FICHE N°2
Les unités de
mesures mécaniques
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1
L
es unités de base en mécanique sont la longueur (le mètre), la masse (le kilogramme)
et le temps (la seconde), qui permettent à leur tour de définir un ensemble d’unités
dérivées, telles que les unités de surface, de volume, de vitesse, d’accélération, de for-
ce, d’énergie, de puissance, etc.
Le kilogramme
Le kilogrammeest la plus ancienne unité du Système International. Sa définition a été
adoptée à la 1
ère
Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM) en 1889. Elle na pas
changé depuis.
Le kilogramme (kg) est la masse du prototype en platine iridié déposé au Bureau
International de Poids et Mesures à Sèvres (92).
Ceci étant, il a été question du kilogramme au cours dautres CGPM. Ainsi, la 3
ème
CGPM
décidait de faire cesser lambiguïté qui existe encore dans lusage courant sur la signi-
fication du terme poids, employé tantôt dans le sens du terme masse, tantôt dans le sens
du terme effort mécanique. C’était en 1901. Consciente de ses devoirs, cette 3
ème
CGPM
décidait une fois pour toutes que le poids dun corps est le produit de la masse de ce corps
par laccélération normale de la pesanteur (980,665 cm/s
2
).
Ceci aurait dû mettre un terme à la confusion qui existait entre masse et poids. Mais
les usages ont la vie dure...
On a reparlé du kilogrammme en 1967 au cours dune réunion du CIPM (Comité
International des Poids et Mesures), à propos des multiples et sous-multiples (hecto,
kilo, déci, centi...) : les noms des multiples et sous-multiples décimaux de lunité de
masse sont formés par ladjonction des préfixes au mot gramme (et non par kilogram-
me). Le kilogramme reste donc la seule unité de base du Système International qui
soit un multiple...
Les unités de mesures mécaniques
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A propos de la chaîne d’étalonnage, il faut savoir que la masse des étalons secondaires
est comparée à la masse du prototype en platine au moyen de balances dont la précision
relative peut dépasser 10
-8
. Dans le cas d’étalons en acier inoxydable, lexactitude de la
comparaison dépend de lexactitude avec laquelle est connue la correction due à la pous-
sée de lair (en effet, le volume de 1 kg de platine est différent de celui de 1 kg dacier et,
daprès le principe dArchimède, le poids du volume dair déplacé nest donc pas le même).
Le mètre
Tout comme le kilogramme, le mètre a été défini dès la première CGPM de 1889. Mais
la définition, fondée alors sur le prototype iridié (dailleurs toujours conservé au BIPM),
avait été remplacée en 1960 (à la 11
ème
CGPM) par une définition fondée sur la longueur
donde dune radiation du krypton 86. Afin daugmenter encore la précision de la réali-
sation du mètre, la 17
ème
CGPM (en 1983) a remplacé cette définition par la suivante :
Le mètre (m) est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant
une durée de 1/299 792 458 seconde.
Une conséquence importante de lactuelle définition du mètre est dattribuer une valeur
rigoureusement fixée à lune des principales constantes de la physique, à savoir la vites-
se de la lumière cdans le vide :
c = 299 792 458 m/s
Lorsque la définition antérieure était en vigueur, lunité de longueur et lunité de temps
étaient indépendantes. Cela conduisait à une valeur de la vitesse de la lumière quon ne
pouvait connaître que par la mesure et avec une exactitude au mieux égale à celle des
étalons.
Lunité de temps n’étant pas modifiée, on remarque facilement que le fait de disposer
désormais dune valeur fixée pour crevient à imposer au mètre une valeur bien définie.
Pour éviter toute discontinuité dans la réalisation de lunité de longueur, on a pris pour
valeur immuable de cla meilleure détermination accessible avec la précédente définition.
La valeur du mètre obtenue avec la lampe à krypton nest par conséquent pas modifiée.
Par contre, on peut désormais réduire lincertitude sur sa réalisation par lemploi dautres
sources plus performantes, telles que les lasers stabilisés.
