Introduzione alle grandezze fisiche

Potrebbe non essere semplice dare una definizione di grandezza fisica, nonostante ogni giorno abbiamo a che fare con misurazioni che ovviamente coinvolgono grandezze prestabilite. Il concetto comune quindi è ben assodato, tuttavia le caratteristiche di una grandezza fisica possono essere estremamente varie, e i fisici si prefiggono di misurare con precisione ogni possibile oggetto nell’Universo e di tracciare l’andamento di qualsiasi evento possa verificarvisi, in qualsiasi ambito si possa concepire (almeno nelle possibilità umane).

Le grandezze fisiche sono d’altronde le componenti delle leggi che descrivono e predicono i suddetti eventi.
Un immediata conclusione che si trae è che ogni grandezza fisica debba essere adeguatamente misurata a seconda dell’ambito e della precisione richesta dall’evento in esame. Se dovessimo misurare una pista olimpionica ci serviremmo di un metro che abbia una precisione millimetrica, se dovessimo misurare il tempo impiegato da un atleta in una gara dovremmo usare un cronometro elettronico con una precisione del millesimo di secondo, se invece dovessimo misurare la velocità dell’atleta dovremmo usare entrambe le misure suddette per calcolarlo tramite l’opportuno rapporto di spazio su tempo.
Questi esempi banali ci danno subito l’idea di come sia importante la misurazione, come debba essere compiuta e di come questa possa ammettere delle imprecisioni più o meno significative, sempre a seconda dell’ambito in cui si compiono.
Ad esempio, citando i casi suddetti, potremmo ammettere una imprecisione della misurazione del decimo di millimetro per la lunghezza della pista olimpionica, oppure del centesimo di millisecondo per il tempo della gara, ma come si comporterebbe la misura della velocità ? Soffrirebbe di entrambe le imprecisioni, dilatandole.
Le esperienze di fisica si occupano anche (e soprattutto) di questo: dare una misurazione più corretta possibile affinchè le leggi non vengano usate male con risultati che invaliderebbero la descrizione di un esperimento.
Le imprecisioni ci sono sempre, per quanto preciso possa essere lo strumento e le abilità usate, possiamo però usare degli accorgimenti specifici per ogni caso affinché le misurazioni di un evento da descrivere “ricadano” in un certo margine e che questo margine sia abbastanza esiguo da non inficiare l’esperimento e quindi che il risultato ottenuto sia valido agli scopi prefissi.

Riflettendo, scopriamo che non ha senso effettuare una misurazione, senza che questa non sia correlata all’incertezza. L’incertezza può essere dovuta allo strumento usato e alle svariate condizioni al contorno. Riportare una misurazione senza incertezza, ci darà ovviamente un risultato preciso ed univoco… ma potenzialmente errato per gli scopi prefissi.
Abbiamo accennato agli ambiti nei quali le grandezze fisiche debbano essere misurate e finora ci siamo riferiti a questi solo dal punto di vista della precisione, esistono però svariati tipi di grandezze fisiche ognuna delle quali è utile in determinati eventi e non in altri. Casi banali possono essere il secondo per misurare il tempo, il metro per le lunghezze e il grado centigrado per le temperature, ognuna con il suo strumento di misurazione. Tuttavia esistono, nel mondo, più unità di misura che descrivono una lunghezza, un tempo o una temperatura, ognuna creata con particolari dettami magari tipici di tradizioni locali. Allora, ad esempio, avremo per la lunghezza il metro, il miglio, il piede o il biblico stadio, per le temperature avremo il grado centigrado, il kelvin o il fahreneit e per la massa avremo il grammo, la libbra, il gallone e tantissime altre.
Questa inflazione delle unità di misura ovviamente complica non poco l’esportazione delle misure da un luogo all’altro, infatti, pur avendo gli opportuni fattori di conversione, alcune forme di unità di misura possono non essere ugualmente adatte. Un esempio su tutti è dato dal grado Fahreneit, il quale venne creato ponendo come grado zero della sua scala (0 °F) la temperatura alla quale un’ugual mistura di ghiaccio e sale si scioglie. Fissò inoltre il punto di 96 °F alla temperatura del sangue, usando inizialmente del sangue di cavallo. Come si può intuire, questi riferimenti raggiungono facilmente il loro limite di precisione in quanto non tengono conto della pressione atmosferica che cambia il punto di cambio di stato, se il cavallo è a riposo o in corsa (e magari anche di che razza sia). Ci troveremo quindi con delle misure che cambiano in continuazione tramite fattori che non ci è possibile controllare, il che non è accettabile. Negli anni molte unità di misura si sono avvicendate o aggiornate per fare fronte alle necessità crescenti di precisione, basti pensare a come i moderni transistor dei microprocessori diventino più piccoli ogni anno per ottenere un salto prestazionale (oggi siamo intorno ai 28 nanometri contro alcuni micrometri degli anni 80), è chiaro che non sarebbe possibile senza unità di misura definite rigorosamente.

Questi punti di vista, l’ambito, l’incertezza e il rigore della definizione, ci suggeriscono anche come possa nascere una unità di misura. Partiamo da dei fenomeni o da concetti ben definiti e sempre riproducibili in determinate condizioni e attinenti ad un certo campo, fissiamo due punti arbitrari, possibilmente comodi o dove vi siano particolari proprietà facilmente riproducibili. Uno segnerà l’origine,ossia lo zero della scala di misura, mentre per l’altro definiremo che vi siano X livelli di differenza.  Dividendo l’intervallo tra i due punti per X otteniamo una scala di misurazione per quell’unità . Un caso assolutamente simile è quello del grado Celsius, oppure dell’anno solare.

Ovviamente anche qua ci saranno delle imprecisioni che possono essere corrette o migliorate con lo scoprire di ulteriori fenomeni o concetti che permettono una scala più piccola o più precisa. E’ questo il caso del tempo il quale era nato a partire dalla divisione del giorno solare medio in secondi, passando per il tempo impiegato dalla velocità della luce nel vuoto a compiere un determinato tragitto, fino all’orologio a fontana di cesio. Non si deve pensare però che le attuali definizioni vengano abbandonate o ritenute errate, tutto dipende dall’ambito dell’evento. Ad esempio è del tutto inutile usare la precisione di un orologio al cesio per dare un appuntamento tra amici per andare al cinema e sarà inefficace usare un comune orologio da polso per misurare gli intervalli di tempo tra una vibrazione atomica e l’altra.

Per ultimo, con il progredire della fisica moderna e col migliorare delle comunicazioni tra le varie parti del mondo, sono stati istituiti nelle varie regioni mondiali, degli organi che vigilano sugli standard delle unità di misura. Il sistema di unità di misura e utilizzato è il S.I. Sistema Internazionale. Gli Stati che aderiscono o fanno parte delle regioni in cui il SI è presente, utilizzano le unità di misura metro per la lunghezza, secondo per il tempo, chilogrammo per la massa, ampere per l’intensità della corrente elettrica, kelvin per la temperatura, mole per la quantità di sostanza (numero di molecole in un volume).

Le unità di misura sono quindi sempre “in movimento”. In futuro è lecito aspettarsi che le attuali definizioni delle unità di misura verranno aggiornate per misurare nuove proprietà dell’Universo che man mano verranno scoperte.

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Pubblicato su Fisica

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