"Dando un sentido a la Metrología"
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MASA

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 conocimientos científicos, 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

La unidad base de temperatura termodinámica es el kelvin (símbolo K) que se define como la fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.

Internacional del kilogramo
Patrones

El prototipo internacional es un cilindro de treinta y nueve milímetros de altura y treinta y nueve milímetros de diámetro, hecho de una aleación con noventa por ciento de platino y diez por ciento de iridio. Tiene una densidad aproximada de veintiún gramos y medio por centímetro cúbico. Se considera como el único patrón primario de masa. El prototipo original– kilogramme des Archives, fabricado en la misma época que el mètre des Archives, se considera patrón histórico.

En 1889, de una misma colada, se prepararon: el kilogramo internacional, cuatro testigos y patrones nacionales (originalmente 40 de ellos para llenar las necesidades de los países signatarios de la Convención del Metro). Estos, y los fabricados subsecuentemente por el BIPM, son a veces conocidos como “kilogramo Nox”, donde “x” es el número de identificación de uno de esos patrones.

Debido a que la definición y construcción de la unidad se basan en un artefacto, la unidad nunca podrá ser transferida con mayor exactitud que la que permita la comparación de masas con el prototipo internacional de masa. Considerando las limitaciones de las comparaciones, se ha estructurado una jerarquía de patrones, con las siguientes características obligadas, que se expone a continuación:

-PROTOTIPO INTERNACIONAL DEL KILOGRAMO

  Material: Platino-Iridio; Densidad: 21,5 g cm-3

-PATRONES DE REFERENCIA DEL BIPM

  Material: Platino-Iridio.

-PROTOTIPOS NACIONALES

  Material: Platino-Iridio.

-PATRONES PRIMARIOS NACIONALES

Material: Acero (Latón)

  Densidad: 8,0 g cm-3 (8,4 g cm-3)

-PATRONES SECUNDARIOS NACIONALES

  Material: Acero (Latón)

-PATRONES DE REFERENCIA

-PATRONES DE TRABAJO

 Exactitud

El patrón actual del kilogramo permite medir la masa con una exactitud de 1 en 108.

La finalidad de disponer de patrones es medir con exactitud la masa de los cuerpos; por ello es necesario disponer de múltiplos y submúltiplos del kilogramo con los cuales se puedan determinar exactamente las masas deseadas.

Los conjuntos de múltiplos y submúltiplos del kilogramo también deben ser representados como patrones conectados con uno o más kilogramo patrón. Para considerar los múltiplos y submúltiplos en función de su variabilidad, se agrupan en décadas que contengan por lo menos 4 patrones; la representación más usual es 1 2 2 5, así la masa de un kilogramo m1kg puede ser representada por: 

                                           

                              m100 + m200 + m200 + m500

Donde:

 

                             m100 = masa del patrón de 100 gramos.

                             m200 = masa del patrón de 200 gramos (NO 1).

                             m200 = masa del patrón de 200 gramos (NO 2).

                             m500 = masa del patrón de 500 gramos.

 

Es claro que una balanza analítica de laboratorio no requiere del mismo grado de exactitud que una balanza controladora de vehículos de carga. La exactitud de los patrones de masa puede definirse conforme a las categorías Ei, Fi, Mi con valores que van usualmente de un miligramo a 50 kilogramos. A las masas con alta exactitud les corresponde la categoría Ei, a las masas de exactitud fina les corresponde la categoría Fi y a las de exactitud media les corresponde la categoría Mi.

.Al estudiar la exactitud de m1kg la primera composición para estimar la variabilidad es la siguiente:

                              m1kg – (m100 + m200 + m200 +m500) = x

 

donde m1kg es el patrón de la masa de un kilogramo y el valor de x podría pertenecer a cualquiera de las categorías E, F o M.

En la recomendación OIML R111 (41) pueden encontrarse los diferentes límites de tolerancia para la exactitud de distintas masas patrón en las categorías Ei, Fi y Mi. La calidad de la medición está caracterizada por la incertidumbre de la misma.

 

Equipos de medición

La balanza es el instrumento más antiguamente conocido que se utiliza para medir la masa. Mientras no se cambie la definición del kilogramo sólo podemos comparar masa y no podremos medirla en forma directa. La técnica contemporánea permite la construcción de innumerables tipos y capacidades del artefacto, adecuados para los usos específicos que se desee, ya sea en laboratorios, industrias, comercios, agencias estatales, etc. Los requerimientos básicos de las balanzas son que sean estables, exactas, sensibles y que puedan ser calibradas.

En metrología de masa de alta exactitud, se determina la masa en balanzas llamadas comparadoras. La balanza comparadora para un patrón nacional debe ser de intervalo limitado y con buena sensibilidad (por ejemplo, de un microgramo). Antes se hablaba de balanzas simples, de brazos iguales o desiguales, con o sin peso deslizante, las de combinación incluyendo las básculas, las romanas y las automáticas con múltiples posiciones de equilibrio; actualmente se emplean también celdas de carga que envían señales eléctricas para determinar el peso. En vista de todas las posibles combinaciones que se dan, la tendencia actual es a hablar de instrumentos para pesar sin entrar en distinciones entre, por ejemplo, balanzas y básculas.


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