La definición de unidad de masa, el kilogramo, fue dada por la III Conferencia General de Pesas y Medidas en 1901 de la siguiente forma:
"El kilogramo, unidad de masa, está representado por la masa del prototipo internacional del kilogramo."
Al establecer el sistema métrico de medidas, se adoptó como unidad de masa la masa de 1 kg, igual a la masa de 1 dm 3 de agua pura a la temperatura de su mayor densidad (4 o C).
Durante este período, se realizaron mediciones precisas de la masa de un volumen conocido de agua pesando sucesivamente en aire y agua un cilindro de bronce vacío, cuyas dimensiones se determinaron cuidadosamente.
A partir de estos pesajes, el primer prototipo del kilogramo fue una pesa cilíndrica de platino con una altura de 39 mm, igual a su diámetro. Fue depositado en los Archivos Nacionales de Francia.
En el siglo 19 Se realizaron repetidas mediciones cuidadosas de la masa de 1 dm 3 de agua y se encontró que esta masa era ligeramente (aproximadamente 0,28 g) menor que la masa del prototipo del Archivo.
Para evitar cambios en el valor de la unidad de masa durante pesajes posteriores más precisos, la Comisión Internacional de Estándares del Sistema Métrico decidió en 1872 tomar como unidad de masa la masa del kilogramo prototipo del Archivo.
En 1883, Johnson, Matthay and Co. fabricaron 42 prototipos de kilogramos a partir de una aleación de platino-iridio (90% platino y 10% iridio), y Rusia recibió por sorteo las copias n.° 12 y n.° 26 en 1889, según la Convención Métrica. El estándar se guarda sobre un soporte de cuarzo, bajo dos tapas de vidrio, en un armario de acero, en una caja fuerte especial ubicada en una sala termostatizada de la empresa estatal VNIIM im. D.I.Mendeleev”, San Petersburgo.
El estándar primario estatal de una unidad de masa, además del peso, incluye básculas estándar número 1 (Ruprecht) y número 2 (VNIIM) de 1 kg con control remoto, que sirven para transferir el tamaño de la unidad de masa del número de prototipo. 12 para copiar estándares y de copiar estándares a estándares de trabajo (2 estándares una vez cada 10 años).
El error al reproducir la masa utilizando un patrón de kilogramo no excede 2,10 -9. Así, el estándar del kilogramo permite registrar el resultado de una medición de masa, en el mejor de los casos, con un número de nueve dígitos. A pesar de todas las precauciones, como muestran los resultados de las comparaciones internacionales, en 90 años la masa de la pesa estándar ha aumentado en 0,02 mg. Esto se explica por la adsorción de moléculas del medio ambiente, la sedimentación de polvo en la superficie de la pesa y la formación de una fina película de corrosión.
En relación con el desarrollo del trabajo sobre la creación de nuevos estándares para unidades fotovoltaicas basados en constantes atómicas, se propone utilizar la masa de neutrones como estándar. Otra propuesta se basa en reproducir una unidad de masa a través de un número contable de átomos de algún elemento químico, por ejemplo el isótopo silicio-28. Para ello, es necesario aumentar la precisión en la determinación del número de Avogadro, que actualmente es el centro de los esfuerzos de muchos laboratorios de todo el mundo.
1.3.3 Estándar de unidades de tiempo y frecuencia
Incluso en la antigüedad, el tiempo se calculaba en función del período de rotación de la Tierra alrededor de su eje. Hasta hace poco, un segundo se definía como 1/86400 del día solar promedio (ya que la duración del día cambia a lo largo del año). Posteriormente se descubrió que la rotación de la Tierra alrededor de su eje es desigual. El error relativo al determinar la unidad de tiempo de acuerdo con esta definición fue de aproximadamente 10 -7, lo que no fue suficiente para el soporte metrológico de los medidores de tiempo y frecuencia. Por lo tanto, la base para determinar la unidad de tiempo fue el período de rotación de la Tierra alrededor del Sol: el año tropical (es decir, el intervalo entre dos equinoccios de primavera). El tamaño de un segundo se definió como 1/31556925,9744 de un año tropical. Dado que el año tropical también cambia (aproximadamente 5 s cada 1000 años), se tomó como base el año tropical, referido a las 12 en punto, hora de efemérides (hora uniformemente actual determinada astronómicamente) del 0 de enero de 1900, que corresponde a las 12 en punto. 'reloj del 31 de diciembre de 1899 Esta definición del segundo se registró en el Sistema Internacional de Unidades en 1960. Esta definición permitió reducir el error en la determinación de la unidad de tiempo en 3 órdenes de magnitud (1000 veces).
Los avances en la física cuántica han hecho posible utilizar la frecuencia de emisión o absorción durante las transiciones de energía en los átomos de cesio e hidrógeno para determinar el tamaño de una unidad de tiempo. La XIII Conferencia General de Pesos y Medidas de 1967 adoptó una nueva definición de unidad de tiempo: la segunda: “Un segundo es un tiempo igual a 9192631770 períodos de radiación correspondientes a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del cesio. -133 átomo”.
El número de oscilaciones se eligió de tal manera que vinculara el segundo “cesio” con el “tropical”.
De acuerdo con la definición de unidad de tiempo, su reproducción se realiza mediante una referencia de cesio (Fig. 1.4). La base del estándar es un tubo de rayos atómicos. Los átomos de cesio-133 son emitidos por la fuente 1 calentada a una temperatura de 100-150 0 C. Un haz de estos átomos cae en la región de un campo magnético no uniforme creado por el imán 2. El ángulo de desviación de los átomos en tal El campo magnético está determinado por su momento magnético. Por tanto, un campo magnético no uniforme permite aislar de un haz átomos que se encuentran en un determinado nivel de energía. Estos átomos se dirigen al resonador volumétrico 3, a través del cual interactúan con el campo electromagnético alterno del microondas. La frecuencia de las oscilaciones electromagnéticas se puede ajustar dentro de pequeños límites.
