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ERRORES EN LAS MEDICIONES – RESUMEN 1 DEFINICIONES PRELIMINARES Una magnitud física es un atributo de un cuerpo, de un fenómeno o de una sustancia, susceptible de ser medido. Ejemplos de magnitudes son la longitud, la masa, la carga eléctrica, etc. MEDIR es un proceso mediante el cual se busca asignar un valor cuantitativo a una magnitud física determinada, comparando el objeto a medir con otro tomado como patrón universal que se define como unidad. La medición es un proceso en el que intervienen: la magnitud específica del objeto que queremos medir, un método de medición o sistema de comparación, un instrumento de medición (que incluye al observador) y las unidades de medición. Por ejemplo, si queremos medir el largo de una varilla, el instrumento de medición será una regla, si elegimos el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad será el metro y la regla a usar deberá ser calibrada en esa unidad o en submúltiplos de ella. El método de medición consistirá en determinar cuántas veces la unidad y fracciones de ella están contenidas en la varilla. El resultado de toda medición tiene siempre algún grado de error o incertidumbre (o indeterminación, o incerteza), por lo cual, el objetivo de la medición no es encontrar el valor exacto de la magnitud en cuestión, sino encontrar el mejor intervalo dentro del cual es probable que se encuentre el valor de la misma. Coloquialmente, es habitual emplear del término error como análogo o equivalente a equivocación, sin embargo, en ciencias e ingeniería tiene un significado diferente; el concepto de error está más bien asociado al concepto de incertidumbre en la determinación del resultado de una medición. Los errores o incertidumbres de las mediciones provienen de limitaciones impuestas por: • la precisión y exactitud de los instrumentos utilizados • la definición de la magnitud y del objeto a medir • la interacción del observador que realiza la medición y del método de medición con el objeto a medir Todas estas limitaciones llevan a que no sea posible obtener con total certeza el valor de la magnitud medida, sino que sólo se puede establecer un rango de valores donde es razonable esperar que esté contenido el mejor valor de dicha magnitud. El resultado final de un proceso de medición es, entonces, un número asociado al valor de la magnitud, su unidad correspondiente y un intervalo de incertidumbre. PRECISIÓN: La precisión de un instrumento o un método de medición está asociada a la menor variación de la magnitud que se pueda detectar con dicho instrumento o método. Todo instrumento tiene una precisión finita, por lo que, para un instrumento dado, no se podrán detectar variaciones de la magnitud medida inferiores a un determinado valor mínimo. Esta mínima cantidad se denomina apreciación nominal del instrumento. La precisión va a determinar el número de cifras significativas que se pueden conocer del valor de la magnitud medida. Ejemplo: Con una regla graduada en milímetros, no podemos detectar variaciones menores que una fracción del milímetro. Así, decimos que un tornillo micrométrico (con una apreciación nominal de 10 µm) es más preciso que una regla graduada en milímetros; o que un cronómetro es más preciso que un reloj común, etc. EXACTITUD: La exactitud de un instrumento o método de medición está asociada a la calidad de la calibración del mismo respecto de patrones de medida aceptados internacionalmente. En general, los instrumentos vienen calibrados dentro de ciertos límites. Es deseable que la calibración de un instrumento sea tan buena como la apreciación del mismo. Imaginemos un cronómetro que es capaz de determinar la centésima de segundo pero adelanta dos minutos por hora, mientras que un reloj de pulsera común no lo hace. En este caso el reloj común es más exacto que el cronómetro, aún cuando sea menos preciso. Una