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Fisica Tecnica Ambientale per l’Architettura Facoltà Architettura Roma Sapienza Laurea Magistrale a Ciclo Unico Unità e Sistemi di Misura Fisica Tecnica Ambientale Prof. Davide Astiaso Garcia 02/03/2015 Perchè sono importanti per la Fisica Tecnica Studio degli scambi di energia e di materia tra i sistemi e l’ambiente circostante. Il calore si disperde nel verso delle temperature decrescenti Fisica Tecnica Ambientale Prof. Davide Astiaso Garcia 02/03/2015 Che cos’è la misura? Per misura si intende un confronto, diretto o indiretto, tra due grandezze fisiche omogenee, di cui una è scelta come unità UN POCO DI STORIA … Il sistema S.I. è stato definitivamente introdotto nel 1960 dalla 11ma Conferenza Generale sui Pesi e Misure (CGPM) che è l’autorità internazionale ad esso preposta. CGPM è una organizzazione intergovernativa creata in seguito ad un trattato diplomatico chiamato “Convenzione del metro” che fu firmato a Parigi nel 1875 dai rappresentanti di 17 nazioni. Oggi ne sono membri 49 paesi. … E DI CRONACA Con il D.P.R. 12/8/1982 n. 802 l’Italia ha attuato la direttiva CEE n. 80/181 relativa alle unità di misura. Con legge 11/8/1991 n. 273 ha istituito il sistema nazionale di taratura e con il D.M. 30/11/1993 n. 591 ha approvato il regolamento concernente la determinazione dei campioni nazionali di talune unità di misura del Sistema Internazionale. …in passato… Le unità del Sistema imperiale britannico prendono come riferimento alcune lunghezze caratteristiche della mano, come la lunghezza di una spanna (4) o del palmo (3). Non proprio un sistema alla…mano!! GLI ERRORI SI PAGANO • • • • • Due squadre di tecnici di Pasadena (California) Due unità di misure differenti Mancato coordinamento e conversione delle unità Una usava quello metrico, l' altra quello inglese La ditta costruttrice, la Lockheed, nei suoi hangar, come nel resto dell' industria spaziale civile americana, utilizza l'unita' di misura inglese. • Al Jet Propulsion Laboratory di Pasadena si ricorre al sistema metrico decimale. In sostanza: • un gruppo di tecnici immetteva nei computer dati in metri, l' altro in yard (pari a 91,5 cm); • uno utilizzava i grammi, l' altro le once (pari a circa 30 grammi). L’errore è costato la distruzione dell'Orbiter il veicolo è stato fatto avvicinare al pianeta ad una quota troppo bassa (57 chilometri) invece dei 186 km previsti. Costo 125 milioni di dollari, si è avvicinato troppo al "pianeta rosso" ed è andato distrutto nella sua atmosfera. MISURARE Si definisce misura il processo mediante il quale si fa corrispondere un numero ad una grandezza fisica; più esattamente si intende per misura «l’informazione costituita da un numero, un’incertezza ed un’unità di misura, assegnata a rappresentare un parametro in un determinato stato del sistema» (UNI 4546 1984). La misura di una grandezza fisica implica la scelta di: • un campione, ovvero un’altra grandezza della stessa specie, a cui si attribuisce valore unitario, in altri termini di un’unità di misura; • una modalità di misura, ovvero della serie di operazioni che devono essere compiute per stabilire il rapporto tra l’entità da misurare ed il campione, ad esempio; nel caso di lunghezze, vedere quante volte l’unità di misura è contenuta nella grandezza da misurare. Dunque ogni grandezza fisica sarà caratterizzata da un numero, che ne rappresenta la misura, seguita da un simbolo, che ricorda la specifica grandezza utilizzata come unità di misura. Cosa implica MISURARE ? Confrontare fisicamente una grandezza