Conversion des unités de masse

Qu’est-ce que la masse ?

La masse est liée à la résistance qu’un objet oppose à un changement de son état de mouvement, c’est-à-dire à son inertie. En mécanique classique, la relation entre la force nette et l’accélération produite s’écrit F = m·a.

À force égale, un objet plus massif acquiert une accélération plus faible. La masse n’exprime donc pas seulement la quantité de matière : elle joue un rôle fondamental dans les équations du mouvement.

La masse est une grandeur scalaire, sans direction. Son symbole dimensionnel de base dans le SI est M.

La différence entre masse et poids

La masse et le poids ne sont pas la même grandeur physique. La masse est une propriété de l’objet et s’exprime en kilogrammes. Le poids est la force subie dans un champ gravitationnel et se mesure en newtons.

La relation simplifiée du poids s’écrit W = m·g, où W représente le poids, m la masse et g l’accélération locale de la pesanteur.

La masse d’un objet reste sensiblement la même sur Terre et sur la Lune ; son poids varie parce que l’accélération de la pesanteur est différente. En usage scientifique, le kilogramme est donc une unité de masse, non de poids.

Dans le langage courant, les deux mots sont souvent employés l’un pour l’autre, car le résultat d’une pesée s’exprime en kilogrammes. L’appareil détecte pourtant une force, puis affiche une valeur étalonnée en unité de masse.

Pour plus d’informations sur l’unité Kilogramme, consultez la page d’information Kilogramme.

Pourquoi le kilogramme est-il l’unité de base SI de la masse ?

Dans le Système international d’unités, l’unité de base de la masse est le kilogramme. C’est la seule unité de base du SI dont le nom comporte un préfixe.

Le gramme a joué un rôle historique dans les premières définitions de masse du système métrique. Lors de l’établissement des étalons pratiques, le kilogramme est toutefois devenu la référence fondamentale.

Depuis 2019, le kilogramme n’est plus défini par un cylindre métallique physique, mais par la valeur fixée de la constante de Planck. Cette définition est mise en pratique notamment avec la balance de Kibble et des mesures électriques de haute précision.

Les unités métriques de masse

Les unités métriques de masse sont construites à partir du kilogramme, du gramme et de préfixes SI. Un gramme équivaut à 0,001 kilogramme, un milligramme à 0,001 gramme et un microgramme à 0,001 milligramme.

Pour les grandes masses, on utilise la tonne métrique, qui équivaut exactement à 1 000 kilogrammes. Son symbole, admis avec le SI, est la lettre minuscule t.

L’unité doit être choisie selon l’ampleur mesurée : kilogrammes pour une personne ou un produit, grammes pour un aliment, milligrammes ou microgrammes pour un principe actif, tonnes pour la charge d’un véhicule.

La relation entre la livre, l’once et le kilogramme

La livre et l’once sont des unités de masse utilisées dans les systèmes de mesure traditionnels britannique et américain. La livre avoirdupois internationale équivaut exactement à 0,453 592 37 kilogramme.

Une livre avoirdupois se divise en 16 onces. Une once équivaut donc exactement à 0,028 349 523 125 kilogramme, soit 28,349 523 125 grammes.

La livre de masse et la livre-force (pound-force) désignent deux grandeurs différentes. La première exprime une masse, la seconde une force ; dans les calculs techniques, les symboles lb et lbf ne doivent pas être confondus.

Comment mesure-t-on la masse ?

Pour mesurer la masse, on utilise notamment une balance à deux plateaux, une balance électronique, une balance analytique, une cellule de charge ou un système industriel de pesage.

Les balances comparatives rapprochent une masse inconnue de masses étalons traçables. Les balances électroniques convertissent la force appliquée en signal électrique grâce à des cellules de charge.

En haute précision, la poussée d’Archimède de l’air, la pesanteur locale, la température, l’humidité, les vibrations, les effets électrostatiques et la densité de l’étalon peuvent influencer le résultat.

Le rattachement des étalons aux systèmes de mesure nationaux et internationaux s’appelle la traçabilité métrologique. La chaîne d’étalonnage permet de comparer les résultats entre laboratoires et entreprises.

La relation entre densité, volume et masse

La masse, la densité et le volume sont liés par la relation m = ρ·V, où m représente la masse, ρ la densité et V le volume.

À volume égal, la masse de deux matières peut être très différente selon leur densité. Ainsi, l’acier et l’eau n’ont pas la même masse pour un même volume.

Dans le SI, l’unité dérivée de densité est le kilogramme par mètre cube. En laboratoire, le gramme par centimètre cube et le gramme par millilitre sont également courants.

L’incertitude dans la mesure de la masse

Toute mesure réelle comporte une incertitude. Le fait qu’une balance affiche de nombreux chiffres ne signifie pas que tous sont connus avec la même précision.

La résolution de l’appareil, la répétabilité, la non-linéarité, l’étalon de calibration, les conditions environnementales et la méthode de l’utilisateur contribuent à cette incertitude.

Dans les travaux scientifiques et industriels, un résultat doit être présenté avec l’unité appropriée, le bon nombre de chiffres significatifs et une indication de son incertitude.

Comment choisir l’unité de masse appropriée ?

Choisir une unité adaptée à l’ampleur mesurée rend le résultat plus lisible. La masse d’une personne peut s’exprimer en kilogrammes, le principe actif d’un comprimé en milligrammes et le chargement d’un camion en tonnes.

Pour les très petites masses, on peut employer le microgramme, le nanogramme ou le picogramme. À l’échelle des atomes et des molécules, l’unité de masse atomique unifiée peut être plus pratique.

Lors d’une conversion, il faut vérifier la valeur numérique, mais aussi déterminer si l’unité concernée exprime une masse ou une force.