Apostila - sistema internacional de unidades

Apostila - sistema internacional de unidades

(Parte 3 de 6)

• Após a revisão da Convenção do Metro pela 6ª CGPM, em 1921, que estendeu as atribuições e as responsabilidades do Bureau Internacional a outros domínios da física, e a criação do CCE pela 7ª CGPM, em 1927, a proposta de Giorgi foi discutida detalhadamente pela CEI, UIPPA e outros organismos internacionais. Essas discussões levaram o CCE a propor, em 1939, a adoção de um sistema quadridimensional baseado no metro, quilograma, segundo e ampère – o sistema MKSA, uma proposta que foi aprovada pelo Comitê Internacional, em 1946.

• Como resultado de uma consulta internacional realizada pelo Bureau

Internacional, a partir de 1948, a 10ª CGPM, em 1954, aprova a introdução do ampère, do kelvin e da candela como unidades de base, respectivamente, para intensidade de corrente elétrica, temperatura termodinâmica e intensidade luminosa. A 11ª CGPM dá o nome Sistema Internacional de Unidades (SI) para esse sistema, em 1960. Na 14ª CGPM, em 1971, o mol foi incorporado ao SI como unidade de base para quantidade de matéria, sendo a sétima das unidades de base do SI, tal como conhecemos até hoje.

1.2 AS DUAS CLASSESNo SI distinguem-se duas classes de unidades: DE UNIDADES SI - Unidades de base;

- Unidades derivadas.(2)

Sob o aspecto científico, a divisão das unidades SI nessas duas classes é arbitrária porque não é uma imposição da física.

Entretanto, a Conferência Geral, levando em consideração as vantagens de se adotar um sistema prático único para ser utilizado mundialmente nas relações internacionais, no ensino e no trabalho científico, decidiu basear o Sistema Internacional em sete unidades perfeitamente definidas, consideradas como independentes sob o ponto de vista dimensional: o metro, o quilograma, o segundo, o ampère, o kelvin, o mol e a candela (ver subitem 2.1). Estas unidades SI são chamadas unidades de base.

(2) A 11ª CGPM (1960, Resolução 12; CR, 87) admitia uma classe separada de unidades SI, denominadas unidades suplementares, que continha o radiano e o esterradiano, unidades de ângulo plano e de ângulo sólido. A 20ª CGPM (1995, Resolução 8; CR, 223 e Metrologia, 1996, 3, 83) eliminou a classe de unidades suplementares no SI, e o radiano e o esterradiano foram integrados à classe de unidades derivadas.

SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES - SI19

A segunda classe de unidades SI abrange as unidades derivadas, isto é, as unidades que podem ser formadas combinando-se unidades de base segundo relações algébricas que interligam as grandezas correspondentes. Diversas destas expressões algébricas, em razão de unidades de base, podem ser substituídas por nomes e símbolos especiais, o que permite sua utilização na formação de outras unidades derivadas (ver subitem 2.2).

As unidades SI destas duas classes constituem um conjunto coerente, na acepção dada habitualmente à expressão “sistema coerente de unidades”, isto é, sistema de unidades ligadas pelas regras de multiplicação e divisão, sem qualquer fator numérico diferente de 1.

Segundo a Recomendação 1 (1969; PV, 37, 30-31 e Metrologia, 1970, 6, 6) do CIPM, as unidades desse conjunto coerente de unidades são designadas sob o nome de unidades SI.(3)

É importante acentuar que cada grandeza física tem uma só unidade SI, mesmo que esta unidade possa ser expressa sob diferentes formas. Porém o inverso não é verdadeiro: a mesma unidade SI pode corresponder a várias grandezas diferentes.

1.3 OS PREFIXOS SIA Conferência Geral adotou uma série de prefixos para a formação dos múltiplos e submúltiplos decimais das unidades SI (ver subitens 3.1 e 3.2). De acordo com a Recomendação 1 (1969) do CIPM, o conjunto desses prefixos é designado pelo nome de prefixos SI.

As unidades SI, isto é, as unidades de base e as unidades derivadas do SI, formam um conjunto coerente.