1 - fuente de átomos de cesio-133; 2, 4 - imanes; 3 - resonador; 5 – detector
Figura 1.4 - Diagrama de bloques de una referencia de cesio
Cuando coincide con la frecuencia correspondiente a la energía de las transiciones cuánticas, la energía del campo de microondas es absorbida y los átomos pasan al estado fundamental. Son dirigidos por el sistema magnético deflector 4 al detector 5. Cuando el resonador está sintonizado a la frecuencia de las transiciones cuánticas, la corriente del detector resulta ser máxima. Esto sirve como base para la estabilización de frecuencia en una referencia de cesio, en la que las oscilaciones electromagnéticas de un oscilador de cuarzo se multiplican por la frecuencia de la línea espectral de cesio, tomada como línea de trabajo. En el resonador del tubo de rayos atómicos, la energía de las vibraciones de alta frecuencia es absorbida por los átomos de cesio.
Cuando la frecuencia del oscilador de cuarzo se desvía (la inestabilidad de frecuencia es igual a 10 -8 del valor nominal), la intensidad de las transiciones atómicas y, en consecuencia, la densidad del haz atómico en la salida del tubo se reduce drásticamente.
La unidad de autoajuste conectada al tubo genera una señal de error que devuelve la frecuencia del oscilador de cuarzo al valor nominal. La estabilidad de la referencia de cesio es 10 13 . El divisor de frecuencia ubicado en un reloj de cuarzo le permite obtener las frecuencias e intervalos de tiempo requeridos (incluida una frecuencia de 1 Hz) en su salida.
La estabilidad a largo plazo de la referencia de frecuencia del cesio es baja. Por lo tanto, para almacenar unidades de tiempo y frecuencia, el estándar primario estatal incluye un máser de hidrógeno (Fig. 1.5).
1 - tubo de vidrio; 2 - colimador; 3 - imán axial de seis polos; 4 - celda de almacenamiento; 5 - resonador; 6 - pantalla multicapa
Figura 1.5 - Máser de hidrógeno atómico
En el tubo de vidrio 1, bajo la influencia de una descarga eléctrica de alta frecuencia, se produce la disociación de las moléculas de hidrógeno. Un haz de átomos de hidrógeno, a través de un colimador 2, que asegura su direccionalidad, ingresa al campo magnético no homogéneo de un imán axial de seis polos 3, donde sufre una clasificación espacial. Como resultado de esto último, solo los átomos de hidrógeno ubicados en el nivel de energía superior ingresan a la entrada de la celda de almacenamiento 4 ubicada en el resonador volumétrico 5. El resonador de alta Q ubicado dentro de la pantalla multicapa 6 está sintonizado con la frecuencia de la transición cuántica utilizada. La interacción de los átomos excitados con el campo de alta frecuencia del resonador (durante aproximadamente 1 s) conduce a su transición al nivel de energía inferior con la emisión simultánea de cuantos de energía a la frecuencia de resonancia de 1420405751,8 Hz. Esto provoca la autoexcitación del generador, cuya frecuencia es muy estable (510 -14). El valor de esta frecuencia se verifica periódicamente con una referencia de cesio.
Junto con un máser de hidrógeno para almacenar escalas de tiempo, el estándar primario estatal de unidades de tiempo y frecuencia y escalas de tiempo incluye un grupo de relojes de mecánica cuántica. El rango total de intervalos de tiempo reproducidos por el estándar es 10 -8 10 8 s. El estándar está ubicado en la empresa estatal VNIIFTRI, Moscú.
ESTÁNDAR PRIMARIO ESTATAL
UNIDADES DE MASA (kilogramos)
Balanzas de referencia con el límite de peso máximo de 1 kg.
Aprobado por Decreto de la Norma Estatal de la URSS del 6 de diciembre de 1984 No. 4109, almacenado en VNIIM que lleva su nombre. D. I. Mendeleev. La norma tiene como objetivo reproducir, almacenar y transmitir el tamaño de una unidad de masa, obtenido a partir de comparaciones periódicas con el Prototipo Internacional del Kilogramo. La base de la norma está formada por los ejemplares nº 12 y nº 26 del Prototipo Internacional del Kilogramo, que se conserva en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas. Johnson, Mattei and Co. hicieron copias a partir de una aleación de platino-iridio en forma de un cilindro redondo recto con una altura igual al diámetro, ajustado en peso y estudiado en el BIPM, transferido a Rusia en 1889.
La norma contiene:
Prototipo nacional del kilogramo - copia nº 12 del prototipo internacional del kilogramo;
Prototipo nacional del kilogramo - copia nº 26 del prototipo internacional del kilogramo;
Una pesa de referencia de 1 kg y un juego de pesas de referencia de 1 a 500 g, fabricados de una aleación de platino-iridio;
Balanzas comparadoras estándar con límites de pesaje máximos de 1 kg; 200, 25 y 3 gramos.
Área de aplicación:
Metrológico que garantiza la uniformidad de las mediciones de masa en todos los ámbitos de la ciencia y la actividad industrial: ingeniería mecánica, fabricación de instrumentos, microelectrónica, transporte, industria de defensa, investigación científica, sistemas de contabilidad y control de productos, agricultura, etc.
Los estándares modernos suelen ser sistemas de hardware complejos. A estándar de masa fue y sigue siendo un peso - platino-iridio"modelo 1889" (fue entonces cuando la Oficina Internacional de Pesas y Medidas produjo patrones de 42 kilogramos). La esencia de la operación de medición en sí sigue siendo la misma y se reduce a comparar dos masas al pesar. Por supuesto, se han inventado básculas ultrasensibles, la precisión del pesaje está aumentando, gracias a lo cual están surgiendo nuevos descubrimientos científicos (por ejemplo, se descubrieron argón y otros gases inertes).
Esta pesa de un kilogramo hecha de platino e iridio fue fabricada en 1889 por una empresa de joyería parisina por encargo de la Oficina Internacional de Pesas y Medidas. En total se produjeron 42 patrones de este tipo y 17 países firmaron entonces el convenio sobre la adopción del sistema métrico y, cuando otros países se “conectaron” al nuevo sistema de medición, se les entregó el patrón del kilogramo.
