lunes, 27 de septiembre de 2010

Historia del Sistema Internacional de Medidas

EL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES


Su Historia y uso en la Ciencia y la Industria.

por Robert A. Nelson.

(Traducción: Claudio Angel García Casado. Madrid, octubre de 2000.)

ORIGEN DEL SISTEMA MÉTRICO. PATRONES MÉTRICOS.

REACCIÓN EN LOS ESTADOS UNIDOS. UNIDADES MÉTRICAS EN LA INDUSTRIA.



El 23 de septiembre de 1999, el "Mars Climate Orbiter" se perdió durante una maniobra de entrada en órbita cuando el ingenio espacial se estrelló contra Marte. La causa principal del contratiempo fue achacada a una tabla de calibración del propulsor, en la que se usaron unidades del sistema británico en lugar de unidades métricas. El software para la navegación celeste en el Laboratorio de Propulsión del Chorro esperaba que los datos del impulso del propulsor estuvieran expresados en newton segundo, pero Lockheed Martin Astronautics en Denver, que construyó el Orbiter, dio los valores en libras de fuerza segundo, y el impulso fue interpretado como aproximadamente la cuarta parte de su valor real. El fallo fue más sonado por la pérdida del ingenio espacial compañero "Mars Polar Lander", debido a causas desconocidas, el 3 de diciembre.


El incidente vuelve a poner en escena una controversia que ha existido en los Estados Unidos desde el principio del programa espacial, acerca del uso de las unidades de medida métricas o británicas. Para dar una perspectiva del asunto, este artículo revisa la historia del sistema métrico y su versión moderna, el Sistema Internacional de Unidades (SI). Se contempla el origen y evolución de las unidades métricas, y el papel que han representado en los Estados Unidos. Se añaden detalles técnicos y definiciones para referencia. Finalmente, se examina el uso de las unidades métricas en la industria satelital.

ORIGEN DEL SISTEMA MÉTRICO.

El sistema métrico fue una de las muchas reformas aparecidas durante el periodo de la Revolución Francesa. Entre 1789 y 1799. Ningún otro aspecto de la ciencia aplicada afecta al curso de la actividad humana tan directa y universalmente.

Antes del sistema métrico, existió en Francia una variedad de medidas de longitud, volumen o masa que eran arbitrarias en tamaño y variables de una ciudad a la vecina. En Paris la unidad de longitud era el Pied de Roi y la unidad de masa era la Livre poids de marc. Estas unidades se remontarían a tiempos de Carlomagno. Y todos los intentos para imponer las unidades "parisinas" en toda la nación fueron vanos, porque los gremios y nobles, que se beneficiaban de la confusión, se opusieron a ello.

Los propulsores de la reforma pretendían garantizar la uniformidad y permanencia de las unidades de medida tomándolas de propiedades derivadas de la Naturaleza. En 1670, el abad Gabriel Mouton de Lyon propuso una unidad de longitud igual a un minuto de arco de la superficie de la Tierra, la cual dividió en fracciones decimales. Sugirió un péndulo de periodo especificado como un medio de preservar uno de estos submúltiplos.

Las condiciones requeridas para la creación de un nuevo sistema de medidas se hicieron posibles debido a la Revolución Francesa, un hecho que inicialmente provocó una crisis financiera nacional. En 1787, el Rey Louis XVI congregó los Estados Generales, una institución que tuvo su ultima sesión en 1614, con el propósito de imponer nuevos impuestos para evitar un estado de bancarrota. Cuando se reunieron en 1789, los comuneros, representantes del Tercer Estado, se declararon a sí mismos los únicos representantes legítimos del pueblo, y tuvieron éxito reuniendo con ellos al clero y la nobleza en la formación de la Asamblea Nacional. Durante los siguientes dos años, escribieron el borrador de una nueva constitución.

En 1790, Charles-Maurice de Talleyrand, Obispo de Autun, presentó a la Asamblea Nacional un plan para diseñar un sistema de unidades basado en la longitud de un péndulo que marcara segundos en la latitud 45º. El nuevo orden fue vislumbrado como una "empresa cuyos resultados pertenecerán algún día a todo el mundo". Pretendió, pero no llegó a obtener, la colaboración de Inglaterra, que estaba en aquellos momentos considerando una propuesta similar de Sir John Riggs Miller.

