Restauración de piso

2008/03/01 Lakar Iraizoz, Oihane - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

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• Fisika

El kilogramo es la unidad básica de la masa del sistema internacional de unidades. Se define como la masa del prototipo internacional de kilogramo. Esta definición fue adoptada en 1889 y desde entonces está vigente. El prototipo es un trozo de metal de 90% de platino y 10% de iridio. Situada junto a París, en la Oficina Internacional de Medidas y Pisos: Se conoce como Le Gran K y tiene el tamaño aproximado de un valle. Su masa es, por supuesto, un kilogramo. No puede tener otro valor, ya que por definición es el kilogramo.

Sin embargo, las recientes comparaciones de masas no dicen lo mismo. De hecho, existen varias copias distribuidas por todo el mundo del kilogramo oficial que, a veces, comparan el kilogramo oficial con sus copias. Al medirse por última vez, Le Gran K perdió 50 microgramos por la media de las masas de copias. Es decir, el kilogramo oficial, en lugar de un kilo, pesa 999,99995 gramos.

La definición de Kilogramo de altibajos de masa no tiene mucho sentido, es un problema a resolver. Y no por eso la balanza del tendero de debajo de la casa no mide bien el peso de las manzanas que compramos. El problema es más profundo, ya que las definiciones de ciertas magnitudes físicas y químicas dependen en mayor o menor medida de la masa, como el mol (masa atómica o molecular de una sustancia en gramos) o el newton (unidad de expresión de la fuerza ^expresada en kg.m.s -1).

Varios grupos de científicos llevan años buscando una nueva definición de kilogramo para descartar definitivamente estos errores de medición. Han hecho muchas propuestas, pero sobre todo tienen fuerza dos métodos. De momento, ninguno de ellos ha ganado esta competencia y pasarán unos años para aprobar una nueva definición. La decisión sobre qué definición representará al kilogramo corresponde al Comité Internacional de Medidas y Pesos. Se reúnen periódicamente para debatir sobre las magnitudes definidas y realizar las modificaciones necesarias. Tienen previsto elegir la nueva definición de Kilogramo para el año 2011. En la Asamblea General.

Antes con metro

No es la primera vez que la comisión internacional de medidas y pesos ha tenido que redefinir una magnitud. Al igual que el kilogramo, el metro estuvo definido por un objeto hasta 1983. También era un prototipo en forma de bastón de platino iridio.

Y al igual que el kilogramo, éste tenía problemas de talla. El problema fue resuelto en la Conferencia Internacional de Medidas y Pesos de aquel año. El primer trabajo fue determinar la velocidad de la luz, acordando que la velocidad de la luz era de 299.792.458 metros por segundo. Desde entonces, al tratarse de una magnitud totalmente definida, encontraron una definición que daba al metro un valor inalterable: Distancia de la luz al vacío en 1/299.792.458 segundos.

Eso es lo que quieren hacer con el kilogramo. Las dos propuestas con mayor fuerza requieren una solución similar. Al igual que ocurrió con el metro, tienen que determinar necesariamente unas constantes que no están limitadas. En principio, las constantes tienen que tener un valor concreto, por eso se denominan constantes, pero en ocasiones, al ser unas magnitudes dependientes de otras, en lugar de tener un valor determinado, tienen un rango de valores posible.

Una de las opciones indica que se puede definir el kilogramo especificando el número de Avogadro, y la otra exige limitar la constante de Planck para poder cumplir con este objetivo. El primero se conoce como el proyecto de Avogadro y el segundo como la balanza Watt.

Determinación del número de Avogadro

El número de Avogadro es una constante fundamental de la física. Une el mundo físico macroscópico con el mundo submicroscópico de los átomos. Su definición es la siguiente: Número de átomos que contienen 12 gramos de isótopos de carbono. Este número es ^{aproximadamente} 6,023 x 10 23, átomos que se encuentran en 12 gramos de carbono.

Como se puede apreciar, el número de Avogadro depende del gramo. Esto le hace depender del prototipo variable del kilogramo, es decir, no ser independiente. El hecho de que el kilogramo oficial tenga oscilaciones de 50 microgramos supone aproximadamente un trillón por átomo!

