O que e necessário para definir uma grandeza física?

Grandeza física

A física é uma ciência experimental e como tal seus experimentos exigem medidas. Números são usados para descrever os resultados dessas medidas. Dois conceitos importantes são o de grandeza e unidade.

O que é uma grandeza física?

Uma grandeza física é qualquer número usado para descrever quantitativamente um fenômeno físico. Por exemplo, podemos medir o tempo, a altura de um prédio ou a distância até determinado ponto. Outro conceito importante quando se trata de grandeza física é o de definição operacional que é quando tratamos de grandezas físicas que são tão fundamentais que podemos defini-las somente descrevendo como são medidas. Podemos também definir uma grandeza física descrevendo como calculá-la a partir de outras grandezas que podemos medir. Por exemplo, o calculo da velocidade média de um objeto em movimento que é a distância percorrida dividida pelo intervalo do percurso.

Grandeza é tudo que pode ser medido.

Unidade da grandeza

Toda vez que medimos uma grandeza precisamos comparar com uma padrão de referência. O metro, por exemplo, quando dizemos que uma estrada tem 1080 metros, queremos dizer que ela possui comprimento 1080 vezes maior que uma barra de um metro, a qual por definição tem comprimento de 1 metro. Esse padrão define uma unidade de grandeza. Temos unidades de grandeza para o tempo, a distância, energia, força. Sempre que usamos um número para descrever uma grandeza física, precisamos sempre especificar a unidade que estamos utilizando dizer apenas “1080” não tem significado algum.

É preciso unidade de medidas que não variem e possam ser reproduzidas em vários locais, no mundo todo cientistas e engenheiros usam o Sistema Internacional conhecido também como SI.

Unidade é o que se usa para medir.

Grandeza discreta e grandeza contínua

Quando a grandeza é discreta a comparação é uma contagem. Por exemplo, quando contamos cartas, a unidade nesse caso é 1 carta e o resultado será um número natural. Podemos pensar que a grandeza é discreta quando o resultado é sempre um número inteiro.

Quando a grandeza é continua a comparação é uma medição e o resultado é um número real. Por exemplo quando medimos a distancia em metros entre duas casas nesse caso a unidade de medita é 1 metro.

Tempo

De 1889 até 1967, a unidade de tempo era definia como certa fração do dia solar médio. O padrão atual, adotado desde 1967, é muito mais preciso. Usa a diferença de energia entre os dois menores estado de energia do átomo de césio \(\left({133}^Cs \right) \). Quando bombardeado com micro-ondas na frequência apropriada, átomos de césio sofrem transições de um estado para o outro. Um segundo (s) é definido como o tempo necessário para a ocorrência de 9.192.631.770 ciclos dessa radiação.

Comprimento

Em 1960, um padrão atômico para medidores também foi estabelecido, usando o comprimento de onda da luz vermelho-alaranjada emitida por átomos de criptônio (86Kr) em tubos de descarga de brilho. De acordo com este padrão de comprimento, a velocidade da luz no vácuo é medida em 299.792.458 m/s. Em novembro de 1983, o padrão de comprimento foi alterado novamente e a velocidade da luz no vácuo foi definida como exatamente igual a 299.792.458 m/s. Assim, a nova definição de metro (abreviado m) passa a ser a distância que a luz percorre no vácuo em frações de 1/299.792.458 de segundo. Esta definição moderna fornece um padrão de comprimento mais preciso do que aqueles construídos a partir do comprimento de onda da luz.

Massa

A unidade de massa, adotada pelo SI é o quilograma (kg), é definida como a massa de um cilindro específico feito com uma liga de platina e irídio. Esse cilindro é mantido na Agência Internacional de Pesos e Medidas em Sèvres, próximo de Paris. Um padrão atômico para massa seria mais fundamental, porém, não podemos medir massas em escala atômica com exatidão igual à obtida em medidas macroscópicas.

O grama (que não é uma unidade fundamental) é igual a 0,001 quilograma.

Outras unidades derivadas podem ser formadas a partir das unidades de medida fundamentais. Por exemplo, as unidades de velocidade são metros por segundo(m/s); estas são as unidades de comprimento (m) divididas pelas de tempo (s).

Prefixo das unidades

Depois de saber quais são as unidades fundamentais é fácil verificar unidades maiores e menores para as mesmas grandezas físicas.

Uma vez definidas as unidades fundamentais, é fácil introduzir unidades maiores e menores para as mesmas grandezas físicas. No sistema métrico, elas são relacionadas com as unidades fundamentais por meio de múltiplos de 10 ou de 1/10. Logo, um quilômetro (1 km) é igual a 1000 metros, e um centímetro (1 cm) é igual a 1/100 metros. Para facilitar, escrevemos múltiplos de 10 ou de 1/10 usando notação exponencial: 1000 = 10^{3}, 1/1000 = 10^{-3} e assim por diante. Usando essa notação, 1 km = 10^{-3}m e 1 cm = 10^{-2}m. Os nomes das demais unidades são obtidos adicionando-se um prefixo ao nome da unidade fundamental.

O prefixo “quilo”, abreviado por k, significa sempre um múltiplo de 1000, assim temos:

1 quilômetro = 1 km = 10^{3} metros =10^{3} m
1 quilograma = 1 kg = 10^{3} gramas =10^{3} g
1 quilowatt = 1 kW = 10^{3} watts =10^{3} W

A lista abaixo apresenta diversos exemplos do uso dos prefixos que designam múltiplos de 10 para unidades de comprimento, massa e tempo.

Curiosidades:

• 1 nanômetro é algumas vezes maior que o maior átomo;
• 1 micrômetro é o tamanho de uma bactéria e outras células;
• 1 milímetro é o diâmetro do ponto feito por uma caneta;
• 1 centímetro é o diâmetro de seu dedo mínimo;
• 1 quilômetro é o percurso de uma caminhada de 10 minutos;
• 1 micrograma é a massa de uma partícula muito pequena de poeira;
• 1 miligrama é a massa de um grão de sal;
• 1 grama é a massa de um clipe de papel;
• 1 nanossegundo é o tempo para a luz percorrer 0,3m;
• 1 microssegundo é o tempo para um satélite percorrer 8 mm
• 1 milissegundo é o tempo para o som percorrer 3 cm.

Sistema inglês

Essas unidades são usadas somente nos Estados Unidos e em apenas alguns outros países e, na maioria deles, elas estão sendo substituídas pelas unidades de medida SI. As unidades de medida inglesas são oficialmente definidas em termos das unidades de medida SI, como pode ser visto a seguir:

Comprimento: 1 polegada = 2,54 cm (exatamente)
Força: 1 libra = 4,448221615260 newtons (exatamente)

O newton, abreviado como N, é a unidade de força do SI. A unidade inglesa de tempo é o segundo, definida da mesma forma que no SI.

Na física, as unidades inglesas são usadas somente em mecânica e termodinâmica; não há sistema inglês de unidades elétricas.

Referências:

Young, Hugh D. Física I, Sears e Zemansky : mecânica / Hugh D. Young, Roger A. Freedman; colaborador A. Lewis Ford; tradução Daniel Vieira; revisão técnica Adir Moysés Luiz. – 14. ed. – São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2016.

Dante, Luiz Roberto Matemática: contexto & aplicações / Luiz Roberto Dante. – 2. ed. – São Paulo : Ática, 2013. Obra em 3 v.