Unidades Sistema Internacional. Magnitudes físicas.

Contenidos

Unidades de medida, qué son.

Las Unidades del Sistema Internacional son la referencia de medida de la comunidad científica.

En cuanto a las unidades de medida es importante entender qué es el acto de medir.

Medir es el acto por el cual comparamos una cantidad de una magnitud física con una cantidad de referencia establecida arbitrariamente como unidad de la magnitud medida. En este acto establecemos cuantas veces la cantidad medida contiene la unidad de referencia. 

Así, si el valor de la magnitud medida es tres veces el establecido por la unidad, el valor medido será de tres unidades.

Es importante aquí ser conscientes de la arbitrariedad de la unidad escogida. Por ello se explica la multitud de unidades de medida existentes para la medición de algunas magnitudes conocidas desde antiguo, dado que cada comunidad elegía como tal la que más se avenía a sus usos y costumbres.

De esta manera nos podemos encontrar que, para medir la longitud, y según la época y región que consideremos se han venido utilizando unidades como punto, línea, dedo, pulgada, palmo, jeme, pie, codo, vara, paso, braza, estadal, cuerda, milla y hasta tres tipos de legua. Esto sólo en los reinos castellanos.

En el mundo anglosajón, y sólo en cuanto a longitud, nos encontramos con unidades de medida de longitud como pulgada, pie, yarda, vara, cadena, estadio, milla y legua. 

Cabe decir que, las unidades homólogas en ambos casos no coincidían en valor.

Es más, dentro de las medidas contempladas en el ejemplo castellano los valores de cada unidad sufrían variaciones significativas de unas localidades a otras.

Mientras el comercio y la ciencia se desarrollaban a un nivel muy local, todo funcionaba bien con estos sistemas de unidades. 

Pero poco a poco las relaciones entre las distintas comunidades hicieron que, para llegar a un buen entendimiento y evitar confusiones, se tuviera que harmonizar el sistema de medición. De modo que todos utilizaran el mismo sistema de unidades de referencia.

En esta harmonización el sistema métrico decimal se impuso frente a los demás, como veremos a continuación.

El Sistema Internacional de Unidades.

El Sistema Internacional de Unidades surge de esta necesidad de homogeneizar los sistema de medida entre los diferentes países, que llegan a un acuerdo internacional de utilizar unidades de medida comunes en todos ellos.

El acuerdo toma cuerpo en 1960 en la 11ª Conferencia General de Pesas y Medidas.

A lo largo del tiempo los patrones de medida establecidos se han ido modificando, de manera que, patrones que inicialmente eran físicos en la actualidad están referenciados a fenómenos físicos bien conocidos.

Por ejemplo, el metro como unidad de longitud, se definió inicialmente en 1782 en función de la longitud del meridiano terrestre. Una vez obtenida dicha longitud se realizó un patrón de aleación de platino e iridio que fue depositado en la oficina de pesos y medidas. La longitud de dicho patrón era pues el metro oficial.

A la dificultad de acceso al patrón se suma la variabilidad en la longitud que producen efectos como la dilatación. De ahí la conveniencia de definir el metro en función de constantes físicas inmutables. 

A partir de 1983 el metro se define en función de la velocidad de la luz en el vacío, una constante física universal.

Del mismo modo se ha ido haciendo con el resto de magnitudes físicas adoptadas por el sistema internacional de unidades como fundamentales. 

Puedes consultar la historia completa de la definición de metro aquí.

Unidades de medida del Sistema Internacional. Magnitudes fundamentales.

Las unidades del Sistema Internacional son, como hemos visto hasta ahora arbitrarias, como también lo son las magnitudes fundamentales en las que se basa.

Lo primero que se hace al establecer las unidades del Sistema Internacional, es establecer cuáles serán sus magnitudes fundamentales.

Éstas son las que pueden definirse por sí mismas y son independientes de las demás. 

