Magnitudes Físicas, Unidades y Sistemas de Unidades.

Magnitud Física.

 Es una propiedad o cualidad medible de un sistema físico, es decir, a la que se le pueden asignar distintos valores como resultado de una medición. Las magnitudes físicas se miden usando un patrón que tenga bien definida esa magnitud, y tomando como unidad la cantidad de esa propiedad que posea el objeto patrón. Por ejemplo, se considera que el patrón principal de longitud es el metro en el Sistema Internacional de Unidades.

Las primeras magnitudes definidas estaban relacionadas con la medición de longitudes, áreas, volúmenes, masas patrón, y la duración de periodos de tiempo.

Existen magnitudes básicas y derivadas, y constituyen ejemplos de magnitudes físicas: la masa, la longitud, el tiempo, la carga eléctrica, la densidad, la temperatura, la velocidad, la aceleración, y la energía. En términos generales, es toda propiedad de los cuerpos que puede ser medida. De lo dicho se desprende la importancia fundamental del instrumento de medición en la definición de la magnitud.

La Oficina Internacional de Pesos y Medidas, por medio del Vocabulario Internacional de Metrología (International Vocabulary of Metrology, VIM), define a la magnitud como un atributo de un fenómeno; un cuerpo o sustancia que puede ser distinguido cualitativamente y determinado cuantitativamente.

A diferencia de las unidades empleadas para expresar su valor, las magnitudes físicas se expresan en cursiva: así, por ejemplo, la "masa" se indica con "m", y "una masa de 3 kilogramos" la expresaremos como m = 3 kg.

Ø Tipos de magnitudes físicas

Las magnitudes físicas pueden ser clasificadas de acuerdo a varios criterios:

è Las magnitudes se clasifican según su origen

·          Magnitudes Fundamentales: Son aquellas que tienen la particular característica de estar presentes en casi todos los fenómenos físicos, estas magnitudes son:

ü        Longitud (L).

ü       Masa (M).

ü       Tiempo (T).

Estas magnitudes fundamentales reciben también el nombre de dimensiones. Las magnitudes fundamentales son aquellas que sirven de base para escribir las demás magnitudes.

·          Magnitudes Derivadas: Son aquellas que están expresadas en función de las magnitudes fundamentales. Ejemplo. Aceleración, velocidad, presión, área, etc. N La superficie es una magnitud derivada porque la podemos expresar como el producto de dos longitudes.

·          Magnitudes Auxiliares: No se comparan con las magnitudes fundamentales y son el ángulo plano y el ángulo sólido.

è Según su expresión matemática, las magnitudes se clasifican en escalares, vectoriales y tensoriales.

·          Las Magnitudes Escalares: Son aquellas que quedan completamente definidas por un número y las unidades utilizadas para su medida. Esto es, las magnitudes escalares están representadas por el ente matemático más simple, por un número. Podemos decir que poseen un módulo, pero que carecen de dirección. Su valor puede ser independiente del observador (la masa, la temperatura, la densidad, etc.) o depender de la posición (la energía potencial), o estado de movimiento del observador (la energía cinética).

·          Las Magnitudes Vectoriales: Son aquellas que quedan caracterizadas por una cantidad (intensidad o módulo), una dirección y un sentido. En un espacio euclidiano, de no más de tres dimensiones, un vector se representa mediante un segmento orientado. Ejemplos de estas magnitudes son: la velocidad, la aceleración, la fuerza, el campo eléctrico, intensidad luminosa, etc.

Además, al considerar otro sistema de coordenadas asociado a un observador con diferente estado de movimiento o de orientación, las magnitudes vectoriales no presentan invariancia de cada uno de los componentes del vector y, por tanto, para relacionar las medidas de diferentes observadores se necesitan relaciones de transformación vectorial. En mecánica clásica también el campo electrostático se considera un vector; sin embargo, de acuerdo con la teoría de la relatividad esta magnitud, al igual que el campo magnético, debe ser tratada como parte de una magnitud tensorial.

·          Las Magnitudes Tensoriales: Son las que caracterizan propiedades o comportamientos físicos modelizables mediante un conjunto de números que cambian tensorialmente al elegir otro sistema de coordenadas asociado a un observador con diferente estado de movimiento (marco móvil) o de orientación.

De acuerdo con el tipo de magnitud, debemos escoger leyes de transformación (por ej. la transformación de Lorentz) de las componentes físicas de las magnitudes medidas, para poder ver si diferentes observadores hicieron la misma medida o para saber qué medidas obtendrá un observador, conocidas las de otro cuya orientación y estado de movimiento respecto al primero sean conocidos.

è Según su actividad, se clasifican en magnitudes extensivas e intensivas.

