Unités de mesure dans le folklore et l’histoire
Les unités métriques
Unités métriques plus grandes et plus petites
Conversion entre les unités anglaises et les unités métriques
Ressources
Le système métrique est un ensemble d’unités convenu au niveau international pour exprimer les quantités de diverses grandeurs comme la longueur, la masse, le temps, la température, etc. Il est utilisé universellement dans les sciences et presque aussi dans la vie quotidienne partout dans le monde.
Chaque fois que nous mesurons quelque chose, du poids d’une pomme de terre à la distance à la lune, nous exprimons le résultat sous la forme d’un certain nombre d’unités spécifiques : par exemple, les livres ou les miles dans le système de mesure « anglais » (encore standard aux États-Unis mais plus très utilisé en Angleterre), ou les kilogrammes et les kilomètres dans le système métrique. En 1994, toutes les nations du monde avaient adopté certains aspects du système métrique, à quatre exceptions près : les États-Unis, le Brunei, la Birmanie et le Yémen.
Le système métrique couramment utilisé dans le monde n’est qu’une partie du Système international d’unités, plus vaste, un ensemble complet d’unités de mesure pour presque toutes les quantités physiques mesurables, des plus ordinaires, comme le temps et la distance, aux plus techniques, comme les propriétés de l’énergie, de l’électricité et des radiations. Le Système international d’unités est né de la 9e Conférence générale des poids et mesures, tenue en 1948. La 11e Conférence générale des poids et mesures, qui s’est tenue en 1960, a affiné le système et a adopté le nom français de Système international d’unités, abrégé SI.
En raison de sa commodité et de sa cohérence, les scientifiques utilisent le système métrique d’unités depuis plus de 200 ans. A l’origine, le système métrique était basé sur seulement trois unités fondamentales : le mètre pour la longueur, le kilogramme pour la masse et la seconde pour le temps. Aujourd’hui, il existe plus de 50 unités SI officiellement reconnues pour diverses quantités scientifiques.
Unités de mesure dans le folklore et l’histoire
Dans l’histoire biblique de Noé, l’arche était censée mesurer 300 coudées de long et 30 coudées de haut. Comme toutes les premières unités de taille, la coudée était basée sur le corps humain, toujours pratique, et correspondait très probablement à la longueur de l’avant-bras d’un homme, du coude au bout du doigt. Vous pouviez mesurer une planche, par exemple, en posant votre avant-bras successivement sur sa longueur. Au Moyen Âge, le pouce est réputé avoir été la longueur de la première articulation du pouce d’un roi médiéval. Le yard était autrefois défini comme la distance entre le nez du roi d’Angleterre Henri Ier et le bout de son majeur tendu. L’origine du pied comme unité de mesure est évidente.
Dans l’Italie de la Renaissance, Léonard de Vinci utilisait ce qu’il appelait un braccio, ou bras, pour disposer ses œuvres. Il était égal à deux palmi, ou paumes. Mais les bras et les palmes, bien sûr, diffèrent. À Florence, les ingénieurs utilisaient un braccio de 23 pouces de long, alors que celui des géomètres ne mesurait en moyenne que 21,7 pouces. Le pied, ou piede, mesurait environ 17 pouces à Milan, mais seulement 12 pouces à Rome.
Éventuellement, les anciennes « règles du pouce » ont cédé la place à des unités plus soigneusement définies. Le système métrique a été adopté en France en 1799 et le système impérial britannique d’unités a été établi en 1824. En 1893, les unités anglaises utilisées aux États-Unis ont été redéfinies en fonction de leurs équivalents métriques : le yard a été défini comme 0,9144 mètre, et ainsi de suite. Mais les unités anglaises continuent d’être utilisées aux États-Unis à ce jour, même si l’Omnibus Trade and Competitiveness Act de 1988 stipule que « c’est la politique déclarée des États-Unis. … de désigner le système métrique de mesure comme le système préféré de poids et mesures pour le commerce et les échanges des États-Unis. »
Les unités anglaises sont basées sur des normes incohérentes. Lorsque le pouce de ce roi médiéval est devenu malheureusement indisponible pour une consultation plus approfondie, la norme pour le pouce a été modifiée à la longueur de trois grains d’orge, placés bout à bout – ce qui n’est pas une grande amélioration. Les unités métriques, par contre, sont basées sur des normes définies et contrôlées, et non sur les caprices des humains.
Les normes derrière les unités anglaises ne sont pas reproductibles. Les bras, les mains et les grains d’orge varient évidemment en taille ; la taille d’un yard de 3 pieds dépend des pieds dont il est question. Mais les unités métriques sont basées sur des normes qui sont précisément reproductibles, temps après temps.
