Misura

Misura

Come si determina il valore di una grandezza fisica

La misura è il procedimento attraverso il quale, usando uno strumento appropriato, si stabilisce il valore di una grandezza fisica, cioè si associano a essa un numero e una unità di misura. Per questo esistono sistemi di unità di misura e strumenti adatti alle diverse situazioni. A differenza delle osservazioni basate sui nostri sensi, le misure hanno carattere oggettivo, nel senso che chiunque le ripeta ottiene, entro gli inevitabili errori, il medesimo risultato. Oggi le misure eseguite con strumentazioni anche di grande complessità migliorano la nostra vita permettendoci, per esempio, di controllare la qualità dei cibi e il tasso di inquinamento atmosferico

Osservare e misurare

Esaminando una mela, possiamo fare osservazioni riguardanti le sue proprietà, cioè apprezzarne il peso e il volume, descriverne il colore, la forma, il grado di maturazione, il profumo, l’appetibilità e così via.

Queste osservazioni hanno però carattere soggettivo, nel senso che persone diverse, esaminando lo stesso frutto, potranno esprimere pareri diversi: per esempio, per alcuni la mela potrebbe essere grande e acidula, per altri – che partono da esperienze e situazioni diverse – di dimensioni medie e gustosa. Per stabilire in modo oggettivo – cioè che abbia lo stesso senso per tutti – le proprietà della mela, come di qualsiasi altro oggetto o fenomeno, occorre invece eseguire misure che ne rappresentino le proprietà in forma quantitativa, tramite numeri e non con semplici impressioni. Per far questo servono strumenti di misura appropriati. Non tutte le proprietà di un fenomeno o di un corpo, però, sono misurabili: certamente non sono tali le qualità estetiche di un’opera d’arte e neppure il sapore di un frutto! Risultano misurabili soltanto quelle proprietà, come il peso di un oggetto, la temperatura di un ambiente o la velocità di un razzo, che rappresentano una grandezza fisica, cioè che si possono esprimere attraverso un numero e una unità di misura.

Qui, evidentemente, l’unità di misura è essenziale: non ha senso dire che la lunghezza del fiume Po è 652, senza specificare che si tratta di chilometri; e del resto questo numero sarebbe diverso se usassimo un’altra unità, come i metri oppure le miglia.

Le misure sono oggettive

Il carattere di oggettività delle misure è essenziale, non soltanto nella scienza e nella tecnica, ma anche nell’industria, nei commerci e nella vita comune. La misura di una data grandezza deve infatti essere ripetibile. Ciò significa che chiunque effettua la misura, in qualsiasi momento e in qualsiasi luogo, deve ottenere sempre il medesimo risultato, a parte le incertezze derivanti dagli errori che inevitabilmente si commettono quando si esegue una misura.

Una distinzione importante, infine, è quella fra misure dirette e indirette. Nella misura diretta di una grandezza si impiega uno strumento che determina quantitativamente e appunto, direttamente quella grandezza. Nella misura indiretta, invece, si determinano prima altre grandezze, dalle quali poi si ricava mediante calcolo la misura della grandezza desiderata. Per determinare la velocità di una automobile, per esempio, possiamo usare il tachimetro di bordo, che la fornisce direttamente, oppure misurare una data distanza lungo il percorso e il tempo necessario a percorrerla, e poi ricavare la velocità – in modo appunto indiretto – dal rapporto fra queste due misure.

Le unità di misura

Misurare una data grandezza significa confrontarla con una unità di misura, determinando quante volte l’unità scelta è contenuta nella grandezza assegnata. L’unità di misura, naturalmente, deve essere omogenea alla grandezza – non possiamo misurare la lunghezza di una fune in litri o in chilogrammi! – e deve inoltre essere nota a tutti (per esempio, non possiamo acquistare la moquette per un corridoio adoperando come unità di misura la lunghezza delle piastrelle che compongono la pavimentazione).

