Le grandezze fisiche

Che cos'è una grandezza fisica?

Le grandezze fisiche sono quelle caratteristiche del mondo che possono essere misurate.

Immagina di voler descrivere un oggetto: non puoi limitarti a dire che è "grande", "pesante" o "caldo". No, questo non basta! Devi essere preciso. E per farlo, abbiamo inventato le grandezze fisiche: quelle caratteristiche degli oggetti o dei fenomeni che possiamo quantificare con un numero e un'unità di misura.

Alcuni esempi comuni? La lunghezza, la massa, la temperatura, la velocità, il tempo… insomma, tutte quelle cose che possiamo misurare usando strumenti come righelli, bilance, cronometri e termometri.

D’altro canto, se volessi misurare qualcosa di soggettivo come la "bellezza" o la "felicità", ecco, siamo spacciati, perché non possiamo trasformare queste cose in numeri oggettivi. Non esiste un righello per misurare la pazienza che dovrai avere per seguire una lezione noiosa!

La misura delle grandezze fisiche

Le due componenti fondamentali di una misura:

Ogni misura è composta da un procedimento e da un'unità di misura. 

1. Il procedimento di misura: È il modo in cui confronti la grandezza che vuoi misurare con un campione di riferimento. Ad esempio, quando misuri la lunghezza di una matita con un righello, stai usando una procedura standard per ottenere un valore. Questa procedura è fondamentale: se tu e qualcun altro fate la stessa misurazione, dovreste ottenere lo stesso risultato, altrimenti… beh, è ora di cambiare righello!

2. L'unità di misura: Questo è il campione con cui confronti la tua grandezza fisica. Ad esempio, per misurare la lunghezza, l'unità di misura più comune è il metro. Se stai misurando la massa, l’unità è il chilogrammo. Ora, queste unità non sono scelte a caso: devono essere invariabili (cioè non cambiare da un luogo all’altro o nel tempo) e accessibili a tutti. Quindi, chiunque, ovunque nel mondo, possa usare la stessa unità e ottenere lo stesso risultato. 

La misura come rapporto

Quando misuri qualcosa, il valore che ottieni è sempre un rapporto tra la grandezza che vuoi misurare e l'unità di misura scelta. Ad esempio, se la lunghezza della matita è 15 cm, stai dicendo che la tua matita è 15 volte l'unità di misura scelta (il centimetro). È un rapporto che dà significato alla misura.

Un numero senza l'unità di misura è detto "adimensionale" (privo di dimensioni). In altre parole, è un semplice numero. Possiamo dire che 15 è un numero naturale, intero, positivo, reale ma nulla di più. Puoi usarlo per dire che un oggetto pesa 15 kg o che una matita è lunga 15 centimetri, solo e soltanto se aggiungi un'unità di misura.

Dunque, che cos’è la lunghezza? La lunghezza è la distanza tra due punti, e per misurarla usiamo strumenti come il righello o il metro. Ad esempio, se vuoi sapere quanto è lunga una matita, prendi il righello e scopri che misura 15 centimetri.

Bene! Il numero “15” è la misura ossia il rapporto tra la lunghezza della matita e la tua unità di misura (il centimetro), che ti dice quante volte il centimetro entra nella lunghezza totale della matita.

Quindi, ogni volta che misuri qualcosa, stai confrontando una caratteristica di quell’oggetto con un campione standard, un’unità di misura. Questa è alla base delle grandezze fisiche: ti permettono di descrivere il mondo in modo preciso e coerente, un modo che tutti possiamo capire. Senza di esse, tutto sarebbe un grande caos fatto di "più o meno" e "forse".

Le grandezze omogenee e non omogenee

Sapere distinguere tra grandezze omogenee e non omogenee è fondamentale quando si fanno calcoli, altrimenti si rischia di dire delle sciocchezze. Solo le grandezze omogenee possono essere manipolate matematicamente tra loro, mentre le non omogenee devono restare nel loro angolino, tranquille, ognuna per conto suo.

Grandezze omogenee

Sono grandezze che possono essere confrontate e sommate tra loro perché misurano la stessa caratteristica fisica. Ora, non confonderti: "omogenee" non significa che devono essere uguali in valore, ma semplicemente che si riferiscono allo stesso tipo di grandezza fisica.

Esempio? La lunghezza di un tavolo e la lunghezza di una matita sono grandezze omogenee, perché entrambe misurano… indovina un po'? Esatto, la lunghezza. Anche se il tavolo è lungo 2 metri e la matita solo 15 centimetri, possiamo tranquillamente confrontarli, sommarli, sottrarli, moltiplicarli, e così via. Ecco perché puoi dire cose come: "Ho una corda lunga 3 metri e un'altra lunga 2 metri. Se le lego insieme, ottengo 5 metri di corda." Facile, no? Sono entrambe lunghezze, quindi sono omogenee e possiamo manipolarle matematicamente.

