Por @Alvy — 2 de Enero de 2023

Derek de Veritasium tiene un vídeo de «visitas a laboratorios» que tanto nos gustan por aquí; en concreto uno de los del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de los Estados Unidos, donde se miden las masas y fuerzas más pequeñas y débiles que es posible apreciar con la tecnología moderna. El entrevistado es Gordon Shaw, quien además ha trabajado en los métodos para medir esas masas y fuerzas del reino microscópico.

Primero hay una explicación sobre cómo se medían y miden las masas utilizando el kilogramo de toda la vida, el que está guardado en París y del que hay copias en diversas partes del mundo que se chequean periódicamente. Aquí salta la primera sorpresa, que es que los EE.UU. utilizan el sistema métrico desde 1975 (!!) aunque en la práctica no es obligatorio y siempre hacen una conversión de kilos a libras, onzas, millas, yardas, etcétera, que es lo que conoce la gente de allí.

La caja de los objetos de menos de 1 gr en el NIST / Veritasium

El reto es poder medir masas cada vez más pequeñas, algo que se logra mediante la técnica de dividir una masa grande en dos iguales más pequeñas, equilibrarlas en una balanza y compararlas con el original. Este método sirve a, digamos, «gran escala», pero para valores más pequeños como por ejemplo los miligramos hay que fabricar específicamente las piezas equivalentes, que son pequeños alambres metálicos de acero inoxidable cuidadosamente calibrados. Aquí entran en juego los factores de error, que en el caso de 1 kg es del 0,000001% o unas 10 partes por millón; al medir un miligramo la incertidumbre es mayor. Es interesante el truco que utiliza para doblar esos pequeños alambres en polígonos de tres, cuatro o cinco lados para recordar fácilmente su peso: 10, 20, 30 o 50 miligramos, por ejemplo. Otro dato curioso es que un clip metálico de oficina de tamaño normal pesa casi exactamente un gramo.

La explicación pasa luego a las profundidades de los sótanos del instituto, donde se mantienen condiciones de temperatura, atmósfera y gravedad más estables que en superficie, hasta el punto de que los topógrafos miden la fuerza de la gravedad en un punto exacto del laboratorio (~9,801 m/s²) porque como es sabido no es exactamente 9,8 en todas partes del globo.

Allí se miden las fuerzas más pequeñas, utilizando un dispositivo llamado balanza de Kibble que emplea corrientes eléctricas y voltajes para medir el valor del kilogramo en función de la constante de Plank, que lleva al valor de 6,62607015×10−34 kg⋅m2⋅s−1. Un kilogramo es la masa de 1,4755214×1040 fotones emitidos por los átomos de cesio utilizados en los relojes atómicos.

La alta precisión de unos pequeñísimos dispositivos llamados voladizos de microscopio de fuerza atómica permite observar mediante un interferómetro cuál es la fuerza que ejercen las más pequeñas fuerzas sobre una especie de «trampolín» que se puede doblar. Tan es así que se llegan a medir piconewtons y femtonewtons, unidades tan pequeña que son casi inimaginables; en comparación un suave soplido es como un huracán. En una de las pruebas midieron la fuerza que ejerce la luz emitida por un pequeño puntero láser –sí, los fotones de la luz también «empujan» los átomos de los objetos sólidos en los que inciden– y resultó ser de unos 7 piconewtons.

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