El tiempo. La masa. La longitud. Todos estos son conceptos que, sin duda, te son familiares. Hoy en día, ir a una verdulería y pedir 100 gramos de pimientos o de tomates es muy sencillo. Sabemos que nos referimos a la masa del objeto y utilizamos ciertas unidades para describirlo. Pero esto es gracias a un trabajo previo, hecho hace muchos años. Gracias a la clasificación de las magnitudes físicas, hoy en día podemos expresarnos de manera unificada, rápida y efectiva. En este artículo aprenderás más acerca de las magnitudes y las unidades físicas. Quédate, que tan solo te tomará unos minutos. Merece la pena, ¿no?
¿Qué son las magnitudes físicas?
Las magnitudes físicas son las características que podemos medir o percibir de un objeto o fenómeno.
Tomemos el caso de una roca, como ejemplo sencillo.
Una roca tiene varias propiedades, y podemos percibir algunas de ellas utilizando nuestros sentidos:
- Masa: la roca está compuesta por átomos que tienen masa. Cuando la gravedad actúa sobre esta masa, genera lo que llamamos peso. Lo solemos percibir dado que, al sostener la roca, hemos de ejercer la misma fuerza en dirección opuesta con nuestro brazo para sujetar la roca.
- Volumen: si se sostiene la roca, esta ocupa un espacio en las manos. El espacio que ocupa la roca es su volumen.
- Longitud: puedes ver y medir el tamaño de la roca, su anchura, su longitud o su altura.
- Temperatura: si la roca está expuesta a la luz del sol en un día cálido, puedes sentir el calor transferido por la luz a la roca. En un día frío, sentirás lo contrario. La temperatura es una medida de la energía térmica del objeto, que está relacionada con la energía cinética de las moléculas o átomos que lo componen.
- Nuestra piel tiene receptores que se conectan con el sistema nervioso y nos dan una idea de la temperatura de los objetos.
Hay otras propiedades más complejas, que se pueden medir en los objetos, como la carga eléctrica o la luminosidad.
Fig. 1 La masa arrastrada por la fuerza gravitatoria (peso) es una de las propiedades más fáciles de percibir para nosotros.
Carga eléctrica
Una magnitud física que podemos medir y que está asociada a las interacciones eléctrica y magnética es la carga eléctrica de un objeto.
La carga eléctrica es la magnitud física que mide la intensidad de las interacciones entre ciertas partículas mediante campos electromagnéticos.
Un ejemplo clásico es cuando se frota un jersey contra un globo. Este intercambiará una carga con el globo, a través de la fricción. Las pequeñas cargas eléctricas del globo se pegarán al jersey, que ganará más carga de la que tenía antes.
Si pasas la mano por encima del jersey, cerca de un objeto metálico, la carga eléctrica saltará al metal y te dará una pequeña descarga. Esto sucede debido a la diferencia de carga entre el jersey y el metal. Cuanto más frotes tu jersey contra el globo, mayor será la descarga eléctrica al hacer contacto con el metal.
Esta pequeña carga eléctrica que puedes sentir se denomina, comúnmente, carga electrostática.
Se define como la falta o el exceso de electrones en un material (en este caso, tu jersey).
Luminosidad
La luminosidad es otra propiedad que podemos tanto medir como percibir con nuestros sentidos. En este caso, utilizamos el sentido de la vista.
La luminosidad es la magnitud física que define la cantidad de energía lumínica o luz por unidad de tiempo que es emitida por un cuerpo.
Si sales a correr a última hora de la tarde, sentirás la diferencia en la luminosidad ambiental. La fuente es el sol, y tus ojos registran la luminosidad mediante células sensibles a la luz.
A medida que la luz disminuye hacia el atardecer, entra menos luz en tus ojos. Esta falta de luz provoca una menor señal a las células, que te informan del cambio de luminosidad. Por la noche, la luminosidad es mínima; es por ello que vemos peor.
Fig. 2Podemos percibir el cambio de luminosidad al atardecer.
Cantidad de sustancia
Se conoce como cantidad de sustancia al número de moléculas que componen un objeto.
No podemos percibir estas cantidades de manera sencilla, con nuestros sentidos; aunque, por supuesto, podemos medirlas con los experimentos adecuados o a partir de modelos teóricos.
