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Tema #2 Sistemas de Medidas

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Sistemas de Medidas y Ajuste de Medidas 25

Tema Nº
SISTEMAS DE MEDIDAS Y AJUSTE DE MEDICIONES

2.1. INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DE MEDICIONES

La topografía se encarga de medir cantidades cuyo valor exacto o verdadero no


puede determinarse, como en el caso de distancias, elevaciones, volúmenes, pesos.
Indudablemente, con los equipos adecuados, se pueden realizar mediciones con
una aproximación que se acerque más al valor real, pero nunca será posible
determinar ese valor en forma exacta.

Al contar con mejores equipos, se pueden realizar mediciones con una


aproximación que se acerque más al valor real. Por lo tanto, un principio
fundamental de la topografía es que ninguna medición es exacta y que nunca se
conoce el valor verdadero de la cantidad medida, se puede resumir: la realización
de mediciones es la tarea principal del topógrafo.

El topógrafo debe tener la habilidad y el criterio necesarios para ejecutar mediciones


lo suficientemente precisas de tal manera que no afecten la ejecución del proyecto
en la cual serán utilizadas. Debe poder seleccionar el equipo y la técnica que le
permita asegurar la precisión exigida por sus contratantes.

2.2. TIPOS DE MEDICIONES EN TOPOGRAFÍA

Un levantamiento topográfico es el conjunto de operaciones, realizadas para


determinar la ubicación, dimensiones y la representación grafica de una parte de la
superficie terrestre. En esas operaciones ejecutadas en campo se realizan
mediciones angulares y de distancias, cuyo objetivo final es determinar las
coordenadas (norte, este y altura) de los puntos medidos.

Las mediciones que se efectúan en topografía son básicamente de 5 tipos:

Anglos Horizontales:
Angulos Verticales o Cenitales:
Distancias Horizontales: DH
Distancias Inclinadas: DI
Distancias Verticales: H
Elementos medidos
Sistemas de Medidas y Ajuste de Medidas 26

2.3. SISTEMAS DE MEDIDAS

2.3.1. Unidades de longitud y superficie

La unidad básica de nuestro sistema de


medidas de longitud es el metro. La Conferencia
General de Pesas y Medidas de 1983 se adoptó la
siguiente definición del mismo como la distancia
recorrida por la luz en el vacío durante un intervalo Metro patrón
de 1/299.792.458 segundos.

Originalmente la Academia de ciencias Francesa en 1790 definió el metro


como 1/10.000.000 de la longitud de meridiano que pasa por París desde el
ecuador hacia el polo.

A partir del metro tendremos todos sus múltiplos y submúltiplos:

1.000 milímetros (mm) = 1 metro (m)


100 centímetros (cm) = 1 metro (m)
10 decímetros (dm) = 1 metro (m)
1 metro (m)
1 Decámetro (Dm) = 10 metros (m)
1 Hectómetro (Hm) = 100 metros (m)
1 Kilómetro (Km) = 1.000 metros (m)

La unidad de superficie más habitual en topografía es la Hectárea (10.000


m2) que se define como: el área correspondiente a un cuadrado cuyo lado tiene una
longitud de 100 metros.

Sistema Inglés Sistema Métrico


1‟ pie = 12” pulgadas 1 mm = 0,001 m
1 yarda = 3‟ pies 1 cm = 0,01 m
1 braza (fathons) = 6‟ pies 1 m = 100 cm 0 = 1.000 mm
1 milla = 5.280‟ pies = 1.760 yardas 1 km = 1.000 m

Equivalencias
Inglés a Métrico Métrico a Inglés
1‟ pie = 0,304 m 1 m = 3,28 pies
1 yarda = 0,914 m 1 m = 1,094 yardas
1 braza = 1,83 m 1 m = 0,546 brzas
1 milla = 1.609,34 m 1 km = 0,62 millas
1 acre = 0,40 ha 1 hectárea = 2,47 acres
2 2 2 2
1 pie cuadrado ( ft ) = 0,092 m 1 m = 10,764 ft
3 3 3 3
1 pie cubico ( ft ) = 0,028 m 1 m = 35,315 ft
Sistemas de Medidas y Ajuste de Medidas 27

