Fisica 1 - Grandezze fisiche

Grandezze fisiche

Per consigli, suggerimenti, eventuali errori o altro potete scrivere una email a antonio.pierro[at]gmail.com

Una grandezza ha significato in fisica se:
- si può scegliere un campione (unità di misura),
- si possono stabilire dei criteri per confrontare il campione con la grandezza che si vuole misurare (metodo di misura)

In passato per la misura di lunghezza sono stati usati dei campioni derivanti da parti del corpo umano: pollice, piede, braccia.
È facile immaginare che l'uso di campioni di questo tipo poteva andare molto bene per gli avvocati, ma era sicuramente inadeguato per lo sviluppo scientifico.
Ricercatori che si trovano anche molto distanti tra loro devono poter confrontare i risultati di esperimenti, cioè, i risultati di misure.

A questo ufficio è affidato il compito di studiare problemi relativi alla scelta delle grandezze fondamentali e alla definizione dei campioni di misura.
Tale ente organizza periodicamente una Conferenza Internazionale di Pesi e Misure in cui vengono formulate delle raccomandazioni e suggerite delle soluzioni e delle metodologie di misura.
I vari Stati che partecipano alla conferenza possono poi adottare le proposte della conferenza emanando delle leggi.

Gli egiziani avevano stabilito il "cubito" che equivaleva alla distanza fra il gomito e l'estremità del dito medio.
In modo simile il "piede" rappresentò la misurazione dopo la prima metà del Seicento ed equivaleva infatti alla lunghezza del piede reale di Luigi XIV.
Al termine delle misurazioni del meridiano terrestre (arco che congiunge il Polo Nord terrestre con il Polo Sud), fu costruita e depositata a Parigi una sbarra di platino puro che, alla temperatura del ghiaccio fondente, presentava fra i suoi estremi una distanza pari alla 40 milionesima parte del meridiano terrestre (metro)

Ci si accorse in seguito che il meridiano terrestre era più lungo di quanto era risultato dalle prime misure.
Per evitare di correggere il campione e quindi tutte le copie in circolazione, si preferì abbandonare ogni riferimento al meridiano terrestre e considerare come metro la lunghezza della sbarra.
Tuttavia la sbarra presenta degli inconvenienti (imprecisione dovute alle deformazioni del campione, ecc.)
Oggi il metro campione viene definito come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un tempo pari a 1/299 792 458 s.

La ricerca del campione di tempo presenta delle maggiori difficoltà rispetto a quello della lunghezza, perchè non può essere materializzato.
Nel cercare il campione del tempo, l'attenzione dell'uomo è stata attratta da quei fenomeni che si ripetono nel tempo sempre nello stesso ordine e con le stesse modalità.
Questi fenomeni sono detti periodici ed il susseguirsi delle varie fasi a partire da una scelta arbitrariamente come iniziale, fino a ritornare in essa è detto ciclo.
L'intervallo di tempo necessario per percorre un ciclo è detto periodo.

Il fenomeno periodico più familiare è la rotazione della terra intorno al proprio asse che determina la lunghezza del giorno.
Esso fu usato fin dall'antichità come campione di tempo ed è ancora oggi alla base del campione del tempo civile.

Il campione di tempo, il secondo, inizialmente è stato definito come 1/86400 parte del giorno solare medio.
Per giorno solare si intende l'intervallo di tempo che intercorre tra due passaggi successivi del sole sopra lo stesso meridiano terrestre.
Tuttavia il tempo determinato sulla base della rotazione terrestre non è adeguato per misure di alta precisione, a causa di una lenta diminuzione della velocità di rotazione della terra.

Recentemente, per migliorare le misure di tempo e per disporre di un campione facilmente riproducibile, l'attenzione è stata rivolta alle proprietà degli atomi.
Sono così stati costruiti degli orologi atomici, che sfruttano le vibrazioni periodiche di alcuni tipi di atomi o molecole.

Per spiegare il principio di funzionamento di un orologio atomico, consideriamo la molecola di ammoniaca \(NH_3\).
Questa molecola ha una struttura a piramide, con gli atomi di idrogeno ai tre vertici della base e l'atomo di azoto posto al vertice della piramide come è mostrato in figura.

L'atomo di azoto può trovarsi da un lato o dall'altro rispetto al piano individuato dai 3 atomi di idrogeno.
In realtà l'atomo di azoto oscilla tra queste due posizioni con una frequenza di circa 24 miliardi di oscillazioni al secondo.

Anche altre sostanze hanno proprietà analoghe a quelle dell'ammoniaca.
Nel 1967 la XIII conferenza Generale dei Pesi e Misure ha scelto come campione internazionale di tempo il secondo definito con un orologio atomico basato su una particolare vibrazione dell'atomo di Cesio 133.
In particolare il secondo è definito come il tempo necessario perchè vengano compiuti 9.192.631.770 cicli della particolare vibrazione degli atomi di cesio.

La massa è una proprietà dei corpi, che può essere compresa correttamente solo con lo studio della dinamica che affronteremo nelle prossime lezioni.
Il campione internazionale di massa è un cilindro di platino-iridio conservato nel Laboratorio di Pesi e Misure di Sevres.
La massa del campione è per definizione 1 Kg.

La dimensione di una grandezza è legata all'esponente, o agli esponenti, a cui vanno elevate le grandezze fondamentali per ottenere la grandezza in esame.
Indicheremo la dimensione della grandezza A con il simbolo A racchiuso tra le parentesi quadre: \[ Dimensione\ di\ A\ = [A] \]
Esempi: la distanza tra due punti ha le dimensioni di una lunghezza, [L]
La durata di un intervallo di tempo ha le dimensioni di un tempo, [T].