Sistema Internacional de Unidades

O Sistema Internacional de unidades (en inglés: International System of Units e en francés: Le Système international d'unités), abreviado como SI ou SIU, é o nome adoptado pola XI Conferencia Xeral de Pesos e Medidas (celebrada en París en 1960) para un sistema de unidades de medida universal, unificado e coherente, baseado no sistema MKS (metro-quilogramo-segundo). Na conferencia de 1960 definíronse os patróns para seis unidades básicas ou fundamentais e dúas unidades suplementarias (radián e estereorradián); en 1971 engadiuse unha sétima unidade fundamental, o mol. As dúas unidades suplementarias suprimíronse como clase independente dentro do Sistema Internacional na XX Conferencia Xeral de Pesos e Medidas (1995); estas dúas unidades quedaron incorporadas ó SI como unidades derivadas sen dimensións. As sete unidades fundamentais enuméranse na táboa 1. Os símbolos da última columna son os mesmos en todos os idiomas.
No 2021 só tres países non o teñen como único sistema de medidas oficial: Liberia, Myanmar e EEUU, tendo no seu lugar os dous primeiros o Sistema Imperial Inglés, e o terceiro tendo o SI só como aconsellado. Definición
O Sistema Internacional de Unidades consiste nun conxunto de constantes definitorias coas súas correspondentes unidades base, unidades derivadas e un conxunto de multiplicadores de base decimal que se utilizan como prefixos.
Constantes definidoras do SI
O sete constantes definitorias son a característica máis fundamental da definición do sistema de unidades.
As magnitudes de todas as unidades do SI defínense declarando que sete constantes teñen certos valores numéricos exactos cando se expresan en termos das súas unidades do SI. Estas constantes definitorias son a velocidade da luz no baleiro c, a frecuencia de transición hiperfina do cesio ΔνCs, a constante de Planck h, a carga elemental e, a constante de Boltzmann k, a constante de Avogadro NA, e a eficacia luminosa Kcd. A natureza das constantes definitorias abarca desde constantes fundamentais da natureza, como c, até a constante puramente técnica Kcd. Os valores asignados a estas constantes fixáronse para garantir a continuidade coas definicións anteriores das unidades básicas.
Unidades básicas do SI
O Sistema Internacional de Unidades (SI) selecciona sete unidades que serven como unidades básicas, correspondentes a sete magnitudes físicas básicas. Son o segundo, co símbolo "s", que é a unidade SI da magnitude física do tempo; o metro, símbolo "m", a unidade SI da lonxitude; o quilogramo («kg», a unidade da masa); o ampere ("A", corrente eléctrica); o kelvin ("K", temperatura termodinámica); o mol ("mol", cantidade de substancia); e a candela ("cd", intensidade luminosa). .
As unidades básicas defínense en termos das constantes que as definen. Por exemplo, o quilogramo defínese tomando a constante de Planck h que é 6. 62607015× 10 −34J. s, dando a expresión en termos das constantes definitorias 1kg (299792458)2/(6. 62607015)(9192631770)hΔνCs/c2.
Todas as unidades do SI poden expresarse en termos das unidades básicas, e estas últimas serven como conxunto preferido para expresar ou analizar as relacións entre unidades. A elección de que cantidades utilizar como cantidades básicas, e mesmo cantas, non é fundamental nin única, senón que é unha cuestión de convención.
Lonxitude
Unidade: metro (m)
Un metro defínese como a distancia que percorre a luz no baleiro en 1/299. 792. 458 segundos. Esta norma foi adoitada en 1983, cando a velocidade da luz no baleiro foi definida exactamente como 299. 792. 458 m/s.
Masa
Unidade: quilogramo (kg)
Un quilogramo defínese como a masa que ten un cilindro composto dunha aliaxe de platino-iridio que se garda na Oficina Internacional de Pesos e Medidas en Sèvres, cerca de París.
Tempo
Unidade: segundo (s)
Un segundo é o tempo necesario para 9. 192. 631. 770 ciclos dunha transición hiperfina no cesio 133. Esta definición foi adoitada en 1967.
Intensidade de corrente eléctrica
Unidade: ampere (A)
O ampere é a corrente eléctrica constante que, mantida en dous condutores paralelos de lonxitude infinda, de sección circular desprezable e dispostos a unha distancia de 1 metro no baleiro, produce unha forza entre eles igual a 2×10−7 N por m de lonxitude.
Temperatura
Unidade: kelvin (K)
O kelvin defínese como a fracción 1/273, 16 da temperatura termodinámica do punto triplo da auga.