con un’altra della stessa specie presa come unità di misura • Errori sistematici (dovuti a sensibilità, portata e precisione dello strumento di misurazione) e casuali o banali (dovuti all'osservatore) • Distinzione tra unità di misura (astratta), campione (oggetto concreto la cui grandezza è U.M), strumento (nastro, pieghevole, di carta, …) Trovare un insieme di numeri (intervallo) dato dalla sensibilità dello strumento di misurazione 12 m (+- 1 m) è diverso da 12,00 metri (+-1 cm) Il metodo scientifico • La • • • Il • Fisica studia i fenomeni naturali per: fornire una descrizione accurata di tali fenomeni interpretare le relazioni fra di essi metodo scientifico: osservazione sperimentale di un fenomeno riconoscimento degli elementi caratteristici del fenomeno formulazione di ipotesi sulla natura del fenomeno • costruzione di una teoria permette di interpretare il fenomeno in esame permette di fare delle predizioni sul fenomeno • verifica sperimentale della teoria conferma o smentisce le previsioni teoriche Il metodo sperimentale o galileiano si basa sull’attitudine a ricercare il «come» piuttosto che il «perché» accadano i fenomeni e sulla volontà di esprimerli analiticamente attraverso gli strumenti messi a disposizione dalla matematica. Grandezze fisiche • Definizione operativa di una grandezza fisica • specifica le operazioni da compiere per misurarla: criteri di uguaglianza e somma (e differenza) unità di misura • Misura diretta • avviene per confronto della grandezza fisica in esame con un altra scelta come campione • Misura indiretta • viene derivata dalla misura di altre grandezze fisiche sfruttando le relazioni esistenti tra le varie grandezze fisiche (es. v=s/t) Sistemi di unità di misura • Le relazioni indipendenti esistenti fra le grandezze fisiche che intervengono in Fisica (o in un settore della Fisica) sono in numero inferiore rispetto alle grandezze fisiche stesse • Esistono quindi delle grandezze fisiche (dette grandezze fondamentali) per cui è necessario fissare i campioni e le unità di misura in maniera arbitraria • Le altre grandezze, le cui unità di misura sono dedotte da quelle delle grandezze fondamentali, si chiamano grandezze derivate • Un sistema di unità di misura è definito scegliendo le grandezze fondamentali e le loro unità di misura. Le unità di misura delle grandezze derivate si esprimono in termini di quelle delle grandezze fondamentali Il Sistema Internazionale (SI) La maggior parte delle nazioni si sono accordate su un unico sistema, assoluto e coerente, di unità di misura: il sistema Internazionale, denotato con la sigla SI. Grandezza fondamentale Unità di misura Simbolo Lunghezza metro m Massa chilogrammo kg Tempo secondo s Corrente elettrica Ampere A Temperatura grado Kelvin K Intensità luminosa candela cd quantità di sostanza mole mol A queste bisogna aggiungerne altre due, dette supplementari, che sono: 8) unità di misura degli angoli piani (radiante); 9) unità di misura degli angoli solidi (steradiante). Temperatura 02/03/2015 Prof. Davide Astiaso Garcia 18 Grandezze derivate 02/03/2015 19 Quindi, l’unità di misura delle velocità è il metro al secondo (m/s). Altre grandezze derivate 02/03/2015 20 Altre grandezze di interesse nella Fisica Tecnica 02/03/2015 21 Energia e Potenza 02/03/2015 Prof. Davide Astiaso Garcia 22 Energia 02/03/2015 Prof. Davide Astiaso Garcia 23 Ancora su Energia e Potenza 02/03/2015 24 Alcune equivalenze 02/03/2015 25 Equazioni dimensionali • Ad ogni grandezza misurata si associa una dimensione, che è indipendente dall’unità di misura