Fisica per le superiori/Grandezze fisiche del SI

Terzo anno

Quarto anno

Quinto anno

Elettrostatica

Precedentemente si è stabilito che: data un'osservazione di un particolare fenomeno naturale, attraverso l'uso di un linguaggio matematico, da questa posso derivarne una legge che mi permette di descrivere ciò che sto osservando. O meglio, dato un fenomeno fisico devo definire le variabili di osservazione ovvero le variabili fisiche a cui poter applicare un metodo sperimentale. Questo è il concetto alla base della definizione dei fattori che intervengono nel fenomeno fisico. Allora si definisce come grandezza fisica od osservabile, un fattore che interviene nel fenomeno fisico per il quale sia possibile stabilire un criterio di confronto. Quindi ogni fenomeno fisico avrà delle variabili fisiche alle quali corrispondono delle grandezze fisiche. Le grandezze fisiche si distinguono in fondamentali e derivate. Prima di addentrarci nella spiegazione di cos'è una grandezza fondamentale e una grandezza derivata chiediamoci cos'è un grandezza fisica.

Una grandezza fisica è qualcosa che ha a che fare con il concetto di misura e difatti la Fisica oltre che descrivere i vari fenomeni, ne misura le osservazioni. Ad esempio, osserviamo lo spazio intorno a noi. Siamo soliti dare una posizione agli oggetti che ci circondano ed anche a noi stessi. Quindi immaginatevi di stare all'interno della vostra stanza. Osservate il letto, la scrivania, la sedia, la finestra e voi stessi. Quindi la prima osservazione che avete fatto è quella di posizionare gli oggetti all'interno del vostro spazio. Ora voi sapete che il letto è alla vostra destra o sinistra oppure siete di fronte ad esso oppure di spalle e la stessa cosa vale per la sedia, la scrivania e così via. Ma voi siete studenti della Fisica e quindi siete in grado di definire una grandezza fisica che meglio descriva la vostra osservazione. Questa grandezza fisica è la lunghezza. Il posizionamento degli oggetti nello spazio è una caratteristica comune di ogni osservazione, definire un riferimento di osservazione dal quale procedere nella descrizione del fenomeno fisico. Quindi riprendendo l'esempio, nel vostro sistema di riferimento la posizione di tutti gli oggetti risulta essere un dato fisico. Ora rispetto ad un sistema di coordinate cartesiane con origine voi stessi si può definire come posizione la seguente

$\ r(t)=x(t)+y(t)+z(t)$

Si vede come involontariamente si sia introdotta un'altra grandezza fisica, il tempo. Tutti i miei oggetti sono in un determinato istante temporale collocati in una certa posizione rispetto al mio riferimento x,y,z.

Torniamo alle nostre grandezze fisiche divise in fondamentali e derivate. Visto il precedente esempio si definisce allora come fondamentale quella grandezza alla quale è possibile associare un'unità di misura inalterabile, riproducibile, universalmente accettata e definita mediante una misurazione diretta. Ad esempio in meccanica le grandezze fondamentali sono: lunghezza, tempo e massa. Tutte le altre sono grandezza derivate come la velocità, l'accelerazione, la forza, la quantità di modo, il lavoro e così via.

Dimensioni fisiche, prime equazioni ed unità di misura

Alle grandezze fisiche fondamentali si è solito attribuire dimensioni fisiche per cui: Definizione

la dimensione fisica della grandezza lunghezza l è [L]

Definizione

la dimensione fisica della grandezza tempo t è [T]

Definizione

la dimensione fisica della grandezza massa m è [M]

Vediamo ora di introdurre alcune semplici leggi fisiche con il seguente esempio. Supponiamo di trovarci in un pomeriggio primaverile assopiti sotto un albero di mele. Ad un certo punto veniamo svegliati improvvisamente da qualcosa che ci ha colpito in testa e vediamo rotolare davanti a noi una mela fino a fermarsi. Dopo il primo istinto di toccarci la fronte, noi essendo studenti di Fisica, concludiamo che siamo stati spettatori passivi di un fenomeno naturale. Quindi ora abbiamo qualcosa da analizzare. Vediamo cosa si può concludere dalla precedente osservazione.

sicuramente la mela era ferma prima di cadere dall'albero;
la mela cadendo ha urtato la nostra testa;
rotolando sul terreno si è poi fermata vicino a noi;

In questa osservazione vi è racchiusa la maggior parte della Fisica classica. Vedremo più in là tutti i fenomeni in dettaglio ma a questo punto quello che mi interessa introdurre sono i concetti di velocità ed accelerazione. Definizione

Si definisce velocità di un oggetto come lo spazio totale percorso diviso il tempo impiegato

v={\frac {\Delta s}{\Delta t}}

Definizione

Si definisce accelerazione di un oggetto come la variazione della velocità diviso il tempo impiegato

a={\frac {\Delta v}{\Delta t}}

Ritornando al nostro esempio, la mela che inizialmente al tempo $\ t=0$ era ferma (il termine corretto è essere in quiete) cade verso di noi e quindi acquista una velocità ed un'accelerazione. Allora quali sono secondo voi le dimensioni fisiche della velocità? Ragionando, le dimensioni fisiche della velocità sono ${\frac {\left[L\right]}{\left[T\right]}}$ mentre le dimensioni fisiche dell'accelerazione sono ${\frac {\left[L\right]}{\left[T\right]^{2}}}.$