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Unidades de Medida Braça UNIDADES Antigamente: Homem como medida Pé Polegada UNIDADES Antigamente: Homem como medida Sistema Métrico Decimal Em 1789, numa tentativa de resolver o problema das variadas unidades de medida existentes, o Governo Republicano Francês pediu à Academia de Ciências da França, que incluía nomes famosos como Borda, Lagrange e Laplace, que criasse um sistema de medidas baseado numa "constante natural". Assim foi criado o Sistema Métrico Decimal. Sistema Métrico Decimal Posteriormente, muitos outros países adotaram o sistema, inclusive o Brasil, aderindo à "Convenção do Metro". O Sistema Métrico Decimal adotou, inicialmente, três unidades básicas de medida: o metro, o litro e o quilograma. UNIDADES DO SISTEMA INTERNACIONAL (SI) Reprodutibilidade Entretanto, o desenvolvimento científico e tecnológico passou a exigir medições cada vez mais precisas e diversificadas. Por isso, em 1960, o sistema métrico decimal foi substituído pelo Sistema Internacional de Unidades – SI, mais complexo e sofisticado, adotado também pelo Brasil em 1962 e ratificado pela Resolução nº 12 de 1988 do Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial - Conmetro, tornando- se de uso obrigatório em todo o Território Nacional. O segundo é a duração de 9 192 631 770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio 133. Essa definição se refere a um átomo de césio em repouso, a uma temperaturade 0 K. Tempo UNIDADES DO SISTEMA INTERNACIONAL (SI) Reprodutibilidade Mas em 1983, devido às exigências de precisão, o metro foi então redefinido como a distância percorrida pela luz, no vácuo, durante o intervalo de tempo de 1/299.792.458 do segundo UNIDADES DO SISTEMA INTERNACIONAL (SI) Reprodutibilidade Um decímetro (décima parte do metro) cúbico. 1dm 1dm 1dm litro UNIDADES DO SISTEMA INTERNACIONAL (SI) Reprodutibilidade Um decímetro cúbico de água pura a 4,4oC. Cilindro de platina iridiada. 39mm 39mm quilograma UNIDADES DO SISTEMA INTERNACIONAL (SI) Reprodutibilidade Importância das Unidades Mars Climate Orbiter Satélite construído para estudar a atmosfera de Marte. Lançada em dezembro de 1998, alcançou Marte em setembro de 1999. Custo do Projeto foi de US$ 320 milhões No dia 23 de setembro, tudo parecia correr bem com a operação do satélite, porém, após sua rota o direcionar para trás de um planeta, não houve mais envio de sinal e o satélite foi perdido. Os esforços para encontrá-lo acabaram sendo abandonados e uma equipe foi designada para descobrir as causas do erro. O motivo foi uma bagunça de cálculos feita ao misturar tanto unidades do sistema métrico como do sistema inglês. O Sistema Internacional de Unidades usa o "newton" como medida da força que, agindo sobre um corpo de massa igual a 1 kg, lhe dá a aceleração de 1 m/s2. Em vez de guiar a sonda na delicada aproximação de Marte usando apenas newtons por segundo, também se empregou libras por segundo. O resultado foi um fracasso espetacular, com o satélite destruído por causa do elevado atrito com a atmosfera marciana Importância das Unidades Grandeza Símbolo Nome Comprimento m metro Massa kg quilograma Tempo s segundo Temperatura K kelvin Corrente elétrica A ampère Quan=dade de Substância mol mole Intensidade Luminosa cd candela Adimensional Unidades Básicas Grandeza Combinação Expressão em unidades SI Símbolo Nome Área comprimento2 Volume comprimento3 densidade massa/volume Velocidade comprim./tempo Aceleração velocid./tempo Força massa/acelerac. N newton Energia força x comprim. J joule Potência energia/tempo W waU Pressão força/área Pa pascal Frequência 1/tempo Hz hertz Viscosidade (força x tempo)/área Unidades Derivadas Grandeza Combinação Expressão em unidades SI Símbolo Nome Área comprimento2 Volume comprimento3 densidade