Nell’introduzione alla fisica abbiamo accennato a quanto sia importante il confronto tra la teoria e gli esperimenti. Conoscere le grandezze fisiche e la loro misura effettuando un esperimento permette di studiare un fenomeno e di formulare delle leggi fisiche che lo descrivano.
COSA SONO LE GRANDEZZE FISICHE
Sappiamo che la fisica si occupa di fenomeni che possiedono caratteristiche misurabili. La fisica utilizza infatti delle leggi fisiche, cioè delle relazioni quantitative tra grandezze fisiche. Una grandezza fisica deve quindi poter essere misurata ed espressa attraverso un numero.
Una grandezza fisica è una proprietà quantificabile di un fenomeno o di un oggetto, cioè deve essere misurabile.
Degli esempi di grandezza fisica sono la massa, l’area, la lunghezza, il tempo, il volume, la pressione, la temperatura, la velocità, ecc. e ciascuna permette di misurare una caratteristica diversa di un oggetto o di un fenomeno.
DEFINIZIONE OPERATIVA DI UNA GRANDEZZA FISICA
Ora che sappiamo cosa sono le grandezze fisiche e ne conosciamo alcuni esempi possiamo chiederci come potremmo descrivere cosa rappresenta quella grandezza. Ad esempio, come potremmo descrivere cos’è il tempo?
Bene, in fisica per dare la definizione di una grandezza è sufficiente dire quale strumento utilizzare e come si misura. Questo tipo di descrizione viene chiamato definizione operativa di una grandezza.
Ad esempio il tempo è la grandezza fisica che si misura con il cronometro, facendolo partire all’inizio dell’intervallo di tempo da misurare e fermandolo alla fine dell’intervallo di tempo.
Le grandezze fisiche possono avere più definizioni operative, la scelta dipende dalla situazione. Se vogliamo misurare la lunghezza di un banco utilizzeremo un righello, per misurare la distanza tra due città lo strumento e la sua procedura di utilizzo saranno sicuramente differenti.
Nel caso una grandezza fisica abbia più di una definizione operativa, la definizione operativa complessiva sarà l’insieme di tutte le definizioni operative.
La definizione operativa è fondamentale perché permette di descrivere univocamente il procedimento di misura e quindi rende riproducibile un esperimento. Questo fa si che un esperimento possa essere ripetuto e controllato.
GRANDEZZE FONDAMENTALI E DERIVATE
Esistono moltissime grandezze fisiche, tuttavia è possibile suddividerle in due principali categorie: le grandezze fondamentali e le grandezze derivate.
Le grandezze derivate vengono chiamate così perché sono dipendenti da quelle fondamentali. Ad esempio la velocità $v=\dfrac{s}{t}$ è una grandezza derivata e può essere ottenuta dal rapporto tra una lunghezza e il tempo. Anche la densità è una grandezza derivata, ottenuta da massa e lunghezza.
Le grandezze fondamentali sono 7 secondo il Sistema Internazionale e permettono di ricavare qualsiasi altra grandezza tramite una loro opportuna combinazione. Le 7 grandezze sono le seguenti: lunghezza, tempo, massa, intensità di corrente, temperatura, intensità luminosa e quantità di sostanza.
MISURA DI UNA GRANDEZZA FISICA
Le grandezze sono quindi profondamente legate all’operazione di misura. Cosa significa quindi misurare una grandezza?
Misurare una grandezza significa trovare il rapporto tra tale grandezza ed un campione della stessa grandezza usata come unità di misura.
Per spiegare questa definizione, immaginiamo di voler misurare la lunghezza di un tavolo. Per farlo utilizziamo un righello con tacche di 1 centimetro, appoggiandolo lungo il bordo del tavolo dal punto iniziale al punto finale. La misurazione ci fornisce un numero. Qual è il significato di questo numero? Il numero rappresenta quante tacche da 1 centimetro sono necessarie per collegare i due estremi del tavolo.
Analogamente, quando ci misuriamo sulla bilancia stiamo trovando quante masse di 1 kilogrammo servirebbero per avere la nostra stessa massa.
MISURA INDIRETTA DI UNA GRANDEZZA FISICA
Le misure non avvengono sempre attraverso il confronto diretto tra la grandezza e il campione dell’unità di misura. Se volessimo misurare la velocità di un oggetto potremmo usare due metodi differenti: il primo consiste nell’usare un tachimetro cioè lo strumento che misura la velocità, altrimenti potremmo misurare la velocità utilizzando la formula $v=\dfrac{s}{t}$ dovremo quindi misurare lo spazio percorso e il tempo impiegato per percorrerlo.
Il primo metodo viene detto misura diretta, il secondo metodo invece viene detto misura indiretta.
Possiamo dare la seguente definizione:
Misurare indirettamente una grandezza significa determinare il suo valore attraverso una formula che la lega ad altre grandezze che possono essere misurate.
COME ESPRIMERE UNA GRANDEZZA
Per esprimere il valore di una grandezza è necessario indicare un numero e l’unità di misura associata.
Se il tavolo dell’esempio appena visto fosse stato lungo $94$ centimetri allora avremmo potuto indicare la sua lunghezza come:
$l=94$ $cm$
La lettera $l$ indica la lunghezza, mentre $cm$ è la sigla dell’unità di misura, in questo caso i centimetri.
LE UNITÀ DI MISURA
Ad ogni misurazione di una grandezza è quindi necessario un numero ed un’unità di misura. Una grandezza può avere diverse unità di misura, ad esempio la lunghezza tra la miriade di possibili unità di misura può essere misurata in metri $m$, kilometri $km$ o addirittura yard $yd$.
Nel tempo si è cercato di uniformare le grandezze fisiche e le unità di misura associate, nasce così il Sistema Internazionale di Unità di Misura (S.I.) che indica le 7 grandezze fondamentali, le unità di misura di riferimento e i loro multipli e sottomultipli.
Qui un tabelle con le 7 grandezze fondamentali del S.I., le unità di misura e il loro simbolo.
CONVERTIRE UNITÀ DI MISURA
Nonostante la standardizzazione delle unità di misura può capitare di dover convertire le unità di misura, cioè di dover passare da una misura espressa in una certa unità di misura ad un’altra unità di misura.
Il S.I. ha semplificato molto questo problema, infatti se volessimo passare da metri $cm$ a kilometri $m$ è sufficiente dividere per $100$ il valore numerico, questo perché viene utilizzato un sistema decimale.
Prendendo l’esempio del tavolo visto prima possiamo scrivere la seguente uguaglianza:
$l=94\hspace{0.1cm}cm=94:100\hspace{0.1cm}m=0,94\hspace{0.1cm}m$
Per unità di misura “particolari” possiamo invece usare le proporzioni. Se ad esempio volessimo trasformare quando misura il tavolo in yard, sapendo che $1\hspace{0.1cm}cm=0,0109\hspace{0.1cm}yd$:
$1\hspace{0.1cm}cm:0,0109\hspace{0.1cm}yd=94\hspace{0.1cm}cm:l\hspace{0.1cm}yd$
Quindi otteniamo:
$l=94\cdot 0,0109\hspace{0.1cm}yd=1,025\hspace{0.1cm}yd$