El kilogramo no tiene ninguna relación con constantes físicas ni con ningún fenómeno natural. Por lo tanto, el estándar está protegido con más cuidado: no permiten que una mota de polvo se deposite sobre ella, porque una mota de polvo ya son varias divisiones en una escala sensible. El prototipo internacional de la norma se saca del almacén no más de una vez cada quince años, el ruso, una vez cada cinco años. Todo el trabajo se realiza con estándares secundarios (solo ellos se pueden comparar con el principal), desde el estándar secundario el valor de masa se transfiere a los estándares de trabajo, y de ellos a los juegos de pesas estándar.
Balanzas estándar en VNIIM im. D.I. Mendeleev se instalan sobre una base especial de 700 toneladas, no conectada a las paredes del edificio, para eliminar la influencia de las vibraciones. La temperatura en la habitación donde se colocan dos kilogramos de peso por día en la báscula se mantiene con una precisión de 0,01 o C, y todas las operaciones se realizan desde la habitación contigua mediante manipuladores. El error del estándar de masa ruso no supera los +0,002 mg.
Estándar primario estatal de unidad de masa El estándar estatal para una unidad de masa, el kilogramo, es el más antiguo de todos los estándares estatales, aunque en su composición moderna fue aprobado en 1968. El tamaño del kilogramo se especificó por primera vez cuando se estableció el sistema métrico a través del tamaño de su unidad submúltiplo: el gramo, definido como la masa de agua destilada a la temperatura de fusión del hielo en el volumen de un cubo con una arista de 1/100 de metro. Más tarde cambiaron a una unidad de tamaño más conveniente: el kilogramo, como masa de agua en el volumen de un decímetro cúbico. Se tomó como condiciones normales la temperatura a la que el agua tiene mayor densidad: +4°C. En 1889, basándose en los resultados de cuidadosas mediciones de la masa de 1 dm3 de agua, se fabricó en Francia el primer prototipo del kilogramo: una pesa de platino-iridio en forma de cilindro con una altura de 39 mm, igual a su diámetro, más tarde llamado kilogramo de archivo. Otros avances en el pesaje preciso permitieron establecer que la masa de un kilogramo de archivo es 0,028 g mayor que la masa de 1 dm3 de agua y que la masa de un kilogramo de platino se puede determinar mil veces más exactamente que la masa de 1 dm3 de agua. En 1878-83 Se fabricaron 43 nuevas pesas de kilogramo basadas en el modelo de kilogramo de archivo a partir de una aleación de platino e iridio. Uno de estos pesos, cuya masa resultó ser la más cercana al kilogramo de archivo, fue adoptado en 1899 en la Primera CGPM como prototipo internacional del kilogramo, que actualmente determina el tamaño de la unidad de masa para todos los países del sistema métrico. Convención. Rusia recibió dos ejemplares (n° 12 y n° 26) del kilogramo internacional en 1889. La primera norma estatal de unidad de masa en nuestro país fue aprobada en 1918. Fue uno de los prototipos nacionales adquiridos por Rusia en 1889: la copia número 12 del prototipo internacional del kilogramo. En el BIPM para 1883-1889. Todos los prototipos fueron finalizados y examinados. Todo el procedimiento para realizar el prototipo No. 12 y su investigación se describe en detalle en el certificado BIPM de este prototipo, según el cual la masa del prototipo No. 12 en 1889 era de 1 kg + (0,068 ± 0,002) mg. Todos los prototipos nacionales deben compararse en el BIPM con el prototipo internacional del kilogramo (o sus testigos) cada 25 - 35 años. La transferencia del tamaño de un kilogramo (o sus subsecciones) del prototipo No. 12 a patrones secundarios (pesos estándar) hasta 1966 se realizaba utilizando básculas estándar No. 1 con una carga de hasta 1 kg. Sin embargo, las básculas no formaban parte entonces del estándar estatal del kilogramo. El actual estándar primario estatal de la unidad de masa, el kilogramo, fue aprobado en 1968. como parte de los siguientes instrumentos de medición: 1) copia No. 12 del prototipo internacional del kilogramo; 2) escalas de referencia No. 1 y No. 2. El prototipo nº 12 garantiza la reproducción y almacenamiento de una unidad de masa a escala nacional, la escala de todo el país. En este caso, se utilizan métodos complejos de almacenamiento económico de un kilogramo real y técnicas de joyería para trabajar con un estándar. Incluso con el uso más cuidadoso y cuidadoso del prototipo, su interacción con objetos externos es inevitable y el desgaste (cambio de masa) es inevitable. Por lo tanto, para su uso y almacenamiento se eligieron reglas y técnicas especiales, en primer lugar, la máxima reducción de sus movimientos y el uso de varias copias estándar para transmitir el tamaño de la unidad, cuya comparación se realiza con el prototipo No. 12. mediante el método de mediciones acumulativas. Para minimizar los cambios en la masa del prototipo, se almacena sobre una placa de cuarzo bajo dos cubiertas de vidrio en un gabinete de acero en una caja fuerte especial ubicada en una habitación con temperatura controlada. La fluctuación anual de temperatura en la habitación no supera los 2°C. Un elemento importante del patrón primario estatal del kilogramo son las básculas estándar, con la ayuda de las cuales el tamaño de la unidad se transfiere a patrones secundarios: copias de patrones que pesan 1 kg. Las comparaciones se realizan aproximadamente una vez cada 10 años. Las básculas estándar son uno de los dispositivos de medición más precisos. Como la mayoría de las balanzas de precisión, las balanzas de referencia n.° 1 y n.