Le unità di misura nel folklore e nella storia

Le unità metriche

Unità metriche più grandi e più piccole

Conversione tra unità inglesi e metriche

Risorse

Il sistema metrico è un insieme di unità concordate a livello internazionale per esprimere le quantità di varie quantità come lunghezza, massa, tempo, temperatura e così via. È usato universalmente nella scienza e quasi nella vita quotidiana in tutto il mondo.

Ogni volta che misuriamo qualcosa, dal peso di una patata alla distanza dalla luna, esprimiamo il risultato come un numero di unità specifiche: per esempio, libbre o miglia nel sistema di misura “inglese” (ancora standard negli Stati Uniti ma non più usato estensivamente in Inghilterra), o chilogrammi e chilometri nel sistema metrico. Nel 1994, ogni nazione del mondo aveva adottato alcuni aspetti del sistema metrico, con solo quattro eccezioni: Stati Uniti, Brunei, Birmania e Yemen.

Il sistema metrico che è di uso comune in tutto il mondo è solo una parte del più ampio Sistema Internazionale di Unità, un insieme completo di unità di misura per quasi tutte le quantità fisiche misurabili, da quelle ordinarie, come il tempo e la distanza, a quelle altamente tecniche, come le proprietà di energia, elettricità e radiazione. Il Sistema Internazionale di Unità è nato dalla 9a Conferenza Generale su Pesi e Misure, tenutasi nel 1948. L’undicesima conferenza generale sui pesi e le misure, tenutasi nel 1960, perfezionò il sistema e adottò il nome francese Système International d’Unite´s, abbreviato SI.

A causa della sua convenienza e coerenza, gli scienziati hanno usato il sistema metrico di unità per più di 200 anni. In origine, il sistema metrico decimale si basava solo su tre unità fondamentali: il metro per la lunghezza, il chilogrammo per la massa e il secondo per il tempo. Oggi, ci sono più di 50 unità SI ufficialmente riconosciute per varie quantità scientifiche.

Unità di misura nel folklore e nella storia

Nella storia biblica di Noè, l’arca doveva essere lunga 300 cubiti e alta 30 cubiti. Come tutte le prime unità di misura, il cubito era basato sul sempre comodo corpo umano, ed era molto probabilmente la lunghezza dell’avambraccio di un uomo dal gomito alla punta delle dita. Si poteva misurare una tavola, per esempio, stendendo l’avambraccio successivamente lungo la sua lunghezza. Nel Medioevo, si ritiene che il pollice fosse la lunghezza della prima articolazione del pollice di un re medievale. La yard era una volta definita come la distanza tra il naso del re d’Inghilterra Enrico I e la punta del suo dito medio disteso. L’origine del piede come unità di misura è ovvia.

Nell’Italia rinascimentale, Leonardo da Vinci usava quello che lui chiamava braccio, o braccio, per stendere le sue opere. Era uguale a due palmi. Ma braccia e palmi, naturalmente, saranno diversi. A Firenze, gli ingegneri usavano un braccio che era lungo 23 pollici, mentre il braccio dei geometri era in media solo 21,7 pollici. Il piede, o piede, era di circa 17 pollici a Milano, ma solo circa 12 pollici a Roma.

Finalmente, l’antica “regola del pollice” ha lasciato il posto a unità più accuratamente definite. Il sistema metrico decimale fu adottato in Francia nel 1799 e il sistema imperiale britannico di unità fu stabilito nel 1824. Nel 1893, le unità inglesi usate negli Stati Uniti furono ridefinite in termini dei loro equivalenti metrici: il metro fu definito come 0,9144 metri, e così via. Ma le unità inglesi continuano ad essere usate negli Stati Uniti fino ad oggi, anche se l’Omnibus Trade and Competitiveness Act del 1988 ha dichiarato che “è la politica dichiarata degli Stati Uniti. . .designare il sistema metrico decimale come il sistema preferito di pesi e misure per il commercio degli Stati Uniti.”

Le unità inglesi si basano su standard incoerenti. Quando il pollice di quel re medievale divenne purtroppo indisponibile per ulteriori consultazioni, lo standard per il pollice fu cambiato alla lunghezza di tre chicchi d’orzo, posti da un capo all’altro – non un gran miglioramento. Le unità metriche, d’altra parte, sono basate su standard definiti e controllati, non sui capricci degli esseri umani.

Gli standard dietro le unità inglesi non sono riproducibili. Braccia, mani e chicchi d’orzo varieranno ovviamente in dimensione; la dimensione di un’iarda di 3 piedi dipende da chi sono i piedi in questione. Ma le unità metriche sono basate su standard che sono esattamente riproducibili, volta per volta.

