prácticas de fundamentos físicos de la arquitectura técnica profesor ignacio negueruela díez...
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Prácticas de Prácticas de Fundamentos Físicos deFundamentos Físicos dela Arquitectura Técnicala Arquitectura Técnica
Prácticas de Prácticas de Fundamentos Físicos deFundamentos Físicos dela Arquitectura Técnicala Arquitectura Técnica
Profesor Ignacio Negueruela DíezProfesor Ignacio Negueruela Díez
Curso 2008-2009Curso 2008-2009
Teoría de errores
Medidas experimentales
En el laboratorio, tomamos medidas
¿Para qué?
¿Qué nos dicen?
¿Nos podemos fiar de ellas?
Medidas experimentales
En el laboratorio, tomamos medidas
¿Para qué?
¿Qué nos dicen?
¿Nos podemos fiar de ellas?
Determinar magnitudes físicas
Hallar relaciones entre ellas
Tipos de errores
• Errores sistemáticos Aparato de medida / Observador
SE PUEDEN ELIMINAR
• Errores accidentales o aleatoriosCondiciones experimentales / Objeto medido
SE PUEDEN REDUCIR
PERO NUNCA ELIMINAR
Error absoluto (Ea):
estimación del error de la medida “V”
(V: valor “verdadero” de la magnitud física)
Error relativo (Er):
VE
100(%)E ar
Características de las medidas
Exactitud
Cercanía al valor “exacto”
SensibilidadDepende del
dispositivo de medidaPrecisión
Depende del
método experimental
Error sistemático
Error absoluto
Error relativo
2% 3
2% V 8% 6V
8% V 15% 15
V 15% 50
5. Si
4. Calcular desviación relativa:
3. Calcular valor medio:
1. Tomar 3 medidas: M1, M2, M3
2. Calcular dispersión absoluta: D = Mmax – Mmin
¿ Cómo reducir los errores?
¿ Cuántas medidas?
3321 MMM
V
100VD
V
ni
i 1
ni
i 1
a
MEDIA ARITMÉTICA
VV
n
DESVIACIÓN MEDIA
V V
n
ERROR ABSOLUTO
E máx S,
Resultado final = magnitud error unidades
aV V E - uni
0 1 2 3cm
Entre 2.5 y 2.6: L =2.5 0.1 cm
L = ?S = 0.1 cm
¿V “verdadera”?
_VV-Ea V+Ea
_ _
UNIDADES DEL SISTEMA INTERNACIONAL
Siempre utilizar la notación científica y los prefijos oportunos
Medidas directas y medidas indirectas
• Medida directa:
Directamente del aparato experimental
(metro, balanza, cronómetro, osciloscópio,
amperímetro, voltímetro, teslámetro, etc.)
• Medida indirecta:
Ejemplo: Volumen cilindro
V = ; Ev=?2r h
rH
aE máx S,
Errores en medidas indirectas
Reglas para las 4 operaciones aritméticas:
A B
A B A B
A B A B
A BA / B 2
A E ;B E
E E E
E B E A E
B E A EE
B
Errores en medidas indirectas
Regla general:
v r h
V VE E E
r h
Ejemplo: V = 2r h
,...)c,b,a(fz
....dcc
fdbb
fdaa
fdz
....Ec
fEb
fEa
fE cbaz
....z
E
c
f
z
E
b
f
z
E
a
f
z
E cbaz
Errores de medidas indirectas
hlaV
El error absoluto se aproxima al diferencial de la función
hlav EhV
ElV
EaV
E
dhh
Vdll
Vda
a
VdV
Error relativo %100 VE
E V)v(r
V = valor Ev (u) V = valor Er(v) (u)
Resultado
Errores en medidas indirectas
Regla práctica:
2
2V r H
V r H
V r H
E 2 HrE r E
E E E2
V r H
....c
Ep
b
En
a
Em
G
E cbaG
Error relativo
pnm
cba
cbaG
Ec;Eb;Ea
Error absoluto
Cómo expresar los resultados
Ej. Estudio de la variación de la densidad de un líquido con la temperatura. Se realizan dos medidas diferentes A y B
Resultado:La disminuye cuando aumenta T
La no depende de la T
Experiencia A Experiencia BT (ºC) (g/cm3) T (ºC) (g/cm3)
40 0.8015 40 0.8030 0.8017 30 0.8020 0.8019 20 0.8010 0.8021 10 0.80
Tabla: Variación de la densidad con la temperatura