Cabe resaltar que las elegidas podrían haber sido otras y que, si nos fijamos, en este momento la unidad de longitud está definida a partir de una magnitud no fundamental, lo cual no deja de tener su aquel.

En todo caso, siete fueron las magnitudes elegidas como fundamentales. A éstas les corresponden siete unidades de medida que se utilizan como referencia.

Quedan recogidas en la siguiente tabla de unidades del sistema internacional.

TABLA UNIDADES SISTEMA INTERNACIONAL
MAGNITUDUNIDADSIMBOLO
Masakilogramo kg 
Longitud metro m
Tiempo segundo s
 Temperatura kelvin K
 Intensidad luminosa candela cd
Intensidad de corriente  amperio A
 Cantidad de Sustancia molmol 

Estas unidades se complementan con dos unidades adicionales adimensionales utilizadas para la medida de ángulos.

En el caso de los ángulos planos, utilizaremos como unidad angular el radian.

Magnitudes fundamentales en el Sistema Internacional.

Creo interesante en este punto el recoger las definiciones establecidas para las diferentes unidades en el sistema internacional para las magnitudes físicas fundamentales, ya que son la referencia a partir de la cual se establecerán el resto que iremos viendo a lo largo de nuestro recorrido por la física. 

A estas se les llaman frecuentemente también unidades básicas.

Unidad de masa. Kilogramo (kg): 

Hasta hace muy poco tiempo (2019) el kg de masa se definía en función de un patrón, custodiado en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas de Francia. Dicho patrón consistía en un cilindro de aleación de platino e iridio que tenían una masa equivalente a la de un litro de agua a su temperatura de densidad máxima (unos 4 ºC). 

Los problemas de reproducción del patrón y unas ínfimas pérdidas de masa del patrón inexplicadas (del orden de microgramos), hicieron que también se buscara la manera de referenciar la masa en función de alguna constante física.

En la actualidad el kilogramo se define en función de la constante de Planck, h, de forma muy poco intuitiva para el novato en física. Si te interesa puedes encontrar más información en la wikipedia.

Respecto a esta unidad cabría apuntar dos aspectos. Es la única que utiliza un prefijo en su denominación. Esto se debe a motivos históricos y al hecho de que se debía guardar la coherencia del sistema al introducir las unidades elegidas para magnitudes eléctricas y magnéticas. Esto sólo podía conseguirse si la unidad de masa se establecía como el kilogramo en vez del gramo.

Por otro lado, el uso cotidiano de la palabra kilo, hace que muchos estudiantes confundáis esta unidad como unidad de fuerza, pues la relacionáis con el peso.

Ya lo veremos en su momento, pero ten muy claro que kg es unidad de masa, no de fuerza.

Unidad de longitud. Metro (m): 

Una vez abandonado el patrón físico el metro quedó definitivamente definido a partir de la velocidad de la luz como el espacio recorrido por ésta en 1/ 299792458 segundos.

Unidad de tiempo. Segundo (s):

Inicialmente se definió a partir de la duración del año solar, pero la variación de este hizo también recomendable utilizar otra referencia para definirlo.

En la actualidad se define como la duración de 9192631770 oscilaciones de la radiación emitida en la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del isótopo de cesio 133 a una temperatura de 0 K. 

Como ves no es una definición que nos pueda ser útil al común de los mortales, pero los físicos experimentales son capaces de medir este fenómeno, y con ello sincronizar los relojes más exactos del mundo.

Unidad de temperatura. Kelvin (K):

Anteriormente conocido como grado Kelvin, su definición actual se desprende de la constante de Boltzmann, constante que tu no estudiarás ni siquiera en el caso de que accedas a determinados estudios superiores.

Así pues, nos conformaremos con la definición anterior y más sencilla. Un Kelvin es 1/273,16 de la temperatura del punto triple del agua. El punto triple es una combinación de presión y temperatura en el cual coexisten el estado sólido, líquido y gaseoso de una sustancia en equilibrio.