con la quale viene espressa • Ciascuna grandezza fisica può essere espressa mediante un’equazione dimensionale • Esempi: la velocità v ha equazione dimensionale [v] = [L][T-1] l’area A ha equazione dimensionale [A] = [L2] il volume V ha equazione dimensionale [V] = [L3] la forza F ha equazione dimensionale [F] = [MLT -2] • Grandezze omogenee hanno le stesse dimensioni • Due quantità possono essere uguagliate solo se sono dimensionalmente compatibili Nasce così il concetto di dimensione inteso come la potenza con cui la grandezza fondamentale compare nella grandezza derivata: così si dirà che l’area ha le dimensioni di una lunghezza al quadrato, e si scriverà: [A] = [L2] Il concetto base della fisica é che tutte le equazioni che descrivono un fenomeno devono essere indipendenti dalle unità di misura, il che significa che le equazioni stesse devono risultare dimensionalmente omogenee. Il termine dimensionalmente omogeneo sta a significare che il cambiamento di una qualsiasi unità di misura non deve modificare quei termini dell’equazione in cui essa figura. Grandezze adimensionali • Sono definite come rapporto fra grandezze omogenee • Il loro valore è indipendente dal sistema di unità di misura scelto • Esempio: l’angolo piano espresso in radianti è definito come rapporto fra la lunghezza dell’arco ed il raggio R l θ θ=l/R Sistemi di Misura L’insieme delle regole che determinano le caratteristiche dei campioni delle unità fondamentali, delle leggi fisiche e delle definizioni da applicare per ottenere le unità costituisce un sistema di unità di misura. derivate Sistema Internazionale SI Perché sia possibile ottenere misure di grandezze fisiche compatibili misurando ovunque nel mondo, i dispositivi di misura devono essere tarati con misurandi riferibili a campioni riconosciuti come primari nel contesto più ampio possibile. Il Sistema Internazionale di unità di misura, più ufficialmente Système International d'Unités e abbreviato in SI, è il più diffuso tra i sistemi di unità di misura. SI Sebbene nel seguito si faccia riferimento solo al Sistema Internazionale (S.I.), esistono diversi sistemi di unità di misura. Il Sistema Internazionale è un sistema omogeneo, coerente, assoluto e decimale adottato fin dagli anni ’70 dalla maggior parte dei Paesi SI Omogeneo significa che, scelte alcune grandezze fisiche fondamentali e le loro unità di misura, da esse si possono derivare tutte le altre grandezze e le corrispondenti unità di misura. Per esempio lunghezza e tempo sono grandezze fisiche fondamentali cui corrispondono le unità di misura fondamentali metro (m) e secondo (s). Da tali grandezze e dalle loro unità di misura sono ottenibili le grandezze fisiche e le corrispondenti unità di misura derivate che implicano una qualsiasi relazione tra lunghezza e tempo: per esempio la velocità (che si misura in m/s), l’accelerazione (che si misura in m/s 2), la viscosità cinematica (che si misura in m2/s) etc. SI Coerente significa che il prodotto o il rapporto delle unità di misura di una o più grandezze costituisce l’unità di misura di una grandezza il cui significato fisico corrisponde al prodotto o al rapporto delle prime, senza l’intervento di coefficienti numerici. Ad esempio il prodotto di una massa unitaria (1 kg) per un’accelerazione unitaria (1 m/s2) corrisponde ad una forza unitaria: così l’espressione (kg m/ s2) corrisponde all’unità di misura delle forze detta Newton (N). SI Assoluto significa che le unità di misura scelte sono invariabili in ogni luogo e in ogni tempo. Non è assoluta, per esempio, l’unita