Sistema Internacional de Unidades (SI): Todas as Grandezas Fundamentais Explicadas

Antes do século XVIII, o mundo vivia em um autêntico caos de medições. Cada país, região ou até mesmo cidade utilizava seus próprios padrões de pesos e medidas. Frequentemente, a referência para medir distâncias era baseada nas partes do corpo do rei ou governante local, como o pé, a polegada, a jarda ou o passo.

Conforme o comércio internacional se expandia e a ciência moderna avançava, a falta de uma linguagem quantitativa universal tornou-se um grande entrave. Como importar tecidos de outro continente ou replicar uma descoberta científica em um laboratório estrangeiro se cada local usava réguas e balanças completamente distintas?

Para resolver esse problema, nasceu o Sistema Internacional de Unidades (SI) — a linguagem universal da medição adotada na ciência, na indústria e no comércio global.

Neste artigo, você entenderá a história da padronização científica, as 7 grandezas e unidades fundamentais de base do SI, como as unidades derivadas são formadas e as redefinições modernas baseadas em constantes físicas fundamentais.

A História da Padronização Científica Mundial

A jornada rumo à padronização começou oficialmente durante a Revolução Francesa, no final do século XVIII. Em 1795, a Academia de Ciências da França criou o Sistema Métrico Decimal, que introduziu o metro (para comprimento) e o grama (para massa) com base em relações decimais (múltiplos e submúltiplos de $10$).

O avanço definitivo ocorreu em 1875 com a assinatura da Convenção do Metro em Paris por 17 nações, instituindo o Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM).

Em 1960, durante a 11ª Conferência Geral de Pesos e Medidas (CGPM), o sistema foi expandido e recebeu formalmente o nome de Sistema Internacional de Unidades (SI).

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|                  EVOLUÇÃO DA PADRONIZAÇÃO CIENTÍFICA                     |
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|  Século XVIII  ---> Sistema Métrico Decimal (França)                    |
|  Ano de 1875   ---> Convenção do Metro (Criação do BIPM em Paris)         |
|  Ano de 1960   ---> Criação Oficial do Sistema Internacional (SI)        |
|  Ano de 2019   ---> Redefinição histórica baseada em constantes da física|
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As 7 Grandezas e Unidades Fundamentais (de Base) do SI

O pilar do Sistema Internacional consiste em exatamente sete grandezas físicas fundamentais. Todas as outras grandezas conhecidas na física (como velocidade, força, energia, pressão e carga elétrica) são derivadas de combinações matemáticas destas sete unidades elementares.

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|                 AS 7 UNIDADES FUNDAMENTAIS DO SI                         |
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|  1. Comprimento  --------------------------> Metro (m)                    |
|  2. Massa --------------------------------> Quilograma (kg)               |
|  3. Tempo --------------------------------> Segundo (s)                   |
|  4. Corrente Elétrica --------------------> Ampère (A)                    |
|  5. Temperatura Termodinâmica ------------> Kelvin (K)                    |
|  6. Quantidade de Matéria ----------------> Mol (mol)                     |
|  7. Intensidade Luminosa -----------------> Candela (cd)                  |
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1. Comprimento: Metro ($\text{m}$)

• Definição Atual: O metro é definido fixando o valor numérico da velocidade da luz no vácuo ($c$) em exatamente $299.792.458\text{ m/s}$.
• O que mede: Distância espacial entre dois pontos.
• Aplicações: Construção civil, astronomia, navegação e engenharia.

2. Massa: Quilograma ($\text{kg}$)

• Definição Atual: Historicamente medido pelo protótipo de platina e irídio mantido em Paris, o quilograma foi redefinido em 2019 com base na Constante de Planck ($h = 6{,}62607015 \times 10^{-34}\text{ J}\cdot\text{s}$).
• O que mede: A quantidade de matéria contida em um corpo e sua resistência à aceleração (inércia).
• Aplicações: Comércio de alimentos, dosagem de medicamentos, logística e indústria química.

