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Las medidas - Contenido educativo
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Necesitamos saber la distancia, la longitud, el peso, la velocidad o la temperatura.
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Si necesitamos saber con qué estamos trabajando, necesitamos medidas.
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Desde el radar a los relojes atómicos, los velocímetros, el pesado de ballenas,
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las herramientas de alta precisión que soportan los mayores pesos,
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el calor o la respuesta al más ligero contacto,
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las medidas han hecho progresar nuestra civilización.
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A continuación, medidas en maravillas modernas.
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Villas modernas, medidas
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Suena la alarma del despertador
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Hace frío, así que programamos el termostato antes de preparar el desayuno
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Ponemos las noticias para saber qué tiempo va a hacer
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No son las 8 todavía y ya hemos encontrado una serie de mediciones
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Y el resto del día será guiado por una ineludible serie de números que definen nuestro mundo
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En el coche, en la oficina, en la carretera o incluso en el suelo del cuarto de baño
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Donde quiera que vayamos prácticamente todos nuestros actos dependen de mediciones
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Es lo que nos ha llevado desde la edad de piedra a la civilización
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Para asegurarnos de que elegimos la cantidad adecuada de fruta, de gasolina o el peso de un envío postal
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El Instituto Nacional de Medidas y Tecnología, NIST en inglés, define todas estas mediciones y muchas más
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Aquí se encuentran las siete unidades básicas de medida de longitud, masa, tiempo, corriente eléctrica, temperatura, moles o número de cuerpos elementales en una sustancia e intensidad lumínica.
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Todos los patrones están aquí.
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El NIST mantiene el metro como nuestra medida fundamental de longitud.
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En 1791 la Academia Francesa de Ciencias dividió la longitud entre el Polo Norte y el Ecuador pasando por París en 10 millones de partes
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Cada fracción representaba un metro
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En 1889 la Oficina Internacional de Pesos y Medidas creó una barra de una aleación de platino e iridio para que sirviera de patrón
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Esta es la barra de metro de Estados Unidos
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El patrón por el que se ha regido toda medición de longitud durante los últimos 90 años
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La barra de metro ha resultado ser muy poco práctica
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La aleación de metal está valorada en más de 100.000 dólares
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Pero sigue siendo susceptible a la degradación y por tanto al cambio
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Por eso en 1983 la Comunidad Internacional de Medidas
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Acordó redefinir el metro como la distancia que recorre la luz en el vacío
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En 1 dividido por 299.792.458 segundos
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¿Cómo se mide la longitud de algo realmente grande o la distancia hasta algo muy lejano?
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Los topógrafos han usado la triangulación desde el siglo VI a.C. para medir la altura de las montañas o de islas para realizar mapas cada vez mejores
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Primero miden la distancia hasta la base de la montaña, midiendo los ángulos hasta ella desde puntos en cada extremo de una línea base fija
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Después usan una altura conocida para calcular el ángulo hasta la cima de la montaña
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Con ese ángulo pueden calcular la altura de la misma.
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Hace más de 2.000 años, Eratóstenes utilizó la triangulación para medir la circunferencia de la Tierra.
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El resultado de su cálculo presenta un error inferior al 1%.
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E incluso hoy en día, los astrónomos usan la triangulación para calcular la distancia desde la Tierra a una estrella.
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Al encontrarse tan lejanas las estrellas, la distancia se mide en años luz.
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la distancia que recorre la luz en un año desplazándose a 300.000 kilómetros por segundo.
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Así podemos medir la distancia a una estrella porque podemos medir el tiempo
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y obtenemos esa medida esencial de tiempo a partir del reloj más preciso de la Tierra.
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¿Pero por qué necesita el mundo un reloj 100 millones de veces más preciso que el que llevamos en la muñeca?
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Nuestras vidas se rigen por las medidas.
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Si no lo cree así, intente vivir un día sin mirar el reloj.
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medimos el tiempo como si nuestra vida dependiera de ello.
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Y así es.
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El NIST se encargó de construir el instrumento de medición de tiempo más preciso del mundo,
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el reloj atómico NIST F1.
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¿Qué grado de precisión puede tener el reloj más preciso de la Tierra?
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Al principio dijimos que queríamos conseguir una precisión de 10 elevado al menos 15 con este reloj.
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Y ahora estamos en tres veces diez a la menos dieciséis.
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Eso equivale a que el reloj gane o pierda un segundo cada cien millones de años.
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Steven Jeffers, de la División de Tiempo y Frecuencia del NIST, ha dirigido el proyecto F1 desde su concepción en 1996.
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Lo llamamos reloj atómico, pero realmente no es un reloj al uso.
