Le grandezze fisiche

Che cos'è una grandezza fisica?

Immagina di voler raccontare quanto è alto un albero, quanto pesa una mela o quanto è caldo un caffè. Se potessi farlo solo dicendo “è alto”, “è pesante” o “è caldo”, quanto sarebbero utili queste informazioni? Poco. Sono informazioni troppo generiche. È qui che entra in gioco uno degli strumenti più potenti che la scienza ha inventato per descrivere la realtà: le grandezze fisiche.

Le grandezze fisiche sono tutte quelle caratteristiche del mondo che possiamo misurare.

Non parliamo di concetti vaghi come la felicità o la simpatia, ma di quantità ben definite: lunghezza, massa, temperatura, tempo, velocità. Ogni volta che diciamo “una sedia pesa 5 chilogrammi” o “la corsa è durata 10 minuti”, stiamo usando una grandezza fisica. E lo facciamo esprimendola sempre con due elementi: un numero e un’unità di misura.

Ad esempio, l'altezza di un grattacielo è 150 metri, la durata di un film è 120 minuti, la temperatura corporea è 36,6°C, ecc

Come si misura qualcosa?

Misurare non significa solo osservare. Significa confrontare una grandezza con un’unità standard, usando uno strumento adeguato.

Se voglio sapere quanto è lunga una matita, uso un righello: appoggio la matita, leggo la scala, ottengo un numero (ad esempio 8) e un’unità (centimetri).

Quel “8 cm” non è solo un’informazione utile, è un linguaggio universale. Chiunque, in qualsiasi parte del mondo, può capire esattamente quanto è lunga quella matita.

Ma attenzione: dire “8” da solo non basta. Senza l’unità di misura, un numero è vuoto, adimensionale. Come scriveva il fisico Richard Feynman: “Qualsiasi misura, senza l’unità, è solo un numero casuale”.

Ad esempio, se un tavolo è lungo 2 metri, e il metro campione è il riferimento, diremo che la lunghezza del tavolo è 2 m, perché è due volte l’unità di misura. Dire che un tavolo misura 2, senza specificare l'unità di misura, non significa niente.

Grandezze omogenee e non omogenee

Non tutte le grandezze possono essere messe a confronto o sommate. Ha senso aggiungere due lunghezze, ad esempio 2 metri + 3 metri = 5 metri, ma ha senso sommare 2 metri e 3 chilogrammi? Ovviamente no. Le prime sono grandezze omogenee, le seconde non omogenee. Solo le omogenee possono dialogare tra loro in modo coerente.

• Le grandezze omogenee sono confrontabili e possono essere convertite alla stessa unità di misura. Ad esempio, possiamo sommare litri con litri $$ 1,5 \ litri + 0,5 \ litri = 2 \ litri $$ Sono grandezze omogenee.
• Le grandezze non omogenee non sono confrontabili. Ad esempio, non possiamo sommare litri e grammi perché sono grandezze non omogenee. Sarebbe un'operazione priva di significato $$ 1,5 \ litri + 500 \ grammi $$

Le grandezze fondamentali

Per dare ordine a questo mondo, la scienza ha stabilito un sistema comune: il Sistema Internazionale, o SI. In esso, esistono sette grandezze fondamentali, ognuna con una propria unità standard. Sono i pilastri su cui si costruisce tutto il resto:

• Lunghezza
  Misura lo spazio tra due punti, ad esempio la distanza tra due città o la lunghezza di una stanza. L'unità di misura nel SI è il metro (m).
• Tempo
  Indica la durata di un evento, come il tempo impiegato per percorrere una distanza o la durata di un battito cardiaco. L'unità di misura è il secondo (s).
• Massa
  Esprime la quantità di materia di un corpo, come la massa di un sacchetto di farina o di una persona. L'unità di misura è il chilogrammo (kg).
• Intensità di corrente
  Rappresenta il flusso di cariche elettriche in un circuito, come quello che alimenta una lampadina. L'unità di misura è l'ampere (A).
• Temperatura
  Indica il grado di agitazione delle particelle in una sostanza, utile per descrivere il caldo o il freddo. L'unità di misura nel SI è il kelvin (K).
• Quantità di materia
  Misura il numero di particelle (atomi o molecole) presenti in una sostanza chimica. L'unità di misura è la mole (mol).
• Intensità luminosa
  Quantifica la quantità di luce emessa in una certa direzione, come quella prodotta da una candela accesa. L'unità di misura è la candela (cd).

Ad esempio, un percorso di 100 metri (m) è una lungheza, un'attività che dura 45 secondi (s) è il tempo, una massa corporea di 70 chilogrammi (kg), ecc.

Le grandezze derivate

Dalle sette grandezze fondamentali si ricavano, attraverso delle combinazioni, tutte le altre grandezze fisiche, dette grandezze derivate.

La velocità $ V $, ad esempio, nasce dividendo lo spazio $ S $ per il tempo $ T $ ed è misurata in metri al secondo $ m/s $.

$$ V = \frac{L}{T} $$

Ad esempio, un’auto che viaggia a 90 km/h. La velocità è un semplice rapporto delle grandezze fondamentali: spazio/tempo.

La velocità non è ovviamente l'unica grandezza derivata, è forse la più semplice ma ce ne sono molte altre.

Ad esempio, la forza si misura in newton, combinando massa e accelerazione, l’energia in joule, la pressione in pascal, ecc.

Ogni unità derivata racconta una relazione tra fenomeni diversi e interconnessi.

Unità fuori dal coro... ma ancora utili. Non tutte le unità di misura usate nel mondo seguono le regole del SI. Alcune, come la tonnellata, l’ora o il bar, sono fuori dallo standard, ma ancora molto diffuse. E in certi paesi, come gli Stati Uniti, sopravvivono sistemi alternativi: piedi, galloni, miglia. Più tradizione che semplicità, visto che questi sistemi rendono i calcoli e i confronti più complessi. Ad esempio, una lattina da 355 ml equivale a 12 once liquide negli USA. Le autostrade americane hanno i limiti di velocità misurati in miglia orarie (es. 65 miglia orarie)

Quindi, le grandezze fisiche sono il linguaggio della precisione. Senza di queste, vivremmo in un mondo vago, fatto di “più o meno”, “tanto o poco”.

Misurare con unità condivise significa comunicare in modo chiaro e affidabile, in ogni campo: dalla scienza all’ingegneria.