Unità di misura e grandezze fisiche

Le unità di misura rappresentano il fondamento del linguaggio scientifico: ogni grandezza fisica, dalla lunghezza al tempo, deve essere espressa con precisione attraverso un valore numerico e una corretta unità del Sistema Internazionale.

Un percorso completo per comprendere grandezze fisiche, Sistema Internazionale, notazione scientifica, errori di misura e laboratorio virtuale delle misure.

In particolare, la fisica è la scienza che studia i fenomeni naturali cercando di interpretarli attraverso leggi, relazioni matematiche e modelli. Per fare questo, ha bisogno di un linguaggio rigoroso e universale.

Tale linguaggio è fondato sulle grandezze fisiche e sulle unità di misura. Ogni volta che si descrive un corpo, un moto, una forza, una temperatura o una carica elettrica, si sta facendo riferimento a una proprietà misurabile.

La misura consente infatti di confrontare, classificare e studiare i fenomeni in modo oggettivo.

Fisica, metodo scientifico e grandezze fisiche

Inoltre, la fisica è una scienza quantitativa.. Non si limita a descrivere i fenomeni naturali in modo generico, ma cerca di misurarli, interpretarli e rappresentarli attraverso relazioni matematiche.

Infatti, il metodo scientifico si basa su alcune fasi fondamentali: osservazione del fenomeno, raccolta di dati sperimentali, formulazione di una legge e verifica delle previsioni.

Per questo motivo, le grandezze fisiche costituiscono il punto di partenza dello studio della fisica. Una grandezza fisica è una proprietà misurabile di un corpo o di un fenomeno, come la lunghezza, il tempo, la massa, la temperatura, la velocità o la forza.

Il linguaggio della fisica è quindi un linguaggio matematico. Una formula permette di esprimere in modo sintetico una relazione tra grandezze e di prevedere il comportamento di un fenomeno.

Dal caos delle antiche misure al metro campione

In passato, prima dell’introduzione del sistema metrico, in Europa esisteva una straordinaria varietà di pesi e misure locali. Ogni città o regione poteva adottare unità differenti per misurare lunghezze, superfici, volumi e masse.

Questa frammentazione rendeva difficili gli scambi commerciali, complicava i calcoli e favoriva errori e disuguaglianze.

Per rispondere a questa situazione, la Rivoluzione francese promosse l’adozione di un sistema di misura unico, razionale e universale. Il 26 marzo 1791 l’Assemblea nazionale stabilì che l’unità fondamentale di lunghezza dovesse derivare dalla Terra stessa.

Fu scelto come riferimento il quarto di meridiano terrestre, cioè la distanza tra l’equatore e il polo nord lungo un meridiano. La nuova unità, chiamata metro, fu definita come la decimilionesima parte del quarto di meridiano terrestre.

Per determinare concretamente questa lunghezza fu misurato un arco del meridiano di Parigi compreso tra Dunkerque e Barcellona.

Unità di misura e significato delle grandezze fisiche

Una grandezza fisica è una proprietà di un corpo o di un fenomeno che può essere misurata.

In particolare, misurare una grandezza significa confrontarla con un’altra della stessa specie scelta come campione, detta unità di misura.

Per esempio:

• la lunghezza misura l’estensione spaziale di un corpo;
• la massa misura la quantità di materia;
• il tempo misura la durata di un fenomeno;
• la temperatura misura lo stato termico di un sistema.

Il risultato di una misura è sempre espresso mediante:

numero + unità di misura

Ad esempio:

• 5 m
• 12 s
• 3,5 kg
• 20 °C

Il solo numero, senza unità di misura, non ha significato fisico completo.

Grandezze fisiche ed equazioni

Inoltre, per descrivere i fenomeni fisici si usano grandezze collegate tra loro mediante equazioni.

Un’equazione tra grandezze esprime una relazione generale tra proprietà misurabili ed è indipendente dal particolare sistema di unità adottato, purché questo sia coerente.

Una grandezza fisica può essere rappresentata in modo completo solo indicando:

1. il dato qualitativo, cioè il tipo di grandezza e l’unità utilizzata;
2. il dato quantitativo, cioè il valore numerico.