3. Tempo: Segundo ($\text{s}$)

• Definição Atual: É o tempo correspondente à duração de $9.192.631.770$ períodos da radiação emitida pela transição entre dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de Césio-133.
• O que mede: A duração temporal de eventos ou intervalos.
• Aplicações: Sistemas de navegação por GPS, cronometragem esportiva, sincronização de redes de computadores.

4. Corrente Elétrica: Ampère ($\text{A}$)

• Definição Atual: Redefinido em 2019 com base na carga elementar do elétron ($e = 1{,}602176634 \times 10^{-19}\text{ C}$).
• O que mede: O fluxo de carga elétrica que atravessa a seção transversal de um condutor por unidade de tempo ($1\text{ A} = 1\text{ Coulomb por segundo}$).
• Aplicações: Eletrônica, redes de transmissão de energia elétrica, dimensionamento de disjuntores e fiação.

5. Temperatura Termodinâmica: Kelvin ($\text{K}$)

• Definição Atual: Redefinido em 2019 fixando o valor da Constante de Boltzmann ($k = 1{,}380649 \times 10^{-23}\text{ J/K}$).
• O que mede: O grau de agitação térmica de átomos e moléculas. $0\text{ K}$ (zero absoluto) representa o estado de menor energia térmica teoricamente possível ($-273{,}15\,^\circ\text{C}$).
• Aplicações: Física quântica, termodinâmica, meteorologia e criogenia.

6. Quantidade de Matéria: Mol ($\text{mol}$)

• Definição Atual: Um mol contém exatamente $6{,}02214076 \times 10^{23}$ entidades elementares (átomos, moléculas, elétrons ou íons). Este número é a famosa Constante de Avogadro ($N_A$).
• O que mede: Quantidade absoluta de partículas elementares.
• Aplicações: Estequiometria química, formulação farmacêutica e análise de gases.

7. Intensidade Luminosa: Candela ($\text{cd}$)

• Definição Atual: É a intensidade luminosa, numa dada direção, de uma fonte que emite radiação monocromática de frequência $540 \times 10^{12}\text{ Hz}$ e que tem uma intensidade radiante nessa direção de $1/683\text{ Watt por esterorradiano}$.
• O que mede: A percepção do brilho visual da luz emitida por uma fonte, ajustada à sensibilidade do olho humano.
• Aplicações: Design de iluminação (luminotécnica), engenharia óptica e displays de monitores.

Tabela Resumo das Grandezas de Base do SI

O Que São Unidades Derivadas do SI?

As unidades derivadas são formadas pela combinação algébrica (multiplicação ou divisão) das sete unidades fundamentais. A ciência moderna possui dezenas de unidades derivadas, muitas das quais homenageiam grandes cientistas da história:

• Força ($\text{Newton – N}$): $1\text{ N} = 1\text{ kg}\cdot\text{m/s}^2$
• Pressão ($\text{Pascal – Pa}$): $1\text{ Pa} = 1\text{ N/m}^2 = 1\text{ kg}/(\text{m}\cdot\text{s}^2)$
• Energia / Trabalho ($\text{Joule – J}$): $1\text{ J} = 1\text{ N}\cdot\text{m} = 1\text{ kg}\cdot\text{m}^2/\text{s}^2$
• Potência ($\text{Watt – W}$): $1\text{ W} = 1\text{ J/s} = 1\text{ kg}\cdot\text{m}^2/\text{s}^3$
• Carga Elétrica ($\text{Coulomb – C}$): $1\text{ C} = 1\text{ A}\cdot\text{s}$
• Tensão Elétrica ($\text{Volt – V}$): $1\text{ V} = 1\text{ W/A} = 1\text{ kg}\cdot\text{m}^2/(\text{A}\cdot\text{s}^3)$

Prefixos Decimais do SI: Do Pico ao Tera

Para evitar a escrita de números extremamente grandes ou pequenos, o SI adota um conjunto oficial de prefixos baseados em potências de $10$:

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