Un renovado Sistema Internacional de Unidades

Publicado en el blog de Martín Monteiro .
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Siete constantes para siete unidades,
siete unidades para un solo sistema,
un sistema para medirlo todo
y ponernos a todos de acuerdo.
El 20 de mayo de 2019 entra en vigencia una renovada definición del Sistema Internacional de Unidades, un día cumbre en el desarrollo de la ciencia y la tecnología, las cuales están permanentemente entrelazadas y empujándose adelante una a la otra. El mundo seguirá funcionando igual que siempre, un kilogramo de tomates seguirá siendo lo mismo de siempre, las balanzas seguirán midiendo del mismo modo que hasta ahora, pero por primera vez en la historia las 7 unidades básicas de medida serán todas completamente independientes de objetos específicos y en su lugar pasan a depender íntegramente de 7 números definidos de forma exacta. Esto tiene como principal consecuencia que se aumenta la autonomía de cada país y de cada laboratorio al momento de establecer y calibrar sus instrumentos de medición.

Antiguamente las medidas se realizaban con unidades diferentes en cada región, en cada comarca, haciendo que la comunicación fuera muy complicada. El comercio, entre otras actividades, motivó el uso de unidades comunes para establecer el intercambio de mercaderías. Pero fue la ciencia moderna quien tomo el verdadero protagonismo del asunto. Fue así que a fines del siglo XVIII, durante la revolución francesa, nació un nuevo sistema de unidades basado en los principios de la lógica y las ciencias naturales que por largo tiempo se conoció como Sistema Métrico. Fue en 1960, con nuevas y mejoradas definiciones, cuando se transformo en lo que hoy conocemos como el Sistema Internacional de Unidades (SI).

Las primeras definiciones del sistema métrico de la Revolución francesa definían el metro como la diez millonésima parte de la distancia del polo norte al ecuador y el kilogramo como la milésima parte de la masa de un metro cúbico de agua (o sea, la masa de un litro de agua). Más tarde se crearían el kilogramo patrón (un cilindro de un kilogramo de masa) y el metro patrón (una barra de un metro de largo). Estos objetos requerían custodia especial para que no se modificaran y además complejizaba la reproducibilidad de esas unidades en el resto del mundo. Cada país y cada laboratorio debía contar con copias lo más exactas posibles de esos patrones para calibrar sus propios instrumentos de medida, con todo lo que ello implica en imprecisión durante la copia y en la variabilidad de los objetos a lo largo del tiempo.
En 1960 se dio un gran paso adelante. El metro dejó de ser una barra para pasar a definirse mediante la longitud de onda de cierto tipo específico de luz. El segundo dejó de estar definido mediante la rotación de la Tierra y pasó a definirse a partir de la frecuencia de cierto tipo específico de luz.
Hoy en día todas las magnitudes físicas se basan en 7 unidades básicas y a partir de este 20 de mayo de 2019, las 7 unidades básicas están basadas en 7 números exactos, algunos de los cuales son constantes físicas universales. Estos 7 números permiten que en cualquier laboratorio de cualquier país se puedan calibrar los instrumentos de medida, eliminando de ese modo la dependencia de compararlos con instrumentos o patrones de medida de otros laboratorios.
Las 7 unidades básicas del SI son las siguientes:
TIEMPO: Segundo (s)
LONGITUD: Metro (m)
MASA: Kilogramo (kg)
INTENSIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA: Ampere (A)
TEMPERATURA: Kelvin (K)
CANTIDAD DE SUSTANCIA: Mol (mol)
INTENSIDAD LUMINOSA: Candela (cd)
Para definir estas 7 unidades básicas, pasan a definirse de forma exacta los siguientes siete números, que pasan a ser las piedras angulares de la ciencia moderna:
Frecuencia de la transición hiperfina del estado base del átomo de Cesio-133: 
\[ Δν_{Cs} = 9192631770 1/s \]
Velocidad de la luz:
\[c = 299792458 m/s\]
Constante de Planck:
\[h = 6,62607015 × 10^{−34} kg⋅m^2/s\]
Carga elemental:
\[e = 1.602176634×10−19 A⋅s\]
Constante de Boltzmann:
\[k = 1.380649×10−23 kg⋅m^2/(K⋅s^2)\]
Número de Avogadro:
\[N_A = 6.02214076×1023 1/mol\]
Eficacia luminosa de la luz monocromática de \( 540 × 10^{12} Hz \):
\[K_{cd} = 683 cd⋅sr⋅s^3/(kg⋅m^2)\]
En otras notas entraré en detalle sobre cómo se define cada una de las unidades básicas, en particular la más interesante de todas que el el kilogramo, basada en la balanza de Kibble (o balanza watt), que asocia la constante de Planck a la definición de la unidad de masa. De momento comparto dos diagramas muy extendidos que muestran de qué constantes dependen cada una de las 7 unidades básicas y cómo se relacionan las unidades entre sí. El primer diagrama corresponde a las unidades tal como quedaron definidas a partir de la convención de 1983. El segundo es el esquema según la definición acordada en 2018 y que entra en vigencia el 20 de mayo de 2019.
El SI de 1983:
En el SI de 1983 (vigente hasta el 19 de mayo de 2019), solo el metro y el segundo estaban definidos a partir de constantes exactas.