Cantidade de substancia
Unidade: mol (mol)
Un mol é a cantidade de substancia dun sistema que ten tantas entidades elementais como átomos conteñen 0, 012 kg de carbono 12.
Cando se usa o mol, as entidades elementais deben ser especificadas e poden ser átomos, moléculas, ións, electróns, outras partículas ou grupos específicos de partículas.
Intensidade luminosa
Unidade: candela (cd)
Unha candela é a intensidade luminosa, nunha dirección dada, dunha fonte que emite radiación monocromática con frecuencia de 540×1012 Hz de xeito que a intensidade de radiación emitida, na dirección indicada, é de 1/683 W por estereorradián. Unidades derivadas
O sistema permite un número ilimitado de unidades adicionais, chamadas unidades derivadas, que sempre se poden representar como produtos de potencias das unidades básicas, posiblemente cun multiplicador numérico non trivial. Cando ese multiplicador é un, a unidade chámase unidade derivada coherente. Por exemplo, a unidade SI coherente derivada de velocidade é o metro por segundo, co símbolo m/s. As unidades base e derivadas coherentes do SI xuntas forman un sistema coherente de unidades ( o conxunto de unidades SI coherentes ). Unha propiedade útil dun sistema coherente é que cando os valores numéricos das cantidades físicas se expresan en termos das unidades do sistema, entón as ecuacións entre os valores numéricos teñen exactamente a mesma forma, incluídos os factores numéricos, que as ecuacións correspondentes entre as cantidades físicas.
Outras
Algunhas outras unidades que non teñen un nome especial pero son de uso común: Prefixos
Os múltiplos e submúltiplos decimais das unidades SI fórmanse por medio de prefixos, que designan os factores numéricos decimais polos que se multiplica a unidade. Os prefixos son: Normas
Os símbolos dos prefixos que representan valores numéricos maiores ou iguais a 106 escríbense con maiúscula, mentres que as demais escríbense con minúscula. Exemplos: mega, M; hecto, h.
Todos os nomes dos prefixos do SI escríbense con letra minúscula. Exemplos: quilo, mega, mili, micro, tera, .. .
Un prefixo nunca debe ser usado só. Exemplo: 106 m3, non Mm3.
Non se debe deixar espazo entre prefixo e unidade, e deben ser evitados os prefixos compostos. Exemplos: 1 pF, e non 1 p F ou 1μμF; 1 nm, e non 1 mμ m.
O agrupamento formado polo símbolo do prefixo unido ao símbolo da unidade enténdese como un símbolo novo e inseparábel, que pode ser elevado a potencias positivas ou negativas e ser combinado con outros símbolos de unidades para formar símbolos de unidades compostas. Deste xeito, un expoñente aplícase á unidade como un todo, incluíndo o seu prefixo. Exemplos: 1 cm3
(10-2 m)3
10-6 m3; 1 cm-1
(10-2 m)-1
102 m-1; 1 μs-1
(10-6 s)-1
106 s-1; 1 V/cm
(1 V)/(10-2 m)
102 V/m; km2 significa (km2), área dun cadrado que ten un quilómetro de lado, é dicir, 106 metros cadrados e nunca k(m2), que correspondería a 1000 metros cadrados.
Cando un múltiplo ou submúltiplo dunha unidade se escribe con todas as letras, debe escribirse tamén o prefixo con todas as letras, comezando con minúscula. Exemplo: megahertz, e non Megahertz ou Mhertz.
O quilogramo é a única unidade asociada a unha magnitude fundamental que no seu nome, e por motivos históricos, contén un prefixo. Os seus múltiplos e submúltiplos fórmanse engadíndolle os prefixos á palabra “gramo”. Exemplo: 10-6 kg
1 mg
1 miligramo, e non 1 microquilogramo ou 1 μkg.
Os múltiplos e submúltiplos das unidades de medida deben ser xeralmente escollidos de xeito que os valores numéricos estean entre 1 e 1000. Exemplo: 750 km e non 750000 m. Historia
A improvisación das unidades
As unidades e as magnitudes unitarias do sistema métrico que se converteu no SI improvisaronse, a partir de mediados do século XVIII, aos poucos a partir de cantidades físicas cotiás. Só máis tarde moldeáronse nun sistema de medición decimal coherente e ortogonal.