massa/volume Velocidade comprim./tempo Aceleração velocid./tempo Força massa/acelerac. N newton Energia força x comprim. J joule Potência energia/tempo W waU Pressão força/área Pa pascal Frequência 1/tempo Hz hertz Viscosidade (força x tempo)/área Unidades Derivadas Grandeza Combinação Expressão em unidades SI Símbolo Nome Área comprimento2 m2 Volume comprimento3 m3 densidade massa/volume kg/m3 Velocidade comprim./tempo m/s Aceleração velocid./tempo m/s2 Força massa/acelerac. kg.m/s2 N newton Energia força x comprim. kg.m2/s2 J joule Potência energia/tempo kg.m2/s3 W waU Pressão força/área kg/m.s2 Pa pascal Frequência 1/tempo s-‐1 Hz hertz Viscosidade (força x tempo)/área kg/m.s As unidades SI podem ser escritas por seus nomes ou representadas por meio de símbolos. Exemplos: Unidade de comprimento nome: metro símbolo: m Unidade de tempo nome: segundo símbolo: s Unidades: Regras Os nomes das unidades SI são escritos sempre em letra minúscula. Exemplos: quilograma, newton, metro cúbico Exceção: no início da frase e "grau Celsius" Unidades: Regras Símbolo não é abreviatura O símbolo é um sinal convencional e invariável utilizado para facilitar e universalizar a escrita e a leitura das unidades SI. Por isso mesmo não é seguido de ponto. Certo ERRADO segundo s s. ; seg. metro m m. ; mtr. quilograma kg kg. ; kgr. hora h h. ; hr. Unidades: Regras Símbolo não tem plural O símbolo é invariável; não é seguido de "s". Certo Errado cinco metros 5 m 5ms dois quilogramas 2 kg 2kgs oito horas 8 h 8hs Textos complementares http://www.inmetro.gov.br/infotec/publicacoes/Si.pdf http://www.inmetro.gov.br/consumidor/unidLegaisMed.asp http://super.abril.com.br/ciencia/inmetro-olho-consumidor-fabrica-precisao-440379.shtml http://super.abril.com.br/ciencia/confins-tempo-438795.shtml Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial Instituto de Pesos e Medidas do Estado de São Paulo – Almanaque do Ipem http://ipemsp.wordpress.com O número de Reynolds (ℜ), indicador do fluxo de um fluido, é definido pra um fluido de densidade ρ e coeficiente de viscosidade η como: 2 aρ η ∇ ℜ = a = raio do tubo de escoamente ∇ = velocidade média do fluido ρ = densidade Sendo ℜ adimensional, determine as unidades de η no SI Exercícios Alguns números são ou muito grandes ou muito pequenos, de modo que o emprego do sistema decimal usual mostra-se inadequado e incômodo. Tamanho de um certo vírus 0,000 000 019 m Uso dos Números Diâmetro do Sol 1 391 000 000 m N = número maior do que 1 mas inferior a 10 e = o exponente de 10 0,000 000 019 m = 1 391 000 000 m = N x 10e Notação exponencial Uma das vantagens desta notação é a facilidade de operar com grandes e pequenos números. (4 X 103) (2 X 10-4) = (N x 10e) (M x 10f) = (N x M) x 10e+f Multiplicação Notação exponencial N x 10e / M x 10f = N/M x 10e-f Divisão (4 x 103) / (2 x 10-4) = Notação exponencial (N x 10e) + (M x 10e) = (N + M) x 10e Adição e subtração (4 x 103) +(2 x 102) = os expoentes de 10 precisam estar iguais (4 x 103) + (2 x 10-3) = Notação exponencial Múltiplos e submúltiplos Potência de 10 prefixo Símbolo Exemplo 1012 tera T Tm 109 giga G Gm 106 mega M Mm 103 quilo k km Unidade m 10-2 centi c cm 10-3 mili m mm 10-6 micro µ µm 10-9 nano n nm 10-12 pico p pm 10-15 fento f fm Múltiplos e submúltiplos Algumas vezes as medidas de uma grandeza são muito pequenas ou muito grandes quando comparadas com os padrões das unidades básicas do SI Potência de 10 prefixo Símbolo Exemplo 1012 tera T Tm 109 giga G Gm 106 mega M Mm 103 quilo k km Unidade m 10-2 centi c cm 10-3 mili m mm 10-6 micro µ µm 10-9 nano n nm 10-12 pico p pm 10-15 fento f fm Algumas vezes as medidas de uma grandeza são muito pequenas ou muito grandes quando comparadas com os padrões das unidades básicas do SI Múltiplos e submúltiplos Algumas vezes é