Sistema di riferimento

Un sistema è un insieme di elementi che interagiscono e mantengono interrelazioni tra loro. Il concetto di riferimento, invece, è legato a un'allusione o alla relazione che una cosa ha con una cosa diversa.

Un sistema di riferimento è l'insieme delle convenzioni che un osservatore usa per misurare le quantità fisiche di un dato sistema. Ciò significa che i valori di queste quantità sono legati al sistema di riferimento in questione.

I sistemi di riferimento sono di solito insiemi di coordinate. In questo modo è possibile localizzare diversi punti nello spazio fisico e collocare gli eventi in un ordine cronologico.

L'osservatore di un fenomeno fisico in definitiva osserva un evento attraverso un certo sistema di riferimento. Quando si osserva la traiettoria di un corpo in movimento, la misura della distanza e di altre variabili dipenderà dalla sua posizione nel sistema di riferimento.

Il sistema di riferimento può essere unidimensionale (per l'osservazione di movimenti che avvengono in modo lineare), bidimensionale (movimenti che avvengono in un piano) o tridimensionale (movimenti che avvengono nello spazio).

Prendiamo l'esempio della geodesia. Questa scienza dedicata allo studio della grandezza e della forma del globo terrestre ha adottato un sistema di riferimento che fissa il geocentro (il centro di massa del pianeta) come posizione d'origine e stabilisce poi alcune convenzioni per definire gli assi X (legato ai piani equatoriale e di Greenwich), Z (legato all'asse di rotazione della Terra) e Y (che è associato perpendicolarmente al piano XZ).

Nel regno della fisica classica, abbiamo il sistema di riferimento cartesiano, che deve essere definito da due elementi che formano una coppia (P, E), dove l'elemento P è un punto di riferimento preso arbitrariamente dall'osservatore ed E rappresenta l'asse delle coordinate. Il primo elemento di solito appartiene a un oggetto fisico da cui si stimano le distanze e le coordinate di posizione.

Il punto P viene preso come riferimento e origine delle coordinate nell'insieme degli assi cartesiani, e da lì è possibile determinare tutti i tipi di quantità fisiche tensoriali o vettoriali, come la direzione in cui si muove il corpo. Dobbiamo anche tener conto di un terzo elemento, che è definito come l'origine nel tempo, cioè un momento a partire dal quale è possibile misurare il tempo.

Questo è di solito l'istante in cui avviene il particolare evento osservato. Nel campo della cinematica, per esempio, quando si studia un dato movimento, la sua origine coincide con quella del tempo.

Abbiamo quindi tre elementi che formano il sistema di riferimento, anche se prima di poterli utilizzare è necessario creare unità di misura convenzionali che sono definite in base a elementi le cui caratteristiche fisiche sono costanti. Queste, insieme ai loro rispettivi rapporti, costituiscono il cosiddetto sistema di unità, tutte incluse nel Sistema Internazionale; tra le più comuni ci sono il metro, il chilogrammo, il kelvin, il secondo, la mole e l'ampere.

Se osserviamo un oggetto che si muove in linea retta, allora abbiamo bisogno di un solo asse per descrivere il suo movimento. Se invece si muove lungo un piano, allora ne servono almeno due, a seconda dell'orientamento del piano: se non poggia perfettamente su nessuno dei tre assi, allora sono necessari tutti e tre gli assi per completare il calcolo con precisione assoluta.

In questo quadro, le coordinate cartesiane (x,y,z) sono generalmente utilizzate per i sistemi di riferimento: x rappresenta la proiezione orizzontale; y, la verticale; z, la profondità.