Mediciones directas de magnitudes físicas

Mecánica. Dinámica. Medidas. Unidades de medida. Longitud. Masa. Tiempo. Sistema métrico. Balanza de precisión. Micrómetro, nonio

  • Enviado por: Fernando Dehne
  • Idioma: castellano
  • País: Bolivia Bolivia
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Practica Nº 1

Mediciones directas

Objetivos.-

  • Realizar mediciones de distintas magnitudes físicas: una medición.

  • Adquirir mayor destreza en el manejo de instrumentos de medición y sus sistemas de unidades.

Marco Teórico.-

Proceso de Medida.- Procedimiento por el que se obtiene la expresión numérica de la relación que existe entre dos valores de una misma magnitud, uno de los cuales se ha adoptado convencionalmente como unidad.

Los resultados de las medidas son números que, por diversas causas —que van desde el propio procedimiento hasta fallos del experimentador—, presentan errores y son, por tanto, números aproximados. Lo importante en una medida es encontrar el número aproximado y estimar el error que se comete al tomar ese valor.

La precisión de un instrumento de medida es la mínima variación de magnitud que puede determinar sin error. Un instrumento será tanto más preciso cuanto mayor sea el número de cifras significativas que puedan obtenerse con él. El error de una medida también puede estar motivado por los errores sistemáticos del instrumento, que pueden deberse a defectos de fabricación, variaciones de la presión, la temperatura o la humedad. Estos errores no pueden eliminarse totalmente y para que su valor sea lo más pequeño posible se realizan pruebas de control que consisten en cotejar las medidas con las de un objeto patrón.

Para obtener el valor de una magnitud lo más cercano posible al valor exacto hay que repetir la medida varias veces, calcular el valor medio y los errores absoluto y de dispersión.

El error absoluto de una medida cualquiera es la diferencia entre el valor medio obtenido y el hallado en esa medida. El error de dispersión es el error absoluto medio de todas las medidas. El resultado de la medida se expresa como el valor medio `más, menos' (±) el error de dispersión.

Sistema Internacional de unidades, nombre adoptado por la XI Conferencia General de Pesas y Medidas (celebrada en París en 1960) para un sistema universal, unificado y coherente de unidades de medida, basado en el sistema mks (metro-kilogramo-segundo). Este sistema se conoce como SI, iniciales de Sistema Internacional. En la Conferencia de 1960 se definieron los patrones para seis unidades básicas o fundamentales y dos unidades suplementarias (radián y estereorradián); en 1971 se añadió una séptima unidad fundamental, el mol. Las dos unidades suplementarias se suprimieron como una clase independiente dentro del Sistema Internacional en la XX Conferencia General de Pesas y Medidas (1995); estas dos unidades quedaron incorporadas al SI como unidades derivadas sin dimensiones. Las siete unidades fundamentales se enumeran en la tabla 1. Los símbolos de la última columna son los mismos en todos los idiomas.

Longitud

El metro tiene su origen en el sistema métrico decimal. Por acuerdo internacional, el metro patrón se había definido como la distancia entre dos rayas finas sobre una barra hecha de una aleación de platino e iridio y conservada en París. La conferencia de 1960 redefinió el metro como 1.650.763,73 longitudes de onda de la luz anaranjada-rojiza emitida por el isótopo criptón 86. El metro volvió a redefinirse en 1983 como la longitud recorrida por la luz en el vacío en un intervalo de tiempo de 1/299.792.458 de segundo.

Masa

Cuando se creó el sistema métrico decimal el kilogramo se definió como la masa de 1 decímetro cúbico de agua pura a la temperatura en que alcanza su máxima densidad (4,0 °C). Se fabricó un cilindro de platino que tuviera la misma masa que dicho volumen de agua en las condiciones especificadas. Después se descubrió que no podía conseguirse una cantidad de agua tan pura ni tan estable como se requería. Por eso el patrón primario de masa pasó a ser el cilindro de platino, que en 1889 fue sustituido por un cilindro de platino-iridio de masa similar. En el SI el kilogramo se sigue definiendo como la masa del cilindro de platino-iridio conservado en París.