di misura "campo" che nella zona di Padova corrisponde a 3862 m2 e nella zona di Treviso corrisponde a 5204 m2. SI Decimale significa che multipli e sottomultipli delle varie unità di misura corrispondono alle potenze di dieci. Tali multipli e sottomultipli vengono spesso indicati mediante opportuni prefissi delle unità di misura che sono riportati in tabella 10n Prefisso Simbolo Nome 102 etto h Cento 1024 yotta Y Quadrilione 101 deca da Dieci 1021 zetta Z Triliardo 10−1 deci d Decimo 1018 exa E Trilione 10−2 centi c Centesimo 1015 peta P Biliardo 10−3 milli m Millesimo 1012 tera T Bilione 10−6 micro µ Milionesimo nano n Miliardesimo 109 giga G Miliardo 10−9 106 mega M Milione 10−12 pico p Bilionesimo 103 kilo o chilo k Mille 10−15 femto f Biliardesimo 10−18 atto a Trilionesimo 10−21 zepto z Triliardesimo 10−24 yocto y Quadrilionesimo ALFABETO GRECO ANTICO Α α Alpha Ν ν nu (ny, ni) Β Β beta Ξ ξ xi (csi) Γ γ gamma Ο ο omicron δ delta Π π pi Ε ε epsilon Ρ ρ rho Ζ ζ zeta Σ σ, ς sigma Η η eta Τ τ tau Θ θ theta Υ υ upsilon (ypsilon) Ι ι iota Φ φ phi Κ κ kappa Χ χ chi Λ λ lambda Ψ ψ psi Μ µ mu (my, mi) omega Grandezze fisiche Le grandezze fisiche sono divise in due grandi categorie, • Fondamentali: sono assunte come indipendenti • Derivate: sono combinazioni delle prime Le unità di misura di grandezze fisiche fondamentali sono le unità di misura fondamentali o di base, le altre unità di misura derivate. 37 Unità di misura – Misura diretta •Misurare una grandezza, relativa all'oggetto di studio, significa confrontare quella grandezza con un'altra di riferimento, ad essa omogenea, detta unità di misura. •Come risultato dell'operazione si ottiene un numero. Questo numero, considerato singolarmente, non ha alcun significato concreto ma, se è seguito dall'unità di misura, rappresenta l'entità della grandezza considerata. •Per fare un esempio, dire che una stanza è alta 3 non significa nulla, ma dire che è alta 3 m significa che la sua altezza è 3 volte la quantità che è stata presa per convenzione uguale a 1 m, cioè l'unità di lunghezza. 38 Unità di misura – Misura Indiretta •Ovviamente questo metodo ha un limite costituito dall’esistenza o meno di un campione di riferimento (Per esempio del newton, che misura la forza, non si possiede nessun campione) e dalla possibilità fisica/tecnologica di riuscire a determinare la misura come multiplo o frazione di tale campione (estrarre, ad esempio, la misura di volume di un oggetto partendo da un campione unitario è difficile). •Si definisce allora un nuovo tipo di misura, quella indiretta. Questa si usa quando la grandezza che si vuole determinare è ottenuta eseguendo la misura di altre grandezze dalle quali dipende. •Un semplice esempio è costituito dal volume di un corpo di forma regolare (ad esempio un cilindro). In tale caso il volume viene ottenuto misurando separatamente l'altezza h del cilindro e il diametro d della sua sezione e quindi moltiplicando i valori ottenuti l'uno per l'altro secondo la relazione geometrica: 39 Unitá fondamentali GRANDEZZA SIMBOLO DELLA GRANDEZZA NOME UNITÁ SI SIMBOLO UNITÁ SI Lunghezza l metro m Cinematica Massa m chilogrammo kg Dinamica Tempo t secondo s Cinematica Intensità corrente elettrica I ampere A Fenomeni elettrici Temperatura termodinamica T kelvin K Termodinamica Quantità di sostanza n mole mol Chimica Intensità luminosa I candela cd Ottica Unitá fondamentali metro Lunghezza della distanza percorsa dalla luce nel vuoto durante un intervallo di tempo di 1/299 792 458 di secondo chilogrammo Massa del prototipo internazionale