medición bien hecha ha de ser más exacta que la precisión del instrumento o método de medición. INCERTIDUMBRE INTRÍNSECA O FALTA DE DEFINICIÓN: Las magnitudes a medir no están definidas con infinita precisión. Si se quisiera medir una longitud con una apreciación menor al tamaño atómico, los límites del objeto dejarían de estar bien definidos. Imaginemos que se quiera medir el largo de una mesa. Es posible que al usar instrumentos cada vez más precisos se empiecen a notar las irregularidades típicas del corte de los bordes o, al ir aún más allá, finalmente se detecte la naturaleza atómica o molecular del material que la constituye. En ese punto la longitud dejará de estar bien definida. En la práctica, es posible que mucho antes de estos casos límites, la falta de paralelismo en sus bordes haga que el concepto de la “longitud de la mesa” comience a hacerse cada vez menos definido. Una limitación de este tipo es una incertidumbre intrínseca o falta de definición de la magnitud en cuestión. Cuando se realiza una medición, no se puede pretender conocer el valor exacto o verdadero de la magnitud a medir, en general, no existe dicho valor. Esto último puede parecer extraño si se piensa en términos de la física clásica (mecánica newtoniana o electromagnetismo), pero en cambio resulta perfectamente lógico en la física moderna (mecánica cuántica) donde las magnitudes como posición, carga, etc, no tienen un valor determinado y lo que se mide es algo probabilístico. INTERACCIÓN CON EL OBJETO A MEDIR: Además de las limitaciones mencionadas, otra fuente de incertidumbre en el resultado de una medición es la interacción con el objeto a medir durante el proceso de medición. Por ejemplo, cuando usamos un termómetro para medir una temperatura, se transfiere calor del objeto al termómetro y viceversa, de modo que, debido a la inevitable interacción entre el termómetro y el objeto, el resultado de la medición es un valor modificado del original. Si se mide la temperatura de un metro cúbico de agua, el calor transferido no debe afectar significativamente el resultado de la medición, pero si el volumen de agua en cuestión fuera de un mililitro, entonces la interacción sí podría influir significativamente en el resultado de la medición. En general, todas estas fuentes de error estarán presentes en cualquier medición. La incertidumbre resultante de la combinación de éstas se conoce como error nominal de la medición. Los errores pueden clasificarse según su origen: • Error de apreciación: Es el asociado a la mínima división que se puede resolver con el método de medición. Este error no es precisamente la mínima división del instrumento, sino la mínima división que es discernible por el observador. El error de apreciación puede ser mayor o menor que la apreciación nominal, dependiendo de la habilidad (o falta de ella) del observador. Así, es posible que un observador entrenado pueda apreciar con una regla común fracciones del milímetro mientras que otro observador, con la misma regla pero con dificultades de visión sólo pueda apreciar 2 mm. ERRORES EN LAS MEDICIONES – RESUMEN 2 • Error de exactitud: Está asociado a la calibración del instrumento. En general se suministra como información del instrumento y habitualmente se expresa como un error porcentual del valor medido. • Error de interacción: Proviene de la interacción del método de medición con el objeto a medir. Su determinación depende de la medición que se realiza y su valor se estima de un análisis cuidadoso del método usado. • Error de definición: Es la incertidumbre intrínseca, asociada con la falta de definición del objeto y la magnitud a medir. Los errores también se clasifican según el carácter de los mismos: • ERRORES GROSEROS O ILEGÍTIMOS: Son los errores asociados al concepto convencional de equivocación. No se les aplica la teoría estadística de errores y el modo de evitarlo consiste