El SI de 2019:

En el SI de 2019 (vigente a partir del 20 de mayo de 2019), las 7 unidades básicas quedan definidas a partir de 7 constantes exactas y de ciertas relaciones específicas entre las unidades.
En próximas (siete) notas detallaremos la historia de cada una de las siete unidades y la formas en que se definen.
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La importancia de los museos de ciencia

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El 18 de mayo es el Día Internacional de los Museos, un evento coordinado por el Consejo Internacional de Museos, con el fin de difundir sus actividades y problemáticas. En lo personal soy un apasionado de los museos y de la museística en general y como tal me siento muy afortunado de haber podido conocer al detalle cuanto museo he tenido cerca en nuestro país y en otras partes. Desde museos de arte hasta museos de ciencia, sin olvidar los museos de historia. Todos igualmente interesantes y estimulantes cuando están bien diseñados y curados. Pocas instituciones culturales reúnen en sí mismos, con tanta pertinencia, conceptos como conocimiento, historia, investigación, comunicación, curiosidad, estímulo, interactividad, patrimonio, preservación, memoria, participación, inclusión.
Foto: Apolo-Soyuz, en el National Air and Space Museum, Smithsonian Institution, Washington DC. Enero 2016

Tener cerca un museo, en su localidad, es una oportunidad que debe ser aprovechada, así como también conocer aquellos otros que tengan la ocasión cuando estén de viaje en otras ciudades. En general son espacios maravillosos donde uno conoce otros mundos, otras formas de pensar y de ver el mundo. No deberíamos privarnos jamás de esas experiencias.
Los museos de ciencia, en particular, son importantes canales de comunicación científica y como tales deberían multiplicarse y mejorarse. Con motivo de celebrar el día de los museos y aportar algunos elementos a la conversación sobre este tema es que comparto más abajo tres trabajos de referencia que considero importantes, con perspectivas sobre el importante rol de los museos en la comunicación pública de la ciencia, su futuro como centros de divulgación científica (y evidentes instrumentos de popularización de la ciencia) y su consiguiente importancia social.
Como se menciona en una noticia de UNESCO del año 2016, destacando la importancia de los centros y museos de ciencia:

La ciencia tiene un papel central en la agenda mundial de desarrollo sostenible y los centros y museos dedicados a la actividad científica son cruciales para fomentar el conocimiento y difundir una nueva visión de la prosperidad, la paz y el medio ambiente, afirmó la UNESCO.
Agregó que para lograr ese futuro es necesario ampliar cada vez más la ciencia y estrechar los vínculos entre ésta y la sociedad.
En este contexto, la directora de la UNESCO, Irina Bokova, afirmó que los centros y museos de ciencias desempeñan la función esencial de avivar la curiosidad de la población ya que son laboratorios vivos de creatividad y favorecen la investigación y el logro de soluciones para ayudar a las sociedades a responder a sus problemas.
“Con esto en mente, invito a todos los actores internacionales y a los Gobiernos a apoyar, nutrir y proteger ampliamente los centros y museos de ciencia para delinear un futuro más inclusivo y sostenible para toda la gente”, apuntó Bokova.
En la actual era digital, hacen falta iniciativas innovadoras que promuevan el aprendizaje de la ciencia fuera de las aulas y esos centros y museos cumplen con la función de estimular el deseo de conocimiento científico, además de alentar a los menores a cursar carreras de ciencias.

REFERENCIAS:
“A favor del conocimiento científico (Los nuevos museos)”
Por Jorge Wagensberg
Doctor en Física. Fue fundador y director del Museo de la Ciencia en Barcelona y fundador de la European Museum Academy.
ÉNDOXA: Series Filosóficas, n.º14, 2001, pp. 341-356. UNED, Madrid
RESUMEN:
En este artículo se reflexiona sobre algunas de las claves del conocimiento científico, sus modos de producción, el acceso que a este conocimiento tiene el ciudadano, así como sobre el papel de los museos de la ciencia como proveedores de estímulos e interrogantes y como lugares de encuentro entre científicos, organizaciones sociales y ciudadanos. 
“Comunicación pública de la ciencia en el Museo de Física. Desafíos de un museo universitario”
por Mariana Santamaría, María Cecilia von Reichenbach
Museo de Física, Departamento de Física, Facultad de Ciencias Exactas, Universidad Nacional de La Plata.
Revista Tecnología & Sociedad, 2016, 5, del Centro de Estudios sobre Ingeniería y Sociedad. Facultad de Ciencias Fisicomatemáticas e Ingeniería, UCA.
RESUMEN:
Patrimonio e interactividad pueden conjugarse en un museo, invitando al visitante a comunicarse con los objetos de diversas formas, que lo interpelan y estimulan en él preguntas y curiosidades, sin poner en juego la conservación del acervo. Hay muchas formas de conseguir este delicado equilibrio entre preservación y participación. En este artículo presentamos algunas de las estrategias desarrolladas en el Museo de Física de la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad Nacional de La Plata, en sus veinte años de interacción con el público.
“Efectos a largo plazo de los museos y ferias de la ciencia en España”
Por Gema Revuelta, Nuria Saladié, Mari Carmen Cebrián, Héctor Rodríguez
Investigación elaborada por el Centro de Estudios de Ciencia, Comunicación y Sociedad. Departamento de Ciencias Experimentales y de la Salud de la Universidad Pompeu Fabra.
RESUMEN:
 
En términos de impacto local, los tres efectos principales observados son:
 
a ) la contribución clara al sistema educativo de la ciudad (y de las ciudades de su entorno) en la etapa escolar;
 
b) el impacto en la identidad e imagen de la ciudad (en especial, atribuyéndole características de “ciudad de ciencia” o “ciudad de cultura científica”), tanto a nivel exterior como entre los propios habitantes, la cual contribuye a la visibilidad de la ciudad, al posicionamiento respecto a su entorno, a la atracción de turismo y, en algunos casos, también a la atracción de científicos; y 
 
c) la contribución a la oferta cultural y de ocio convirtiéndose en un servicio para los habitantes de la ciudad (y, en algunos de los casos, un medio para que éstos se mantengan informados respecto a cuestiones generales relacionadas con la ciencia o bien temas más específicos).
 
En términos de impacto en los visitantes, se deben diferenciar entre:
 
a) los efectos a corto plazo, entre los que destaca el impacto emocional que les produjo la experiencia y el hecho de que la visita les despertó durante un tiempo la curiosidad por un tema específico o la necesidad de buscar más información; y 
 
b) los efectos a largo plazo, entre los que destaca la percepción de que las visitas contribuyeron a su propia formación en la etapa escolar (y en algunos casos también a la formación continuada de los adultos), así como un aumento en la percepción de su ciudad en su faceta más científica y de generación de conocimiento. 
 
Una parte de los visitantes explican que las visitas repetidas les ha producido una auténtica curiosidad por temas generales de la ciencia o por aspectos particulares hasta el punto de que ellos mismos se consideran mejor informados que otras personas, buscan más información, hablan sobre estos temas con sus conocidos o incluso dicen ser hoy unos auténticos aficionados.
 
