Magnitudes físicas

Las magnitudes físicas son propiedades medibles de los sistemas físicos que pueden cuantificarse mediante mediciones. Se expresan con un número y una unidad de medida, como la longitud (metro) o la masa (kilogramo). Pueden ser fundamentales, derivadas o auxiliares. 

Clasificación de Magnitudes Físicas:

Magnitudes Fundamentales:

Son las que no se pueden definir en términos de otras magnitudes. Ejemplos son:

1. La longitud
2. La masa
3. El tiempo
4. La corriente eléctrica
5. La temperatura
6. La cantidad de sustancia
7. La intensidad luminosa.

Magnitudes Derivadas:

Son las que se definen a partir de magnitudes fundamentales, como:

1. La velocidad (metro/segundo)
2. La fuerza (kilogramo * metro/segundo²)
3. La densidad (kilogramo/metro³).

Magnitudes Auxiliares:

No son fundamentales ni derivadas, sino que sirven como herramientas para facilitar la representación y el análisis de la información. 

Características de las Magnitudes Físicas:

• Medibles: Pueden ser cuantificadas utilizando instrumentos de medición.
• Existen en la Naturaleza: Representan propiedades de los objetos y fenómenos físicos.
• Dependen de la Unidad de Medida: El valor de una magnitud física depende de la unidad utilizada para su medición.
• Existen Diferentes Unidades: Una misma magnitud puede ser medida en diferentes unidades (p.ej., centímetros, metros, kilómetros para la longitud), según la UNLP.
• Se Pueden Expresar en Escalares o Vectores: Las magnitudes escalares se definen solo por su valor numérico (p.ej., masa), mientras que las magnitudes vectoriales requieren también dirección y sentido (p.ej., fuerza).

Unidades

Con la palabra unidad se hace referencia, desde una perspectiva general, a la propiedad detodo aquello que existe de manera singular, que no puede ser dividido sin alterar o destruir su esencia. Este término proviene del vocablo en latín unitas y éste a su vez de unus, traducible como “uno”, “único” o “singular”.

Es fácil imaginar la unidad como aquello que es uno (1): un número que no puede dividirse en partes enteras. Visto así, los números son justamente la expresión de la cantidad de veces la unidad que estamos imaginando: cinco vendría a ser 1 + 1 + 1 + 1 + 1, por ejemplo: cinco unidades. Bajo la misma lógica, hablar de 0,5 equivaldría a hablar de media unidad.

Es en ese mismo sentido, las unidades de medida son las cantidades mínimas estandarizadas con las que medimos las distintas magnitudes físicas del mundo. Es decir, en cada sistema convencional de medición necesitamos una porción mínima a considerar, que no puede ser dividida en unidades más pequeñas sin cambiar de escala, y esa justamente es la unidad.

Por ejemplo, en el Sistema Internacional de Medidas (SI), también conocido como sistema métrico, las unidades de medida son:

• Para medir el tiempo, el segundo (s).
• Para medir la longitud, el metro (m).
• Para medir la masa, el kilogramo (kg).
• Para medir la temperatura, el kelvin (K).
• Para medir la cantidad de sustancia, el mol (mol).
• Para medir la intensidad de la corriente eléctrica, el amperio (A).
• Para medir la intensidad de la luz, la candela (cd).

Cada una de estas unidades básicas forma parte de un patrón de medida, o sea, de una forma específica de cuantificación de las proporciones, que nos permite medir en los mismos exactos términos un objeto en un lugar u en otro.

Toda unidad, por ende, forma parte de un patrón y de una escala, o sea, de un sistema convencional, a partir del cual pueden derivarse subunidades (o unidades derivadas): un minuto, por ejemplo, son 60 segundos, mientras que un kilómetro son 1000 metros.

Instrumentos de medida

Los instrumentos de medida son herramientas que se utilizan para comparar magnitudes físicas con una unidad de medida estandarizada, permitiendo cuantificar aspectos como longitud, masa, tiempo, temperatura, presión, etc. Estos instrumentos, también conocidos como aparatos de medida, son esenciales en diversos campos como la ciencia, la ingeniería, la industria y la vida cotidiana. 