° 2 son básculas de palanca prismática de brazos iguales. La báscula número 2 tiene una serie de ventajas sobre la báscula número 1 en términos de diseño y está equipada con un dispositivo de registro automático. Ambas básculas de "referencia" se controlan de forma remota mediante manipuladores que permiten soltar las barras de equilibrio (y mover pesas hacia ellas) desde otra habitación, desde una distancia de casi 4 m, para reducir la influencia de las fluctuaciones de temperatura y aire durante el proceso de medición. Además de la entrada de todo tipo de partículas de polvo, las básculas de referencia están encerradas en una carcasa de vidrio especial. Un dispositivo especial permite medir de forma remota la temperatura del aire dentro de la báscula con un error de 0,002°C. El uso de una técnica basada en el método gaussiano permite garantizar la reproducción de una unidad de masa de 1 kg en el patrón primario estatal y la transferencia de su tamaño a patrones secundarios con una desviación estándar del resultado que no excede 0,007 mg. sujeto a las reglas establecidas para el almacenamiento y uso de estándares masivos. El estándar primario estatal de una unidad de masa se almacena y aplica en el VNIIM que lleva su nombre. D. I. Mendeleev. La experiencia de más de 80 años en el uso de prototipos nacionales de kilogramos hechos de aleación de platino-iridio ha demostrado que estas pesas tienen una alta estabilidad de masa; Según la investigación de BIPM, estos pesos garantizarán el almacenamiento de una unidad de masa con un error de no más de 10 -8 durante varios siglos de uso. Sin embargo, en la actualidad persiste una imperfección fundamental de la norma asociada con la definición artificial de la unidad de masa. En un esfuerzo por reemplazarlo con un estándar natural y obtener una garantía de cierta estabilidad, los científicos están buscando formas de aumentar significativamente la precisión de la determinación de la unidad de masa atómica para expresar el kilogramo en términos de la masa de cualquier elemento elemental. partícula o átomo. Los científicos alemanes están tratando de derivar una unidad de masa mediante cálculos laboriosos del número de átomos contenidos en un kilogramo de cristal de silicio. Estamos hablando del isótopo principal del silicio, el 28, que los científicos alemanes separan de otros isótopos en colaboración con físicos nucleares rusos que han desarrollado los métodos más eficaces para la producción centrífuga de elementos radiactivos altamente enriquecidos. Los científicos estadounidenses han tomado un camino diferente: su idea es medir con precisión en vatios la cantidad de potencia electromagnética necesaria para equilibrar un kilogramo de referencia (la llamada balanza de vatios). La decisión final, cuál de estas dos opciones para definir el kilogramo tomar como base, corresponde al Comité Internacional de Pesas y Medidas.
Peso es una característica inercial de un cuerpo, que muestra lo difícil que es sacarlo de un estado de reposo o de movimiento uniforme y lineal mediante una fuerza externa. La unidad de fuerza es una fuerza que, actuando sobre una unidad de masa, cambia su velocidad en una unidad de velocidad por unidad de tiempo.
Todos los cuerpos se atraen entre sí. Por tanto, cualquier cuerpo cercano a la Tierra se siente atraído por ella. En otras palabras, la Tierra crea la fuerza de gravedad que actúa sobre el cuerpo. Este poder se llama su peso. La fuerza del peso, como se indicó anteriormente, no es la misma en diferentes puntos de la superficie de la Tierra y en diferentes altitudes sobre el nivel del mar debido a diferencias en la atracción gravitacional y en la manifestación de la rotación de la Tierra. Sin embargo, la masa total de una determinada cantidad de sustancia no cambia; es igual tanto en el espacio interestelar como en cualquier punto de la Tierra.
Experimentos concretos han demostrado que la fuerza de gravedad que actúa sobre diferentes cuerpos (es decir, su peso) es proporcional a su masa. En consecuencia, las masas se pueden comparar en escalas, y las masas que resultan iguales en un lugar serán las mismas en cualquier otro lugar (si la comparación se realiza en el vacío para excluir la influencia del aire desplazado). Si se pesa un determinado cuerpo en una báscula de resorte, equilibrando la fuerza de la gravedad con la fuerza de un resorte extendido, entonces los resultados de medir el peso dependerán del lugar donde se tomen las medidas. Por lo tanto, las escalas de resorte deben ajustarse en cada nueva ubicación para que indiquen correctamente la masa. La simplicidad del procedimiento de pesaje en sí fue la razón por la que la fuerza de gravedad que actúa sobre la masa estándar se adoptó como unidad de medida independiente en tecnología.
| Energía de movimiento | movimiento |  |
|||||||||
| Peso - kilogramo (kg, kg) | microgramo (mcg) = 10 –9 kg miligramo (mg) = 10 –6 kg gramo (g) = 10 –3 kg quintal métrico (c) = 100 kg tonelada métrica (t, t) = 1000 kg | ||||||||||
| Fuerza - newton (N, N) Dimensión: N = kg m/s2 | kilonewton (kN) = 1000 N meganewton (MN) = 106 N | ||||||||||
| Energía, trabajo, cantidad de calor - julios (J, J) Dimensión: J = N m = kg m2/s2 | kilojulio (kJ) = 1000 J megajulio (MJ) = 106 J | ||||||||||
| Masa (una medida de la inercia mecánica de los cuerpos, es decir, la inercia; una medida de la interacción de los cuerpos con el campo gravitacional) | metro | kilogramo (kg) | |||||||||
| Fuerza (medida de interacción entre cuerpos) | F = ma | Newton (N = kg m/s2) | |||||||||
| Trabajo (una medida de influencia sobre un cuerpo que provoca un cambio en su estado, en mecánica, provocando un movimiento bajo la influencia de una fuerza, externa o interna) | A = F s | ||||||||||
| Energía (una medida de la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo) | E=A | julio (J = N m) kg m2/s2 | |||||||||
| Energía cinética | mi k = metro v 2 / 2 | ||||||||||
| Energía potencial en un campo gravitacional. | E p = m · g · Δh, donde g es la aceleración de la gravedad, Δh es la diferencia de alturas entre las que se ha movido un cuerpo de masa m. | ||||||||||
| Energía | mi | una cantidad física que es una medida unificada de varias formas de movimiento de la materia y una medida de la transición del movimiento de la materia de una forma a otra. | |||||||||
| Fuerza | F | una cantidad física vectorial que es una medida de la intensidad de la interacción entre cuerpos. Una fuerza aplicada a un cuerpo masivo provoca un cambio en su velocidad o la aparición de deformaciones en el mismo. | |||||||||
| Joule | j | El trabajo realizado por una fuerza de 1 newton cuando mueve un cuerpo una distancia de 1 metro en la dirección de acción. | |||||||||
Trabajo mecánico– una cantidad física igual al producto de una fuerza por el camino recorrido por un cuerpo en la dirección de esta fuerza. La unidad de trabajo es 1 julio (1 J = 1 N m).
