Qué es el kilogramo

El kilogramo, o abreviado kilo (símbolo: kg) es la unidad base de masa del Sistema Internacional (SI). El kilogramo es definido como la masa del prototipo internacional del kilogramo que es casi idéntica a la masa de un litro de agua. Es la única unidad base del SI que lleva un prefijo del SI al nombre. También es la única unidad del SI que todavía se define en relación a un artefacto, y no a una constante física fundamental que se pueda reproducir en diferentes laboratorios.

Originalmente, un kilogramo se definió como la masa de un litro de agua pura a la temperatura de 4 grados Celsius y presión atmosférica estándar. Esta definición era poco práctica, ya que la densidad del agua depende de la presión, y las unidades de presión incluyen la masa como unidad base, por lo que se introducía una dependencia circular en la definición.

Para evitar estos problemas, se redefinió el kilogramo tomando como referencia un objeto que tuviera aproximadamente la masa expresada en la definición original. Desde el 1899, el prototipo internacional del kilogramo es un cilindro hecho de un aleación de platino y iridio, de 39 mm de altura y de diámetro, que se guarda en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas.

el kilogramo

También existen copias oficiales, que se comparan con el prototipo cada 10 años. Estas comparaciones han permitido establecer que el error en la reproducibilidad de la definición actual es de aproximadamente 2 microgramos. De hecho, parece que el prototipo original ha perdido unos 50 microgramos en los últimos 100 años, sin que se sepa la causa.

Los problemas de la definición actual hacen que se esté trabajando en la búsqueda de alternativas basadas en alguna constante física.

Masa y peso

El kilogramo es una unidad de masa, una medida que en la vida diaria hacemos corresponder con el peso de las cosas. Sin embargo, la masa es en realidad una propiedad inercial, es decir, la tendencia de un objeto a permanecer a una velocidad constante si no hay ninguna fuerza exterior que actúe para cambiar este estado. De acuerdo con las leyes del movimiento de Isaac Newton del 1687, utilizando la fórmula F =  ma, un objeto con una masa m de un kilogramo se acelerará (a) un metro por segundo cada segundo (alrededor de una décima parte de la aceleración de la gravedad de la Tierra) cuando sobre el objeto actúe una fuerza F de un newton.

Mientras que el peso de la materia depende directamente de la fuerza de gravedad, su masa es invariante. Por tanto, en el caso de los astronautas en un ambiente de microgravedad no necesitan hacer ningún esfuerzo para sostener objetos en las naves espaciales porque no tienen peso. Sin embargo, dado que los objetos en condiciones de microgravedad conservan su masa y su inercia, un astronauta debe ejercer diez veces más fuerza dar la misma aceleración a un objeto de 10 kilogramos que a otro de un kilogramo.

En la Tierra, un columpio puede servir para demostrar la relación entre la fuerza, la masa y la aceleración sin ser influenciado de manera apreciable por el peso (la fuerza hacia abajo). Si somos detrás de un adulto gordo sentado y quieto en un columpio y le damos un empujón fuerte, la persona se aceleraría de forma relativamente lenta y durante el movimiento hacia adelante sólo recorrerá una distancia pequeña antes de empezar a ir hacia atrás. Ejerciendo el mismo esfuerzo cuando se empuja a un niño pequeño produciría una aceleración fuerza mayor.

Historia

El 7 de abril de 1.795, en la Francia revolucionaria se decretó que el gramo era igual al peso absoluto de un volumen de agua igual al cubo de la centésima parte del metro en la temperatura a la que se funde el hielo. Pero dado que el comercio conlleva objetos significativamente más masivos que un gramo y que la masa estándar hecha a partir del agua no parece excesivamente adecuado ni estable, la regulación del comercio necesitaba la concreción de la definición basada en el agua en un patrón más utilizable. Por eso a se hizo un artefacto metálico como masa estándar provisional que era mil veces más masivo que el gramo, el kilogramo.