Clasificación de los instrumentos de medida:

• Según la magnitud física que miden:
  • Longitud: Reglas, cintas métricas, calibradores, micrómetros, relojes comparadores
  • Masa: Balanzas, básculas, dinamómetros
  • Tiempo: Relojes, cronómetros, temporizadores
  • Temperatura: Termómetros, pirómetros, termohigrógrafos
  • Presión: Manómetros, barómetros
  • Corriente eléctrica: Amperímetros, polímetros, galvanómetros
  • Volumen: Cilindros graduados, pipetas, buretas
  • Ángulos: Goniómetros, niveles láser
• Según su naturaleza:
  • Mecánicos: Reglas, calibradores, micrómetros, manómetros
  • Electrónicos: Voltímetros, amperímetros, termómetros digitales, medidores de pH
  • Ópticos: Interferómetros, nivelación láser
• Según su precisión:
  • De precisión: Balanzas analíticas, micrómetros, relojes comparadores
  • De uso general: Reglas, cintas métricas, termómetros de mercurio

Ejemplos de instrumentos de medida:

• Para medir longitud: Cinta métrica, regla, calibrador, micrómetro, relojes comparadores
• Para medir masa: Balanzas, básculas, dinamómetros
• Para medir tiempo: Relojes, cronómetros, temporizadores
• Para medir temperatura: Termómetros, pirómetros, termohigrógrafos
• Para medir presión: Manómetros, barómetros
• Para medir corriente eléctrica: Amperímetros, polímetros, galvanómetros
• Para medir pH: Medidores de pH
• Para medir flujo: Flujómetros
• Para medir humedad: Termohigrógrafos, higrómetros

La elección del instrumento de medida adecuado dependerá de la magnitud a medir, la precisión requerida y el entorno de uso.

Medidas y errores

Las medidas y los errores son conceptos fundamentales en la ciencia y la ingeniería. Las medidas son la forma en que cuantificamos las características de un objeto o fenómeno, mientras que los errores son las diferencias entre el valor medido y el valor real. Los errores se pueden clasificar en sistemáticos y aleatorios, y comprenderlos es crucial para obtener resultados precisos y confiables.

Medidas:

• Definición:

Las medidas son el proceso de obtener un valor numérico que representa una característica de un objeto o fenómeno, como la longitud, la masa, el tiempo, etc. 

• Unidades de medida:

Se utilizan unidades de medida para expresar las magnitudes físicas. El Sistema Internacional de Unidades (SI) es el sistema más común y utilizado a nivel mundial. 

• Medidas directas e indirectas:

Las medidas pueden ser directas (obtenidas con un instrumento) o indirectas (calculadas a partir de otras medidas). 

Errores:

• Definición:

Un error es la diferencia entre el valor medido y el valor real o verdadero de la magnitud que se está midiendo. 

• Tipos de errores:
  • Errores sistemáticos: Son errores que se producen de forma constante y en la misma dirección, y pueden ser causados por el instrumento de medida o por errores en el procedimiento de medición.
  • Errores aleatorios: Son errores que ocurren de forma casual e impredecible, y se deben a factores como la variabilidad del operador, la fluctuación del entorno o la resolución del instrumento.
• Consecuencias de los errores:

Los errores pueden afectar la exactitud y la precisión de las medidas. La exactitud se refiere a la cercanía del valor medido al valor real, mientras que la precisión se refiere a la concordancia entre diferentes medidas de la misma magnitud. 

• Reducción de errores:

Es importante identificar y reducir los errores para obtener medidas más precisas y confiables. Esto se puede lograr mediante la calibración de los instrumentos, la optimización del procedimiento de medición y el uso de técnicas de procesamiento de datos. 

Ejemplos:

• Medición de la longitud de un objeto:

Si se mide la longitud de un objeto con una regla y se comete un error de 1 mm, ese sería un error de medida. 

• Medición de la masa de un objeto:

Si una balanza está descalibrada, puede generar errores sistemáticos en las medidas de masa. 

• Medición del tiempo:

Si un reloj atrasa o adelanta, puede generar errores sistemáticos en las medidas de tiempo. 

En resumen:

Las medidas son fundamentales para cuantificar las características de un objeto o fenómeno, y los errores son las diferencias entre el valor medido y el valor real. Los errores sistemáticos son constantes y en la misma dirección, mientras que los errores aleatorios son casuales e impredecibles. Entender estos conceptos y las causas de los errores es crucial para obtener medidas precisas y confiables.

• Sistema métrico decimal

El Sistema Métrico Decimal (SMD) es un sistema de medición universal basado en múltiplos y submúltiplos de 10, con el metro como unidad fundamental de longitud. Su objetivo es la unificación y racionalización de las unidades de medida, simplificando las conversiones y la comunicación en el comercio y la ciencia. 

