Comment fonctionne le système métrique

Avant les chaînes d'approvisionnement mondiales et les accords commerciaux, la commodité était la priorité absolue en matière de mesure. Dans la plupart des cas, les gens n'avaient pas accès à des appareils de mesure sophistiqués, ils s'appuyaient donc sur des parties du corps, faciles à transporter et offrant des résultats quelque peu cohérents. Par exemple, la largeur du pouce d'un homme est d'environ un pouce ("pouce" et "pouce" sont interchangeables dans de nombreuses langues).

Ce système grossier et informel a bien fonctionné pendant de nombreuses années, mais il a commencé à s'effondrer à mesure que les clans devenaient des tribus et que les tribus devenaient des nations. Au fur et à mesure que les civilisations se développaient, leurs systèmes de mesure contradictoires ont créé de la confusion et interféré avec le commerce. En France, la situation était devenue particulièrement chaotique au moment de la Révolution françaisecommencé en 1789. Les mesures de longueur, de volume et de masse différaient d'une ville à l'autre. Beaucoup pensaient que le système en vigueur à Paris, basé sur des unités datant de Charlemagne, devait être imposé à tout le pays, mais les corporations et les nobles combattirent. Alors que le gouvernement français était au bord de l'effondrement financier, le roi Louis XVI convoqua les États généraux - une assemblée composée de représentants des différentes classes du pays - pour lever de nouveaux impôts. En fin de compte, la session législative s'est avérée plus fructueuse, conduisant à la formation de l'Assemblée nationale, à une nouvelle constitution et à une nouvelle façon de mesurer les choses.

Les Français ont appelé le nouveau système de mesure métrique , un terme dérivé du mot mètre , ou mètre - une mesure fondamentale de longueur définie comme un dix-millionième d'un quart du méridien de la Terre passant par Paris. Les développeurs de ce nouveau système de mesure pensaient que leur travail serait une "entreprise dont le résultat devrait un jour appartenir au monde entier" [source : Nelson]. Ils avaient raison, bien sûr, car le système métrique a aujourd'hui été adopté par presque tous les pays de la planète. Les seuls États-Unis, dont les citoyens accueillent les mètres, les litres et les kilogrammes avec une légère méfiance et, dans certains cas, avec perplexité, sont la seule réserve partielle significative. Ce que beaucoup de gens ne réalisent pas, c'est que les États-Unis sont un fervent partisan du système métrique depuis la guerre civile et que les unités du système pouce-livre sont définies exclusivement en termes de mesures métriques.

Avant de plonger dans les détails de la métrique, expliquons un peu plus l'histoire du système de mesure du monde et comment il en est venu à prendre sa forme moderne, le Système International d'Unités - le Système International d'Unités , ou SI .

Contenu

1. Histoire du système métrique : les premières années
2. Histoire du système métrique : réunion sur les mètres
3. Unités de base SI et leurs normes : d'où viennent-elles ?
4. Unités dérivées du SI : nous avons besoin de plus que d'anciens compteurs
5. Préfixes SI : Se faire des amis avec Milli-
6. Système métrique : risques et récompenses

Le système métrique moderne peut remonter à Gabriel Mouton, le vicaire de l'église Saint-Paul à Lyon, en France, et un astronome et mathématicien notable . En 1670, Mouton conçoit un système de mesure basé sur la durée d'une minute de longitude (rappelons qu'il y a 60 minutes dans chaque degré de longitude et de latitude). Cette unité de longueur, a-t-il proposé en outre, devrait être basée sur l'arithmétique décimale, ou sur des puissances de dix. Il a également recommandé l'utilisation de préfixes pour rendre les conventions de dénomination moins arbitraires.

Les scientifiques français ont continué à modifier et à affiner les idées de Mouton, mais elles n'ont jamais été formellement codifiées jusqu'à la Révolution française . Lors de sa création en 1790, l'Assemblée nationale demande à l'Académie française des sciences « d'en déduire un étalon invariable pour toutes les mesures et tous les poids ». L'académie a à son tour nommé une commission pour développer le système, avec la stipulation que la solution finale devrait être à la fois simple, mais scientifique. Empruntant à Mouton, la commission établit trois principes de base :

La commission a nommé l'unité de longueur « mètre » (« mètre » aux États-Unis), d'après le mot grec métron , qui signifie « mesurer ». Vient ensuite la tâche de déterminer la longueur exacte d'un mètre. Cela revient à deux hommes, Pierre Mechain et Jean Delambre, qui ont passé six années laborieuses à mesurer la distance sur le méridien de Barcelone, en Espagne, à Dunkerque dans le nord de la France. Leur enquête a abouti à une valeur pour le mètre égale à "un dix-millionième partie d'un quadrant méridien de la terre". D'autres unités provenaient du mètre précisément défini. Par exemple, le gramme a été rendu égal à la masse d'un centimètre cube d'eau pure à la température de sa densité maximale ; le litre a été rendu égal au volume d'un cube de 10 centimètres (4 pouces) de côté.