Il y a beaucoup d’unités anglaises, y compris les seaux, les fesses, les chaînes, les cordes, les drames, les ells, les brasses, les firkins, les branchies, les grains, les mains, les nœuds, les ligues, trois différentes sortes de miles, quatre sortes d’onces, et cinq sortes de tonnes, pour n’en citer que quelques-unes. Il en existe littéralement des centaines d’autres. Pour mesurer uniquement le volume ou la masse, le système anglais utilise des onces, des pintes, des quarts, des gallons, des barils et des boisseaux, parmi beaucoup d’autres. Dans le système métrique, en revanche, il n’y a qu’une seule unité de base pour chaque type de quantité.
Toute unité de mesure, quel que soit le système, sera trop grande pour certaines applications et trop grande pour d’autres. Exprimer toutes les distances en miles et tous les poids en onces, par exemple, nécessiterait l’utilisation constante de très petits ou de très grands nombres, avec une perte de temps conséquente pour enregistrer et communiquer ces nombres. C’est pourquoi nous avons des pouces et des tonnes, ainsi que des miles et des onces. Le problème, cependant, est que dans le système américain (« anglais »), les facteurs de conversion entre les différentes unités de taille – 12 pouces par pied, 3 pieds par yard, 1,760 yards par mile – sont complètement arbitraires. Ils sont complètement arbitraires. Les unités métriques, en revanche, ont des facteurs de conversion qui sont tous des puissances de dix. Autrement dit, le système métrique est un système décimal, tout comme les dollars et les cents. En fait, tout le système des nombres est décimal, basé sur les dizaines, et non sur les trois ou les douze. Par conséquent, convertir une unité d’une taille à une autre dans le système métrique est juste une question de déplacement de la virgule.
Les unités métriques
Le SI commence par définir sept unités de base : une pour la longueur, la masse, le temps, le courant électrique, la température, la quantité de substance et l’intensité lumineuse. (« Quantité de substance » désigne le nombre de particules élémentaires dans un échantillon de matière. L’intensité lumineuse a trait à la luminosité d’une source de lumière). Mais seules quatre de ces sept grandeurs de base sont utilisées quotidiennement par les non-scientifiques : la longueur, la masse, le temps et la température. Leurs unités SI définies sont le mètre pour la longueur, le kilogramme pour la masse, la seconde pour le temps et le degré Celsius pour la température. (Les trois autres unités de base sont l’ampère pour le courant électrique, la mole pour la quantité de substance et la candela pour l’intensité lumineuse). Presque toutes les autres unités peuvent être dérivées des sept unités de base. Par exemple, l’aire est le produit de deux longueurs : mètres au carré ou mètres carrés. La vélocité ou vitesse est la combinaison d’une longueur et d’un temps : kilomètres par heure.
Le mètre était à l’origine défini en termes de taille de la Terre ; il était censé représenter un dix-millionième de la distance de l’équateur au pôle Nord, en passant directement par Paris. Le mètre moderne, quant à lui, est défini en fonction de la distance parcourue par la lumière en un temps donné, à la vitesse naturelle de la lumière. La vitesse de la lumière dans le vide est considérée comme une constante fondamentale de la nature qui est invariable, quelle que soit la dérive des continents. Le mètre standard s’avère être 39,3701 pouces.
Le kilogramme est l’unité métrique de masse, et non de poids. La masse est la mesure fondamentale de la quantité de matière dans un objet. La masse d’une balle de baseball ne changera pas si vous la frappez de la Terre vers la lune, mais elle pèsera moins – aura moins de poids – lorsqu’elle atterrira sur la lune parce que la force gravitationnelle plus faible de la lune l’attire moins fortement vers le bas. Les astronautes peuvent être en apesanteur dans l’espace, mais ils ne peuvent perdre de la masse qu’en suivant un régime. Tant que nous ne quittons pas la Terre, nous pouvons parler librement de masse et de poids comme s’il s’agissait de la même chose. Vous pouvez donc vous sentir libre de vous « peser » (et non de vous « massifier ») en kilogrammes. Malheureusement, aucun étalon de masse absolument immuable n’a encore été trouvé pour normaliser le kilogramme sur Terre. Le kilogramme est donc défini comme la masse d’une certaine barre d’alliage platine-iridium qui est conservée (très soigneusement) depuis 1889 au Bureau international des poids et mesures de Sèvres, en France. Le kilogramme s’avère être 2,2046 livres.
L’unité métrique de temps est la même seconde que celle qui a toujours été utilisée, sauf qu’elle est maintenant définie de manière plus précise. Elle ne dépend plus de la rotation bancale de la Terre (1/86 400e de jour), car la planète ralentit ; les jours continuent à s’allonger un peu plus à mesure que sa rotation ralentit. La seconde est donc désormais définie en fonction des vibrations d’un certain type d’atome, le césium 133. Une seconde est définie comme le
temps qu’il faut à un atome de césium-133 pour vibrer d’une manière particulière 9 192 631 770 fois. Cette définition peut sembler étrange, mais c’est un moyen superbement précis de fixer la taille standard de la seconde, car les vibrations des atomes ne dépendent que de la nature des atomes eux-mêmes, et les atomes de césium continueront vraisemblablement à se comporter exactement comme des atomes de césium pour toujours. Le nombre exact de vibrations du césium a été choisi pour se rapprocher le plus possible de ce qui était auparavant la valeur la plus précise de la seconde.
