LONGITUD

Los patrones y materiales de referencia serán los elementos tratados en más detalle en las secciones siguientes, de acuerdo con el siguiente modelo: consideraciones sobre qué se mide, definición de la unidad, patrones primarios, exactitud e incertidumbre, equipos de medición.

En relación con la incertidumbre, es de notar que entre los metrólogos existen dos escuelas(7). Una enfoca la incertidumbre como un elemento para denotar la uniformidad del resultado en mediciones repetidas. La otra usa el término para indicar que se miden diferencias entre los resultados. En ambos casos recordemos que la incertidumbre no es sino el intervalo de confianza. Los dos enfoques son válidos según el campo de aplicación, ya sea en laboratorios de trabajo o en laboratorios nacionales. Para los laboratorios nacionales y secundarios, se recomienda trabajar de acuerdo a la guía ISO de 1993, "Guide to the expression of uncertainty in measurement"(44).

En el continente americano, con la creación y los trabajos del Sistema Interamericano de Metrología, SIM, se está buscando lograr la mayor integración y coherencia posible en aspectos de metrología. Las autoridades del SIM llevaron a cabo, en 1999, un ejercicio de planeación estratégica. Uno de los aspectos analizados consistió en determinar las áreas para las acciones a nivel regional y a nivel de laboratorios nacionales de metrología. Estas áreas resultaron ser: longitud, masa, temperatura, tiempo y frecuencia, electricidad y magnetismo, fotometría y radiometría, acústica y vibración, radiación ionizante, química.

LONGITUD

Qué se mide

Intuitivamente todos conocemos lo que es longitud o largo. En la práctica, lo que realmente medimos es la distancia o separación entre dos puntos y considerando que la definición de patrones actualmente se orienta al empleo de constantes universales, es importante estar conscientes de que la longitud implica distancia.

Se estima que un 80% de las mediciones hechas en la industria tienen que ver con desplazamiento y por lo tanto con longitud. En el año de 1800, se consideraba adecuada una exactitud de 0,25 mm para las mediciones de longitud, hoy se habla(13) de intervalos para los requerimientos que van del campo de la nanotecnología hasta el campo de la geofísica.

Definición internacional de la unidad de medida de longitud

Historia

Originalmente, el metro se definió como la diezmillonésima parte de la longitud de un cuadrante del meridiano terrestre e inicialmente se determinó midiendo un arco de meridiano entre Dunkerque en Francia y Barcelona en España, ciudades ambas a nivel del mar; sobre esta base se construyó en 1799 el llamado mètre des Archives, primera materialización del metro. Posteriormente al establecimiento del internacional "Tratado del Metro" en 1875, una copia de este prototipo se constituyó en 1889 como el metro prototipo internacional. Este metro prototipo, una barra de iridio-platino que aún se conserva en Paris, se consideraba estable y preciso, al igual que sus copias, y se utilizó hasta 1960, fecha en la cual fue reemplazado por una definición basada en la longitud de onda de cierta línea espectral naranja de la luz emitida por el isótopo 86 del krypton. En la 17ª Conferencia General de Pesas y Medidas de 1983 se modificó a la definición actual, la cual está relacionada con la velocidad de la luz en el vacío (299 792 458 metros por segundo).

Definición

La unidad de longitud es el metro (símbolo m) que se define como la longitud de la trayectoria recorrida por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299 792 458 de segundo.

Patrones

Para hacer prácticas las mediciones de longitud, se requiere una transferencia de un patrón expresado en términos de la velocidad de la luz hacia un patrón o artefacto físico.

Para medir longitudes del orden del metro se emplean métodos interferométricos. El método consiste en comparar la longitud a ser medida con la longitud de onda l de una radiación luminosa cuya frecuencia f ha sido previamente determinada con gran exactitud. La referencia utilizada es la longitud de onda de la radiación producida por un láser, estabilizado ya sea en frecuencia o en longitud de onda(43).

Por ejemplo(43), con un láser de helio-neón estabilizado con cámara de metano, se miden longitudes de onda de 3 392,231 397 327 nm con incertidumbre relativa de 3 x 10-12 mientras que con un láser de argón estabilizado con cámara de yodo se miden longitudes de onda de 514,673 466 4 nm con una incertidumbre relativa del orden de 2,5 x 10-10.

En la actualidad, existen modelos portátiles de láser estabilizados, los cuales le han permitido al BIPM hacer comparaciones y calibraciones in situ en una región sin requerir que varios laboratorios nacionales de metrología se vean obligados a llevar sus aparatos a Paris para su calibración(19). Con estas calibraciones a base de láser, los países pueden contar con sus patrones nacionales.