2.3.2. Unidades angulares

Para medir ángulos en topografía, se trabaja indistintamente con la


graduación sexagesimal y la graduación centesimal:

Sistema sexagesimal: se considera una circunferencia dividida en 360


partes iguales denominadas grados, cada grado se divide en 60 minutos y
cada minuto a su vez en 60 segundos, un grado tiene 3.600 segundos, la
notación sería:

30º 20' 50'' = 30 grados 20 minutos 50 segundos

Sistema centesimal: la circunferencia se divide en 400 grados, cada


grado en 100 minutos y cada minuto en 100 segundos, la notación sería:

30g 20m 50s = 30,2050g

Sistema analítico: la unidad es el radián, se define como el ángulo


central de un círculo, para el cual la longitud de arco es igual al radio. Se
utiliza a menudo para relacionar mediciones de distancias y angulares.

Sistemas de medidas angulares

2.3.3. Conversiones angulares relativas

Para transformar un ángulo de un sistema a otro se aplica una relación que


tomadas de dos proporcionan las formulas de conversión de un sistema a otro:

Conversiones angulares º = º = º
360 400 2
Sistemas de Medidas y Ajuste de Medidas 28

2.4. CIFRAS SIGNIFICATIVAS

Al registrar medidas, una indicación de la exactitud lograda es el número de dígitos


(cifras significativas) que se registran. Por definición, el número de cifras
significativas de cualquier valor medido incluye los dígitos positivos (seguros) más
uno (solamente uno), que es un dígito estimativo o redondeado, y por tanto
cuestionable.

Para ser congruente con la teoría de errores, es indispensable que los datos se
registren con el número correcto de cifras significativas. Si se descarta una cifra
significativa al registrar un valor, se ha desperdiciado el tiempo empleado en lograr
la exactitud. Por otra parte, si se registran los datos con mas cifras de las que son
necesarias, se estará denotando una falsa precisión y puede perderse tiempo al
hacer los cálculos.

A menudo se confunde número de cifras significativas con el número de cifras


decimales. En ocasiones tendrán que usarse cifras decimales para conservar el
número correcto de cifras significativas, pero las decimales no indican por sí mismas
las cifras significativas. Ejemplos:

Dos cifras significativas 24 2,4 0,24 0,020 0,0024


Tres cifras significativas 364 36,4 0,0240 0,005 0,568
Cuatro cifras significativas 7621 76,21 24,00 0,0006 0,4308
Tabla 2-1: Cifras significativas

En las operaciones matemáticas, es necesario que el número de cifras significativas


dadas en los resultados sean congruentes con los valores medidos.

En topografía se encuentran cuatro tipos de problemas relacionados con cifras


significativas que deben comprender:

1. Las medidas de campo se presentan con un número específico de cifras


significativas, con lo cual se indica el número correspondiente que debe tener un
valor calculado.

2. Puede haber un número implícito de cifras significativas. Por ejemplo la longitud


de un campo deportivo puede estar especificado como 100 m. Pero al delimitar
el campo en el terreno, tal distancia se medirá al milímetro y no al decímetro
más cercano.

3. Cuando el resultado a obtener es producto de varias mediciones con cifras


significativas diferentes, el resultado tendrá el número de cifras significativas
que tenga la medida con mayor cantidad.
Sistemas de Medidas y Ajuste de Medidas 29

4. Cuando una medida, en un sistema de unidades, tenga que convertirse a otro


sistema, es conveniente que mantenga el número de cifras significativas.