necessário converter unidades de um sistema para outro, ou convertê-las dentro de um sistema. Unidades podem ser tratadas como grandezas algébricas que podem cancelar uma à outra. Exemplo: Converter 20 km/h para m/s Conversão de Unidades s m55,5 s3600 h1 km1 m1000 h km20 === Algumas vezes é necessário converter unidades de um sistema para outro, ou convertê-las dentro de um sistema. Unidades podem ser tratadas como grandezas algébricas que podem cancelar uma à outra. Exemplo: Converter 20 km/h para m/s Conversão de Unidades s m55,5 s3600 h1 km1 m1000 h km20 === Algumas vezes é necessário converter unidades de um sistema para outro, ou convertê-las dentro de um sistema. Unidades podem ser tratadas como grandezas algébricas que podem cancelar uma à outra. Exemplo: Converter 20 km/h para m/s Conversão de Unidades s m55,5 s3600 h1 km1 m1000 h km20 === Algumas vezes é necessário converter unidades de um sistema para outro, ou convertê-las dentro de um sistema. Unidades podem ser tratadas como grandezas algébricas que podem cancelar uma à outra. Exemplo: Converter 20 km/h para m/s Conversão de Unidades s m55,5 s3600 h1 km1 m1000 h km20 === Algumas vezes é necessário converter unidades de um sistema para outro, ou convertê-las dentro de um sistema. Unidades podem ser tratadas como grandezas algébricas que podem cancelar uma à outra. Exemplo: Converter 20 km/h para m/s Conversão de Unidades s m55,5 s3600 h1 km1 m1000 h km20 === Exercício: A massa de um cubo sólido é 856 g, e cada lado tem um comprimento de 5,35 cm. Determine a densidade ρ do cubo em unidades SI Exercícios Os algarismos que compõem o resultado de uma medida são chamados de algarismos significativos. Deles fazem parte todos os algarismos precisos mais um e somente um algarismo estimado Algarismo significativo Os algarismos que compõem o resultado de uma medida são chamados de algarismos significativos. Deles fazem parte todos os algarismos precisos mais um e somente um algarismo estimado Algarismo significativo 4,5 cm 4,50 cm Os algarismos que compõem o resultado de uma medida são chamados de algarismos significativos. Deles fazem parte todos os algarismos precisos mais um e somente um algarismo estimado Algarismo significativo 4,5 cm ≠ 4,50 cm 2 números significativos 3 números significativos Algarismo significativo Qual das alternativas abaixo melhor caracteriza a medida do tamanho do besouro? Por que? a) Entre 0 e 1 cm b) Entre 1 e 2 cm c) Entre 1,5 e 1,6 cm d) Entre 1,54 e 1,56 cm e) Entre 1,546 e 1,547 cm Algarismo significativo Qual das alternativas abaixo melhor caracteriza a medida do tamanho do besouro? Por que? a) Entre 0 e 1 cm b) Entre 1 e 2 cm c) Entre 1,5 e 1,6 cm d) Entre 1,54 e 1,56 cm e) Entre 1,546 e 1,547 cm Isso porque, na leitura de uma escala, o algarismo significativo mais à direita de um número deve sempre ser o duvidoso (não esqueça: o algarismo duvidoso é significativo!). Resumindo: Qualquer medida por comparação entre um objeto e uma escala deve incluir além dos dígitos exatos (1,5 nesse caso) uma estimativa do dígito (duvidoso). Uma vez que a régua foi marcada em milímetros você deve estimar o comprimento fracionário (em décimos de mm) que melhor expressa a medida. Você pode não precisar se vale 1,54, 1,55 ou mesmo 1,56. Essa é a expressão da sua incerteza. Algarismo significativo Qual o diâmetro da moeda? a) Entre 0 e 2 cm b) Entre 1 e 2 cm c) Entre 1,9 e 2,0 cm d) Entre 1,92 e 1,94 cm e) Entre 1,935 e 1,945 cm Zero a esquerda do primeiro algarismo não nulo não são significativos, pois o número de algarismos significativos não depende da unidade adotada. 