Un sistema métrico es un sistema de medición que sucedió al sistema decimalizado basado en el medidor introducido en Francia en la década de 1790. El desarrollo histórico de estos sistemas culminó con la definición del Sistema Internacional de Unidades (SI), bajo la supervisión de un organismo de normalización internacional.
La evolución histórica de los sistemas métricos ha dado lugar al reconocimiento de varios principios. Cada una de las dimensiones fundamentales de la naturaleza se expresa mediante una única unidad de medida básica . La definición de unidades base se ha realizado cada vez más a partir de principios naturales, en lugar de copias de artefactos físicos. Para las cantidades derivadas de las unidades básicas fundamentales del sistema, se utilizan unidades derivadas de las unidades básicas; por ejemplo, el metro cuadrado es la unidad derivada del área, una cantidad derivada de la longitud. Estas unidades derivadas son coherentes , lo que significa que solo involucran productos de potencias de las unidades base, sin factores empíricos. Para cualquier cantidad dada cuya unidad tiene un nombre y símbolo especiales, se define un conjunto extendido de unidades más pequeñas y más grandes que están relacionadas por factores de potencias de diez. La unidad de tiempo debe ser la segunda ; la unidad de longitud debe ser el metro o un múltiplo decimal del mismo; y la unidad de masa debe ser el gramo o un múltiplo decimal del mismo.
Los sistemas métricos han evolucionado desde la década de 1790, a medida que la ciencia y la tecnología han evolucionado, proporcionando un único sistema de medición universal. Antes y además del SI, algunos otros ejemplos de sistemas métricos son los siguientes: el sistema de unidades MKS y los sistemas MKSA , que son los precursores directos del SI; el sistema centímetro-gramo-segundo (CGS) y sus subtipos, el sistema electrostático CGS (cgs-esu), el sistema electromagnético CGS (cgs-emu) y su aún popular combinación, el sistema gaussiano ; el sistema metro-tonelada-segundo (MTS) ; y los sistemas métricos gravitacionales , que pueden basarse en el metro o en el centímetro, y el gramo (-fuerza) o el kilogramo (-fuerza).
Fondo
La revolución francesa (1789-1799) brindó a los franceses la oportunidad de reformar su sistema arcaico y difícil de manejar de muchos pesos y medidas locales. Charles Maurice de Talleyrand defendió un nuevo sistema basado en unidades naturales, y propuso a la Asamblea Nacional francesa en 1790 que se desarrollara tal sistema. Talleyrand tenía la ambición de que se adoptara un nuevo sistema natural y estandarizado en todo el mundo y estaba dispuesto a involucrar a otros países en su desarrollo. Gran Bretaña ignoró las invitaciones a cooperar, por lo que la Academia de Ciencias de Francia decidió en 1791 hacerlo sola y estableció una comisión a tal efecto. La comisión decidió que el estándar de longitud debería basarse en el tamaño de la Tierra. Definieron esa longitud como el 'metro' y su longitud como una diez millonésima parte de la longitud de un cuadrante en la superficie de la Tierra desde el ecuador hasta el polo norte. En 1799, después de haber examinado la longitud de ese cuadrante, se lanzó el nuevo sistema en Francia. [1] : 145–149
Las unidades del sistema métrico, originalmente tomadas de características observables de la naturaleza, ahora están definidas por siete constantes físicas a las que se les dan valores numéricos exactos en términos de las unidades. En la forma moderna del Sistema Internacional de Unidades (SI), las siete unidades base son: metro para longitud, kilogramo para masa, segundo para tiempo, amperio para corriente eléctrica, kelvin para temperatura, candela para intensidad luminosa y mol para cantidad de sustancia. Estos, junto con sus unidades derivadas, pueden medir cualquier cantidad física. Las unidades derivadas pueden tener su propio nombre de unidad, como vatios (J / s) y lux (cd / m 2 ), o simplemente pueden expresarse como combinaciones de unidades base, como velocidad (m / s) y aceleración (m / s 2 ). [2]
El sistema métrico fue diseñado para tener propiedades que lo hagan fácil de usar y de amplia aplicación, incluidas unidades basadas en el mundo natural, proporciones decimales, prefijos para múltiplos y submúltiplos y una estructura de unidades base y derivadas. También es un sistema coherente , lo que significa que sus unidades no introducen factores de conversión que no estén ya presentes en las ecuaciones que relacionan cantidades. Tiene una propiedad llamada racionalización que elimina ciertas constantes de proporcionalidad en las ecuaciones de la física.