C'était la première incarnation du système métrique, que la France a officiellement adopté en 1795. Quatre ans plus tard, les scientifiques ont façonné des normes pour le mètre et le kilogramme en platine. Ceux-ci, aussi, ont été officiellement reconnus par le gouvernement français et stockés dans un endroit sûr afin que des copies puissent être faites au besoin.

Ensuite, le système métrique prend d'assaut le monde entier.

Grâce à la conquête de l'Europe par Napoléon au début du XIXe siècle, d'autres pays ont adopté - certains plus à contrecœur que d'autres - le système métrique comme système national de mesure.

En 1875, une assemblée spéciale à Paris réunit des représentants de 17 nations, dont les États-Unis. Ces nations s'affairèrent pendant l'assemblée, signant le Traité du Mètre et créant le Bureau international des poids et mesures, un Comité international des poids et mesures. diriger le bureau et la Conférence générale des poids et mesures pour examiner et adopter les changements. Le traité a également ordonné qu'un laboratoire soit maintenu à Sèvres, près de Paris, pour abriter les normes métriques internationales et a permis que ces normes soient distribuées à chaque nation ratifiante. Les États-Unis ont reçu leurs copies de l'International Prototype Meter et de l'International Prototype Kilogram en 1890.

En 1954, la 10e Conférence générale des poids et mesures a lancé une refonte du système métrique pour mieux répondre aux besoins des communautés scientifiques et techniques. La révision a établi sept unités de base et simplifié les définitions, les symboles et la terminologie des unités métriques. Le travail s'est prolongé jusqu'à la 11e Conférence et, en 1960, les membres de la Conférence ont ratifié et approuvé le nouveau système, l'appelant le Système international d'unités, ou SI en abrégé.

Le Système international d'unités est la forme moderne du système métrique, et bien que les deux noms soient utilisés de manière interchangeable, le SI est techniquement plus précis. Ensuite, nous examinerons les éléments constitutifs du SI - les sept unités de base.

Avant de plonger dans les unités SI fondamentales, examinons la mesure en tant que concept. Lorsque vous mesurez quelque chose, vous utilisez un instrument ou un appareil pour déterminer une quantité physique d'un objet. Par exemple, vous utilisez une règle pour mesurer la longueur, une échelle pour mesurer la masse et un thermomètre pour mesurer la température. Chacun de ces instruments est marqué en unités standard pour s'assurer que la mesure d'un observateur correspond à celle d'un autre observateur. En théorie, chaque unité standard retracerait sa lignée jusqu'à un seul prototype - l'exemple archétypal de cette unité particulière.

Dans les versions antérieures du système métrique, les prototypes étaient des objets physiques, tels qu'un bâton de mètre standard ou une barre de kilogramme standard. Lorsque la Conférence générale des poids et mesures a réorganisé le système métrique en 1960, elle a remplacé les unités basées sur des objets physiques par des descriptions physiques des unités basées sur des propriétés stables de l'univers. En fait, la seule unité encore définie par un objet est le kilogramme. (L'International Prototype Kilogram est un cylindre brillant fait de platine et d'iridium, stocké dans un bocal hermétique à Sèvres.)

Dans cet esprit, présentons les sept unités de base SI. Le tableau répertorie chaque unité, la quantité physique que l'unité mesure et la norme sur laquelle l'unité est basée, telle que définie par le Bureau international des poids et mesures.

Si vous ne comprenez pas entièrement la définition de chaque norme, ne vous inquiétez pas. Au lieu d'essayer d'imaginer deux conducteurs droits parallèles de longueur infinie ou un atome de césium 133 vacillant entre deux niveaux hyperfins de son état fondamental, souvenez-vous simplement de ceci : les unités SI fondamentales (à l'exception du kilogramme) sont basées sur des propriétés immuables de l'univers. , et ils sont mutuellement indépendants. Toutes les autres unités du système métrique moderne proviennent de la multiplication ou de la division de ces unités de base. Nous y reviendrons plus en détail dans la section suivante.

Les unités SI fondamentales couvrent tous les besoins de mesure de base. Il y a des moments, cependant, où il est nécessaire de relier mathématiquement les mesures. Par exemple, supposons que vous mesuriez la longueur d'un terrain de football et que vous trouviez qu'il mesure 120 mètres (394 pieds). Ensuite, vous déterminez sa largeur à 90 mètres (295 pieds). Si vous vouliez trouver la superficie du champ, vous auriez besoin de multiplier sa longueur par sa largeur. Mais vous ne vous contentez pas de multiplier les nombres devant les unités ; vous multipliez les unités, aussi. Ainsi, le calcul ressemblerait à ceci :

surface = longueur × largeur = 120 m × 90 m = 10 800 m ²

Notez que l'unité finale est un mètre multiplié par un mètre, ce qui donne ce que les métrologues , ou experts en mesure, appellent un mètre carré .

