Sistema pratico degli ingegneri

sistema di unità di misura

Il Sistema pratico degli ingegneri, o sistema tecnico (abbreviato come "S.T.")[1] usa come grandezze fondamentali la lunghezza, la forza, il tempo e la temperatura.[2] Nacque dal tentativo di declinare in campo tecnico il sistema metrico decimale, sostituendo i diversi sistemi di misura tecnici regionali precedenti all'unità d'Italia, che avevano una origine pratica, come tutti i sistemi tecnici tradizionali. Sta attualmente venendo progressivamente sostituito dal Sistema Internazionale, che rappresenta un sistema ancora vivo e in evoluzione.

DescrizioneModifica

Il sistema tecnico italiano ha derivato all'occorrenza unità di misura dal sistema metrico decimale, per sostituire delle unità pratiche locali corrispondenti. Nelle unità metriche i calcoli risultano alleggeriti da molti fattori di conversione che affliggono i calcoli nelle unità tecniche locali. In Italia, gran parte delle unità tecniche vengono quindi fortunatamente dal sistema metrico decimale, risalente alla rivoluzione francese, mentre per esempio negli Stati Uniti purtroppo il sistema tecnico adottato è un insieme di unità consuetudinarie, rimaste molto simili a quelle del vecchio sistema imperiale britannico, precedente all'approccio illuministico della rivoluzione francese. Di fatto anzi, le unità consuete statunitensi sono sostanzialmente simili ad unità romane o germaniche. Per gli americani, come per questi popoli antichi, in effetti è molto meno naturale effettuare calcoli con le grandezze fisiche, perché le conversioni tra le loro unità pratiche sono molto più complicate. Per la maggior parte di loro è innaturale ragionare nelle unità del Sistema Internazionale, in cui invece le conversioni sono immediate.

In effetti, un sistema tecnico non ha purtroppo mai carattere di neutralità. Per questo motivo conviene dove possibile adottare il Sistema Internazionale, scegliendo opportunamente i prefissi per adattare l'ordine di grandezza della misura, o addirittura un sistema naturale, in cui non siano presenti costanti dimensionali. In effetti, in fisica è comune l'impiego di sistemi naturali soprattutto quando la difficoltà e il coinvolgimento di branche molto diverse è alto: questo permette di concentrarsi sulle grandezza fisica effettive, eliminando tutte le costanti e i dettagli ininfluenti. Grazie a questo metodo, le conversioni tra le unità di misura, e la distinzione di matrice storica tra grandezze che in realtà sono poi risultate omogenee possono essere effettuate con astuzia solo al momento del calcolo dei valori delle grandezze per il caso pratico considerato. Una equazione formulata in un particolare sistema tecnico ha sempre carattere di formula dimensionale: per depurarla si utilizzano tecniche di analisi dimensionale.

Il limite del sistema tecnico sta infatti nella diversità delle convenzioni che sono state adottate indipendentemente in Stati e culture diverse, che non comunicavano tra loro. Il Sistema Internazionale ha invece tra i suoi obbiettivi dichiarati quello di essere neutrale, riferendosi a costanti fisiche universali: l'idea nacque nell'ambito dell'illuminismo e fu applicata per la prima volta durante la rivoluzione francese. Per esempio, la ricerca rivoluzionaria di misurare con accuratezza la circonferenza terrestre ha avuto proprio l'intento di definire una unità di misura di lunghezza (il futuro metro) che fosse per la prima volta condivisibile da tutti gli uomini. Le unità tecniche tradizionali, come il pollice, piede, ora, libbra, lira, libbra per pollice quadro, sono invece sempre state invece ad un particolare Stato e cultura, e quando vengono diffuse ad altri contesti evidenziano subito il loro carattere altro. Spesso possono richiamare anche connotati titpici del colonialismo e dell'imperialismo, nei loro riferimenti sottintesi.