De estos patrones nacionales se derivarán de acuerdo a la cadena que ya vimos, los patrones de calibración y los patrones de ensayo y de trabajo tales como cintas métricas, reglas y otros. Asimismo, de éstos se originan todos los artefactos empleados en la vida diaria para medir la longitud

En adición a los métodos basados en fuentes luminosas, también se utilizan bloques patrón de medida. Se trata de bloques metálicos o cerámicos, altamente pulidos, cuyas extremidades tienen un paralelismo de alta calidad, y que se pueden combinar en la cantidad necesaria para obtener la longitud deseada con una exactitud adecuada a los fines, ya sea que se trate de bloques de calibración o de trabajo.

Los bloques patrón calibrados por interferometría pueden constituir la materialización del patrón y de ellos, por comparación mecánica, se derivan patrones secundarios.

Incertidumbres

Como mencionamos anteriormente, en los patrones, utilizando los láser estabilizados se pueden obtener incertidumbres relativas de medición de longitud del orden de 10-9 y 10-12.

Equipos de medición

Longitud, anchura, altura, espesor, diámetro, son todas medidas lineales y se han desarrollado numerosos instrumentos para poder medirlas en forma simple y con la exactitud requerida en cada caso.

Así tenemos, entre otros: reglas (de madera, metal o plástico, rígidas o plegables), cintas métricas (de metal, plástico o tela), calibradores (de alta precisión, para tuercas y tornillos, para engranajes), micrómetros, nonios o verniers, bloques patrón, medidores de ángulos, divisores (también conocidos como compases de puntas o bigoteras), medidores de diámetro interior o exterior, medidores de redondez o de planos, rugosímetros, etc.

Estos instrumentos pueden basarse en métodos mecánicos, neumáticos, ópticos o electrónicos. Según el tipo de instrumento y el uso al que esté destinado, se establecen en cada caso tolerancias de exactitud.

MASA

Qué se mide

La masa de un cuerpo se manifiesta de dos maneras; una es en el cambio de estado de movimiento (inercia) y la otra es en la atracción entre los cuerpos.

Supongamos un túnel al vacío, con un plano que sirva de pista, con la cara superior perfectamente lubricada de forma que, al colocar un objeto sobre esa superficie y al desplazarlo, no exista fricción entre la superficie y el objeto. Entonces, si el objeto está en reposo y lo ponemos en movimiento, el esfuerzo necesario para moverlo sería una manifestación de la masa del objeto.

En el mismo túnel y en las mismas condiciones, si retiramos la pista, el objeto cae atraído por el planeta Tierra y ésta sería la otra manifestación de la masa del objeto.

En ambos casos, tanto la medida del esfuerzo para mover el objeto como la medida de la caída serían la medida de la masa del objeto.

Dicho de otra forma, la masa es la cantidad de materia contenida en un volumen determinado mientras que el peso es el resultado de la atracción de la Tierra sobre esa masa.

Definición internacional de la unidad de masa

Historia

La unidad de masa, el kilogramo, se definió originalmente como la masa de un litro de agua a 4oC. Se modificó esta definición en vista de las dificultades prácticas de obtener agua pura y por el hecho de que la definición involucraba otra magnitud, a saber la temperatura.

Podría argumentarse que el kilogramo es un múltiplo del gramo y que por lo tanto es éste el que debe constituir la unidad. En efecto esto ha sido analizado por los metrólogos pero por razones prácticas se acordó seguir considerando el kilogramo como la unidad de masa.

Como, con los actuales conocimiento cientificos, no se ha podido definir aún la unidad de masa en función de las constantes universales, actualmente se define ésta con base en un artefacto o prototipo, por acuerdo de las 1ª y 3ª Conferencia General de Pesas y Medidas, de 1889 y 1901 respectivamente. Sin embargo, la 21ª Conferencia General de Pesas y Medidas, en octubre de 1999(13), acordó "recomendar que los laboratorios nacionales continúen sus esfuerzos para refinar experimentos que vinculen la unidad de masa a constantes fundamentales o atómicas con miras a una futura redefinición del kilogramo."

Definición

El kilogramo (símbolo kg) es la unidad de masa; es igual a la masa del prototipo internacional del kilogramo.

Patrones

El prototipo internacional es un cilindro de treintinueve milímetros de altura y treintinueve milímetros de diámetro,

...