·          Magnitud Extensiva: Es una magnitud que depende de la cantidad de sustancia que tiene el cuerpo o sistema. Las magnitudes extensivas son aditivas. Si consideramos un sistema físico formado por dos partes o subsistemas, el valor total de una magnitud extensiva resulta ser la suma de sus valores en cada una de las dos partes. Ejemplos: la masa y el volumen de un cuerpo o sistema, la energía de un sistema termodinámico, etc.

·          Magnitud Intensiva: Es aquella cuyo valor no depende de la cantidad de materia del sistema. Las magnitudes intensivas tiene el mismo valor para un sistema que para cada una de sus partes consideradas como subsistemas. Ejemplos: la densidad, la temperatura y la presión de un sistema termodinámico en equilibrio.

En general, el cociente entre dos magnitudes extensivas da como resultado una magnitud intensiva. Ejemplo: masa dividida por volumen representa densidad.

Unidad.

Es la cantidad tomada como base de comparaciones. Una misma magnitud puede tener varias unidades de medida.

También se puede decir que es una porción de magnitud que se toma como tipo para comparar magnitudes de la misma especie.

Sistema Internacional de Unidades.

El Sistema Internacional de Unidades se basa en dos tipos de magnitudes físicas:

·          Las siete que toma como unidades fundamentales, de las que derivan todas las demás. Son longitud, tiempo, masa, intensidad de corriente eléctrica, temperatura, cantidad de sustancia e intensidad luminosa.

·          Las unidades derivadas, que son las restantes y que pueden ser expresadas con una combinación matemática de las anteriores.

è Unidades básicas o fundamentales del Sistema Internacional de Unidades – SI.

Las magnitudes básicas no derivadas del SI son las siguientes:

·          Longitud: metro (m). El metro es la distancia recorrida por la luz en el vacío en 1/299 792 458 segundos. Este patrón fue establecido en el año 1983.

·          Tiempo: segundo (s). El segundo es la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del cesio-133. Este patrón fue establecido en el año 1967.

·          Masa: kilogramo (kg). El kilogramo es la masa de un cilindro de aleación de Platino-Iridio depositado en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas. Este patrón fue establecido en el año 1887.

·          Intensidad De Corriente Eléctrica: amperio (A). El amperio o ampere es la intensidad de una corriente constante que, manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro, en el vacío, produciría una fuerza igual a 2×10-7 newton por metro de longitud.

·          Temperatura: kelvin (K). El kelvin es la fracción 1/273,16 de la temperatura del punto triple del agua.

·          Cantidad De Sustancia: mol (mol). El mol es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 12 gramos de carbono-12.

·          Intensidad Luminosa: candela (cd). La candela es la unidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540×1012 Hz y cuya intensidad energética en dicha dirección es 1/683 vatios por estereorradián.

Magnitud física fundamental	Unidad básica o fundamental	Símbolo	Observaciones
Longitud	metro	m	Se define en función de la velocidad de la luz
Tiempo	segundo	s	Se define en función del tiempo atómico
Masa	kilogramo	kg	Es la masa del "cilindro patrón" custodiado en Sevres, Francia
Intensidad de corriente eléctrica	Amperio o ampere	A	Se define a partir del campo eléctrico.
Temperatura	kelvin	K	Se define a partir de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.
Cantidad de sustancia	mol	mol
Intensidad luminosa	candela	cd

è Unidades Fundamentales en el Sistema Cegesimal C.G.S.

 

·          Longitud: centímetro (cm): 1/100 del metro (m) S.I.

·          Tiempo: segundo (s): La misma definición del S.I.

·          Masa: gramo (g): 1/1000 del kilogramo (kg) del S.I.

è Unidades Fundamentales en el Sistema Gravitacional Métrico Técnico

·          Longitud: metro (m). La misma definición del Sistema Internacional.

·          Tiempo: segundo (s).La misma definición del Sistema Internacional.

·          Fuerza: kilogramo-fuerza (kgf). El peso de una masa de 1 kg (S.I.), en condiciones normales de gravedad (g = 9,80665 m/s2).

è Magnitudes Físicas Derivadas.

Una vez definidas las magnitudes que se consideran básicas, las demás resultan derivadas y se pueden expresar como combinación de las primeras.

Las unidades derivadas se usan para las siguientes magnitudes: superficie, volumen, velocidad, aceleración, densidad, frecuencia, periodo, fuerza, presión, trabajo, calor, energía, potencia, carga eléctrica, diferencia de potencial, potencial eléctrico, resistencia eléctrica, etcétera.

Algunas de las unidades usadas para esas magnitudes derivadas son:

·          Fuerza: newton (N) que es igual a kg·m/s2

·          Energía: julio (J) que es igual a kg·m2/s2