In Italia e in altri Paesi dell'Unione Europea, il sistema tecnico è comunque fortunatamente basato sul sistema decimale: impiega il metro o il centimetro come unità di lunghezza, il chilogrammo-forza o chilogrammo-peso come unità di forza, e la caloria come unità di misura del calore.[3]

Il S.T. è stato usato fino al secondo dopoguerra dagli ingegneri e dai tecnici in edilizia, meccanica e impianti termici. Era spesso incompleto, poiché riferito alle sole grandezze meccaniche e termiche, mancando ad esempio le unità per la misura per le applicazioni elettriche.[4]

Le "Norme Tecniche" per l'esecuzione delle opere in acciaio e cemento armato, emanate periodicamente dal ministero italiano del Lavori Pubblici, costituiscono un interessante osservatorio sulla progressiva sostituzione del Sistema Tecnico con il Sistema Internazionale. Fino ai primi anni '80 del ventesimo secolo furono infatti formulate esclusivamente mediante le unità del Sistema Tecnico. Dal 1985 al 1992 utilizzarono quelle del Sistema Internazionale, riportando comunque, mediante opportuni artifici tipografici (parentesi, corsivi), l'esposizione dei contenuti anche nelle unità del Sistema Tecnico. Le prime Norme Tecniche formulate solo mediante le unità del Sistema Internazionale furono quelle emanate con il D.M. 9 gennaio 1996. Da allora, pur con qualche resistenza, gli ingegneri e architetti italiani utilizzano (o dovrebbero utilizzare) esclusivamente unità del Sistema Internazionale.

Unità baseModifica

Non essendo stato formalmente definito da un organismo di regolamentazione, il sistema tecnico corrente non definisce le unità, ma prende le definizioni di organizzazioni internazionali, in particolare la Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure (CGPM). Ci possono essere variazioni a seconda tempo, luogo e le esigenze di una particolare area. Tuttavia, vi è un notevole accordo nel considerare come fondamentali il metro, il chilogrammo-forza e secondo.

LunghezzaModifica

Come unità di lunghezza viene impiegato normalmente il metro ma, quando risulta poco pratico poiché troppo grande, si ripiega sul centimetro. La definizione è quella data dal CGPM.

ForzaModifica

L'unità di forza è il chilogrammo-forza o chilogrammo-peso (símboli kgf o kgp e kp, dall'inglese kilopond), definito come il peso di una massa di 1 kg (SI) in condizioni di gravità normale (g = 9,80665 m/s² alla latitudine di 45° e al livello del mare), perciò è indipendente dal valore della gravità locale.

La norma ISO 80000 nell'appendice C, dove riporta le equivalenze con le unità deprecate, definisce 1 kgf = 9,80665 N, e afferma che se si usa il chilogrammo peso o forza il simbolo deve essere distinguibile da quello che indica la massa di 1 kg.[5]

TempoModifica

L'unità di misura del tempo è il secondo, simbolo s, medesima definizione del S.I. Comunque vi si affiancano anche minuti (= 60 s, simbolo min) ed ore (= 60 min, simbolo h) secondo le necessità.

TemperaturaModifica

L'unità di misura della temperatura preferita è il grado Celsius (simbolo °C), con la stessa definizione del S.I. Gode comunque della proprietà che le variazioni di temperatura in gradi Celsius coincidono con quelle in kelvin.

Unità derivateModifica

Le altre unità del sistema tecnico (velocità, massa, lavoro etc.) si derivano dalle precedenti mediante leggi fisiche, in tal caso si parla di unità derivate.

MassaModifica

L'unità di massa deriva dalla 2ª legge di Newton, siccome Forza = Massa × Accelerazione, un'unità tecnica di massa, indicata come UTM o u.t.m., è definita come la massa che accelera di 1 m/s2 quando le viene applicata una forza di 1 chilogrammo-forza, siccome  [6] allora:

  • 1 UTM = 1   = 9,80665 kg
  • e quindi 1 kg ≈ 0,102 UTM.