Este estudio prueba el impacto claramente positivo que tienen los museos y ferias de ciencia a largo plazo, tanto en sus visitantes como en el conjunto de la comunidad o ciudad en la que se ubican, un impacto que se produce a distintos niveles. Estos resultados deberían ser tenidos en cuenta por los responsables políticos locales, los representantes de los entornos académicos y el mundo empresarial en general, a la hora de planificar las actividades culturales de una ciudad o de establecer planes estratégicos para la misma, especialmente si lo que se desea es fomentar una ciudadanía con mayores posibilidades de desarrollo personal y en el conjunto de la sociedad del conocimiento. 
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Fuentes de luz planas, lineales y puntuales medidas con smartphone

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La intensidad de una fuente luminosa se reduce con la distancia. No ilumina igual un foco si está cerca o lejos. Este es un hecho que conocemos por experiencia cotidiana. Si necesitamos ver algo con más luz, lo que hacemos es acercar la fuente (lámpara, linterna, etc.) al objeto que nos interesa observar o en todo caso acercar el objeto a la fuente de luz. Lo sabemos, “más cerca, más luz, más brillo.” Sin embargo, la manera exacta en la cambia la intensidad de la luz con la distancia no es la misma en todos los casos, depende de varios factores, fundamentalmente de la forma de la fuente de luz o luminaria. Tres formas sencillas merecen atención, tanto por su sencillez geométrica, como por ser representativas de las formas más usuales de los sistemas emisores de luz:
  1. Fuentes puntuales (o esféricas)
  2. Fuentes lineales
  3. Fuentes planas
En el primer caso (el más común) la luz se propaga en todas direcciones y se puede demostrar que la intensidad, \(I\), disminuye según el inverso del cuadrado de la distancia, \( (r) \). Por ejemplo, si se duplica la distancia a la fuente de luz, entonces la intensidad es cuatro veces menor. En forma matemática esto se expresa como:
\( I = \frac{k}{r^2} \) (fuente puntual)
Para una fuente lineal, como un tubo luz, es un poco más complicado, pero para distancias que no sean mucho más grandes que la longitud del tubo, se puede probar que la intensidad disminuye como el inverso de la distancia:
\( I = \frac{k}{r} \) (fuente lineal)
Más curioso, por menos intuitivo, resulta el tercer caso, de las fuentes planas como la pantalla de un televisor o un cartel luminoso, ya que en este caso la intensidad de la luz se mantiene prácticamente constante, independiente de la distancia siempre que la distancia sea menor al tamaño de la fuente.
\( I \approx cte. \) (fuente lineal)
Estas relaciones teóricas se pueden verificar experimentalmente de forma muy sencilla mediante smartphones, estos laboratorios de bolsillo que llevamos todo el tiempo con nosotros.
Aquí presento algunas medidas realizadas con un teléfono LG-G3 mediante la app Physics Toolbox de Vieyra Software. Como fuente de luz utilicé una linterna led, pero también se puede utilizar el flash de un segundo teléfono, tal como lo hacemos  habitualmente en las clases de laboratorio (ver fotos más abajo). Como fuente lineal utilicé un tubo led de 12 W y 80 cm de largo. Finalmente como fuente plana utilicé un monitor de computadora.
MEDIDAS DE FUENTE PUNTUAL (lámpara led):

En el gráfico logarítmico la pendiente es igual al exponente de la distancia, por lo que el valor esperado para el caso de una fuente puntual es -2.

Estudiantes realizando medidas de fuente puntual (flash led de un teléfono).

MEDIDAS DE FUENTE LINEAL (tubo led):

En el gráfico logarítmico la pendiente es igual al exponente de la distancia, por lo que el valor esperado para una fuente lineal es -1.

MEDIDAS DE FUENTE PLANA (monitor):

En este caso se observa que la intensidad es prácticamente la misma mientras la distancia al monitor sea aproximadamente menor al ancho del monitor.

*El 16 de mayo ha sido elegido por la UNESCO para celebrar cada año el Día Internacional de la Luz. Un legado del Año Internacional de la Luz 2015. La fecha recuerda aquel 16 de mayo de 1959, cuando Theodore Maiman encendió el primer láser de la historia. Sitio oficial LightDay.
REFERENCIAS

Russell Downie
“A Data Analysis for the Inverse Square Law”
The Physics Teacher 45, 206 (2007)

Peter H. Bohacek, and Rebecca Gobel
“Using a laptop screen to model point-source, line-source, and planar-source fields”
The Physics Teacher 49, 124 (2011)

Alan Bates
“The Inverse-Square Law with Data Loggers”
The Physics Teacher 51, 290 (2013)

