LE GRANDEZZE FISICHE Tutti i Fenomeni Fisici che avvengono normalmente in natura vengono da noi rilevati attraverso i cinque sensi. Il fenomeno fisico può essere un qualsiasi evento che avviene in natura come per esempio un tuono, il moto di rotazione di un pianeta, il movimento di un auto ecc Tutto ciò che vediamo in natura non avviene mai in modo casuale ma si presenta sempre con la stessa regolarità e periodicità, il che fa pensare che tali fenomeni siano regolati da leggi ben precise. La Fisica ovviamente si occupa dell individuazione delle leggi che regolano tali fenomeni naturali. I Fenomeni Naturali per poterli individuare dobbiamo definire delle grandezze chiamate GRANDEZZE FISICHE o GRANDEZZE NATURALI. Queste grandezze, ovviamente hanno bisogno di una loro valutazione numerica chiamata anche Misura della grandezza fisica ( G ) FENOMENI NATURALI GRANDEZZE FISICHE MISURA DELLA GRAN ( G ) Le grandezze fisiche si possono dividere in : Grandezze Omogenee ( hanno le stesse unità di misura ) Grandezze Eterogenee ( hanno unità di misura differenti ) La Misura di una grandezza fisica può essere : misura diretta ( si riesce a ricavare il valore della misura direttamente) misura indiretta (quando dobbiamo applicare formule matematiche o fare calcoli) G = U h Dove : G = grandezza fisica U = misura della grandezza h = unità campione La misura diretta di una grandezza fisica è il rapporto tra quella grandezza ed un altra, ad essa omogenea, scelta come unità.
Per effettuare quindi la misura di una certa grandezza occorre : 1. aver fissato l unità di misura di quella grandezza 2. effettuare un confronto tra le grandezze porterà alla determinazione di un numero che costituisce la valutazione quantitativa, cioè la misura della grandezza. Es : misura diretta - lato di una stanza - G = 5 m misura indiretta area di una stanza G = 5 m 2 Se viene a mancare l unità di misura o viene omesso, il numero ( da solo ) non rappresenta più la Grandezza Fisica ma rappresenta soltanto un valore numerico. Risulta, quindi ovvio, che per eseguire la misura di una grandezza fisica dobbiamo scegliere l unità campione o unità di misura. Questa unità di misura è una scelta convenzionale ( che è stata scelta secondo le proprie esigenze ) e quindi si ha il rischio di usare unità differenti per misurare lo stesso elemento. Dato che l unità di misura è convenzionale è necessario uniformare questa unità campione in modo tale da rendere comprensibile a tutti le misure effettuate, pertanto si rende necessario definire un sistema di unità di misura uguale per tutti. Questo sistema viene chiamato Sistema Internazionale ( S.I. ) GRANDEZZA UNITA DI SIMBOLO FISICA MISURA LUNGHEZZA m ( metro ) [ L ] TEMPO s ( secondi ) [ T ] MASSA Kg ( chilogrammi ) [ M ] GRANDEZZE DERIVATE Esempio VELOCITA m/s [L/T] AREA m 2 [L 2 ] VOLUME m 3 [L 3 ]
APPROFONDIMENTO GRANDEZZE FISICHE Diamo di seguito alcune definizioni fondamentali per la comprensione di argomenti generali e importanti per la scienza e la tecnologia. FISICA : è la scienza che studia, con l'osservazione e la sperimentazione, in nodo quantitativo I fenomeni che lasciano inalterata la sostanza dei corpi che vi partecipano (fenomeni fisici). Di questa definizione, sicuramente incompleta, è necessario spiegare il significato delle parole sottolineate." Studiare in modo quantitativo " significa che di un fenomeno fisico non si considerano tanto le qualità, ma le quantità. Come esempio consideriamo la caduta di un grave. Lo scienziato o il ricercatore fisico non descriverà il fenomeno della caduta di un corpo, che ripetutamente proveranno, con delle parole (ad es. "la velocità del corpo aumenta sempre di più), ma mediante strumenti misureranno il tempo di caduta del grave lasciato da varie altezze; dopo aver registrato le altezze e i corrispondenti tempi di caduta concluderanno (per mezzo di tecniche matematiche) che i gravi scendono con moto uniformemente accelerato: con accelerazione pari a 9,81 m/s e che l'equazione oraria del moto è dove s è lo spazio percorso t il tempo impiegato. GRANDEZZA FISICA :definiamo "grandezza fisica" ogni concetto che ci permette una descrizione quantitativa dei fenomeni.
