Grandezze fisiche e unità di misura

Le grandezze fisiche in fisica sono ciò che si può misurare di un oggetto o un fenomeno. Prendiamo una roccia come esempio.

Una roccia ha diverse proprietà, alcune possiamo percepirle con i nostri sensi:

• Massa: la roccia è composta da atomi che hanno una massa. Quando la gravità agisce su questa massa, genera ciò che chiamiamo "peso".

• Volume: se tieni la roccia in mano, questa prende spazio nelle mani. Lo spazio che occupa è il suo volume.

• Lunghezza: puoi vedere quanto grande è la roccia - quanto è larga, lunga o alta

• Temperatura: se la roccia viene esposta al sole in una giornata calda, puoi sentire il calore trasmesso dalla luce alla roccia. In una giornata fredda, potrai sentire l’opposto. La temperatura è una misura dell’energia termica dell’oggetto, che è legata all’energia cinetica delle molecole o atomi che la compongono.

Ci sono altre proprietà più complesse che si possono percepire, come la carica elettrica o la luminosità.

Fig. 1 - La massa trascinata dalla forza gravitazionale (il peso) è una delle proprietà più semplici da percepire.

Carica elettrica

Un'altra grandezza fisica che possiamo misurare è la carica elettrica di un oggetto.

Un esempio classico è quando strofini un maglione contro un palloncino. Attraverso l'attrito, un maglione scambia una carica con il palloncino. Le piccole cariche elettriche del palloncino si attaccheranno al maglione, che acquisterà più carica di quanta ne avesse prima.

Se si passa la mano sul maglione vicino a un oggetto metallico, la carica elettrica passerà al metallo e provocherà una piccola scossa. Ciò avviene a causa della differenza di carica tra il maglione e il metallo. Più si strofina il maglione contro il palloncino, più grande sarà la scarica elettrica a contatto con il metallo.

Questa piccola carica elettrica che si avverte è comunemente chiamata carica elettrostatica ed è definita come una mancanza o un eccesso di elettroni in un materiale, in questo caso il maglione.

Luminosità

La luminosità è un'altra proprietà che possiamo percepire con i nostri sensi, in questo caso con la vista.

Se vai a correre nel tardo pomeriggio, sentirai la differenza di luminosità ambientale. La fonte è il sole e gli occhi registrano la luminosità grazie a cellule sensibili alla luce.

Quando la luce si affievolisce verso il tramonto, gli occhi ricevono meno luce. Questa mancanza di luce provoca un segnale più basso alle cellule degli occhi, che ti fanno notare la variazione di luminosità.

Fig. 2 - Possiamo percepire il cambio di luminosità al tramonto.

Quantità di materia

Ci sono quantità che non possiamo percepire semplicemente, come il numero di molecole che compongono un oggetto, nota come ‘quantità di materia’. Si possono, però, sentire variazioni in questa quantità fisica attraverso qualche deduzione e usando il nostro intuito.

Sappiamo intuitivamente che un pezzo di ferro pesa più di un pezzo di carbonio. Potremmo prendere un campione di entrambi, che hanno lo stesso numero di atomi o "X". Osservando la tavola periodica, scopriamo che l'atomo di carbonio ha sei neutroni e sei protoni, mentre l'atomo di ferro ha 26 neutroni e protoni.

In chimica e fisica atomica, i neutroni e gli atomi sono le particelle che hanno la maggior parte della massa dell'atomo, il che significa che il campione di ferro pesa di più anche se ha lo stesso numero “X” di atomi dell'atomo di carbonio.

Questa quantità "X" nella scienza è nota come mole e diversi materiali contengono lo stesso numero di atomi in una mole.

È importante capire che la mole indica la quantità di una sostanza ed è scollegata dal concetto di peso, non si tratta, infatti, di una misura di massa.

Esiste un'altra proprietà che possiamo misurare e percepire, che non è legata ad alcun oggetto. Questa proprietà è il "tempo" e la sua unità di misura è il secondo.

Tempo

Il tempo è la proprietà che ci dice in che direzione devono andare i processi come negli esempi seguenti:

In una giornata fredda, una tazza di tè o caffè diventa fredda per il trasferimento di calore all’aria fredda circostante. Il processo va sempre dal caldo al freddo se non ci sono interferenze esterne. Il periodo che richiede per passare da caldo a freddo è quello che chiamiamo un lasso di tempo.

Il rompersi di una tazza avviene sempre in una direzione - da avere una tazza completa ad avere una tazza in cocci.

Grandezze fisiche e misure

In scienza e ingegneria, esistono diverse unità di misure delle proprietà di un oggetto (le sue grandezze fisiche). Nel mondo moderno, utilizziamo un sistema di unità di misura chiamato Sistema Internazionale (SI).