El sistema métrico es extensible y las nuevas unidades derivadas se definen según sea necesario en campos como la radiología y la química. Por ejemplo, en 1999 se añadió el katal , una unidad derivada de actividad catalítica equivalente a un mol por segundo (1 mol / s).
Principios
Aunque el sistema métrico ha cambiado y se ha desarrollado desde sus inicios, sus conceptos básicos apenas han cambiado. Diseñado para uso transnacional, consistía en un conjunto básico de unidades de medida , ahora conocidas como unidades base . Las unidades derivadas se construyeron a partir de las unidades base utilizando relaciones lógicas en lugar de empíricas, mientras que los múltiplos y submúltiplos de las unidades base y derivadas se basan en decimales y se identifican mediante un conjunto estándar de prefijos .
Realización
Las unidades base utilizadas en un sistema de medición deben ser realizables . Cada una de las definiciones de las unidades base en el SI va acompañada de una puesta en práctica definida [realización práctica] que describe en detalle al menos una forma en que se puede medir la unidad base. [4] Cuando fue posible, las definiciones de las unidades básicas se desarrollaron para que cualquier laboratorio equipado con los instrumentos adecuados pudiera realizar un estándar sin depender de un artefacto en poder de otro país. En la práctica, tal realización se realiza bajo los auspicios de un acuerdo de aceptación mutua . [5]
En el SI, el metro estándar se define como exactamente 1 / 299,792,458 de la distancia que recorre la luz en un segundo . La realización del metro depende a su vez de la realización precisa del segundo. Existen tanto métodos de observación astronómica como métodos de medición de laboratorio que se utilizan para realizar unidades del metro estándar. Debido a que la velocidad de la luz ahora se define exactamente en términos del medidor, una medición más precisa de la velocidad de la luz no da como resultado una cifra más precisa de su velocidad en unidades estándar, sino más bien una definición más precisa del medidor. Se considera que la precisión de la velocidad de la luz medida está dentro de 1 m / s, y la realización del medidor está dentro de aproximadamente 3 partes en 1,000,000,000, o una proporción de 0.3x10 −8 : 1.
El kilogramo se definió originalmente como la masa de un artefacto hecho por el hombre de platino-iridio que se conserva en un laboratorio en Francia, hasta que se introdujo la nueva definición en mayo de 2019 . Las réplicas hechas en 1879 en el momento de la fabricación del artefacto y distribuidas a los signatarios de la Convención del Metro sirven como estándares de facto de masa en esos países. Desde entonces, se han fabricado réplicas adicionales a medida que otros países se han unido a la convención. Las réplicas estaban sujetas a una validación periódica en comparación con el original, llamado IPK . Se hizo evidente que el IPK o las réplicas o ambos se estaban deteriorando, y ya no son comparables: habían divergido en 50 μg desde la fabricación, por lo que en sentido figurado, la precisión del kilogramo no era mejor que 5 partes en cien millones o un proporción de 5x10 −8 : 1. La redefinición aceptada de las unidades base del SI reemplazó al IPK con una definición exacta de la constante de Planck , que define el kilogramo en términos de segundo y metro.
