jueves, 5 de noviembre de 2009

Análisis de Errores

El medir una cantidad física (masa, volumen, temperatura, tiempo, etc.) es una operación que consiste en establecer la razón numérica entre la cantidad considerada y una cantidad de la misma especie elegida como unidad de medida o patrón. El determinar y reportar de manera correcta el error es tan importante (o quizás más) que el establecer el resultado de nuestra medición.

En primera instancia, el resultado del proceso de medición está afectado por las limitaciones de los instrumentos. La apreciación de un instrumento es el valor de la menor medida que se puede hacer con el mismo. En ocasiones, un observador es capaz de medir y reportar un resultado menor que la división de la escala; esto se denomina estimación, en algunos textos se define como la mitad de la apreciación. En conclusión toda medida debe llevar un valor de error asociado, generalmente, la apreciación del instrumento con que se realiza la medición.Llamamos magnitud a cualquier propiedad física susceptible de ser cuantificada objetivamente en el proceso de medición. El proceso de medición de cierta porción de dicha magnitud consistirá en compararla con una porción de la misma, que se adopta convencionalmente como referencia y que denominamos unidad, y expresar cuántas veces mayor que esta es la porción sometida a medición.


Los resultados de una medición serán más aceptables cuanto más cercanos estén del valor verdadero. La discrepancia entre el valor experimental y el valor real de una medición incorpora una incertidumbre. La incertidumbre puede cuantificarse a través del error.


Fuentes y tipos de errores


La clasificación generalmente aceptada para los errores los divide en errores sistemáticos y casuales. Los errores sistemáticos son errores constantes que tienden a dar valores siempre mayores ó siempre menores que el valor verdadero. Por lo tanto, su efecto no se puede minimizar utilizando un promedio de múltiples mediciones. Estos errores surgen por fallas de los instrumentos (calibración incorrecta, no realización de la puesta en cero) o fallas en el procedimiento (errores de paralaje, toma de datos antes de haber alcanzado el equilibrio). Los errores casuales son caracterizados por el azar, son variables en magnitud y sentido y por lo tanto pueden descubrirse por repetición de las mediciones y puede minimizarse mediante un promedio. Se deben normalmente a descuidos momentáneos del observador y a pequeñas variaciones de las condiciones experimentales.


Los errores sistemáticos: son aquellos que persisten de una manera definida y en un grado fijo de una determinación a otra y son de tal naturaleza que sus magnitudes pueden determinarse y sus efectos eliminarse o por lo menos reducirse. Estos errores incluyen:


a)Errores instrumentales, que es muy fácil de determinar en los instrumentos de medida analógica. Dicho error se estima de la siguiente forma.


E= A/2


Donde A es la apreciación del instrumento y puede determinarse a partir de la diferencia de las lecturas de dos valores marcados en el instrumento y el número de divisiones que existen entre ellos de acuerdo a:


A = (Lectura mayor – Lectura menor)/ Nº de divisiones


En algunos instrumentos volumétricos, empleados en química, tales como pipetas volumétricas, el error cometido es la lectura es especificado por el fabricante; los cuales oscilan entre un 0,5 % del volumen leído, en equipos de precisión y un 10% en equipos menos precisos.


Para los equipos digitales el error instrumental se toma en la última cifra que aparece en la pantalla. Así por ejemplo, si en la pantalla aparece 12,04 el error instrumental es de ±0,01 y se debe reportar. 12,04 ± 0,01.


b) Errores personales, como los originados por la determinación de un cambio de color con demasiado retraso


c) Errores de método, como el originado por la presencia de una sustancia extraña en el peso de un precipitado.



Los errores sistemáticos pueden corregirse normalmente por calibración u otros medios experimentales.


Los errores casuales, se encuentran más o menos, fuera del control del observador y tienen signos y magnitudes determinadas solamente por casualidad. Pueden ser originados por factores como las fluctuaciones en presión y temperatura, impericia del observador para estimar correctamente las fracciones de divisiones marcadas y por cansancio óptico. Estos errores se caracterizan porque pueden ocurrir tanto en forma positiva como negativa. Por esta razón, el valor mas probable que puede tomarse es la media aritmética. Por los resultados numéricos de una serie de observaciones similares sujetas solo a errores ocasionales.


