O que é a conversão de unidades de física?
Uma unidade é uma grandeza contra a qual se mede uma grandeza física, e a conversão de unidades é a aritmética de comparar uma dessas grandezas com outra. O padrão internacional desde 1960 tem sido o Sistema Internacional de Unidades (SI), organizado em torno de sete unidades de base — o metro, o quilograma, o segundo, o ampere, o kelvin, a mole e a candela — a partir das quais todas as outras unidades se derivam por multiplicação ou divisão. Um sistema de unidades coerente significa que o produto ou quociente de grandezas dá o produto ou quociente das suas unidades, pelo que a equação J = N·m funciona sem inserir constantes mágicas. Um sistema não coerente como o CGS insere essas constantes — útil historicamente, desajeitado na prática. O painel mantém tudo em fatores SI: cada unidade é guardada como um número (o fator para converter na base SI), e cada resposta é unidade_em_SI ÷ unidade_saída_em_SI, com a formatação tratada pela camada de apresentação.
O SI dá-lhe uma unidade de base por grandeza; o painel dá-lhe todas as outras como fator: 1 km = 10³ m, 1 parsec = 3,0857×1016 m, 1 eletrão-volt = 1,602×10−19 J. O fator de conversão é toda a física da conversão; o resto é formato.
Comprimento — do ångström ao parsec
As 16 entradas de comprimento do painel abrangem cerca de 26 ordens de grandeza, desde o ångström (10−10 m, a escala das ligações químicas e dos espaçamentos atómicos) até ao parsec (3,0857×1016 m). O metro é a unidade SI de trabalho; todas as outras são apenas uma convenção de nomes com um fator fixo. Dentro da mesma faixa de grandezas, as unidades de trabalho diferem consoante a disciplina: nanómetros para os comprimentos de onda da luz visível (400–700 nm); micrómetros para a biologia celular; milímetros para a engenharia mecânica; centímetros para objetos do dia a dia; quilómetros para a geografia. Para a escala humana-Terra-galáxia, a unidade astronómica (1 UA = 1,496×1011 m, definida exatamente como a distância Terra-Sol) e o ano-luz (1 a.l. = 9,461×1015 m, a distância que a luz percorre num ano juliano) fazem a ponte entre o sistema solar e as estrelas mais próximas. Os parsecs são a unidade profissional da astronomia, definida como a distância a que 1 UA subtende um segundo de arco: 1 pc ≈ 3,26 a.l. ≈ 206 265 UA.
Massa — do iectograma à massa solar
Doze entradas de massa cobrem a faixa que vai da física quântica à astronomia: a unidade de massa atómica (1,661×10−27 kg, um dalton, a massa de um nucleão) para a química, microgramas e miligramas para a química analítica, o quilograma para o uso quotidiano, as toneladas para quantidades industriais, a libra avoirdupois (0,4536 kg, definida exatamente desde 1959 como 453,59237 g), e a massa solar (1,989×1030 kg) para as estrelas. O quilate (200 mg exatos) é a unidade de massa para as pedras preciosas; o slug (14,594 kg) é a unidade imperial de massa que dá F = ma em libras-força sem fatores extra — útil se tiver de trabalhar em unidades usuais dos EUA. Note que "peso" é tecnicamente uma força, não uma massa; um quilograma-força são 9,81 N. O painel não confunde os dois: todas as entradas aqui são uma massa em kg.
Energia — joule, eV, caloria, BTU, kWh
A coluna da energia abrange o intervalo entre o quântico (eletrão-volt, 1,602×10−19 J) e o industrial (quilowatt-hora, 3,6×106 J). A unidade SI é o joule (1 J = 1 N·m = 1 kg·m²/s²); o eletrão-volt é a unidade atómica natural (a energia cinética que um eletrão ganha ao atravessar 1 volt); a caloria (4,184 J, termoquímica) sobrevive nos rótulos nutricionais; a unidade térmica britânica (1 BTU ≈ 1 055 J) sobrevive nas classificações de climatização e na energia de um único fósforo de cozinha de madeira; e o kWh é o que aparece na sua fatura de eletricidade. E = mc² liga diretamente massa e energia: 1 kg de massa contém 8,988×1016 J, o suficiente para fazer funcionar toda a economia mundial durante alguns segundos. A caloria alimentar (note o C maiúsculo) é, na verdade, uma quilocaloria (1 000 cal = 4 184 J).