Estructura de la unidad base y derivada
Las unidades base del sistema métrico se adoptaron originalmente porque representaban dimensiones ortogonales fundamentales de medida correspondientes a cómo percibimos la naturaleza: una dimensión espacial, una dimensión temporal, una para la inercia y, más tarde, una más sutil para la dimensión de una "sustancia invisible". "conocido como electricidad o, más en general, electromagnetismo. Se definió una y solo una unidad en cada una de estas dimensiones, a diferencia de los sistemas más antiguos donde prevalecían múltiples cantidades perceptivas con la misma dimensión, como pulgadas, pies y yardas u onzas, libras y toneladas. Las unidades para otras cantidades como área y volumen, que también son cantidades dimensionales espaciales, se derivaron de las fundamentales mediante relaciones lógicas, de modo que una unidad de área cuadrada, por ejemplo, era la unidad de longitud al cuadrado.
Muchas unidades derivadas ya estaban en uso antes y durante el tiempo en que evolucionó el sistema métrico, porque representaban abstracciones convenientes de cualquier unidad base definida para el sistema, especialmente en las ciencias. Así que las unidades análogas se escalaron en términos de las unidades del sistema métrico recién establecido, y sus nombres se adoptaron en el sistema. Muchos de estos se asociaron con el electromagnetismo. Otras unidades perceptivas, como el volumen, que no estaban definidas en términos de unidades base, se incorporaron al sistema con definiciones en las unidades base métricas, de modo que el sistema permaneció simple. Creció en número de unidades, pero el sistema mantuvo una estructura uniforme.
Razones decimales
Algunos sistemas habituales de pesos y medidas tenían proporciones duodecimales, lo que significaba que las cantidades eran convenientemente divisibles entre 2, 3, 4 y 6. Pero era difícil hacer aritmética con cosas como 1 ⁄ 4 de libra o 1 ⁄ 3 pie. No existía un sistema de notación para fracciones sucesivas: por ejemplo, 1 ⁄ 3 de 1 ⁄ 3 de pie no era una pulgada ni ninguna otra unidad. Pero el sistema de contar en proporciones decimales tenía notación, y el sistema tenía la propiedad algebraica de cierre multiplicativo: una fracción de una fracción, o un múltiplo de una fracción era una cantidad en el sistema, como 1 ⁄ 10 de 1 ⁄ 10 que es 1 ⁄ 100 . Entonces, una base decimal se convirtió en la relación entre los tamaños de las unidades del sistema métrico.
Prefijos de múltiplos y submúltiplos
En el sistema métrico, los múltiplos y submúltiplos de unidades siguen un patrón decimal. [Nota 1]
Prefijos métricos en el uso diario | |||
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Prefijo | Símbolo | Factor | Energía |
tera | T | 1 000 000 000 000 | 10 12 |
giga | GRAMO | 1 000 000 000 | 10 9 |
mega | METRO | 1 000 000 | 10 6 |
kilo | k | 1 000 | 10 3 |
hecto | h | 100 | 10 2 |
deca | da | 10 | 10 1 |
(ninguno) | (ninguno) | 1 | 10 0 |
deci | D | 0,1 | 10 −1 |
centi | C | 0,01 | 10 -2 |
mili | metro | 0,001 | 10 −3 |
micro | μ | 0.000 001 | 10 −6 |
nano | norte | 0.000 000 001 | 10 −9 |
pico | pag | 0.000 000 000 001 | 10 -12 |
Un conjunto común de prefijos basados en decimales que tienen el efecto de multiplicar o dividir por una potencia entera de diez se puede aplicar a unidades que son demasiado grandes o demasiado pequeñas para un uso práctico. El concepto de usar nombres clásicos consistentes ( latinos o griegos ) para los prefijos fue propuesto por primera vez en un informe de la Comisión Revolucionaria Francesa de Pesas y Medidas en mayo de 1793. [3] : 89–96 El prefijo kilo , por ejemplo, se usa para multiplicar la unidad por 1000, y el prefijo mili es para indicar una milésima parte de la unidad. Así, el kilogramo y el kilómetro son mil gramos y metros respectivamente, y un miligramo y un milímetro son una milésima de gramo y metro respectivamente. Estas relaciones se pueden escribir simbólicamente como: [6]
