Φυσικά μεγέθη και η μέτρηση τους

Όταν ασχολούμαστε με φυσικά προβλήματα, κατά τη μελέτη τους χρησιμοποιούμε έννοιες όπως π.χ. μήκος, μάζα, χρόνος, ταχύτητα, δύναμη κ.ά. Αυτές οι έννοιες ονομάζονται φυσικά μεγέθη. Παράδειγμα: Ένα αυτοκίνητο μάζας 2,5Kg τρέχει με σταθερή ταχύτητα 70Km/h και σε 30min διανύει απόσταση 35Km. Εδώ χρησιμοποιούμε τα φυσικά μεγέθη: μάζα, ταχύτητα, χρόνος.

Εύκολα αντιλαμβανόμαστε ότι τα φυσικά μεγέθη είναι ποσοτικές έννοιες. Στο παράδειγμα μας λέμε μάζα 2,5Kg, ταχύτητα 70Km/h, χρόνος 30min και απόσταση 35Km. Ένα φυσικό μέγεθος προσδιορίζεται με το μέτρο του ως εξής: Συγκρίνουμε το εξεταζόμενο φυσικό μέγεθος με ένα άλλο ομοειδές πρότυπο φυσικό μέγεθος, που το ονομάζουμε μονάδα μετρήσεως και βρίσκουμε τον αριθμό της σύγκρισης. Αυτός ο αριθμός λέγεται αριθμητική τιμή του μεγέθους, που μαζί με τη μονάδα μέτρησης αποτελούν το μέτρο του εξεταζόμενου μεγέθους. Παράδειγμα: Το βιβλίο έχει μάζα μέτρου 0,9Kg και λέμε ότι το 0,9 είναι η αριθμητική τιμή και το Kg η μονάδα μετρήσεως.

Για να μπορούν οι επιστήμονες να συνεννοούνται π.χ. για τα αποτελέσματα ενός πειράματος, πρέπει να έχουν ορίσει και να χρησιμοποιούν κοινές μονάδες μέτρησης. Έτσι αν μας πουν ότι το ύψος του τοίχου είναι 2m καταλαβαίνουμε πόσο ψηλός είναι, ενώ αν μας πουν ότι είναι 5gp δεν καταλαβαίνουμε.

Ένα φυσικό μέγεθος μπορεί να είναι βαθμωτό ή διανυσματικό. Βαθμωτά φυσικά μεγέθη λέμε εκείνα τα μεγέθη που προσδιορίζονται πλήρως με το μέτρο τους. Βαθμωτά μεγέθη είναι η μάζα, το μήκος, ο χρόνος, η ενέργεια κ.α. Έτσι αν μας πουν ότι ένα βιβλίο έχει μάζα 500gr καταλαβαίνουμε το μεγεθος του.

Διανυσματικά μεγέθη είναι εκείνα που για να προσδιοριστούν πλήρως εκτός από το μέτρο τους απαιτείται να δοθεί και η κατεύθυνση του. Διανυσματικά μεγέθη είναι η ταχύτητα, η ορμή, η επιτάχυνση, η δύναμη κ.α. Έτσι για να περιγράψουμε την ταχύτητα ενός αυτοκινήτου εκτός από την ταχύτητα του π.χ. 80Κm/h πρέπει να δώσομε την κατεύθυνση της κίνησης τους π.χ. από ανατολικά προς δυτικά.

Στη Φυσική τα παράγωγα φυσικά μεγέθη, όπως λέγονται, ορίζονται με σαφήνεια βάση των θεμελιωδών φυσικών μεγεθών. Στη Μηχανική ως θεμελιώδη εκλέγονται το μήκος(L), ο χρόνος(Τ) και η μάζα(Μ). Παράγωγα φυσικά μεγέθη είναι η ταχύτητα, η ορμή, η επιτάχυνση, η δύναμη κ.ά. Έτσι η ταχύτητα ορίζεται βάση των θεμελιωδών μεγεθών μήκος και χρόνος ως εξής

ταχύτητα = μήκος / χρόνος

όμοια για τα υπόλοιπα παράγωγα μεγέθη έχουμε:

επιτάχυνση = ταχύτητα / χρόνος = μήκος / (χρόνος)2
δύναμη = μάζα Χ επιτάχυνση = μάζα Χ μήκος / (χρόνος)2

Έτσι καταλαβαίνουμε ότι εισέρχεται η ανάγκη εκλογής μόνο των μονάδων για τα θεμελιώδη μεγέθη. Πχ. Για τα θεμελιώδη μεγέθη: μήκος, χρόνος και μάζα εκλέγονται οι μονάδες: το ένα μέτρο (1m), το ένα δευτερόλεπτο (1s) και το ένα κιλό (1Kg) αντίστοιχα. Οι υπόλοιπες μονάδες των παραγώγων μεγεθών παράγονται από αυτές βάσει των σχέσεων ορισμού. Έτσι η ταχύτητα έχει μονάδα το 1m/s η επιτάχυνση το 1m/s2 και η δύναμη το ένα Newton 1N=1KgXm/s2