Pressão — pascal, atm, bar, mmHg, psi
A pressão tem mais unidades do que quase qualquer outra grandeza física, porque cresceu em três tradições ao mesmo tempo: a meteorologia (milímetros de mercúrio, mmHg, e milibares), a engenharia (libras por polegada quadrada, psi) e a física (pascal, Pa = N/m²). Números de referência: 1 atm = 101 325 Pa exatos — a unidade SI original era a "atmosfera normal"; 1 mmHg ≈ 133,322 Pa (a altura de uma coluna de mercúrio de 1 mm à gravidade normal); 1 bar = 100 000 Pa exatos (um número redondo prático, ligeiramente inferior a 1 atm); 1 psi ≈ 6 894,76 Pa. A razão mmHg-Pa é o que faz funcionar um barómetro de mercúrio: 760 mmHg = 1 atm. A pressão arterial é tradicionalmente reportada em mmHg, a atmosférica em hPa (hectopascais, numericamente iguais a milibares), e a pressão dos pneus em psi.
A temperatura é especial
A conversão de qualquer outra grandeza é um único fator multiplicativo. A temperatura é a exceção: as suas unidades diferem por um deslocamento além de uma escala, porque o 0 de cada escala é um lugar diferente. Para converter de Celsius para Kelvin, some 273,15; de Fahrenheit para Rankine, some 459,67; de Celsius para Fahrenheit, multiplique por 9/5 e some 32. Para converter uma diferença de temperatura use apenas o fator de escala (1 K = 1 °C = 9/5 °F). O painel trata isto com escalonamento e deslocamento específicos de cada categoria, de modo que 100 °C se lê como 212 °F (e não 180 °F, o erro habitual). Confundir diferenças de temperatura com temperaturas é o erro mais comum na conversão de unidades.
Diversos: ângulos, carga, tensão, frequência
Algumas conversões merecem destaque porque apanham até pessoas experientes: radianos e graus não são apenas adimensionais, são o mesmo adimensional — 2π radianos = 360°, com uma circunferência completa em qualquer das unidades a ser uma razão comprimento/raio que sai como um número puro; é por isso que ω nas fórmulas angulares pode aceitar qualquer das unidades. A frequência é o inverso do tempo: hertz = 1/s. A tensão (um joule por coulomb) e a carga elétrica (coulombs) ligam-se à corrente (amperes) por Q = I·t. A unidade de base da corrente, o ampere, é definida como 6,241×1018 cargas elementares por segundo; a recente redefinição SI de 2019 trocou isso por um valor fixo para a carga elementar e derivou o ampere. O painel usa em toda a parte fatores de engenharia convencionais, que coincidem com as definições práticas com uma exatidão superior a uma parte por milhão para quase todos os fins.
Ideias erradas comuns
- A temperatura é apenas uma escala diferente, como polegadas e centímetros. As escalas de temperatura têm deslocamento além de fator de escala: 0 °C = 273,15 K, não 0 K. Um intervalo de 1 K é igual a um intervalo de 1 °C, mas as temperaturas absolutas são diferentes. Misturar estes dois é o erro mais comum na conversão de unidades ligada ao calor.
- Uma libra é um quilograma. Uma libra é uma unidade de massa do sistema avoirdupois (exatamente 0,453 592 37 kg desde 1959); uma libra-força (lbf) é uma unidade de força (cerca de 4,45 N). Diferem por um fator de g ≈ 9,81. As balanças de peso corporal indicam libras-massa; os motores de foguetão indicam libras-força; ambas estão corretas no seu contexto.
- 1 kg de peso converte-se em newtons multiplicando por 9,81. 9,81 m/s² é a gravidade normal à superfície, não o fator de conversão. 1 kg de massa pesa cerca de 9,81 N ao nível do mar, mas a mesma massa é o mesmo número em todo o lado — o peso (força) é que depende de g local.
- O eletrão-volt é uma unidade de tensão. Apesar do nome, eV é uma unidade de energia: a energia que um eletrão ganha ao mover-se através de um potencial de um volt. 1 eV = 1,602×10−19 J. Isto torna o "volt" dentro de "eV" uma conveniência cinemática, não uma unidade de força.
Ferramentas relacionadas: Referência de constantes para os valores subjacentes a estes fatores, Termodinâmica para o caso especial da temperatura em ação, e a Calculadora para a álgebra da análise dimensional.