Características clave del SMD:

• Base 10:

Los múltiplos y submúltiplos de la unidad básica (metro, gramo, litro, etc.) se relacionan entre sí por potencias de 10. 

• Unidad fundamental:

El metro es la unidad principal para medir longitudes, mientras que el gramo es para la masa y el litro para la capacidad. 

• Neutralidad y universalidad:

El SMD es un sistema neutral y universal, lo que facilita el comercio y la comunicación internacional. 

• Facilidad de uso:

Las conversiones entre unidades son sencillas, lo que facilita su uso en la vida cotidiana y en aplicaciones científicas y técnicas. 

• Amplio uso:

El SMD es el sistema de medición más utilizado en el mundo, incluyendo en países como España, donde es el sistema oficial desde 1849. 

Unidades principales del SMD:

• Longitud: Metro (m)
• Masa: Gramo (g)
• Capacidad: Litro (l)

Múltiplos y submúltiplos:

El SMD utiliza prefijos para indicar múltiplos y submúltiplos de las unidades básicas: 

• Múltiplos: kilo (1000), hecto (100), deca (10)
• Submúltiplos: deci (0.1), centi (0.01), mili (0.001)

Ejemplos de uso:

1 metro = 10 decímetros = 100 centímetros = 1000 milímetros

1 kilogramo = 1000 gramos

1 kilolitro = 1000 litros.

• Sistema internacional de unidades

Se conoce como el Sistema Internacional de Unidades (abreviado SI) al sistema de unidades de medición empleado en prácticamente todo el mundo. Es utilizado en la construcción de los más numerosos instrumentos de medición para el consumo tanto especializado como cotidiano.

Un sistema de unidades es un patrón científico que permite poner en relación las cosas en base a un conjunto de unidades imaginarias. Es decir, se trata de un sistema para poder registrar la realidad: pesar, medir, cronometrar, etc., en base a un conjunto de unidades que son siempre iguales a sí mismas y que se pueden aplicar en cualquier parte del mundo con igual valor.

El Sistema Internacional de Unidades es el más aceptado de todos los sistemas de medición (aunque no el único, pues en algunos países emplean aún el sistema anglosajón) y el único que tiende a cierta universalización en la actualidad.

Cada cierto tiempo el SI es revisado y afinado, para garantizar que sea el mejor sistema de unidades disponible, o para adecuarlo a recientes descubrimientos científicos. De hecho, en el año 2018 se votó en Versalles, Francia, la redefinición de cuatro de sus unidades básicas para ajustarlas a parámetros fundamentales constantes en la naturaleza.

Historia del Sistema Internacional de Unidades

El SI fue creado en 1960, durante la 11va Conferencia General de Pesas y Medidas, fundada en 1875 para tomar decisiones respecto al que en ese entonces era el sistema métrico francés. Este es el organismo encargado actualmente de la revisión del Sistema Internacional de Medidas y tiene como sede la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, en París.

En su creación, el SI contempló sólo seis unidades básicas, a las que luego se añadieron otras, como el mol en 1971. Sus términos fueron armonizados entre 2006 y 2009 con la colaboración de las organizaciones ISO (Organización Internacional para la Estandarización) y CEI (Comisión Electrotécnica Internacional), originando la norma ISO/IEC 80000.

¿Para qué sirve el SÍ?

El SI, dicho de manera muy llana, es el sistema que nos permite medir. O mejor, el que nos asegura que nuestras mediciones, hechas aquí o en cualquier otra región del mundo, sean siempre equivalentes y signifiquen lo mismo.

Es decir: ¿cómo saber que un metro de distancia es, en efecto, un metro? ¿Cómo saber que un metro aquí es exactamente igual a un metro en China, en Groenlandia o en Sudáfrica? Pues de ello se ocupa, justamente, este sistema.

Por ello establece los lineamientos necesarios para que, por decir algo, un kilogramo sea siempre un kilogramo, sin importar el lugar o incluso el tipo de instrumento que se emplee para medirlo.

Unidades básicas del SI

Cada unidad permite medir una magnitud física diferente.