Sabemos intuitivamente que un trozo de hierro pesa más que un trozo de carbono. Podemos tomar una muestra de ambos, que tienen el mismo número de átomos, o X. Mirando la tabla periódica, encontramos que el átomo de carbono tiene seis neutrones y seis protones, mientras que el átomo de hierro tiene 26 neutrones y protones.
En química y física atómica, los neutrones y los átomos son las partículas que tienen la mayor parte de la masa del átomo, lo que significa que la muestra de hierro pesa más, aunque tenga el mismo número X de átomos que el átomo de carbono.
Esta cantidad X, en ciencia, se conoce como mol.
Tiempo
Hay otra propiedad que podemos medir y percibir, y que no está relacionada con ningún objeto. Esta propiedad es el tiempo, y sus unidades son los segundos.
El tiempo es la propiedad que nos indica en qué orden suceden los procesos y la duración de estos.
En un día frío, una taza de té o café caliente se enfría, porque el calor se escapa al aire frío. El proceso siempre va de caliente a frío, si no interviene nada externo.
El periodo que tarda en pasar de caliente a frío es lo que llamamos periodo de tiempo de enfriamiento.
La rotura de una taza siempre se produce en una dirección: de tener una taza completa a tener una rota, nunca al revés.
Las magnitudes físicas y sus medidas
Cuando medimos una propiedad física en la ciencia, la ingeniería e, incluso, nuestro día a día, realmente lo que hacemos es comparar dos o más objetos o fenómenos de forma indirecta. Esto lo hacemos utilizando unidades que conocemos, como el metro o el kilogramo. La explicación es sencilla: podemos definir una única longitud, o longitud base, para comparar todas las demás longitudes. Si nos ponemos de acuerdo para que todo el mundo emplee la misma longitud, esta se convierte en un valor con el que medir otras longitudes.
Unidades de las magnitudes físicas
Ese valor es lo que llamamos unidad, y la comparación de un objeto con ella es lo que conocemos como medición. Esa comparación con un valor que conocemos y mantenemos constante es la forma en que las unidades nos ayudan a medir.
Una unidad en física es un valor estándar en alguna magnitud; se emplea para compararla con otros objetos o fenómenos. Esta comparación recibe el nombre de medición.
Hay unidades para cada propiedad física, desde la masa hasta la cantidad de una sustancia. En el mundo moderno, utilizamos un sistema de unidades denominado Sistema Internacional de Unidades (abreviado como sistema SI), que se emplea en la gran mayoría de comunidades científicas. Las unidades usadas para las siete propiedades físicas básicas se denominan unidades básicas; una de ellas es el kilogramo.
Tomemos otro ejemplo sencillo que nos servirá para definir una unidad muy conocida.
Una roca tiene un peso determinado, pero necesitamos una referencia con la que compararla. La referencia, en este caso, es el peso de un litro de agua. La roca puede pesar una fracción de esta unidad, o puede pesar varias veces más que esta unidad.
Si nuestra roca pesa 2,3 veces el peso del litro de agua, significa que su peso es dos veces el litro de agua más un 30 % de otro litro de agua.
Antes de 2019, el peso de un litro de agua era la base de la unidad que ahora llamamos kilogramo, en el sistema de unidades del SI. En nuestro ejemplo anterior, por tanto, la roca pesa 2,3 kilogramos.
El Sistema Internacional de Unidades
El sistema SI es un estándar que contiene unidades para las siete propiedades básicas. El sistema también utiliza prefijos y notaciones matemáticas (formas estándar) para nombrar y anotar los números grandes y pequeños, respectivamente. Los prefijos se anteponen al nombre de la unidad para indicar su valor.
Ejemplos de ello son el milímetro y el decámetro.
La notación científica son sistemas de potencias para expresar valores grandes y pequeños.
Son ejemplos de ello:
\[\begin{aligned}1\,000\,000&=10^6 \\ 0,000 \, 000 \,000 \, 0002&= 2 \cdot 10^{-13} \end{aligned}\]
Magnitudes físicas y sus unidades del SI
Todas las magnitudes físicas que podemos medir han sido estandarizadas, por lo que cada propiedad tiene una unidad relacionada:
Longitud: medida en metros (\(\mathrm{m}\)).