Será importante que conozcas como transformarlos a grados celsius.

Unidad de intensidad luminosa. Candela (cd):

Intensidad luminosa de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540 THz, con una intensidad de radiación de 1/683 w/estereoradian.

Para que te hagas una idea, la luz emitida por una vela vendría a tener una intensidad luminosa de una candela.

Unidad de intensidad de corriente eléctrica. Amperio (A):

Corriente eléctrica correspondiente al flujo a través de una sección de un conductor de 6,241509074·1018 cargas elementales por segundo.

En un circuito eléctrico la carga fundamental que circula es el electrón, cuya carga unitaria es de 1,602·10-19 C, aunque ésta es en la actualidad, una magnitud derivada.

Unidad de cantidad de sustancia. Mol.

Conjunto de 6,02214076·1022 unidades fundamentales que forman una sustancia. Estas unidades fundamentales pueden ser átomos, moléculas, iones… A este número tan grande se le llama también número o constante de Avogadro.

Este concepto se estudia más ampliamente en química.

Magnitudes derivadas en el Sistema Internacional.

Como vimos en la introducción de la categoría, una vez establecidas las magnitudes fundamentales, todas las demás pueden expresarse en función de éstas.

Estas nuevas magnitudes se llaman magnitudes derivadas.

Una de ellas es la velocidad, dado que es un cociente entre una variación de posición, medida en metros y un tiempo, medida en segundos. Su unidad es por tanto el m/s.

Más familiares te resultaran la superficie, que se mide en metros cuadrados (m2), y el volumen, en metros cúbicos (m3).

Del mismo modo, la unidad de fuerza se podría expresar en función de otras unidades como kg·m/s2. Aunque no es incorrecto hacerlo de esta manera, en este caso, por motivos de comodidad, se asigna a esta unidad un nombre propio. En este caso newton (N).

Deberás familiarizarte con estos nombres especiales y sus símbolos, ya que los utilizarás con mucha frecuencia.

Te dejo un resumen en forma de tabla aquí debajo.

TABLA UNIDADES DERIVADAS SISTEMA INTERNACIONAL
MAGNITUDUNIDAD (En ud. fundamentales)NOMBRE PROPIO
Superficie (S) m2 –
Volumen (V)  m3– 
 Densidad (ρ)kg/m3– 
Velocidad (v)m/s – 
Aceleración (a)m/s2 – 
 Velocidad angular (ω)rad/s – 
Aceleración angular (α) rad/s2 –
 Fuerza (F)kg·m/s2  Newton (N)
Peso específico (γ)Kg/(m2·s2)– 
 Presión (P) kg/(m·s2)Pascal (Pa) 
Viscosidad dinámica (μ) Kg/(m·s)Pa·s 
 Viscosidad cinemática (ν) m2/s– 
Cantidad de movimiento (p)kg·m/s– 
Impulso (I)kg·m/sN·s 
 Momento de una fuerza (M) kg·m2/s2N·m 
Momento de Inercia (I) Kg·m2– 
 Momento angular (L) kg·m2/s
 Frecuencia (υ) s-1Herzio (Hz) 
Trabajo (W)kg·m2/s2 Julio ( J ) 
 Potencia (P)kg·m2/s3Watio (W) 
Calor específico (ce)J/(kg·K)– 
 Carga eléctrica (Q) A·sCulombio (C) 
Resistencia eléctrica (R) kg·m2/(A2·s3)Ohmio (Ω) 
Capacidad eléctrica (C)A3·s4/(kg·m2Faradio (F) 
Inductancia (L)kg·m2/(s2·A2Henrio (H) 
 Intensidad de campo eléctrico (E)kg·m/(A·s3N/C 
Potencial eléctrico (V) kg·m2/(A·s3) Voltio (V) 
Inducción magnética (B)kg/(A·s2Tesla (T) 
 Flujo magnético (Φ)kg·m2/(A·s2 Weber (Wb) 

Existen algunas más, utilizadas en materias específicas de la física pero estas son las principales que utilizarás en tu desempeño en los próximos años.