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No tiene manecillas y no te da la hora.
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Lo único que hace es decirnos cuánto dura un segundo.
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No le pone una etiqueta al segundo para decir que son las 5 de la tarde.
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Solo nos da la diferencia entre 5 en punto y las 5 y un segundo.
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El estándar del segundo, como el del metro, está basado en un fenómeno natural.
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La oscilación en el núcleo de un átomo de cesio-133 y los electrones que lo rodean.
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Antes del primer reloj atómico, el NIST basaba el segundo en observaciones astronómicas
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y fue registrado como la división de un día solar entre 86.400 partes.
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Pero a comienzos de 1900, los investigadores ya se daban cuenta de que dicha medición era problemática.
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Resulta que la rotación de la Tierra sobre su eje no es un reloj muy bueno.
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La Tierra se bambolea y no rota siempre a la misma velocidad.
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A veces se ralentiza y otras veces se acelera.
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La diferencia entre un reloj atómico y el uso de la Tierra como reloj
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es de unos 30 segundos cada 40 años.
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30 segundos no parece mucho, pero si eso continúa indefinidamente,
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se acabaría teniendo el amanecer por la tarde y cosas así.
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La solución llegó en 1940 cuando el físico y premio Nobel Norman Ramsey
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estudiaba la frecuencia de las oscilaciones en los átomos.
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En un momento dado pensó, un momento, si puedo medir estas frecuencias con tal precisión, podría convertir esto en un reloj.
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Tengo que saber con qué velocidad hace el tic-tac, porque esa es la frecuencia.
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En 1967 el mundo aceptó un nuevo patrón de medida, el segundo atómico.
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El segundo atómico equivale a 9.192.631.770 oscilaciones en un átomo de cesio-133.
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Pero construir un aparato que pudiera medir con exactitud esas oscilaciones no era fácil.
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El reloj tenía que ser capaz de seleccionar solo átomos de cesio en su nivel energético más bajo
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y luego excitarlos hasta un estado de energía superior.
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El cesio empieza. Es disparado por este tubo hacia el reloj,
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donde encuentra una nube gaseosa de átomos de cesio.
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Seis láseres dirigidos hacia la cámara principal del F1
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controlan el movimiento de los átomos de cesio durante el experimento.
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La siguiente cámara tiene un campo de microondas.
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Ahí es donde los átomos pasan a su estado excitado.
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La diferencia entre esos dos estados en términos de frecuencia
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es de 9.192.631.770 ciclos por segundo.
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Y ese proceso es repetido 24 horas al día, 7 días por semana durante un mes.
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El reloj cuenta los ciclos.
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Y cada 9.192.631.770 ciclos es un segundo.
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El mundo entero depende ya de esta medición del tiempo.
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Nuestra vida cotidiana no necesita la precisión de un segundo por cada 100 millones de años.
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salvo en los sistemas que no solemos considerar que dependen del tiempo.
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Cosas como el sistema de posicionamiento global
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dependen absolutamente de los relojes atómicos.
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La transferencia de datos a alta velocidad por las líneas de Internet y cosas así
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dependen de representaciones realmente precisas
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porque tenemos que acordar la frecuencia de transferencia.
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Naturalmente la medición del tiempo no ha sido siempre tan precisa.
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Los primeros relojes eran muy rudimentarios
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y algunos de ellos pueden ser contemplados aquí.
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en la Asociación Nacional de Coleccionistas de Relojes del Museo de Columbia en Pensilvania.
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Los relojes de agua o clepsidras se utilizaban ya en Egipto en el siglo II antes de nuestra era.
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A medida que se va vaciando, llena otro recipiente para darle la hora
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o lo indica mediante marcas en el interior de la clepsidra.
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Mientras el sol se desplaza por el cielo, los relojes solares igualan su sombra a una medida.
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En los monasterios e iglesias se quemaban velas e incienso para medir el tiempo.
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Y el reloj mecánico no habría avanzado tan pronto de no haber promovido su creación las instituciones religiosas medievales en el siglo XIII.
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La religión siempre ha desempeñado un papel vital en la medición del tiempo y en mantener un registro de éste.
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Cada religión necesitaba saber qué hora era para saber a qué hora había que rezar.
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Algunos de los primeros aparatos fueron relojes de iglesia o de campanario.
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En el siglo XVII el péndulo revolucionó la forma en que los relojes medían el tiempo.
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Aunque el péndulo supuso un gran avance en la precisión de los relojes, seguía teniendo problemas. Uno de ellos es que estaba hecho de metal. Había que compensar los cambios en el metal producidos por los cambios de temperatura.