Unità di misura

Le unità di misura sono valori concordati che servono a confrontare le quantità fisiche di un oggetto. Esistono unità per ogni proprietà fisica, dalla massa alla quantità di materia. Le unità utilizzate per le sette proprietà fisiche fondamentali sono chiamate unità di base, una delle quali è il chilogrammo.

Grandezze fisiche e unità di misura

Le grandezze fisiche ci permettono di confrontare due o più oggetti o fenomeni in modo indiretto, utilizzando le unità di misura che conosciamo, come il metro o il chilogrammo. Ecco una semplice spiegazione:

Possiamo definire un'unica lunghezza o "lunghezza base" per confrontare tutte le altre lunghezze. Se facciamo in modo che tutti usino la stessa lunghezza, questa diventa un valore con cui misurare le altre lunghezze.

Questo valore è ciò che chiamiamo "unità" e il confronto di un oggetto con esso è ciò che conosciamo come "misurazione". Il confronto con un valore che conosciamo e che manteniamo costante è il modo in cui le unità ci aiutano a misurare. Facciamo un altro semplice esempio che ci sarà utile per definire un'unità molto nota.

Un sasso ha un certo peso, ma abbiamo bisogno di un riferimento con cui confrontarlo. Il riferimento, in questo caso, è il peso di un litro d'acqua. Il sasso può pesare una frazione di questa unità, oppure può pesare diverse volte di più.

Se la nostra roccia pesa 2,3 volte il peso del litro d'acqua, significa che il suo peso è due volte il litro d'acqua più il 30%.

Prima del 2019, il peso di un litro d'acqua era la base dell'unità che oggi chiamiamo "chilogrammo" nel sistema di unità di misura SI. Nell'esempio precedente, la roccia pesa quindi 2,3 chilogrammi. Oggi la definizione del chilogrammo è più complessa e rigorosa, essendo legata ad una quantità fondamentale della fisica.

Il Sistema Internazionale

Il Sistema Internazionale (SI) è uno standard che contiene unità per le sette proprietà fondamentali. Il sistema utilizza anche prefissi e notazioni matematiche (forme standard) per nominare e annotare rispettivamente i numeri grandi e piccoli.

I prefissi vengono anteposti al nome dell'unità per indicarne il valore. Ne sono un esempio il millimetro e il decametro.

I prefissi vengono anteposti al nome dell'unità per indicarne il valore. Ne sono un esempio il millimetro e il decametro.

La forma standard è un sistema di potenze usato per esprimere valori grandi e piccoli. Per esempio:

Grandezze fisiche fondamentali e loro unità nel SI

Tutte le grandezze fisiche che possiamo misurare sono state standardizzate e quindi ogni proprietà ha una relativa unità di misura:

• Lunghezza, misurata in metri e suoi derivati.

• Massa, misurata in chilogrammi e suoi derivati.

• Temperatura, misurata in Kelvin.

• Intensità di corrente, misurata in Ampere.

• Luminosità, misurata in candele.

• Quantità di materia, misurata in moli.

• Tempo, misurato in secondi.

Unità derivate

Il sistema di unità SI contiene anche unità derivate che vengono utilizzate per misurare quantità più complesse. Le unità derivate sono una combinazione delle sette unità di base. Di seguito è riportato un breve elenco di alcune unità derivate:

• Area, legata alla lunghezza.

• Velocità, legata a lunghezza e tempo.

• Volume, legato alla lunghezza.

• Densità, legata a volume e massa.

• Energia, legata a massa, tempo e lunghezza.

Ogni unità derivata misura una proprietà più complessa e alcune di esse hanno un nome proprio. Ad esempio, l'unità di misura dell'energia è il Joule, mentre l'unità di misura della pressione è il Pascal.

Analisi dimensionale

Le unità di misura possiedono dimensioni che coincidono con il nome delle grandezze fisiche che descrivono.

• Metro, dimensione della lunghezza.

• Chilogrammo, dimensione della massa.

• Secondo, dimensione del tempo.

• Kelvin, dimensione della temperatura.

• Mole, dimensione della quantità di materia.

• Ampere, dimensione della carica elettrica.

• Candela, dimensione della luminosità.

Ogni unità derivata possiede una combinazione di dimensioni. Questa espressione è talvolta chiamata formula dimensionale ed esprime le proprietà che compongono le unità.

Analisi dimensionale delle unità derivate

Per esprimere una grandezza nella sua forma dimensionale, dobbiamo esprimerla nelle sue unità di base e poi sostituirle con le dimensioni. Di seguito sono riportati due esempi fondamentali: