¿Cuándo dos masas de kilogramos nominalmente idénticas ya no son idénticas? Cuando cada uno va a un lugar diferente y adsorbe diferentes cantidades de humedad y contaminantes.

Explorando este problema, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. (NIST) y el Consejo Nacional de Investigación (Canadá) están colaborando con laboratorios de medición en el norte, América Central y del Sur para comprender mejor cómo las masas de pesos de precisión suben y bajan con el tiempo.

Esperan que los resultados beneficien al comercio internacional, en el que incluso las pequeñas inexactitudes de medición pueden tener un impacto significativo.

Para asegurarse de que una libra de papas en el supermercado realmente pese una libra, la balanza de una tienda debe calibrarse con regularidad. Para este tipo de calibración, los consumidores confían en última instancia en artefactos masivos, piezas de metal cuya masa se ha medido con precisión. Los científicos conocen la masa porque cada artefacto se ha comparado a su vez con otros artefactos en una cadena ininterrumpida de comparaciones que se remonta a la definición fundamental de masa en sí.

Los laboratorios de estándares mantienen un grupo de artefactos masivos para comparaciones como estas, que se utilizan en última instancia para calibrar todo, desde balanzas de comestibles hasta básculas de baño. De vez en cuando, estos laboratorios requieren un artefacto en masa adicional o de reemplazo para su colección.

En los primeros meses de su vida, sin embargo, la masa de un nuevo artefacto puede cambiar significativamente a medida que el metal recién cortado adsorbe moléculas de su entorno.

Existe cierto desacuerdo sobre cuánto tiempo deben esperar los científicos antes de poder estar seguros de que la masa de un nuevo artefacto es estable. Entonces, NIST y NRC Canadá diseñaron el nuevo experimento masivo para ayudar a resolver este problema.

El experimento involucra 60 pesos de un kilogramo nominalmente idénticos, ordenados para ser hechos de una sola barra de acero inoxidable de alta calidad. Aproximadamente la mitad de estas 60 unidades se han distribuido a 29 países dentro del Sistema Interamericano de Metrología (SIM), una red de institutos nacionales de metrología (INM) ubicados en el norte, América del Sur y Central, así como naciones insulares.

Durante un año o más los representantes de SIM de cada país medirán la masa de su artefacto cada pocos meses y enviarán los datos a NIST y NRC Canada. También supervisarán el entorno de cada masa, incluida la temperatura del laboratorio, presión barométrica, humedad y compuestos orgánicos volátiles (COV), una medida de la calidad del aire.

"Todo va a ser un estudio de estabilidad masivo a una escala que nadie ha hecho antes, ", dijo el físico del NIST Patrick Abbott." Debido a que las masas se toman de la misma barra de acero, esperaría que tuvieran la misma respuesta a largo plazo ". Sin embargo, Se espera que las condiciones en los diferentes laboratorios SIM afecten la velocidad a la que cambian las masas, dependiendo de cualidades como la altitud y la cantidad de sal en el aire. Durante los primeros meses de sus vidas, las masas se mantuvieron en los Estados Unidos y Canadá. Ahora, la mitad de ellos se almacenarán en laboratorios cerca del ecuador y en el hemisferio sur.

"Entonces, ¿cómo van a cambiar las masas?" Dijo Abbott. "Una vez que lleguen allí, no necesariamente van a seguir el mismo patrón que en Norteamérica ".

Pelo de gato en pantalones negros

Un nuevo artefacto recién cortado, es como una esponja:recoge moléculas del aire, y esto aumenta su masa ligeramente con el tiempo. Los nuevos artefactos utilizados en este experimento tienen menos de un año y, por lo tanto, en una etapa de aumento de peso relativamente rápido del orden de 7 microgramos (millonésimas de gramo) durante seis meses. Esto puede sonar demasiado pequeño para importar pero incluso los cambios pequeños, especialmente si son impredecibles, pueden generar incertidumbres en las mediciones de laboratorio.

"Estos pesos están cambiando, ", Dijo Abbott." Están recogiendo cosas del aire, algo así como el par de pantalones negros en una casa con un gato blanco ".

En algún momento, ese proceso generalmente se detiene o se ralentiza significativamente. La pregunta es, ¿Cuánto tiempo tiene que esperar un laboratorio antes de poder estar seguro de que su masa ha alcanzado una fase estable? ¿Y cómo cambia ese período según la ubicación del laboratorio y las condiciones ambientales promedio?

Los estudios anteriores han tendido a ser a pequeña escala, realizado en un solo laboratorio. Abbott y sus colegas de NIST y NRC Canadá se preguntaron si un esfuerzo a mayor escala ayudaría a resolver las discrepancias en los resultados anteriores.

"Ahora, muchos de los estudios que se han realizado han sido muy localizados:un laboratorio, una persona, bajo un conjunto de condiciones, ", Dijo Abbott." Pero otra persona en otro laboratorio podría hacer el mismo estudio y decir:'bajo estas condiciones, tenemos algo completamente diferente, '", continuó. quien tiene razon

"Con suerte, este estudio podrá responder la pregunta:si compra una masa para su laboratorio, cuál es una expectativa razonable de cuándo podría realmente ponerlo en servicio, y tener confianza en él? ”, dijo Abbott.

Más que solo en masa

Antes de distribuir los artefactos, NIST y NRC Canadá los caracterizaron completamente midiendo su densidad y su susceptibilidad magnética, una cualidad de cómo se comporta el material cuando se expone a un campo magnético. Cada instituto tomó la mitad de las masas:NRC Canadá tomó los pares, y NIST tomó los impares.

Para medir las densidades de su mitad de los pesos, los científicos canadienses utilizaron una técnica hidrostática que consistía en pesar cada artefacto sucesivamente en fluidos de diferentes densidades conocidas. Mientras tanto, NIST realizó sus pruebas de forma aerostática, utilizando una cámara de presión que podría pesar los artefactos en diferentes densidades de aire.

Aunque se suponía que todas las masas eran nominalmente idénticas, Abbott se sorprendió al descubrir que los primeros 15 pesos que midió tenían una densidad claramente diferente de los segundos 15. Le preocupaba haber cometido un error, hasta que descubrió que su homólogo canadiense había medido la misma discrepancia en sus pesos.

"Resultó que el fabricante usó dos barras de acero diferentes que tenían densidades ligeramente diferentes, "Abbott dijo, "y lo vimos en nuestras medidas".

Cuando intercambiaron datos para ver qué tan cerca se alineaban los números, Abbott dijo:"fue hermoso, simplemente hermoso. Usamos dos técnicas muy diferentes, y hubo un excelente acuerdo para este estudio ".

A principios de este mes, NIST y NRC Canadá distribuyeron 29 de las 60 misas, uno a cada uno de los países participantes de América del Sur y Centroamérica. Los artefactos restantes serán guardados y monitoreados por NIST y NRC Canadá hasta que se complete el estudio.

Hasta el 19 de mayo 2019, la definición mundial de masa seguirá basándose en el kilogramo prototipo internacional (IPK), un cilindro de metal forjado a finales del siglo XIX y conservado en un laboratorio en las afueras de París, Francia. Después de esta fecha, la definición formal de kilogramo se redefinirá para depender de una constante fundamental de la naturaleza. Sin embargo, Todavía se espera que los artefactos de kilogramos se utilicen en muchas aplicaciones, incluida la difusión del nuevo estándar de masas.