De péndulos y balanzas (y IV)
(Viene de Parte III)
La Física ha expulsado
al último monarca de Versalles
de su trono de platino.
El último y más reciente episodio nos hace regresar a las
dudas del rey Hierón sobre su corona. La última tiara de la Física, construida
en aleación preciosa, comenzó a mermar su peso de manera preocupante. El patrón
que define el kilogramo como unidad de masa ha sido, desde 1889, un cilindro
macizo fabricado en platino e iridio de 39 milímetros de altura. Está
custodiado bajo tres campanas de cristal y bajo las tres llaves de la caja
fuerte del Pavillon de Breteuil, una antigua propiedad de María Antonieta donde
se encuentra la sede de la Oficina Internacional de Pesas y Medidas en París. A
la vez que el patrón internacional, se elaboraron otros cuarenta prototipos
similares para ser distribuidos como patrones nacionales entre diversos
estados.
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| El prototipo internacional del kilogramo, custodiado en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas fue el estándar de masa hasta el 20 de mayo de 2019, fecha en que entró en vigor la nueva definición del kilogramo. |
En 1946 se decidió, por primera vez desde la creación de
los prototipos, compararlos con el original para comprobar la estabilidad de su
masa. A pesar de que todos los modelos se habían conservado bajo estrictas
condiciones ambientales, había diferencias apreciables entre el original y los
prototipos, y cuando se realizó la comparación en 1989, exactamente 100 años
después de su construcción, Le Grand K
(como se designa al cilindro de París) había perdido 50 microgramos de masa en
relación a sus copias.
Aún es motivo de debate la causa de esa pérdida de peso,
pero la evidencia no dejaba lugar a dudas. El kilogramo era la única de las
unidades de medida que no estaba definida mediante constantes fundamentales de
la Física, como la velocidad de la luz, la constante de gravitación universal o
el número de Avogadro, sino a través de un objeto material susceptible de
sufrir alteraciones. Era el momento de replantearlo y la balanza hidrostática de
Galileo se convirtió en una magnífica inspiración.
En la balanza hidrostática, el primer paso corresponde al
de una balanza normal. Un objeto a determinar en un platillo y pesas para
equilibrar en el otro. La diferencia reside en el segundo paso, en el cual el
objeto que cuelga del primer platillo se sumerge en líquido. La inmersión
provoca que la balanza se desequilibre porque aparece una nueva fuerza: el
empuje ascendente que experimenta la masa sumergida, por lo que hay que retirar
pesas del otro platillo hasta equilibrarla de nuevo. La diferencia entre las
pesas empleadas en ambos pasos permite conocer la densidad del líquido dada la
del objeto o viceversa. Con cierta analogía, la determinación precisa del
kilogramo se lleva a cabo en una balanza de Kibble, donde la inmersión tiene
lugar en otro tipo de fluido.
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| Balanza de Kibble |
En la primera fase de la pesada, la masa colocada en un
platillo debe compensarse mediante una bobina que se sumerge en un campo
magnético. Para ello, se hace pasar una corriente por la bobina que genera su
propio campo magnético y que interacciona con el anterior, como dos imanes que
se repelen hasta encontrar una distancia de equilibrio. Pero es en la segunda
fase cuando se alcanza el ajuste fino desplazando la bobina dentro del campo
magnético, como al sumergir una bolsa de té en el agua caliente. Como explica
la ley de Faraday, si una bobina se mueve en el seno de un campo magnético,
surge en el interior de esta un voltaje que puede medirse en sus extremos. La
velocidad a la que se mueve la bobina y este voltaje son las dos últimos datos
requeridos para calcular el valor de la masa con una exactitud sin precedentes.
La bilancetta del siglo XXI ha
destronado a la última joya métrica.
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