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Una manera de hacerlo es usando péndulos de mercurio como el que vemos aquí, de forma que cuando la vara se expanda por el calor, el mercurio sube y mantiene el ritmo y el equilibrio del péndulo y la precisión del reloj.
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Otra forma de hacerlo es uniendo dos metales distintos que reaccionan de manera distinta, así la longitud del péndulo no varía y su precisión tampoco.
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Los relojes de arena usan el flujo de arena para medir el tiempo.
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Los primeros navegantes los necesitaban para surcar los mares con seguridad.
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En el descubrimiento del Nuevo Mundo, la navegación oceánica tenía muchos peligros y era importante no perder la ruta.
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La latitud o distancia respecto a los polos norte y sur se medía con bastante precisión siguiendo el sol,
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Pero la longitud, la distancia este-oeste, era problemática.
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Para calcular la longitud, los marinos necesitaban un reloj transportable que les diera la posición.
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Pero los relojes de péndulo de entonces no podían funcionar sin una superficie estable.
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En 1761, un carpintero de Yorkshire, John Harrison, sin formación científica, solucionó este problema con su cronógrafo marítimo.
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Tenía un par de pesos oscilantes conectados por muelles que no era afectado por la gravedad o el movimiento de un barco
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Mantenía una precisión de 5 segundos al día incluso en mares tormentosos
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Esta tecnología permaneció como elemento estándar de los barcos hasta bien entrado el siglo XX
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En el siglo XVI los relojes se hicieron más pequeños y móviles
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Los relojes mecánicos pueden llegar a ser muy sofisticados pero todos miden el tiempo de la misma forma
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La primera sección es el muelle principal. Es una pieza de acero templado enrollado que
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es bastante larga si se desarma. Esa es la fuente de energía. Al dar cuerda al reloj,
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metemos tensión en el muelle principal. A medida que el muelle se desenrolla, libera
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energía hacia la cadena de engranajes. La cadena transmite esta energía a la rueda
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de equilibrio que oscila hacia adelante y hacia atrás. El escape mantiene la oscilación
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de la rueda de equilibrio permitiendo que los engranajes del reloj avancen una cantidad
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dada con cada movimiento de la rueda. Con cada giro de los engranajes el tiempo de lectura
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es expresado con manecillas sobre la esfera del reloj. Un bonito reloj mecánico artesano
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puede valer más de 10.000 dólares para medir tiempo con un margen de error de sólo unos
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segundos por año. Pero ¿y si disponemos de menos de 10 dólares? Un reloj de pulsera
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para niños con batería de cuarzo puede dar el mismo resultado. De hecho, es 10 veces
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más preciso que el mejor reloj mecánico. Son los mismos elementos y componentes que
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los de un reloj mecánico. El reloj de cuarzo es más preciso simplemente porque su tecnología
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es mucho más avanzada. Aquí el muelle principal es reemplazado por una batería. En vez de
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un regulador, el tiempo es medido por las oscilaciones en un campo electrificado de
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cuarzo sintético. El pulso del cuarzo es regulado por un circuito que cambia la lectura
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en la esfera. Si podemos medir la distancia y podemos medir el tiempo, podemos medir la
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velocidad. La mayoría de nosotros confiamos en una sola medida de velocidad, la que aparece
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en el velocímetro del coche. Esperamos que sea precisa cada vez que conducimos. El velocímetro
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indica la velocidad a la que se desplaza el coche. Nuestro velocímetro recoge la velocidad
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de giro de los neumáticos y la convierte en la velocidad a la que se mueve el vehículo
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en la carretera. En General Motors, en Mefor, Michigan, se utilizan más de 200 kilómetros
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de pistas de pruebas para probar la precisión de sus velocímetros. La demostración que
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hemos preparado aquí es cuánto se tarda en recorrer la distancia de un campo de fútbol
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a una velocidad dada. En términos sencillos, velocidad es la distancia dividida entre el
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tiempo. Vamos a recorrerlo una vez a 96 kilómetros por hora y mediremos la velocidad. Luego lo
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haremos a 241 kilómetros por hora para mostrar las diferencias en la distancia que se cubre
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en el tiempo. Nos estamos aproximando a 96 kilómetros por hora. Tomamos el tiempo. Comienzo.
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Stop. Han sido aproximadamente tres segundos para cubrir 91 metros. A 241 kilómetros por
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hora un coche recorre la misma distancia en poco más de un segundo. Ahora nos acercamos
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un poco más deprisa que la última vez. Aquí está la marca. Tiempo. Stop. Ha sido un segundo.
