Nueva definición del kilogramo

Por motivos de cambio de los modelos físicos, que se desgastan, de las unidades de medida (kilogramo, metro...), se impone una nueva definición de éstas. Las nueva unidades no se desgastarán ya que se definirán en función de constantes físicas y valores no tangibles.

 Kilogramo patrón.

Desde pequeños hemos escuchado: "El kilogramo es la masa que posee un cilindro de platino e iridio (90/10) que se conserva en la Oficina de Pesas y Medidas de Sèvres (París)". El cilindro tiene 39 milímetros de diámetro y de altura.

Este kilogramo patrón fue fijado en 1889. Existen seis copias repartidas por el mundo.

Parece que esa definición, además de antigua, es  poco precisa. El kilogramo patrón ha ido perdiendo masa con el paso del tiempo.  En los úimos 100 años ha alcanzado
una pérdida de masa de al menos 0,5 μg (0,000005 gramos) por año. Y esto no es algo anecdótico ya que cada país que emplea el Sistema Internacional de Medidas, conserva una copia contrastada, calibrada,  de ese modelo. (*)

Otra definición del kilogramo se hacía en función de la masa de un decímetro cúbico de agua a una determinada temperatura (3,98 ºC, temperatura a la que presenta su máxima densidad). Pero... la definición presenta una pequeño problema: la densidad del agua, depende ligeramente de la presión.

Incluso se pueden considerar influencias mucho menos conocidas: El hecho de medir la masa de un objeto en cualquier lugar implica que sobre ese objeto actúa una fuerza ascendente, según el Teorema de Arquímedes, que hace que el resultado se vea afectado: La masa obtenida al utilizar balanza para una determinada sustancia no coincide exactamente con la verdadera masa obtenida en el vacío, este hecho se halla está directamente relacionado con el efecto boya. El origen de este error radica en que cuando se pesa un objeto que desplaza un volumen determinado de aire, la masa aparente (la que nos indica la balanza) es menor que la masa real en una cantidad que es igual a la masa del aire desplazado por el objeto. 
 
En esas condiciones, por motivo de precisión, se realiza una corrección en el valor obtenido:

 

Masa aparente = masa real – masa aire desplazado.

En la fórmula:

    m= Masa real

    m´= Masa aparente

    da= Densidad del aire = 0,0012 g/mL = d_a 

    dp= Densidad de las pesas = 8 g/mL =  d_p

 

 Es decir, que cometemos errores en cualquier medición. No solo por el anterior motivo. Sabemos que el hecho de medir una propiedad de un objeto, significa interaccionar con él y esa interacción modifica las propiedades del objeto y, por tanto, los resultados de la medición. El aparato de medida altera el objeto a medir.

Para evitar este "adelgazamiento" del kilogramo masa patrón, en noviembre de 2018 se ha celebrado la vigésimosexta Conferencia General de Pesos y Medidas en en Versalles. Los 60 Estados miembros han votado de forma unánime a favor de redefinir el kilogramo: a partir del año que viene, la unidad de masa no será un objeto físico, sino un valor derivado de una constante de la naturaleza. Este cambio no tendrá ninguna implicación en la cesta de la compra ni se notará en el día a día, pero puede ser muy importante en ámbitos científicos como el desarrollo de medicinas.  La nueva definición entrará en vigor el 19 de Mayo de 2019.

¿Cómo se definirá la nueva unidad de masa?

Se ha elegido una "cifra inmóvil":  la constante de Planck, un valor que describe los paquetes de energía emitidos en forma de radiación. La aprobación de esta definición del kilogramo ha tardado años en llegar porque hasta hace poco no existían los medios tecnológicos para llevarla a la práctica. Ahora, gracias a un aparato llamado la balanza de Watt (a veces balanza de Kibble o balanza de potencia), se pueden calibrar patrones del kilo conocido el valor de la constante de Planck.

La constante de Planck, llamada así en honor del físico alemán Max Karl Planck (1858-1947), permite entender la energía de los fotones en función de la longitud de onda de la radiación asociada, según la ecuación:

E_p = hc/λ

Dondo E_p es la energía de un fotón (en julios), h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz en el vacío, y λ es la longitud de onda de la radiación.

Si estás interesado en la constante de Planck, en este enlace puedes encontrar cómo coalcular la en el aula.

Balanza de Watt (Kibble)

La balanza fue propuesta en 1975 por el científico B. P. Kibble, del Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido (NPL).

Este método definiría el kilogramo en términos de corriente y voltaje. Dado que las unidades que definen corriente eléctrica y voltaje están definidas en función de constantes fundamentales (velocidad de la luz y constante de Planck), la unidad de masa quedaría también definida en función de constantes absolutas. Esto supone una ventaja frente a la definición actual de masa, que depende de un objeto patrón susceptible de ser dañado, y cuyas propiedades no son completamente constantes en el tiempo. 

La constante de planck tiene un valor de    h = 6,63 . 10 ^-34 julios por segundo.

La balanza de Watt se basa en el principio de que se puede calcular una masa midiendo la cantidad de electricidad necesaria para contrarrestar su peso.

 

Imagen de bbc.com

La corriente que pasa por el electroimán aumenta hasta que los dos lados de la balanza están perfectamente equilibrados. Esa corriente se puede medir con una precisión del 0,000001%.

Bueno... pero en el supermercado no notarás ningún cambio...

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(*) Siempre es necesario aclarar que masa y peso no son lo mismo. La masa mide la cantidad de materia de un objeto. El peso es la fuerza con que la tierra atrae a esa masa. un objeto de 1 kg de masa en la tierra tiene una masa de 1 kg en la luna, pero su peso en la Tierra es unas 6 veces más grande.