Por supuesto, no necesitas aprendértelas en este momento. Se trata más bien de que tengas un sitio donde poder consultarlas si lo necesitas.

Definición de las unidades de algunas magnitudes derivadas en el SI.

Al igual que hicimos con las unidades de las magnitudes fundamentales considero importante en este momento definir algunas de las unidades de las magnitudes derivadas.

La mayoría de las definiciones surge de la relación que establecen las diferentes leyes de la física entre ellas pero, aun así, vale la pena dejar constancia de ello en este apartado.

Unidad de fuerza. Newton (N):

Fuerza que aplicada sobre un kg de masa le produce una aceleración de 1 m/s2.

Unidad de presión. Pascal (Pa): 

Presión ejercida por una fuerza de un Newton cuando es aplicada sobre una superficie de 1 m2.

Unidad de frecuencia: Herzio (Hz):

Frecuencia de un fenómeno que se repite una vez cada segundo.

Unidad de trabajo. Julio (J):

Trabajo realizado por una fuerza de un newton que al actuar sobre una masa le produce un desplazamiento de 1 metro en su misma dirección y sentido de acción.

Unidad de potencia. Watio (W):

Potencia de una máquina que realiza un trabajo de un julio en un segundo.

Unidad de carga. Culombio (C):

Carga asociada a 1/96485 moles de unidades fundamentales de carga (protones o electrones).

Unidad de potencial eléctrico. Voltio (V):

Diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos cuando para trasladar entre ellos una carga de un culombio hay que realizar un trabajo de un julio.

Unidad de resistencia eléctrica. Ohmio (Ω):

Resistencia de un conductor por el cual circula una intensidad de corriente de un amperio cuando es sometido a una diferencia de potencial de un voltio.

Unidad de capacidad eléctrica. Faradio (F):

Capacidad de un dieléctrico que almacena una carga de un culombio cuando esta sometido a una diferencia de potencial de un voltio.

Unidad de inductancia. Henrio (H): 

Inductancia eléctrica de una espira cerrada en la cual se produce una fem de un voltio al ser recorrida por una intensidad de corriente de un amperio.

Unidad de inducción magnética. Tesla (T):

Inducción de un campo magnético, que cuando es atravesado perpendicularmente por una carga de un culombio a una velocidad de 1 m/s, produce sobre la misma una fuerza de 1 N.

Unidad de flujo magnético. Weber (Wb):

Flujo magnético producido por una inducción magnética de 1 T, al atravesar perpendicularmente una superficie de 1 m2.

Cómo trabajar con las unidades de medida.

Como has visto el asunto de las unidades de medida, si estás empezando, es lo suficientemente complejo como para aprendérselo del tirón.

La buena noticia es que no es necesario hacerlo de este modo.

Ahora bien, sí que es fundamental que te familiarices con ellas.

Cuando empieces cada tema deberás poner especial atención a las unidades que van apareciendo y de que tipo son.

También deberás estar atento a si se utilizan unidades que no sean del Sistema Internacional y si es el caso, a como transformarlas en unidades de este sistema.

Esto se hace utilizando factores de conversión de unidades. Te enseñaré a hacer esto en otra entrada de este blog.

En este momento debes centrarte en aprender a transformar unidades con prefijos utilizando sus múltiplos y submúltiplos decimales. En la entrada del link encontrarás una tabla de múltiplos y submúltiplos.

Con esta entrada debes haberte hecho una idea global de los diferentes tipos de unidades que manejaremos en el desarrollo de esta disciplina.

Seguimos aprendiendo física.

Video explicativo del Sistema Internacional de Unidades y las unidades de medida.

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