conservato presso il Bureau International des Poids et Mesures a Sèvres secondo Intervallo di tempo che contiene 9 192 631 770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione fra i due livelli iperfini dello stato fondamentale dell’atomo di cesio133 ampere Intensità di corrente elettrica che mantenuta costante in due conduttori rettilinei, paralleli, di lunghezza infinita, di sezione circolare trascurabile e posti alla distanza di 1 m l’uno dall’altro nel vuoto, produce fra due conduttori la forza di 2x10-7 N per metro Unitá fondamentali kelvin •Frazione 1/273,16 della temperatura termodinamica del punto triplo dell’acqua; •Zero kelvin è lo zero assoluto (nessun movimento molecolare) mole Quantità di sostanza di un sistema che contiene tante unità elementari (atomi, molecole, ioni, elettroni, ecc…) quanti sono gli atomi in 0,012 kg di carbonio12 candela Intensità luminosa, in una data direzione, di una sorgente che emette una radiazione monocromatica di frequenza 540x1012 Hz e che ha una intensità radiante in quella direzione di 1/683 watt per steradiante 42 CONVENZIONI DI SCRITTURA • I simboli sono scritti in minuscolo, ad eccezione di quelli in cui l'unità di misura deriva dal nome di una persona. • Ad es. il simbolo SI del potenziale elettrico, dedicato ad A. Volta, è V, mentre l'unità di misura viene scritta volt. L'unica eccezione è permessa per il litro dove è accettabile sia la l che la L. • Inserire uno spazio tra i numeri e i simboli: 5,65 kg, 8,2·102 m2 • Il sistema SI usa gli spazi per separare le cifre intere in gruppi di tre. Ad esempio 3 000 000 o 425 467 (contrariamente alle virgole e ai punti usati in altri sistemi: 3,000,000 o 3.000.000). • Il sistema SI usa la virgola come separatore tra i numeri interi e quelli decimali come in “25,01“; nel 1997 ha concesso di usare il punto, ma solo per i testi il cui linguaggio principale è l'inglese. UNITÁ DI MISURA DERIVATE Grandezza Unità SI Simbolo SI Espressione Unità base Unità derivate frequenza hertz Hz s-1 forza newton N Kg•m•s-2 pressione pascal Pa Kg•m-1•s-2 N•m-2 energia lavoro joule J Kg•m2•s-2 N•m Grandezza Unità SI Simbolo SI Espressione Unità base Unità derivate J•s-1 potenza,flusso radiante watt W Kg•m2•s-3 carica elettrica coulomb C A•s potenziale elettrico, forza elettromotrice volt V Kg•m2•s-3•A-1 J•C-1 resistenza elettrica ohm Kg•m2•s-3•A-2 V• A-1 Grandezza Unità SI Simbolo SI Espressione Unità base Unità derivate conduttanza elettrica capacità elettrica siemens S kg-1•m-2•s3 •A2 V-1•A farad F kg-1•m-2•s4•A2 V-1•C induzione magnetica tesla T kg•s-2•A-1 V•s•m-2 flusso magnetico weber Wb Kg•m2•s-2•A-1 V•s Grandezza Unità SI Simbolo SI Espressione Unità base Unità derivate induttanza henry H Kg•m2•s-2•A-2 A-1•V•s angolo piano (a) radiante rad m•m-1 numero puro angolo solido (a) steradia nte sr m2•m-2 numero puro temperatura grado celsius oC K Grandezza Unità SI Simbolo SI Espressione Unità base Unità derivate flusso luminoso illuminamento lumen lm cd•sr lux lx cd•sr•m-2 attività (radionuclide) becquerel Bq s-1 dose assorbita gray Gy m2•s-2 J•kg-1 dose equivalente sievert Sv m2•s-2 J•kg-1 Grandezza Espressione Unità di base Simbolo non SI momento torcente m2•kg•s-2 numero d’onda m-1 densità, massa volumica kg•m-3 ρ portata in volume m3•s-1 Q portata in massa kg•s-1 Γ volume specifico m3•kg-1 v Grandezza Espressione Unità di base Simbolo non SI volume molare m3•mol-1 capacità termica m2•kg•s-2•k-1 calore specifico molare m2•kg•s-2•k-1•mol-1 calore specifico, costante gas m2•s-2•k-1 energia molare m2•kg•s-2•mol-1 C, S c, R