Energía corporal– una cantidad física que muestra el trabajo que este cuerpo puede realizar. La energía se mide en las mismas unidades que el trabajo: julios.
En 1872, por decisión de la Comisión Internacional de Normas del Sistema Métrico, se adoptó como unidad de masa la masa del prototipo del kilogramo, almacenado en los Archivos Nacionales de Francia. Este prototipo es una pesa cilíndrica de platino con una altura y un diámetro de 39 mm. Los prototipos del kilogramo para uso práctico se fabricaron a partir de una aleación de platino-iridio. Se adoptó como prototipo internacional del kilogramo un peso de platino-iridio, el más cercano a la masa del kilogramo de platino del Archivo. Cabe señalar que la masa del kilogramo prototipo internacional es algo diferente de la masa de un decímetro cúbico de agua. Como resultado, el volumen de 1 litro de agua y 1 decímetro cúbico no son iguales (1 litro = 1,000028 dm 3). En 1964, la XII Conferencia General de Pesas y Medidas decidió equiparar 1 litro con 1 dm 3.
El prototipo internacional del kilogramo fue aprobado en la Primera Conferencia General sobre Metros y Pesos en 1889 como prototipo de unidad de masa, aunque en aquella época no existía una distinción clara entre los conceptos de masa y peso y por ello el estándar de masa era A menudo se le llama estándar de peso.
Por decisión de la Primera Conferencia sobre Pesos y Medidas, a partir de los prototipos producidos de 42 kilogramos, se transfirieron a Rusia los prototipos de kilogramo de platino-iridio nº 12 y nº 26. El prototipo de kilogramo nº 12 fue aprobado en 1899 como estándar estatal opcional de masa. (la libra debía compararse periódicamente con el kilogramo) y se utilizó el prototipo n.° 26 como patrón secundario.
El estándar incluye:
una copia del prototipo internacional del kilogramo (Nº 12), que es una pesa de platino-iridio en forma de cilindro recto con nervaduras redondeadas de 39 mm de diámetro y altura. El prototipo del kilogramo se encuentra almacenado en VNIIM. D. M. Mendeleev (San Petersburgo) sobre un soporte de cuarzo bajo dos cubiertas de vidrio en una caja fuerte de acero. El estándar se almacena manteniendo la temperatura del aire dentro de (20 ± 3) ° C y una humedad relativa del 65%. Para preservar el estándar, se comparan dos estándares secundarios cada 10 años. Se utilizan para transmitir aún más el tamaño de un kilogramo. En comparación con el kilogramo estándar internacional, al peso nacional de platino-iridio se le asignó un valor de 1,0000000877 kg;
Báscula prisma de brazos iguales de 1 kg. No. 1 con control remoto (para eliminar la influencia del operador sobre la temperatura ambiente), fabricada por Ruprecht, y moderna báscula prismática de brazos iguales para 1 kg No. 2, fabricada en VNIIM. DM Mendeleev. Las escalas No. 1 y No. 2 sirven para transferir el tamaño de una unidad de masa del prototipo No. 12 a los patrones secundarios.
Error en la reproducción de un kilogramo, expresado por la desviación estándar del resultado de la medición 2. 10-9. La sorprendente durabilidad de la unidad de masa estándar en forma de peso de platino-iridio no se debe al hecho de que alguna vez se encontró la forma menos vulnerable de reproducir el kilogramo. De nada. Hace ya varias décadas, los requisitos de precisión de las mediciones de masa excedieron las posibilidades de su implementación utilizando los estándares de unidades de masa existentes. La investigación sobre la reproducción en masa utilizando las constantes de masa física fundamentales conocidas de diversas partículas atómicas (protones, electrones, neutrones, etc.) se lleva a cabo desde hace mucho tiempo. Sin embargo, el error real al reproducir masas grandes (por ejemplo, un kilogramo), ligado, en particular, a la masa en reposo del neutrón, es hasta ahora significativamente mayor que el error al reproducir un kilogramo utilizando una pesa de platino-iridio. La masa en reposo de una sola partícula (una neurona) es 1,6949286 (10)x10 -27 kg y se determina con una desviación estándar de 0,59. 10-6.
Han pasado más de 100 años desde que se crearon los prototipos del kilogramo. Durante el último período, las normas nacionales se compararon periódicamente con la norma internacional. En Japón se han creado básculas especiales que utilizan un rayo láser para registrar el “oscilación” de un balancín con pesos de referencia y tara. Los resultados se procesan mediante una computadora. Al mismo tiempo, el error en la reproducción de un kilogramo aumentó a aproximadamente 10 -10 (según la desviación estándar). Un juego de balanzas similares está disponible en el Servicio de Metrología de las Fuerzas Armadas de la Federación Rusa.
Un proyecto conjunto del Departamento de Metrología de Rosstandart y la revista “World of Measurements” PROPIEDAD NACIONAL: NORMAS PRIMARIAS ESTATALES Y SUS GUARDIANES El proyecto está dirigido por N.V. Razikova, jefa del Departamento de Metrología Legal Hoy en día, el kilogramo es el estándar más problemático del mundo: el único artefacto estándar que sigue en uso hoy en día está perdiendo peso misteriosamente.
Un proyecto conjunto del Departamento de Metrología de Rosstandart y la revista “World of Measurements” PROPIEDAD NACIONAL: NORMAS PRIMARIAS ESTATALES Y SUS GUARDIANES El proyecto está dirigido por N.V. Razikova, jefa del Departamento de Metrología Legal Hoy en día, el kilogramo es el estándar más problemático del mundo: el único artefacto estándar que sigue en uso hoy en día está perdiendo peso misteriosamente. Las masas del prototipo internacional del kilogramo y sus copias nacionales, fabricadas de una aleación idéntica y casi al mismo tiempo, van divergiendo paulatinamente. Y hasta el momento los científicos no tienen una explicación digna para esto: no saben si el original se ha vuelto más liviano o si las muestras de otros países se han vuelto más pesadas, aunque se inclinan a creer que el estándar parisino es todavía "más delgado".