El SI comprende un conjunto de siete unidades básicas, cada una vinculada con alguna de las principales magnitudes físicas, y que son:

• Metro (m). La unidad básica de longitud, definida científicamente como el trayecto recorrido por la luz en el vacío en un intervalo de tiempo de 1/299.792.458 segundos.
• Kilogramo (kg). La unidad básica de masa, definida científicamente a partir de un prototipo de kilogramo compuesto por una aleación 90% de platino y 10% de iridio, de forma cilíndrica, 39 milímetros de altura, 39 milímetros de diámetro y una densidad aproximada de 21.500 kg/m³. Sin embargo, en versiones más recientes se plantea redefinir el kilogramo a partir de un valor relacionado con la constante de Planck (h).
• Segundo (s). La unidad básica de tiempo, definida científicamente como la duración de 9.192.631.770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental de un átomo de cesio-133.
• Amperio (A). La unidad básica de la corriente eléctrica, que rinde homenaje al físico francés André-Marie Ampère (1775-1836), y definida científicamente como la intensidad de una corriente constante que, mantenida en dos conductores rectilíneos paralelos de longitud infinita, sección circular despreciable y ubicados a un metro el uno del otro en el vacío, produzca una fuerza entre ellos igual a 2 x 10^-7 Newton por metro de longitud. Se ha propuesto recientemente variar su definición tomando en cuenta algún valor de la carga eléctrica fundamental (e).
• Kelvin (K). La unidad básica de la temperatura y la termodinámica, que rinde homenaje a su creador, el físico británico William Thomson (1824-1907), también conocido como Lord Kelvin. Se define como la fracción 1/273.16 de la temperatura que posee el agua en su punto triple (es decir, en el que coexisten en armonía sus tres estados: sólido, líquido y gaseoso). Se ha propuesto recientemente redefinir los Kelvin tomando en cuenta un valor de la constante de Boltzmann (k).
• Mol (mol). La unidad básica para medir la cantidad de una sustancia dentro de una mezcla o disolución, definida científicamente como la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas unidades elementales como átomos hay en 0,012 kg de carbono-12. Así, cuando se emplea esta unidad, debe especificarse si se habla de átomos, moléculas, iones, electrones, etc. Recientemente se ha propuesto redefinir esta unidad empleando algún valor de la constante de Avogadro (N_A).
• Candela (cd). Esta es la unidad básica de la intensidad luminosa, definida científicamente como la que posee, en una dirección dada, una fuente que emite una radiación monocromática de 540 x 10¹² hercios de frecuencia, y cuya intensidad energética en dicha dirección sea 1/683 vatios por estereorradián.

Unidades derivadas del SI

Como su nombre lo indica, las unidades derivadas del SI se desprenden de las unidades básicas, mediante combinaciones y relaciones entre ellas, para así poder expresar magnitudes físicas matemáticamente.

No debemos confundir estas unidades con los múltiplos y submúltiplos de las unidades básicas, como pueden ser kilómetros o nanómetros (múltiplo y submúltiplo del metro, respectivamente).

Las unidades derivadas son muchísimas, pero podemos citar las principales a continuación:

• Metro cúbico (m³). Unidad derivada construida para medir el volumen de una sustancia.
• Kilogramo por metro cúbico (kg/m³). Unidad derivada construida para medir la densidad de un cuerpo.
• Newton (N). Rindiendo homenaje al padre de la física moderna, el británico Isaac Newton (1643-1727), es la unidad derivada construida para medir la fuerza, y expresada como kilogramos por metro por segundo cuadrado (kg.m/s²), a partir de la ecuación del propio Newton para el cálculo de la fuerza.
• Julios/Joule (J). Toma su nombre del físico inglés James Prescott Joule (1818-1889), y es la unidad derivada del SI que se emplea para medir la energía, el trabajo o el calor. Se puede definir como la cantidad de trabajo necesario para mover una carga de un culombio a través de una tensión de un voltio (voltio por culombio, V.C), o bien como la cantidad de trabajo necesario para producir un vatio de potencia durante un segundo (vatio por segundo, W.s).

Existen muchas otras unidades derivadas, la mayoría con nombres especiales que rinden homenaje a sus creadores o a importantes estudiosos del fenómeno que la unidad sirve para describir.

Ventajas y limitaciones del SI

El SI permite saber que una unidad vale lo mismo en todo el mundo.

Tradicionalmente los puntos débiles del SI fueron sus unidades de masa (kg) y fuerza (N), que estaban construidas de manera arbitraria. Pero frente a modernas actualizaciones y afinaciones como las que detallamos arriba, esto ya no presenta mayor inconveniente. Por el contrario, la mayor virtud del SI es que sus unidades básicas están definidas en base a fenómenos naturales constantes, que pueden replicarse en caso de que se necesitara. De esta manera uno podría llegar a calibrar cualquier tipo de instrumento, a partir de la unidad fundamental reproducible científicamente.