UNITÀ, Sistemi di
UNITÀ, Sistemi di
(XXXIV, p. 714; App. III, II, p. 1016; IV, III, p. 729)
Evoluzione e caratteristiche. - Dal 1795, allorché fu creato in Francia il Sistema Metrico Decimale, numerosi sistemi di u. vennero ideati e posti allo studio. Partendo dal sistema tridimensionale MKS, passando attraverso il Sistema Giorgi quadridimensionale e scartando via via vari sistemi rivelatisi poi inadeguati, si è giunti, per successivi perfezionamenti, al Sistema Internazionale (SI), che supera tutti gli altri Sistemi, grazie alle sue caratteristiche, così riassumibili: a) universalità, ossia invarianza rispetto al luogo, oltre che conciliazione della scientificità con la popolarità; b) unicità dell'u. per ogni specie di grandezza; c) scelta di un numero limitato di u. di base (le fondamentali e le supplementari), basata su criteri pratici; d) attuabilità delle u. attraverso la riproduzione in laboratorio del fenomeno fisico descritto nella definizione (escluso per ora il kilogrammo), sia pure in un contesto sperimentale diverso, ma equivalente; e) deducibilità attraverso equazioni con coefficienti unitari di tutte le u. derivate da quelle di base; nelle combinazioni monomiali risultanti le u. di base figurano tutte con esponenti interi (positivi, negativi o nulli); f) superamento del concetto di autonomia nella definizione delle u. fondamentali; g) disponibilità dei prefissi per i multipli e i sottomultipli delle u. di base.
Il Sistema Internazionale consta oggi di 7 u. fondamentali, 2 u. supplementari e oltre 100 u. derivate. Occorre tener presente che la scelta delle u. fondamentali deriva non da un privilegio teorico caratteristico delle corrispondenti grandezze, bensì dal criterio eminentemente pratico di privilegiare alcune grandezze di maggior rilievo e di più frequente ricorrenza nella descrizione dei fenomeni fisici e nella pratica delle misure.
Fermo restando il valore di ciascuna u. fondamentale (o di base), come per es. il metro (m), il secondo (s), il kelvin (K) e così via, il progresso è consistito, e consiste, nel diminuire l'incertezza con cui l'u. è nota, a costo di cambiarne la definizione, ogni volta che ciò sia necessario. In altri termini, ove siano proposte due o più nuove definizioni, si preferirà quella che assicurerà la minore incertezza metrologica. In genere si nota oggi sempre più la tendenza verso definizioni collegate con le costanti universali e verso l'abbandono dei campioni prototipi; l'ultimo di essi, il campione di massa, ancora sopravvive, anche se fervono le ricerche per la sua sostituzione. Le definizioni delle u. fondamentali non sono necessariamente autonome, ossia indipendenti; anzi nel SI, sulla scia dell'ampere (1948) e della candela (1979), anche la definizione del metro ha perduto la propria autonomia (1983). Si preconizza da taluno una futura dipendenza di tutte o quasi le u. fondamentali dall'u. di tempo, attraverso costanti fisiche fondamentali.
Quanto alla ''taglia'', ossia al valore proprio, poche u. hanno subito cambiamenti. Sono rimasti in particolare inalterati il metro, il secondo e il kilogrammo (kg), anche se il nome e il simbolo abnormi di quest'ultimo recano il chiaro segno di una precedente u., il grammo (g), 1000 volte più piccola.
Simbologia. - Fin dalle origini (1875) la CGPM (Conférence Générale des Poids et Mesures), la massima organizzazione metrologica internazionale, studia e sancisce i sistemi di u. e pertanto decide e sostanzialmente prescrive (sotto forma di risoluzioni) i simboli delle u. stesse, mentre lascia una certa libertà nei simboli delle corrispondenti grandezze. Di queste ultime si occupa specificamente l'ISO (International Standardization Organization).
La tab. 1 riporta (ultima colonna) alcuni esempi di simboli prescritti per le u. (come tali essi non vanno seguiti dal puntino, che significherebbe abbreviazione: quindi m e non m., kg e non kg.), desunti dal documento BIPM (Bureau International des Poids et Mesures), insieme con alcuni simboli indicati dall'ISO per le corrispondenti grandezze. La tab. 2 contiene le grandezze fondamentali e supplementari e le relative u.; essa è aggiornata alle decisioni della 19ª Conferenza generale dei pesi e delle misure (1991) ed è completata con i riferimenti all'Italia. La tab. 3 riporta le incertezze relative, caratteristiche delle u. fondamentali, valutate nelle migliori condizioni, come per es., nel caso della temperatura termodinamica, intorno a 0°C; per la medesima grandezza, ma per valori più alti o più bassi lungo la scala, l'incertezza aumenta. Nei riguardi delle altre u. di misura l'incertezza relativa aumenta pure allo scostarsi dal valore unitario, tanto in aumento quanto in diminuzione.