Masa: medida en kilogramos (\(\mathrm{kg}\)).
Temperatura: medida en Kelvin (\( \mathrm{K}\)) y otras unidades como el Celsius y el Fahrenheit.
Carga eléctrica: medida en amperios (\(\mathrm{A}\)).
Luminosidad: medida en candelas (\(\mathrm{cd}\)).
Cantidad de sustancia: medida en mol (\(\mathrm{mol}\)).
Tiempo: medido en segundos (\(\mathrm{s}\)).
Unidades derivadas
El sistema de unidades del SI también contiene unidades derivadas, que se utilizan para medir cantidades más complejas. Las unidades derivadas son una combinación de las siete unidades básicas. A continuación se ofrece una breve lista de algunas unidades derivadas:
Área: con unidades longitud al cuadrado.
Velocidad o rapidez: definida como el ratio del tiempo y la longitud.
Volumen: con unidades longitud al cubo.
Densidad: relacionada con el ratio de masa por volumen.
Energía: relacionada con la masa, el tiempo y la longitud.
Cada unidad derivada mide una propiedad más compleja, y algunas de ellas tienen sus propios nombres.
Por ejemplo, la unidad de energía es el Joule, mientras que la unidad de presión es el Pascal. Ambas se construyen a partir de las unidades de las magnitudes básicas.
Fórmulas dimensionales
Las unidades tienen dimensiones, que es el nombre que reciben las cantidades físicas que describen. El metro y el kilogramo tienen dimensiones de longitud y masa, respectivamente. Cada una de las siete propiedades físicas básicas que podemos medir funcionan como una dimensión:
Metro: su dimensión es longitud.
Kilogramo: su dimensión es masa.
Segundo: su dimensión es tiempo.
Kelvin: su dimensión es temperatura.
Mol: : su dimensión es cantidad de sustancia.
Amperio: su dimensión es carga eléctrica.
Candela: su dimensión es luminosidad".
Cada unidad derivada posee una combinación de dimensiones.
Esta expresión se denomina, a veces, fórmula dimensional y expresa las propiedades que componen las unidades.
Expresiones dimensionales de las unidades derivadas
Para expresar una cantidad cualquiera, en su forma dimensional, hay que hacerlo en sus unidades básicas y sustituirlas por las dimensiones. A continuación se presentan dos ejemplos básicos:
Para expresar la velocidad en su forma dimensional:
Como la velocidad se expresa en metros por segundo o m/s, sus dimensiones son la longitud y el tiempo, expresados como: \(\mathrm{L}\) y \( \mathrm{T}\).
\[\text{velocidad}=\mathrm{m}/\mathrm{s}=\mathrm{L}/\mathrm{T}=\mathrm{L}\cdot \mathrm{T}^{-1}\]
Para expresar la densidad en su forma dimensional:
Las unidades de densidad son igual a kilogramos divididos por volumen. Los kilogramos tienen dimensiones de masa o \(\mathrm{m}\), y los volúmenes tienen dimensiones de metros cúbicos o longitud a la tercera potencia:
\[\text{densidad}=\mathrm{m}/\mathrm{L}^3 = \mathrm{m} \cdot \mathrm{L}^{-3}\]
Magnitudes y unidades físicas - Puntos clave
- Las propiedades físicas son las propiedades que podemos medir en un objeto o fenómeno.
- Hay siete propiedades básicas que podemos percibir y medir: la temperatura, la masa, la longitud, la luminosidad, la carga eléctrica, el tiempo y la cantidad de sustancia de la que está compuesto el objeto.
- Para medir las propiedades de un objeto, utilizamos unidades.
- Los valores de las unidades se acuerdan y se utilizan para medir las propiedades del objeto con una referencia común.
- Hoy en día, utilizamos el sistema SI, que se compone de unidades para expresar las siete propiedades básicas y utiliza prefijos y notación matemática para denominar las cantidades.
- También hay unidades derivadas, hechas de las unidades básicas; se utilizan para expresar los comportamientos más complejos de un objeto, como la velocidad.
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