Disons maintenant que vous avez un cube mesurant 1 mètre de côté. Si vous vouliez trouver le volume du cube, vous auriez besoin de multiplier trois dimensions : longueur, largeur et hauteur. Voici le calcul :

volume = longueur × largeur × hauteur = 1 m × 1 m × 1 m = 1 m ³ = m ³

Notez à nouveau que l'unité de base est multipliée avec le facteur numérique. Dans ce cas, c'est un mètre multiplié par un mètre multiplié par un mètre, ce qui donne un mètre cube . Notez également que lorsque le facteur numérique est 1, vous pouvez laisser tomber le nombre et simplement afficher l'unité. Les métrologues appellent cela une unité cohérente .

La surface et le volume sont des unités dérivées car ils sont définis en termes d'unité de base SI et d'une équation de quantité spécifique. Le tableau répertorie certaines des unités dérivées les plus courantes.

Quelques unités dérivées sont suffisamment importantes pour mériter des noms et des symboles SI spéciaux. La force est un excellent exemple. Isaac Newton a défini la force comme la masse d'un objet multipliée par son accélération. Lorsque vous multipliez ces deux quantités ensemble, vous obtenez une unité dérivée de kilogramme mètre par seconde au carré (kg-m/s ² ). Parce que kg-m/s ² est un peu encombrant et parce que la force est une quantité si importante en physique, les gros bonnets du SI ont décidé d'appeler l'unité dérivée un newton , en l'honneur de Sir Isaac . En tout, il existe 22 unités SI dérivées avec des noms et des symboles spéciaux. Certains des plus importants figurent dans le tableau ci-joint.

Enfin, il est important de savoir que quelques unités ne font pas officiellement partie du système métrique mais font des apparitions fréquentes. En tant que tel, le SI accepte ces unités pour une utilisation avec sa famille de mesures. Certaines des quantités de temps courantes - la minute, l'heure et le jour - entrent dans cette catégorie, tout comme la tonne métrique et l'unité astronomique. Toutes ces unités peuvent cependant être définies selon les unités de base SI. Par exemple, une journée compte 86 400 secondes. Et une unité astronomique ( UA ) -- une unité de longueur égale à la distance moyenne entre la Terre et le soleil -- est 1,495978 × 10 ¹¹ mètres.

Bien sûr, une unité de base peut être trop grande ou trop petite pour décrire un objet de manière adéquate. Dans le SI, rendre les unités plus grandes et plus petites ne nécessite rien de plus que l'ajout d'un préfixe. Nous les aborderons à la page suivante.

Comme nous l'avons déjà martelé, chaque quantité physique - longueur, masse, volume, etc. - est représentée par une unité SI spécifique. Parfois, cependant, les unités de base ont des limites lorsqu'elles sont utilisées pour mesurer des objets très petits ou très grands. Par exemple, disons que vous vouliez mesurer la longueur d'une fourmi. Exprimée dans l'unité de base SI, la longueur d'une fourmi est de 0,003 mètre. Imaginez maintenant exprimer la largeur d'un cheveu humain ou d'un atome en mètres : vos chiffres deviendraient de plus en plus petits et de plus en plus encombrants. Il en va de même pour les grandes mesures. La distance entre New York et Los Angeles est de 4 493 288 mètres, un autre nombre difficile à manier.

Pour contourner ce problème, la Conférence générale des poids et mesures a adopté une série de noms de préfixes et de symboles pour désigner les multiples et sous-multiples décimaux des unités SI. En 1960, suffisamment de préfixes existaient pour couvrir des multiples allant de 10 ¹² à 10 ^-12 . Mais au fil des ans, de nouveaux préfixes sont entrés dans le système pour s'adapter à des valeurs toujours plus grandes et plus petites. Le tableau ci-joint répertorie certains des noms et symboles de préfixe approuvés.

Nous pouvons maintenant revenir à nos exemples pour voir l'avantage d'utiliser un système de préfixes basé sur des puissances de 10. La longueur d'une fourmi peut être de 0,003 mètre, mais il est beaucoup plus pratique de décrire quelque chose d'aussi petit en millimètres. Pour convertir des mètres en millimètres, il vous suffit de multiplier la longueur par 1 000 ou de déplacer la virgule décimale vers les trois espaces de droite. Cela nous dit qu'une fourmi mesure 3 millimètres (3 mm) de sa tête à son abdomen. Et que dire de notre voyage entre New York et Los Angeles ? Vous feriez bien mieux de mesurer une si grande distance en kilomètres. Pour convertir des mètres en kilomètres, il vous suffit de diviser la distance par 1 000 ou de déplacer la décimale vers la gauche de trois espaces. Cela fait votre distance finale de 4 493 kilomètres (4 493 km).

