Tema I. Mediciones de cantidades físicas

Magnitudes físicas

Una magnitud física es un valor asociado a una propiedad física o cualidad medible de un sistema físico, es decir, a la que se le pueden asignar distintos valores como resultado de una medición o una relación de medidas. Las magnitudes físicas se miden usando un patrón que tenga bien definida esa magnitud, y tomando como unidad la cantidad de esa propiedad que posea el objeto patrón. Por ejemplo, se considera que el patrón principal de longitud es el metro en el Sistema Internacional de Unidades.

Existen magnitudes básicas y derivadas, que constituyen ejemplos de magnitudes físicas: la masa, la longitud, el tiempo, la carga eléctrica, la densidad, la temperatura, la velocidad, la aceleración y la energía. En términos generales, es toda propiedad de los cuerpos o sistemas que puede ser medida. De lo dicho se desprende la importancia fundamental del instrumento de medición en la definición de la magnitud.

Tipos de magnitudes físicas

Las magnitudes físicas pueden ser clasificadas de acuerdo a varios criterios:

·         Según su expresión matemática, las magnitudes se clasifican en escalares, vectoriales y tensoriales.

·         Según su actividad, se clasifican en magnitudes extensivas e intensivas.

Magnitudes escalares y vectoriales

Las magnitudes escalares son aquellas que quedan completamente definidas por un número y las unidades utilizadas para su medida. Esto es, las magnitudes escalares están representadas por el ente matemático más simple, por un número. Podemos decir que poseen un módulo pero carecen de dirección. Su valor puede ser independiente del observador (la masa, la temperatura, la densidad, etc.) o depender de la posición (la energía potencial), o estado de movimiento del observador (la energía cinética).

Las magnitudes vectoriales son aquellas que quedan caracterizadas por una cantidad (intensidad o módulo), una dirección y un sentido. En un espacio euclidiano, de no más de tres dimensiones, un vector se representa mediante un segmento orientado. Ejemplos de estas magnitudes son: la velocidad, la aceleración, la fuerza, el campo eléctrico, intensidad luminosa, etc.

Además, al considerar otro sistema de coordenadas asociado a un observador con diferente estado de movimiento o de orientación, las magnitudes vectoriales no presentan invariancia de cada uno de los componentes del vector y, por tanto, para relacionar las medidas de diferentes observadores se necesitan relaciones de transformación vectorial. Esquemas:

Sistema Internacional de Unidades (SI)

El Sistema Internacional de Unidades se basa en dos tipos de magnitudes físicas:

·         Las siete que toma como unidades fundamentales, de las que derivan todas las demás. Son longitud, tiempo, masa, intensidad de corriente eléctrica, temperatura, cantidad de sustancia e intensidad luminosa.

·         Las unidades derivadas, que son las restantes y que pueden ser expresadas con una combinación matemática de las anteriores.

Unidades básicas del Sistema Internacional de Unidades

Las magnitudes básicas derivadas del SI son las siguientes:

Longitud: metro (m). El metro es la distancia recorrida por la luz en el vacío en 1/299 792 458 segundos.

Tiempo: segundo (s). El segundo es la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del cesio.

Masa: kilogramo (kg). El kilogramo es la masa de un cilindro de aleación de Platino-Iridio depositado en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas.

Intensidad de corriente eléctrica: amperio (amp). El amperio o ampere es la intensidad de una corriente constante que, manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro, en el vacío, produciría una fuerza igual a 2×10−7 newton por metro de longitud.

Temperatura: kelvin (°K). El kelvin es la fracción 1/273,16 de la temperatura del punto triple del agua.

Cantidad de sustancia: moles (mol). El mol es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 12 gramos de carbono.

Intensidad luminosa: candela (cd). La candela es la unidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540×1012 Hz y cuya intensidad energética en dicha dirección es 1/683 vatios por estereorradián.

Magnitudes físicas derivadas

Las unidades derivadas se usan para las siguientes magnitudes: superficie, volumen, velocidad, aceleración, densidad, frecuencia, periodo, fuerza, presión, trabajo, calor, energía, potencia, carga eléctrica, diferencia de potencial, potencial eléctrico, resistencia eléctrica, etcétera.

Ejemplos de unidades derivadas

Magnitud física	Nombre de la unidad	Símbolo de la Unidad	Expresada en unidades básicas
Frecuencia	Hercio	Hz	s-1
Fuerza	Newton	N	m.kg.s-2
Presión	Pascal	Pa	m-1.kg.s-2
Energía/trabajo/calor	Julio	J	m2.kg.s-2
Potencia	Vatio	W	m2.kg.s-3
Angulo plano	Radian	rad	m.m-1
Angulo solido	Estereorradean	Sr	m.m-2
Área	Metro cuadrado	m2	m2
Volumen	Metro cubico	m3	m3
Velocidad/rapidez	Metro por segundo	m/s	m.s-1
Velocidad angular	Radian por segundo	rad/s	s-1
Aceleración	Metro por segundo cuadrado	m/s-2	m.s-2
Momento de fuerza	Newton por metro		m2.kg.s-2
Densidad	Kilogramo por metro cubico	kg.m3	kg.m-3

Punto (.) = * = multiplicación.

Conversión de unidades

La conversión de unidades es la transformación del valor numérico de una magnitud física, expresado en una cierta unidad de medida, en otro valor numérico equivalente y expresado en otra unidad de medida de la misma naturaleza.

Este proceso suele realizarse con el uso de los factores de conversión y/o las tablas de conversión de unidades.

Ejemplos,