SNEGOV VIKTOR SAVELIEVICH
Nacido en 1946 en Leningrado. Graduado de la Facultad de Física de la Universidad Estatal de Leningrado con título en Radiofísica. En 1967 empezó a trabajar en VNIIM que lleva su nombre. DI. Mendeleev para el puesto de ingeniero. En 1973, mediante concurso, fue elegido para el cargo de investigador junior. Desde 1986 hasta la actualidad, ha trabajado en VNIIM en los puestos de ingeniero líder, investigador principal e investigador líder. De 2002 a 2005 – jefe del laboratorio de masa y densidad. Dominó con éxito las técnicas y métodos para medir con precisión la masa y densidad de sólidos. Ya en 1973 realizó una investigación sobre el desarrollo y mejora de un método de pesaje para medir la densidad del aire. En 1974, V. S. Snegov. se diseñó una instalación para medición remota de la temperatura del aire en el expositor de básculas estándar; Se llevaron a cabo estudios de las propiedades magnéticas de los materiales destinados a la fabricación de patrones de masa. En 1988 se completó el trabajo para crear medios de masa de referencia basados en nuevos principios físicos. En el mismo año V.S. Snegov participó en comparaciones mutuas internacionales de estándares secundarios de unidades de masa. En 1989 defendió su tesis y obtuvo el título académico de Candidato en Ciencias Técnicas. Autor de más de 40 publicaciones científicas y de una serie de normas fundamentales en el campo de la metrología de masas. Es el desarrollador de GOST 8.021-84 “GSI. Norma primaria estatal y esquema de verificación de toda la Unión para instrumentos de medición de masas”. Actualmente, debido a la reorganización de la estructura de los laboratorios y departamentos científicos, Viktor Savelyevich Snegov trabaja como investigador principal en el VNIIM que lleva su nombre. DI. Mendeleev. Es el custodio científico del Estándar Primario Estatal de la Unidad de Masa.
Una unidad de medida flotante es un gran obstáculo para el progreso científico y tecnológico y afecta negativamente a los resultados del trabajo de precisión. Por tanto, el problema más urgente para la comunidad metrológica hoy es el problema de cambiar el prototipo del kilogramo. Hasta el momento se han propuesto dos opciones alternativas para definir la unidad de masa mediante constantes físicas: el kilogramo “eléctrico” y el kilogramo “químico”...
El custodio científico del prototipo ruso del kilogramo, V. S. Snegov, informa a los lectores de "El mundo de las mediciones" sobre la situación actual y las perspectivas de desarrollo de la metrología fundamental en este ámbito.
Las escamas eran conocidas en el Antiguo Egipto y Oriente Medio varios miles de años antes de Cristo, como lo demuestran las pinturas murales encontradas durante las excavaciones arqueológicas de las pirámides egipcias: representan las escamas basculantes de brazos iguales más simples con dos copas suspendidas del centro del balancín. También se han encontrado pesas utilizadas por los antiguos egipcios.
La teoría de las escalas, en particular la teoría de las escalas de balancín, también fue estudiada por científicos de la antigua Grecia. Arquímedes fue el primero en construir balanzas hidrostáticas (siglo III a. C.). Con su ayuda, fue posible pesar varios metales tanto en aire como en líquido, lo que permitió a Arquímedes crear una escala de metales que tenían el mismo peso en el aire, pero diferentes pesos en el agua. Naturalmente, se eligió el oro como metal de referencia.
Durante muchos milenios, la gente no distinguió entre los conceptos de "masa" y "peso". El concepto de “masa” fue introducido por primera vez en la física por I. Newton (1643-1727), definiéndola como la cantidad de materia*. La masa estaba incluida en la ley de la gravitación universal y en la segunda ley de la dinámica descubierta por él. En consecuencia, se introdujeron los conceptos de "masa pesada" y "masa inercial". El principio de equivalencia de estas masas ha sido probado repetidamente y no ha sido refutado hasta el día de hoy con un nivel de precisión de aproximadamente 1,10 -12. A. Lagrange, L. Euler, A. Einstein y otros contribuyeron a la comprensión de la masa como cantidad física. Resultó que la masa no siempre tiene la propiedad de aditividad**, y a velocidades comparables a la velocidad de la luz. , depende de la velocidad. Por otro lado, la masa tiene un equivalente energético, es decir se puede considerar como un contenedor de energía.
Por tanto, la masa es una cantidad física fundamental inherente a todo tipo de materia. Está asociado con características de la materia como el espacio y el tiempo. Ambas partículas elementales tienen masa, entre 10 y 30 kg, y los objetos espaciales, como nuestra galaxia, entre 10 y 40 kg. La masa de los objetos del micromundo suele expresarse en unidades de masa atómica. La unidad de masa atómica (uma) se determina mediante la masa del isótopo de carbono 12 C. La masa de los objetos macrocósmicos se expresa mediante la masa del Sol MC. Por tanto, la mayoría de las galaxias del Universo tienen una masa del orden de (1·10 10 ...3·10 11) MC.
Por supuesto, en el microcosmos y en el espacio existe el concepto de peso y, por tanto, de pesaje (determinación de la masa de los cuerpos mediante balanzas). Nota editar.) pierden su significado. Se han adoptado otros métodos de medición en estas áreas. El área de pesaje, donde son habituales los métodos de medición directa, cubre un rango de masas que va desde fracciones de un microgramo hasta varios miles de toneladas.
Ya en el mundo Antiguo se comprendía la importancia de los sistemas de unidades de peso.
En la Edad Media y posteriormente, las unidades de peso se utilizaban a menudo como unidades monetarias: un ejemplo es el sistema monetario inglés liderado por la libra comercial inglesa***. Además, en Gran Bretaña se utilizaban monedas y libras de boticario.
En el siglo XVIII, en Europa y Rusia se utilizaban muchas unidades de peso diferentes; sólo en Europa se formaron varias docenas de libras. (En Rusia, la base del sistema de unidades de peso era la libra rusa). Esto creó grandes dificultades para evaluar los resultados de las mediciones e inevitablemente complicó el comercio entre diferentes naciones.
En este sentido, surgieron propuestas para crear un sistema internacional unificado de unidades de cantidades, que sería adecuado "para todos los tiempos, para todos los pueblos", este fue el lema que guió a los creadores del sistema métrico de unidades.