L’unité métrique de température est le degré Celsius (oC), qui remplace le degré Fahrenheit (°F) du système anglais. Dans le SI des scientifiques, l’unité fondamentale de température est en fait le kelvin (K) – pas le « degré Kelvin », simplement le Kelvin. Le kelvin et le degré Celsius ont exactement la même taille, à savoir 1,8 fois la taille du degré Fahrenheit. On ne peut cependant pas convertir les échelles Celsius ou Kelvin en Fahrenheit en multipliant ou en divisant simplement par 1,8, car les échelles commencent à des endroits différents. En d’autres termes, leurs degrés zéro ont été fixés à des températures différentes. C’est également le cas pour les échelles Kelvin et Celsius, bien que la conversion soit très simple : la température en Kelvins est la température en degrés Celsius moins 273,15. Zéro degré Kelvin est le zéro absolu, la température la plus basse possible – pas de mouvement moléculaire du tout (ou, strictement parlant, aussi proche de cet état que la mécanique quantique le permet).
Unités métriques plus grandes et plus petites
Parce que le mètre (1,0936 yards) est beaucoup trop grand pour mesurer un atome et beaucoup trop petit pour mesurer la distance entre deux villes, nous avons besoin d’une variété d’unités de longueur plus petites et plus grandes. Mais au lieu de
TERMES CLÉS
Kelvin- L’unité de température du système international (SI). Elle a la même taille que le degré Celsius.
Masse- Une mesure de la quantité de matière dans un échantillon de toute substance. La masse ne dépend pas de la force gravitationnelle d’une planète, comme le poids.
Matière- Toute substance. La matière a une masse et occupe l’espace.
Température- Une mesure de l’énergie cinétique moyenne de toutes les particules élémentaires dans un échantillon de matière.
Inventer des unités de taille différente avec des noms complètement différents, comme le fait le système anglo-américain, nous pouvons créer une unité métrique de presque n’importe quelle taille désirée en attachant un préfixe au nom de l’unité. Par exemple, comme kilo est une forme grecque signifiant mille, un kilomètre (kil-OM-et-er) correspond à mille mètres. De même, un kilogramme est un millier de grammes ; un gigagramme est un milliard de grammes ou 109 grammes ; et une nanoseconde est un milliardième de seconde ou 10-9 seconde.
Les minutes sont autorisées à rester dans le système métrique par commodité ou pour des raisons historiques, même si elles ne se conforment pas strictement aux règles. La minute, l’heure et le jour, par exemple, sont tellement habituels qu’ils sont toujours définis dans le système métrique comme 60 secondes, 60 minutes et 24 heures – et non comme des multiples de dix. Pour le volume, l’unité métrique la plus courante n’est pas le mètre cube, qui est généralement trop grand pour être utile dans le commerce, mais le litre, qui correspond à un millième de mètre cube. Pour les volumes encore plus petits, le millilitre, un millième de litre, est couramment utilisé. Et pour les grandes masses, la tonne métrique est souvent utilisée à la place du kilogramme. Une tonne métrique (souvent orthographiée tonne dans d’autres pays) correspond à 1 000 kilogrammes. Comme un kilogramme représente environ 2,2 livres, une tonne métrique représente environ 2 200 livres : 10 % plus lourde qu’une tonne américaine de 2 000 livres. Une autre unité métrique non standard, souvent utilisée, est l’hectare pour la superficie des terres. Un hectare représente 10 000 mètres carrés et équivaut à 0,4047 acre.
Conversion entre les unités anglaises et métriques
Le problème du passage d’une nation hautement industrialisée comme les États-Unis à un nouveau système de mesures est substantiel. Une fois que le système métrique sera utilisé de manière générale aux États-Unis, on appréciera sa simplicité et sa commodité, mais la période de transition, lorsque les deux systèmes sont utilisés, peut être difficile. Cependant, il n’y a qu’un petit nombre d’unités et de préfixes SI qui sont utilisés dans la vie quotidienne et auxquels la personne moyenne devrait s’habituer.
Voir aussi Unités et normes.
Ressources
LIVRES
Alder, Ken. The Measure of All Things : L’odyssée de sept ans et l’erreur cachée qui a transformé le monde. New York : Free Press, 2002.
Fandel, Jennifer. Le système métrique (Que se passe-t-il dans le monde ?). Hadley, MA : Creative Education, 2006.
Hebra, Alexius J. Measure for Measure : The Story of Imperial, Metric, and Other Units. Baltimore : Johns Hopkins University Press, 2003.
Robert L. Wolke