Grandezza Espressione Unità di base Simbolo non SI entalpia Kg•m2•s-2 H, h energia specifica, entalpia massica m2•s-2 w, i densità di energia m-1•kg•s-2 tensione superficiale kg•s-2 densità flusso calorico, irradianza kg•s-3 conduttività termica m•kg•s-3•K-1 Λ Notazione scientifica • Nella notazione scientifica si indica il risultato di una misura tramite le potenze di 10 • Il numero viene scritto mettendo la virgola dopo la prima cifra diversa da zero e moltiplicandolo per una opportuna potenza di 10, positiva o negativa x a 10 b a numero reale 1 a 10 b numero intero positivo o negativo Esempi: 456,7 kg 4,567∙102 kg 0,00345 kg 3,45∙10-3 kg Ordine di grandezza • Si definisce ordine di grandezza di un numero la potenza di 10 che meglio lo approssima • Per determinare l’ordine di grandezza di un numero x si procede nel modo seguente: • si scrive il numero in notazione scientifica, nella forma x=a10b • se |a | < 5, l’ordine di grandezza del numero x è b • se |a | ≥ 5, l’ordine di grandezza del numero x è b+1 • Esempi: • massa della Terra = 5,981024kg → o.d.g. = 1025kg • massa del protone = 1,6710-27kg → o.d.g. = 10-27kg Esempi di grandezze fisiche caratteristiche • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • raggio dell'universo raggio della galassia raggio del Sole raggio della Terra lunghezza d’onda della luce visibile raggio di un atomo raggio di un nucleo raggio dell'elettrone età dell’universo un anno periodo di oscillazione della nota “LA” tempo di transizione tra livelli atomici tempo di commutazione di un transistor periodo di oscillazione della luce visibile massa dell’universo massa della galassia massa del Sole massa della Terra massa del protone massa dell’elettrone 1026 m 1021 m 7 108 m 6,4 106 m 6 0.510 m = 0.5μm 1010 m = 100 pm = 1Å 1015 m=1 fm < 1016 m (puntiforme?) 1017 s 3,1 107 s 2,3 10-3 s = 2,3 ms 10-8 s = 10 ns 10-9s = 1 ns 10-14s = 10 fs 1053 kg 8 1041 kg 2 1030 kg 6 1024 kg 1,67 10-27 kg 9,1 10-31 kg Cifre significative Esempio: risultati di misure forniti con diversi numeri di cifre significative: • 1 cifra significativa: 5 m • 1 cifra significativa: 0,006 km • Gli zeri che precedono la prima cifra non nulla non sono cifre significative! • 2 cifre significative: 3,0 m • Gli zeri che seguono l’ultima cifra non nulla sono cifre significative! • 2 cifre significative: 0,40 m • In questo caso lo zero prima della virgola non è una cifra significativa, mentre il secondo zero è una cifra significativa Cifre significative in somme e differenze 24,02 70,6 m + 6,43 77,03 Risultati corretti 77,0 m m= 122,157 m = m 146,177 m 146,18 m+ m Il risultato di una addizione (o di una sottrazione) va espresso con un numero di cifre dopo la virgola pari a quelle dell’addendo con meno cifre dopo la virgola Gli arrotondamenti vanno fatti per difetto se la cifra che segue l’ultima cifra significativa è <5, per eccesso se tale cifra è >5. Se la cifra dopo l’ultima cifra significativa è un 5, e non è seguita da altre cifre, l’arrotondamento va fatto per difetto; se invece essa è seguita da altre cifre, si arrotonda per eccesso Cifre significative in prodotti e rapporti Esempio: misura delle dimensioni di un rettangolo con un metro Accuratezza della misura: ±0,1cm b = 6,4 cm a = 11,6 cm • I valori misurati a e b hanno rispettivamente 3 e 2 cifre significative • Calcoliamo l’area A = a b = 74,24 cm2 • Il risultato corretto è A = 74 cm2 (2 cifre significative, come b) Il risultato di un prodotto va espresso con un numero di cifre significative pari a quello del fattore che ha meno cifre significative