Ci sono molte unità inglesi, tra cui secchi, mozziconi, catene, corde, drammi, elle, braccia, firkins, branchie, grani, mani, nodi, leghe, tre diversi tipi di miglia, quattro tipi di once e cinque tipi di tonnellate, per citarne solo alcune. Ce ne sono letteralmente altre centinaia. Solo per misurare il volume o la massa, il sistema inglese usa once, pinte, quarti, galloni, barili e bushel, tra molti altri. Nel sistema metrico, invece, c’è solo un’unità di base per ogni tipo di quantità.

Ogni unità di misura, in qualsiasi sistema, sarà troppo grande per alcune applicazioni e troppo grande per altre. Esprimere tutte le distanze in miglia e tutto il peso in once, per esempio, richiederebbe l’uso costante di numeri molto piccoli o molto grandi, con conseguente perdita di tempo nel registrare e comunicare quei numeri. Questo è il motivo per cui abbiamo pollici e tonnellate, oltre a miglia e once. Il problema, però, è che nel sistema americano (“inglese”) i fattori di conversione tra unità di varie dimensioni – 12 pollici per piede, 3 piedi per iarda, 1.760 iarde per miglio. Sono completamente arbitrari. Le unità metriche, invece, hanno fattori di conversione che sono tutte potenze di dieci. Cioè, il sistema metrico è un sistema decimale, proprio come i dollari e i centesimi. Infatti, l’intero sistema dei numeri è decimale, basato sulle decine, non sui tre o sui dodici. Pertanto, la conversione di un’unità da una dimensione ad un’altra nel sistema metrico è solo una questione di spostare il punto decimale.

Le unità metriche

Il SI inizia definendo sette unità di base: una ciascuno per lunghezza, massa, tempo, corrente elettrica, temperatura, quantità di sostanza e intensità luminosa. (“Quantità di sostanza” si riferisce al numero di particelle elementari in un campione di materia. L’intensità luminosa ha a che fare con la luminosità di una fonte di luce). Ma solo quattro di queste sette quantità di base sono di uso quotidiano per i non scienziati: lunghezza, massa, tempo e temperatura. Le loro unità SI definite sono il metro per la lunghezza, il chilogrammo per la massa, il secondo per il tempo e il grado Celsius per la temperatura. (Le altre tre unità di base sono l’ampere per la corrente elettrica, la mole per la quantità di sostanza e la candela per l’intensità luminosa). Quasi tutte le altre unità possono essere derivate dalle sette di base. Per esempio, l’area è un prodotto di due lunghezze: metri al quadrato o metri quadrati. La velocità è una combinazione di una lunghezza e di un tempo: chilometri all’ora.

Il metro era originariamente definito in termini di dimensioni della Terra; si supponeva che fosse un decimilionesimo della distanza dall’equatore al Polo Nord, passando per Parigi. Il metro moderno, tuttavia, è definito in termini di quanto lontano viaggerà la luce in una data quantità di tempo quando viaggia alla -naturalmente- velocità della luce. La velocità della luce nel vuoto è considerata una costante fondamentale della natura che è invariabile, indipendentemente dalla deriva dei continenti. Il metro standard risulta essere 39,3701 pollici.

Il chilogrammo è l’unità metrica della massa, non del peso. La massa è la misura fondamentale della quantità di materia in un oggetto. La massa di una palla da baseball non cambierà se la colpisci dalla Terra alla Luna, ma peserà meno – avrà meno peso – quando atterrerà sulla Luna perché la minore forza gravitazionale della Luna la tira giù con meno forza. Gli astronauti possono essere senza peso nello spazio, ma possono perdere massa solo con una dieta. Finché non lasciamo la Terra, però, possiamo parlare liberamente di massa e peso come se fossero la stessa cosa. Quindi puoi sentirti libero di “pesarti” (non di “massificarti”) in chilogrammi. Sfortunatamente, non è stato ancora trovato uno standard di massa assolutamente immutabile per standardizzare il chilogrammo sulla Terra. Il chilogrammo è quindi definito come la massa di una certa barra di lega platino-iridio che viene conservata (con molta attenzione) dal 1889 all’Ufficio Internazionale dei Pesi e delle Misure di Sèvres, in Francia. Il chilogrammo risulta essere 2,2046 libbre.

L’unità di tempo metrica è lo stesso secondo che è sempre stato usato, solo che ora è definito in modo più preciso. Non dipende più dalla rotazione traballante della Terra (1/86.400 di un giorno), perché il pianeta sta rallentando; i giorni diventano sempre più lunghi man mano che la rotazione rallenta. Così il secondo è ora definito in termini di vibrazioni di un certo tipo di atomo conosciuto come cesio-133. Un secondo è definito come il

tempo che impiega un atomo di cesio-133 a vibrare in un modo particolare 9.192.631.770 volte. Questa può sembrare una definizione strana, ma è un modo superbamente accurato di fissare la dimensione standard del secondo, perché le vibrazioni degli atomi dipendono solo dalla natura degli atomi stessi, e gli atomi di cesio continueranno presumibilmente a comportarsi esattamente come atomi di cesio per sempre. Il numero esatto di vibrazioni del cesio è stato scelto per avvicinarsi il più possibile a quello che era precedentemente il valore più accurato del secondo.

