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125 aniversario del kilogramo, patrón de masa
El IPK (kilogramo patrón internacional de masa) ha sido el estándar para la masa en los últimos 125 años; fue sancionado en la primera Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) del siete al nueve de septiembre de 1889 en París (Francia). Es probable que sea de los últimos cumpleaños, pues experimentos actuales para redefinir el kilogramo finalizarán en 2018, están relacionados con constantes de masa de origen natural en lugar de un objeto físico.
El IPK está hecho de una aleación de platino (90%) e iridio (10%). Esta mezcla fue elegida porque el platino tiene una alta densidad de modo que el patrón se podría hacer de pequeño volumen y superficie; la adición de iridio mejora la dureza. Tiene una masa fija aproximadamente equivalente a un litro de agua a 4 C, pero su peso varía en función de la gravedad local.
Cuando se fabricó el IPK, también fueron hechas 40 copias de la misma aleación de platino-iridio. Fueron distribuidas para su uso como estándares nacionales para que los científicos no se vieran en la necesidad de volver al IPK (depositado en Sèvres, cerca de París), cada vez que necesitaran una medición precisa de la masa. Estas copias nacionales se comprueban frente al patrón cada 40 años. En la última revisión, en 1989, la desviación máxima era de 50 microgramos. Estos cambios no se tienen plenamente en cuenta y la correspondiente falta de estabilidad de la escala plantea un problema para los científicos. El científico NPL Dr Stuart Davidson comenta que: «Si bien la actual definición del kilogramo es adecuada para el propósito, sabemos que no puede ser perfectamente estable porque todos los artefactos cambiarán su masa con el tiempo, es una preocupación que sabemos que el patrón debe estar cambiando, pero actualmente no hay manera de realmente medir este cambio «.
Dos experimentos están en marcha para redefinir el kilogramo en términos de una constante fundamental. La balanza watt establece el kilogramo con relación a realizaciones cuánticas del voltio y el ohmio, y el experimento Avogadro define un kilogramo en términos de un número fijo de átomos. El concepto de balanza watt fue desarrollado originalmente en el NPL en 1975 por el Dr. Bryan Kibble. NPL trabajó en el desarrollo de la balanza watt hasta 2008, cuando la balanza watt fue trasladado a NRC de Canadá, donde se está produciendo la medición más precisa de la constante de Planck. NPL también lidera un proyecto europeo de investigación para la creación de un vínculo práctico entre los resultados de los nuevos experimentos y la escala masiva de corriente definida por el IPK. Este es un proceso de dos veces, donde la constante de Planck se fijará inicialmente contra la escala actual de masa como se define por el IPK. Después de esto la unidad se realizará por la balanza watt y experimentos Avogadro y la escala de masas tendrán que ser difundidos a partir de estos experimentos que dan cuenta de la unidad en el vacío, a los pesos prácticos en el aire. Esperan completar esta investigación en 2015.
IPK tiene nominalmente incertidumbre cero sobre la escala masiva, se fija frente a ella. Relacionar la escala de forma natural cuando se producen constantes asegurará la estabilidad a largo plazo de la escala, pero, en el corto plazo, aumentará la incertidumbre debido a la incertidumbre en los experimentos de realización. También habrá una incertidumbre adicional de la difusión de la escala de vacío ala aire. Los científicos tienen el objetivo de minimizar estas incertidumbres adicionales a un nivel de alrededor de 3 en 108 que es aproximadamente equivalente a la adición del peso de un grano de arroz al peso total de un coche.
El Dr Stuart Davidson comentó que: «Este aniversario es interesante, ya que muestra cuánto tiempo esta norma para el kilogramo se ha prolongado y por lo tanto lo bueno que fue la elección original de material para el IPK.» El kilogramo es la última unidad metrológica que está vinculada a una cantidad física. A pesar de que el futuro de este patrón es finito, debe estar satisfecho de haber sobrevivido al resto de las unidades del SI.
Fuente: National Physical Laboratory
Sistema Métrico (SI) frente Sistema Anglosajón
Es un fragmento de Wild Thing, de Josh Bazell.
«En el Sistema Métrico, un mililitro de agua ocupa un centímetro cúbico, tiene una masa de un gramo y requiere una caloría para subir su temperatura un grado centígrado -que es el 1% de la diferencia entre sus puntos de fusión y ebullición-. La misma masa de hidrógeno es un mol de átomos.
En el Sistema Anglosajón, la respuesta a ‘¿Cuánta energía es necesaria para llevar a ebullición un galón de agua a temperatura ambiente*?’ es ‘Vete a la mierda’, porque no hay manera de relacionar ninguna de esas cantidades«.