2.5. REDONDEO DE NUMEROS

Redondear un número es el proceso de suprimir uno o más dígitos para que la


respuesta sólo contenga aquellos que sean significativos o necesarios en cálculos
subsecuentes. El procedimiento seguido será el siguiente:

1. Cuando el dígito a eliminar sea menor que 5, se escribirá el número sin este
dígito, redondeo por defecto. Ejemplo:

84,283 se redondea a dos decimales así 84, 28


84,2839 se redondea a dos decimales así 84,28

2. Cuando el dígito a eliminar sea mayor que 5, se escribirá el número precedente


aumentado en una unidad, redondeo por exceso. Ejemplo:

84,286 se redondea a dos decimales así 84,29


84,2871 se redondea a dos decimales así 84,29

3. Cuando el dígito a eliminar sea 5, si el número precedente es par se redondeará


por defecto, si es impar se redondeará por exceso.

84,285 se redondea a dos decimales así 84,28


84,275 se redondea a dos decimales así 84,29

2.6. ERRORES EN LAS MEDICIONES TOPOGRÁFICAS

El proceso de realizar mediciones topográficas necesita la combinación de habilidad


humana, equipo adecuado y una técnica especifica. Sin embargo, no importa con
cuanto cuidado se hagan, las mediciones nunca son exactas y siempre tendrán
errores. La solución a este dilema será seleccionar los instrumentos y
procedimientos adecuados para reducir la magnitud de los errores a un nivel
razonable.

Las mediciones topográficas pueden ser de dos formas:

Mediciones directas, como pueden ser las la medición de distancias con cinta o
distanciómetro, las mediciones angulares con teodolito.
Sistemas de Medidas y Ajuste de Medidas 30

Mediciones indirectas, aquellas que son resultado de cálculo posterior, como la


medición de distancias con mira, las medidas de diferencias de altura por
nivelación trigonométrica.

En todas las mediciones efectuadas en topografía es inevitable la presencia de


errores y por consiguiente en los cálculos posteriores.

DEFINICIÓN ERROR: es la diferencia entre el valor medido y el valor verdadero de


una magnitud

donde V: error de una medición


V=X–X X: valor medido
X: valor verdadero

Se puede afirmar que: 1) ninguna medida es exacta; 2) toda medida tiene errores; 3)
el valor verdadero de una medición nunca se conoce; 4) el error exacto siempre
será desconocido.

2.6.1. Causa de los errores en las mediciones

1. ERRORES NATURALES: son ocasionados por las condiciones de la


naturaleza, como las variaciones de la temperatura, viento, humedad, la
refracción atmosférica, la gravedad.

2. ERRORES INSTRUMENTALES: son ocasionados por las imperfecciones en


la construcción de los instrumentos y del movimiento de sus partes.

3. ERRORES PERSONALES: tienen su origen en las limitaciones de los


sentidos humanos, como la vista, el tacto, el oído.

2.6.2. Tipos de errores

1. ERRORES SISTEMÁTICOS: tienen su origen en los errores de los


instrumentos de medición, las condiciones del medio ambiente y el
observador. Se repite siempre en la misma cantidad y con el mismo
signo. Este tipo de error tiende a acumularse en función del número de
medidas que se tomen. Las condiciones que ocasionan los errores
sistemáticos se deben a las leyes físicas y se pueden representar
gráficamente. Los errores instrumentales pueden conocerse, los efectos
de las condiciones de la naturaleza sobre las mediciones pueden
determinarse al conocer las leyes que las originan, por tanto pueden
eliminarse aplicando las correcciones correspondientes.

2. ERRORES GROSEROS: son ocasionados por errores en las lecturas de los


instrumentos, estos pueden ocurrir por fatiga del observador, descuido.
Estos errores son fáciles de identificar, porque se salen del rango de las
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mediciones que se efectuaron, y se pueden corregir repitiendo de nuevo


la medición, o eliminando la lectura si se tienen suficientes.

