1.- Introducción
La medida está ligada al progreso de la humanidad, indicando el grado de desarrollo científico-tecnológico de un país, hasta el punto de que todos los países más desarrollados del Mundo cuentan con laboratorios Nacionales de Metrología.
La importancia de realizar medidas ha ido evolucionando a lo largo de la historia, tomando incluso como referencia algunas partes del cuerpo humano (pie, pulgada, etc.) como patrones y equipos de medida. Actualmente existen gran variedad de magnitudes como la longitud, la masa y el tiempo que posibilita realizar distintos tipos de medición y diseñar diversos aparatos para su medida.
Las Magnitudes físicas se miden usando un patrón que debe tener bien definida esa magnitud, y tomando como Unidad de esa magnitud una cierta cantidad de esa propiedad que posea el objeto patrón.
Tipos de Magnitudes según su origen:
- Fundamentales: Se definen de manera arbitraria, y son la base del sistema de unidades.
- Derivadas: Se definen en función de otras magnitudes mediante ecuaciones físicas
Tipos de Magnitudes según su naturaleza:
- Simples: Se pueden medir directamente
- Compuestas: Para su medida necesitamos medir previamente otras magnitudes que nos permitan determinarlas mediante una ecuación física
Tipos de Magnitudes según la rama de la física en la que se introducen:
- Magnitudes Cinemáticas: Miden cuerpos en movimiento sin considerar las causas que los originan
- Magnitudes Geométricas: Atienden a la forma y posición de los cuerpos
- Magnitudes Dinámicas: Miden cuerpos en movimiento considerando las causas que los originan
- Magnitudes Eléctricas: Son propias de los circuitos eléctricos
- Magnitudes Sensoriales: Están relacionadas con la percepción del entorno a través de los ojos y oídos por parte de los seres vivos.
2.- Sistema Internacional de Medidas
El Sistema Internacional de Medidas, abreviado SI, es el heredero del antiguo sistema métrico decimal, por lo que el S.I. también es conocido de forma genérica como sistema métrico.
Características del SI:
- Sus unidades están basadas en fenómenos físicos fundamentales.
- Sus unidades son la referencia internacional de todos los instrumentos de medida
- Sus unidades están referidas a través de una cadena ininterrumpida de calibraciones o comparaciones.
- Consta de siete unidades básicas, también denominadas Unidades Fundamentales, que definen a las correspondientes Magnitudes Fundamentales, que han sido elegidas por convención, y que permiten expresar cualquier magnitud física en términos o como combinación de ellas.
- Las magnitudes físicas fundamentales se complementan con dos magnitudes físicas más, denominadas Magnitudes Suplementarias.
- Por combinación de las unidades de las Magnitudes Fundamentales se obtienen las demás unidades, denominadas unidades derivada, que nos permiten definir a cualquier Magnitud Derivada.
3.- Magnitudes Cinemáticas
3.1.- Medida de Longitud
Se trata de una Magnitud Fundamental cuya unidad en el SI es el Metro. Tradicionalmente, un metro es lo que mide una barra de platino e iridio que se conserva a una temperatura de 0ºC en el Museo de Pesas y Medidas de París.
- Calibre o Pie de Rey: Se usa para medidas de precisión. Consta de una regla de acero inoxidable rematada por una presa de boca fija y borde biselado. La cara frontal de la regla está graduada en paralelo en milímetros y pulgadas comenzando la escala desde el borde de la boca. Sobre dicha escala fija se desplaza una pieza corredera en cuyo extremo hay otra boca fija de borde biselado enfrentada que tiene una pequeña y con la marca cero que debe coincidir con el cero de la regla cuando ambas bocas están pegadas. Si se pone un pequeño objeto entre las dos bocas, se podrá leer de manera precisa el tamaño de dicha pieza en la dirección paralela a la escala. Los tradicionales calibres de lectura directa ya están siendo sustituidos por calibres de lectura digital.
- Tornillos Micrométricos: Son dispositivos que permiten medidas aún más precisas que los calibradores. Constan de un cuerpo principal en forma de herradura que lleva una tuerca graduada en sentido longitudinal provista de un mango, de manera que el cero coincide con el punto en el que la tuerca hace presa en la herradura. La tuerca ajustará sus topes en torno a la pieza que se desea medir, permitiéndonos así leer en la escala la longitud buscada.
