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La historia del sistema métrico comenzó durante el Siglo de las Luces con medidas de longitud y peso derivadas de la naturaleza , junto con sus múltiplos decimales y fracciones. El sistema se convirtió en el estándar de Francia y Europa en medio siglo. Se agregaron otras medidas con ratios unitarios [Nota 1] y el sistema pasó a adoptarse en todo el mundo.
La primera realización práctica del sistema métrico se produjo en 1799, durante la Revolución Francesa , después de que el sistema de medidas existente se volvió poco práctico para el comercio y fue reemplazado por un sistema decimal basado en el kilogramo y el metro . Las unidades básicas fueron tomadas del mundo natural. La unidad de longitud, el metro, se basó en las dimensiones de la Tierra , y la unidad de masa , el kilogramo, se basó en la masa de un volumen de agua de un litro (un decímetro cúbico ). Las copias de referencia de ambas unidades se fabricaron en platino y siguieron siendo los estándares de medida durante los siguientes 90 años. Después de un período de reversión a las medidas habituales debido a la impopularidad del sistema métrico, la métrica de Francia y gran parte de Europa se completó en la década de 1850.
A mediados del siglo XIX, James Clerk Maxwell concibió un sistema coherente en el que un pequeño número de unidades de medida se definían como unidades base , y todas las demás unidades de medida, llamadas unidades derivadas , se definían en términos de unidades base. Maxwell propuso tres unidades básicas para longitud, masa y tiempo. Los avances en el electromagnetismo en el siglo XIX requirieron la definición de unidades adicionales, y se empezaron a utilizar múltiples sistemas incompatibles de tales unidades; ninguno podía conciliarse con el sistema dimensional existente. El impasse fue resuelto por Giovanni Giorgi , quien en 1901 demostró que un sistema coherente que incorporaba unidades electromagnéticas requería una cuarta unidad base, el electromagnetismo.
El trascendental Tratado del Metro de 1875 dio como resultado la creación y distribución de artefactos de metros y kilogramos, los estándares del futuro sistema coherente que se convirtió en la SI, y la creación de un organismo internacional, la Conférence générale des poids et mesures o CGPM, para supervisar los sistemas de medición. pesos y medidas en base a ellos.
En 1960, la CGPM lanzó el Sistema Internacional de Unidades (en francés Système international d'unités o SI) con seis "unidades básicas": el metro, el kilogramo, el segundo , el amperio , el grado Kelvin (posteriormente rebautizado como "kelvin") y candela , más 16 unidades más derivadas de las unidades base. Más adelante en el siglo XX se agregaron una séptima unidad base, el mol , y otras seis unidades derivadas. Durante este periodo, el metro se redefinió en términos de la velocidad de la luz, y el segundo se redefinió en base a la frecuencia de microondas de un reloj atómico de cesio .
Debido a la inestabilidad del prototipo internacional del kilogramo , a partir de finales del siglo XX se emprendieron una serie de iniciativas para redefinir el amperio, el kilogramo, el mol y el kelvin en términos de constantes invariantes de la física , lo que finalmente resultó en la redefinición de 2019. de las unidades básicas del SI , lo que finalmente eliminó la necesidad de cualquier artefacto físico de referencia; en particular, esto permitió el retiro del kilogramo estándar.
Se puede encontrar un indicio fugaz de un antiguo sistema decimal o métrico en la regla Mohenjo-Daro , que utiliza una longitud de base de 1,32 pulgadas (33,5 mm) y está dividida con mucha precisión con marcas decimales. Los ladrillos de ese período son consistentes con esta unidad, pero este uso parece no haber sobrevivido, ya que los sistemas posteriores en la India no son métricos y emplean divisiones en octavos, doceavos y dieciseisavos.
Los aspectos fundamentales de las matemáticas, junto con una mayor comprensión del mundo natural durante la Ilustración, prepararon el escenario para el surgimiento a finales del siglo XVIII de un sistema de medición con unidades racionalmente relacionadas y reglas para combinarlas.
