Sistema Internacional de Unidades: entenda o SI

Também conhecido como SI, o sistema internacional de unidades abrange todas as unidades de medidas relacionadas às grandezas físicas mundialmente conhecidas. 

Com o intuito de padronizar as unidades de medida ao redor do mundo e torná-las acessíveis a todas as pessoas, esse sistema foi desenvolvido na 11ª Conferência Geral de Pesos e Medidas em 1960, na França. Portanto, o sistema internacional de unidade é utilizado tanto na ciência quanto no comércio, sendo assim, o mais utilizado atualmente.

Antigamente, na prática laboratorial, graças à lei zero da termodinâmica, era comum que os cientistas utilizassem a sua própria escala termométrica, originando várias unidades de medidas distintas, como as mais comuns hoje em dia - as unidades Rankine, Grau Celsius, Grau Fahrenheit etc.

Isso ocorria por que os cientistas julgavam algumas unidades mais convenientes para o seu trabalho. Isso também acontecia com outras unidades de medida além das de temperatura, como utilizar pés, polegadas, jardas etc.

As unidades de medidas também eram objetos de uso de comerciantes, para medir se algo seria muito custoso ou não. Contudo, para se comparar um produto com outro era conveniente que as medidas estivessem na mesma unidade, para evitar o trabalho de conversões, onde um erro poderia ocasionar perdas econômicas.

Devido a essa dificuldade encontrada na divergência do uso de unidades de medidas, a Conferência Geral de Pesos e Medidas, uma organização criada para avaliar as unidades de medidas, definiu o Sistema Internacional de Unidades (SI). 

As grandezas físicas, com suas unidades do sistema internacional e suas respectivas abreviações são:

tempo (segundo, s); massa (quilograma, kg); comprimento (metro, m); temperatura (kelvin, K); quantidade de substância (mol); corrente elétrica (ampere, A), intensidade luminosa (candela, cd).

Essas sete grandezas apresentadas acima são as Grandezas de Base. A partir delas, determinou-se outras grandezas que são conhecidas como Grandezas de Derivadas.

Há também as Grandezas de Contagem, que não são determinadas a partir das Grandezas de Base, como é o caso do número de moléculas de uma determinada substância.

Além disso, temos a Grandeza Adimensional, como por exemplo, as grandezas que não possuem unidade de medida, pois são provenientes da divisão de duas grandezas iguais, como o índice de refração, que é determinado através da divisão de duas velocidades.

Para entender o Sistema Internacional de Unidades, devemos primeiramente definir o que é uma grandeza.

Uma vez que a Física trabalha com elementos observáveis na natureza, uma grandeza é um elemento de um fenômeno, corpo ou substância que pode ser mensurado e expresso quantitativamente. 

Um exemplo é facilmente observado no nosso cotidiano: imagine que esteja jogando futebol em uma rua e deseja padronizar o tamanho da distância entre as traves. Uma forma de medir a distância entre as traves é utilizar os próprios pés, contando quantos passos se dá entre uma trave e outra. Desse modo, as traves devem ser igualmente espaçadas.

Pés, metros, polegadas e jardas são grandezas físicas de referência, adotadas para medir unidades de comprimento.

O metro pode ser definido como o comprimento de uma liga de platina-irídio que se encontra guardado no Escritório Internacional de Pesos e Medidas, localizado na França.

Protótipo internacional para representar o metro, uma barra de 90% Platina e 10% Irídio de comprimento correspondente a 1 metro.

Uma vez que se define o que é uma grandeza, podemos perceber que algumas delas serão derivadas de outras. Por exemplo, a velocidade é a grandeza física que corresponde à taxa de variação da distância, medida em unidades de comprimento por unidade de tempo. Podemos utilizar o metro por segundo para medir a velocidade.

Logo, definidas as unidades básicas, outras unidades podem ser incorporadas a partir delas.