Le BIPM recommande un certain nombre de radiations délivrées par des lasers stabi-
lisés en fréquence. En pratique, les mesures se font dans lair, où la vitesse de la lumiè-
re est légèrement différente de c. Pour connaître cette vitesse, il faut tenir compte de lindi-
Quelques unités de masse... à oublier
1 grain = 64,80 mg
1 carat métrique = 200 mg
1 dram (1/16 oz) = 1,772 g
1 ounce (oz) = 1/16 lb = 28,3495 g
1 pound (lb) = 453,592 g
1 stone (14 lb) = 6,35 kg
1 quater (28 lb) = 12,70 kg
1 slug = 14,59 kg
1 cental (100 lb) = 45,36 kg
1 hundredweight (cwt) = 112 lb = 50,80kg
1 quater long (USA) = 254 kg
1 tonne = 1 000 kg
Les unités de mesures mécaniques
ce de lair. La mesure de cet indice seffectuant avec une incertitude relative moins bon-
ne que la mesure des radiations des lasers, la précision des mesures courantes de lon-
gueurs se trouve donc, en fait, limitée par cette détermination.
Les unités géométriques
Les unités géométriques ne font intervenir que le paramètre longueur.
Le radian (rad)est langlequi, ayant son sommet au centre dun cercle, intercepte sur
la circonférence de ce cercle un arc de longueur égale à celle du rayon du cercle. Il sagit
dune unité dérivée du Système International, sans dimension (le radian est homogène
à un rapport entre deux longueurs).
Pour définir un angle plan, dautres unités sont couramment utilisées :
1 degré (°)=
π
/180 = 1,745.10
2
rad
1 minute () = 2,909.10
4
rad
1 seconde (’’) = 4,848.10
6
rad
1 grade (gr) =
π
/200 = 1,571.10
2
rad
Le stéradian (sr) est langle solide qui, ayant son sommet au centre de la sphère,
découpe sur la surface de cette sphère une aire équivalente à celle dun carré dont le
côté est égal au rayon de la sphère.
Voici quelques valeurs remarquables dangles solides :
espace : 4
π
= 12,57 sr
hémisphère : 2
π
= 6,283 sr
trièdre rectangle : 2
π
/4 = 1,571 sr
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Quelques longueurs remarquables
1 angström (Å) = 10
10
m
1 pouce = 1 inch (in) = 2,540 cm
1 pied = 1 foot (ft) = 30,48 cm
1 yard (yd) = 0,9144 m
1 mille = 1,609 km
1 mille nautique = 1,852 km
Rayon du proton : 0,8,10
15
m
Pouvoir séparateur d'un microscope
électronique à effet tunnel : 0,1 Å
Pouvoir séparateur d'un microscope
électronique : 3 Å
Taille d'un atome :
~ 4 Å
Longueurs d'onde du spectre visible :
400 nm à 0,78
µ
m
Taille d'un virus : 15 à 300 nm
Pouvoir séparateur d'un microscope
optique : 0,1
µ
m
Taille d'un chromosome : 8
µ
m de long
pour 0,5 µm de diamètre
Ajustages mécaniques de précision : 1 à
10
µ
m
Taille d'une cellule vivante : quelques
dizaines de
µ
m
Rayon de la Terre : 6 360 km
Tour de la Terre : 40 000 km
Distance Terre-Lune : 384 000 km
Rayon du Soleil : 686 000 km
Distance moyenne Terre-Soleil :
150 millions de km
Année lumière : 9,461.10
12
km
Quelques unités rencontrées au hasard de la littérature
Quelques ordres de grandeur de distances
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Lunité de surface est le mètre carré (m
2
). Cest laire dun carré ayant un mètre de côté.
Lunité de volume est le mètre cube (m
3
). Cest le volume dun cube ayant 1 mètre de côté.
A propos du litre... La troisième CGPM (en 1901) avait déclaré que lunité de volu-
me, pour les déterminations de haute précision, est le volume occupé par la masse de
1 kilogramme deau pure, à son maximum de densité et sous la pression atmosphé-
rique normale : ce volume est dénommé litre.
Alors, 1 litre = 1 dm
3
? Pas si vite... Les progrès de la métrologie allaient montrer que le
décimètre cube et le litre sont inégaux et diffèrent denviron 28 millionièmes.
Devant ce constat, la 12
ème
CGPM (en 1964) a recommandé de ne plus utiliser le mot litre
pour exprimer les résultats de mesures de volume de haute précision. Par contre, le mot
litre peut être utilisé comme nom spécial donné au décimètre cube.
En 1979, il allait être à nouveau question du litre, la 16
ème
CGPM décidant, à titre excep-
tionnel (surtout à la demande des anglo-saxons), dadopter les symboles let Lcomme sym-
boles utilisables pour lunité litre(le but étant d’éviter le risque de confusion entre la lettre
let le chiffre 1 qui, dans bien des polices typographiques, sont identiques).
