Resumen en este escrito se señala la importancia de la metrología y del Sistema Internacional de Unidades (SI) en la ciencia como base para entender el lenguaje entre las disciplinas.






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fecha de publicación27.12.2015
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Sistema Internacional de Unidades (SI)
Álvarez D. ª, Arévalo K .b, Bernal A .c, Cortes L .d, Suárez C .f, Yepes J .g, Amaya J .h, 1

Departamento de Física, Universidad Nacional, Bogotá, COL

Miércoles, 13 de junio del 2012

ABSTRACT The importance of Metrology and International System of Units was established in science, as a ground to understand the language between the disciplines. As result, main tools were searched which defined each one of the units in order to achieve its goal. So it would be present a brief report about the way of how the definition of each basic unit was developed and their relation within Metrology.

RESUMEN En este escrito se señala la importancia de la metrología y del Sistema Internacional de Unidades (SI) en la ciencia como base para entender el lenguaje entre las disciplinas. Para resaltar dicha relevancia se buscaron las herramientas principales que definieron a cada una de las unidades para cumplir con el objetivo por el cual se construían. Así, se presentará una breve reseña de la forma en que se desarrollo la definición para cada unidad básica y su relación con la metrología.

Palabras Claves: metrología, precisión, unidades básicas,

INTRODUCCION

Desde el origen primitivo de las sociedades el hombre ha llevado a cabo relaciones de intercambio (comercio) con lo que surgió la necesidad de desarrollar un criterio para medir y pesar; esto a su vez produjo que a lo largo de la historia se hallan empleado diversos tipos de sistemas de unidades propuestas por cada cultura según su condición histórica, lo cual dio lugar a diferentes tipos de sistemas que a su vez se veían afectados por el devenir de cada pueblo. Por ello, se generarán grandes conflictos en la realización del intercambio comercial entre los pueblos, motivo por el cual surgió la necesidad de unificar y generalizar un sistema patrón de unidades que simplificara y facilitara este proceso.

Así, el proceso de desarrollo de las unidades fundamentales esta íntimamente ligado con la evolución y avances en la ciencias físicas. El uso del Sistema Internacional de Unidades (SI), ayuda a la comunicación entre científicos y especialistas de múltiples disciplinas, especialmente de las ciencias puras. Por este motivo se desarrollará una breve reseña que vincula su desarrollo desde su origen hasta la estandarización final de estos patrones en la actualidad.

ORIGEN

El origen del SI data de la undécima (XI) Conferencia General de Pesas y Medidas celebrada en París en 1960, la cual tomó la resolución de adoptar el llamado Sistema Práctico de Unidades o Sistema Internacional (SI) el cual distingue y establece, además de las magnitudes básicas y de las magnitudes derivadas, un tercer tipo formado por aquellas que aún no están incluidas en ninguno de los dos anteriores y que son denominadas magnitudes suplementarias. Todo esto se propuso con la intensión de poner fin al caos generado por la dispersión de diferentes sistemas.

Es importante mencionar tres de las ventajas que ofrece el Sistema Internacional de Unidades (SI) frente a otros sistemas de unidades:

  • Facilita las transacciones comerciales internacionales porque es utilizado en la mayor parte del mundo.

  • Es coherente y con respaldo científico.

  • Es de fácil uso.

A continuación se presentan las unidades básicas ya establecidas. De estas se pueden derivar otras que sirven en el fenómeno de la metrología.

Tabla N° 1

Unidades Básicas (SI)

MAGNITUD

NOMBRE

SÍMBOLO

Equivalencia

Longitud

Metro

m

Unidad de longitud

Masa

Kilogramo

kg

Unidad de masa

Tiempo

Segundo

s

Unidad de tiempo

Intensidad de corriente eléctrica

Ampere

A

Unidad de Intensidad de corriente eléctrica

Temperatura termodinámica

Kelvin

K

Unidad de Temperatura termodinámica

Cantidad de sustancia

Mol

mol

Unidad de Cantidad de sustancia

Intensidad luminosa

Candela

cd

Unidad de Intensidad luminosa


Tomadode:http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/unidades/unidades/unidades.htm. Fecha de consulta: 4 de Mayo del 2012

REDEFINICIONES CONCEPTUALES (SI)

El Sistema Métrico Decimal se estableció en Francia y surgió con el fin de resolver dos de las más grandes discrepancias generadas por este: la primera referente a la variación de unidades de una provincia a otra y la segunda, relacionada con las subdivisiones que se le otorgaban a estas medidas, generando conflicto en el cálculo. Por lo anterior creció el afán por crear un sistema simple y único de medidas que tuviera el mismo valor y exactitud en cualquier momento y en cualquier lugar del mundo. A continuación se nombrarán algunos aspectos que hicieron relevantes tanto la definición como al empleo de algunas medidas.