Importancia del número de cifras de la medida, número de cifras significativas
Es necesario un valor asociado a la medida que garantice la fiabilidad
Cómo expresar los resultados: CIFRAS SIGNIFICATIVAS
• Cifra MAS significativa:
la mas a la IZQUIERDA que NO SEA “0”
• Cifra MENOS significativa:
• la mas a la DERECHA que NO SEA “0”
(si NO HAY COMA decimal)
• la mas a la DERECHA (aunque sea “0”)
(si HAY COMA decimal)
Ejemplos: 3215 3215.4 3200 0.032 3200.0 18.00 0.180 + - + - +- + -+- + - + -
¿ Cuántas cifras significativas?En los errores:
Convenio para la expresión de los errores
– General una única cifra
– Particular dos cifras si:
• la primera de ellas es un “1”
• la primera es un “2” y la
siguiente es < 5
Redondeos
• Si la fracción truncada es > 0.5 : +1
• Si la fracción truncada es < 0.5 : =
• Si la fracción truncada es = 0.5 : +1
¿ Cuántas cifras significativas?En los resultados:
Hasta la 1ª cifra afectada por el error
Valores incorrectos:
2.183 0.221
5.412 0.076
46.348 1.142
248.163 0.29
1543 31
572.35 0.045
8
32
00
Valores correctos:
2.18 0.22
5.41 0.08
46.3 1.1
248.2 0.3
1540 30
572.35 0.05
5
Cifras significativas y operaciones aritméticas, cuando solo se dispone de los resultados (no se dispone de los errores absolutos):Multiplicación o división:
# cifras significativas nunca mayor que las de cualquier factor
Suma o resta:
No hay cifras significativas más allá de la última cifra decimal en que
los sumandos tienen cifras significativas
1234.234 x 0.3 = 370.2702
382.61 : 1.9845 = 192.8134346
23.15 + 0.0168 = 23.1668
0.034 – 0.01 = 0.0247
24x10
TEORÍA DE ERRORES• Medidas experimentales• Tipos de errores• Expresión de los errores• Presentación de resultados (Tablas – Gráficas)• Interpolación • Método de mínimos cuadrados
Presentación de los resultados
• Los resultados se agrupan en TABLAS
• Magnitud física + Error absoluto (UNIDADES)_
I+0.2 (mA) V+0.1 (V)_ _
1.8 3.4 5.6 6.8
7.0 15.1 18.7 27.3
Comentario (si necesario)
Variable independiente (Unidades)
Vari
ab
le d
ep
en
die
nte
(U
nid
ad
es)
0 1 2 3 4 5 6 7
30
20
10
0
Representación GRÁFICA
I+0.2 (mA) V+0.1 (V)_ _
1.8 3.4 5.6 6.8
7.0 15.1 18.7 27.3
¡ NO !
¡ NO !
¡ NO !
¡ NO !
V (V)
I (mA)
Barras, o rectángulos de error
Variable independiente (Unidades)
Vari
ab
le d
ep
en
die
nte
(U
nid
ad
es)
0 1 2 3 4 5 6 7
30
20
10
0
Representación GRÁFICA
V (V)
I (mA)
Resumiendo..., en las gráficas:
• Papel milimetrado
• Magnitud física independiente + unidades:
eje abscisas
• Magnitud física dependiente + unidades :
eje ordenadas
• Elegir la escala adecuada/valores de referencia
• Datos experimentales + barras/rectángulos de error
• NO se marcan valores de datos en los ejes
• NO se unen puntos en la gráfica
• NO se hacen gráficas por ordenador
Interpolación lineal
bmxz
bmxz
bmxz
22
11
12
12
xxzz
m
)( 112
121 xx
xxzz
zz ' 2 1
z z x2 1
z zE max E , E
x x
Estimación del valor de un magnitud física “z” dependiente de “x”, a partir de datos experimentales
x1 x x2 X (Ux)
Z (Uz)
z2
z = ?
z1
X
x1
x
x2
Z
z1
z
z2
PROBLEMAS TÍPICOS REALES
Ej. A partir de las siguientes medidas calcular la a los 14ºC
T 5 ( ºC) 0.0001(g/cm3)20 0.801910 0.8021
Método de mínimos cuadrados
Y
X
? ? ?
¿ Qué relación hay entre las magnitudes físicas “x” e “y” ?
Ajuste de rectas a los datos experimentales
y=mx+n
Y
X
y mx n
m=?; n=?