Tous les préfixes fonctionnent de la même manière. La seule boule courbe dont vous devez vous soucier est le kilogramme, la seule unité de base SI dont le nom et le symbole incluent un préfixe. Vous pourriez être tenté d'ajouter un préfixe au kilogramme (microkilogramme, par exemple), mais ce serait incorrect. Au lieu de cela, vous devez associer des noms de préfixe au nom d'unité "gramme" pour représenter des valeurs plus grandes et plus petites de la masse d'un objet. Ainsi, par exemple, 10 ^-6 kilogrammes équivaudraient à 1 milligramme (1 mg).

Armé des unités SI et des préfixes, vous avez tout ce dont vous avez besoin pour commencer à mesurer la métrique. En fait, la majeure partie du monde le fait depuis des décennies. Ensuite, nous découvrirons pourquoi les nations ont adopté avec enthousiasme le système métrique moderne et ce qui peut arriver lorsqu'un pays (oui, nous vous regardons, l'Amérique) ne parvient pas à faire le changement.

Si faire le tour des unités SI et des préfixes ne vous a pas convaincu des avantages du système métrique, alors abordez cet exercice : convertissez 5 milles en pouces. Rapide. Dans ta tête. Même si vous vous souvenez du nombre de pieds dans un mile (5 280) et du nombre de pouces dans un pied (12), vous avez encore des calculs complexes à faire. Voici à quoi ressembleraient les calculs :

(5 miles)(5 280 pieds/1 mile)(12 pouces/1 pied) = 316 800 pouces

Le système métrique rend la vie beaucoup plus facile. Une conversion similaire serait de trouver combien de centimètres existent dans 5 kilomètres. Un kilomètre vaut 10 ³ mètres ; un centimètre vaut 10 ^-2 mètres. Pour effectuer la conversion, il vous suffit de déplacer cinq fois la virgule vers la droite :

5 kilomètres = 5 000 mètres = 500 000 centimètres

Vous voyez pourquoi les unités SI sont plus faciles ?

En raison de son élégance et de sa simplicité, le Système international d'unités peut être trouvé dans le monde entier. Les États-Unis sont le seul pays industrialisé qui s'accroche encore à ses mesures héritées et, par conséquent, se débat avec un éventail déroutant d'unités non liées. Bien sûr, les facteurs de coût expliquent pourquoi les États-Unis ont été lents à adopter le système métrique. À titre d'exemple, considérons le programme de la navette spatiale de la NASA , qui adhère toujours au système de mesure pouce-livre. Les ingénieurs de la NASA ont récemment rapporté que la conversion des dessins, logiciels et documentations pertinents en unités SI coûterait un total de 370 millions de dollars - un gros changement, même pour une agence gouvernementale qui dépense facilement 760 millions de dollars pour faire décoller une navette [source : Marques ].

Bien sûr, ne pas se convertir comporte ses propres risques financiers. Reprenez la NASA. En 1999, l'agence spatiale a perdu sa sonde Mars Climate Orbiter de 125 millions de dollars lorsqu'une incompatibilité d'unité a provoqué un dysfonctionnement [source : Marks ]. Le décalage s'est produit parce que son système de contrôle d'attitude utilisait des unités impériales, mais son logiciel de navigation utilisait des unités SI. En conséquence, la sonde s'est trop rapprochée de la planète, a surchauffé puis a cessé de fonctionner correctement. Maintenant, c'est un déchet spatial d'un million de dollars, grâce à l'engagement tardif de l'Amérique envers le SI.

De nombreuses entreprises américaines ont prêté attention à ces récits édifiants. John Deere, Proctor & Gamble, Kodak, Ingersoll-Rand et de nombreuses autres entreprises ont converti tout ou partie de leurs opérations pour utiliser les unités SI. Cela signifie que leurs usines et chaînes d'approvisionnement à l'étranger utilisent le même système de mesure - et les mêmes pièces - que leurs homologues américains. Cela peut sembler mineur, mais les économies peuvent être importantes. Les réductions de coûts proviennent de deux sources principales : les augmentations de productivité résultant de l'utilisation d'un système de mesure décimal et la capacité à être plus compétitif sur les marchés mondiaux.

Finalement, les États-Unis rendront le système métrique obligatoire pour leurs citoyens. Lorsque ce moment viendra, cela changera l'apparence des panneaux de signalisation, des pompes à essence et des étiquettes alimentaires, mais cela n'affectera pas certaines expressions sacrées. Pourquoi? Parce qu'un kilomètre de pays et un hot-dog de 30 centimètres de long ne font tout simplement pas écho à l'expérience américaine.

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