (10 000  mètres) a été largement utilisé en France et certaines régions d'Allemagne, tandis que le kilogramme (1000 grammes) plutôt que le myriagramme a été utilisé pour la masse. ^[74]

En 1832, le mathématicien allemand Carl Friedrich Gauss , assisté de Wilhelm Weber , définit implicitement la seconde comme une unité de base en citant le champ magnétique terrestre en millimètres, grammes et secondes. ^[82] Avant cela, la force du champ magnétique terrestre n'avait été décrite qu'en termes relatifs . La technique utilisée par Gauss consistait à assimiler le couple induit sur un aimant suspendu de masse connue par le champ magnétique terrestre au couple induit sur un système équivalent sous gravité. Les calculs qui en ont résulté lui ont permis d'attribuer des dimensions en fonction de la masse, de la longueur et du temps au champ magnétique. ^{[milliards] [89]}

Une bougie en tant qu'unité d'éclairement a été à l'origine définie par une loi anglaise de 1860 comme la lumière produite par une bougie de spermaceti pure pesant 1 ⁄ 6 livre (76 grammes) et brûlant à une vitesse spécifiée. Spermaceti, une substance cireuse trouvée dans la tête des cachalots, était autrefois utilisée pour fabriquer des bougies de haute qualité. À cette époque, le standard français de la lumière était basé sur l'illumination d'une lampe à huile Carcel . L'unité était définie comme l'illumination émanant d'une lampe brûlant de l'huile de colza pureà une vitesse définie. Il a été admis que dix bougies standard équivalaient à peu près à une lampe Carcel.

Convention du mètre

Une initiative d'inspiration française pour la coopération internationale en métrologie a conduit à la signature en 1875 de la Convention du Mètre , également appelée Traité du Mètre, par 17 nations. ^{[bo] [76] : 353–354} Au départ, la convention ne couvrait que les normes pour le mètre et le kilogramme. En 1921, la Convention du Mètre a été étendue à toutes les unités physiques, y compris l'ampère et autres, permettant ainsi à la CGPM de remédier aux incohérences dans la manière dont le système métrique avait été utilisé. ^{[83] [29] : 96}

Un ensemble de 30 prototypes du mètre et 40 prototypes du kilogramme, ^[pb] dans chaque cas en alliage 90% platine -10% iridium , ont été fabriqués par la firme britannique spécialisée dans la métallurgie ^(qui?) Et acceptés par la CGPM en 1889. Un de chacun a été choisi au hasard pour devenir le mètre prototype international et le kilogramme prototype international qui ont remplacé respectivement le mètre des archives et le kilogramme des archives . Chaque État membre avait droit à l'un de chacun des prototypes restants pour servir de prototype national pour ce pays. ^[90]

Le traité a également créé un certain nombre d’organisations internationales chargées de superviser le respect des normes internationales de mesure. ^{[91] [bq]}

Les systèmes CGS et MKS

Gros plan du National Prototype Meter, numéro de série 27, attribué aux États-Unis

Dans les années 1860, James Clerk Maxwell , William Thomson (plus tard Lord Kelvin) et d'autres travaillant sous les auspices de la British Association for the Advancement of Science , se sont appuyés sur les travaux de Gauss et ont formalisé le concept d'un système cohérent d'unités avec des unités de base et dérivés unités ont baptisé le système d'unités centimètre-gramme-seconde en 1874. Le principe de cohérence a été utilisé avec succès pour définir un certain nombre d'unités de mesure basées sur le CGS, y compris l' erg pour l' énergie , le dyne pour la force , le barye pour la pression , l' équilibre pour la viscosité dynamique et les stokes pour la viscosité cinématique . ^[85]

En 1879, le CIPM a publié des recommandations pour l'écriture des symboles pour la longueur, la surface, le volume et la masse, mais il était hors de son domaine de publier des recommandations pour d'autres quantités. À partir de 1900 environ, les physiciens qui utilisaient le symbole «μ» (mu) pour «micromètre» ou «micron», «λ» (lambda) pour «microlitre» et «γ» (gamma) pour «microgramme» ont commencé utiliser les symboles «μm», «μL» et «μg». ^[92]

À la fin du 19e siècle, trois systèmes d'unités de mesure différents existaient pour les mesures électriques: un système basé sur CGS pour les unités électrostatiques , également connu sous le nom de système gaussien ou ESU, un système basé sur CGS pour les unités électromécaniques (EMU) et un Système international basé sur des unités définies par la Convention du Mètre. ^[93] pour les systèmes de distribution électrique. Les tentatives de résolution des unités électriques en termes de longueur, de masse et de temps à l'aide de l'analyse dimensionnelle se sont heurtées à des difficultés - les dimensions dépendaient de l'utilisation des systèmes ESU ou EMU. ^[86] Cette anomalie a été résolue en 1901 lorsque Giovanni Giorgi a publié un article dans lequel il préconisait d'utiliser une quatrième unité de base aux côtés des trois unités de base existantes. La quatrième unité pourrait être choisie pour être le courant électrique , la tension ou la résistance électrique . ^[94] Le courant électrique avec l'unité nommée «ampère» a été choisi comme unité de base, et les autres grandeurs électriques en dérivent selon les lois de la physique. Cela est devenu la base du système d'unités MKS.

