1.1 Método científico, magnitudes y unidades SI

Introducción

La Física y la Química son ciencias experimentales: sus leyes se obtienen observando, midiendo y comprobando. Para que una medida tenga valor tiene que poder repetirse y compararse en cualquier laboratorio del mundo. Por eso en esta lección estudiamos el método científico, las magnitudes físicas, el Sistema Internacional de Unidades (SI) y cómo se expresan los resultados de una medida con sus errores.

Explicación

El método científico es el procedimiento con el que la ciencia construye conocimiento fiable. Sus etapas habituales son:

• Observación de un fenómeno y planteamiento de una pregunta.
• Formulación de hipótesis: explicaciones provisionales que se puedan comprobar.
• Experimentación: se controlan las variables (independiente, dependiente y controladas) y se toman medidas.
• Análisis de datos mediante tablas, gráficas y ecuaciones.
• Conclusiones: si los datos confirman la hipótesis de forma repetida, puede llegar a enunciarse una ley; un conjunto de leyes explicadas por un mismo modelo forma una teoría.
• Comunicación de los resultados para que otros científicos puedan revisarlos y repetirlos.

Una magnitud es toda propiedad que se puede medir y expresar con un número y una unidad. Medir es comparar una magnitud con otra de su misma especie que se toma como unidad. Las magnitudes pueden ser escalares (quedan definidas con un número y una unidad, como la masa o la temperatura) o vectoriales (necesitan además dirección y sentido, como la velocidad o la fuerza).

El SI tiene siete magnitudes fundamentales: longitud (metro, m), masa (kilogramo, kg), tiempo (segundo, s), intensidad de corriente eléctrica (amperio, A), temperatura termodinámica (kelvin, K), cantidad de sustancia (mol, mol) e intensidad luminosa (candela, cd). Desde 2019 todas estas unidades se definen a partir de constantes de la naturaleza con valor fijo, como la velocidad de la luz o la constante de Planck. Las demás son magnitudes derivadas, que se obtienen combinando las fundamentales: velocidad (m/s), aceleración (m/s²), fuerza (newton, N = kg·m/s²), energía (julio, J = N·m) o potencia (vatio, W = J/s).

Para expresar cantidades muy grandes o muy pequeñas se usan la notación científica (por ejemplo, 0,00052 m = 5,2·10⁻⁴ m) y los prefijos: giga (10⁹), mega (10⁶), kilo (10³), centi (10⁻²), mili (10⁻³), micro (10⁻⁶) y nano (10⁻⁹). Los cambios de unidades se hacen con factores de conversión, fracciones que valen 1 porque el numerador y el denominador son la misma cantidad.

Ninguna medida es exacta. El error absoluto es la diferencia, en valor absoluto, entre el valor medido y el valor que se toma como verdadero; se expresa en las mismas unidades que la medida. El error relativo es el cociente entre el error absoluto y el valor verdadero; no tiene unidades, suele darse en porcentaje e indica la calidad de la medida. Por último, la ecuación de dimensiones permite comprobar si una fórmula es coherente: los dos miembros de una igualdad física deben tener las mismas dimensiones.

Ejemplo

Ejemplo 1. Expresa la densidad del aluminio, 2,7 g/cm³, en unidades del SI.

2,7 g/cm³ · (1 kg / 1000 g) · (10⁶ cm³ / 1 m³) = 2,7 · 10³ kg/m³ = 2700 kg/m³.

Ejemplo 2. Al medir la aceleración de la gravedad un grupo obtiene 9,6 m/s², y se toma como valor verdadero 9,8 m/s².

Error absoluto: |9,6 − 9,8| = 0,2 m/s². Error relativo: 0,2 / 9,8 = 0,020, es decir, 2,0 %.

Ejercicios