Con el nuevo patrón para establecer el peso, así se medirá el “kilo electrónico” desde 2019

Se viene un cambio radical: el kilo, única unidad base de medida que no se define en función de constantes físicas, dejará su lugar a un “kilogramo electrónico”. No nos cambiará la vida a los mortales comunes, pero tendrá gran impacto al más alto nivel de exactitud en ciencia y tecnología. La redefinición será oficializada en noviembre por la Conferencia General Sobre Pesos y Medidas.

“Se lo anunció el año pasado con el título ‘En 2019 un kilo ya no pesará un kilo’. Tiene gancho, pero induce a error: el kilo seguirá siendo el kilo. Lo que cambiará será la forma de materializar el patrón que define el kilo” explica Horacio Brizuela, docente e investigador del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas de la UNT. Para eso se utilizará lo que se conoce como “balanza de Watt”, que combina energía mecánica con energía electromagnética.

¿Por qué el cambio?

Lo que sufre el “kilo original” puede compararse (en escala muy diferente, claro) con el de frutillas que en temporada alta se vende en la calle: se encogen y pesan menos que lo que nos prometieron. El “encogimiento” del original no se debe a manipulación de balanzas ni a precariedad económica, sino al desgaste: es un cilindro de platino e iridio, conocido como Le Grand K. Está encerrado en una cámara de seguridad de París desde hace 129 años, pero su manipulación le ha modificado el peso.

En su momento fue un gran adelanto (Ver: “Un poco de historia”): permitió unificar las medidas. Pero el hecho de que fuera un objeto físico degradable, por un lado, y que dificultara medir distancias superdiminutas, como centésimos de milímetro, hizo que se decidiera redefinir los patrones. “Ya se había demostrado que en la naturaleza, especialmente en el mundo microscópico, hay constantes naturales, que mantienen su valor independientemente del tiempo y de otras circunstancias: la velocidad de la luz, la carga del electrón, las longitudes de onda de la radiación que emiten los átomos de cada elemento -cuenta Brizuela-, y resultó natural que se pensara en esas constantes para definir las unidades de medición”.

La balanza de Watt

Llamamos “pesar” al acto de medir con una balanza, y solemos decir que algo “pesa” tantos kilos. “Rigurosamente hablando eso es incorrecto: la masa es la cantidad de materia de un cuerpo y el peso es la fuerza que genera la acción de la gravedad sobre un cuerpo. Cuanta más masa tenga un cuerpo, más será atraído por la Tierra y mayor será su peso. Por eso nos resultan equivalentes. Pero si llevamos un cuerpo a la Luna, cuya gravedad es menor, su peso cambiará aunque su masa será la misma”, explica Brizuela. La masa, pues, es una de las claves.

Lo que hace la balanza de Watt es determinar la masa como la corriente eléctrica necesaria para soportar un peso: el “kilo electrónico” se definirá en términos de corriente y voltaje.

El electromagnetismo

Las pacientes explicaciones de Brizuela ayudan a ir desentrañando cómo funciona este proceso, y la historia de la ciencia -destaca- es clave par entenderlo, así que ahí vamos. El físico danés Hans Christian Oersted descubrió en 1820 que una corriente eléctrica que circula por un cable crea un campo magnético. Y en 1831 el físico inglés Michael Faraday descubrió que al variar el campo magnético dentro de una bobina de cable, en los extremos de esta aparece un voltaje llamado tensión inducida.

“Supongamos que a la típica balanza de dos platillos le sacamos uno y colocamos una bobina de alambre de cobre (de longitud conocida) y debajo un imán fijo que crea un campo magnético conocido. Cuando no hay nada en el platillo y no circula corriente por la bobina, la balanza está equilibrada”, explica Brizuela. Si colocamos un cuerpo de masa desconocida en el platillo -continúa-, la balanza se inclina hacia ese lado. Si para recuperar el equilibrio hacemos circular por la bobina corriente -que se puede medir con exactitud-, la atracción entre el imán fijo y la bobina hará que esta se mueva hacia él y lleve la balanza hacia el equilibrio. Retengamos el valor de la corriente que hizo falta para equilibrar la balanza, porque hay problemas para solucionar.