7,5 cm = 0,075m = 0.000075km 2 algarismos significativos Algarismo significativo 27,76 = 27,8 24,651 = 24,7 27,74 = 27,7 19,0249881 = 19,02 Arredondamentos Se o dígito a ser eliminado é maior do que 5, 50, 500, 5000..., o digito precedente é aumentado de uma unidade Se o dígito a ser eliminado é menor do que 5, 50, 500, 5000..., o digito precedente é mantidoe Regra da adição-subtração: No uso destas duas operações aritméticas, o número de dígitos à direita da vírgula no resultado calculado deve ser o mesmo do número com menos dígitos dos números somados ou subtraídos 123,54 m + 10 m + 5,7 m = A precisão em cálculos aritméticos Adição e subtração Regra da adição-subtração: No uso destas duas operações aritméticas, o número de dígitos à direita da vírgula no resultado calculado deve ser o mesmo do número com menos dígitos dos números somados ou subtraídos 123,54 m + 10 m + 5,7 m = 139,24 m ERRADO! 123,54 m + 10 m + 5,7 m = 139 m CERTO! A precisão em cálculos aritméticos Adição e subtração Regra da multiplicação-divisão: Nestas duas operações aritméticas, o número de algarismos significativos, no resultado calculado, deve ser o mesmo que o menor número de algarismos significativos dos termos multiplicados ou divididos. 1,473 / 2,6 = 3,94 x 0,00043 = A precisão em cálculos aritméticos Multiplicação e divisão Regra da multiplicação-divisão: Nestas duas operações aritméticas, o número de algarismos significativos, no resultado calculado, deve ser o mesmo que o menor número de algarismos significativos dos termos multiplicados ou divididos. 1,473 / 2,6 = 0,57 3,94 x 0,00043 = 0,0017 A precisão em cálculos aritméticos Multiplicação e divisão Exatidão é o grau de conformidade de uma medida com um valor padrão ou alvo. Precisão é a repetibilidade de desempenho Erros Exatidão é o grau de conformidade de uma medida com um valor padrão ou alvo. Precisão é a repetibilidade de desempenho Baixa precisão, Baixa exatidão Alta precisão, baixa exatidão Alta precisão, alta exatidão Baixa precisão, alta exatidão Exatidão é o grau de conformidade de uma medida com um valor padrão ou alvo. Precisão é a repetibilidade de desempenho Erro de uma régua milimetrada Metade da menor medida Exemplo: Tamanho de um bloco (0,83 ± 0,05) cm Erros Soma e subtração (5,30 ± 0,05) cm (2,3 ± 0,3) cm L = ((5,30 + 2,3) ± (0,05 + 0,3)) cm = (7,60 ± 0,35 ) cm = (7,6 ± 0,4) cm L = ((5,30 - 2,3) ± (0,05 + 0,3)) cm = (3,00 ± 0,35 ) cm = (3,0 ± 0,4) cm Propagação de erros Propagação de erros Multiplicação e divisão (5,30 ± 0,05) cm (2,3 ± 0,3) cm A = 5,30×2,3± 5,30×2,3 0, 055,3 + 0,3 2,3 " # $ % & ' A = (12, 2±1, 7)cm2 A = (12± 2)cm2 ou 12(2)cm2 )3(3,2)3,03,2( 3,2 3,0 3,5 05,0 3,2 30,5 3,2 30,5 ouR R ±= ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +±= Erros aleatórios e Sistemáticos As fontes de erro fazem com que toda medida realizada, por mais cuidadosa que seja, esteja afetada por um erro experimental. Os erros experimentais podem ser classificados em três grandes grupos: erros sistemáticos errosaleatórios erros grosseiros Erros grosseiros Erros grosseiros são aqueles provenientes de falhas grosseiras do experimentador, como: - engano de leitura – o experimentador lê 10 no lugar de 100 - troca de unidades A maneira de eliminar este tipo de erro é sendo cuidadoso ao realizar as medidas. Erros sistemáticos Os erros sistemáticos são causados por fontes identificáveis, e, em princípio, podem ser eliminados ou compensados. Erros sistemáticos fazem com que as medidas feitas estejam consistentemente acima ou abaixo do valor real, prejudicando a exatidão da medida. Erros sistemáticos podem ser causados devido: • ao instrumento que foi utilizado: por exemplo, erros causados em medidas de intervalos de tempo feitas com um relógio que atrasa; • ao método de observação utilizado: por exemplo, medir o instante de ocorrência de um relâmpago pelo ruído do trovão associado; • a efeitos ambientais: por exemplo, a medida de freqüência da luz emitida por um laser, que pode depender