3. ERRORES ACCIDENTALES O ALEATORIOS: son los errores que quedan


después de haber eliminado los errores sistemáticos y asegurarnos que
no hay errores groseros. Son ocasionados por factores que quedan
fuera del alcance del observador, obedecen a las leyes de la
probabilidad. Estos errores están presentes en todas las mediciones
topográficas. Las magnitudes y los signos algebraicos de los errores
aleatorios son consecuencia del azar, por lo que no existe manera de
calcularlos ni de eliminarlos, pero pueden estimarse y minimizarse
utilizando el método de los Mínimos Cuadrados.

2.6.3. Discrepancia, Precisión y Exactitud

1. DISCREPANCIA: es la diferencia entre dos valores medidos de la misma


magnitud. Una discrepancia pequeña indica que probablemente no hay
equivocaciones y que los errores aleatorios son pequeños.

2. PRECISIÓN: es el grado de perfección con que se realiza una operación


o se establece un resultado. Establece el grado de probabilidad de
repetición entre medidas de una misma cantidad. Si se hacen múltiples
mediciones de la misma magnitud, surgen discrepancias, si estas son
pequeñas reflejan un alto grado de precisión. El grado de precisión
depende de la sensibilidad del equipo, la técnica utilizada y la habilidad
del operador. La precisión también se define como la relación entre el
error la medida y la cantidad medida, y se reduce a una fracción cuyo
numerador es la unidad

P= /D

3. EXACTITUD: denota una absoluta aproximación a los verdaderos


valores de las cantidades medidas. La precisión también se define
como la relación entre el error de la magnitud medida y la cantidad
medida, y se reduce a una fracción cuyo numerador es la unidad

E= m/D

Ni preciso ni exacto Preciso y no exacto Preciso y exacto


Sistemas de Medidas y Ajuste de Medidas 32

2.6.4. Probabilidad

DEFINICIÓN PROBABILIDAD: se puede definir como la razón del número de


veces que un resultado debe ocurrir en el número total de
posibilidades.

Leyes Generales de la Probabilidad

Los residuos (errores) pequeños ocurren con mayor frecuencia que los
grandes; es decir su probabilidad de ocurrencia es mayor.

Los errores grandes ocurren con poca frecuencia y son, por tanto,
menos probables; los excepcionalmente errores grandes suelen ser
equivocaciones.

Los positivos y negativos de la misma magnitud ocurren con igual


frecuencia, es decir, son igualmente probables.

2.7. AJUSTE DE MEDICIONES

Para el ajuste de los errores accidentales se utilizan las herramientas de la


estadística, los Mínimos Cuadrados.

Si se efectúa un número grande de mediciones, todas con igual precisión se


obtendrá un intervalo de resultados. El resultado verdadero no se conoce así como
tampoco el error verdadero, para ello se ha definido:

2.7.1. Valor Probable

En las mediciones físicas nunca se conoce el valor verdadero de una


cantidad. Sin embargo su valor probable puede calcularse si se realizan
mediciones redundantes, es decir si realice un número mayor de medidas a
las mínimas requeridas para determinar la magnitud. El valor más probable
en este caso es la media aritmética de las mediciones realizadas.

Valor probable X= li li = mediciones efectuadas


n n = número de mediciones
Residuo V = li - X

2.7.2. ERROR DE UNA MEDICIÓN

=± Vi2
n-1
Sistemas de Medidas y Ajuste de Medidas 33

2.7.3. ERROR DE LA MEDIA

También llamado Desviación Estándar es el error del valor probable.

2
m =± =± Vi
n n x ( n-1)

2.7.4. PROPAGACIÓN DE LOS ERRORES MEDIOS

A. Error de la suma: es el error para una medición producto de la suma


de diferentes magnitudes, medidas con diferentes exactitudes.