Les unités cinématiques
Les unités cinématiques font intervenir les paramètres longueur et temps.
Lunité de vitesse est le mètre par seconde (m/s). Cest la vitesse dun mobile qui, ani-
mé dun mouvement rectiligne et uniforme, parcourt une longueur de 1 mètre en 1 secon-
de.
Voici quelques valeurs remarquables de vitesses :
vitesse de la lumière dans le vide : c = 299 792 458 m/s
vitesse du son dans lair : environ 340 m/s
1 nœud = 0,5144 m/s
vitesse des ultrasons dans lacier : environ 5 900 m/s
Quelques unités de volume
1 cubic inch (in
3
) = 16,39 cm
3
1 (UK) fluid ounce (floz) = 28,41 cm
3
1 (US) fluid ounce (floz) = 29,57 cm
3
1 (US) pint (1/8 gallon) = 0,4732 dm
3
1 (US) quart (1/4 gallon) = 0,9463 dm
3
1 litre (l, L) = 1 dm
3
1 (UK) quart (1/4 gallon) = 1,136 dm
3
1 (US) gallon (liquides) = 3,785 dm
3
1 (US) gallon (poudres) = 4,405 dm
3
1 (UK) gallon = 4,546 dm
3
1 cubic foot (fr
3
) = 28,32 dm
3
1 cubic yard (yd
3
) = 0,7646 m
3
Quelques unités de surface
1 square inch (in
2
) = 6,452 cm
2
1 square foot (fr
2
) = 9,290 dm
2
1 acre = 40,47 dm
2
1 square yard (yd
2
) = 0,8361 m
2
1 are (a) = 100 m
2
1 hectare (ha) = 10 000 m
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vitesse de la Terre sur son orbite : 30 km/s
vitesse de propagation du courant électrique dans le cuivre : 1 000 km/s.
Laccélération linéaire a pour unité le m/s
2
. Cest laccélération dun corps animé
dun mouvement uniformément accéléré et dont la vitesse varie en 1 seconde, de 1 mètre
par seconde.
Une constante typique daccélération est laccélération normale de la pesanteur à la sur-
face de la Terre, qui est laccélération à laquelle est soumis un corps en chute libre.
g = 9,80665 m/s
2
De la même façon, on définit la vitesse et laccélération angulaires.
Les vibrations.Les vibrations peuvent être caractérisées par le déplacement, la vites-
se ou laccélération en des points déterminés de la structure vibrante. Laccéléromètre
est souvent le capteur le mieux adapté à la mesure de vibrations et de chocs. Les fré-
quences de mesure (cest-à-dire la bande passante) sont très variables dune application
à lautre : elles peuvent aller de quelques dizaines de hertz pour une structure lourde (cas
dun avion, par exemple) jusqu’à 100 kHz pour des mesures de chocs.
Les unités dynamiques
Les unités dynamiques font intervenir trois paramètres : la longueur, la masse et le
temps.
Force. Le newton (N) est la force qui communique, à un corps ayant une masse de 1
kilogramme, une accélération de 1 mètre par seconde au carré.
La force, la masse et laccélération sont liées par la fameuse relation F=m
γ
. Lorsque
laccélération en question est laccélération de la pesanteur g, la force sexercant sur une
masse mest telle que : F=mg
Cette force est plus communément appelée poids.
Cest du reste cette notion de poids que lon utilise pour définir les étalons de forces.
Dans une machine de force de référence, la force est engendrée au moyen de masses
librement suspendues dans le champ de la pesanteur. Les valeurs des différentes masses
mdestinées à être suspendues à la machine sont déterminées par étalonnage et toutes
les précautions sont prises pour éviter les phénomènes dusure, doxydation ou de pol-
lution de ces masses. Laccélération de la pesanteur est mesurée à lemplacement de la
machine de force. La connaissance de met de gpermet daccéder à celle de F. Cette for-
ce connue est alors utilisée pour étalonner les dynamomètres (instruments de mesure des
forces utilisant la déformation dun corps d’épreuve).
Pression. Le pascal (Pa) est la pression qui, agissant uniformément sur une surface
plane de 1 mètre carré, exerce sur cette surface une force totale de 1 newton. Cette uni-
té est en vigueur depuis seulement 1971.
Energie. Le joule (J) est le travail produit par une force de 1 newton dont le point
dapplication se déplace de 1 mètre dans la direction de la force.
Dautres unités d’énergie sont encore parfois rencontrées :
1 erg = 10
7
J
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