Tiempo

Durante siglos el tiempo se ha venido midiendo en todo el mundo a partir de la rotación de la Tierra. El segundo, la unidad de tiempo, se definió en un principio como 1/86.400 del día solar medio, que es el tiempo de una rotación completa de la Tierra sobre su eje en relación al Sol. Sin embargo, los científicos descubrieron que la rotación de la Tierra no era lo suficientemente constante para servir como base del patrón de tiempo. Por ello, en 1967 se redefinió el segundo a partir de la frecuencia de resonancia del átomo de cesio, es decir, la frecuencia en que dicho átomo absorbe energía. Ésta es igual a 9.192.631.770 Hz (hercios, o ciclos por segundo). El segundo es la duración de 9.192.631.770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles energéticos hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133.

Sistema métrico decimal, sistema decimal de unidades físicas, que toma su nombre de su unidad de longitud, el metro (del griego metron, 'medida'). El sistema métrico decimal fue introducido y adoptado legalmente en Francia en la década de 1790, y adoptado después como sistema común de pesos y medidas por la mayoría de los países. El sistema métrico decimal se usa en todo el mundo para trabajos científicos.

El metro (m) se definió originalmente como una diezmillonésima parte de la distancia entre el ecuador y el polo norte a lo largo del meridiano de París. Entre 1792 y 1799, esta distancia fue medida parcialmente por científicos franceses. Considerando que la Tierra era una esfera perfecta, estimaron la distancia total y la dividieron entre 10 millones. Más tarde, después de descubrirse que la forma de la Tierra no es esférica, el metro se definió como la distancia entre dos líneas finas trazadas en una barra de aleación de platino e iridio, el metro patrón internacional, conservado en París. Después volvió a definirse a partir de la longitud de onda de la luz rojiza emitida por una fuente de criptón 86. Sin embargo, las medidas de la ciencia moderna requerían una precisión aún mayor, y en 1983 el metro se definió como la longitud del espacio recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299.792.458 de segundo.

En 1900, el sistema métrico se había ampliado para convertirse en el sistema MKS (metro-kilogramo-segundo), en el que la unidad de masa no era el gramo sino el kilogramo, y que incluía además la unidad de tiempo, el segundo. Más tarde se añadió una unidad electromagnética, el amperio, para formar el sistema MKSA (metro-kilogramo-segundo-amperio). Como en la ciencia se necesitaban unidades más pequeñas, también se empleaba el sistema CGS o cegesimal (centímetro-gramo-segundo). La unidad de volumen se definió inicialmente como 1 decímetro cúbico, pero en 1901 se redefinió como el volumen ocupado por un kilogramo de agua a 4 ºC de temperatura y una presión de 760 mm de mercurio; en 1964 se volvió a la definición original.

Para expresar múltiplos decimales de las unidades del sistema métrico se emplea una serie de prefijos griegos, mientras que para expresar fracciones decimales se utilizan otros prefijos latinos. El Sistema Internacional de unidades adoptó esos prefijos y añadió otros.

En Gran Bretaña, Estados Unidos y muchos otros países angloparlantes todavía se emplean pulgadas, pies, millas, libras o galones como unidades comunes para medir longitudes, pesos y volúmenes. Sin embargo estas unidades tradicionales están legalmente basadas en patrones métricos.

Materiales.-

  • Un Calibrador Vernier (Pie de Rey).

  • Un Micrómetro Pálmer.

  • Una Balanza de presicion de tres brazos.

  • Un cilindro de Aluminio.

  • Un cilindro de Aluminio Hueco.

  • Un cilindro de Plástico.

  • Un cilindro de Bronce.

  • Un cilindro de Cobre.

  • Un cilindro de Vidrio Hueco.

  • Una esfera de Hierro.

  • Un Paralelepipedo de Madera.

