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Le misurazioni
Le misurazioni
La misura
Indicazione quantitativa di una grandezza in relazione a una opportuna unità di misura. Ogni misurazione comporta un confronto con un riferimento noto, di conseguenza non può essere considerata completa se non comprende l'indicazione della sua incertezza, o il suo grado di affidabilità. L'incertezza deriva sia da effetti casuali, che si manifestano come variazioni dei risultati ottenuti ripetendo una misurazione, sia da effetti sistematici, in un certo senso intrinseci al procedimento usato, che quindi non variano durante la misurazione ma possono comunque essere causa di errori rilevanti. Mentre gli effetti casuali e l'errore che ne deriva possono essere ridotti con l'applicazione di tecniche statistiche, gli effetti sistematici devono essere studiati e valutati in sede di misurazione e devono essere sempre indicati esplicitamente come parte del risultato. Se l'errore casuale è piccolo la misura si dice precisa, ossia definita entro limiti ristretti; se sia l'errore casuale sia quello sistematico sono piccoli, allora la misura è accurata, cioè vicina al valore reale della grandezza in esame.
Unità e campioni fondamentali
Tutte le misure sono fornite come prodotto di un valore e un'unità. Gli scienziati e gli ingegneri adottano il Sistema Internazionale (SI), che prevede l'uso di sette unità fondamentali.
La definizione di una unità deve essere "realizzata", cioè deve corrispondere, mediante un esperimento o un'apparecchiatura, a un modo praticamente possibile di eseguire le misurazioni, che fornisce la definizione di un campione fondamentale. Ad esempio, per tradurre in modo accurato e preciso la definizione di metro (la distanza percorsa dalla luce nel vuoto nell'intervallo di tempo di 1/299.792.458 secondi) in una lunghezza "reale", bisogna disporre di un laser, costruito con cura ed estremamente stabile. Per determinare il grado di precisione e l'accuratezza di questo strumento è necessario utilizzare un secondo laser, simile al primo, e condurre una serie di esperimenti nei quali se ne modificano le caratteristiche nel maggior numero di modi possibile. Confrontando i due laser è possibile dare una stima degli errori sistematici. Quasi tutti questi accuratissimi esperimenti vengono condotti nei laboratori metrologici nazionali come il National Physical Laboratory in Inghilterra, il National Institute of Standards and Technology negli Stati Uniti o l'Istituto metrologico Gustavo Colonnetti di Torino in Italia; tuttavia quasi ogni paese industrializzato ha un suo laboratorio metrologico, che partecipa ai confronti internazionali dei campioni al fine di assicurare che la realizzazione delle unità e dei campioni primari sia equivalente in tutti i paesi.
Misurazioni nei laboratori industriali e altri laboratori
Non tutte le misure richiedono la massima accuratezza, infatti non sarebbe né ragionevole né pratico misurare un pacco di zucchero o la lunghezza di un tappeto con la stessa accuratezza con la quale si misura un lingotto d'oro o il diametro di un pistone di un motore di automobile. È necessario quindi stabilire nei campioni di misura una certa gerarchia, detta catena di campionatura, che prevede che la verifica di un campione o della precisione e accuratezza di uno strumento di misura sia condotta per confronto con un riferimento più accurato, detto campione secondario, a sua volta confrontato con un campione più accurato ancora, e così via sino ad arrivare ai campioni primari. Poiché ciascuna di queste verifiche introduce errori di misura, l'accuratezza di un campione superiore deve essere almeno dieci volte maggiore di quella del campione in esame.
Le catene di campionatura assicurano che le misure più comuni siano adeguatamente accurate e che possano essere ricondotte a un sistema coerente di campioni primari nazionali o internazionali; inoltre fornisce i mezzi per verificare e calibrare, in un quadro formale, tutti gli strumenti di misura usati nell'industria, nella scienza, nella medicina e dovunque siano importanti misurazioni accurate.
Per le grandezze per cui non è possibile conservare una catena di campionatura esistono dei "campioni di trasferimento" o "materiali di riferimento". Ad esempio, gli standard di colore sono forniti, da un laboratorio metrologico nazionale alle industrie o ad altri utenti, mediante un corredo di piastrelle colorate di ceramica, precedentemente esaminate da un servizio spettrofotometrico nazionale, in modo che sia nota la composizione della luce diffusa da esse in termini di colori fondamentali (rosso, verde e blu di precisate lunghezze d'onda). Queste piastrelle sono poi usate per calibrare le apparecchiature industriali. Analogamente, i microfoni calibrati in un laboratorio metrologico sono usati per effettuare accurate misurazioni del livello di rumore acustico negli ambienti industriali e nelle aree residenziali.