ligeiramente da temperatura ambiente; • a simplificações do modelo teórico utilizado: por exemplo, não incluir o efeito da resistência do ar numa medida da aceleração da gravidade baseada na medida do tempo de queda de uma bolinha de ping-pong de uma altura fixa. Uma das principais tarefas do idealizador ou realizador de medidas é identificar e eliminar o maior número possível de fontes de erro sistemático. Erros aleatórios Chamam-se erros acidentais ou aleatórios aqueles cujas causas são fortuitas, acidentais e variáveis. Suas amplitudes estão compreendidas dentro da aproximação dos instrumentos. Um operador, repetindo diversas vezes a medida de uma grandeza física, mesmo que tenha o máximo cuidado, pode não ter valores repetidos iguais. Isto ocorre devido a flutuações que podem estar relacionadas: - à imperícia do operador; - à variação na capacidade de avaliação (p. ex.,número de medidas efetuadas, cansaço); - ao erro de paralaxe na leitura de uma escala; - a reflexos variáveis do operador (p. ex., no caso de apertar um cronômetro ou de pressionar o tambor de um micrômetro) - erro cometido na avaliação da menor divisão da escala. Os erros acidentais ou aleatórios podem ser minimizados pela perícia do operador, mas jamais eliminados por completo. Aos erros acidentais ou aleatórios são aplicados a teoria dos erros. Tratamento estatístico de medidas com erros aleatório Quando realizamos medidas experimentais obtemos uma série de valores que em geral não são idênticos. Nosso objetivo é saber qual deve ser o valor mais provável da grandeza medida, qual a diferença entre este valor e cada valor medido em particular. Com a finalidade de representar matematicamente estes efeitos que define-se quantidades demonstradas pela estatística. Desvio Não se pode afirmar que o valor mais provável seja o valor real da grandeza. Assim, representando-se uma medida qualquer da grandeza X por Xi, não se pode dizer que a diferença seja o erro da medida Xi. Neste caso quando se conhece o valor mais provável, não se fala em “erro”, mas sim em Desvio ou Discrepância da medida Desvio é a diferença entre um valor medido e o valor adotado que mais se aproxima do valor real (em geral o valor médio). Se representarmos por “di” , o desvio de cada medida em relação ao valor médio, teremos: Dispersão das medidas em relação ao valor médio É interessante saber de quanto as medidas individuais Xi se afastam, em média, do valor médio, ou seja, de que maneira as medidas Xi se distribuem em torno do valor médio. A esse fato denominamos “dispersão”. Para medir a dispersão são utilizadas algumas propriedades da série de medidas, tais como o Desvio médio, Desvio Relativo, a Variância e o Desvio Padrão Desvio médio Desvio médio é a soma dos módulos dos desvio de cada medida em relação a média pelo número de medidas, ou seja, Desvio relativo O desvio relativo é definido como a razão entre o desvio médio e o valor médio da grandeza, ou seja O desvio relativo é geralmente dado em termos percentuais. Ele representa em porcentagem, o quanto o valor medido difere do valor médio. Variância A variância é definida como a média aritmética dos quadrados dos desvios de todos os valores da grandeza, em relação ao valor médio, ou seja Desvio padrão O desvio padrão é simplesmente a raiz quadrada da variância e portanto expresso na mesma unidade da grandeza medida: Este valor representa uma estimativa da dispersão em torno do valor médio quando se tem poucos valores (uma amostra) de um universo maior de valores (população). Valores das grandezas lineares do comprimento, largura e profundidade de uma pia Qual o valor do desvio padrão de cada uma das grandezas? Qual o valor da área com o seu respectivo desvio? Qual o valor do volume com o seu respectivo desvio? Exercício Propagação de erros