Modo de empleo de los instrumentos de medida.-

Balanza de presición.- La balanza de tres brazos, tiene una presición de una centecima de gramo, vale decir que el error de esta sera de 0.01 [gr.] , esta consta de un plato, que es donde se coloca el objeto a pesar, se pueden ver tambien 3 pesas, una en cada brazo, que controlan el peso de comparacion (contrapeso), en el tercer brazo estan las medidas suben de 100 en 100, en el segundo de 10 en 10 y en el tercero, de 1 en 1 gramo, se puede tambien apreciar el tornillo de ajuste, por el cual se debe regular la balanza antes de ser utilizada, esto se logra, haciendo coincidir la referencia de la balanza, con la señalización del brazo de esta como el la figura.

Micrómetro.- El micrómetro consta de una rosca micrométrica capaz de moverse a lo largo de su propio eje, se trata de un instrumento de precisión, que consta de dos bases o extremos, (uno móvil y otro estático) entre los cuales se prensan los objetos que deben ser medidos, en el extremo del aparato se encuentra una tuerca sensible que debe ser utilizada para hacer coincidir la punta móvil con el objeto a medir, de tal forma que este quede presionado, entre la esta punta y la fija, nunca deben ser aplicadas presiones tales que deformen al objeto, con este fin solo se debe aplicar torsiones ligeras sobre la rosca, ya que esta provista de una chicharra, que emite un sonido característico al llegar al limite de presión necesario para medir el objeto, no permitiendo que se ejerza mas presión sobre la rosca.

Calibre Vernier (Pie de rey).- Es un instrumento de medición de longitud que básicamente es una regla graduada hasta los milímetros (Salvo en casos como en los modelos a escala), que permite, la obtención de resultados aproximados hasta décimas de milímetro, haciendo la evaluación visual de la fracción de milímetro que puede estar contenido en la longitud que se mide. Un observador habituado puede evaluar hasta 0,1 de división en una escala bien hecha, cuando las condiciones de observación son favorables. Entretanto al estimar una desviación cometida en la medición de una longitud con escala métrica debe tenerse en cuenta que hay dos coincidencias que deben ser observadas, la del comienzo y la del final del objeto, lo que da lugar a una doble incertidumbre. Es un instrumento dotado de tres pares de bases de referencia, entre cada par, puede ajustarse la longitud que puede ser medida, este instrumento se presta bien para medidas de pequeñas longitudes en general, y en particular para medidas de diámetros internos o profundidades, según el par de bases entre las cuales se intercale el objeto que debe medirse. En el cuerpo del instrumento esta grabada la escala principal en una platina, y sobre una pieza móvil deslizante se encuentran las segundas, que facilita la lectura de las fracciones de la división de la escala principal.

El instrumento móvil se denomina NONIO o Vernier, si cada división de la regla representa un milímetro, cada división pequeña representa una décima de milímetro, se puede ver en la escala del NONIO, que 10 divisiones de esta equivalen a 9 divisiones o 0,9 milímetros en la regla, por consiguiente cada división del NONIO representa 0,09 milímetros o 0,9 décimas de milímetro. Otro modo de expresar la longitud del NONIO es que cada división equivale a 0,1 décimas de milímetro, menos que una décima de milímetro.

Recomendaciones.-

  • Para un buen trabajo de medición es necesario comprobar el buen funcionamiento de los instrumentos (el estado físico del instrumento).

  • Para reducir el problema de errores aleatorios se debe verificar la precisión del instrumento en cuanto a sus unidades más pequeñas.

  • Conclusiones.-

    Realizamos la medición directa de los diferentes objetos, en forma individual tomando en cuenta sus pesos, longitudes, diámetros y alturas, según el caso.

    Al concluir con el experimento adquirimos mayor destreza en el manejo de los distintos instrumentos, familiarizándonos con las magnitudes, unidades y errores de los mismos.

    Consideramos la realización de esta practica importante, ya que nos permitió, verificar por experiencia propia, lo aprendido en teoría.