En los primeros días, a los multiplicadores que eran potencias positivas de diez se les daban prefijos derivados del griego como kilo- y mega- , y a los que eran potencias negativas de diez se les daban prefijos derivados del latín como centi- y mili- . Sin embargo, las extensiones de 1935 al sistema de prefijos no siguieron esta convención: los prefijos nano- y micro- , por ejemplo, tienen raíces griegas. [1] : 222–223 Durante el siglo XIX, el prefijo myria- , derivado de la palabra griega μύριοι ( mýrioi ), se utilizó como multiplicador para10 000 . [7]
Al aplicar prefijos a unidades derivadas de área y volumen que se expresan en términos de unidades de longitud al cuadrado o al cubo, los operadores de cuadrado y cubo se aplican a la unidad de longitud, incluido el prefijo, como se ilustra a continuación. [6]
1 mm 2 (milímetro cuadrado) | = (1 mm) 2 | = (0,001 m) 2 | = 0.000 001 m 2 |
1 km 2 ( kilómetro cuadrado ) | = (1 km) 2 | = (1000 m) 2 | = 1 000 000 m 2 |
1 mm 3 (milímetro cúbico) | = (1 mm) 3 | = (0,001 m) 3 | = 0,000 000 001 m 3 |
1 km 3 (kilómetro cúbico) | = (1 km) 3 | = (1000 m) 3 | = 1 000 000 000 m 3 |
Los prefijos no se utilizan generalmente para indicar múltiplos de un segundo mayores que 1; En su lugar, se utilizan las unidades no SI de minuto , hora y día . Por otro lado, los prefijos se utilizan para múltiplos de la unidad de volumen no SI, el litro (l, L), como mililitros (ml). [6]
Coherencia
Cada variante del sistema métrico tiene un grado de coherencia: las unidades derivadas están directamente relacionadas con las unidades base sin la necesidad de factores de conversión intermedios. [8] Por ejemplo, en un sistema coherente, las unidades de fuerza , energía y potencia se eligen para que las ecuaciones
fuerza | = | masa | × | aceleración |
energía | = | fuerza | × | distancia |
energía | = | energía | × | hora |
mantener sin la introducción de factores de conversión de unidades. Una vez que se ha definido un conjunto de unidades coherentes, otras relaciones en física que usan esas unidades serán automáticamente verdaderas. Por lo tanto, Einstein 's ecuación masa-energía , E = mc 2 , no requiere constantes extrañas cuando se expresa en unidades coherentes. [9]
El sistema CGS tenía dos unidades de energía, el ergio relacionado con la mecánica y la caloría relacionada con la energía térmica ; por lo que solo uno de ellos (el erg) podría tener una relación coherente con las unidades base. La coherencia fue un objetivo de diseño del SI, que dio como resultado que solo se definiera una unidad de energía: el joule . [10]
Racionalización
Las ecuaciones del electromagnetismo de Maxwell contenían un factor relacionado con los estereorradianes, representativo del hecho de que se puede considerar que las cargas eléctricas y los campos magnéticos emanan de un punto y se propagan por igual en todas las direcciones, es decir, esféricamente. Este factor apareció torpemente en muchas ecuaciones de la física que tratan de la dimensionalidad del electromagnetismo y, a veces, de otras cosas.
Sistemas métricos comunes
Se han desarrollado varios sistemas métricos diferentes, todos utilizando el Mètre des Archives y Kilogram des Archives (o sus descendientes) como sus unidades base, pero difieren en las definiciones de las diversas unidades derivadas.
Variantes del sistema métrico | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Segundo gaussiano y el primer sistema mecánico de unidades.
En 1832, Gauss utilizó el segundo astronómico como unidad base para definir la gravitación de la tierra y, junto con el gramo y el milímetro, se convirtió en el primer sistema de unidades mecánicas.
