Grandezze fisiche: introduzione
La fisica si occupa dello studio dei fenomeni naturali, delle loro cause e dei loro effetti, attraverso leggi matematiche che li descrivono. Per poter studiare le caratteristiche di determinati fenomeni è necessario poter quantificare la loro intensità, e per questo si utilizzano delle grandezze fisiche.
Ogni volta, quindi, che si studia un determinato fenomeno, occorre specificare quale unità di misura stiamo utilizzando.
Ad esempio, per misurare la lunghezza di un percorso si possono utilizzare i metri, o i chilometri; per la misura di una superficie possiamo utilizzare i metri quadrati (\(m^2\)); per misurare una temperatura possiamo utilizzare i gradi centigradi (C) o i gradi Kelvin (K).
Alcune unità di misura possono essere ricavate da altre mediante prodotti o differenze. Ad esempio, la misura della velocità è data dal rapporto tra distanza percorsa e unità di tempo, quindi può essere espressa in $m/s$ o $km/h$. Tali unità di misura vengono definite grandezze derivate.
Le unità di misura, invece, che non possono essere derivate da altre si definiscono grandezze fondamentali, e sono ad esempio il metro (m), in secondo (s), ecc….
Il sistema internazionale (S.I.)
Poiché esistono diverse unità di misura che possono descrivere uno stesso fenomeno, è necessario stabilire un “linguaggio” universale, che fornisce delle grandezze fondamentali e derivate da utilizzare nello studio di determinati fenomeni.
Per questo, è stato introdotto il Sistema Internazionale di unità di misura (S.I), grazie al quale sono state decise sette grandezze fondamentali, alle quali sono stati attribuiti dei simboli, anch’essi universali. Da tali grandezze, poi, sono state definite le grandezze derivate, quelle che descrivono velocità, accelerazione, forza, lavoro, pressione, potenza, ecc.
Riassumiamo in una tabella le sette grandezze fondamentali:
| Grandezza fisica | Nome della grandezza | Simbolo |
|---|---|---|
| Massa | chilogrammo | kg |
| Lunghezza | metro | m |
| Tempo | secondo | s |
| Temperatura | kelvin | K |
| Intensità luminosa | candela | cd |
| Quantità di sostanza | mole | mol |
| Corrente elettrica | ampere | A |
Vediamo ora proprietà e particolarità di alcune delle grandezze fondamentali:
La massa
La massa misura la quantità di materia di un oggetto, e non va confusa con il peso. Infatti, il peso di un oggetto è una forza dovuta all’attrazione di gravità terrestre. La massa di un oggetto, quindi, è sempre la stessa, indipendentemente dal luogo in cui ci si trova; il peso di un oggetto, invece, può variare in base all’altitudine, o al pianeta su cui viene misurato (sulla luna, per esempio, l’attrazione gravitazionale è $ 1/6 $ di quella terrestre).
La temperatura
Possiamo definire la temperature come la grandezza fisica che esprime quanto un oggetto sia caldo o freddo. Nel sistema internazionale, l’unità di misura della grandezza è il Kelvin, ma usualmente viene utilizzato il grado centigrado per esprimere la temperatura. La scala Kelvin e la scala Celsius hanno unità della stessa dimensione (cioè, un grado Kelvin ha la stessa dimensione di un drago Celsius), ma tra le scale esiste la seguente relazione:
\( K = °C + 273,15 \)
In particolare, lo zero della scala Kelvin (che corrisponde a -273,15 °C ) è la minima temperatura raggiungibile, e si definisce zero assoluto.
Un’altra scala largamente utilizzata è la scala Fahrenheit; la sua relazione con la scala centigrada è la seguente:
$ °F =frac(9)(5) * (°C) + 32 $
Come abbiamo detto in precedenza, le grandezze derivate si ottengono come rapporti o prodotti di quelle fondamentali; nella tabella di seguito sono riassunte le più importanti.
| Grandezza fisica | Unità di misura |
|---|---|
| Volume | $m^3$ |
| Accelerazione | \( m / s^2 \) |
| Densità | \(g / cm^3 \) |
| Forza | \(kg \cdot m/s^2 \,\,\,\,\, \mbox{ (N)}\) |
| Lavoro | \(N \cdot m \,\,\,\,\, \mbox{ (J)} \) |
| Pressione | \(N/m^2 \,\,\,\,\, \mbox{ (Pa)}\) |
Vediamo ora delle proprietà e particolarità di alcune delle grandezze derivate:
Il volume
Il volume è una grandezza derivata dalla misura della lunghezza, il metro. Poiché il volume di un cubo si ottiene elevando il lato del cubo alla terza, il volume è espresso, nel sistema internazionale, in metri cubi \( (m^3) \).
Per misurazioni più piccole, poi, si possono utilizzare diverse scale, quindi per esempio il centimetro cubo \((cm^3)\), il millimetro cubo \((mm^3)\) ecc.
Nel caso dei liquidi, spesso, il volume viene espresso in litri, ricordando che un litro corrisponde ad un decimetro cubo \((1 L = 1 dm^3)\).
La densità
La densità è una proprietà delle sostanze ottenuta dal rapporto massa/volume e viene espressa solitamente come \(g/cm^3\).
Possiamo capire il significato di densità osservando una caratteristica dell’acqua: l’acqua solida (cioè il ghiaccio) galleggia sull’acqua liquida; questo è dovuto al fatto che la densità del ghiaccio è minore di quella dell’acqua allo stato liquido.
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