El Sistema Métrico Decimal fue instaurado en 1795 en Francia y en 1849 en España. En éste se definió como base "el metro" como unidad con múltiplos y submúltiplos decimales, del cual también se derivó “el metro cuadrado”, “el metro cúbico”, y el “kilogramo”, que era la masa de un decímetro cúbico de agua.2 Unido a acontecimientos importantes de la época se pudo definir al metro en principio como “la diezmillonésima parte de la longitud de un cuarto del meridiano terrestre. Sabiendo que el radio de la Tierra es 6.37·106 m, 2π·6.37·106/(4·10·106)=1.0006 m”.3

Sin embargo, esto no contribuyó a la solución de los conflictos por la realización de medidas dado que esta primera definición no otorgaba practicidad en el uso diario. Por esto se decidió fabricar la primera barra de platino que representaba la nueva unidad de medida, tanto para el metro como para el kilogramo y que fueron supervisados y custodiados por los Archives de France. Producto de este trabajo surgió la segunda definición de metro en términos de esta pieza de metal, pero rápidamente generó controversia ya que la estabilidad del metal no se garantizaba, debido a la variación de las condiciones que podía tener este (cambio en su estructura).

Para el año de 1960, la XI Conférence Générale des Poids et Mesures abolió la antigua definición de metro sugiriendo que: “El metro es la longitud igual a 1 650 763.73 longitudes de onda en el vacío de la radiación correspondiente a la transición entre los niveles 2p10 y 2d5 del átomo de kriptón 86”.4

Pero esta segunda definición no permaneció por mucho tiempo, ya que se hicieron una serie de investigaciones referentes a la longitud de onda obtenida en ese año (1960) y el nuevo valor para 1972, donde se evidenció que habían existido errores en la determinación de la velocidad de la luz en el vacío, de manera la XVII Conférence Générale des Poids et Mesures del 20 de Octubre de 1983, abolió esta definición de metro y promulgó la siguiente: “El metro es la longitud de trayecto recorrido en el vacío por la luz durante un tiempo de 1/299 792 458 de segundo”.5

Ahora, esta nueva definición trae como pregunta la siguiente: ¿no sería más lógico definir 1/299 792 458 veces la velocidad de la luz como unidad básica de la velocidad y considerar el metro como unidad derivada? Sin embargo, la elección de las magnitudes básicas es una cuestión de conveniencia y de simplicidad en la definición de las magnitudes derivadas.

Otra de las Unidades más importantes que sufrió variaciones en relación a su definición es el kilogramo, puesto que en el año de 1889 se sugirió un modelo cilíndrico de platino (90%) e iridio (10%) de 39 mm de altura, 39 mm de diámetro y densidad 21,5 g/cm3, pero de igual forma que el metro los factores ambientales han hecho que su estructura metálica sufra transiciones en sus medidas, motivo por el cual se están desarrollando nuevos métodos experimentales que permitan definir al kilogramo en función de constantes atómicas. Estos métodos experimentales se han enfocado en la constante de Planck y en la masa atómica.

A partir de los métodos experimentales anteriores se han desarrollado los siguientes proyectos de definición del kilogramo:

1) Según constante de Planck


  • La Bola de Cristal (Proyecto de Avogadro): orientado a definir al kilogramo como la masa de millones de átomos según la relación entre el volumen de la esfera y el volumen del átomo “aproximación de la esfera de silicio”.

  • Acumulación de Oro: referido a la “acumulación de iones”, que intenta definir el kilogramo en función de la masa del ion del isótopo 197 del oro.

2) Según la masa atómica


  • Levitación Magnética: pretende definir el kilogramo en función de la constante de Planck, ya que ésta se puede relacionar con la energía eléctrica y con la energía mecánica (E = m*g*h) a partir de materiales superconductores dentro de un campo magnético (masa superconductora levitante), de manera que se pueda relacionar la masa con la energía eléctrica.