Los dos principios fundacionales eran que el sistema estuviera basado en observación científica y que fuera un sistema decimal. Una comisión de distinguidos de la Academia Francesa de las Ciencias, incluyendo a J. L. Lagrange y Pierre Simon Laplace, se encargaron de la unidad de longitud. Rechazando el péndulo de segundos por no ser suficientemente preciso, la comisión definió la unidad, y le dio el nombre de metro en 1793, como una diezmillonésima de la cuarta parte del meridiano terrestre que pasa por París. La Asamblea Nacional aceptó la propuesta el 26 de marzo de 1791.

La definición del metro reflejaba el gran interés de los científicos Franceses en la figura de la Tierra. Planimetrías hechas en Laponia por Pierre Louis Maupertuis en 1736 y en Francia por Nicolas Lacaille en 1740 habían refinado el valor del radio terrestre y establecido definitivamente que la forma de la tierra era achatada. Otros arcos de meridiano fueron medidos en Perú en 1735-1743 y en el Cabo de Buena Esperanza en 1751.

Para determinar la longitud del metro, los astrónomos Jean Baptiste Delambre y PFA Mechain dirigieron una nueva prospección entre Dunkerke, en el Canal de la Mancha en Francia, y Barcelona, España, en la Costa Mediterránea. Este trabajo fue comenzado en 1792 y completado en 1798, resistiendo las tribulaciones del "reino del terror" y el torbellino de la revolución. Ahora sabemos que el cuadrante de la Tierra es 10.001.966 metros (en el modelo WGS 84), en lugar de exactamente 10.000.000 de metros como fue inicialmente planeado. La principal fuente de error fue el valor que asumieron en la planitud de la tierra y que usaron para corregir el achatamiento.

La unidad de volumen, la pinte (luego renombrada como litro), se definió como el volumen de un cubo de lado igual a la décima parte del metro. La unidad de masa: el grave (renombrado después como kilogramo), se definió como la masa de una pinta de agua destilada a la temperatura de fusión del hielo. Adicionalmente fue adoptada la escala de grados centígrados para temperatura, con puntos fijados a 0ª y 100ºC correspondientes a los puntos de congelación y ebullición el agua (ahora convertida en la escala Celsius).

El trabajo para determinar la unidad de masa fue asignado a Antoine-Laurent Lavoisier, el padre de la química moderna, y Rene-Just Hauy. En una simbólica tragedia del periodo, Lavoisier fue guillotinado por un tribunal revolucionario en 1794. Las medidas fueron completadas por Louis Lefevre-Gineau y Giovanni Fabroni en 1799. Sin embargo, encontraron que no podían enfriar agua líquida a exactamente 0ºC y que la máxima densidad sucede a 4ºC, no a 0ºC como se había supuesto. Sin embargo, la definición del kilogramo fue enmendada para especificar la temperatura de máxima densidad. Sabemos ahora que la masa pretendida era 0,999972 kg., es decir, 1000,028 cm3, en lugar de exactamente 1000 cm3 para el volumen de 1 kilogramo de agua pura a 4ºC.

El 1º de agosto de 1793, la Convención Nacional, que entonces regía Francia, aplicó un decreto adoptando las definiciones y términos preliminares. La nomenclatura "metódica", especificando múltiplos y fracciones de las unidades con prefijos latinos y griegos, se escogieron a favor de una nomenclatura común, envolviendo nombres separados.

Un nuevo calendario se estableció por una ley de 5 Octubre de 1793. El principio de su vigencia fue retroactivamente diseñado como el 22 de Septiembre de 1792, para conmemorar el derrocamiento e la monarquía y la proclamación de la República de Francia. El Calendario Revolucionario Francés consistía en 12 meses de 30 días cada uno, concluyendo con una vacación de 5 o 6 días. A los meses les fueron dados nombres poéticos que sugerían las estaciones predominantes. Cada mes fue dividido en tres semanas de 10 días, o décadas. El mismo día fue dividido en fracciones decimales, con 10 horas por día, 100 minutos por hora y 1000 segundos por minuto. El calendario fue motivado políticamente, más que científicamente, dado que e la intención era disminuir la influencia de la Cristiandad. Fue abolido por Napoleón en 1806 a cambio del reconocimiento por la Iglesia de su autoridad como Emperador de Francia. Aunque la reforma del calendario se mantuvo durante 12 años, el nuevo método de llevar la hora del día requería la sustitución de relojes valiosos y piezas de tiempo y nunca fue realmente usado en la práctica.