Nei paesi di lingua inglese è indicata anche come hyl o metric slug (mug), mentre nei paesi di lingua tedesca è anche nota come TME.[7][8]

Energia e lavoroModifica

Energia meccanica

Il lavoro e l'energia meccanica si misurano con il chilogrammetro (simbolo kgm), cioè il chilogrammo-forza per metro. Un chilogrammetro è il lavoro necessario per applicare una forza di un chilogrammo-peso per uno spostamento di un metro nella stessa direzione della forza. In pratica corrisponde al lavoro necessario a sollevare di un metro un corpo che pesa un chilogrammo-peso: 1 kgm = 1 kgf × 1 m

Calore

Nel sistema tecnico il calore è trattato come una grandezza indipendente dall'energia meccanica e quindi si utilizza un'unità apposita. L'unità di misura usata è la caloria (simbolo cal), ma quando risulta poco pratica, poiché troppo piccola si preferisce la più comoda chilocaloria (simbolo kcal). Se è necessario indicare una quantità di calore ancora più grande si usa la termia (simbolo th) pari a un milione di calorie che di fatto coincide con la megacaloria (simbolo Mcal)[9]. Tale distinzione non è più ritenuta necessaria dal CGPM e il chilogrammetro non è più adoperato.

PotenzaModifica

Per la potenza si usano 2 diverse unità, a seconda del campo di applicazione distinguendo tra potenza meccanica e calorifica.

Potenza meccanica

Si usa il cavallo vapore (simbolo CV): 1 CV = 75 kgm/s = (75·g) W = 735,49875 W

Potenza calorifica

Si utilizza la caloria all'ora (cal/h) o, più frequentemente, la chilocaloria all'ora (kcal/h): 1 kcal/h = 1000 cal/h = 1,1630556 W

Anche la termia all'ora (th/h), essendo la termia pari a 1 Mcal, allora: 1 th/h = 1 Mcal/h = 1,1630556 kW.

Pressione e sforzoModifica

La pressione veniva solitamente espressa in atmosfere tecniche, ovvero in at=kgf/cm2 (kilogrammo-forza al centimetro quadrato). Successivamente si passò al bar, perché è un multiplo in base dieci del Pascal: questo elimina alcuni errori nella conversione. La conversione corrisponde al valore di accelerazione di gravità standard nel SI (gn = 9,80665 m·s-2):

1 at = 1 kgf/cm2 = 0.980665 bar

Negli impianti idrici e di irrigazione era molto usato anche il metro di colonna d'acqua (m c.a. o mH2O) ovvero la pressione esercitata alla base di una colonna d'acqua alta 1 metro, a tale unità si affianca il sottomultiplo millimetro di colonna d'acqua (mm c.a. o mmH2O) associato in genere alle perdite di carico:

  • 1 mH2O = 0,1 kgf/cm2 = 0,1 at = 9806,65 Pa;
  • 1 at = 10 mH2O;
  • 1 mmH2O =   mH2O = 9,80665 Pa;
  • la pressione atmosferica normale (1 atm) risulta pari a 10,33 mH2O = 1,033 at;

Esistono due scale di misura che utilizzano l'atmosfera tecnica[10]:

  • la scala assoluta chiamata atmosfera tecnica assoluta (abbreviato in ata), che fissa lo zero alla pressione nel vuoto;
  • la scala relativa chiamata atmosfera tecnica effettiva (abbreviato in ate), che fissa lo zero al valore di pressione atmosferica normale.

In altri campi tecnici si utilizza il millimetro di mercurio detto anche torricelli (simboli mmHg e torr, rispettivamente) che corrisponde alla pressione alla base di una colonna di mercurio alta 1 mm: 1 torr = 13,595 mmH2O = 133,3 Pa.

Nel campo della meccanica dei corpi le tensioni interne e i moduli di elasticità venivano misurate in kgf/mm2, di ciò rimane un residuo nella definizione della durezza Vickers e Brinell i cui valori corrispondono formalmente a tale unità; risulta che 1 kgf/mm2 = 9,806 65 N/mm2 = 9,806 65 MPa circa 10 MPa, allo stesso modo una tonnellata-forza al millimetro quadrato (tf/mm2) corrisponde a 9,806 65 GPa. Ad esempio il modulo di elasticità a trazione dell'acciaio nel S.T. è pari a 21 000 kgf/mm2= 21 tf/mm2 ovvero circa 206 GPa.[11]

