Sfondo burger-menu
27 Marzo 2022
18:37

Quanto “pesa” un chilogrammo? Storia del kg standard

Il chilogrammo è una delle unità di misura più utilizzate. Ma quanto "pesa" e chi ha deciso quanto deve essere la sua massa? E come viene calcolata oggi?

1.800 condivisioni
Quanto “pesa” un chilogrammo? Storia del kg standard
peso-kg

Il chilogrammo (scritto anche kilogrammo e chiamato amichevolmente "chilo") è una delle unità di misura che utilizziamo più comunemente, anche se forse non ci siamo mai chiesti come sia stato deciso il suo peso (o per meglio dire, la sua massa). Alla fine, il chilogrammo non è nient'altro che una convenzione che utilizziamo per "metterci d'accordo", così da evitare che 1 kg in Italia sia diverso da 1 kg in Francia o in un qualunque altro Paese del mondo!

Per far sì che tutti siano d'accordo si utilizza uno standard, cioè un valore preso come riferimento per tutti: oggi si prende come riferimento una costante fisica chiamata costante di Planck (ne parleremo nel dettaglio in seguito), nonostante per circa 129 anni sia stato utilizzato un cilindro di metallo custodito tutt'oggi a Parigi.

kg standard parigi
Kg standard di Parigi (credit: NIST).

Cos'è il chilogrammo standard?

Il chilogrammo, in generale, è l'unità di misura di base della massa secondo il Sistema Internazionale di Misura. Dal 1889 al 2018 per la definizione del kg standard si è utilizzato un blocco cilindrico di platino chiamato Grand Kilo e custodito a Parigi, nel Bureau Inernational des Poids. Questo blocco è costituito al 90% da platino e dal 10% da iridio e, almeno in teoria, dovrebbe avere massa perfettamente immutabile nel tempo: se cambiasse anche solo una piccola cifra decimale, non avrebbe più senso parlare di standard. Per cercare di impedire qualsivoglia tipo di alterazione, questo campione è tenuto in un locale la cui temperatura e umidità sono costantemente tenute sotto controllo. Ma non solo! È protetto da tre campane di vetro, l'una dentro l'altra, per evitare che si venga a formare della condensa sulla sua superficie.

Inoltre la durezza stessa del platino riesce a minimizzare il rischio di un graffio durante quelle (pochissime) volte in cui qualcuno effettua misurazioni direttamente sul campione standard. Infatti essendo molto "delicato", il Grand Kilo viene maneggiato il meno possibile: esistono 6 perfette repliche, a loro volta utilizzate per creare altre repliche da consegnare ai singoli Stati che ne fanno richiesta.

operatore kg standard
Operatore maneggia il kg standard (credit: J.L. Lee/ NIST).

La perdita di massa

In realtà, nonostante tutte le preoccupazioni e le cure riposte nella sua conservazione, ci si è accorti che il chilogrammo standard non è poi così "standard": analisi condotte nel 2014 hanno dimostrato come le copie del cilindro di platino e iridio avessero una massa in media 50 microgrammi in più rispetto a quello di riferimento.

calibrazioni massa
Variazione nella massa dei chilogrammi standard nel tempo (credit: NIST).

Per ovviare a questo inconveniente si è deciso di considerare come riferimento standard qualcosa che non sia un oggetto reale ma un valore legato a una costante fisica. In questo modo si è certi che lo standard possa restare costante in ogni tempo e in ogni luogo, replicabile in ogni laboratorio del mondo senza dover necessariamente maneggiare un campione "fisico". Si decise di prendere come riferimento la cosiddetta Costante di Planck. E che roba è?

La costante di Planck

Per spiegarla nel modo più semplice possibile, possiamo dire che la costante di Planck (indicata in fisica con la lettera h) è un valore che corrisponde alla quantità minima di energia che viene rilasciata dalle particelle subatomiche. È come se fosse un "pacchetto standard" di energia, il cui valore corrisponde a 6,62607015 x 10-34 kg*m2/s. Si tratta di un valore minuscolo, cioè di un numero preceduto da 34 zeri!
Come possiamo vedere, questo numero è espresso in kg*m2/s. Metri e secondi possono essere riscritti usando altri parametri fisici (come la velocità della luce c), permettendoci di invertire la formula e ricavare la massa di un kg standard:

calcolo kg standard
credit: BIPM

Visto così è un numero strano e apparentemente senza senso, ma si tratta di un valore estremamente importante perché si basa unicamente su valori costanti nell'Universo (come velocità della luce e costante di Planck), e dunque resterà immutabile nel tempo.
All'atto pratico per misurare questa quantità si utilizza la cosiddetta "bilancia di Kibble" (nell'immagine sottostante), uno strumento molto complesso che sfrutta forze magnetiche e meccaniche a livello atomico.

bilancia Kibble
Bilancia di Kibble.

Perché è così importante conoscere l'esatta massa di un chilogrammo?

Arrivati a questo punto ci si potrebbe chiedere qual è il senso di tutto ciò. Se il kg standard ha una massa di 50 microgrammi in più o in meno, a chi fa differenza?
Come ricorda il NIST, il problema è che il chilogrammo è una delle unità fondamentali e ciò vuol dire che se il kg cambia, a rotazione varieranno molte altre unità. Ad esempio dai chilogrammi si ricavano i newton, unità di misura della forza; se i newton variano cambieranno anche la definizione di pascal (per la pressione) e di joule (per l'energia e il lavoro). Ma dai joule si ricavano watt e volt per l'elettricità, e così via.
Capite quindi come anche 50 microgrammi in meno possono avere ricadute non indifferenti su tanti altri campi di applicazione!

Avatar utente
Stefano Gandelli
Redattore
Sono un geologo appassionato di scrittura e, in particolare, mi piace raccontare il funzionamento delle cose e tutte quelle storie assurde (ma vere) che accadono nel mondo ogni giorno. Credo che uno degli elementi chiave per creare un buon contenuto sia mescolare scienza e cultura “pop”: proprio per questo motivo amo guardare film, andare ai concerti e collezionare dischi in vinile.
Sfondo autopromo
Cosa stai cercando?