El sistema métrico se adoptó oficialmente el 7 de abril de 1795. El gobierno gestó un decreto (Loi du 18 germinal, an III) formalizando la adopción de las definiciones y términos que están hoy en uso. Se construyó una barra de metal para representar el metro provisional, obtenido de las mediciones de Lacaille , y se derivó un modelo provisional para el kilogramo.

Una conferencia científica incluyendo representantes de los Países Bajos, Suiza, Dinamarca, España e Italia, además de Francia, se celebró de 1798 a 1799 para validar los cálculos y diseñar prototipos modelos. Se construyeron patrones permanentes de platino para el metro y el kilogramo. Estos modelos fueron depositados en los Archivos de la República. Se hicieron oficiales por un acta de 10 de diciembre de 1799.

Durante la era de Napoleón hubo acontecimientos regresivos que temporalmente reavivaron las viejas tradiciones. Por lo tanto a pesar de su comienzo esperanzador, el sistema métrico no fue rápidamente adoptado en Francia. Aunque el sistema continuaba siendo enseñado en las escuelas, la falta de fondos impidió la distribución de modelos secundarios. Finalmente, después de un periodo de transición de tres años, el sistema métrico se convirtió en obligatorio en toda Francia el 1 de Enero de 1840.

REACCIÓN EN LOS ESTADOS UNIDOS.

La importancia de un sistema uniforme de peso y medida fue reconocido en los Estados Unidos como en Francia. El Artículo 1, Sección 8 del la Constitución de los EE. UU. indica que el Congreso tendrá el poder "de acuñar moneda.. y fijar el modelo patrón de pesos y medidas". Sin embargo, aunque el concepto progresivo de moneda decimal fue introducido, los primeros colonos americanos retenían y cultivaban las costumbres y herramientas de su herencia británica, incluídas las medidas de longitud y masa. En contraste con la Revolución Francesa, la "Revolución Americana" no fue para nada una revolución, sino más bien una guerra de independencia.

En 1790, el mismo año que Talleyrand propuso la reforma métrica en Francia, el presidente George Washington delegó el tema de pesos y medidas en su secretario de estado, Thomas Jefferson. En un informe sometido a la Cámara de Representantes, Jefferson consideró dos alternativas: si las medidas existentes fueran conservadas, podrían adaptarse para ser más simples y uniformes, o si un nuevo sistema fuera adoptado, se inclinaba por un sistema decimal basado en el principio del péndulo de segundos. Tal como fue provisionalmente formulado, Jefferson no sostuvo el sistema métrico, principalmente porque la unidad de medida métrica no podría ser comprobada sin una gran operación científica en suelo europeo.

La situación política al final del siglo XVIII también hacía no práctica la consideración del sistema métrico. Aunque la Francia de Louis XVI había apoyado a las colonias en la guerra con Inglaterra, sobre 1797 la relación era de manifiesta hostilidad. El clima revolucionario en Francia era visto por el mundo exterior con una mezcla de curiosidad y alarma. El Directorio había sustituido a la Convención Nacional, y los funcionarios franceses que habían mostrado simpatía hacia los Estados Unidos o bien habían sido ejecutados o estaban exiliados. Por lo demás, un tratado negociado con Inglaterra por John Jayh en 1795 acerca de ocupación de los Territorios del Noroeste y comercio con las Indias Occidentales británicas fue interpretado por Francia como evidencia de una alianza Anglo Americana. Francia se vengó permitiendo a sus barcos atacar navíos mercantes americanos y el presidente federalista John Adams se preparó para una invasión francesa. Por consiguiente en 1798, cuando dignatarios de países extranjeros se reunieron en París para aprender del progreso francés con la reforma metrológica, los Estados Unidos no fueron invitados.

Una investigación definitiva fue preparada en 1821 por el Secretario de Estado John Quincy Adams que sirvió para retirar este asunto de posteriores consideraciones en los próximos 45 años. Encontró que los patrones de longitud, volumen y masa usados por los 22 estados de la Unión eran ya sustancialmente uniformes, al contrario de las dispares medidas que habían existido en Francia antes de la Revolución francesa. Más aun, no era del todo evidente que el sistema métrico sería permanente, dado que incluso en Francia su uso era esporádico y, de hecho, la terminología consistente había sido derogada en 1812 por Napoleón. Por consiguiente, si el sistema métrico falló en hallar apoyo en la primera América, no fue por falta de deseo de su reconocimiento.