Unità derivate e misurazioni soggettive
Le unità di misura per tutte le grandezze fisiche possono essere derivate in base alle sette unità fondamentali definite nel Sistema internazionale. L'accelerazione, ad esempio, è misurata in metri al secondo quadrato e la forza è misurata in kilogrammi-metri al secondo quadrato. Ci sono, tuttavia, alcune grandezze, come la durezza o l'intensità sonora, che sono in certa misura soggettive e che non sempre possono essere basate su misurazioni fisiche oggettive. In questi casi si possono determinare delle relazioni tra misurazioni effettuate in condizioni simili e con tecniche analoghe, e definire delle scale relative. La durezza, ad esempio, è definita come "una misura della resistenza a subire una deformazione permanente o un danno" ed è una grandezza di vitale importanza nell'industria; poiché non esistono unità SI, per misurarla si preme, sulla superficie di un campione di prova, un penetratore di forma stabilita, applicando una forza di intensità determinata in condizioni ben definite e controllate; quindi si determinano le dimensioni della piccola incisione (compito già per se stesso difficile) e se ne deduce una misura della durezza del campione. Si possono usare penetratori di forma diversa per ottenere scale di durezza diverse, ma precise, dei differenti materiali.
I limiti delle misure
La realizzazione di dispositivi, macchine e strumenti estremamente sofisticati ha come conseguenza immediata che il distacco tra i campioni primari e quelli industriali si riduce sempre più. È già possibile, ad esempio, comperare orologi atomici commerciali che competono con le prestazioni del miglior campione internazionale; inoltre le industrie producono campioni estremamente accurati di lunghezza mediante dispositivi laser ed elettrici. La scoperta e la comprensione del mondo microscopico, resa possibile nell'ambito dello sviluppo della moderna meccanica quantistica, impone un continuo e costante miglioramento delle tecniche di misurazione nonché della precisione dei campioni assunti come primari; sulla rapida evoluzione del campo della metrologia dunque, risiedono molte delle speranze della scienza moderna. È comunque importante osservare che l'attuale formulazione della meccanica quantistica sembra imporre dei limiti intrinseci, dettati ad esempio dal principio di indeterminazione, alla precisione con la quale è possibile condurre una misurazione. Le problematiche scientifiche e le speculazioni filosofiche connesse a questo argomento costituiscono oggi un campo di ricerca estremamente interessante.
La misura
Indicazione quantitativa di una grandezza in relazione a una opportuna unità di misura. Ogni misurazione comporta un confronto con un riferimento noto, di conseguenza non può essere considerata completa se non comprende l'indicazione della sua incertezza, o il suo grado di affidabilità. L'incertezza deriva sia da effetti casuali, che si manifestano come variazioni dei risultati ottenuti ripetendo una misurazione, sia da effetti sistematici, in un certo senso intrinseci al procedimento usato, che quindi non variano durante la misurazione ma possono comunque essere causa di errori rilevanti. Mentre gli effetti casuali e l'errore che ne deriva possono essere ridotti con l'applicazione di tecniche statistiche, gli effetti sistematici devono essere studiati e valutati in sede di misurazione e devono essere sempre indicati esplicitamente come parte del risultato. Se l'errore casuale è piccolo la misura si dice precisa, ossia definita entro limiti ristretti; se sia l'errore casuale sia quello sistematico sono piccoli, allora la misura è accurata, cioè vicina al valore reale della grandezza in esame.
Unità e campioni fondamentali
Tutte le misure sono fornite come prodotto di un valore e un'unità. Gli scienziati e gli ingegneri adottano il Sistema Internazionale (SI), che prevede l'uso di sette unità fondamentali.
La definizione di una unità deve essere "realizzata", cioè deve corrispondere, mediante un esperimento o un'apparecchiatura, a un modo praticamente possibile di eseguire le misurazioni, che fornisce la definizione di un campione fondamentale. Ad esempio, per tradurre in modo accurato e preciso la definizione di metro (la distanza percorsa dalla luce nel vuoto nell'intervallo di tempo di 1/299.792.458 secondi) in una lunghezza "reale", bisogna disporre di un laser, costruito con cura ed estremamente stabile. Per determinare il grado di precisione e l'accuratezza di questo strumento è necessario utilizzare un secondo laser, simile al primo, e condurre una serie di esperimenti nei quali se ne modificano le caratteristiche nel maggior numero di modi possibile. Confrontando i due laser è possibile dare una stima degli errori sistematici. Quasi tutti questi accuratissimi esperimenti vengono condotti nei laboratori metrologici nazionali come il National Physical Laboratory in Inghilterra, il National Institute of Standards and Technology negli Stati Uniti o l'Istituto metrologico Gustavo Colonnetti di Torino in Italia; tuttavia quasi ogni paese industrializzato ha un suo laboratorio metrologico, che partecipa ai confronti internazionali dei campioni al fine di assicurare che la realizzazione delle unità e dei campioni primari sia equivalente in tutti i paesi.
