Le grandezze fondamentali così come le derivate, sono gli elementi costituenti il Sistema Internazionale di Unità (SI) e rappresentano le dimensioni essenziali da cui derivano tutte le altre misurazioni. Queste grandezze sono definite con precisione e basate su costanti universali e forniscono una base che consente misurazioni coerenti e accurate in tutti i contesti scientifici, industriali e quotidiani. Di conseguenza, sono fondamentali per mantenere chiarezza e affidabilità nelle misurazioni in tutto il mondo. Avere un sistema di grandezze e relative unità di misura internazionalmente riconosciuto facilita lo scambio di informazioni tecniche, lo sviluppo di progetti tecnici e commerciali in un contesto internazionale.
Il sistema SI attualmente riconosce sette quantità fondamentali ciascuna associata ad un’unità base unica, rigorosamente definita sulla base di costanti fisiche immutabili. Queste definizioni consentono precisione e riproducibilità rendendo possibile la condivisione degli standard di misurazione a livello globale.
In questo articolo analizzeremo ciascuna grandezza fondamentale, la definizione, il significato e il ruolo del sistema SI. Le quantità fondamentali rappresentano un linguaggio condiviso per la ricerca scientifica, l’innovazione tecnica e la cooperazione globale, garantendo che le misurazioni siano universalmente riconosciute.
Sistema internazionale di misura
Il Sistema Internazionale di Unità (SI), noto in francese come Système International d’Unités, è lo standard di misurazione più accettato e riconosciuto nel mondo e fornisce un quadro coerente per le grandezze fisiche e le unità di misura. Il sistema SI è coordinato dall’Ufficio internazionale dei pesi e delle misure (BIPM), in francese Bureau International des Poids et Mesures. Il BIPM è costituito da oltre 60 stati membri (attualmente 64) che lavorano insieme per tutti gli aspetti che riguardano la metrologia e le unità di misura.
Il sistema SI si basa su un insieme di sette unità fondamentali: tempo, lunghezza, massa, intensità di corrente elettrica, temperatura, quantità di sostanza ed intensità luminosa. Queste unità fondamentali fungono da base su cui derivano tutte le altre misurazioni.
Oltre a queste unità di base, il sistema SI comprende una serie di unità derivate, che si formano combinando le unità fondamentali. Ad esempio, l’unità di forza, il newton, deriva dalle unità base di massa, lunghezza e tempo. Il sistema SI incorpora anche prefissi per rappresentare multipli o frazioni di unità, come kilo- per mille o milli- per un millesimo, consentendo una comunicazione precisa delle scale di misurazione.
Il sistema SI è riconosciuto da tutto il mondo ed adottato dalla stragrande maggioranza degli Stati. Fanno eccezione, ad oggi, Regno Unito, Stati Uniti d’America, Canada, Birmania (Myanmar) e Liberia che riconoscono il sistema SI ma adottano principalmente un proprio sistema metrico. Nei paesi anglosassoni ad esempio, Stati Uniti e Regno Unito, si utilizza prevalentemente un sistema metrico basato sul Sistema imperiale britannico.
Grandezze fondamentali
Le grandezze fondamentali sono gli elementi costitutivi del sistema SI, non possono essere ulteriormente scomposte e, dalla combinazione di queste si definiscono le grandezze derivate.
Affinché possano essere universalmente riconoscibili e soprattutto riproducibili, le grandezze fondamentali sono definite a partire da costanti universali. Dal 2019 è stato deciso di utilizzare le costanti per poter garantire precisione e riproducibilità di ogni singola grandezza fondamentale.
Il sistema internazionale SI riconosce sette grandezze fondamentali basate, ognuna, su sette costanti universali. Per ogni grandezza il sistema SI associa e definisce una unità di misura.
Le sette costanti universali sono:
- Frequenza della transizione iperfine del cesio;
- Velocità della luce nel vuoto;
- Costante di Planck;
- Costante di Boltzmann;
- Numero di Avogadro;
- Carica elettrica elementare;
- Efficienza luminosa.
| Costante universale | Simbolo | Valore | Unità di misura |
|---|---|---|---|
| Frequenza della transizione iperfine del cesio | ΔνCs | 9 192 631 770 | Hz = 1 / s |
| Velocità della luce nel vuoto | c | 299 792 458 | m / s |
| Costante di Planck | h | 6 626 070 15 x 10-34 | J * s = kg * m2 * s-1 |
| Costante di Boltzmann | k | 1 380 649 x 10-23 | J / K = kg * m2 * s-2 * K-1 |
| Numero di Avogadro | NA | 6 022 140 76 x 1023 | 1 / mol |
| Carica elettrica elementare | e | 1 602 176 634 x 10-19 | C = A * s |
| Efficacia luminosa | Kcd | 683 | lm / W = cd * kg-1 * m-2 * s3 * sr |
Le sette grandezze fondamentali sono:
- Intervallo di tempo;
- Lunghezza;
- Massa;
- Temperatura;
- Quantità di sostanza;
- Intensità di corrente elettrica;
- Intensità luminosa.