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Los conductores pueden emplear este método simple para comprobar las lecturas del velocímetro
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de su coche. Cuando vas por la carretera, hay indicadores kilométricos, así que puedes
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fijar una velocidad determinada desde una señal hasta la siguiente. Coge un cronómetro
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y digamos, por ejemplo, que tardas 45 segundos de un punto kilométrico al siguiente. Eso
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significa que vas a 80 kilómetros por hora. Afortunadamente el velocímetro hace el cálculo
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por nosotros. Es un informe a tiempo real de la velocidad del vehículo que comienza
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con los sensores de velocidad en el eje de cada rueda. Vimos coches, pero ¿cómo sabe
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un piloto de avión la velocidad a la que vuela. En un reactor se mide la diferencia
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de presión de las moléculas de aire que golpean el cuerpo del reactor. También se
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mide la presión del aire. La diferencia entre la presión de resistencia y la presión del
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aire se indica en los controles como velocidad del reactor. Los pilotos consultan los indicadores
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en los vuelos supersónicos. La velocidad Mach es la velocidad del reactor dividida
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por la velocidad del sonido. De nuevo en tierra, nuestro velocímetro no es lo único que indica
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la velocidad del coche en una carretera. La policía usa radares para medir la velocidad
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de los vehículos. El sargento Andrew Hernández de la Policía de Carreteras de California
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forma a los agentes en el uso de esta tecnología. En 1842, Christian Johann Doppler definió
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el efecto Doppler. Este mismo principio es lo que emplean los radares que usa la policía.
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Un radar usa ondas de radio para medir la velocidad.
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La onda del radar es infinita a no ser que ocurra una de estas cosas, reflexión, refracción o absorción.
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Cuando eso ocurre, cuando choca con un vehículo que va hacia ella, tenemos el efecto Doppler.
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Si el vehículo viene hacia ella, normalmente comprimirá el tren de ondas.
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Si se aleja, aumentará la longitud de onda.
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El radar de un coche patrulla envía ondas de radio para confirmar la velocidad del propio coche en relación con el terreno.
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Las ondas también se reflejan en otros vehículos en carretera y la unidad de radar registra la diferencia en frecuencia o desplazamiento Doppler.
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Eso es todo lo que necesita la unidad para calcular la velocidad del vehículo objetivo y el desplazamiento de frecuencia que reconoce el radar es audible para el agente.
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Hoy en día el patrón de masa es el kilogramo prototipo internacional o KPI.
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La copia en Estados Unidos del patrón de kilo es custodiado por...
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¿Lo han adivinado? El NIST.
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El prototipo internacional de kilogramo es un artefacto de iridio y platino
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que se parece al que vemos aquí bajo esta campana.
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Cuando se estableció y se fijó el kilogramo,
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se fabricaron 40 réplicas del patrón
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que fueron distribuidas entre los firmantes de la convención métrica.
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La masa de un objeto es la misma se encuentre donde se encuentre,
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mientras que su peso varía en función de la gravedad.
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Antiguamente los comerciantes pesaban en la balanza semillas de algarrobo con los productos
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porque se las consideraba un estándar natural de tamaño y masa.
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Cuando empezaron a usarse las balanzas, se empleaban las semillas de algarrobo para equilibrar
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el peso de productos como piedras preciosas o diamantes. Y ahí procede el término quilate.
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Pero las semillas de algarrobo no son tan estables en la naturaleza. De hecho, no son
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muy diferentes a otras semillas. Puede haber hasta un 23% de variación en el peso y el
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tamaño de las semillas de algarrobo. Los comerciantes deshonestos se aprovechaban
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de la situación. Uno podría tener 50 semillas grandes para un uso determinado y 50 de las
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ligeras para otro. Por ejemplo, si compraba, usaba un grupo. Y para vender, usaba el otro.
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De los siete patrones básicos de medida controlados por el NIST, la masa es el único basado en un objeto físico.
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El KPI y sus réplicas fueron forjados en 1901.
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En 1989 los físicos encargados de su mantenimiento afirmaron que el artefacto había cambiado en 50 microgramos.
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No parece gran cosa, es el peso de un grano de sal.
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Pero ese cambio fue más que suficiente para que los grupos que dependen de medidas precisas de masa se preocuparan por las consecuencias.
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Los metrólogos somos muy ambiciosos en nuestras medidas.
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Queremos tener constancia de cada microgramo o incluso de cada fracción de microgramo si es posible para poder detectar las cosas con gran precisión y saber exactamente lo que estamos midiendo.