Al mismo tiempo se creó una comisión de trabajo para determinar de manera precisa la masa de un decímetro cúbico, un litro, de agua. A pesar de que el decreto que definía el kilogramo especificaba el agua a 0 ° C, la temperatura en la que se encuentra en su punto más estable, después de varios años de investigación, el 1799 el químico francés Louis Lefèvre-Gineau y el naturalista italiano Giovanni Fabbroni propusieron la redefinición del estándar en función el punto más estable de la densidad del agua: la temperatura a la que el agua alcanza su máxima densidad, en ese momento, 4 ° C. Determinaron que un decímetro cúbico de agua a su máxima densidad era igual al 99,9265% de la masa del prototipo estándar de kilogramo hecho cuatro años antes.

El mismo año 1799, se construyó un prototipo totalmente de platino con el objetivo de que fuera igual, en la medida en que fuera científicamente posible, a la masa de un decímetro cúbico de agua a 4 ° C. El prototipo fue presentado en el Archivo de la República en junio, y el 10 de diciembre de aquel año era formalmente ratificado y el kilogramo definido como la masa de aquel prototipo. Esta definición sería el estándar durante los siguientes noventa años.

Prototipo Internacional del Kilogramo

El tratado internacional de la Convención del Metro se firmó el 20 de mayo de 1875 y estableció el Sistema Internacional de Unidades, que desde el 1889 define la magnitud del kilogramo como la masa del Prototipo Internacional del Kilogramo. Este prototipo está hecho de un aleación de platino conocido como “Pt-10Ir”, que está formado por un 90% platino y un 10% de iridio (en masa) y tiene una forma de cilindro recto de altura igual al diámetro ( 39,17 mm) para reducir al mínimo su superficie. La adición del 10% de iridio mejora el prototipo totalmente de platino del 1799 del Archivo de la República aumentando considerablemente su dureza al tiempo que conservaba muchas de las virtudes del platino: gran resistencia a la oxidación, una densidad extremadamente alta, una conductividad eléctrica y térmica satisfactorias, y una pequeña susceptibilidad magnética.

qué es el kilogramo

El Prototipo Internacional del Kilogramo y sus seis copias hermanas se almacenan en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM) en una caja fuerte con un medioambiente controlado que se encuentra en el sótano de la sede del BIPM a Breteuil en Sèvres en las afueras de París. Se necesitan tres claves diferentes para abrir la caja fuerte. Otras copias oficiales del prototipo fueron puestas a disposición de otros estados para ser utilizadas como su norma. Estas copias se comparan con el Prototipo oficial aproximadamente cada 50 años.

El Prototipo Internacional es uno de tres cilindros hechos en 1879. En 1883, se constató que su masa era idéntica a la masa del prototipo del Archivo de la República hecho ochenta y cuatro años antes, y fue ratificado oficialmente como el kilogramo en la primera CGPM del 1889.

Medidas modernas hechas con Vienna Standard Mean Ocean Water, que es agua destilada pura con una composición isotópica representativa de la media de los océanos del mundo (pero sin sal), muestran que esta agua tiene una densidad de 0,999975 ± 0,000001 kg / l en el punto de máxima densidad que se alcanza a 3.984 ° C, en una atmósfera estándar a 101324,99968 Pan de presión. Por tanto, un decímetro cúbico de agua en su punto de máxima densidad sería 25 partes por millón menos masivo que el Prototipo Internacional.

La estabilidad del Prototipo Internacional del Kilogramo

Por definición, el error en el valor medido del Prototipo Internacional de masa es exactamente cero; el Prototipo es el kilogramo. Sin embargo, cualquier cambio en la masa del Prototipo con el tiempo se puede deducir mediante la comparación de su masa con la de sus copias oficiales almacenadas en todo el mundo, un proceso que se denomina verificación periódica. Por ejemplo, los EEUU tienen cuatro kilogramos estándares de platino-iridio (Pt-10Ir), dos de los cuales, el K4 y el K20, son parte del lote original de 40 réplicas entregadas en 1884. El prototipo K20 fue designado como el estándar primario de masa para los EEUU. Ambos, así como los de otros estados, retornan periódicamente en la sede del BIPM para su verificación.