O grao centígrado como unidade de temperatura procede da escala ideada polo astrónomo sueco Anders Celsius en 1742. A súa escala designaba, de forma contraintuitiva, 100 como o punto de conxelación da auga e 0 como o punto de ebulición. Independentemente, en 1743, o físico francés Jean-Pierre Christin describiu unha escala con 0 como punto de conxelación da auga e 100 como punto de ebulición. Esta escala pasou a denominarse escala centigrada ou de 100 graos de temperatura.
O sistema métrico decimal foi desenvolto a partir de 1791 por un comité da Academia Francesa de Ciencias, encargado de crear un sistema de medidas unificado e racional. O grupo, que incluía a preeminentes homes de ciencia franceses, utilizou os mesmos principios para relacionar lonxitude, volume e masa que propuxera o clérigo inglés John Wilkins en 1668 e o concepto de utilizar o meridiano da Terra como base da definición de lonxitude, proposto orixinalmente en 1670 polo abade francés Mouton. . En marzo de 1791, a Asemblea adoptou os principios propostos polo comité para o novo sistema decimal de medida, incluíndo o metro definido como 1/10. 000. 000 da lonxitude do cuadrante do meridiano terrestre que pasa por París, e autorizou un estudo para establecer con precisión a lonxitude do meridiano. En xullo de 1792, o comité propuxo os nomes metro, area', litro e grave para as unidades de lonxitude, superficie, capacidade e masa, respectivamente. O comité tamén propuxo que os múltiplos e submúltiplos destas unidades designásense con prefixos decimais, como centi para a centésima e quilo para a milésima. Máis tarde, durante o proceso de adopción do sistema métrico decimal, os termos latinos gramme e kilogramme, substituíron aos antigos termos provinciais gravet (1/1000 grave) e grave. En xuño de 1799, sobre a base dos resultados do estudo de meridianos, o mètre des Arquives estándar e o kilogramme des Arquives foron depositados nos Arquivos Nacionais Franceses. Posteriormente, ese mesmo ano, adoptouse por lei o sistema métrico decimal en Francia. O sistema francés durou pouco debido á súa impopularidade. Napoleón ridiculizouno e, en 1812, introduciu un sistema sustitutivo, as mesures usuelles ou "medidas usuais", que restablecían moitas das antigas unidades, pero redefinidas en termos do sistema métrico decimal.
Durante a primeira metade do século XIX houbo pouca coherencia na elección dos múltiplos preferidos das unidades básicas: normalmente, o miriámetro (10000 metros) era de uso xeneralizado tanto en Francia como en partes de Alemaña, mentres que para a masa utilizábase o quilogramo (1000 gramos) en lugar do miriagramo.
En 1832, o matemático alemán Carl Friedrich Gauss, asistido por Wilhelm Weber, definiu implicitamente o segundo como unidade de base cando citou o campo magnético terrestre en termos de milímetros, gramos e segundos. Ata entón, a intensidade do campo magnético terrestre só se describiu en termo relativo. A técnica utilizada por Gauss consistiu en equiparar o par inducido polo campo magnético terrestre sobre un imán suspendido de masa coñecida co par inducido sobre un sistema equivalente sometido á gravidade. Os cálculos resultantes permitíronlle asignar ao campo magnético dimensións baseadas na masa, a lonxitude e o tempo.
Unha candea como unidade de iluminancia definiuse orixinalmente nunha lei inglesa de 1860 como a luz producida por unha candea pura de esperma de balea que pesase 1⁄6 libras (76 gramos) e ardese a unha velocidade determinada. O esperma de balea, unha substancia cerosa que se atopa na cabeza dos cachalotes, utilizábase antigamente para fabricar candeas de alta calidade. Nesta época, o estándar francés de luz baseábase na iluminación dunha Lámpada de aceite Carcel. A unidade definíase como a iluminación que emanaba dunha lámpada que queimaba aceite de colza puro a unha taxa definida. Aceptábase que dez candeas estándar equivalían aproximadamente a unha lámpada Carcel.
Convenio do metro
Unha iniciativa de inspiración francesa para a cooperación internacional en metroloxía conduciu á firma en 1875 da convención do metro, tamén chamada tratado do metro, por 17 nacións. Inicialmente, a convención só abarcaba as normas para ou metro e o quilogramo. En 1921, a convención do metro ampliouse para incluír todas as unidades físicas, incluído o amperio e outras, o que permitiu a Conferencia Xeral de Pesos e Medidas (CGPM) abordar as incoherencias na forma en que se utilizou o sistema métrico.