PRECISIÓN Y EXACTITUD


La medida de una propiedad determinada esta dada por dos características principales: El valor verdadero o aceptado y lo reproducible del valor medido, denominándose estas dos características exactitud y precisión respectivamente.


Precisión y exactitud


La precisión de un conjunto de mediciones se refiere al agrupamiento o dispersión de las mismas, siendo más precisas al estar más agrupadas. La exactitud de un valor se refiere a la cercanía entre el valor medido y el valor real. En el caso de observar un conjunto de mediciones esta cercanía se mide respecto al valor medio de las mismas.

Exactitud: Denota la proximidad de una medida al valor verdadero o aceptado. Se refiere a la cercanía de una magnitud al valor verdadero o aceptado, esta relacionado con la apreciación del instrumento de medida y los errores sistemáticos. Se denomina exactitud a la capacidad de un instrumento de medir un valor cercano al valor de la magnitud real. Exactitud implica precisión. Pero no al contrario. Esta cualidad también se encuentra en instrumentos generadores de magnitudes físicas, siendo en este caso la capacidad del instrumento de acercarse a la magnitud física real.


TRATAMIENTO ESTADÍSTICO DE DATOS


Media: La media aritmética (media) se refiere al valor numérico obtenido dividiendo la suma de una serie de medidas dividida entre el número de medidas:

X = ∑ Xi/n
Donde Xi: valores medidos

n: número de medidas

Desviación Absoluta: Corresponde a la diferencia (valor absoluto) entre un valor medido y la media. Corresponde a una manera de expresar la precisión de un resultado.


Donde: = desviación absoluta


= media


= valor medido


Error Absoluto: Se define como la diferencia entre el valor medido y el valor aceptado o verdadero.



Donde: = error absoluto


= valor verdadero o aceptado


= valor medido


Error Relativo: Representa el porcentaje de error de una medida determinada y viene dada por la expresión:



Donde: = error relativo


= valor verdadero o aceptado


= valor medido


Cifras Significativas
El número de cifras significativas es el número de dígitos representativos de una cantidad medida o calculada. El último dígito del valor de una medida es incierto, y el número de cifras significativas tiene relación directa con la precisión de una medición. Se determina contando desde la izquierda a partir de la primera cifra diferente de cero hasta la primera cifra afectada de error. Corresponde a la cantidad medida o diferente de cero contada. Por ejemplo, consideremos una medida de longitud que arroja un valor de 5432,4764 m con un error de 0,8 m. El error es por tanto del orden de décimas de metro. Es evidente que todas las cifras del número que ocupan una posición menor que las décimas no aportan ninguna información.

Medida de sólidos: Las cantidades de sólidos que se van a utilizar se determinará por pesada, para lo cual se emplean diferentes tipos de balanzas (granataria y digital), según la precisión requerida en la pesada. Es necesario mantener el platillo de la balanza limpia y no deben colocarse directamente sobre éste los reactivos químicos, ni objetos calientes.

Medida de líquidos: Existen diferentes instrumento para medir el volumen de los líquidos. Los más utilizados son: cilindros graduados, pipetas (volumétricas o graduadas) y buretas.

Cálculos y cifras significativas


Una cifra significativa es todo dígito que tenga significado físico. El número de cifras significativas a utilizar al momento de reportar resultados experimentales no es arbitrario, se determina contando desde la izquierda a partir de la primera cifra diferente de cero hasta la primera cifra afectada de error, inclusive. Por ello, la masa, el volumen y la densidad en el ejemplo anterior poseen tres cifras significativas, mientras que los valores del error se expresan con una sola cifra significativa. El siguiente juego de reglas debe cumplirse para todo cálculo:


(i) Al realizar cálculos que involucren solamente multiplicaciones y/o divisiones de números, el resultado final no debe tener más cifras significativas que el número con menos cifras significativas.


(ii) Al realizar cálculos que involucren solamente sumas y/o restas de números, la cifra menos significativa del resultado final ocupará la misma posición relativa de la cifra menos significativa involucrada en la operación. En este caso el número de cifras significativas no es lo importante sino la posición. Por ejemplo: 332,108 + 3,9 = 336,008 = 336,0. Esto debido a que carece de sentido agregar cifras sin significado a un valor medido con un error dado (3,9).