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domingo, octubre 17, 2021

La importancia y evolución de un sistema de medida (2): las unidades fundamentales de medida

Por Oracio Barbosa

En la entrega anterior se hizo ver la importancia que guarda tener un sistema internacional de medida.  Esto desde el punto de vista de la compra-venta de algunos bienes que se iniciaron cuando el ser humano se hizo sedentario.  El realizar un comercio sin unidades fundamentales para medir la compra-venta de pieles o de señalar distancias entre pueblos generaba problemas que se ampliaron cuando se inició el comercio marítimo intercontinental a partir del siglo XV. Fue durante el movimiento de la revolución francesa en que se promueve un sistema decimal para el uso de monedas y de medidas para la longitud, la masa y el tiempo.  A partir de ese tiempo se definieron las primeras unidades de medida mediante “patrones” implementando diversas definiciones que se fueron perfeccionando cada vez más con las reuniones periódicas de la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM). 

Sin duda alguna el carecer de un sistema universal de medida complicó la comercialización de las primeras máquinas inventadas durante la llamada revolución industrial. Siendo Inglaterra una de las mayores potencias mundiales mantuvo su sistema de medida que aún persiste en nuestros días.  Sin embargo, para los grandes desarrollos científicos y tecnológicos en nuestros días se recurre al Sistema Internacional de Unidades; hoy en día se cuenta con 7 unidades fundamentales que son empleadas libremente en la fabricación de aviones, automóviles, naves espaciales, teléfonos, sistemas de enfriamiento, … A continuación, proporcionamos esas unidades [el metro, el kilogramo, el segundo, el kelvin (temperatura), el ampere (intensidad de corriente eléctrica), el mol (cantidad de sustancia) y la candela (intensidad luminosa)] que definen el sistema internacional de medida y que están definidas en términos de constantes invariantes de la física. 

El segundo fue la primera unidad fundamental definida en términos de una constante natural, la transición atómica (hiperfina) del cesio 133, esto ocurrió en 1967. Por tanto, el segundo es el tiempo en que ocurren 9 192 631 770 ciclos de la radiación emitida por esa transición del cesio (recordemos que una radiación luminosa es una onda electromagnética la cual tiene asociada una longitud de onda y una frecuencia en ciclos por unidad de tiempo). Con esta definición se pudo definir el metro en términos de la velocidad de la luz (ésta es otra constante de la naturaleza y en el siglo XX se demostró su invariancia) como la distancia recorrida por la luz en el vacío durante 1/c segundos; c es el valor numérico de la luz. 

La definición del kilogramo está dada con base a la constante de Plank, h= 6.626 070 15 x 10-34.  Esta constante es extremadamente pequeña puesto que con ella Max Plank en 1900 definió “paquetes” de energía, generando con ello una nueva teoría en la física denominada mecánica cuántica, y con la cual se pudo explicar la estructura y emisiones luminosas del átomo. Esta constante tiene unidades de kg·m2/s, por lo que conociendo su valor numérico y utilizando las definiciones de metro y segundo (definidas anteriormente) se determina al kilogramo.

La constante de Boltzmann (kB) es una constante física para calcular el equivalente entre la temperatura (medida en grados kelvin, K) y la energía (medida en joules), kB= 1.380 649 x 10-23 con unidades de joules/K. Con ella se define la unidad fundamental de temperatura, el Kevin. La energía medida en joules es kg·m2/s-2; por tanto, con el valor numérico de kB con unidades de joules/K, podemos obtener la definición de la temperatura en grados Kelvin puesto que las definiciones de kilogramo, metro y segundo están ya dadas en términos de constantes físicas.   

La unidad de corriente eléctrica corresponde al ampere ó amperio y se define en términos de la carga eléctrica elemental (con valor de 1.602 176 634×10-19 coulombios)  y multiplicada por el segundo (definido anteriormente).  La carga eléctrica elemental es la del electrón.

Con la unidad fundamental llamada mol se determina la cantidad de “sustancia”, y se define en términos del número de Avogadro.  Por tanto, un mol contiene 6.022 140 76 x 1023 entidades elementales, ésta cantidad es el valor del número de Avogadro y las entidades elementales puede referirse a átomos, moléculas, cargas eléctricas elementales, … y en general cualquier otra partícula específica.  

Finalmente, con la candela se determina la intensidad luminosa en determinada dirección.  En este caso se refiere a una fuente que emite radiación luminosa, monocromática, con frecuencia de 540 x 1012 Hz con una intensidad de 1/683 watts por estéreo-radian; el watt es la unidad derivada de potencia y es la cantidad de trabajo o energía entregada por segundo y el estero-radián es la medida del ángulo sólido. Con estos valores numéricos y las unidades fundamentales definidas anteriormente se tiene la definición de candela; así, por ejemplo, un foco de 40 watts de potencia tiene aproximadamente 40 candelas de intensidad luminosa.  

Estas definiciones fueron posible debido a los avances científicos y tecnológicos y entraron en vigor el pasado 20 de mayo del 2019. Tuvo que transcurrir más de dos siglos para lograr tener estas 7 definiciones de unidades fundamentales de medida con base a invariantes físicas y constantes de la naturaleza.

Columna del CIO
El Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) es uno de los Centros públicos de investigación pertenecientes al Conacyt. Se especializa en óptica y fotónica (estudio de la luz y su interacción con la materia) www.cio.mx

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