Questa definizione è senz'altro incompleta: cercheremo di completarla man mano. Intanto, per farei capire, nell'esempio riportato, i tempi di caduta, l'altezza e l accelerazione sono grandezza fisiche. La grandezza fisica, appunto perchè un concetto, intende una infinità di elementi. Tra tutti gli infiniti elementi di tutte le specie che esistono nell'universo, dovremo essere capaci di stabilire se due elementi appartengono alla stessa grandezza fisica. Es. 1) l'altezza del campanile 2) la lunghezza del treno 3) la lunghezza di una predica 4) la lunghezza di una stanza. Notiamo che a) il concetto di "lunghezza" indicati ai punti 2) e 4) indicano lino stesso concetto e quindi appartengono alla stessa grandezza fisica; b) il concetto di lunghezza di una predica, come indicato al punto 3), invece è differente da quello degli altri punti c) che il concetto di altezza, indicato al punto 1), Per stabilire se due elementi appartengono alla stessa grandezza fisica è necessario che siano omogenei secondo il criterio di Euclide", e cioè: - dati due elementi A e B, se fra essi ha senso dire che A è maggiore. minore o uguale di B - se fra essi ha senso fare la somma A + B e la differenza A - B, allora le due grandezze si dicono omogenee. In questo caso l'altezza di cui al punto 1) e le lunghezze di cui ai punti 2) e 4) dell'esempio, sono grandezze omogenee. Invece la "lunghezza di una predica", pur potendo essere un elemento di un certo tipo di grandezza da definire. non è sicuramente omogenea con le altre, appunto perchè non ha senso il confronto e non ha senso la somma con le altre. Possiamo perciò definire GRANDEZZA FISICA come l'insieme o la classe degli infiniti elementi omogenei fra loro secondo il criterio di Euclide, che permettono di descrivere quantitativamente i fenomeni fisici. Molti filosofi della scienza considerano questa definizione un po' povera e che possa indurre, a volte. a degli errori. Una grandezza fisica sarà completamente definita quando verrà definito anche il metodo dì misurazione". Con questa ultima aggiunta la definizione di grandezza fisica può ritenersi completa. A questo proposito ricordiamo, come esempio, la grandezza fisica "campo di induzione magnetica". Essa è una grandezza fisica il cui significato, specie per gli studenti, può essere difficile da comprendere. Eppure
1) presi due campi di induzione magnetica, ha senso il loro confronto e la loro somma 2) il suo valore si ottiene facendo il rapporto fra il valore massimo della forza che si induce in un conduttore percorso da corrente elettrica diviso la lunghezza del conduttore e la intensità di corrente (metodo di misurazione) Con queste due proposizioni possiamo considerare il campo di induzione magnetica come una grandezza fisica a tutti gli effetti, e quindi adatta a dare una descrizione quantitativa dei fenomeni fisici. Si dice MISURAZIONE l'operazione che ci permette di trovare la misura di un elemento di una grandezza fisica. La MISURA di un elemento di una grandezza fisica (o semplicemente la "misura di una grandezza fisica") è un numero che ci indica il rapporto fra l'elemento esaminato e un altro elemento, omogeneo al primo, appartenente cioè alla stessa grandezza fìsica, scelto come riferimento. Rapportare due elementi è possibile perché ha senso la somma fra elementi di una stessa grandezza fisica. E' necessario, affinchè le osservazioni pubblicate per la divulgazione scientifica siano comprensibili da tutti, che le unità di misura siano internazionalmente riconosciute. Di questo problema parleremo in un prossimo capitolo. Terminiamo questo capitolo facendo una generale classificazione dei vari metodi di misurazione, 1) misurazione diretta o per confronto E quella che si effettua confrontando in modo diretto la grandezza in esame con la sua unità di misura* Es: la lunghezza di una stanza, di un tavolo si misura in modo diretto punchè si mette a confronto diretto la lunghezza della stanza con la lunghezza del metro che è l'unità di misura. La misurazione diretta non è tipica delle lunghezze; ad es. il tempo di un fenomeno misurato con un metronomo che scandisce il tempo, oppure il volume di un recipiente di