N* 2
i ii 1
(y y )
ha de ser mínima:
N
2
i ii 1
dy mx n 0
dm
ix
*i iy mx n
iy
Ajuste de rectas por mínimos cuadrados
N
ii 1
A x
N
ii 1
B y
N
i ii 1
D x y
N2i
i 1
C x
X
x1 , Ex1
...
xi , Exi
...
xN , ExN
Y
y1 , Ey1
...
Yi , Eyi
...
yN, , EyN
y mx n
2
ND ABm
NC A
N
2
i ii 1
dy mx n 0
dm
n y mx (x, y) y mx n
N
ii 1
xx
N
N
ii 1
yy
N
N medidas:
Cálculo de errores sobre “m” y “n”:
i i
N Ni
m i i x yi 1 i 1
x1E y 2mx E E
C C
i i
N N
x yi 1 i 1
n m
E EE m x E
N N
N
ii 1
xx
N
N
ii 1
yy
N
N2i
i 1
C x
Si n~0:
Errores iguales: x yx yE E ;E E
myxn ExEEmE
yxm EEmCA
E Dm
C
i
N
xi 1
x
EE
N i
N
yi 1
y
EE
N
N
ii 1
A x
N
i ii 1
D x y
2r R
Y
X
Y
X
¿ Como valorar la bondad de un ajuste lineal?
N2i
i 1
F y
N
ii 1
A x
N
ii 1
B y
N2i
i 1
C x
2
2
NC Ar m
NF B
1 r 1
N* 2
ii2 i 1
N2
iii 1
(y y )R
(y y )
20 R 1
Coeficiente de correlación
Coeficiente de determinación
Resumiendo..., en las gráficas:
• Papel milimetrado
• Magnitud física independiente + unidades:
eje abscisas
• Magnitud física dependiente + unidades :
eje ordenadas
• Elegir la escala adecuada/valores de referencia
• Datos experimentales + barras/rectángulos de error
• NO valores datos en ejes
• NO se unen puntos en la gráfica
• NO gráficas por ordenador
• Recta “y=mx+n” (+cortes con los ejes)
Variable independiente (Unidades)
Vari
ab
le d
ep
en
die
nte
(U
nid
ad
es)
0 1 2 3 4 5 6 7
30
20
10
0
Representación GRÁFICA
I (mA)
V (V)
CD
x
xym N
ii
N
iii
1
2
1
yxm EEmCA
E
N=5
N
iixA
1
N
iiyB
1
N
iiyF
1
2
N
iixC
1
2
N
iii yxD
1
xi=Ii yi=Vi xi2=Ii
2 yi2=Vi
2 xi yi =IiVi 1,7 5,0 2,89 25 8,5 3,5 10,0 12,25 100 35 5,2 15,0 27,04 225 78 6,9 20,0 47,61 400 138 8,6 25,0 73,96 625 215
A=25,9 B=75 C=163,8 F=1375 D=474,5
N
ii 1
xx
N
N
ii 1
yy
N
I 0,1(mA) V0,1(V) 1,7 5,0 3,5 10,0 5,2 15,0 6,9 20,0 8,6 25,0
V=RI (y=mx; n~0)
V=2.9I
r=0.99993
m=R=(2.9 ± 0.2) k
Buen ajuste
2
2
NC Ar m
NF B
INTERPOLACIÓN ANALÍTICA (Ejemplo)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
5
10
15
20
25
30
V (
V)
I (mA)
Experimental Ajuste por MC
r=0.99993R=(2.9 ± 0.2) k
Memorias de las prácticas
1. Encabezamiento: Apellidos y nombre, Nombre de la práctica, Fecha, Grupo (día y hora)
2. Objetivo: Qué se desea verificar con la práctica3. Instrumentación: Descripción4. Montaje experimental: Descripción5. Procedimiento: Comentarios sobre como se hizo la
práctica, problemas encontrados, recomendaciones, etc.6. Datos: En tablas, con las unidades y errores7. Gráficos: Según las instrucciones dadas8. Cálculos: Traza de las operaciones realizadas9. Resultados y respuestas: Teóricos – experimentales10. Conclusiones (y sugerencias)
IDEA BÁSICA:
UN EXPERIMENTO SIEMPRE DEBE PODER REPRODUCIRSE A PARTIR DE LA DESCRIPCIÓN QUE SE HAGA DEL MISMO
Los aparatos de Los aparatos de laboratoriolaboratorio
Los aparatos de Los aparatos de laboratoriolaboratorio
(Elementos de circuito, instrumentos (Elementos de circuito, instrumentos de medición, etc.)de medición, etc.)