Misurazioni nei laboratori industriali e altri laboratori
Non tutte le misure richiedono la massima accuratezza, infatti non sarebbe né ragionevole né pratico misurare un pacco di zucchero o la lunghezza di un tappeto con la stessa accuratezza con la quale si misura un lingotto d'oro o il diametro di un pistone di un motore di automobile. È necessario quindi stabilire nei campioni di misura una certa gerarchia, detta catena di campionatura, che prevede che la verifica di un campione o della precisione e accuratezza di uno strumento di misura sia condotta per confronto con un riferimento più accurato, detto campione secondario, a sua volta confrontato con un campione più accurato ancora, e così via sino ad arrivare ai campioni primari. Poiché ciascuna di queste verifiche introduce errori di misura, l'accuratezza di un campione superiore deve essere almeno dieci volte maggiore di quella del campione in esame.
Le catene di campionatura assicurano che le misure più comuni siano adeguatamente accurate e che possano essere ricondotte a un sistema coerente di campioni primari nazionali o internazionali; inoltre fornisce i mezzi per verificare e calibrare, in un quadro formale, tutti gli strumenti di misura usati nell'industria, nella scienza, nella medicina e dovunque siano importanti misurazioni accurate.
Per le grandezze per cui non è possibile conservare una catena di campionatura esistono dei "campioni di trasferimento" o "materiali di riferimento". Ad esempio, gli standard di colore sono forniti, da un laboratorio metrologico nazionale alle industrie o ad altri utenti, mediante un corredo di piastrelle colorate di ceramica, precedentemente esaminate da un servizio spettrofotometrico nazionale, in modo che sia nota la composizione della luce diffusa da esse in termini di colori fondamentali (rosso, verde e blu di precisate lunghezze d'onda). Queste piastrelle sono poi usate per calibrare le apparecchiature industriali. Analogamente, i microfoni calibrati in un laboratorio metrologico sono usati per effettuare accurate misurazioni del livello di rumore acustico negli ambienti industriali e nelle aree residenziali.
Unità derivate e misurazioni soggettive
Le unità di misura per tutte le grandezze fisiche possono essere derivate in base alle sette unità fondamentali definite nel Sistema internazionale. L'accelerazione, ad esempio, è misurata in metri al secondo quadrato e la forza è misurata in kilogrammi-metri al secondo quadrato. Ci sono, tuttavia, alcune grandezze, come la durezza o l'intensità sonora, che sono in certa misura soggettive e che non sempre possono essere basate su misurazioni fisiche oggettive. In questi casi si possono determinare delle relazioni tra misurazioni effettuate in condizioni simili e con tecniche analoghe, e definire delle scale relative. La durezza, ad esempio, è definita come "una misura della resistenza a subire una deformazione permanente o un danno" ed è una grandezza di vitale importanza nell'industria; poiché non esistono unità SI, per misurarla si preme, sulla superficie di un campione di prova, un penetratore di forma stabilita, applicando una forza di intensità determinata in condizioni ben definite e controllate; quindi si determinano le dimensioni della piccola incisione (compito già per se stesso difficile) e se ne deduce una misura della durezza del campione. Si possono usare penetratori di forma diversa per ottenere scale di durezza diverse, ma precise, dei differenti materiali.
I limiti delle misure
La realizzazione di dispositivi, macchine e strumenti estremamente sofisticati ha come conseguenza immediata che il distacco tra i campioni primari e quelli industriali si riduce sempre più. È già possibile, ad esempio, comperare orologi atomici commerciali che competono con le prestazioni del miglior campione internazionale; inoltre le industrie producono campioni estremamente accurati di lunghezza mediante dispositivi laser ed elettrici. La scoperta e la comprensione del mondo microscopico, resa possibile nell'ambito dello sviluppo della moderna meccanica quantistica, impone un continuo e costante miglioramento delle tecniche di misurazione nonché della precisione dei campioni assunti come primari; sulla rapida evoluzione del campo della metrologia dunque, risiedono molte delle speranze della scienza moderna. È comunque importante osservare che l'attuale formulazione della meccanica quantistica sembra imporre dei limiti intrinseci, dettati ad esempio dal principio di indeterminazione, alla precisione con la quale è possibile condurre una misurazione. Le problematiche scientifiche e le speculazioni filosofiche connesse a questo argomento costituiscono oggi un campo di ricerca estremamente interessante.
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