No hubo otra consideración seria del sistema métrico hasta después de la Guerra Civil. En 1866, bajo la supervisión de la Academia Nacional de Ciencias, el sistema métrico fue hecho legal por el 390 Congreso. El Presidente Andrew Johson firmó el Acta como ley el 28 de Julio.



TRATADO DEL METRO.



Una serie de exposiciones internacionales a mitades del siglo diecinueve permitieron al gobierno francés promover el sistema métrico para el uso mundial. Entre 1870 y 1872, con una interrupción causada por la Guerra franco-prusiana, se celebró una reunión internacional de científicos para considerar el diseño de nuevos modelos métricos internacionales que sustituyera al metro y al kilogramo de los archivos franceses. Se decidió una conferencia Diplomática sobre el Metro para ratificar la decisión científica. Fue asegurada aprobación internacional formal por el Tratado del Metro, firmado en Paris por los delegados de 17 países, incluidos los Estados Unidos, el 20 de mayo de 1875.



El tratado establecía la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM). También se decidió la creación de un comité Internacional para Pesos y Medidas (CIPM) para llevar la oficina, y la Conferencia General de Pesos y Medidas como el cuerpo diplomático formal que ratificara los cambios que fueran precisos. El gobierno francés ofreció el Pavillon de Breteuil, antiguo pequeño palacio real, para servir de sede para la Oficina en Sèvres, cerca de País. Estos parajes forman un diminuto enclave internacional dentro de territorio francés.



Los primeros tres kilogramos se hicieron en 1880 y uno fue escogido como el prototipo internacional. En 1884 fueron fabricados 40 barras de kilogramo y 30 metros, con una aleación de 90 por ciento de platino y 10 por ciento de iridio por Johnson, Mathey and Co. de Londres. El metro y kilogramo originales de los Archivos Franceses en su estado conservado fueron el punto de partida. Los modelos fueron intercomparados en la Oficina Internacional. Una barra de metro particular, la número 6, fue seleccionada como prototipo internacional. Los restantes patrones fueron distribuidos entre los signatarios. La primera Conferencia General de Pesas y Medidas aprobó el trabajo en 1889.

Los Estados Unidos recibieron los metros 21 y 27 y los kilogramos 4 y 20. El 2 de enero de 1890 los sellos de las cajas embarcadas para el metro 27 y el kilogramo 20 fueron abiertas en una ceremonia oficial en la Casa Blanca con el presidente Benjamin Harrison. Los modelos fueron depositados en la Oficina de Pesos y Medidas de la Vigilancia de Costas y Geodesia de los Estados Unidos.



UNIDADES U.S. USUALES.



Las unidades usuales de los EEUU. están ligadas a las unidades británicas y francesas por una variedad de comparaciones indirectas.

"Troy peso" era el modelo para la acuñación de monedas. El Congreso podría ser ambivalente sobre la no uniformidad en los modelos para comerciar, pero no podría tolerar falta de uniformidad en sus patrones para dinero. Por consiguiente, en 1827 una copia de bronce de la libra troy británica de 1758 fue asegurada por el Embajador en Inglaterra y antiguo Secretario del Tesoro, Albert Gallatin. Este modelo fue guardado en la casa de la moneda de Filadelfia y unas pocas copias fueron hechas y distribuidas a otras casas de moneda. La libra troy de Filadelfia fue virtualmente el modelo primario para transacciones comerciales hasta 1857 y siguió siendo el patrón para monedas hasta 1911.