Os múltiplos e submúltiplos das unidades SI, formados por meio dos prefixos SI, devem ser designados pelo seu nome completo: “múltiplos e submúltiplos decimais das unidades SI”. Esses múltiplos e submúltiplos decimais das unidades SI não são coerentes com as unidades SI propriamente ditas.

Como exceção à regra, os múltiplos e submúltiplos do quilograma são formados adicionando os nomes dos prefixos ao nome da unidade “grama” e símbolos dos prefixos ao símbolo da unidade “g”.

(3) As recomendações do Comitê Internacional constam dos procès-verbaux das sessões do Comitê Internacional de Pesos e Medidas (mencionados sob a forma: PV)

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1.4 SISTEMAEssa publicação não se refere ao sistema de grandezas a ser utilizado DE GRANDEZAScom as unidades SI, campo do qual se ocupa o Comitê Técnico 12 da

Organização Internacional de Normalização (ISO), que publicou a partir de 1955 uma série de normas internacionais sobre as grandezas e unidades, recomendando fortemente o uso do Sistema Internacional de Unidades.(4)

Nessas normas internacionais, a ISO adotou um sistema de grandezas físicas baseado nas sete grandezas de base: comprimento, massa, tempo, intensidade de corrente elétrica, temperatura termodinâmica, quantidade de matéria e intensidade luminosa.

As outras grandezas — grandezas derivadas — são definidas em função dessas sete grandezas de base; as relações entre as grandezas derivadas e as grandezas de base são expressas por um sistema de equações. É conveniente empregar com as unidades SI esse sistema de grandezas e esse sistema de equações.

1.5 AS UNIDADES SIAs definições das unidades SI de base foram aprovadas num contexto NO QUADRO DAque não leva em conta os efeitos relativistas. Se introduzimos tal noção, é RELATIVIDADE GERALclaro que essas condições só se aplicam ao pequeno domínio espacial que acompanha, em seu movimento, os padrões que as realizam. As unidades de base SI são, então, unidades próprias: suas realizações provêm de experiências locais, nas quais os efeitos relativistas a serem considerados são aqueles da relatividade restrita. As constantes da física são grandezas locais, cujo valor é expresso em unidades próprias.*

As realizações de uma unidade com o auxílio de diferentes padrões são, geralmente, comparadas ao nível local. Todavia, para os padrões de freqüência, é possível realizar tais comparações a distância, por meio de sinais eletromagnéticos. Para interpretar os resultados, é necessário apelar para a teoria da relatividade geral, pois esta prevê, entre outras coisas, um desvio de freqüência entre os padrões de, aproximadamente, 1 x 10-16, em valor relativo, por metro de altitude à superfície da Terra. Efeitos dessa ordem de grandeza podem ser comparados à incerteza da realização do metro ou do segundo baseado num sinal periódico ou numa dada freqüência (ver Anexo 2).

(4) Para mais informações sobre o sistema de grandezas em uso com as unidades SI, ver a norma internacional ISO 31, grandezas e unidades (Handbook Normas ISO, 3 ª edição, ISO, genebra, 1993).

* As questões das unidades próprias foram tratadas na Resolução A4, adotada pela XXI Assembléia Geral da União Astronômica Internacional (UAI), em 1991, e no relatório do Grupo de Trabalho do CCDS sobre aplicação da relatividade geral na metrologia (Metrologia, 1997, 34, 261/290).

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1.6 LEGISLAÇÕESOs países fixam por via legislativa as regras concernentes à utilização SOBRE AS UNIDADESdas unidades no plano nacional, de uma maneira geral ou em apenas alguns campos, como no comércio, na saúde ou na segurança pública, no ensino, etc. Em um número crescente de países essas legislações são baseadas no emprego do Sistema Internacional de Unidades.

A Organização Internacional de Metrologia Legal (OIML), criada em 1955, cuida da uniformidade internacional dessas legislações.

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2 Unidades SI

2.1 UNIDADES SIAs definições oficiais de todas as unidades de base do SI foram DE BASEaprovadas pela Conferência Geral. A primeira dessas definições foi aprovada em 1889, e a mais recente em 1983. Essas definições são modificadas periodicamente a fim de acompanhar a evolução das técnicas de medição e para permitir uma realização mais exata das unidades de base.