Sistemas centímetro-gramo-segundo
El sistema de unidades centímetro-gramo-segundo (CGS) fue el primer sistema métrico coherente, desarrollado en la década de 1860 y promovido por Maxwell y Thomson. En 1874, este sistema fue promovido formalmente por la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia (BAAS). [11] Las características del sistema son que la densidad se expresa en g / cm 3 , la fuerza se expresa en dinas y la energía mecánica en ergios . La energía térmica se definió en calorías , siendo una caloría la energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua de 15,5 ° C a 16,5 ° C. La reunión también reconoció dos conjuntos de unidades para propiedades eléctricas y magnéticas : el conjunto de unidades electrostáticas y el conjunto de unidades electromagnéticas. [12]
Los sistemas EMU, ESU y Gaussiano de unidades eléctricas
Se definieron varios sistemas de unidades eléctricas tras el descubrimiento de la ley de Ohm en 1824.
Sistema Internacional de Unidades Eléctricas y Magnéticas
Las unidades de electricidad CGS eran engorrosas para trabajar. Esto se solucionó en el Congreso Internacional de Electricidad de 1893 celebrado en Chicago al definir el amperio y el ohmio "internacionales" utilizando definiciones basadas en el metro , el kilogramo y el segundo . [13]
Otros primeros sistemas electromagnéticos de unidades
Durante el mismo período en el que el sistema CGS se estaba ampliando para incluir el electromagnetismo, se desarrollaron otros sistemas, que se distinguieron por su elección de unidad base coherente, incluido el Sistema Práctico de Unidades Eléctricas, o sistema QES (quad-undécimo-gramo-segundo), fue siendo utilizado. [14] : 268 [15] : 17 Aquí, las unidades base son el cuádruple, igual a10 7 m (aproximadamente un cuadrante de la circunferencia de la tierra), el undécimo gramo, igual a10 −11 g , y el segundo. Estos se eligieron de modo que las correspondientes unidades eléctricas de diferencia de potencial, corriente y resistencia tuvieran una magnitud conveniente.
Sistemas MKS y MKSA
En 1901, Giovanni Giorgi demostró que al agregar una unidad eléctrica como cuarta unidad base, se podrían resolver las diversas anomalías en los sistemas electromagnéticos. Los sistemas metro-kilogramo-segundo- culombio (MKSC) y metro-kilogramo-segundo- amperio (MKSA) son ejemplos de tales sistemas. [dieciséis]
El Sistema Internacional de Unidades ( Système international d'unités o SI) es el sistema métrico estándar internacional actual y también es el sistema más utilizado en todo el mundo. Es una extensión del sistema MKSA de Giorgi: sus unidades básicas son el metro, el kilogramo, el segundo, el amperio, el kelvin , la candela y el mol . [10] El sistema MKS (metro-kilogramo-segundo) nació en 1889, cuando se fabricaron artefactos para el metro y el kilogramo de acuerdo con la Convención del Metro. A principios del siglo XX, se agregó una unidad eléctrica no especificada y el sistema se llamó MKSX. Cuando se hizo evidente que la unidad sería el amperio, el sistema se denominó sistema MKSA y fue el predecesor directo del SI.