Este sistema de pesos y medidas se basaba en el principio de naturalidad: las medidas y unidades de peso debían tomarse de la naturaleza y por tanto podían reproducirse en cualquier lugar y en cualquier momento. Se propuso una cuarentamillonésima parte del meridiano terrestre como unidad de longitud, un metro, y como unidad de masa, un kilogramo, la masa de un decímetro cúbico de agua destilada a una temperatura de +4 o C en condiciones de vacío. . Luego (en 1799) se fabricaron prototipos de platino del metro y el kilogramo, más tarde llamados de archivo.
La definición elegida de kilogramo resultó no ser del todo exitosa, porque dependía del medidor. Finalmente, en 1872, una comisión internacional convocada por iniciativa de la Academia de Ciencias de San Petersburgo adoptó una nueva definición del kilogramo: el kilogramo pasó a ser simplemente igual a la masa del kilogramo de archivo. Perdió su conexión con el medidor, pero perdió su naturalidad, como resultado del rechazo del prototipo (estándar), tomado de la naturaleza, y su reemplazo por un producto “hecho por el hombre”. Ese mismo año se decidió crear prototipos de platino-iridio del metro y del kilogramo, que tenían propiedades mecánicas más altas.
En 1875, tuvo lugar un acontecimiento histórico en París: representantes de 17 estados, incluida Rusia, firmaron una convención métrica que aprobó los prototipos de platino-iridio como estándares internacionales. Como unidad de masa se tomó la masa del Prototipo Internacional del Kilogramo (IPK), almacenado en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) en Sèvres, uno de los suburbios de París.
Un kilogramo se denota como k I y es un cilindro recto con un diámetro y una altura de unos 39 mm, hecho de una aleación de platino e iridio con fracciones de masa del 90% y 10%, respectivamente. Esta aleación, creada como resultado de una larga investigación, tiene una gran inercia química, alta dureza y resistencia al desgaste, tiene un coeficiente de expansión térmica relativamente bajo, alta densidad y tiene propiedades paramagnéticas. Dentro del error de medición k Mi masa coincidió exactamente con la masa del kilogramo de archivo.
En 1889, Mattei, Johnson and Co. produjeron 42 ejemplares del kilogramo. k Yo de la misma aleación de platino-iridio. Por decisión de la primera Conferencia General del Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM GC), dos ejemplares k II y k III fueron transferidos al BIPM como copias del IPC. Posteriormente se les añadieron 4 ejemplares más. Los 40 ejemplares restantes se distribuyeron entre los estados que firmaron la Convención del Metro. Incluyendo dos copias fueron transferidas a Rusia: No. 12 (Fig. 1) y No. 26.
La copia No. 12 sirve como prototipo nacional del kilogramo, y la copia No. 26 sirve como testigo estándar, que en caso de daño o pérdida de la copia No. 12 puede reemplazarlo.
En 1892, todos los ejemplares fueron examinados y comparados con el Prototipo Internacional del Kilogramo, como resultado de lo cual se determinaron sus correcciones en relación con la masa del IPC (su masa se tomó exactamente igual a 1 kg) y los valores. de sus volúmenes.
En 1893 tuvo lugar otro acontecimiento importante en Rusia: por iniciativa de D.I. Mendeleev, se estableció en San Petersburgo la Cámara Principal de Pesos y Medidas, que posteriormente se transformó en el Instituto de Investigación de Metrología de toda Rusia. Desde 1893, en el VNIIM se utiliza el prototipo nacional del kilogramo, una copia del prototipo internacional del kilogramo nº 12. DI. Mendeleev para la reproducción, almacenamiento y transmisión del tamaño de una unidad de masa en Rusia. La reproducción de una unidad de masa, realizada mediante comparaciones periódicas del prototipo nacional con el IPC, permite garantizar la uniformidad de las mediciones de masa en el país con el nivel de precisión requerido. Durante todo el período se realizaron cinco comparaciones del ejemplar nº 12 con el Prototipo Internacional del Kilogramo. Los resultados de estas comparaciones se muestran en la Fig. 2: el valor de masa real obtenido de las comparaciones del ejemplar No. 12 con el IPC de 1993 en el BIPM es 1 kg + 0,100 mg; el error de los resultados de la medición no supera los 0,0023 mg, el error relativo es 2 · 10 -9.
Actualmente, el estándar primario estatal de una unidad de masa es un complejo de los siguientes instrumentos de medición:
- prototipo nacional del kilogramo - ejemplar No. 12 IPC;
- testigo estándar del prototipo nacional del kilogramo - copia No. 26 del IPC;
- un conjunto de comparadores para transferir el tamaño de una unidad de masa en el rango de 1 mg a 20 kg.
La transferencia de una unidad de 1 kg a la región de masas más pequeñas se lleva a cabo mediante el método de división en valores fraccionarios, y a la región de masas grandes, mediante el método de multiplicación en múltiples valores de un kilogramo utilizando medidas acumulativas. .
En este caso, el sistema de ecuaciones de medida en forma matricial tiene la forma:
Yo = AX + V , (1)
Dónde I – vector de parámetros medidos, es decir diferencias correspondientes en las masas de pesas o sus combinaciones; A - una matriz de diseño que determina el orden y secuencia de las comparaciones; X – vector de parámetros desconocidos, es decir correcciones de pesos comparados; V – vector de errores residuales.
Estas mediciones acumulativas suelen realizarse cada diez días. En cada década, las mediciones se realizan en un comparador, por lo que las mediciones son igualmente precisas con dispersión S 2 .
Los parámetros medidos se caracterizan por una matriz con variaciones. D, que tiene la forma D= S 2 mi , Dónde mi - matriz de identidad.
En este caso, la solución a la ecuación (1) tiene la siguiente forma:
X = (A* t A*) -1 A* t I*, (2)
Dónde A * = D -1/2 A Y I * = D -1/2 I ; A * t – matriz transpuesta A* .
Como resultado de resolver un sistema simple de ecuaciones, se encuentran los valores desconocidos de la masa de las pesas de los conjuntos calibrados. Las masas de las pesas de las restantes décadas de conjuntos se encuentran de la misma forma, asegurando la transmisión de una unidad en el rango establecido.
