Unità di misura: cosa sono e come funzionano

Cominciamo dando una definizione di unità di misura: per unità di misura si intende una quantità prestabilita di una determinata grandezza fisica definita e adottata - per legge o per convenzione - che viene utilizzata come termine di riferimento per la misura di grandezze della medesima tipologia.
Le unità di misura sono quindi valori di riferimento usati come quantità campione per misurare le grandezze fisiche.

Come funziona l’unità di misura? Ognuna di esse, intanto, ha assegnati sei simboli o dei nomi convenzionali. Una volta scelta un’unità di misura, ogni altro calore della grandezza fisica che vi è associata può esprimersi tramite sottomultipli o multipli dell’unità di misura adottata.

L’Enciclopedia Treccani definisce così l’unità di misura:

In fisica, grandezza assunta come campione e termine di confronto per la misurazione di tutte le grandezze della stessa specie. Tenendo conto delle relazioni fisiche fra le varie grandezze, si scelgono le u. di m. soltanto per alcune di esse, dette perciò fondamentali o primitive, da cui discendono le u. di m. di tutte le altre, dette derivate. Per es., assunte come fondamentali lunghezza e tempo, misurate in metri (m) e in secondi (s), la velocità si definisce come rapporto fra lunghezza e tempo e la sua u. di m. è il m/s. L’insieme delle u. di m. costituisce un sistema di u. di misura.

Unità di misura primitive (o fondamentali) e unità di misura derivate

Accennata la differenza tra unità di misura fondamentali e unità di misura derivate, vediamo bene la differenza e cosa si intende in entrambi i casi.
Partiamo dal presupposto che non tutte le grandezze fisiche hanno una propria misura e nemmeno la richiedono.
Grazie alla leggi della fisica l’unità di misura l’unità di misura di una grandezza può essere espressa come combinazione di unità di altre grandezze.

C’è quindi un piccolo insieme di unità di misura necessarie; queste unità di misura sono quelle che vengono chiamate fondamentali, tutte le altre vengono definite derivate (es. velocità, frutto del rapporto tra lunghezza e tempo) . Nel SI (sistema internazionale di unità di misura) sono 7 le grandezze fondamentali:

Le grandezze o udm derivate sono la combinazione tramite moltiplicazione o divisione delle grandezze fisiche fondamentali. Quando si verifica la relazione tra le grandezze fisiche derivate e le grandezze fisiche primitive si vede, oltre alla relazione esistente tra le due grandezze fisiche, anche la correttezza sui calcoli e/o equazioni di una legge fisica.

Definizioni delle unità di misura fondamentali

Vediamo di definire con precisione ognuna delle sette unità di misura fondamentali:

• Intervallo di tempo: si definisce secondo la durata di 9.192.631.770 periodi della radiazione emessa dall’atomo di Cesio 133 nella transizione tra i due livelli iperfini (F=4, M=0) e (F=3, M=0) dello stato fondamentale 2S(1/2). L’orologio al cesio costituisce il campione primario del secondo. Questo orologio è portentoso: l’errore massimo relativo che può commettere si attesta a 1x10-12, equivalente a 1 ms ogni 12 giorni.

• Massa: Il kilogrammo è la massa del prototipo internazionale conservato al Pavillon de Breteuil (Sevres, Francia).
  (3a CGPM, 1901)
  Di tutte le udm (unità di misura fondamentali) questa è la sola che si basa su un campione artificiale.

• Lunghezza: Il metro è la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo di 1/299 792 458 di secondo.
  (17a CGPM, 1983)
  La definizione del metro è stata introdotta nel 1983.

• Temperatura: Il kelvin è la frazione 1/273.16 della temperatura termodinamica del punto triplo dell’acqua.
  (13a CGPM, 1967)
  Il punto triplo dell’acqua (e in generale di una sostanza) è lo stato termodinamico in cui sono in equilibrio tutte e tre le fasi: liquida, gassosa e solida.

• Quantità di sostanza: La mole è la quantità di sostanza che contiene tante entità elementari quanti sono gli atomi in 0.012 kg di Carbonio 12. Quando si usa la mole, deve essere specificata la natura delle entità elementari, che possono essere atomi, molecole, ioni, elettroni, altre particelle o gruppi specificati di tali particelle.
  (14a CGPM, 1971)
  (17a CGPM, 1983)

• Intensità luminosa: La candela è l’intensità luminosa, in un’assegnata direzione, di una sorgente che emette una radiazione monocromatica di frequenza 540x1012 Hz e la cui intensità energetica in tale direzione è 1/683 W/sr.
  (16a CGPM, 1979)

• Intensità di corrente elettrica: L’ampere è la corrente che, se mantenuta in due conduttori paralleli indefinitamente lunghi e di sezione trascurabile posti a distanza di un metro nel vuoto, determina tra questi due conduttori una forza uguale a 2x10-7 newton per metro di lunghezza.
  (9a CGPM, 1948)