en una evaluación cuidadosa de los procedimientos realizados en la medición. Supongamos que deseamos calcular el volumen deun objeto esférico y para ello determinamos su diámetro. Si al introducir el valor del diámetro en la fórmula, nos equivocamos en el número introducido, o lo hacemos usando unidades incorrectas, o bien usamos una expresión equivocada del volumen, claramente habremos cometido un error de este tipo. Otros ejemplos: hacer la lectura en una escala equivocada, desplazar inadvertidamente el cero de un instrumento, etc. Un ejemplo famoso fue el que se cometió en el Mars Climate Explorer a fines de 1999, al pasar de pulgadas a centímetros se cometió un error que costó el fracaso de dicha misión a Marte. • ERRORES SISTEMÁTICOS: Son aquellos que se originan por las imperfecciones de los instrumentos y métodos de medición, la percepción sensorial del observador, la inexactitud de las teorías que sirven de fundamento a la medición, la interacción del propio acto de medición con el objeto a medir, o por la acción permanente de una causa exterior. El efecto se manifiesta en un mismo sentido, es decir, siempre por exceso o por defecto. No se puede aplicar ninguna teoría general para evaluarlos; para detectarlos y aplicar las correcciones que los eliminen es necesario analizar cada caso particular, comparando las mediciones con otros métodos alternativos y realizando un análisis crítico y cuidadoso del procedimiento empleado. Ejemplos: un reloj que atrasa o adelanta, una regla dilatada, el error de paralaje, etc. En el caso de una balanza bien calibrada que se usa para conocer el peso de las personas en un lugar público; como es usual que las personas (en público) se pesen vestidas, los valores registrados con estas balanzas tendrán un error sistemático por el peso de la vestimenta. En una medición exacta, los errores sistemáticos son muy pequeños. • ERRORES CASUALES, ALEATORIOS O ESTADÍSTICOS: Son aquellos que se producen al azar y no se pueden evitar. En general son debidos a causas múltiples y fortuitas, no controlables, como pequeñas variaciones en las condiciones del ambiente (temperatura, presión, humedad, etc), el observador (variación de la atención, fatiga, etc), el instrumento de medición (tensiones accidentales, "ruido", etc), aproximación en las observaciones, etc. Estos errores pueden cometerse con igual probabilidad por defecto como por exceso, por lo cual es posible reducirlos considerablemente midiendo varias veces bajo las mismas condiciones experimentales y promediando el resultado. A este tipo de errores es al que la teoría estadística se refiere comúnmente como "errores de medición". En una medición precisa, los errores aleatorios son muy pequeños. Medir bien significa eliminar del proceso los errores ilegítimos y minimizar los errores sistemáticos y los aleatorios. ASIGNACIÓN DE ERRORES Una manera de estimar los errores es asignando intervalos de incertidumbre a las mediciones. • INCERTIDUMBRE ABSOLUTA: Ésta indica el tamaño del intervalo dentro del cual puede estar, con cierto grado de confianza, el valor real de la magnitud medida. Tiene las mismas dimensiones que la magnitud medida y es conveniente expresarla con las mismas unidades de ésta. Si X es la magnitud en estudio, X es el mejor valor obtenido y (X)absε (o X∆ ) su incertidumbre absoluta, el resultado se expresa adecuadamente como: XXX ∆±= Esto significa que, según nuestra medición, con un grado de confiabilidad razonable, el valor de X debe estar comprendido entre XX ∆− y XX ∆+ . La probabilidad (p0) de que el valor de X esté contenido en el intervalo X)X ,X X( ∆+∆− es denominada coeficiente de confianza. X)X XX X ∆+<<∆−(P = p0 • INCERTIDUMBRE RELATIVA: Ésta indica el grado de incertidumbre que se tiene por cada unidad de la magnitud medida, es decir, representa el cociente entre la incertidumbre absoluta y el valor de la magnitud. X/X(X)rel ∆=ε • INCERTIDUMBRE PORCENTUAL: Ésta indica el porcentaje de incertidumbre respecto al valor de la magnitud medida, es decir, la incertidumbre relativa multiplicada por cien. X/X(X)(X) rel% ∆⋅=⋅= 100100 εε • TOLERANCIA: Es el valor que asigna el fabricante de un aparato para cuantificar el error asociado a las mediciones hechas con el mismo. Usualmente se muestra en el propio aparato o se especifica en el manual. Si un aparato no trae esta información se le asignará como error la mitad de la mínima escala. TIPOS DE MEDICIÓN Para poder asignar un número a los intervalos de incertidumbre es necesario definir los tipos de medición que se pueden llevar a cabo: • MEDICIONES DIRECTAS: Son aquellas que se realizan comparando directamente el patrón de medida con el objeto a medir. Se dividen a su vez en: ERRORES EN LAS MEDICIONES – RESUMEN 3 MEDICIONES DIRECTAS REPRODUCIBLES: Son aquellas mediciones directas que se pueden repetir tantas veces como sea necesario, bajo las mismas circunstancias experimentales. MEDICIONES DIRECTAS NO REPRODUCIBLES: Son aquellas mediciones directas que NO se pueden repetir tantas veces como sea necesario, bajo las mismas condiciones experimentales. • MEDICIONES INDIRECTAS: Son las que presumen el conocimiento de una o más mediciones directas y se obtienen efectuando un cálculo matemático. ESTIMADORES ESTADÍSTICOS En mediciones directas, el valor más probable de la magnitud medida está dado por el promedio o media de los valores medidos. El promedio de N observaciones X1, X2, …XN se define como la media aritmética de los N valores y se calcula mediante la expresión: N X X ∑ = i El error de cada observación respecto al valor medio o error aparente de cada observación se define como la diferencia entre el valor observado y el valor promedio de las N observaciones realizadas. XX −= iiε El error cuadrático medio o dispersión de un conjunto de N observaciones X1, X2, …XN se define mediante la expresión: N cm ∑== 2 iεσε La varianza es el cuadrado de la dispersión. N var ∑== 2 i2 εσ La desviación estándar de un conjunto de N observaciones se define mediante la expresión: 1N s − ∑= 2 iε La desviación estándar se puede calcular también mediante una expresión más sencilla: ( ) 1N XN·X s − − = ∑ 22 i La incertidumbre absoluta (∆X) (o error absoluto o incerteza absoluta) en la medición de una magnitud X a partir de N observaciones X1, X2, …XN medidas de manera directa está dada por el mayor valor entre el error del instrumento (o método) y el valor de N3·s . Si N3·s > instrε , entonces N3·sX =∆ , si no, =∆X instrε . El error del instrumento (o método) depende de la precisión y exactitud del mismo, es decir, de los correspondientes errores de apreciación y exactitud. En mediciones sencillas y para fines prácticos, se puede considerar que: exacaprinstr εεε += En mediciones directas no reproducibles, el valor más probable de la medición realizada es 2)Ls(LiX += , donde Li es el límite inferior y Ls es el límite superior de las mediciones tomadas para la cantidad X; la incertidumbre absoluta es 2Li)(LsX −=∆ En mediciones indirectas, el valor más probable de la medición de una magnitud ...) z, y, (x,fX = está dado por ...) ,z ,y ,x(ff = , es decir, la función f evaluada en los promedios (o valores más probables) de las variables; y la incertidumbre absoluta f∆ se calcula utilizando el método de la diferencial total descrito a continuación. Método de la diferencial total: Sea la función ...) z, y, (x,ff = , que depende de las variables z,... y, x, etc., que son independientes entre sí, es decir, que las variables no están correlacionadas, donde x está medida como xxx ∆±= , y como yyy Δ±= , z como zzz ∆±= , etc. Se puede demostrar que la incertidumbre absoluta está dada por la expresión: ( ) ( ) ( ) ...z z f y y f x x f f 2 2 2 2 2 2 +∆ ∂ ∂ +∆ ∂ ∂ +∆ ∂ ∂ =∆ evaluada en los promedios y en las incertidumbres correspondientes. Una