Un conxunto de 30 prototipos do metro e 40 prototipos do quilogramo, en cada caso feitos dunha aliaxe de 90% platino-10% iridio, foron fabricados pola British metallurgy specialty firm [quen? ] e aceptados pola CGPM en 1889. Un de cada un foi seleccionado ao chou para converterse no prototipo internacional do metro e no prototipo internacional do quilogramo que substituíron o mètre des Arquives e ao kilogramme des Arquives respectivamente. Cada Estado membro tiña dereito a un de cada un dos prototipos restantes para que servise como prototipo nacional dese país.
O tratado tamén estableceu unha serie de organizacións internacionais para supervisar o mantemento dos patróns internacionais de medida.
Os sistemas CGS e MKS. Na década de 1860, James Clerk Maxwell, William Thomson (máis tarde Lord Kelvin) e outros que traballaban baixo os auspicios da Asociación Británica para o Avance da Ciencia, baseáronse no traballo de Gauss e formalizaron o concepto dun sistema coherente de unidades con unidades base e unidades derivadas bautizado como o sistema de unidades centímetro-gramo-segundo en 1874. O principio de coherencia utilizouse con éxito para definir unha serie de unidades de medida baseadas no CGS, como o erg para a enerxía, a dina para a forza, a baria para a presión, o poise para a viscosidade dinámica e o stokes para a viscosidade cinemática.
En 1879, o CIPM publicou recomendacións para escribir os símbolos de lonxitude, área, volume e masa, pero quedaba fóra do seu ámbito publicar recomendacións para outras magnitudes. Aproximadamente a partir de 1900, os físicos que estiveran usando o símbolo "μ" (mu) para "micrómetro" ou "micra", "λ" (lambda) para "microlitro" e "γ" (gamma) para "microgramo" empezaron a utilizar os símbolos "μm", "μL" e "μg".
A finais do século XIX existían tres sistemas diferentes de unidades de medida para as medicións eléctricas: un sistema baseado en CGS para unidades electrostáticas, tamén coñecido como sistema Gaussiano ou ESU, un sistema baseado no CGS para unidades electromecánicas (EMU) e un sistema Internacional baseado en unidades definidas pola Convención do Metro. para os sistemas de distribución eléctrica. Os intentos de resolver as unidades eléctricas en termos de lonxitude, masa e tempo utilizando o análise dimensional víronse infestados de dificultades: as dimensións dependían de se se utilizaban os sistemas ESU ou EMU. Esta anomalía resolveuse en 1901, cando Giovanni Giorgi publicou un artigo no que avogaba por utilizar unha cuarta unidade de base xunto ás tres unidades de base existentes. A cuarta unidade podía ser corrente eléctrica, voltaxe ou resistencia eléctrica. Elixiuse como unidade base a corrente eléctrica, denominada "amperio", e as demais magnitudes eléctricas deriváronse dela segundo as leis da física. Isto converteuse na base do sistema de unidades MKS.
A finais do século XIX e principios do XX, xurdiron unha serie de unidades de medida non coherentes baseadas no gramo/quilogramo, o centímetro/metro e o segundo, como o pferdestärke (cabalo de vapor métrico) para potencia, o darcy para permeabilidade os "milímetros de mercurio" para a presión barométrica e arterial, algúns dos cales incorporaron a gravidade estándar nas súas definicións
Ao final da segunda guerra mundial, en todo o mundo utilizábanse distintos sistemas de medida. Algúns destes sistemas eran variacións do sistema métrico, mentres que outros se baseaban en sistemas consuetudinarios de medida, como o sistema consuetudinario estadounidense e o sistema imperial británico.
O Sistema práctico de unidades
En 1948, a 9ª CGPM encargou un estudo para avaliar as necesidades de medición das comunidades científica, técnica e educativa e "formular recomendacións para un sistema práctico único de unidades de medida, adecuado para a súa adopción por todos os países adheridos á Convención do Metro". Este documento de traballo foi o Sistema práctico de unidades de medida. Baseándose neste estudo, a 10ª CGPM de 1954 definiu un sistema internacional derivado de seis unidades base que incluía unidades de temperatura e radiación óptica, ademais das unidades de masa, lonxitude e tempo do sistema MKS e a unidade actual de Giorgi. Recomendáronse seis unidades básicas: o metro, o quilogramo, o segundo, o amperio, o grao Kelvin e a candela.
A 9ª CGPM tamén aprobou a primeira recomendación formal para a escritura de símbolos no sistema métrico, cando sentaron as bases das regras tal e como se coñecen agora. Estas regras ampliáronse posteriormente e agora abarcan os símbolos e nomes das unidades, os símbolos e nomes dos prefixos, como deben escribirse e utilizarse os símbolos de cantidades e como deben expresarse os valores das cantidades. .