2 2 2 2
s =± 1 + 2 + 3 +… n

B. Error de una serie: ocurre cuando todas las magnitudes observadas


son similares y han sido medidas con un error aproximadamente a la
misma magnitud.

serie = ± ix n
Sistemas de Medidas y Ajuste de Medidas 34

2.8. EJEMPLOS

1. Transformar el ángulo 265º 29‟ 32” sexagesimal, a los sistemas centesimal y


analítico.

Transformar al sistema sexadesimal

265 + 29 x 60 + 32 = 265,49222 Grados Sexadesimales


3600

G
Transformar al sistema centesimal = 400 x º
360

265,49222 x 400 = 294,99136 Grad Centesimales


360

A
Transformar al sistema analítico = 2 x º
360

265,49222 x 2 = 4,633713 Radianes


360

2. Transformar el ángulo 306,30247 centesimal, a los sistemas sexagesimal y


analítico.

0 G
Transformar al sistema sexagesimal = 360 x
400

306,30247 x 360 = 275,67222 Grados Sexadesimales


400

Transformar al sistema sexagesimal. La parte entera define los grados: 275º

0,67222 x 60 = 40,33338 la parte entera son los minutos: 40‟

0,33338 x 60 = 20,003 la parte entera son los segundos: 20”

0
= 275º 40‟ 20”

A G
Transformar al sistema analítico =2 x
400

306,30247 x 2 = 4,81139 Radianes


400
Sistemas de Medidas y Ajuste de Medidas 35

3. Transformar el ángulo 5,58966 analítico, a los sistemas sexagesimal y


centesimal.
A
Transformar al sistema sexagesimal º = 360 x
2

5,58966 x 360 = 320,26393 Grados Sexadesimales


2

Transformar al sistema sexagesimal. La parte entera define los grados: 320º

0, 26393 x 60 = 15,83561 la parte entera son los minutos: 15‟

0, 83561x 60 = 50,137 la parte entera son los segundos: 50”


0
= 320º 15‟ 50”
G A
Transformar al sistema centesimal = 360 x
2

5,58966 x 400 = 355,84881 Grados centesimales


2

4. Un ángulo se midió 5 veces calcular el valor probable y los errores medios.


Determinar el número de mediciones necesarias para que el error medio sea
menor a 2”, en caso que m sea mayor a 2”.

Med º ‘ “ Vi Vi2
1 126 40 46 1 1
2 126 40 40 -5 25
3 126 40 52 -7 49
4 126 40 36 -9 81
5 126 40 51 6 36
X 126 40 45 0 192

2
=± Vi =± 192 = ± 6,9”
n-1 5-1

m =± m =± 6,9” = ± 3,1”
n 5
Sistemas de Medidas y Ajuste de Medidas 36

El error estándar fue mayor al exigido, el número de mediciones para lograr la


exactitud exigida será:

n= n = 6,9” = 12 mediciones
m 2”

5. Una distancia fue medida 5 veces. Calcular el valor probable y los errores
medios.

Med metros Vi Vi2


1 1.470,51 0,01 0,0001
2 1.470,43 -0,07 0,0049
3 1.470,61 0,11 0,0121
4 1.470,40 -0,10 0,0100
5 1.470,55 0,05 0,0025
X 1.470,50 0,00 0,0296

2
=± Vi =± 0,0296 = ± 0,09 m
n-1 5-1

m =± m =± 0,09 = ± 0,04 m
n 5

6. Con una cinta métrica de 50 m, que mide en realidad 50,010 m, se midió una
distancia dos veces con los siguientes resultados. 286,586m y 286,579 m.
Calcular la precisión y la exactitud de la distancia.

Dist. Promedio = 286,586 + 286,570 = 286,578 m


2

Discrepancia = 286,586 - 286,570 = 0,016m

Precisión = 0,016 ÷ 286,578 = 1/17.911

Nº de cintadas = 286,578 ÷ 50,000 = 5,7

Error de cinta = 5,7 ÷ 0,010 = 1/0,057

Exactitud = 0,057 ÷ 286,578 = 1/5.000


Sistemas de Medidas y Ajuste de Medidas 37

7. Empleando una cinta de 50 m, se puede medir cualquier distancia con un error


de 0,008m. Calcular el error al medir una distancia de 600,00 m.

