Magnitudes físicas

Se entiende por magnitud todo aquello que puede ser aumentado o disminuido. Magnitudes físicas son todos aquellos factores o parámetros que intervienen e influyen en el desarrollo de cualquier experimento o fenómeno físico. La cualidad primordial de las magnitudes físicas es que pueden ser medidas. La medición de una magnitud consiste en establecer cuántas veces está contenida en la magnitud bajo medida aquella que se toma como unidad. La magnitud unidad puede tomarse arbitrariamente.

Ejemplo: Para la magnitud espacio se toma como unidad el metro (m). Así, una pulgada contiene 0,0254 veces dicha unidad, mientras que un año-luz (espacio que recorre la luz en un año) contiene 9,46.10^15 (poco menos de diez mil billones) metros.

1 pulgada = 0,0254 metros.
1 año-luz = 9,46.10^15 metros.

Igualmente podría tomarse como unidad la pulgada, en cuyo caso el metro contendría 39,37 veces la unidad, y el año-luz 3,72.10^17 veces una pulgada.

1 metro = 39,37 pulgadas.
1 año-luz = 3,72.10^17 pulgadas.

Si fuera el año-luz el tomado por unidad, se obtendría:

1 metro = 1,06.10^-16 años-luz.
1 pulgada = 2,68.10^-18 años-luz.

Existen dos clases de magnitudes físicas. Las magnitudes escalares son las que quedan determinadas expresando su medida como un valor numérico simplemente. Para que una magnitud vectorial quede perfectamente definida es necesario, además, especificar otros aspectos de la misma, tales como el punto de aplicación, dirección y sentido de dicha magnitud.

Ejemplo: Para definir la altura de una mesa es suficiente con decir que tiene 0,75 metros. Su peso queda perfectamente determinado cuando decimos que es de 35 kilopondios. Sin embargo, si para moverla hay que aplicar una fuerza de 60 newtons, hay que especificar también “dónde” se aplica, y con “qué” dirección y sentido debe hacerse.

Un kilopondio o kilogramo-fuerza, es la fuerza ejercida sobre una masa de 1 kg (kilogramo masa según se define en el Sistema Internacional) por la gravedad estándar en la superficie terrestre, esto es 9,80665 m/s². En definitiva, el kilogramo-fuerza (o kilopondio) es el peso de un kilogramo de masa en la superficie terrestre, expresión poco utilizada en la práctica cotidiana. Nunca oiremos decir: “yo peso 70 kilopondios o kilogramos-fuerza” (que sería lo correcto si utilizamos el Sistema Técnico de Unidades) o “yo peso 686 newtons” (si utilizamos el Sistema Internacional), sino que lo común es decir: “yo peso 70 kilogramos o kilos” (unidad de masa del SI), a pesar de que, en realidad, nos estamos refiriendo a kilogramos-fuerza, y no a kilogramos de masa. En lo anterior, debemos interpretar a la expresión “kilos” como acortamiento coloquial de kilogramos-fuerza o kilopondios, ya que estamos hablando de un peso; es decir, de una fuerza y no de una masa. El valor estándar de la gravedad (g) terrestre es de 9,80665 m/s². Entonces (y de acuerdo con la Segunda Ley de Newton: fuerza = masa × aceleración) se dice que:

1 kp = 1 kg × 9,80665 m/s² = 9,80665 kg m/s² = 9,80665 N

…de modo que 1 kilogramo-fuerza o kilopondio equivale a 9,80665 newtons.

Independientemente de que una magnitud física sea escalar o vectorial, puede clasificarse dentro de dos tipos: fundamental o derivada. Magnitud fundamental es aquella cuya medida se determina por comparación directa con la unidad establecida. Magnitud derivada es la que se determina o puede determinarse a través de una medida indirecta, empleando para ello una o varias magnitudes fundamentales.

Ejemplo: Las medidas de longitud se realizan por comparación directa con el metro, tomado como magnitud unidad. Las de tiempo se miden comparándolas con el segundo como unidad. Ambas magnitudes son fundamentales. La medida del volumen de un cubo podría hacerse comparándole con el de otro tomado como unidad; sin embargo, es más sencillo medir la longitud de sus tres aristas, cuyo producto nos dará el volumen del mismo. La velocidad de desplazamiento de un móvil puede hallarse midiendo el tiempo que tarda en recorrer una distancia determinada (que es también medible). Así pues, tanto el volumen como la velocidad son magnitudes derivadas, puesto que se miden a través de otras fundamentales.

Ya se ha comentado la necesidad de establecer una unidad para cada magnitud. Evidentemente, sólo será preciso hacerlo con las fundamentales. Las magnitudes unidad, también denominadas patrones, deben cumplir algunas condiciones:

1.Ser fácilmente reproducibles.
2.Ser invariables en el tiempo.
3.Ser homogéneas con la magnitud a medir.
4.Ser sencillas de manejar.

Según el conjunto de magnitudes fundamentales y/o los patrones de cada una de ellas elegidos, tendremos distintos sistemas de unidades. Obviamente, podrían obtenerse innumerables sistemas; sin embargo, son tres los que corrientemente se utilizan: el CGS (o cegesimal), el SI (Sistema Internacional, Giorgi o MKS) y el terrestre.

En el sistema CGS son magnitudes fundamentales la longitud, la masa y el tiempo (en lo que se refiere a la Mecánica), siendo las unidades el centímetro, el gramo y el segundo, respectivamente.

En el SI las magnitudes fundamentales son las mismas que en el CGS, aunque las unidades tomadas son, respectivamente, el metro, el kilogramo y el segundo.

Finalmente, el sistema terrestre toma como fundamentales las magnitudes de longitud, fuerza y tiempo, siendo sus respectivas unidades el metro, el kilopondio y el segundo.

Es fundamental destacar que en la resolución de cualquier problema físico debe siempre operarse dentro de un mismo sistema de unidades, pues de otra forma los resultados no serían coherentes. En cuál de ellos se opere es indiferente, y normalmente se elegirá aquel que resulte más conveniente con los resultados a obtener o con los datos dados en el enunciado.

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