expresión más sencilla quepermite estimar aproximadamente la incertidumbre absoluta, es: ...z z f y y f x x f f +∆ ∂ ∂ +∆ ∂ ∂ +∆ ∂ ∂ =∆ EXPRESIÓN DE LOS RESULTADOS El resultado de la medición de una magnitud X se debe expresar como: XXX ∆±= Lo que significa que el valor de la magnitud X debe estar comprendido entre los valores XX ∆− y XX ∆+ Para expresar los resultados XΔ se debe redondear por exceso hasta quedar con una cifra significativa (en algunos casos se pueden admitir dos) y X se redondeará al mismo orden que XΔ . CASOS MÁS COMUNES DE MEDICIONES INDIRECTAS SUMA: |)y||x(|)yx(yxy)f(x, ∆+∆±+=+= ; en las mismas unidades que x y y. |y||x|y)(xΔf(f)εabs ∆+∆=+∆== ERRORES EN LAS MEDICIONES – RESUMEN 4 RESTA: |)y||x(|)yx(yxy)f(x, ∆+∆±−=−= ; en las mismas unidades que x y y. |y||x|y)(xΔf ∆+∆=−∆= |y||x|y)(xΔf(f)εabs ∆+∆=−∆== MULTIPLICACIÓN POR UN NÚMERO REAL: xaxaxaf(x) ∆⋅±⋅=⋅= ; en las unidades de a por las unidades de x. xax)(af(f)εabs ∆⋅=⋅∆=∆= MULTIPLICACIÓN: |)xy||yx(|)yx(yx y) f(x, ∆⋅+∆⋅±⋅=⋅= ; en las unidades de x por las unidades de y. |xy||yx|y)(xf(f)εabs ∆⋅+∆⋅=⋅∆=∆= y |y| x |x| )yx( y)(x f f (f)εrel ∆ + ∆ = ⋅ ⋅∆ = ∆ = DIVISIÓN: ∆ ⋅+ ∆ ±== 2y y x y x y x y x y) f(x, ; en las unidades de x entre las unidades de y. 2abs y y x y x y x f(f)ε ∆ ⋅+ ∆ = ∆=∆= y |y| x |x| )y/x( y)/(x f f (f)εrel ∆ + ∆ = ∆ = ∆ = POTENCIA: |)xxn(|xx ...x xxx f(x) 1-nnn ∆⋅⋅±=⋅⋅⋅== ; en las unidades de x elevadas a la potencia n. |xxn|)x(f(f)ε 1-nnabs ∆⋅⋅=∆=∆= x |x| n x )(x f f (f)ε n n rel ∆ = ∆ = ∆ = OPERACIONES COMBINADAS: m lk z .yx az)y,f(x, ⋅= z Δz m y Δy l x Δx k f Δf f (f)ε (f)ε absrel ⋅+⋅+⋅=== f z Δz m y Δy l x Δx kf(f)ε(f)ε relabs ⋅ ⋅+⋅+⋅=⋅= CIFRAS SIGNIFICATIVAS Cuando realizamos una medición con una regla graduada en milímetros, está claro que, si somos cuidadosos, podremos asegurar nuestro resultado hasta la cifra de los milímetros o, en el mejor de los casos, con una fracción del milímetro, pero no más. De este modo nuestro resultado podría ser: L = (86,2 ± 0,5) mm, o bien L = (86 ± 1) mm. En el primer caso decimos que nuestra medición tiene tres cifras significativas y en el segundo caso sólo dos. El número de cifras significativas es igual al número de dígitos contenidos en el resultado de la medición que están a la izquierda del primer dígito afectado por el error, incluyendo este dígito. El primer dígito, o sea el que está más a la izquierda, es el más significativo (8 en este caso) y el último (más a la derecha) el menos significativo, ya que es en el que tenemos “menos seguridad”. Nótese que carece de sentido incluir en el resultado de L más cifras que aquellas en donde tenemos incertidumbres (donde “cae” el error). Se les llama cifras significativas a la cantidad de todos los dígitos conocidos reportados en una medida, más el último dígito que es incierto (estimado). No es correcto expresar el resultado como L = (86.321 ± 1) mm, ya que si hay una incertidumbre del orden de 1 mm, no se puede asegurar el valor de las décimas, centésimas y milésimas del milímetro. Si el valor de L proviene de un promedio y el error es del orden del milímetro, se debe redondear el dígito donde primero cae el error. Es usual expresar las incertidumbres con una sola cifra significativa, y sólo en casos excepcionales y cuando existe fundamento para ello, se pueden usar más. También es usual considerar que la incertidumbre en un resultado de medición afecta a la última cifra si es que no se la indica explícitamente. Por ejemplo, si sólo se dispone de la información que una longitud es L = 86 mm, se puede suponer que la incertidumbre es del orden del milímetro y el resultado de L tiene dos cifras significativas. Una posible fuente de ambigüedad se presenta con el número de cifras significativas cuando se hace un cambio de unidades. Si en el último ejemplo deseamos expresar L en µm, el resultado sería L = (86000 ± 1000) µm. ¿Cuántas cifras significativas