Contenido: Mediciones. Cantidades físicas, patrones y unidades. Sistema internacional de unidades. Unidades de uso común en países de habla inglesa.
Mediciones
A pesar de la belleza matemática de algunas de sus más complejas y abstractas teorías, incluyendo las de las partículas elementales y de la relatividad general, la física es sobre todo una ciencia experimental.
Es, por tanto, crucial que quienes realizan mediciones precisas se pongan de acuerdo acerca de patrones mediante los cuales puedan expresarse los resultados de esas mediciones, de modo que puedan ser comunicadas de un laboratorio a otro y verificadas.
En este capítulo comenzaremos nuestro estudio de la física con la introducción de algunas de las unidades básicas de las cantidades físicas y de los patrones que han sido aceptados para su medición.
Tomamos en cuenta la manera adecuada de expresar los resultados de cálculos y mediciones, incluyendo las dimensiones apropiadas y el número de cifras significativas.
Discutimos e ilustramos la importancia de poner atención a las dimensiones de las cantidades que aparecen en nuestras ecuaciones. Más adelante en el texto, se presentarán otras unidades básicas y muchas unidades derivadas según fuera necesario.
Cantidades físicas, patrones y unidades
El material fundamental que constituye la física lo forman las cantidades físicas, en función de las cuales se expresan las leyes de esta ciencia, entre ellas están la longitud, masa, tiempo, fuerza, velocidad, densidad, resistividad, temperatura, intensidad luminosa, intensidad del campo magnético, y muchas más.
Muchas de estas palabras, tales como longitud y fuerza, son parte de. Nuestro vocabulario cotidiano. Sin embargo, en física no debemos engañamos con los significados cotidianos de estas palabras.
Podemos definir una cantidad algebraica, por ejemplo, L para la longitud y podemos suponer que es exactamente conocida. Sin embargo, cuando tratamos de asignar una unidad a un valor particular de esa cantidad, encontramos dificultades para establecer un patrón, de manera que quienes tienen la necesidad de comparar una longitud con otra, concuerden en las unidades de medición.
Antiguamente, la medida inglesa de longitud era la yarda, determinada por el tamaño de la cintura del rey. Podemos fácilmente deducir cuáles serán los problemas de un patrón así por un lado, es difícilmente accesible a quienes necesitan calibrar sus propios patrones secundarios y, por otro, no es invariable al cambio con el paso del tiempo.
Por fortuna, no es, necesario definir y concordar sobre patrones para cada cantidad física. Ciertas cantidades elementales pueden ser más fáciles de establecer como patrones, y las cantidades más complejas pueden a menudo ser expresadas en función de las unidades elementales.
Longitud y tiempo, por ejemplo, estuvieron durante muchos años entre las cantidades físicas más precisamente mensurables y fueron generalmente aceptadas como patrones.
Por lo contrario, la velocidad fue menos sujeto de medición precisa y, por lo tanto tratada como una unidad derivada (velocidad = longitud/tiempo).
Sin embargo, hoy día las mediciones de la velocidad de la luz han llegado a una precisión más allá del patrón anterior de longitud; todavía tratamos la longitud como una unidad fundamental, pero el patrón para su medición se deriva ahora de los patrones de velocidad y de tiempo.
Sistema internacional de unidades
Sistemas de unidades. Con los cuatro conceptos fundamentales introducidos en la sección anterior, se asocian las llamadas unidades cinéticas, es decir, las unidades de longitud, tiempo , masa y fuerza.
Tres de éstas unidades pueden definirse arbitrariamente; y son las que se denominan unidades básicas o fundamentales. Se dice que las unidades cinéticas seleccionadas de esta manera conforman un sistema consistente de unidades.
Sistema Internacional de Unidades (Unidades SI).
En este sistema, que será de uso universal después de que los países de habla inglesa hayan completado su conversión total, las unidades básicas son las unidades de longitud, masa y tiempo, y se han denominado el metro (m), el kilogramo (kg) y el segundo (s).
Todas ellas se han definido arbitrariamente. El segundo, que se supone representa 1/86400 partes del día solar medio, se define actualmente como la duración de 9192631770 vibraciones de la radiación asociada con una transición específica del átomo de Cesio.