O Sistema Internacional de Unidades define como unidades de base ou unidades fundamentais sete grandezas: metro, segundo, Ampère, Kelvin, Quilograma, Candela e Mol, como representado na figura a seguir.

Tabela de grandezas fundamentais do SI.

No Sistema Internacional de Unidades, as grandezas derivadas são aquelas que podem ser obtidas por operações entre as unidades fundamentais, como o Newton, que é uma grandeza derivada do kg, metro e do segundo. Algumas grandezas derivadas são representadas na tabela:

Tabela com algumas grandezas derivadas.

Cada uma das sete grandezas físicas conhecidas, possuem, além da unidade de base, uma dimensão de base, sendo elas mostradas na tabela a seguir.

Tabela com as dimensões de base das grandezas físicas de base.

As grandezas físicas de derivada também apresentam suas respectivas dimensões de base e estas se encontram na Tabela a seguir.

Tabela com as dimensões de base das grandezas físicas de derivada.

Conversão de unidades

As unidades de medida de uma grandeza podem ser convertidas em outras unidades de interesse.

Por exemplo, a grandeza de comprimento pode sofrer as seguintes conversões:

A grandeza de área pode ser convertida do seguinte modo:

Já a grandeza de volume pode ser convertida como mostrado adiante:

As grandezas físicas podem ser representadas por meio de vetores (consistindo em módulo - valor numérico, direção e sentido) ou por meio da grandeza escalar (que consiste em um número com sua respectiva unidade de medida).

Uma vez que as grandezas do Sistema Internacional de Unidades são um padrão internacional, é necessário que elas sejam úteis para representar desde coisas muito grandes a coisas muito pequenas. Desse modo, é definido a multiplicidade das grandezas, que é representada por um prefixo seguido da sua unidade representativa. O quilômetro é nada mais que um múltiplo do metro equivalente a mil unidades de metro. 

Uso dos prefixos nas unidades.

Alguns prefixos comuns são encontrados na tabela a seguir:

Tabela de prefixos utilizados no SI.

Uma grandeza é facilmente representada em qualquer escala de tamanho. Perceba que para realizar conversões de números basta saber a equivalência da seu prefixo. 

Por exemplo: 50 km. Uma vez que o prefixo k representa um múltiplo de \(10^{3}\) basta fazer a multiplicação para obter o valor em metros \(50 km =  50.10^{3} m = 50 000 m\).

Nota: apesar do Quilograma (kg) ser um múltiplo do grama, ele que é adotado como grandeza fundamental no SI para representar unidades de massa. Isso se deve pela conveniência do quilograma para representar essa grandeza. 

O quilograma, o ampere, o kelvin e o mol fazem parte das 4 unidades de medida básicas e foram redefinidas em Paris em 2018 através da Conferência Geral sobre Pesos e Medidas (CGPM). Além disso, a CGPM definiu algumas mudanças para o ano de 2019 de como representar as grandezas fundamentais.

Como foi visto que o metro pode ser representado como uma barra de Platina-Irídio encontrada no Escritório Internacional de Pesos e Medidas, a dificuldade dessa definição é que a barra está sujeita a sua natureza física, variando sua massa por corrosão, decomposição, ou mudando o seu tamanho por dilatação térmica, além das questões de segurança, uma vez que esse objeto pode ser furtado. Estima-se que o cilindro de platina-irídio, que representa 1 kg, também guardado nesse mesmo escritório, perdeu 50 microgramas em 100 anos. 

A proposta da instituição é utilizar as constantes fundamentais, que são medidas em laboratório, como a velocidade da luz, c = 299 792 458 m/s ou como a constante de Stefan-Boltzmann 

σ=5,67×10−8Wm2K4

 para representar as suas fundamentais, eliminando a necessidade de possuir um objeto de referência para representar a medida.

O metro, por exemplo, passa a ser definido como “o comprimento do trajeto percorrido pela luz no vácuo durante o intervalo de tempo de 1/299 729 458 de segundo”.

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