- Cinta Métrica o Flexómetro: Lo forma un fleje flexible de acero o tela enrollado en una carcaza plástica o metálica. Sobre la cinta está dibujada la escala en centímetros y milímetros. El cero de la escala se sitúa justo al inicio de la cinta, justamente donde hay un tope metálico que impide que esta se enrolle por completo dentro de la carcaza. Las medidas se realizan posicionando el cero en un extremo del objeto a medir, y leyendo la longitud sobre el punto de la escala que coincide con el otro extremo de dicho objeto.
- Estación Total: Es un aparato de altísima precisión usado para medir grandes distancias, por lo que se usa preferentemente en topografía. Consta de un teodolito capaz de medir ángulos y n distanciómetro que realiza las medidas en función del tiempo que tarda en ir y volver una onda electromagnética entre el equipo emisor y una lente que refleja dicha onda y que se monta en un prisma sobre un bastón estacionado en el punto que deseamos medir.
- GPS: Son instrumentos usados para medir grandes distancias, usando para ello diferentes redes de satélites geoestacionarios que orbitan La Tierra y que también se utilizan para navegación terrestre y marítima.
3.2.- Medida de Tiempo
Se trata de una Magnitud Fundamental cuya unidad en el SI es el Segundo. De manera aproximada, se considera que 60 segundos conforman un minuto y 60 minutos forman una hora. Dado que un día entero tiene aproximadamente 24 horas, el segundo viene a ser (1/86400) parte del tiempo que la Tierra tarda en dar un giro completo sobre su eje.
- Relojes Normales: Funcionan por mecanismos de cuerdas, pesas, etc. y movimientos uniformes que hacen avanzar diferentes manecillas por una superficie generalmente esférica. Suelen tener tres manecillas. La manecilla de la hora dará dos vueltas completas al disco en un día para marcar las 24 horas que tiene un día., Mientras que la manecilla de los minutos dará 24 vueltas al día para marcar los 1440 minutos que tiene un día. Finalmente, el segundero dará 1440 vueltas al día para marcar los 86.400 segundos que tiene un día.
- Relojes Electrónicos: Tienen un circuito electrónico oscilante de frecuencia conocida y constante, de manera que marcarán, con gran precisión, las mismas fracciones de tiempo que los relojes normales.
- Relojes Atómicos: Son instrumentos de alta precisión que utilizan la frecuencia de oscilación de los átomos de nitrógeno en las moléculas de amoniaco. Son relojes que no necesitan recalibrados, por lo que son el referente del horario universal.
La Velocidad es una Magnitud Derivada que relaciona la distancia recorrida por un objeto y el tiempo empleado en recorrerla. Se mide en Metros por Segundo (m/s). Existen dos métodos para determinarlas:
- Ecuación Física: Se determinan las magnitudes fundamentales (Longitud y Tiempo) y se procede a realizar una operación de división. v = S / t
- Tacómetros: Si realizamos la medida de la velocidad angular de un eje rotatorio es posible determinar directamente la velocidad lineal mediante un sistema que traduce el número de giros por segundo en metros por segundo según el perímetro de la rueda asociada a dicho eje de rotación. Estos aparatos pueden realizar la medida mecánicamente o, con mucha mayor precisión, electrónicamente.
3.4.- Medida de Aceleración
La Aceleración es una Magnitud Derivada que relaciona la variación de velocidad experimentado por un objeto y el tiempo empleado en dicha variación. Se mide en Metros por Segundo cuadrado (m/s2). Existen dos métodos para determinarlas:
- Ecuación Física: Se determina la variación de velocidad del objeto en un determinado tiempo y y se procede a realizar una operación de división: a = (vf - vo) / t
- Acelerómetro: Consiste en acoplar una masa conocida a un dinamómetro (medidor de fuerza) y, a partir de la estimación realizada por dicho aparato, dar una lectura de la aceleración a la que está sometida esa masa, en función de la ecuación física: a = F / m
4.- Magnitudes Geométricas
4.1.- Medida de ÁnguloEl Ángulo es una Magnitud Suplementaria que delimita una porción indefinida de plano limitada por dos líneas que parten de un mismo punto, o por dos planos que parten de la misma línea, y cuya abertura puede medirse en grados (sistema sexagesimal) o en radianes (sistema internacional). Se puede pasar de un sistema de medida al otro sabiendo que 2Pi radianes son 360 grados.