    Figura

    Diámetro

    Longitud

    Masa

    Instrumentos

    Cilindro de Aluminio

    [30.680 ± 0.001] [mm.] E% = 0.003%

    [57.25 ± 0.05] [mm.] E% = 0.02%

    [107.80 ± 0.01] [gr.] E% =0.009%

    Calibrador

    Tornillo micrométrico

    Balanza

    Cilindro de aluminio

    Hueco

    Ext: [24.750 ± 0.001] [mm.] E% =0.004%

    Int: [14.50 ± 0.05] [mm.] E%=0.34%

    [51.65 ± 0.05] [mm.] E% = 0.09%

    [43.36 ± 0.01] [gr.] E% =0.02%

    Calibrador

    Tornillo micrométrico

    Balanza

    Cilindro de plástico

    [15.150 ± 0.001] [mm.] E% = 0.007%

    [54.45 ± 0.05] [mm.] E% = 0.09%

    [11.57 ± 0.01] [gr.] E% = 0.09%

    Calibrador

    Tornillo micrométrico

    Balanza

    Cilindro Acero Inox.

    [11.950 ± 0.001] [mm.] E% = 0.008%

    [51.80 ± 0.05] [mm.] E% = 0.10%

    [ 45.27 ± 0.01] [gr.] E% = 0.02%

    Calibrador

    Tornillo micrométrico

    Balanza

    Cilindro de Bronce

    [12.615 ± 0.001] [mm.] E% = 0.008%

    [52.85 ± 0.05] [mm.] E% = 0.09%

    [ 58.67 ± 0.01] [gr.] E% = 0.02%

    Calibrador

    Tornillo micrométrico

    Balanza

    Cilindro de Cobre

    [12.750 ± 0.001] [mm.] E% = 0.008%

    [51.05 ± 0.05] [mm.] E% = 0.10%

    [ 54.55 ± 0.01] [gr.] E% = 0.02%

    Calibrador

    Tornillo micrométrico

    Balanza

    Cilindro de Vidrio

    Hueco

    Ext: [28.540 ± 0.001] [mm.] E% =0.004%

    Int: [24.59 ± 0.05] [mm.] E%=0.2%

    [18.7 ± 0.1] [cm.] E% = 0.5%

    [ 81.70 ± 0.01] [gr.] E% = 0.01%

    Calibrador

    Tornillo micrométrico

    Balanza

    Esfera de metal

    [17.890 ± 0.001] [mm.] E% = 0.006%

    [23.57 ± 0.01] [gr.] E% = 0.04%

    Tornillo micrométrico

    Paralelepipedo de madera

    Largo:

    [70.00 ± 0.05] [mm.] E% = 0.07%

    Ancho:

    [49.40 ± 0.05] [mm.] E% = 0.10%

    Altura:

    [39.65 ± 0.05] [mm.] E% = 0.10%

    [81.00 ± 0.01] [gr.] E% = 0.01%

    Calibrador

    Balanza

    Mediciones directas de magnitudes físicas

    Calibrador, dispositivo mecánico que se utiliza para medir longitudes pequeñas con cierta precisión. Los calibradores sencillos tienen dos patillas que se adaptan a las superficies cuya separación queremos medir. La abertura de las patillas se compara con una regla para obtener la medida. Hay calibradores más complejos, como el Tornillo micrométrico (parecido a una llave inglesa), que llevan una regla que permite la lectura directa de la medida de su abertura.

    Aumento de 1 en 1 gr.

    Aumento de 10 en 10 gr.

    Aumento de 100 en 100 gr.

    Pesas

    Referencia

    Señalización del Brazo

    Tornillo de ajuste

    Plato

    Vernier

    Rosca de Ajuste Rápido

    Punta Móvil

    Punta Fija

    Rosca de Ajuste lento

    Palanca de Ajuste

    Cilindro Rotatorio

    Escala Horizontal

    Nonio o Vernier

    Pieza Móbil

    Tornillo de sujeción

    Bases Inferiores: Para longitudes y diámetros externos.

    Bases Superiores: Para diámetros internos

    Base Posterior: Para Profundidades

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