À la fin du 19e et au début du 20e siècle, un certain nombre d'unités de mesure non cohérentes basées sur le gramme / kilogramme, le centimètre / mètre et la seconde, comme le Pferdestärke (puissance métrique) pour la puissance , ^{[95] [br]} le un darcy pour la perméabilité ^[96] et des " millimètres de mercure " pour la pression barométrique et artérielle ont été développés ou propagés, dont certains incorporaient la gravité standard dans leurs définitions. ^[bs]

À la fin de la Seconde Guerre mondiale , un certain nombre de systèmes de mesure différents étaient utilisés dans le monde. Certains de ces systèmes étaient des variations de système métrique; d'autres étaient basés sur des systèmes de mesure coutumiers , comme le système coutumier américain et le système impérial du Royaume-Uni et de l'Empire britannique.

Le système d'unités pratique

En 1948, la 9e CGPM a commandé une étude pour évaluer les besoins de mesure des communautés scientifiques, techniques et éducatives et «faire des recommandations pour un système pratique unique d'unités de mesure, susceptible d'être adopté par tous les pays adhérant à la Convention du Mètre». . ^[97] Ce document de travail était Système pratique d'unités de mesure . Sur la base de cette étude, la 10e CGPM en 1954 a défini un système international dérivé de six unités de base comprenant des unités de température et de rayonnement optique en plus de celles des unités de masse, de longueur et de temps du système MKS et de l'unité actuelle de Giorgi . Six unités de base ont été recommandées: le mètre, le kilogramme, la seconde, l'ampère, le degré Kelvin et la candela.

La 9e CGPM a également approuvé la première recommandation formelle pour l'écriture des symboles dans le système métrique lorsque la base des règles telles qu'elles sont maintenant connues a été établie. ^[98] Ces règles ont été étendues par la suite et couvrent désormais les symboles et les noms d'unités, les symboles de préfixe et les noms, la manière dont les symboles de quantité doivent être écrits et utilisés et comment les valeurs des quantités doivent être exprimées. ^{[29] : 104 130}

Naissance du SI

En 1960, la 11e CGPM a synthétisé les résultats de l'étude de 12 ans en un ensemble de 16 résolutions. Le système a été appelé le Système international d'unités , abrégé SI du nom français, Le Système International d'Unités . ^{[29] : 110 [99]}

Définitions historiques

Lorsque Maxwell a introduit pour la première fois le concept d'un système cohérent, il a identifié trois grandeurs qui pourraient être utilisées comme unités de base: la masse, la longueur et le temps. Giorgi a identifié plus tard le besoin d'une unité de base électrique, pour laquelle l'unité de courant électrique a été choisie pour SI. Trois autres unités de base (pour la température, la quantité de substance et l'intensité lumineuse) ont été ajoutées plus tard.

Les premiers systèmes métriques définissaient une unité de poids comme unité de base, tandis que le SI définissait une unité de masse analogue. Dans l'usage quotidien, ceux-ci sont pour la plupart interchangeables, mais dans les contextes scientifiques, la différence compte. La masse, strictement la masse inertielle, représente une quantité de matière. Il relie l'accélération d'un corps à la force appliquée via la loi de Newton , F = m × a : la force est égale à la masse multipliée par l'accélération. Une force de 1 N (newton) appliquée à une masse de 1 kg l'accélérera à 1 m / s ² . Cela est vrai que l'objet flotte dans l'espace ou dans un champ de gravité, par exemple à la surface de la Terre. Le poids est la force exercée sur un corps par un champ gravitationnel, et donc son poids dépend de la force du champ gravitationnel. Le poids d'une masse de 1 kg à la surface de la Terre est de m × g ; masse multipliée par l'accélération due à la gravité, qui est de 9,81 newtons à la surface de la Terre et d'environ 3,5 newtons à la surface de Mars. Étant donné que l'accélération due à la gravité est locale et varie en fonction de l'emplacement et de l'altitude sur la Terre, le poids ne convient pas pour les mesures de précision d'une propriété d'un corps, ce qui rend une unité de poids inadaptée comme unité de base.