- Transportadores: Los hay de mayor o menor complejidad y precisión, pero su principio elemental es que disponen de una escala graduada de 0º a 180º o de 0º a 360º. Permiten realizar medidas directas haciendo coincidir el vértice y el cero de la escala con uno de los lados del ángulo, de manera que el otro lado nos dará la lectura de la medida.
- Goniómetros: Es todo aparato capaz de medir ángulos usando instrumental óptico, topográfico, geodésico, astronómico o de navegación. El más célebre es el teodolito, que nos permite medir los ángulos horizontales (acimut) y vertical (cenital) al mirar por el colimador del objeto situado sobre un trípode perfectamente asentado en terreno nivelado mediante una burbuja.
- Ecuación Física: En superficies pequeñas homogéneas se calcula por composición de unidades lineales, con cinta métrica o regla y a partir de una fórmula conocida y que varía en función de la geometría de la superficie.
- Planímetro: En superficies heterogéneas se usa una varilla fija y otra varilla variable con una rueda que tiene que recorrer el contorno a medir, dando las unidades en un lector. Los hay analógicos y digitales, de mucha mayor precisión.
- Fotografía aérea: Se usa para el cálculo de grandes superficies, conociendo la medida superficial de una porción del terreno a medir y comparando con el resto de zonas de una ortofoto con las mismas proporciones aritméticas.
- Estación Total: Suelen estar dotadas de un sistema GPS que no sólo nos indica longitudes y distancias, sino que también nos puede datar superficies.
4.3.- Medida de Volumen
El Volumen es una Magnitud Derivada que mide un espacio acotado. Se mide en Metros cúbicos (m3). Existen varios métodos para determinarlas:
La Masa es una Magnitud Fundamental con que medimos la cantidad de materia que contiene un cuerpo. Como tal, su unidad en el SI es el Kilogramo (kg), que tradicionalmente se ha aceptado como la cantidad de masa de 1 litro de agua.
La Temperatura es una Magnitud Fundamental que nos indica la energía interna de un cuerpo, de un objeto o del medio ambiente en general Las unidades de medida de temperatura son los grados Celsius (ºC) y los Grados Kelvin (K). El cero absoluto (0K) corresponde a -273,15 ºC.
La Fuerza es una Magnitud Derivada que mide la capacidad física para acelerar una determinada masa. Se mide en Newtons (N). Existen varios métodos para determinarlas:
La Presión es una Magnitud Derivada que mide la proyección de una fuerza en dirección perpendicular a un objeto por unidad de superficie. Se mide en Pascales (Pa). Existen varios métodos para determinarlas:
El Caudal es una Magnitud Derivada que mide la cantidad de fluido que pasa por una determinada sección de tubería en la unidad de tiempo en un circuito hidráulico o neumático.. Se mide en metros cúbicos por segundo (m3/s). Existen varios métodos para determinarlas:
Al hacer mediciones de cualquier propiedad física es inevitable cometer una serie de errores. Estos pueden ser de dos tipos:
- Ecuación Física: En espacios pequeños homogéneas se calcula por composición de unidades lineales, con cinta métrica o regla y a partir de una fórmula conocida y que varía en función de la geometría del espacio.
- Recipientes Tarados: Para medir volúmenes pequeños de fluidos compresibles (gases y líquidos) podemos utilizar recipientes cuyo volumen se conoce previamente a partir de cálculos geométricos. Esos recipientes se dividen, marcando las diferentes secciones transversales del mismo en escalas más o menos exactas en función de la precisión de medida necesaria. Así por ejemplo tenemos jeringuillas, probetas, buretas, matraces, vasos de precipitado, etc.
5.- Magnitudes Dinámicas
5.1.- Medidas de Masa
Se puede medir de tres maneras:
- Por Comparación: Se usa una balanza simple con dos brazos iguales apoyados en su centro y perfectamente simétricos y horizontales. En uno de los lados se ponen objetos o pesas de masa conocida y en el otro la masa a pesar hasta conseguir que los dos brazos queden en perfecta simetría, lo que nos indicará que la cantidad de masa a medir coincide exactamente con la masa conocida.
- Electrónicamente: En el pesaje electrónico la fuerza se transforma en una lectura eléctrica activada por una pieza de elasticidad conocida y que varía su resistencia de manera proporcional a la longitud del hilo, de manera que al estirarse el hilo nos da el valor de la medida.
- Hidroneumática: En este procedimiento, la masa se transforma en una presión que se transmite al fluido, y puede medirse por medio de un manómetro. La lectura de presión se transforma en masa aplicando la ecuación física que relaciona la presión con la fuerza y esta, a su vez, con la masa.