Ad ogni grandezza fondamentale è associata una unità di misura che è definita usando una delle costanti fondamentali.
Grandezze derivate
Le quantità derivate, invece, sono ottenute dalle relazioni tra le grandezze fondamentali. Attraverso queste relazioni è possibile esprimere una gamma più ampia di misurazioni. Le quantità derivate includono unità come velocità, forza ed energia, ciascuna delle quali è essenziale in tutti i campi della scienza.
| Grandezza derivata | Nome | Simbolo | Equivalenza unità di misura |
|---|---|---|---|
| Angolo piano | radiante | rad | // |
| Angolo solido | steradiante | sr | // |
| frequenza | hertz | HZ | s-1 |
| forza | newton | N | kg * m * s-2 |
| sforzo / pressione | pascal | Pa | N/m2 = kg * m-1 * s-2 |
| energia / lavoro / calore | joule | J | N*m = kg * m-1 * s-2 |
| potenza | watt | W | J / s = kg * m-2 * s-3 |
| carica elettrica | coulomb | C | A * s |
| Differenza di potenziale elettrico / tensione | volt | V | W / A = kg * m-2 * s-3 * A-1 |
| Capacità elettrica | farad | F | C / V = kg-1 * m-2 * s4 * A2 |
| Resistenza elettrica | ohm | Ω | V / A = kg * m2 * s-3 * A-2 |
| Conduttanza elettrica | siemens | S | A / V = kg-1 * m-2 * s3 * A2 |
| Flusso magnetico | weber | Wb | V * s = kg * m2 * s-2 * A-1 |
| Densità di flusso magnetico | tesla | T | Wb / m2 = kg * s-2 * A-1 |
| Induttanza | henry | H | Wb / A = kg * m2 * s-2 * A-2 |
| Temperatura Celsius | grado Celsius | ºC | K |
| Flusso luminoso | lumen | lm | cd * sr |
| Illuminamento | lux | lx | lm / m2 = cd * sr * m-2 |
| Attività di un radionuclide | becquerel | Bq | s-1 |
| dose assorbita di radiazioni | gray | Gy | J / kg = m2 * s-2 |
| dose equivalente | sievert | Sv | J / kg = m2 * s-2 |
| Attività catalitica | katal | kat | mol * s-1 |
Prefissi
Il sistema SI, per facilitare l’utilizzo delle grandezze e relative unità di misura ha convenuto definire un set di prefissi per riferirsi a multipli e sottomultipli di tutte le grandezze riconosciute. Ad ogni fattore moltiplicativo corrisponde un prefisso da anteporre al nome dell’unità di misura. Si considerano i multipli di 10 da 10-30 a 1030 secondo la tabella seguente.
| Fattore | Nome | Simbolo |
|---|---|---|
| 10-30 | quecto | q |
| 10-27 | ronto | r |
| 10-24 | yocto | y |
| 10-21 | zepto | z |
| 10-18 | atto | a |
| 10-15 | femto | f |
| 10-12 | pico | p |
| 10-9 | nano | n |
| 10-6 | micro | µ |
| 10-3 | milli | m |
| 10-2 | centi | c |
| 10-1 | deci | d |
| 101 | deca | da |
| 102 | hecto | h |
| 103 | kilo | k |
| 106 | mega | M |
| 109 | giga | G |
| 1012 | tera | T |
| 1015 | peta | P |
| 1018 | exa | E |
| 1021 | zetta | Z |
| 1024 | yotta | Y |
| 1027 | ronna | R |
| 1030 | quetta | Q |
Il nome di un prefisso va usato insieme al nome dell’unità di misura ed allo stesso nome il simbolo del prefisso insieme a quello dell’unità di misura. Se ad esempio vogliamo indicare un millesimo di volt, useremo l’espressione millivolt oppure il simbolo mV. Fa eccezione a questa regola il chilogrammo dato che il nome stesso include un prefisso. Nel caso del chilogrammo, kg, si fa riferimento all’unità di misura dei grammi, g insieme ad eventuali prefissi per indicare multipli e sottomultipli.