  • Balanza del Watt: este método intenta mover una masa con un campo magnético que se genera a partir de una corriente eléctrica a través de una fuerza, que se ejerce por un anillo conductor sobre un imán.

Sin embargo con la evolución tecnológica y el desarrollo experimental, se dio parte al resto de las unidades básica, a continuación se presentaran de forma muy sintética el proceso de definición para cada una de las unidades.

Mol: el desarrollo de esta unidad va ligado al descubrimiento de las leyes fundamentales de la Química, donde se utilizo “gran – átomo” y “gran molécula”, para especificar cantidades de elementos y compuestos químicos, que se relacionaban con los pesos atómicos” y los “pesos moleculares”; Esto condujo a un acuerdo entre “la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (IUPAP)y la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) consistente en manejar una escala unificada para relacionar el peso atómico del isótopo del carbono con una masa número 12 (12C), llamado correctamente la masa atómica relativa Ar(12C)”. 6

De manera que la cantidad para especificar la cantidad de elementos o compuestos químicos ahora es llamada (cantidad de sustancia).Esta cantidad es definida por ser proporcional al número de entidades elementales específicas en una muestra, siendo la constante de proporcionalidad una constante universal que es la misma para todas las muestras por tanto el mol es definido por medio de la especificación de la masa del carbono 12, que constituye un mol de carbono 12 átomos donde este figura como 0,012 kg”7.

De acuerdo con el desarrollo anterior mol en 1967, fue definida en torno a la cantidad de sustancia, sin dejar a un lado que también determina la constante universal que tiene que ver con la relación entre el numero y la cantidad de sustancia para cualquier muestra (Numero de Avogadro), además de esto es necesario que se especifiquen las formas elementales en las que se pueden encontrar; átomos, moléculas, iones, electrones, entre otros tipos de partículas.

Kelvin: esta unidad termodinámica fue definida en 1848 a partir de la escala de grados Celsius, donde se establecio el punto cero en el cero absoluto (−273,15 °C) con respecto al agua; esto corresponde a una fracción de 1/273,16 partes de la temperatura del punto triple del agua.

Esta unidad se encontró a partir del examen del coeficiente de dilatación de los gases.ya que los gases tienen el mismo coeficiente, a presión y a volumen constante, motivo por el cual el desarrollo de esta unidad na ligado a la definicion de este coeficiente que dice que “ el volumen de un gas debe de ser el volumen de partida, más el volumen de la dilatación por efecto del calor y que este coeficiente debe ser el mismo en una nueva temperatura y la temperatura del cero absoluto”8. Por esto se puede relacionar temperatura y energia en un sistema termodinamico ya que “la energía contenida por las partículas es proporcional a la temperatura absoluta, siendo la constante de proporcionalidad la constante de Boltzmann. Por eso es posible determinar la temperatura de unas partículas con una determinada energía, o calcular la energía de unas partículas a una determinada temperatura”9.

Segundo: Inicialmente fue definida con respecto al día
solar medio que equivale a una fracción de 1/86400. Sin embargo algunas irregularidades en la rotación de la tierra hicieron de esta definición poco satisfactoria. De manera que para redefinir esta unidad con mas precisión la 11 ª CGPM (1960, Resolución 9, CR, 86) adoptó una definición
a partir del año trópico de 1900. Para entonces algunos experimentos previos hechos con un patrón atómico, mostro que la transición entre dos niveles de energía de un átomo, podría ser
más precisa.

De forma que el 13 de
CGPM (1967/68, Resolución 1, CR, 103 y Metrología, 1968, 4, 43)
se sustituyó la anterior definición por: “el segundo es la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación
correspondiente a la transición entre los dos niveles del estado fundamental del átomo de cesio 133.
10

Corriente Eléctrica (Ampere) Esta unidad fue intraducida por el Congreso Eléctrico Internacional en 1893, a partir de definiciones del "amperio internacional" y "ohm internacional", que se utilizarían para cuantificar la corriente eléctrica y la resistencia, por consiguiente en 1946 el CIPM dio lugar al amperio como la unidad de corriente eléctrica, que se definió como “El amperio es la corriente constante que, si se mantiene en dos conductores rectos y paralelos de longitud infinita, y de sección circular despreciable, colocados a una distancia de un metro entre ellos en el vacío, se produciría una fuerza conductora igual a ”.