Se puede medir de tres maneras:
- Termómetros de Vidrio: Llevan un depósito donde se aloja un fluido (generalmente mercurio) que, con el aumento de temperatura, asciende o desciende por capilaridad. El capilar ha sido previamente tarado asignándole el valor de 0ºC cuando el agua se convierte en hielo y 100 ºC a la lectura en un baño de agua a punto de ebullición, todo ello a presión de 1 atmósfera. El tramo de capilar entre el 0 y el 100 se divide en 100 fracciones, de manera que cada una de ellas correspondiente a un valor entero de 1ºC.
- Termómetros Bimetálicos: Se basan en la dilatación diferencial de dos metales conectados a una espiral, con un extremo fijo y el otro móvil
- Termómetros de Resistencias Termosensibles: Se fundamentan en el cambio de resistencia de los conductores eléctricos con la temperatura.
5.3.- Medidas de Fuerza
- Ecuación Física: Se determinan la masa del objeto y la aceleración a la que está sometido el objeto por acción de la fuerza que deseamos medir y se procede a realizar una operación de multiplicación. F = m · a
- Dinamómetro: Es un instrumento utilizado para medir fuerzas o para calcular el peso de los objetos. El dinamómetro tradicional, inventado por Isaac Newton, basa su funcionamiento en el estiramiento de un resorte que sigue la ley de elasticidad de Hooke en el rango de medición. Cuando no hay fuerza deformadora el valor de la deformación es Cero
5.4.- Medidas de Energía o Trabajo
La Energía es una Magnitud Derivada que mide la capacidad física que tiene la materia para producir trabajo en forma de movimiento, luz, calor, etc. Se mide en Julios (J). Es una magnitud muy difícil de determinar con instrumental específico, por lo que en general se determina a partir de otras magnitudes.
- Ecuación Física: Se determinan la fuerza que actúa sobre el objeto y el espacio recorrido por la acción de dicha fuerza y se procede a realizar una operación de multiplicación. T = F · S
5.5.- Medidas de Potencia
La Potencia es una Magnitud Derivada que mide la capacidad de la materia de realizar un determinado trabajo en la unidad de tiempo. Se mide en Wattios (W). Es una magnitud muy difícil de determinar con instrumental específico, por lo que en general se determina a partir de otras magnitudes.
- Ecuación Física: Se determinan el trabajo realizado por el objeto y el tiempo al que está sometido el objeto para realizar dicho trabajo, y se procede a realizar una operación de división. W = T / t = F · S / t
5.6.- Medidas de Presión
- Ecuación Física: Se determinan la fuerza que actúa sobre el objeto y el área de la superficie sobre la que incide dicha fuerza de manera perpendicular, y se procede a realizar una operación de división. P = F / S
- Barómetro de Torricelli: Se basa en un tubo herméticamente sellado en su parte superior, totalmente relleno de mercurio y cuya parte inferior esta abierta dentro de una bandeja de mercurio, de manera que cuando se alcanza un equilibrio entre la altura de la barra de mercurio y la presión exterior podemos determinar el valor de la presión leyendo en la escala.
- Manómetro: Son dispositivos de medida basados en el principio del barómetro de Torricelli, y se usan para medir las presiones a las que están sometidos los fluidos
comprimidos en dispositivos cerrados. - Altímetro: Son aparatos capaces de medir el incremento o disminución de la presión en función de la variación de altura a la que nos encontremos respecto el nivel del mar.
5.7.- Medidas de Densidad
La Densidad es una Magnitud Derivada que mide la cantidad de masa por unidad de volumen en un cuerpo sólido o recipiente. Se mide en Kilogramos por metro cúbico (Kg/m3). Es una magnitud muy difícil de determinar con instrumental específico, por lo que en general se determina a partir de otras magnitudes.
- Ecuación Física: Se determinan la masa del objeto y el volumen que contiene dicha masa, y se procede a realizar una operación de división. d = m / V
5.8.- Medidas de Caudal
- Ecuación Física: Se determinan la velocidad a la que circula el fluido y la sección interior de la tubería por la que circula, y se procede a realizar una operación de multiplicación. Q = v · S
- Aforo con Flotadores: Se coloca un elemento trazador sólido flotando en el fluido y se mide el tiempo invertido por esta traza en recorrer una determinada distancia dentro del circuito. Así se podrá determinar la velocidad del fluido y, conocida la sección de la tubería, aplicarla a la fórmula anterior. Luego se transforma la velocidad angular en velocidad lineal: v = w · r
- Aforo con Molinete: Se coloca un pequeño molino con aspas en medio de la corriente de fluido y se determina el número de vueltas que da dicho molino en un determinado tiempo.