Nacemento do SI
En 1960, a 11ª CGPM sintetizou os resultados dos 12 anos de estudo nun conxunto de 16 resolucións. O sistema denominouse Sistema Internacional de Unidades, abreviado SI polo nome francés,
Le Système International d'Unités.
A Oficina Internacional de Pesos e Medidas (BIPM) describiu o SI como "a forma moderna do sistema métrico". . Os cambios tecnolóxicos deron lugar a unha evolución das definicións e normas que seguiu dúas liñas principais: cambios no propio SI e aclaracións sobre como utilizar unidades de medida que non forman parte do SI pero que, con todo, utilízanse en todo o mundo.
Definicións históricas
Cando Maxwell introduciu por primeira vez o concepto de sistema coherente, identificou tres magnitudes que podían utilizarse como unidades base: masa, lonxitude e tempo. Máis tarde, Giorgi identificou a necesidade dunha unidade eléctrica de base, polo que se elixiu a unidade de corrente eléctrica para o SI. Posteriormente engadíronse outras tres unidades básicas (temperatura, cantidade de substancia e intensidade luminosa).
Os primeiros sistemas métricos definían unha unidade de peso como unidade de base, mentres que o SI a define como unha unidade de masa análoga. No uso cotián son intercambiables, pero en contextos científicos a diferenza é importante. A masa, estritamente a masa inercial, representa unha cantidade de materia. Relaciona a aceleración dun corpo coa forza aplicada mediante a lei de Newton, F m × a: forza é igual á masa pola aceleración. Unha forza de 1 N (newton) aplicada a unha masa de 1 kg acelerara a 1 m/s2. Isto é certo tanto se o obxecto flota no espazo coma se se atopa nun campo gravitatorio, por exemplo, na superficie da Terra. O peso é a forza exercida sobre un corpo por un campo gravitatorio e, polo tanto, o seu peso depende da intensidade do campo gravitatorio. O peso dunha masa de 1 kg na superficie da Terra é m × g; a masa multiplicada pola aceleración debida á gravidade, que é de 9, 81 newtons na superficie da Terra e duns 3, 5 newtons na superficie de Marte. Dado que a aceleración debida á gravidade é local e varía segundo a localización e a altitude na Terra, o peso non é adecuado para medicións de precisión dunha propiedade dun corpo, e isto fai que unha unidade de peso non sexa adecuada como unidade base.
Desde 1960, o CGPM introduciu unha serie de cambios no SI para satisfacer as necesidades de campos específicos, especialmente a química e a radiometría. Trátase principalmente de adicións á lista de unidades derivadas con nome, e inclúen o mol (símbolo mol) para unha cantidade de substancia, o pascal (símbolo Pa) para a presión, o siemens (símbolo S) para a conductancia eléctrica, o becquerel (símbolo Bq) para a "actividade referida a un radioisótopo", o gray] (símbolo Gy) para a radiación ionizante, o sievert (símbolo Sv) como unidade de dose equivalente de radiación, e o katal (símbolo kat) para a actividade catalítica.
A gama de prefixos definidos pico- (10−12) a tera- (1012) ampliouse a quecto- (10−30) e a quetta- (1030).
Redefinición de 2019
Tras a redefinición do metro en 1960, o Prototipo Internacional do Quilogramo (IPK) foi o único artefacto físico do que dependían as unidades básicas (directamente o quilogramo e indirectamente o amperio, o mol e a candela) para a súa definición, polo que estas unidades estaban suxeitas a comparacións periódicas dos quilogramos estándar nacionais co IPK. . Durante a 2ª e 3ª Verificación Periódica dos Prototipos Nacionais do Quilogramo, produciuse unha diverxencia significativa entre a masa do IPK e todas as súas copias oficiais almacenadas en todo o mundo: todas as copias aumentaran notablemente de masa con respecto ao IPK. Durante as verificacións extraordinarias levadas a cabo en 2014 para preparar a redefinición do sistema métrico decimal, non se confirmou a persistencia da diverxencia. No entanto, a inestabilidade residual e irredutible dun IPK físico socavou a fiabilidade de todo o sistema métrico para realizar medicións de precisión desde escalas pequenas (atómicas) até grandes (astrofísicas).
Ao evitar o uso dun artefacto para definir as unidades, evítanse todos os problemas relacionados coa perda, o dano e o cambio do artefacto.