Fundamentos de Medición y Sistemas de Referencia en Física

Sistema Internacional de Unidades

Se instauró en 1960, en la XI Conferencia General de Pesos y Medidas, durante la cual inicialmente se reconocieron 6 unidades físicas básicas.

Es el heredero del antiguo sistema métrico decimal y por ello también se le conoce como "sistema métrico", especialmente por las personas de más edad y en pocas naciones donde aún no se han implantado para su uso cotidiano. Sus unidades se basan en fenómenos físicos fundamentales.

Sistemas de Referencia

Un sistema de referencia o marco de referencia es un conjunto de convenciones usadas por un observador para poder medir la posición y otras magnitudes físicas de un sistema físico y de mecánica.

Sistemas y Gráficas

• El Sistema Coordenado Unidimensional o lineal: representado por la recta numérica, que se determina por P1(X1) y P2(X2).
• El Sistema Coordenado Bidimensional o de Coordenadas cartesianas: Se representa en un plano cartesiano con el eje x y el eje y.
• El Sistema Coordenado Tridimensional: En tres dimensiones se introduce un tercer eje, el eje z, para definir la altura o profundidad de un punto. En el sistema de coordenadas cartesianas los tres ejes se encuentran en ángulos rectos entre sí.

Conceptos Fundamentales

Ciencia: es el conjunto de conocimientos estructurados sistemáticamente. Es el conocimiento obtenido mediante la observación de patrones regulares, de razonamientos y de experimentación en ámbitos específicos.

Principio: es una ley o regla que se cumple o debe seguirse con cierto propósito, con el fin de lograr algo.

Teoría: es un sistema lógico-deductivo constituido por un conjunto de hipótesis.

Hipótesis: es una suposición, una idea que puede no ser verdadera, basada en información previa.

Ley: es una proposición científica en la que afirma una relación constante entre dos o más variables o factores.

Teorema: es una fórmula bien formada que puede ser demostrada dentro de un sistema formal.

Notación Científica: es una manera rápida de representar un número utilizando potencias de base diez. Se puede expresar muy fácilmente números muy grandes o muy pequeños.

Vectores y sus Componentes

En la física existen magnitudes escalares como la temperatura, la cual consta de un número y su unidad. Sin embargo, también existen magnitudes vectoriales las cuales se utilizan para describir la magnitud, dirección y sentido de un fenómeno, ejemplo: fuerza, velocidad, aceleración, etc.

Los vectores pueden representarse a través de sus componentes rectangulares, es decir, por sus proyecciones en los ejes de coordenadas.

Instrumentos de Medida (I.M)

La parte fundamental de todo proceso de medida es la comparación de cierta cantidad de la misma que se ha elegido como patrón. En este proceso se utilizan los I.M que previamente están calibrados en unidades de patrón utilizadas.

Los I.M nos permiten realizar mediciones correctas de una magnitud. Un I.M se caracteriza por la sensibilidad, esta variación es la de magnitud a medir que es capaz de apreciar el instrumento.

Precisión: es la medida capaz de apreciar el instrumento.

Incertidumbre: está relacionada con el proceso de medida. Se trata del máximo error de la medida. Por regla general se toma como incertidumbre la precisión del aparato.

Errores Experimentales

Tenemos dos tipos de errores en el proceso de medida:

• Errores sistemáticos: tiene que ver con la metodología del proceso de medida.
  • Calibrado del aparato: normalmente son errores en la puesta a cero. En algunos casos son errores en la fabricación del aparato que desplazan la medida una escala.
  • Error de paralaje: cuando un observador mira oblicuamente un indicador y la escala del aparato, este error se puede reducir o evitar mirando perpendicularmente la escala de medida del aparato.
• Errores accidentales o aleatorios: se producen por causas difíciles de controlar (movimiento del instrumento o algún cambio en las condiciones de la medida). Para evitarlo se deben tomar varias medidas y se toma como valor real o medida más cercana a la realidad la media aritmética de las medidas tomadas.

Cálculo de Errores

Bien sea una medida directa la que da el aparato o indirecta, utilizando fórmulas, existe un tratamiento de los errores que se utilizan en los cálculos.

Error absoluto: es la diferencia entre el valor de la medida y el valor tomado como exacto. Puede ser positivo o negativo, tiene las mismas unidades que la medida.

Ea= Vm-V

Vm= valor medido

V= valor exacto

Error relativo: es el cociente o división entre el valor del error absoluto y el valor tomado como exacto. Se multiplica por 100 y se obtiene el porcentaje. No tiene unidades.

Er=Ea/V x100

Cifras significativas: de una medida están formados por los dígitos que se conocen no afectados por el error más la última cifra sometida al error de la medida.

Un aparato de medida deberá tener el error en el último dígito que es capaz de medir.

Cálculos con Datos Experimentales

La estadística es muy importante en las ciencias experimentales. Toda ciencia y experiencia debería tener detrás un estudio estadístico que nos indique cuántos datos debemos tratar y cómo tratarlos una vez realizada la experiencia.

Reglas para el Cálculo de los Datos Experimentales

1. Una medida deberá tomarse 3 o 4 veces para neutralizar el error accidental.
2. Se tomará como valor real la media aritmética simple de los resultados.
3. El error absoluto de cada medida será la diferencia entre cada una de las medidas y el valor tomado como real.
4. El error relativo de cada medida será el cociente del error absoluto entre el valor exacto.

Si el porcentaje es menor al 20% la experiencia es correcta y si es mayor deberá repetirse.