Grandezze non omogenee

Adesso, quando si parla di grandezze non omogenee, le cose si complicano. Queste sono grandezze che non possono essere confrontate o sommate tra loro perché misurano caratteristiche fisiche diverse. È come cercare di sommare le mele con le pere. Non funziona, e se qualcuno prova a farlo… beh, quella persona ha bisogno di rivedere un paio di cose di base.

Esempio classico? La lunghezza di una corda e la massa di un sasso. Queste due grandezze non possono essere sommate, sottratte, o confrontate direttamente, perché non misurano la stessa cosa. La lunghezza si misura in metri o centimetri, la massa in chilogrammi o grammi, e questi sono due mondi che non si parlano, un po' come mettere un calzino rosso e uno blu: non si abbinano. Ad esempio, non puoi dire che 2 metri + 3 chilogrammi = qualcosa di sensato. Che ne dici di 30 minuti + 25 gradi Celsius? Ridicolo, no? E' una totale assurdità metterle insieme.

Pensaci: quando fai un esperimento scientifico o una qualsiasi misurazione nella vita quotidiana, devi sapere quali grandezze puoi sommare o confrontare. Se non lo fai, ti ritroverai a fare calcoli senza senso.

Le grandezze fisiche fondamentali e derivate

Il Sistema Internazionale di Unità (SI), approvato nella XI Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure del 1960, è il set di regole che stabilisce quali unità di misura possiamo usare per descrivere, beh, praticamente tutto! Ci sono sette unità fondamentali che formano la base di tutto il sistema. Sono dette grandezze fisiche fondamentali perché da queste deriviamo tutte le altre unità fisiche.

Grandezza	Unità di misura	Simbolo
Lunghezza	metro	m
Tempo	secondo	s
Massa	kilogrammo	kg
Intensità di corrente	ampere	A
Temperatura	kelvin	K
Quantità di materia	mole	mol
Intensità luminosa	candela	cd

Queste unità sono alla base di tutto ciò che misuriamo in fisica, chimica, ingegneria e molte altre discipline. Da queste unità di base derivano tutte le altre unità di misura, dette grandezze fisiche derivate, come il newton per la forza, il joule per l'energia e così via. 

Utilizzare lo stesso sistema in tutto il mondo garantisce che le misurazioni siano precise e confrontabili, senza ambiguità. Immagina se ogni paese del mondo avesse il suo modo di misurare le cose: sarebbe un disastro cercare di comunicare informazioni precise.

Le grandezze derivate sono quelle che non hanno un'unità di misura propria nel Sistema Internazionale (SI), ma vengono ottenute combinando tra loro le unità delle grandezze fondamentali per descrivere fenomeni fisici più complessi.

La velocità è il classico esempio perfetto di grandezza derivata perché si ottiene combinando lunghezza e tempo. E' il rapporto tra la lunghezza percorsa e il tempo impiegato. Matematicamente, la velocità si esprime come:

$$ \text{Velocità} = \frac{\text{spazio (in metri)}}{\text{tempo (in secondi)}} = \frac{m}{s} $$

In questo caso, l'unità di misura della velocità nel SI è proprio metri al secondo (m/s), che deriva appunto da due grandezze fondamentali: il metro (per la lunghezza) e il secondo (per il tempo).  Quindi la velocità è una grandezza fisica derivata.

Anche se il Sistema Internazionale è il linguaggio scientifico universale, ci sono unità "fuori dal coro" che continuano ad essere ampiamente utilizzate, sia nella vita quotidiana che in ambiti scientifici e tecnici. Ad esempio, usiamo la tonnellata per indicare la massa, il minuto e l'ora per misurare il tempo (anche se tecnicamente non sono parte del SI, visto che il SI usa il secondo come unità fondamentale), e per la pressione parliamo tranquillamente di bar o atmosfere invece di pascal. In certi contesti, queste unità non SI sono più pratiche o semplicemente più comuni. Poi ci sono Paesi come gli Stati Uniti o il Canada, che sembrano voler fare le cose a modo loro, non hanno adottato il SI e mantengono unità di misura che si basano su sistemi non decimali. Ad esempio, le miglia per le distanze, i piedi per le altezze e i galloni per i liquidi.  Un miglio equivale a 1609,344 metri! Quindi, quando leggi un cartello che ti dice che la prossima uscita è a "5 miglia", il povero cervello europeo si mette subito a fare i calcoli. Queste unità non SI possono sembrare un po' ostiche, ma in certi ambiti sono ancora largamente utilizzate per tradizione o praticità, e a volte ci troviamo a dover convivere con loro. Quindi, preparati: se mai andrai negli Stati Uniti, ti ritroverai a guidare a "miglia all'ora" e non a "chilometri all'ora".