UsoModifica

Fino a che il S.I. non è stato adottato, il sistema tecnico si è sviluppato dalla necessità di avere unità adeguate ai fenomeni ordinari (unità pratiche) a differenza del sistema centesimale imperante nella fisica teorica (unità assolute).[12][13]

Il sistema tecnico di unità è stato usato principalmente in ingegneria. Anche se ancora usato occasionalmente, attualmente è caduto in disuso dopo l'adozione del sistema Internazionale di unità come unico sistema legale di unità in quasi tutte le nazioni.[14]

Massa o peso?Modifica

Nel linguaggio comune spesso i concetti di massa e peso vengono confusi, ma si tratta di concetti fisici diversi. La massa è una proprietà del corpo che esprime il coefficiente di proporzionalità tra la forza applicata e l'accelerazione subita, indipendentemente dal contesto di misura. La massa si misura con il chilogrammo-massa (indicato in questa sede kgm per sottolineare che si tratta di una misura di massa)[15] così come definito nel S.I.

Il peso è una grandezza che misura la forza con cui un corpo è attratto da un altro corpo di riferimento, la Terra ad esempio, e dipende strettamente dal valore locale dell'accelerazione di gravità. Ad esempio, sulla Terra una persona ha un peso diverso da quello che avrebbe sulla Luna, peserebbe all'incirca poiché il valore locale di accelerazione gravitazionale è circa di quello terrestre[16].

Ciò che contribuisce ad alimentare la confusione è che nella vita di tutti i giorni massa e peso vengono misurati in chilogrammi. In realtà quando si esprime il peso in chilogrammi si fa riferimento al chilogrammo-peso (kgp) cioè la forza che la Terra esercita su una massa di un chilogrammo[17]. Quindi una persona che ha una massa di 78 kgm pesa sulla Terra 78 kgp (≈ 76,5 daN) e sulla Luna 13 kgp (= ·78, circa 12,7 daN) pur essendo la sua massa invariata (sempre 78 kgm).