- Aforo Volumétrico: Se coloca un depósito de volumen conocido a la salida del circuito y se cronometra el tiempo empleado en llenarlo. Luego se realiza la división usando unidades del sistema internacional (metros cúbicos y segundos): Q = V / t
6.- Magnitudes Eléctricas
6.1.- Intensidad de Corriente
La Intensidad de Corriente es una Magnitud Fundamental con que medimos la cantidad de electricidad o carga eléctrica que circula por un circuito en la unidad de tiempo. Como tal, su unidad en el SI es el Amperio (A) y se mide con un dispositivo denominado Amperímetro que se coloca en serie con el punto del circuito cuya intensidad deseamos medir. Numéricamente, se relaciona con la Tensión y la Resistencia Eléctrica mediante la ley de Ohm: I = V / R
6.2.- Tensión Eléctrica o Voltaje
La Tensión Eléctrica o Voltaje es una Magnitud Derivada con que medimos la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos distintos de un circuito. Como tal, su unidad en el SI es el Voltio (V) y se mide con un dispositivo denominado Voltímetro que se coloca en paralelo con los dos puntos del circuito cuya diferencia de tensión deseamos medir.
6.3.- Resistencia Eléctrica
La Resistencia Eléctrica es una Magnitud Derivada con que medimos la oposición al flujo de corriente eléctrica a través de un elemento conductor. Como tal, su unidad en el SI es el Ohmio (V) y se mide con un dispositivo denominado Ohmetro que se coloca en paralelo entre los dos extremos de la resistencia que deseamos medir.
6.4.- Carga Eléctrica
La Carga Eléctrica es una Magnitud Derivada intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión. Como tal, su unidad en el SI es el Culombio (C) que es la cantidad de carga que transporta una intensidad de corriente de 1 amperio en un segundo. Numéricamente, se relaciona con la intensidad y el tiempo: Q = I · t
6.5.- Potencia Eléctrica
La Potencia Eléctrica es el ritmo con la cual la energía eléctrica es transferida por un circuito eléctrico, es decir, la cantidad de energía eléctrica intercambiada en un elemento por la unidad de tiempo. Como tal, su unidad en el SI es el Wattio (W) y se puede medir con un dispositivo denominado Vatímetro. Numéricamente, se relaciona con el voltaje y la intensidad del circuito: W = V · I
7.- Magnitudes Sensoriales
7.1.- Magnitudes Acústicas
Las magnitud acústica más usadas es la Presión Sonora o Acústica que es es el movimiento en el aire provocado por las ondas sonoras, causando diferentes zonas de presión y se producen áreas donde se concentran las partículas y otras quedan menos saturadas. La unidad en el SI son los Decibelios, cuya escala es de carácter logarítmico. Los aparatos de medida más usados son los Osciloscopios y los Fonendoscopios.
7.2.- Magnitudes Ópticas
La Intensidad Luminosa se puede definir como la cantidad de flujo luminoso que emite una fuente por unidad de ángulo sólido. Su unidad del SI es la Candela (I) y se mide usando un Estroboscopio o bien un Luxómetro..
8.- Errores en la Medida
8.1.- Tipos de Errores
- Errores Sistemáticos: Debidos a defectos del instrumental utilizado o que este sea inapropiado. Estos a su vez pueden ser Errores Absolutos (diferencia entre el valor medido y el valor verdadero) y Errores Relativos (cociente entre el valor medido y el valor verdadero)
- Errores Accidentales: Debidos a la forma de hacer la medida. estos a su vez pueden ser Errores de Paralaje (no leemos exactamente perpendiculares a la aguja, con lo que hay un desplazamiento lateral en la medida) y Errores de Apreciación (la aguja se sitúa entre dos marcas y no sabemos apreciar las subdivisiones en la escala).
8.2.- Causas de los Errores
- Imperfección en los instrumentos que deberán corregirse calibrando el aparato
- Limitación de los Sentidos del observador y su experiencia
- Variación de las Condiciones naturales, del tipo temperatura, humedad, viento, etc.