Per questo esistono i sistemi di unità di misura, sviluppati dagli scienziati e stabiliti per legge, che per ciascuna grandezza fisica fondamentale – massa, lunghezza, temperatura, forza e via dicendo – stabiliscono un campione e un’unità corrispondente. La massa, per esempio, si misura in chilogrammi, con riferimento al chilogrammo campione conservato presso l’Ufficio internazionale dei pesi e delle misure a Sèvres, presso Parigi. Il sistema attualmente in uso, in Italia e nel mondo, è il Sistema internazionale delle unità di misura, che deriva dal Sistema metrico decimale introdotto due secoli fa, durante la Rivoluzione francese. Esso costituisce un insieme organico di unità, collegate fra loro in modo coerente, che è basato sulle unità di sette grandezze fondamentali – fra le quali il metro, il secondo e il chilogrammo –, dalle quali vengono derivate tutte le altre. Per esempio, l’unità usata per la velocità (rapporto fra spazio percorso e tempo impiegato a percorrerlo) è il metro al secondo, derivata dall’unità di lunghezza (il metro) e da quella di tempo (il secondo).

Gli strumenti

Le misure si eseguono usando strumenti tarati, cioè calibrati attraverso il confronto con l’unità di misura o con altri strumenti tarati. Gli strumenti analogici sono dotati di una scala graduata e di un indice che fornisce la misura spostandosi sulla scala; gli strumenti digitali hanno invece un quadrante dove appare il numero che rappresenta la misura. In entrambi i casi si chiama portata (o fondo scala) dello strumento la massima grandezza che esso è in grado di misurare; viene detta sensibilità la più piccola grandezza (o la più piccola variazione della grandezza) che lo strumento permette di determinare. Uno strumento, in generale, è tanto migliore quanto maggiore è il rapporto fra portata e sensibilità.

Un’altra proprietà fondamentale degli strumenti è la prontezza, che rappresenta la rapidità con cui essi forniscono la misura. Scarsa prontezza, per esempio, possiede il termometro tradizionale usato per misurare la temperatura corporea, il cui bulbo sensibile si porta alla temperatura della pelle soltanto dopo un certo tempo.

Ogni strumento, infine, è caratterizzato dall’incertezza dei risultati che esso fornisce, dovuta complessivamente agli effetti delle diverse cause di errore. Questa incertezza può essere espressa in termini assoluti oppure, come accade più spesso, in termini relativi, cioè rapportata al fondo scala dello strumento.

Le misure nella società d’oggi

Al funzionamento della società d’oggi, a differenza che nel passato, contribuisce in maniera determinante – in molti casi addirittura essenziale – un’estrema varietà di misure, affidate a strumentazioni anche di grande complessità. Si eseguono misure elettriche, meccaniche, termiche, ottiche, acustiche, nei campi della fisica tradizionale e delle sue applicazioni ingegneristiche nell’industria, e anche misure di grandezze riguardanti composti chimici, l’ambiente, la radioattività, le variabili meteorologiche, gli organismi biologici e l’uomo stesso.

Sono misure, per esempio, le analisi cliniche a cui ci sottoponiamo per verificare il nostro stato di salute, gli accertamenti come l’elettrocardiogramma e l’elettroencefalogramma – misurati tramite segnali elettrici corporei – e gli esami ancora più raffinati che i medici impiegano come strumento diagnostico (diagnostica per immagini). Sempre a misure opportune sono affidati il controllo della qualità dei cibi, la verifica della quantità di sostanze inquinanti presenti nell’aria delle città o nell’acqua dei mari, la sicurezza dei voli aerei, e anche l’apertura automatica dell’airbag delle auto in caso di incidente.

Notiamo infine che gli strumenti e le tecniche di misura progrediscono continuamente grazie ai progressi della scienza, ma al tempo stesso è proprio l’impiego degli strumenti più avanzati che permette alle scienze di progredire.

Che cos’è la metrologia?

Con metrologia si indicano la scienza e la tecnica delle misure. Le attività di cui essa si occupa – dette metrologiche – sono la calibrazione degli strumenti, la cura dei campioni delle unità di misura, lo sviluppo di nuovi campioni, la ricerca di nuove tecniche di misura, la misura di nuove grandezze, e così via. Per la loro importanza scientifica ed economica tali incarichi sono affidati a enti governativi. In Italia, per esempio, essi spettano all’Istituto di metrologia Gustavo Colonnetti e all’Istituto nazionale elettrotecnico Galileo Ferraris.