NoteModifica

  1. ^ tecnico, su Dizionario delle Scienze Fisiche, Treccani, 1996. URL consultato il 26 giugno 2015 (archiviato dall'url originale il 24 giugno 2015).
    «Sistema t.».
  2. ^ (ESEN) Real Accademia di Scienze Esatte, Fisiche e Naturali di Madrid, Scientific & Technical Dictionary Spanish-English, 3ª ed. illustrata, 1627 pagine, Espasa, 1996, p. 937, ISBN 978-84-239-9407-6. URL consultato il 24 giugno 2015 (archiviato dall'url originale il 25 giugno 2015).
  3. ^ (EN) Olle Järnefors, Metric Units Galore: 311 Named Units with Symbol, Definition and Size (TXT), in Compendium, rev. 7, Kista, Svezia, 10 aprile 2000. URL consultato il 23 giugno 2015 (archiviato dall'url originale il 23 maggio 2015).
  4. ^ Francesco M. Iaconis, Elementi di Metrologia degli enti fisici dei sistemi di unità di misura e dei campioni, Società Editrice Esculapio, 2013, pp. 113-121. URL consultato il 21 agosto 2017 (archiviato dall'url originale il 22 agosto 2017).
  5. ^ (EN) Annex C: Other non-SI units given for information, especially regarding the conversion factors, in ISO 80000-3, Quantities and units — Part3: Space and time, 1ª ed., Ginevra, CH, ISO/IEC, 2006, p. 19.
    «The symbols kgf (kilogram-force) and kp (kilopond) have both been used. This unit shall be distinguished from the local weight of a body having a mass of 1 kg.».
  6. ^ [M] individua l'unità della massa, [F] quella della forza, [L] la lunghezza e [T] il tempo. Cfr. (EN) E.R. Cohen, T. Cvitas, J.G. Frey, B. Holmstrom, K. Kuchitsu, R. Marquardt, I. Mills, F. Pavese, M. Quack, J. Stohner, H.L. Strauss, M. Takami, and A.J. Thor, Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry (PDF), 3rd Edition, 2nd Printing, Cambridge, IUPAC and RSC Publishing, 2008, nota 1, p.4.
    «The symbol [Q] was formally used for dimension of Q, but this symbol is used and preferred for unit of Q.».
  7. ^ What is a slug, in the [engineering] weight measurement system?, su Measurements & Units How Far is a League?, 9 ottobre 2000. URL consultato il 23 giugno 2015.
    «The "metric equivalent" of the slug is the hyl of exactly 9.80665 kg which is the unit of mass of the so-called "metric-technical system". The hyl is also called "metric slug" or designated by the German acronym TME (Technische Mass Einheit ). A mass of one hyl gets accelerated at a rate of one meter per square second by a force of one kilogram-force (namely, 9.80665 N).».
  8. ^ François Cardarelli, Encyclopaedia of Scientific Units, Weights and Measures: Their Si Equivalences and Origins, illustrata, ristampa, riveduta, Londra, Springer Science & Business Media, 2003, p. 447, ISBN 978-1-85233-682-0. URL consultato il 23 giugno 2015 (archiviato dall'url originale il 24 giugno 2015).
  9. ^ termia, su Dizionario delle Scienze Fisiche, Treccani, 1996. URL consultato il 23 giugno 2015 (archiviato dall'url originale il 24 giugno 2015).
    «termìa [Der. del gr. thermós "caldo"] Unità di misura calorimetrica, non SI, talvolta impiegata, spec. nel passato, in luogo della megacaloria, pari cioè a 106 calorie.».
  10. ^ atmosfèra, su Dizionario delle Scienze Fisiche, Treccani, 1996. URL consultato il 24 giugno 2015 (archiviato dall'url originale il 25 giugno 2015).
    «tale unità si chiama talora a. tecnica assoluta (simb. ata), chiamandosi a. tecnica effettiva (simb. ate) l'unità di misura per la sovrapressione oppure la sottopressione rispetto alla pressione atmosferica, anche indicate con i simboli ted. atü e atu, rispettivamente.».
  11. ^ Giovannozzi R., Capitolo X - Molle, in Costruzione di macchine, vol. 1, 3ª ed., Bologna, Pàtron, 1980, p. 437.
  12. ^ Con riferimento al fatto che le unità fondamentali non dipendano dal luogo e siano invariabili. Il chilogrammo-forza, ad esempio, non è – in linea di principio – un'unità assoluta poiché l'accelerazione di gravità varia da luogo a luogo. Cfr. Giovanni GIORGI, Sistemi di unità, su Enciclopedia Italiana, Treccani, 1937. URL consultato il 23 giugno 2015 (archiviato dall'url originale il 24 giugno 2015).
  13. ^ (ES) C.B. Comas, Unità assolute e unità pratiche, in Manuales Gallach, titolo originale: Unidades absolutas y unidades prácticas, vol. 21, 198 pagine, Sucesores de Manuel Soler, 1910. URL consultato il 23 giugno 2015 (archiviato dall'url originale il 24 giugno 2015).
  14. ^ In Italia è stato adottato per legge con il DPR n° 808/1982. Cfr. Decreto del presidente della Repubblica 12 agosto 1982, n. 802, in materia di "Attuazione della direttiva (CEE) numero 80/181 relativa alle unità di misura"
  15. ^ prof. Falleri Monica, Chilogrammo massa e chilogrammo peso, su eduscienze.areaopen.progettotrio.it, Un percorso didattico sul peso, Scuola Milite Ignoto / Circolo didattico statale di Lastra a Signa, 1998/1999. URL consultato il 24 giugno 2015 (archiviato dall'url originale il 19 dicembre 2015).
  16. ^ Differenza tra peso e massa di un oggetto, su www.sapere.it, Sicuro di sapere? > StudiaFacile > Fisica > La meccanica > Le forze e i principi della dinamica > Differenza tra peso e massa di un oggetto, De Agostini Editore. URL consultato il 24 giugno 2015.
  17. ^ Differenza massa e peso, su www.okpedia.it, Okpedia - enciclopedia online indipendente per la libera diffusione del sapere e della conoscenza.. URL consultato il 24 giugno 2015 (archiviato dall'url originale il 24 giugno 2015).

Voci correlateModifica

Collegamenti esterniModifica