Hay que hacer notado que ninguna de las réplicas tiene una masa exactamente igual a la del Prototipo Internacional, sus masas están calibradas y documentadas como valores desplazados respecto al Prototipo Internacional. Por ejemplo, el K20, patrón primario de Estados Unidos, originalmente tenía una masa oficial de 1 kg – 39 microgramos (mg) en 1889, es decir, el K20 tenía 39 mg menos que el Prototipo Internacional. Una verificación realizada en 1948 mostró una masa de 1 kg – 19 mg y la última verificación realizada en 1999 mostró una masa exactamente idéntica a su valor original del 1889. Por otra parte, diferencia de las variaciones transitorias de este tipo, el K4 ha disminuido su masa de manera persistente en relación con el Patrón Internacional.

prototipo internacional del kilogramo

Los prototipos de prueba se usan con mucha más frecuencia que los prototipos primarios y son propensos a los arañazos y de otros tipos de desgaste. El K4 se entregó en 1889, originalmente con una masa oficial de 1 kg – 75 mg, pero fue calibrado oficialmente en 1989 con 1 kg – 106 mg y diez años más tarde tenía 1 kg – 116 mg. En un período de 110 años, el K4 ha perdido 41 mg en relación al Patrón Internacional.

Más allá del desgaste que los prototipos de verificación pueden experimentar, la masa de los prototipos nacionales cuidadosamente almacenados pueden derivar en relación con el Patrón Internacional por diferentes razones, algunas son conocidas y otras no. Dado que el Patrón Internacional y sus réplicas se almacenan al aire (aunque cubiertos por dos o más campanas de cristal superpuestas), la masa puede aumentar mediante la absorción de la contaminación atmosférica por su superficie. Por ello se limpian siguiendo un proceso desarrollado por el BIPM entre 1939 y 1946 conocido como el “método de limpieza BIPM” que comprende un rozamiento suave con unos cuero de gamuza empapado en una solución de éter y etanol a partes iguales, seguido de una limpieza con vapor de agua bidestilada, y permitiendo que los prototipos reposen durante 7-10 días antes de la verificación.

La limpieza de los prototipos saca entre 5 y 60 mg de contaminación, dependiendo en gran medida del tiempo transcurrido desde la última limpieza. Además, una segunda limpieza puede sacar hasta 10 mg más. Después de la limpieza, incluso cuando se almacenan debajo de sus campanas de vidrio, el Patro Internacional y sus réplicas inmediatamente comienzan a incrementar su masa de nuevo. El BIPM incluso ha desarrollado un modelo de este aumento y llegó a la conclusión de que el incremento medio es de unos 1,11 mg por mes durante los primeros 3 meses después de la limpieza y después va disminuyendo a una media de 1 mg por año a partir de entonces.

Importancia del kilogramo

La estabilidad del Prototipo Internacional del Kilogramo es crucial, dado que gran parte del sistema de unidades del SI se basa en el kilogramo. Por ejemplo, el newton se define como la fuerza necesaria para acelerar un kilogramo un metro por segundo al cuadrado (un metro por segundo cada segundo). Si la masa del Prototipo Internacional va cambiando poco a poco, también tiene que cambia el newton en la misma proporción. A su vez, el pascal, la unidad del SI para medir la presión también se define en términos del newton.

Esta cadena de dependencias afecta a muchas otras unidades del SI, está el joule, la unidad de energía, se define como el trabajo que hace una fuerza de un newton cuando el punto donde se aplica se desplaza un metro en la dirección de la fuerza. Y en consecuencia, la siguiente unidad a ser afectada es la de potencia, el vatio, que se define como un joule por segundo. El amperio también se define en relación al newton, y, por tanto, en última instancia respecto del kilogramo.

Otras unidades electromagnéticas afectadas por la definición del kilogramo son el culombio, el voltio, el tesla y el weber. Incluso resultan afectadas las unidades utilizadas en la medición de la luz, la candela se define en función del vatio ya su vez afecta al lumen y el lux.

Debido al hecho de que la magnitud de muchas de las unidades que componen el Sistema Internacional se definen en última instancia basándose en la masa del Prototipo Internacional del Kilogramo del 1879, la calidad de este prototipo debe ser protegida con diligencia para preservar la integridad del sistema de unidades. Sin embargo, pese a la mejor gestión posible, la masa media del conjunto de todos los prototipos del mundo y la masa del Prototipo Internacional habría divergido otros 5 mg desde la tercera verificación periódica hecha en 1989. Los laboratorios de metrología del mundo tendrán que esperar a la cuarta verificación periódica para confirmar si las tendencias históricas persisten.