tenemos en este resultado? Claramente dos, igual que antes, ya que la última cifra significativa sigue siendo 6. Sin embargo, si no se indica explícitamente la incertidumbre de L, es difícil saber cuántas cifras significativas hay. Nótese que 86 mm no es lo mismo que 86000 µm, ya que el primer resultado tiene sólo dos cifras significativas mientras el segundo tiene 5 (a propósito, los costos de los instrumentos para realizar estas dos clases de determinaciones serían muy diferentes). Para evitar estas ambigüedades se emplea la notación científica. Se puede escribir la siguiente igualdad: 8,6 x 101 mm = 8,6 x 104 µm. Los números en ambos miembros de la igualdad tienen igual número de cifras significativas, siendo la única diferencia las unidades usadas. • Son significativos todos los dígitos distintos de cero. 8723 tiene cuatro cifras significativas • Los ceros situados entre dos cifras significativas son significativos. 105 tiene tres cifras significativas • Los ceros a la izquierda de la primera cifra significativa no lo son. 0,005 tiene una cifra significativa • Para números mayores que 1, los ceros a la derecha de la coma son significativos. 8,00 tiene tres cifras significativas ERRORES EN LAS MEDICIONES – RESUMEN 5 • Para números sin coma decimal, los ceros posteriores a la última cifra distinta de cero pueden o no considerarse significativos. Así, para el número 70 podríamos considerar una o dos cifras significativas. Esta ambigüedad se evita utilizando la notación científica. 7 x 102 tiene una cifra significativa ; 7,0 x 102 tiene dos cifras significativas • Los números que resultan de contar o constantes definidas, tienen infinitas cifras significativas. Ejemplo: 15 camisas, esa medida tiene infinitas cifras porque es un número exacto. • Los resultados experimentales se expresan con sólo una cifra dudosa, e indicando con ± la incertidumbre en la medida. • Las cifras significativas se cuentan de izquierda a derecha, a partir del primer dígito diferente de cero y hasta el dígito dudoso. • Al sumar o restar dos números decimales, el número de cifras decimales del resultado es igual al de la cantidad con el menor número de ellas. Un caso de especial interés es el de la resta; por ejemplo: 30,3475 – 30,3472 = 0,0003. Cada una de las cantidades tiene seis cifras significativas y el resultado posee tan sólo una. Al restar se han perdido cifras significativas. Esto es importante tenerlo en cuenta cuando se trabaja con calculadoras o computadores en donde haya cifras que se sumen y se resten. Es conveniente realizar primero las sumas y luego las restas para perder el menor número de cifras significativas posible. • Al multiplicar o dividir dos números, el número de cifras significativas del resultado es igual al del factor con menos cifras. Ejemplos 1. Se midió una longitud con un calibre, los resultados fueron: L = 161,35 mm y ∆L = 0,05 mm La longitud se reportará con DOS cifras significativas después del punto decimal: L = (161,35 ± 0.05) mm La longitud se reportará con un total de TRES cifras significativas. 2. Se midió un intervalo de tiempo con un cronómetro, los resultados fueron: t = 5,125 s y ∆t = 0,2 s El tiempo se reportará con UNA cifra significativa después del punto decimal: t = (5,1 ± 0,2) s El tiempo se reportará con un total de DOS cifras significativas. 3. Se midió un volumen, los resultados fueron: V = 72,15796 mm3 y ∆V = 0,074983 mm3 El volumen se reportará con DOS cifras significativas después del punto decimal: V = (72,16 ± 0,08) mm3 El volumen se reportará con un total de CUATRO cifras significativas. 4. Se midió el área de un círculo, los resultados fueron: A = 20433,9784 cm2 y ∆A = 12,257 cm2 El área se reportará con CERO cifras significativas después del puntodecimal: A = (20434 ± 13) cm2 El área se reportará con un total de CINCO cifras significativas.
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