Los patrones semioficiales usados en el comercio durante un cuarto de siglo pueden atribuirse a Ferdinand Hassler, que fue nombrado superintendente de la nuevamente organizada Vigilancia de costas en 1807. En 1832 el Departamento del Tesoro encargó a Hassler construir y distribuir a los estados, modelos de longitud, masa y volumen, y balanzas con las cuales las masas pudieran ser comparadas. Como patrón de longitud, Hassler adoptó la estaca Troughton: una barra de bronce de 82 pulgadas hecha por Troughton of London para la vigilancia de Costas que Hassler había traído de Europa en 1815. La distancia entre las líneas 27 y 63 gravadas en una incrustación y escala de plata en el centro de la barra fue tomada como igual a la yarda británica. El patrón de masa era la libra "avoirdupois", derivada de la libra troy de la Casa de la Moneda de Filadelfia por la razón 7000 granos a 5750 granos. Estaba representado por un peso pomo de bronce que Hassler construyó y marcó con una estrella. De ahí viene el ser conocida como la libra "star" (estrella).

El sistema de pesas y medidas en Gran Bretaña había estado en uso desde el reinado de Isabel I. Después de una reforma comenzada en 1824, el patrón imperial libra "avoirdupoids" fue hecho el patrón de masa en 1844 y la yarda estandar imperial fue adoptada en 1855. Los patrones imperiales fueron hechos legales por una Acta del Parlamento en 1855, y son guardados en el Board of Trade de Londres. Los Estados Unidos recibieron copias de la libra y la yarda imperiales británicas, que se convirtieron en los patrones oficiales de 1857 hasta 1893.


Cuando se hizo legal el sistema métrico en los Estados Unidos en 1866, se estableció una resolución adjunta para distribuir modelos métricos por los estados. El Departamento del Tesoro tenía en su posesión varias copias derivadas del metro y el kilogramo de los Archivos Franceses. Estos incluían el metro y kilogramo "Committee", que eran un modelo acabado en hierro y un cilindro de bronce con agarradera copiados de los prototipos franceses, que Hassler había traído consigo cuando inmigró a los Estados Unidos en 1805. Los había recibido como regalo de su amigo, J. G. Tralles, que era el representante suizo en la convocatoria métrica francesa de 1798 y un miembro de su comité de pesas y medidas. También estaba disponible el metro y kilogramo "Aragó", nombrados según el físico francés que los certificó. Los Estados Unidos los compraron en 1821 a través de Albert Gallatin, entonces ministro de Francia. El metro Committee y el kilogramo Arago fueron usados como prototipos para modelos métricos de bronce que fueron distribuidos a los estados.

En 1893, bajo una directiva de Thomas C. Mendenhall, Superintendente de los Estandar de Pesos y Medidas de la Vigilancia de Costas y Geodesia, las medidas usuales americanas fueron redefinidas en terminos de las unidades metricas. Los patrones primarios de longitud y masa adoptados fueron el metro prototipo 27 y el kilogramo 20 que los Estados Unidos habían recibido en 1889 como signatarios del tratado del Metro. La yarda fue definida como 3600/3937 metros y la libra-masa avoirdupois como 0,453 592 427 7 kilogramos. La conversión para la masa estaba basada en una comparación entre la libra British Imperial Standard y el kilogramo prototipo intermnacional fijado en 1883. La Oficina Nacional de Standards (ahora National Institute of Standards and Tecnology) usó estas definiciones desde su fundación en 1901 hasta 1959. El 1 de julio de 1959 las definiciones fueron fijadas por acuerdo internacional entre los países anglófonos como 1 yarda=0,9144 metros y una libra-masa=0,453592 37 kilogramos exactamente. La definición de la yarda es equivalente a las relaciones 1 pie=0,3048 metros y 1 pulgada=2,54 centímetros exactamente.

La unidad de fuerza derivada en el sistema británico es la libra-fuerza (lbf), que se define como el peso de una libra-masa(lbm) en una situación hipotética donde la aceleración de la gravedad tenga el valor de referencia de 9,80665 m/s2 exactamente. Por lo tanto, 1 lbf = 0,45359237 kg * 9,80665 m/s = 4,448 Newtons aproximadamente. El slug (sl) es la masa que recibe una aceleración de un pie por segundo cuadrado bajo una fuerza de una libra-fuerza. Por lo tanto 1 sl = (1 lbf)/(1 ft/s2) = (4,448 N)/(0,3048 m/s2) = 14,59 kg = 32,17 lbm aproximadamente.



El Dr. Robert A. Nelson, PE es presidente de Satellite Engineering Research Corporation, una firma consultora sobre ingeniería satelital radicada en Bethseda, MD. Es Editor Técnico de la revista Via Satellite.

Via Satellite, Febrero del 2000.-

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