*Aproximadamente 25 C (N. del T.)
Fuente: La ciencia es bella
El vacío proporciona un terreno sólido para la nueva definición del kilogramo
De todas las unidades estándar actualmente en uso en todo el mundo, el kilogramo – la unidad oficial de la masa en el Sistema Internacional de Unidades (SI) – es el único que todavía se basa en un objeto físico para su definición. Sin embargo, la revisión de esta definición obsoleta requerirá mediciones precisas que los investigadores aún no son capaces de hacer, dijo Patrick Abbott, del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Gaithersburg (EE.UU.), Md. Abbott presentará una visión general de los esfuerzos actuales en la tecnología del vacío para redefinir el kilogramo en el 60º AVS International Symposium and Exhibition, que se celebró del 27 de octubre al uno de noviembre de 2013, en Long Beach, California.
Abbott también describirá el desarrollo de su equipo del NIST de un nuevo sistema para permitir una comparación directa de un objeto que está siendo intervenido en el vacío a uno fuera de un vacío. «El nuestro es el único proyecto de su tipo en el mundo», dijo Abbott , «y creemos que será fundamental en la difusión precisa del kilogramo redefinido.»
El kilogramo oficial, llamado el Kilogramo Prototipo Internacional (IPK), se almacena en una oficina en las afueras de París, Francia, y ha servido como el estándar al que kilogramos prototipos de todas las naciones se han comparado en los últimos 125 años. Cada pocas décadas, los prototipos nacionales se realizan, por lo general a mano, a Francia, donde se miden contra el IPK. Sin embargo, las discrepancias entre los prototipos nacionales y el modelo oficial han estado aumentando a un ritmo de 0.050 miligramos (mg) cada 100 años. Y nadie sabe por qué.
«En realidad no es claro si el IPK es cada vez más ligero o los prototipos nacionales son cada vez más pesados», dijo Abbott. La pérdida de masa debida al desgaste es poco probable debido a que el IPK casi nunca se saca de su urna. Para hacer frente a estas discrepancias, una asamblea internacional de metrología – los investigadores que estudian la ciencia de la medición – decidió en 2007 dejar de depender del prototipo y redefinir el kilogramo utilizando algo más fiable: una constante de la naturaleza.
Los metrólogos finalmente eligieron la constante de Planck, que describe la relación entre la energía de un fotón y la frecuencia de la luz que emite. Su valor se ha medido con una incertidumbre relativa de entre 30×10^?9 y 35×10^-9. Sin embargo, para asegurar el acuerdo entre el sistema actual y el kilogramo definido en base a la constante de Planck, los investigadores tendrán que mejorar sus mediciones a una incertidumbre relativa de 20×10^-9.Y para obtener mejores mediciones, tendrán la capacidad de realizar la metrología «estado del arte» en el vacío.
Actualmente, los investigadores utilizan dos tipos de experimento para medir la constante de Planck, y ambos requieren vacío. Un método implica la determinación del número de átomos en una esfera de silicio de alta pureza con una masa nominal de un kilogramo. La otra, llamada la balanza watt, mide la constante de una comparación indirecta o «virtual» de energía mecánica a la energía electromagnética. El uso de vacío asegura que no hay contaminación de partículas en el aire y reduce la incertidumbre en algunas de las mediciones que se llevan a cabo con la interferometría láser.
Los investigadores que utilizan el experimento balanza watt en los institutos nacionales de medición alrededor del mundo están trabajando para encontrar los materiales más adecuados para la medición de la constante de Planck con este método. También se está trabajando para encontrar un nivel de vacío que sea lo suficientemente bueno para obtener resultados sin ser demasiado difícil de construir y mantener. Hasta ahora, los investigadores están en condiciones de tener una nueva definición del kilogramo en 2018, dijo Abbott.
Mientras que muchos equipos de todo el mundo trabajan para mejorar las mediciones de la constante de Planck, el grupo de Abbott está mirando más allá de la redefinición y hacia la realización práctica de estas mediciones.
«Cada vez que se produce la redefinición, se requerirá un método robusto para difundir el kilogramo realizado en el vacío a un mundo que funciona en el aire», dijo Abbott. Su grupo trabaja en la creación de un sistema para cerrar la interfaz de vacío /aire usando una técnica de suspensión magnética. La puesta en marcha permitirá una comparación directa entre la masa de un kilogramo estándar en el vacío y la masa de una muestra en la atmósfera de una habitación normal.
Esto se basa en los materiales proporcionados por Instituto Americano de Física , a través de Newswise.
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