Unità di misura

Chi di voi non ha mai misurato la lunghezza di un asticella confrontandola con la distanza tra il pollice e l’indice della propria mano, o con la larghezza delle sue dita, oppure la distanza tra i pali di una porta di un campo da calcio contando i propri passi? Ma cosa vuol dire misurare? E cosa sono le unità di misura?

Misurare significa confrontare una quantità con un’altra. Il risultato di una misura è quindi sempre un’operazione relativa ad un oggetto di riferimento. Ad esempio, se io volessi misurare la lunghezza della tastiera sulla quale sto scrivendo, potrei confrontarla con la lunghezza di uno dei suoi tasti ed esprimere la lunghezza della tastiera come x volte la lunghezza di un tasto. Si potrebbe fare qualcosa di simile per misurare il tempo, la massa di un corpo, la temperatura ecc. La quantità rispetto alla quale si esprime il risultato di una misura si chiama unità di misura.

Unità di misura

Da quanto appena spiegato, risulta ovvio che le prime unità di misura fossero quantità legate al mondo della natura o al proprio corpo: la lunghezza di un piede o di un braccio, lo svuotamento di una clessidra, lo spostamento dell’ombra di uno gnomone, ecc. Molte di queste unità, però, non hanno un carattere universale, come richiesto dalla ricerca scientifica. Il mio piede, per esempio, avrà una lunghezza diversa rispetto al vostro, lo stesso dicasi per il mio braccio. Una clessidra impiegherà più o meno tempo a svuotarsi a causa della grandezza dei grani di sabbia, del collo di vetro e della capienza della clessidra. Anche la durata del giorno non è un’unità di misura adeguata, perché cambia con il periodo dell’anno.

Unità di misura più precise

Con la necessità di effettuare misure sempre più precise, è sorta la richiesta di una standardizzazione di tali unità. Si è così deciso di optare per quantità fissate e quanto più universali possibili. Ad esempio, come lunghezza si è considerata la 40-milionesima parte del meridiano passante per Parigi, chiamandolo “metro”. Come intervallo temporale si è definito il “minuto secondo” come 1/86 400 del giorno solare medio. Per la massa, il “grammo” fu definito come la massa di un centimetro cubo d’acqua alla temperatura di 3,98 °C e a pressione atmosferica standard.

Con il passare del tempo, ci si è accorti che neanche queste definizioni erano adeguate. Ad esempio, si osservò che quello che veniva chiamato “metro”, non era la 40-milionesima parte del meridiano passante per Parigi, ma era un po’ più corto. Il secondo, invece, cambiava con il passare del tempo, a causa dell’allungamento impercettibile del giorno solare dovuto all’interazione tra Terra e Luna. La definizione di grammo, e successivamente di chilogrammo, poi, non solo era di difficile uso, ma aveva un problema concettuale, essendo caratterizzata dalla pressione e questa, a sua volta, dipende dalla massa.

Unità di misura ancora più precise

Per correggere questi problemi, si provò, quindi, a creare fisicamente degli oggetti che rappresentassero l’unità di misura. Abbiamo quindi una barra di platino-iridio la cui lunghezza divenne la nuova definizione di metro. Il secondo venne definito come “la frazione di 1/31 556 925,9747 dell’anno tropico per lo 0 gennaio 1900 alle ore 12 tempo effemeride”, ossia come la frazione di un particolare anno, visto che neanche il moto di rivoluzione della Terra attorno al Sole è uniforme. Per il chilogrammo, si optò per un cilindro retto di platino-iridio di 39 mm di altezza e diametro. Non c’è bisogno di farvi notare che anche queste definizioni hanno dei problemi. Ad esempio, la lunghezza della barra che definisce il metro varia con la temperatura.

Unità di misura da costanti fisiche

Con l’avvento della relatività, si decise di sfruttare l’invarianza della velocità della luce nel vuoto come base per la definizione di unità di misura. In particolare, si diede alla velocità della luce nel vuoto un valore esatto. Essa è infatti una delle pochissime costanti fisiche ad essere definita senza errori di misura. Sfruttando la sua definizione, è quindi possibile definire il metro come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo pari a 1/299 792 458 di secondo. A sua volta, il secondo è definito ora come la durata di 9 192 631 770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini, da (F=4, MF=0) a (F=3, MF=0), dello stato fondamentale dell’atomo di cesio-133. Per il chilogrammo, si usa ancora il campione di cui ho scritto sopra. È però aperta la caccia ad una definizione con meno problemi. Ad esempio, è in corso un tentativo di legare la definizione di chilogrammo al numero di Avogadro. Lo scopo è di creare un campione che abbia esattamente un numero di Avogadro di atomi di una particolare specie e usando la sua massa per definire il chilogrammo.

Altre unità di misura

In questo articolo mi sono focalizzato solo su tre grandezze: lunghezza, tempo e massa. Ovviamente altre unità sono definite per altre quantità, come temperatura, corrente elettrica, luminosità, ecc. Concludo mostrandovi una tabella riassuntiva per alcune unità di misura usate in fisica.

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