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El departamento de masa del NIST se dispone a minimizar la ligera inestabilidad en la masa del kilogramo
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Lo que necesitamos sobre todo es una definición que no esté basada en un artefacto
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porque entonces eliminaremos toda posible fuente de inestabilidad
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Hay un esfuerzo internacional dedicado a relacionar el kilogramo con un fenómeno que exista en la naturaleza
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como ocurre con la longitud y con el tiempo
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Estos proyectos implican cálculos complejos, pero basta con decir que el proyecto Avogadro intentará contar cada átomo de un nuevo artefacto de kilogramo.
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La balanza Watt intentará también definirlo con electrónica.
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Sabemos cuándo hace calor y sabemos cuándo hace frío, pero necesitamos termómetros para cuantificar con precisión la temperatura.
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La temperatura más elevada registrada en la Tierra fue de 58 grados, y la más fría de 89 bajo cero.
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Galileo inventó uno de los primeros termómetros en 1593, pero sus medidas no eran demasiado precisas.
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Este se llama termómetro de Galileo por su inventor.
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Tiene seis bolas que están inmersas en un líquido.
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El líquido cambia su flotabilidad en función de la temperatura.
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temperatura. Cada bola coloreada está llena con una cantidad de alcohol diferente. Como
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el alcohol es menos denso que el agua, las bolas flotan. Pero a medida que aumenta la
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temperatura exterior, la densidad del agua disminuye. Eso hace que las bolas se hundan.
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Contando el número de bolas que quedan, nos hacemos una idea de la temperatura. Podemos
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decir, oh, hace un día de cuatro bolas, o de tres bolas, o de dos bolas. Cien años
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después del termómetro de Galileo, Daniel Gabriel Fahrenheit diseñó la primera escala
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numérica de temperatura. Tenía tres puntos arbitrarios fijos, 0 grados Fahrenheit, 32
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para el punto de congelación del agua y 96 que era la temperatura de la axila de su mujer.
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Unos 20 años después de que Fahrenheit diseñara su termómetro, Celsius estableció una escala
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distinta. El 0 en la escala Celsius era el punto de congelación del agua y el 100 el
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de ebullición. Al estar basada en múltiplos de 10, como el sistema métrico, la escala
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de Celsius se convirtió en la escala oficial de temperatura en 1887. Pero Fahrenheit sigue
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teniendo seguidores, entre los cuales está Estados Unidos. Fahrenheit realizó sus medidas
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con mercurio y vidrio, que eran buenos conductores para los cambios térmicos. El mercurio responde
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los cambios de temperatura más rápidamente que cualquier otro líquido. El termómetro
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se congela a menos 76 grados Fahrenheit, pero puede llegar a los 1000 grados. Es un líquido
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muy útil, pero muy peligroso. Hoy en día muchos termómetros usan alcohol o queroseno.
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Funcionan igual, pero minimizan los riesgos. El NIST establece el patrón de calibración
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con algo llamado célula de punto acuático triple.
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Es una célula que solo contiene agua muy pura.
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Aquí arriba no hay aire, está hecho el vacío.
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Cuando el agua existe en los tres estados de la materia,
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estamos en el punto triple.
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Cuando tenemos las tres fases coexistiendo,
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es la prueba de que tenemos una temperatura muy determinada.
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Hemos asignado a esa temperatura el valor de 0,01 grados centígrados.
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Este es el punto que define el grado Kelvin.
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El grado Kelvin es un patrón del NIST y se emplea para diseñar termómetros de alta
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precisión.
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Aquí tenemos un termómetro estándar de resistencia de platino.
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Es uno de los termómetros más precisos del mundo.
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Puede medir hasta 420 grados centígrados.
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Emplea un hilo de platino y se mide la resistencia del mismo en función de la temperatura.
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El termómetro digital que solemos guardar en el botiquín usa el mismo principio y tiene un margen de error de medio grado
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Los termómetros de resistencia de platino son los más adecuados para medir la temperatura de todo
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Desde el núcleo de un submarino, a lava o el horno de una cocina
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Desde los granos de trigo al kilogramo, desde los relojes solares a los atómicos, desde la longitud de un pie humano a la velocidad de la luz
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A medida que nos esforzamos por alcanzar mediciones más perfectas, las unidades que empleamos para definirlas podrán cambiar.
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Pero lo que no cambiará, sea longitud, velocidad, tiempo o temperatura, es nuestra necesidad de medir.
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- Autor/es:
- Carlos
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- Carlos M.
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- Dominio público
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- Fecha:
- 23 de septiembre de 2020 - 17:42
- Visibilidad:
- Público
- Centro:
- IES ALONSO QUIJANO
- Duración:
- 24′ 13″
- Relación de aspecto:
- 1.78:1
- Resolución:
- 960x540 píxeles
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- 449.34 MBytes