Un comparador puede definirse como un dispositivo técnico diseñado para comparar una cantidad física con otra cantidad homogénea. Mostrado en la Fig. 3 comparador automático principal para 1 kg le permite realizar comparaciones de cuatro kilogramos a la vez en modo automático, es decir. sin intervención humana. Su sensibilidad es igual a una milmillonésima en unidades relativas.
El cambio sistemático en la masa del kilogramo nº 12 durante más de cien años fue de unos 30 microgramos, es decir. 0,3 mcg al año en relación con la MIC. Las copias restantes de platino-iridio también cambiaron en comparación con el MPC en una cantidad de aproximadamente 20...50 μg. Dado que el kilogramo es una de las siete unidades básicas del sistema internacional de unidades CI (transcripción francesa. – Auto.), entonces podemos suponer que la mayoría de las cantidades derivadas de masa también deberían cambiar. Estos cambios acumulativos en el kilogramo pueden conducir eventualmente a la llamada crisis del sistema técnico. Afortunadamente, hay dos razones por las que estos cambios no tienen consecuencias prácticas:
1) la precisión de las cantidades derivadas determinadas en términos de kilogramo es significativamente menor que sus cambios esperados;
2) las definiciones de unidades de CI son muy diferentes de su implementación práctica. Por ejemplo, un metro se define como la distancia que recorre la luz en el vacío en un tiempo igual a 1/299792458 s. Sin embargo, la implementación práctica del medidor se basa en el uso de un láser de helio-neón, y la unidad de longitud "metro" se caracteriza (no se define) como 1579800,298728 longitudes de onda de luz de este láser. Supongamos ahora que las mediciones oficiales mostraran una inestabilidad de unas pocas partes por mil millones.
No se produce ningún efecto automático sobre el metro unitario de longitud, ya que el segundo y, por tanto, el metro se abstraen mediante la implementación práctica del contador mediante láser. Lo mismo ocurre con el kilogramo.
Dado que los cambios en la masa del Prototipo Internacional en sí no se pueden controlar, en los años 70 del siglo pasado se comenzaron a realizar investigaciones sobre la transición a un estándar natural de una unidad de masa, en función de su conexión con la física atómica o fundamental. constantes. Un kilogramo se puede definir en términos de masa de átomos, por ejemplo en términos de masa de átomos de silicio. Para ello es necesario conocer la constante de Avogadro con una precisión muy alta, del orden de 2,10 -8. Otra forma es determinar el kilogramo mediante la constante de Planck comparando la potencia eléctrica y mecánica en una escala de vatios. Se han logrado avances significativos en esta dirección, y en la 94ª reunión celebrada en 2005, el CIPM adoptó una recomendación de que se deberían hacer preparativos para la redefinición del kilogramo y otras tres unidades básicas (amperio, kelvin y mol) de modo que estas unidades sean vinculados a unidades fundamentales conocidas con precisión. Esto permitiría la implementación práctica de la unidad en cualquier lugar, en cualquier momento y con el nivel de precisión requerido por la práctica. Después de una transición exitosa en el futuro hacia una nueva definición del kilogramo y una nueva forma correspondiente de reproducirlo, los métodos y medios de transmisión de la unidad seguirán siendo los mismos, porque Las pesas de precisión son medios de medición de masa de diseño simple, relativamente económicos y muy estables. Sólo cambiarán la definición, el método de reproducción del kilogramo y las condiciones de transferencia y almacenamiento de copias de platino-iridio. Como resultado, el kilogramo perderá su precisión absoluta: se le asignará cierta incertidumbre, pero adquirirá naturalidad y reproducibilidad, y las constantes físicas correspondientes se fijarán con absoluta precisión.
Tras la transición a la nueva definición del kilogramo, el sistema internacional de transferencia de unidades de masa sufrirá cambios significativos (Fig. 4): se trasladará a través de básculas de vatios o esferas de silicio al prototipo internacional del kilogramo. A Yo y de ahí a los prototipos nacionales. Dado que la transferencia de una unidad desde escalas de vatios o esferas de silicio de MPC debe realizarse en condiciones de vacío, la transferencia de una unidad de MPC a prototipos nacionales de platino-iridio también se realizará en condiciones de vacío. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de que los países con kilogramos de platino-iridio pasen al pesaje al vacío. Esto permitirá, por un lado, permanecer en el sistema global de transmisión de unidades y, por otro lado, aumentar en un orden de magnitud la precisión del estándar primario estatal de la unidad de masa debido a la eliminación del El factor que más influye en los resultados del pesaje es el aire atmosférico. Hoy en día, más de 16 países tienen comparadores de vacío, incluidos nuestros vecinos más cercanos: Turquía y la República Checa. Por supuesto, existen comparadores similares en países líderes como EE.UU., Japón, Alemania, etc.
Literatura
1. Braginsky V.B., Panov V.I. Verificación del principio de equivalencia de masas inerciales y gravitacionales // Revista de Física Experimental y Teórica. – 1972. – N° 34.
2. Zavelsky F.S. Masa y sus medidas. – M.: Atomizdat, 1974.
3. Kamenskikh Yu.I., Snegov V.S. Estado actual del estándar primario estatal de una unidad de masa // Tecnología de medición. – 2009. – N° 6.
4. GOST 8.021–2005. GSI. Esquema estatal de verificación de instrumentos de medida de masa.
5. GOST 7328–2001. Pesas rusas. Condiciones técnicas generales.
6. Molinos I. M. e. a. // Metrología. – 2006. – N° 43. – Pág. 227.
* El peso de un cuerpo en la mecánica clásica se interpreta como la fuerza con la que el cuerpo, por su atracción hacia la Tierra, actúa sobre un soporte o suspensión horizontal. – Aprox. ed.
** Aditividad (del latín additivus - agregado) (matemáticas), propiedad de las cantidades, que consiste en el hecho de que el valor de una cantidad correspondiente al objeto completo es igual a la suma de los valores de las cantidades correspondientes a sus partes. para cualquier división del objeto en partes.
*** 1 libra comercial inglesa equivale a 453,59 g.