Vieira, L.P.; Lara, V.O.M.  and  Amaral, D.F..
“Demonstração da lei do inverso do quadrado com o auxílo de um tablet/smartphone”
Rev. Bras. Ensino Física, 36(3), 1-3 (2014)

J A Sans, J Gea-Pinal, M H Gimenez, A R Esteve, J Solbes and J A Monsoriu
“Determining the efficiency of optical sources using a smartphone’s ambient light sensor”
European Journal of Physics, 38(2), 025301 (2017)

Isabel Salinas, Marcos H. Giménez, Juan A. Monsoriu, and Juan C. Castro-Palacio
“Characterization of linear light sources with the smartphone’s ambient light sensor”
The Physics Teacher 56, 562 (2018)

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Desafío de Física – Physics Challenge TPT Mayo 2019

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Solución al Desafío de Mayo 2019 de The Physics Teacher: “May I or may Io?”

Dos esferas de cobre de radios R y 3R están ubicadas muy lejos una de la otra. En el primer experimento se coloca una carga inicial +Q en cada esfera. Las esferas se conectan mediante un cable recto delgado. Se observa que la corriente máxima a través del cable es Io.

En el segundo experimento, la carga inicial de la esfera pequeña es nula y la de la esfera más grande es +Q. Las esferas se conectan entonces por el mismo cable.

¿Cuál será esta vez la corriente máxima I a través del cable?

“May I or may I0?”
Boris Korsunsky
The Physics Teacher 57, 345 (2019)
https://doi.org/10.1119/1.5098932

SOLUCIÓN

Como las esferas están muy alejadas, la carga se distribuye de forma uniforme, de modo que el campo eléctrico, así como el potencial eléctrico tienen simetría esférica. Entonces se cumple que el potencial eléctrico en la superficie de esfera pequeña es,

\( V_1 = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0 R} \) (1)
y en la esfera grande es,

\( V_2 = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0 3 R} \) (2)
Como \( V_1 < V_2 \), entonces la corriente va desde la esfera pequeña a la grande. La intensidad es máxima en el instante inicial, ya que un instante después la diferencia de potencial se reduce. Por ley de Ohm,

\( I_0 = \frac{V_1 – V_2}{r} \) (3)
donde \( r \) es la resistencia eléctrica del alambre.
Sustituyendo \(V_1\) y \(V_2\) de las ecuaciones 1 y 2 se tiene que,

\(I_0 = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0 R r} \left( 1 – \frac{1}{3} \right) \) (4)
es decir,

\(I_0 = \frac{Q}{6 \pi \epsilon_0 R r} \) (5)
De donde la resistencia del alambre es,

\( r = \frac{Q}{6 \pi \epsilon_0 R I_0} \) (6)
En el segundo experimento, la esfera pequeña está descargada, de modo que el potencial eléctrico es nulo, mientras que la esfera grande tiene la misma carga que antes. Entonces ahora \( V_2 < V_1 \), de modo que ahora la corriente ahora va a ir desde la esfera grande a la pequeña. Entonces por ley de Ohm,

\( I = \frac{0 – V_2}{r} \) (7)
Sustituyendo \( V_2 \) de la ecuación 2,

\(I = – \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0 R r} \) (8)
Y sustituyendo \( r \) de la ecuación 6,

\(I = – \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0 R} \frac{6 \pi \epsilon_0 R I_0}{Q} \) (9)

Entonces la corriente tiene sentido contrario a \( I_0 \) y la intensidad máxima resulta ser la mitad que \( I_0 \),


\( I = \frac{I_0}{2}  \) (10)
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RedLCC 2019 semana 19

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Domingos de divulgación científica con algunas de las mejores notas de la semana en la Red Latinoamericana de Cultura Científica

Semana #19 – 5 al 11 de mayo
#RedLCC #DivulgaCiencia #ComunicaCiencia

1 de 4) Pitohuí encapuchado: un ave de cuidado

Por AcercaCiencia

2 de 4) RUINAS (Microrrelato de Ciencia Ficción)

Por Revista Persea

3 de 4) La primera imagen de un agujero negro

Por Gabriel García – Zemiorka

4 de 4) El acceso a la información académica y científica y el derecho a la información

Por Leandro Castelluccio – Sinápticas

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