Nº de tramos = 600,00 m ÷ 50,00 m = 12,00 tramos

serie = x n = 0,012 x 12,00 = 0,042 m

8. Se midió una distancia en 3 tramos, cada uno con su error. Determinar la longitud
total medida y el error de la distancia.

D1: 580,450 m 0,120 m


D2: 346,300 m 0,180 m
D3: 410,700 m 0,160 m
DT: 1.337,450 m

2 2 2
serie = 0,120 + 0,180 + 0,160 = 0,269 m

Longitud Total = 1.337,450 0,269 m

9. Cuantas veces debe medirse una serie angular, con un teodolito de 10” para
que el error de la media sea menor a ± 6”

n= n = 10” = 3 mediciones
m 6”

10. Con un teodolito se puede medir cualquier ángulo con una precisión de 6”.
Determinar el error medio de un ángulo medido 8 veces.

m = m = 6” = 3”
n 8

11. Se va a medir una distancia 3 veces, con un distanciómetro que tiene una
precisión de 0,004 m. Cuál será el error medio de la distancia.

m = m = 0,004” = 0,002 m
n 3
Sistemas de Medidas y Ajuste de Medidas 38

12. Cual debe ser el error de cada medida, para que el error medio de un ángulo
medido 4 veces no sea mayor de 8”

= mx n = 8” x 4 = 16”

13. Si una distancia se debe medir 8 veces, para que el error total no sea mayor a
0,008 m. Cual debe ser el error de cada medida.

= mx n = 0,008” x 8 = 0,023 m
Sistemas de Medidas y Ajuste de Medidas 39

2.9. EJERCICIOS

1. Un ángulo se midió 6 veces. Calcular el Valor más Probable y los Errores Medios.

MED º „ “ Vi Vi2
1 245 36 28
2 245 36 38
3 245 36 42
4 245 36 20
5 245 36 30
6 245 36 22
PROM.

2. Una distancia se midió 5 veces. Calcular el Valor más Probable y los Errores Medios.

MED DISTANCIAS Vi Vi2


1 1.240,40

2 1.240,48

3 1.240,52

4 1.240,30

5 1.240,28

6 1.240,54

PROM.

3. Con una cinta de acero de 50 m, que tiene en realidad 50,015 m, se midió una distancia
dos veces con los siguientes resultados: 326,482 m y 326,478 m. Calcular la exactitud
y precisión de la distancia.
Sistemas de Medidas y Ajuste de Medidas 40

4. Con una de 50 m, se puede medir cualquier distancia con un error de 0,012 m. calcular
el error al medir una distancia de 580,00 m.

5. Se midió una distancia en tres secciones, cada una con su respectivo error. Calcular la
distancia total medida y el error medio de la distancia.

D1 460,660 m 1 0,165 m
D2 280,750 m 2 0,110 m
D3 332,250 m 3 0,148 m
D.T.

7. Determinar el error de un ángulo medido 6 veces, con un teodolito que tiene una
precisión de 10 segundos.

8. Se necesita medir un ángulo 5 veces. Cual debe ser el error de cada medida para que
el error total no sea mayor de 8 segundos.
Sistemas de Medidas y Ajuste de Medidas 41

9. Un distanciómetro tiene una precisión de 0,006 m. Con él se va ha medir una


distancia 4 veces. Cual será el error total de al distancia.

10. Con una cinta de acero de va ha medir una distancia de 250,00 m. Cual debe ser el
error de cada medida para que el error total no sea mayor de 0,020 m.

11. Para realizar un trabajo una distancia se debe medir 5 veces, para que el error no sea
mayor de 0,008. Cual deber ser el error de cada medida.

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