La fijación definitiva del número de avogadro permitiría definir el kilogramo. Para definirlo, los científicos creen que el número de Avogadro debe tener estas tres características. Por un lado, el valor debe ser un entero porque representa un número de átomos. Por otro lado, debe ser un valor dentro del rango de valores actualmente permitido. Y por último, el número de Avogadro seleccionado debería estar asociado a un objeto físico; en definitiva, el número de Avogadro indica el número de átomos de un objeto.

A la hora de decidir qué forma tiene que tener el objeto, hay varias opiniones entre los científicos. Algunos tratan de hacer una esfera de silicio perfecta de un kilogramo y una vez realizada pretenden contar el número de átomos mediante rayos X. Otros proponen que el objeto tenga un cubo geométrico. Así, se trataría de un cubo con un determinado número de átomos en cada lado, cuyo cubo daría el valor del número de Avogadro.

Los partidarios de que el objeto sea un cubo dicen que, al ser una esfera, es mucho más difícil relacionar el número de átomos con el volumen del objeto porque se introduce el número para calcular el volumen, por lo que sería imposible dar un valor muy concreto.

Independientemente del objeto, y teniendo en cuenta que el número de Avogadro es el número de átomos de 12 gramos de los 12 isótopos de carbono, el kilogramo se definiría por este método como: 1.000/12 x Número de Avogadro. Dado que el número de Avogadro es un valor limitado, no habría riesgo de incidencias.

Usar balanza Watt

La otra propuesta de mayor fuerza para la redefinición del kilogramo se basa en la llamada Balanza de Watt. En definitiva, mediante la balanza de Watt determinan la cantidad de corriente eléctrica necesaria para atenuar el peso de una masa de un kilogramo. De hecho, la corriente eléctrica produce fuerza electromagnética, que es la que ejerce una fuerza contra el peso.

La masa de un kilogramo se coloca en el plato de una balanza, rodeada de una bobina de hilo de cobre y una bobina de material superconductor alrededor de esta última. El campo electromagnético necesario para combatir el kilogramo se genera haciendo pasar electricidad a través de las bobinas. Basándonos en ciertas propiedades físicas y midiendo la corriente eléctrica y la tensión que genera el sistema, podemos obtener la relación entre la masa puesta en balanza y la constante de Planck mediante unas operaciones.

Como se ha dicho, la constante de Planck también está indefinida, es decir, no tiene un valor fijo. Al asignar un valor concreto a la constante de Planck obtendrían una definición de masa (en este caso, el kilogramo) que no necesita de un objeto.

En realidad, la utilización de un prototipo de un kilogramo puede parecer una contradicción en la definición del kilogramo, pero en el momento en que se determine la fuerza necesaria para hacer frente al peso de dicho prototipo, el prototipo perdería la importancia que tenía hasta entonces y no habría que utilizar más.

Principal problema, precisión

No está claro cuál de los dos métodos elegirán. En cualquier caso, será determinante la precisión de uno y otro. Lo más preciso a la hora de medirlo será, probablemente, lo que llegue a tener una definición oficial.

De hecho, la falta de precisión que presenta el prototipo actual ha motivado la búsqueda de nuevas vías de definición de kilogramo. Por lo tanto, la magnitud a sustituir deberá ser más precisa que el prototipo. La incertidumbre del prototipo oficial es de 0,05 por millón, y con otros métodos hasta ahora no se ha conseguido tanta precisión. Para su aprobación, el Comité Internacional de Medidas y Pesos ha afirmado que el error no debe superar las 0,02 partes por millón.

Aunque todavía no lo han conseguido, tanto los que apuestan por un método como los que apuestan por el otro están convencidos de que conseguirán aumentar la precisión de las mediciones antes de que sea tarde, y desarrollar un método que pueda presentarse en la reunión internacional de medidas y pesos.

Con la elección de la Comisión, en breve tendremos una nueva definición de kilogramo y el actual prototipo adelgazado quedará como pieza conmemorativa de un museo. No sabemos si cuando definan obligarán a todos los usuarios de las balanzas a calibrar sus aparatos. Seguramente no, y entonces será su decisión adaptar la balanza que tiene entre manos a la nueva definición, o continuar con la calibración realizada durante la vigencia del antiguo prototipo.