“Lamentablemente, el campo magnético del imán y la longitud del alambre no pueden medirse con suficiente exactitud -explica-, pero no todo está perdido”.

Volvamos a Faraday y a la tensión inducida: el campo magnético dentro de una bobina se puede variar acercando y alejando un imán a la bobina o haciendo girar un imán dentro de ella. Y aquí aparece la solución: “sin corriente por la bobina, hacemos mover la balanza a una velocidad que se puede medir con mucha exactitud, y acercamos la bobina al imán. El campo magnético dentro de la bobina aumenta y se crea una tensión inducida que podemos medir con exactitud con un voltímetro. Este voltaje se puede expresar como función de la velocidad, el campo magnético y la longitud del cable de la bobina”, describe. Combinando ambas relaciones y con una sencilla técnica matemática que permite eliminar magnitudes que se repiten (el campo magnético y la longitud del cable de la bobina, las que no se pueden medir con precisión) se obtiene una relación que permite expresar la masa en función de una corriente, una tensión, una velocidad y la aceleración de la gravedad.

“¡Esta vez lo logramos! -celebra después de esta prueba imaginaria-. Podemos prescindir del objeto físico ‘kilogramo patrón’, y representarlo por medio de magnitudes físicas fáciles de crear y susceptibles de medirse con gran precisión”. “Y podemos entender ahora el nombre de Balanza de Watt -añade, antes de cerrar-: no se debe al escocés James Watt, creador de la máquina de vapor, sino a que el producto de una tensión por una corriente es igual a potencia eléctrica, cuya unidad de medida en el sistema métrico es el watt. El inventor y diseñador de esta balanza fue el físico británico Bryan Peter Kibble. Actualmente, y con justicia, se tiende a llamar, Balanza de Kibble este dispositivo”.

> Un poco de Historia
Unificar los sistemas de medidas fue un paso clave para la civilización
Que se pudiera establecer un patrón en su momento “universal” fue un gran adelanto: permitió unificar las medidas, que eran un verdadero caos. “El desarrollo de la civilización exigió generar métodos para medir. Para el comercio, la guerra, la ganadería, la medicina, la navegación... para todo era necesario medir: distancia, peso, volumen, tiempo -relata el físico Horacio Brizuela-. Cada cultura desarrolló sus unidades; pero, claro, que los chinos tuvieran unas y los venecianos, otras, complicaba las transacciones. De a poco se advirtió la conveniencia de unificar las unidades y establecer sistemas de medidas comunes”.
Pasó bastante tiempo hasta que se estableció el kilo que conocemos (o del que hablamos sin conocer, la mayoría): “en 1889, la Comisión Internacional de Pesos y Medidas -que se aseguraba la uniformidad mundial de las unidades de medida- hizo construir una regla, con una aleación de platino e iridio, muy estable, como unidad de longitud (el metro) y una pesa de la misma aleación, el kilo”, añade Brizuela. Pero era muy engorroso hacer réplicas fieles para que todo el mundo calibrara los instrumentos de uso público, y se descubrió, además, la manipulación alteraba los patrones. Además se había hecho necesario usar submúltiplos cada vez menores, y las marcas de la regla patrón eran muy gruesas a la hora de calibrar centésimos de milímetro... de a poco se decidió  no depender de objetos físicos para definir los patrones.

> Al metro ya le tocó
Usan como patrón la velocidad de la luz
Al kilogramo recién le llegará la “revolución” en mayo del año que viene, o sea que está décadas por detrás del metro. El metro “original” (el de fin del siglo XIX) se definía como la distancia entre dos muescas en una barra de metal, pero desde 1983 está relacionado con la velocidad de la luz. El valor actual de esta fue adoptado en la Conferencia General de Pesos y Medidas, también en 1983, y es de 299.792.458 metros por segundo. Este se considera un valor exacto y con su ayuda se define el metro: es la distancia que recorre la luz en el vacío en una 299.792.458ª parte de un segundo.