Se con {G} indichiamo il valore numerico della grandezza G e con [G] la sua unità, allora possiamo scrivere:

G = {G} × [G]

Il Sistema Internazionale delle unità di misura

Per evitare ambiguità e garantire uniformità nelle misure, la scienza utilizza il Sistema Internazionale di unità di misura, indicato con la sigla SI.

Inoltre, Il SI costituisce oggi il linguaggio universale della fisica, della chimica, dell’ingegneria e delle scienze sperimentali.

Le grandezze fondamentali del SI

Grandezze fisiche e unità di misura vettoriali

Tuttavia, le grandezze fisiche non sono tutte dello stesso tipo. Alcune sono completamente descritte da un valore numerico e da un’unità di misura. Queste grandezze sono dette grandezze scalari.

Sono grandezze scalari:

• massa;
• tempo;
• temperatura;
• volume;
• energia.

Altre grandezze richiedono invece anche una direzione e un verso. Queste grandezze sono dette grandezze vettoriali.

Sono grandezze vettoriali:

• spostamento;
• velocità;
• accelerazione;
• forza;
• campo elettrico;
• campo magnetico.

Un vettore viene rappresentato mediante un segmento orientato. La sua lunghezza indica il modulo, mentre la freccia ne indica il verso.

Grandezze derivate

Inoltre, questi concetti saranno ripresi nei capitoli successivi del manuale.

Successivamente, accanto alle grandezze fondamentali esistono le grandezze derivate, ottenute combinando matematicamente quelle fondamentali.

Alcuni esempi importanti sono:

• superficie (m²);
• volume (m³);
• velocità (m/s);
• accelerazione (m/s²);
• forza (N);
• energia (J);
• potenza (W).

Ad esempio:

v = s / t

La velocità è il rapporto tra spazio percorso e tempo impiegato.

Di conseguenza:

m/s

Multipli e sottomultipli

Nella pratica, inoltre, le grandezze fisiche possono assumere valori molto grandi o molto piccoli. Per questo motivo si usano multipli e sottomultipli delle unità di misura.

La notazione scientifica

Per questo motivo, quando i numeri sono molto grandi o molto piccoli, è più comodo usare la notazione scientifica.

Un numero viene scritto come prodotto tra un coefficiente compreso tra 1 e 10 e una potenza di 10.

• 3000 = 3 × 10³
• 0,005 = 5 × 10^-3
• 150000000 = 1,5 × 10⁸

Unità di misura e ordini di grandezza

Nel mondo fisico esistono grandezze estremamente piccole e grandezze enormemente grandi.

Le dimensioni di un atomo, la massa di un elettrone, la distanza tra le galassie e l’età dell’universo appartengono a scale molto diverse tra loro.

L’ordine di grandezza di una misura indica la potenza di 10 che meglio rappresenta la sua scala.

Questo concetto consente di confrontare rapidamente fenomeni molto diversi, dalle distanze astronomiche alle dimensioni microscopiche.

Strumenti di misura

La misura di una grandezza fisica si effettua mediante strumenti appositi.

Alcuni esempi sono:

• righello e metro;
• bilancia;
• cronometro;
• termometro;
• amperometro;
• voltmetro.

Ogni strumento possiede sensibilità, portata e precisione differenti.

Errore nelle unità di misura

Tuttavia, nessuna misura reale è perfetta. Ogni misura presenta sempre un certo margine di incertezza.

Si distinguono:

• errore assoluto;
• errore relativo;
• errore percentuale.

L’errore assoluto si calcola come:

errore assoluto = |valore misurato - valore reale|

Simulazione interattiva delle unità di misura

Per comprendere meglio il significato delle unità di misura, delle conversioni e dell’errore sperimentale, è utile utilizzare una simulazione interattiva.

La simulazione permette di esplorare:

• conversioni tra metri, centimetri e millimetri;
• uso del righello virtuale;
• uso del cronometro;
• uso della bilancia;
• calcolo dell’errore assoluto.

Infine, il laboratorio virtuale permette di applicare subito quanto studiato nella parte teorica.

Conclusione

Le grandezze fisiche e le unità di misura costituiscono la base del linguaggio scientifico.

Prima di studiare il moto, le forze, l’energia o l’elettricità è indispensabile comprendere come si misura una grandezza e come si interpretano correttamente i risultati sperimentali.

Il riferimento ufficiale per le unità di misura è il Sistema Internazionale SI.

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