El metro, que inicialmente intentó representar una diezmillonésima parte de la distancia desde el ecuador hasta el polo, se define ahora como 165076373 longitudes de onda de la línea rojoanaranjada del espectro del Kriptón 86.
El kilogramo, que es aproximadamente la masa de 0.001 m3 de agua, se define actualmente como la masa de un estándar de platino guardado en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas en Sevres, cerca de París, Francia.
La unidad de fuerza es una unidad derivada. Se llama el Newton (N) y se define como la fuerza que proporciona una aceleración de 1 m/s2 a una masa de 1 kg.
1 N = (1 kg) (1 m/s2) = 1 kg m/s2 (1-1)
Se dice que las unidades SI forman un sistema absoluto de unidades. Esto significa que las tres unidades escogidas como básicas son independientes de la localización donde se realice la medición. El metro, el kilogramo y el segundo pueden usarse en cualquier parte sobre la Tierra o en cualquier otro planeta. Siempre tienen el mismo significado.
De la misma manera que cualquier fuerza, el peso de un cuerpo debe expresarse en Newtons. El peso de un cuerpo de masa 1 kg está dado por:
W = mg (1-2)
= (1 Kg)(9.81 m/ seg2)
= 9.81 N
Los múltiplos y submúltiplos de las unidades fundamentales SI pueden obtenerse mediante el uso de los prefijos. Los múltiplos y submúltiplos de las unidades de longitud, masa y fuerza más utilizados en ingeniería, son respectivamente, el kilómetro (km) y el milímetro
(mm); el megagramo* (Mg) y el gramo (g); y el kilonewton (kN).
Unidades de uso común en países de habla inglesa
Sistema de Unidades SU. La mayoría de los ingenieros americanos aún usan un sistema en el que las unidades básicas son las de longitud, fuerza y tiempo. Tales unidades son, el pie (p), la libra (lb) y el segundo (s). El segundo es el mismo del SI.
El pie se define como 0.3048 m. La libra se define como el peso de un estándar de platino, llamado la libra estándar y guardado en el National Bureau of Standards en Washington, y cuya masa es 0.45359243 kg.
Puesto que el peso de un cuerpo depende de la atracción gravitacional de la Tierra, la cual varía con el lugar, se especifica que la libra estándar debe ser colocada a nivel del mar y a una latitud de 45° para definir correctamente una fuerza de 1 lb. Obviamente las unidades usuales en el sistema SU no conforman un sistema absoluto.
A causa de su dependencia de la atracción gravitacional, se dice que forman un sistema gravitacional de unidades.
Aunque la libra estándar sirva como unidad de masa en las transacciones comerciales en los Estados Unidos, no puede usarse en cálculos de ingeniería puesto que tal unidad no es consistente con las unidades básicas definidas en el párrafo anterior.
Realmente, cuando se ejerce una fuerza de 1 Ib, esto es, cuando se somete a su propio peso, la libra estándar adquiere la aceleración de la gravedad, g = 32.2 p/s2, que no es la unidad de aceleración requerida por la ecuación (1.2). La unidad de masa 32.2p/s2 consistente con el pie, la libra y el segundo es la masa que adquiere una aceleración de 1 p/s2 cuando se le aplica una fuerza de 1 lb Esta unidad, llamada slug, puede deducirse de la ecuación F = ma después de sustituir 1 lb y 1 p/s2 para F y a, respectivamente.
Otras unidades SU que se encuentran con frecuencia en problemas de ingeniería son la milla (mi), igual a 5280 p, la pulgada (pul), igual a ½ p; y la kilolibra (kip), igual a 1000 lb. La tonelada se usa a veces para representar una masa de 2000 lb, pero, así como la libra, debe convertirse a slug para los cálculos correspondientes.
La conversión de pies, libras, segundos y otras cantidades expresadas en SU requiere generalmente mayor atención que la conversión de unidades SI. Si por ejemplo, la magnitud de una velocidad puede darse como v = 30 mi/h (millas por hora).
Fuente: Apuntes de la materia física 1 / unideg