Afortunadamente, la definición de las unidades del SI son muy diferentes de sus realizaciones prácticas. Por ejemplo, el metro se define como la distancia que viaja la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1 / 299.792.458 segundos. Sin embargo, la realización práctica de un metro típicamente toma la forma de un láser de helio – neón, y la longitud del metro queda representada -no definida- como 1579800,298728 longitudes de onda de este láser . Supongamos ahora se descubre que la medición oficial del segundo se ha desplazado unas pocas partes por mil millones (en realidad es extremadamente estable). No habría ningún efecto automático sobre el metro, porque los científicos que realizan calibraciones del metro simplemente continuarán midiendo el mismo número de longitudes de onda del láser hasta que se llegue a un acuerdo para hacerlo de otro modo.

El mismo también es aplicable a la dependencia del mundo real en el kilogramo: si se encuentra que la masa del Prototipo Internacional ha cambiado un poco, no habrá un efecto automático sobre las otras unidades de medida debido a que sus realizaciones prácticas proporcionan una capa de abstracción aislante. Cualquier discrepancia debería ser reconciliada, porque la virtud del SI es la precisa armonía, matemática y lógica, que hay entre sus unidades. Si definitivamente se demuestra que el valor del Prototipo Internacional del Kilogramo ha cambiado, una solución simple sería redefinir el kilogramo como igual a la masa del Prototipo más un valor de desplazamiento, de manera similar a lo que se hace actualmente con sus réplicas, por ejemplo, “el kilogramo es igual a la masa de la Prototipo Internacional + 42 partes por mil millones” (equivalente a (equivalente a 42 mg)

Pero la solución a largo plazo de este problema, consistirá en liberar el SI de la dependencia del Prototipo Internacional mediante el desarrollo de una realización práctica del kilogramo que se pueda reproducir en diferentes laboratorios siguiendo unas especificaciones escritas. Las unidades de medida de una realización práctica de este tipo deben tener sus magnitudes definidas de manera precisa y expresadas en términos de constantes físicas fundamentales. Mientras que una gran parte del SI se continúe basando en el kilogramo, éste debería basarse en constantes universales de la naturaleza. Hace temples que se trabaja para alcanzar este objetivo y la solución final está cerca, pero ninguna alternativa ha llegado todavía a una incertidumbre de un par de partes por 10 8 (~ 20 mg) necesaria para mejorar el Prototipo Internacional. Sin embargo, en 2007 el National Institute of Standards and Technology (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología) de los Estados Unidos (NIST), hizo la implementación de una balanza de vatio que se acercaba a este objetivo, con una incertidumbre demostrada de 36 mg.

Definición futura del kilogramo

El kilogramo es la única unidad del SI que todavía se define a través de un artefacto. En el pasado el metro también había sido definido como un artefacto (una barra de platino-iridio), pero fue redefinido en términos de constantes fundamentales de la naturaleza (primero basándose en la longitud de onda de la luz emitida por el criptón , y más tarde respecto de la velocidad de la luz), de modo que el metro se puede reproducir en los diferentes laboratorios a partir de una hoja de especificaciones. En la 94ª conferencia del Comité Internacional de Pesos y Medidas de octubre de 2005 se recomendó una nueva definición del kilogramo basándose en una constante física.

En octubre de 2010, el Comité Internacional de Pesos y Medidas (CIPM) votó a favor de presentar una resolución a la consideración de la próxima Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM), para que el kilogramo se defina en términos de la constante de Planck h. Esta propuesta fue aceptada y adoptada como resolución por la 24ª CGPM en octubre de 2.011 y, además, se adelantó la fecha de celebración de la 25ª Conferencia de 2015 en el 2014. Esta nueva definición teóricamente permitiría que cualquier aparato sea capaz de delinear el kilogramo en términos de la constante de Planck, siempre que tenga suficiente precisión, exactitud y estabilidad. Hoy por hoy, hay un tipo genérico de aparato, la balanza de vatio, que se aproxima.

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Uso de cookies

Este sitio web utiliza cookies para que usted tenga la mejor experiencia de usuario. Si continúa navegando está dando su consentimiento para la aceptación de las mencionadas cookies y la aceptación de nuestra política de cookies, pinche el enlace para mayor información.plugin cookies

ACEPTAR
Aviso de cookies