L’unità metrica di temperatura è il grado Celsius (oC), che sostituisce il grado Fahrenheit (°F) del sistema inglese. Nel SI degli scienziati, l’unità fondamentale della temperatura è in realtà il kelvin (K) – non il “grado Kelvin”, semplicemente il Kelvin. Il kelvin e il grado Celsius hanno esattamente la stessa dimensione, cioè 1,8 volte più grande del grado Fahrenheit. Non si può convertire tra le scale Celsius o Kelvin e Fahrenheit semplicemente moltiplicando o dividendo per 1,8, tuttavia, perché le scale iniziano in punti diversi. Cioè, i loro segni di zero gradi sono stati fissati a temperature diverse. Questo è vero anche per le scale Kelvin e Celsius, anche se lì la conversione è abbastanza facile: la temperatura in Kelvin è la temperatura in gradi Celsius meno 273,15. Zero gradi Kelvin è lo zero assoluto, la più bassa temperatura possibile – nessun movimento molecolare (o, in senso stretto, il più vicino a questo stato come la meccanica quantistica permette).

Unità metriche più grandi e più piccole

Poiché il metro (1,0936 iarde) è troppo grande per misurare un atomo e troppo piccolo per misurare la distanza tra due città, abbiamo bisogno di una varietà di unità di lunghezza sempre più piccole. Ma invece di

TERMINI CHIAVE

Kelvin- L’unità del Sistema Internazionale (SI) della temperatura. Ha la stessa grandezza del grado Celsius.

Massa- Una misura della quantità di materia in un campione di qualsiasi sostanza. La massa non dipende dalla forza gravitazionale di un pianeta, come il peso.

Materia- Qualsiasi sostanza. La materia ha massa e occupa spazio.

Temperatura- Una misura dell’energia cinetica media di tutte le particelle elementari in un campione di materia.

Inventando unità di dimensioni diverse con nomi completamente diversi, come fa il sistema inglese-americano, possiamo creare un’unità metrica di quasi ogni dimensione desiderata aggiungendo un prefisso al nome dell’unità. Per esempio, poiché kilo- è una forma greca che significa mille, un chilometro (kil-OM-et-er) è mille metri. Allo stesso modo, un chilogrammo è mille grammi; un gigagramma è un miliardo di grammi o 109 grammi; e un nanosecondo è un miliardesimo di secondo o 10-9 secondi.

I minuti possono rimanere nel sistema metrico per comodità o per ragioni storiche, anche se non sono strettamente conformi alle regole. Il minuto, l’ora e il giorno, per esempio, sono così consueti che sono ancora definiti nel sistema metrico come 60 secondi, 60 minuti e 24 ore – non come multipli di dieci. Per il volume, l’unità metrica più comune non è il metro cubo, che è generalmente troppo grande per essere utile nel commercio, ma il litro, che è un millesimo di un metro cubo. Per volumi ancora più piccoli, si usa comunemente il millilitro, un millesimo di litro. E per le grandi masse, la tonnellata metrica è spesso usata al posto del chilogrammo. Una tonnellata metrica (spesso scritto tonne in altri paesi) è 1.000 chilogrammi. Poiché un chilogrammo è circa 2,2 libbre, una tonnellata metrica è circa 2.200 libbre: 10% più pesante di una tonnellata americana di 2.000 libbre. Un’altra unità metrica spesso usata e non standard è l’ettaro per la superficie terrestre. Un ettaro è 10.000 metri quadrati ed è equivalente a 0,4047 acri.

Conversione tra unità inglesi e metriche

Il problema di cambiare una nazione altamente industrializzata come gli Stati Uniti a un nuovo sistema di misure è sostanziale. Una volta che il sistema metrico è in uso generale negli Stati Uniti, la sua semplicità e convenienza saranno apprezzate, ma il periodo di transizione, quando entrambi i sistemi sono in uso, può essere difficile. Comunque, c’è solo un piccolo numero di unità e prefissi SI che sono usati nella vita quotidiana e ai quali la persona media dovrebbe abituarsi.

Vedi anche Unità e standard.

Risorse

Libri

Alder, Ken. La misura di tutte le cose: The Seven Year Odyssey and Hidden Error that Transformed the World. New York: Free Press, 2002.

Fandel, Jennifer. Il sistema metrico decimale (What in the World?). Hadley, MA: Creative Education, 2006.

Hebra, Alexius J. Measure for Measure: The Story of Imperial, Metric, and Other Units. Baltimora: Johns Hopkins University Press, 2003.

Robert L. Wolke