Considerando il progresso scientifico nel settore della metrologia, si può ritenere stabile la posizione del metro, solidamente ancorata al secondo e alla velocità della luce nel vuoto (fissata in 299 792 458 m·s−1). In evoluzione invece, come sopra ricordato, la posizione del kilogrammo, per il quale si sta studiando una nuova definizione, in modo da eliminare il riferimento al prototipo di Sèvres. Per il secondo non appare prossima la sostituzione del campione al cesio con altro di migliori caratteristiche. Al contrario l'ampere potrebbe forse venire sostituito con altra u. elettrica, oppure venire diversamente definito, grazie ai progressi conseguiti nella scoperta e nell'attuazione dei campioni quantici di tensione e di resistenza (effetto Josephson ed effetto von Klitzing). Nel campo termico, pur rimanendo invariata la definizione del kelvin, continua il miglioramento della conoscenza dei cosiddetti punti fissi; in particolare recenti progressi hanno consentito di ridurre anche l'incertezza dei punti fissi tra 0°C e 1000°C, tutti punti di fusione o solidificazione di metalli estremamente puri. Il 1° gennaio 1990 è stata introdotta la nuova scala di temperatura internazionale: da essa è stato escluso il già tradizionale punto di ebollizione dell'acqua (al quale, in ogni caso, dev'essere attribuita la temperatura di 99,975°C). Proseguono intanto gli studi e gli esperimenti relativi alla mole, nel senso di perfezionare la conoscenza della costante di Avogadro (NA = 6,022 094 3 × n,1023 mol−1), la cui incertezza è stimata in 5.10−6. Per la candela, nonostante che la nuova definizione del 1979 non abbia finora portato a una riduzione apprezzabile delle incertezze, le ricerche in corso sui radiometri criogenici e sull'autotaratura dei diodi lasciano sperare in miglioramenti nel prossimo futuro. Un maggiore studio richiedono infine le u. supplementari radiante e steradiante, innanzi tutto perché la CGPM le considera come u. derivate adimensionate, lasciando la libertà di utilizzarle o no nelle espressioni delle u. derivate del SI, e poi perché tanto l'una quanto l'altra appaiono essere ''u. di arco'' piuttosto che ''u. di angolo'': esse non risultano infatti possedere le qualità metrologiche essenziali per un loro confronto sperimentale con l'angolo giro e, rispettivamente, con la superficie della sfera di raggio unitario.
Grandezze e unità derivate. -Fra le oltre 100 u. derivate di più largo uso scientifico e tecnico ve ne sono alcune (19 in tutto) che per la loro maggiore importanza (16) e per motivi di protezione della salute (3) sono dotate di nome e simbolo speciale (tab. 4). I loro simboli possono essere usati proficuamente anche nelle relazioni dimensionali, poiché si riesce in tale maniera a semplificare quasi sempre le espressioni rispetto a quelle scritte con le sole u. di base. Per es., per l'u. di capacità elettrica si ha: 1 F = 1 C V−1, anziché 1 F = 1 m−2 kg−1s4A2; per l'u. di resistenza: 1 Ω = 1 V A−1, anziché 1Ω = 1 m2kg s−3A−2, e così via.
Multipli e sottomultipli: prefissi. - La tab. 5 contiene i prefissi per i multipli e sottomultipli decimali, che in tutto consentono di coprire 42 decadi. Si osservi che essi sono scaglionati secondo le potenze di 10, con esponenti multipli di 3, fatta eccezione per i quattro prefissi che si trovano a ridosso dell'unità. Si noti ancora che è stato abolito il prefisso miria-, il cui simbolo era M, oggi assegnato a mega-. I prefissi devono essere usati per esprimere soltanto i dati iniziali e i risultati finali e non per i calcoli intermedi, poiché essi non rispettano la coerenza delle equazioni.
Unificazione internazionale. - I maggiori enti promotori e sostenitori del SI sono la CGPM e l'ISO, ma ha un ruolo importante anche la IEC (International Electrotechnical Commission), che a suo tempo diede un contributo essenziale, proclamando nel 1935 e confermando nel 1938 il sistema Giorgi, poi esteso e completato fino all'attuale SI. Anche le altre unioni scientifiche facenti capo all'ICSU (International Council of Scientific Unions) hanno aderito al sistema.
Quanto alle adesioni dei vari paesi al SI, sono da notare quelle relativamente recenti del Regno Unito (attraverso il Metrication Board 1969-1980) e degli Stati Uniti, mentre altri paesi, fra i quali l'Italia, vi avevano aderito già da moltissimi anni. Alla fine del 1989 il numero dei paesi ufficialmente aderenti al SI era di poco inferiore a 50.
In Europa la CEE ha emesso la direttiva 80/181/CEE, nella quale gli stati membri s'impegnavano a rendere obbligatorio l'uso del SI a partire dal 1° ottobre 1981. In Italia il decreto di attuazione di tale direttiva è il d.P.R. 12 agosto 1982 n. 802. La direttiva contiene anche un elenco di u. transitoriamente tollerate, quali per es. il mm di mercurio e il torr (pressione), il curie (attività di un radionuclide), il röntgen (esposizione).
Deve essere notato che essa contiene anche altre u. derivate non coerenti, quali per es. l'ora, il minuto, il kilowattora e il kilometro/ora, conseguenti all'inevitabile mantenimento in vita dei multipli sessagesimali dell'u. di tempo. Pertanto la loro sostituzione con le corrispondenti u. del sistema appare, almeno per il momento, praticamente impossibile.
Bibl.: C. Egidi, Le unità supplementari del Sistema Internazionale (SI), 85ª Riunione Annuale AEI, Riva del Garda, ottobre 1984, n. 141; CNR-UNI 10003 - Norma Italiana - febbraio 1984; Giovanni Giorgi and his contribution to electrical metrology, in Proceedings of the meeting held in Turin (Italy) on 21 and 22 september 1988, a cura di C. Egidi, Torino 1990; BIPM, Le Système International d'Unités (SI), Sèvres 1991.