forma strana che viene misurato riempiendolo con un certo liquido e quindi misurando con il litro il volume del liquido contenuto, sono esempi di misurazioni dirette di una certa grandezza fisica. Così la misura delle lunghe distanze o delle grandi altezze. per le quali è impossibile un confronto diretto del metro con esse, dimostrano che la misurazione delle lunghezze può avvenire anche in altri modi. 2) Misurazioni indirette o derivate Le misurazioni di questa categoria, non si effettuano mediante un confronto diretto della grandezza esaminata con l'unità di misura, ma attraverso l'applicazione di una legge fisica o una definizione espressa da una formula, che in modo generico indichiamo con
la grandezza da misurare, la y, viene trovata misurando in modo diretto le grandezze a, b, c, ecc... a cui la y è legata. Es. Per misurare il volume di un corpo si può misurare i tre lati, e il valore si ottiene dalla seguente formula: V = l1 x l2 x l3 E' necessario notare, ma lo approfondiremo meglio successivamente, che le unità di misura della grandezza "derivata" è definita dalle unità di misura delle grandezze misurate in modo diretto e da opportune convenzioni. 3) Misurazione mediante strumenti tarati a lettura diretta Molte misurazioni dirette o indirette sono impossibili: è impossibile cioè confrontare in modo diretto la grandezza esaminata con l'unità di misura. Si ha bisogno di uno strumento, preliminarmente tarato che faciliti e renda possibile il confronto. Es. Sarebbe impossibile misurare il tempo il modo diretto. Si ha la necessità di uno strumento che scandisca il tempo secondo l'unità di misura ( o suoi sottomultipli) il quale però abbia subito in precedenza un confronto con l'unità di misura (è il caso del metronomo tarato - esso però non è a lettura diretta). Se poi questo confronto viene anche indicato da un indice, tanto meglio (cronometro). Inoltre molte misurazioni indirette si basano su semplici fenomeni: è conveniente far eseguire questi fenomeni all'interno di certe apparecchiature e far in modo che il risultato del fenomeno si traduca nello spostamento di un indice. Definiremo perciò "strumento tarato a lettura diretta" un dispositivo che permette il confronto della grandezza da misurare con la grandezza campione, presa una volta per tutte (taratura) e nel quale il risultato del confronto si traduce nello spostamento di un indice. E il caso del tachimetro, lo strumento che misura la velocità indicando direttamente all osservatore senza che questi debba effettuare alcun calcolo. E' anche il caso del dinamometro a molla, del termometro, dell'amperometro e di tutti gli strumenti tarati con i quali noi effettuiamo una misurazione leggendo la posizione dell'indice su di una scala, dimenticandoci anche che questa è stata precedentemente graduata per confronto con un campione o coni suoi sottomultipli e multipli. La TARATURA : oltre che per confronto diretto con il campione (come può avvenire con un dinamometro che si tara appendendo ad esso dei pesi noti) può essere effettuata per confronto con un altro strumento di maggiore precisione o. a volte. con una misurazione indiret-
ta (come di fa. per esempio, per il tachimetro di un auto quando si misura lo spazio percorso e il tempo impiegato per trovare il valore della velocità e confrontarla con quanto indicato dal tachimetro). La VERIFICA :è il controllo della taratura: essa può essere eseguita ad intervalli di tempo regolari; viene eseguita dall'utilizzatore o da Enti Pubblici a ciò preposti (Ufficio Metrico). Esistono anche altri tipi di strumenti che permettono il confronto della grandezza esaminata con un'altra della stessa specie presa come riferimento: - strumenti di equilibrio o da zero: in essi la misura è ottenuta per opposizione. variando per tentativi il valore della grandezza di confronto fino alla condizione di uguaglianza. E' il caso della bilancia a due piatti,, ecc.. - strumenti di paragone in cui la misura è ottenuta per sostituzione della grandezza in esame con quella di pari specie e di valore noto ; lo strumento indicatore ( che deve essere tarato ) fornisce la differenza, in genere assai piccola tra le due grandezze.