Sistemas metro-tonelada-segundo
El sistema de unidades metro-tonelada-segundo (MTS) se basaba en el metro, la tonelada y el segundo: la unidad de fuerza era el sthène y la unidad de presión era el pièze . Fue inventado en Francia para uso industrial y desde 1933 hasta 1955 se utilizó tanto en Francia como en la Unión Soviética . [17] [18]
Sistemas gravitacionales
Los sistemas métricos gravitacionales utilizan el kilogramo-fuerza (kilopondio) como unidad base de fuerza, con masa medida en una unidad conocida como hyl , Technische Masseneinheit (TME), taza o babosa métrica . [19] Aunque la CGPM aprobó una resolución en 1901 que define el valor estándar de aceleración debido a la gravedad en 980.665 cm / s 2 , las unidades gravitacionales no son parte del Sistema Internacional de Unidades (SI). [20]
Sistema Internacional de Unidades
El Sistema Internacional de Unidades es el sistema métrico moderno. Se basa en el sistema de unidades metro-kilogramo-segundo-amperio (MKSA) de principios del siglo XX. También incluye numerosas unidades derivadas coherentes para cantidades comunes como potencia (vatios) e irradiancia (lumen). Las unidades eléctricas se tomaron del sistema internacional entonces en uso. Otras unidades como las de energía (julios) se modelaron a partir de las del antiguo sistema CGS, pero se escalaron para que fueran coherentes con las unidades MKSA. Se introdujeron dos unidades base adicionales: el kelvin , que equivale a grados Celsius para el cambio en la temperatura termodinámica, pero configurado de modo que 0 K sea el cero absoluto , y la candela , que es aproximadamente equivalente a la unidad internacional de iluminación de la vela . Más tarde, se agregó otra unidad base, el mol , una unidad de masa equivalente al número de moléculas especificadas de Avogadro, junto con varias otras unidades derivadas.
El sistema fue promulgado por la Conferencia General de Pesas y Medidas (en francés: Conférence générale des poids et mesures - CGPM) en 1960. En ese momento, el medidor se redefinió en términos de la longitud de onda de una línea espectral del kriptón-86 [ Nota 2] átomo, y se retiró el artefacto de metro estándar de 1889.
Hoy en día, el sistema internacional de unidades consta de 7 unidades básicas e innumerables unidades derivadas coherentes, incluidas 22 con nombres especiales. La última nueva unidad derivada, el katal para la actividad catalítica, se añadió en 1999. Todas las unidades básicas, excepto la segunda, ahora se realizan en términos de constantes exactas e invariantes de física o matemáticas, módulo aquellas partes de sus definiciones que dependen de el segundo en sí. Como consecuencia, la velocidad de la luz ahora se ha convertido en una constante exactamente definida y define el medidor como 1 ⁄ 299,792,458 de la distancia que viaja la luz en un segundo. Hasta 2019 , el kilogramo estaba definido por un artefacto hecho por el hombre de platino-iridio en deterioro. El rango de prefijos decimales se ha ampliado a los de 10 24 ( yotta– ) y 10 −24 ( yocto– ).
El Sistema Internacional de Unidades ha sido adoptado como el sistema oficial de pesos y medidas por todas las naciones del mundo excepto Myanmar, Liberia y Estados Unidos. En 1975, Estados Unidos declaró que el sistema métrico era el "sistema preferido de pesos y medidas", pero no suspendió el uso de unidades habituales. Estados Unidos es el único país industrializado donde el sistema métrico no es el sistema de unidades predominante. [21]
Ver también
- Prefijo binario , utilizado en informática.
- Unidades electrostáticas
- Historia de la medición
- ISO / IEC 80000 , estándar internacional de cantidades y sus unidades, que reemplaza a ISO 31
- Unidades metricas
- Metrología
- Código unificado para unidades de medida
- Sistema Internacional de Unidades
Notas
- ^ Las unidades que no pertenecen al SI para la medición del ángulo del plano y el tiempo, heredadas de los sistemas existentes, son una excepción a la regla del multiplicador decimal
- ^ Un isótopo estable de un gas inerte que se produce en cantidades indetectables o trazas de forma natural
Referencias
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- ^ "El Sistema Internacional de Unidades (SI), novena edición" (PDF) . Bureau International des Poids et Mesures. 2019.
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- ^ Oficina Internacional de Pesas y Medidas (2006), El Sistema Internacional de Unidades (SI) (PDF) (8ª ed.), Pág. 109, ISBN 92-822-2213-6, archivado (PDF) desde el original el 14 de agosto de 2017
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enlaces externos
- Archivos de radio CBC por buena medida: Canadá se convierte al sistema métrico