Intensidad Lumínica (candela) esta definición surgió con base a las llamas o incandescencias del filamento que se utilizaban antes de 1948, luego fueron sustituidos por la "nueva vela"
basado en “la luminiscencia de un radiador de Planck (un cuerpo negro) a la temperatura de congelación del platino”. Esta modificación había sido preparada por la Comisión Internacional de Alumbrado (CIE) y por el CIPM antes de 1937, donde se le asigno el nuevo nombre internacional de candela fue en 1967 en el 13 CGPM (Resolución 5, CR, 104); pero en 1979, debido a las dificultades en la realización de un radiador de Planck a alta
temperaturas, la CGPM 16a (1979, Resolución 3, CR, 100 y
Metrología, 1980, 16, 56)
adoptó una nueva definición de candela:
donde “es la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente
que emite una radiación monocromática de frecuencia
y
que tiene una intensidad radiante en esa dirección de 1/683 wattios por estereorradián”.
11

Relación metrología vs Sistema internacional de unidades (SI)

La relación que existe entre la metrología y el sistema internacional de unidades es que a través de la Metrología podemos saber en qué consiste y cómo se usa un sistema de unidades de medida, la cantidad de masa o volumen de un producto determinado, la distribución de valores de temperatura de diversos hornos de producción, cuáles son los instrumentos apropiados para tal o cual medición y cuál es el procedimiento adecuado para efectuar un tipo de medición determinado.

La importancia de la Metrología radica en que tanto empresarios como consumidores necesitan saber con suficiente exactitud cuál es el contenido exacto de un determinado producto. En este sentido, las empresas deben contar con buenos instrumentos de medición (balanzas, termómetros, reglas, pesas, etc.) para obtener medidas confiables y garantizar los resultados en el proceso de fabricación de un producto.
Conclusiones


  • Ver la importancia de definir las unidades básicas en términos de constantes naturales, como la velocidad de la luz o la constante de Planck, para evitar conflictos y desfases causados por el deterioro de los materiales con los cuales están construidos los patrones como es el caso del kilogramo, y así tener un patrón que va a ser igual aquí en Colombia o en cualquier lugar del mundo, incluso podemos decir que en cualquier parte del sistema solar.

  • La calidad de los productos que ofrece una empresa cualquier depende principalmente de las mediciones confiables y de la certeza de que estos productos reflejan. Esta confiabilidad es suministrada por equipos de medición. He aquí la importancia de la metrología, garantizar esta confiabilidad.

  • Es necesario haber implementado patrones universales de medición que aseguren y garanticen la exactitud y precisión, de manera que favorezca la comunicación (medidas) a nivel mundial en las industrias.

  • Hacer un manejo óptimo de la metrología a partir de su importancia para el desarrollo de la tecnología y sus medios, de manera que haya satisfacción del cliente, y la confianza de los instrumentos calibrados.

Bibliografía

  • Mulero A., Suero M A., Vielba A., “El sistema Internacional de unidades” Revista Española de Física, Vol. 16, n° 5, 2002, págs. 41-45.

  • Giacomo P., “The new definition of the meter “Am. J. Phys. 52 (7) 1984, págs. 607-613.

  • Tomado de http://physics.nist.gov/cuu/Units/mole.html,, Fecha de consulta: 4 de Mayo del 2012.

  • Tomado de http://physics.nist.gov/Pubs/SP330/sp330.pdf Fecha de consulta: 4 de Mayo del 2012.



1 Estudiantes de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de Colombia. Trabajo presentado al profesor Jaime Villalobos para la asignatura Electricidad y Magnetismo


2 Mulero A., Suero M A., Vielba A., “El sistema Internacional de unidades” Revista Española de Física, Vol 16, n° 5, 2002, págs. 41-45.

3 Ídem.

4 Giacomo P., “The new definition of the meter”Am. J. Phys. 52 (7) 1984, págs. 607-613.

5 Ídem.

6 Tomado de http://physics.nist.gov/cuu/Units/mole.html,, Fecha de consulta: 4 de Mayo del 2012

7 Ídem.

8 Tomado de http://physics.nist.gov/Pubs/SP330/sp330.pdf Fecha de consulta: 4 de Mayo del 2012

9 Ídem.

10 ídem

11 ídem

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