Bien que le terme système métrique soit souvent utilisé comme un nom alternatif informel pour le Système international d'unités ^[103] , il existe d'autres systèmes métriques, dont certains étaient largement utilisés dans le passé ou sont même encore utilisés dans des domaines particuliers. Il existe également des unités métriques individuelles telles que le sverdrup qui existent en dehors de tout système d'unités. La plupart des unités des autres systèmes métriques ne sont pas reconnues par le SI. ^{[bv] [bx]}

Voici quelques exemples. Le système centimètre-gramme-seconde (CGS) était le système métrique dominant dans les sciences physiques et le génie électrique des années 1860 aux années 1960 au moins, et il est encore utilisé dans certains domaines. Il comprend des unités SI non reconnus comme le gal , dyn , erg , Barye , etc. dans sa mécanique du secteur, ainsi que l' équilibre et stokes dans la dynamique des fluides. En ce qui concerne les unités pour les quantités d'électricité et de magnétisme, il existe plusieurs versions du système CGS. Deux d'entre eux sont obsolètes: le CGS électrostatique ('CGS-ESU', avec les unités SI non reconnues de statcoulomb , statvolt , statampere , etc.) et le système électromagnétique CGS ('CGS-EMU', avec abampere , abcoulomb , oersted , maxwell , abhenry , gilbert , etc.). ^[par] Un «mélange» de ces deux systèmes est toujours populaire et est connu sous le nom de système gaussien (qui inclut le gauss comme nom spécial pour l'unité CGS-EMU maxwell par centimètre carré). ^[bz]

Dans l' ingénierie (autre que le génie électrique), il y avait autrefois une longue tradition d'utilisation du système gravitationnel métrique , dont les unités SI-non comptabilisés incluent le kilogramme force (kilopond), atmosphère technique , puissance métrique , etc. Le mètre-tonne-seconde (mts) , utilisé en Union soviétique de 1933 à 1955, avait des unités SI non reconnues comme sthène , pièze , etc. D'autres groupes d'unités métriques SI non reconnues sont les diverses unités héritées et CGS liées aux rayonnements ionisants ( rutherford , curie , roentgen , rad , rem , etc.), radiométrie ( langley , jansky ), photométrie ( phot , nox , stilb , nit , mètre-bougie, ^{[107] : 17} lambert , apostilb , skot , brill , troland , talbot , candelas , bougie ), thermodynamique ( calories ), et la spectroscopie ( centimètre réciproque ).

L' angström est encore utilisé dans divers domaines. Certaines autres unités métriques non reconnues SI qui ne rentrent dans aucune des catégories déjà mentionnées sont les suivantes: sont , bar , grange , fermi , gradian (gon, grad ou grade) , carat métrique , micron , millimètre de mercure , torr , millimètre (ou centimètre ou mètre) d'eau , millimicron , mho , stéré , unité x , γ (unité de masse) , γ (unité de densité de flux magnétique) et λ (unité de volume) . ^{[108] : 20–21} Dans certains cas, les unités métriques SI non reconnues ont des unités SI équivalentes formées en combinant un préfixe métrique avec une unité SI cohérente. Par example,1  γ (unité de densité de flux magnétique) =1 nT ,1 Gal =1 cm⋅s ⁻² ,1 barye =1  déci pascal , etc. (un groupe lié sont les correspondances ^[par] telles que1 abampere ≘1  déca ampère ,1 abhenry ≘1  nano henry , etc. ^[ca] ). Parfois, il ne s'agit même pas d'un préfixe métrique: l'unité SI non reconnue peut être exactement la même qu'une unité cohérente SI, à l'exception du fait que le SI ne reconnaît pas le nom et le symbole spéciaux. Par exemple, le nit est juste un nom SI non reconnu pour l'unité SI candela par mètre carré et le talbot est un nom SI non reconnu pour l'unité SI lumen seconde . Fréquemment, une unité métrique non SI est liée à une unité SI via une puissance de dix facteurs, mais pas celle qui a un préfixe métrique, par ex.1 dyn =10 ^-5  newtons ,1 Å =10 ⁻¹⁰  m , etc. (et les correspondances ^[par] comme1 gauss ≘10 ^-4  tesla ). Enfin, il existe des unités métriques dont les facteurs de conversion en unités SI ne sont pas des puissances de dix, par ex.1 calorie =4,184  joules et1 kilogramme-force =9.806 650  newtons . Certaines unités métriques non reconnues SI sont encore fréquemment utilisées, par exemple la calorie (en nutrition), le rem (aux États-Unis), le jansky (en radioastronomie ), le centimètre réciproque (en spectroscopie), le gauss (dans l'industrie) et les unités CGS-Gaussiennes ^[bz] plus généralement (dans certains sous-domaines de la physique), la puissance métrique (pour la puissance moteur, en Europe), le kilogramme-force (pour la poussée des moteurs-fusées, en Chine et parfois en Europe), etc. D'autres sont désormais rarement utilisés, comme le sthène et le rutherford.

• Unités non-SI mentionnées dans le SI