2.1.1 DEFINIÇÕESA definição atual de cada unidade de base, extraída dos compte-rendus da Conferência Geral (CR) que a aprovou, aparece aqui em negrito. O texto principal fornece notas históricas e explicativas, mas não é parte integrante das definições.

2.1.1.1 UNIDADE DEA definição do metro baseada no protótipo internacional em platina COMPRIMENTO (METRO)iridiada, em vigor desde 1889, foi substituída na 11ª CGPM (1960) por uma outra definição baseada no comprimento de onda de uma radiação do criptônio 86, com a finalidade de aumentar a exatidão da realização do metro. A 17ª CGPM (1983, Resolução 1; CR 97 e Metrologia, 1984, 20, 25) substituiu, em 1983, essa última definição pela seguinte: “O metro é o comprimento do trajeto percorrido pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo de 1/299 792 458 de segundo.”

Essa definição tem o efeito de fixar a velocidade da luz em 299 792 458 m.s-1, exatamente. O antigo protótipo internacional do metro, que fora sancionado pela 1ª CGPM em 1889, é conservado no Bureau Internacional de Pesos e Medidas nas mesmas condições que foram fixadas em 1889.

2.1.1.2 UNIDADEO protótipo internacional do quilograma foi sancionado pela 1ª CGPM DE MASSA(1889) ao declarar que “este protótipo será considerado doravante como (QUILOGRAMA)unidade de massa”.

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A 3ª CGPM (1901; CR,70), para acabar com a ambigüidade que ainda existia no uso corrente sobre o significado da palavra “peso”, confirmou que: “O quilograma é a unidade de massa (e não de peso, nem força); ele é igual à massa do protótipo internacional do quilograma.”

Este protótipo internacional em platina iridiada é conservado no Bureau Internacional, nas condições que foram fixadas pela 1ª CGPM em 1889.

2.1.1.3 UNIDADEPrimitivamente, o segundo, unidade de tempo, era definido como a DE TEMPO (SEGUNDO)fração 1/86 400 do dia solar médio. A definição exata do “dia solar médio” fora deixada aos cuidados dos astrônomos, porém os seus trabalhos demonstraram que o dia solar médio não apresentava as garantias de exatidão requeridas, por causa das irregularidades da rotação da Terra. Para conferir maior exatidão à definição da unidade de tempo, a 11ª CGPM (1960) sancionou outra definição fornecida pela União Astronômica Internacional, e baseada no ano trópico. Na mesma época as pesquisas experimentais tinham já demonstrado que um padrão atômico de intervalo de tempo, baseado numa transição entre dois níveis de energia de um átomo, ou de uma molécula, poderia ser realizado e reproduzido com precisão muito superior. Considerando que uma definição de alta exatidão para a unidade de tempo do Sistema Internacional, o segundo, é indispensável para satisfazer às exigências da alta metrologia, a 13ª CGPM (1967) decidiu substituir a definição do segundo pela seguinte:

“O segundo é a duração de 9 192 631 770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio 133.”

Na sessão de 1997, o Comitê Internacional confirmou que:

“Essa definição se refere a um átomo de césio em repouso, a uma temperatura de 0 K.”

2.1.1.4 UNIDADE DEDiversas unidades elétricas, ditas internacionais, para a intensidade de CORRENTE ELÉTRICAcorrente elétrica e para a resistência, haviam sido introduzidas no (AMPÈRE)Congresso Internacional de Eletricidade, reunido em Chicago em 1893.

As definições do ampère “internacional” e do ohm “internacional” foram confirmadas pela Conferência Internacional de Londres em 1908.

Embora por ocasião da 8ª CGPM (1933) já fosse evidente a opinião unânime no sentido de substituir estas unidades “internacionais” por unidades ditas “absolutas”, a decisão formal de suprimir estas unidades

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“internacionais” foi tomada somente pela 9ª CGPM (1948), que adotou para o ampère, unidade de corrente elétrica, a seguinte definição:

“O ampère é a intensidade de uma corrente elétrica constante que, mantida em dois condutores paralelos, retilíneos, de comprimento infinito, de seção circular desprezível, e situados à distância de 1 metro entre si, no vácuo, produz entre estes condutores uma força igual a 2 x 10-7 newton por metro de comprimento.”

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