A principios del siglo IX, cuando gran parte de lo que más tarde se convertiría en el Sacro Imperio Romano Germánico formaba parte de Francia, el emperador Carlomagno había estandarizado las unidades de medida . Había introducido unidades de medida estándar para longitud y masa en todo su imperio. A medida que el imperio se desintegró en naciones separadas, incluida Francia, estos estándares divergieron. En Inglaterra, la Carta Magna (1215) había estipulado que "Habrá medidas estándar de vino, cerveza y maíz (el barrio de Londres) en todo el reino. También habrá un ancho estándar de tela teñida, rojizo y haberject, es decir, dos codos dentro de los orillos. Los pesos deben estandarizarse de manera similar." [1]
Durante la época medieval temprana , los números romanos se usaban en Europa para representar números, [2] pero los árabes representaban los números usando el sistema de numeración hindú , una notación posicional que usaba diez símbolos. Aproximadamente en 1202, Fibonacci publicó su libro Liber Abaci (Libro de cálculo), que introdujo el concepto de notación posicional en Europa. Estos símbolos evolucionaron hasta convertirse en los números "0", "1", "2", etc. [3] [4] En ese momento, había disputa sobre la diferencia entre números racionales y números irracionales y no había coherencia en la forma. en el que se representaban fracciones decimales.
A Simon Stevin se le atribuye la introducción del sistema decimal en el uso generalizado en Europa. [5] En 1586, publicó un pequeño folleto llamado De Thiende ("el décimo") que los historiadores acreditan como la base de la notación moderna para fracciones decimales. [6] Stevin consideró que esta innovación era tan significativa que declaró que la introducción universal de monedas, medidas y pesos decimales era simplemente una cuestión de tiempo. [5] [7] : 70 [8] : 91
Desde la época de Carlomagno, el estándar de longitud había sido una medida del cuerpo, la que va de la punta de un dedo a la punta de los brazos extendidos de un hombre grande, [Nota 2] de una familia de medidas corporales llamadas brazas , originalmente utilizadas entre otras cosas. , para medir la profundidad del agua. Se fundió un artefacto para representar el estandarte con la sustancia más duradera disponible en la Edad Media, una barra de hierro [ cita requerida ] . Los problemas de un artefacto no reproducible se hicieron evidentes con el tiempo: se oxidaba, era robado, golpeado contra una pared embutida hasta doblarlo y, en ocasiones, se perdía. Cuando hubo que emitir un nuevo estandarte real, era un estandarte diferente al anterior, por lo que surgieron y se utilizaron réplicas de los antiguos y de los nuevos. El artefacto existió durante el siglo XVIII y se llamó teise o , más tarde, toise (del tiempo latino : extendido (brazos)). Esto llevaría a la búsqueda en el siglo XVIII de un estándar reproducible basado en alguna medida invariante del mundo natural.
En 1656, el científico holandés Christiaan Huygens inventó el reloj de péndulo, cuyo péndulo marcaba los segundos. Esto dio lugar a propuestas para utilizar su longitud como unidad estándar. Pero se hizo evidente que las longitudes de los péndulos de los relojes calibrados en diferentes lugares variaban (debido a variaciones locales en la aceleración de la gravedad ), y ésta no era una buena solución. Se necesitaba una norma más uniforme.
En 1670, Gabriel Mouton , abad y astrónomo francés, publicó el libro Observationes diametrorum solis et lunae aparenteium ("Observaciones de los diámetros aparentes del Sol y la Luna") en el que proponía un sistema decimal de medición de la longitud para uso de los científicos. en comunicación internacional, que se basará en las dimensiones de la Tierra. El miliarea se definiría como un minuto de arco a lo largo de un meridiano (como el meridiano de París ) y se dividiría en 10 centurias, la centuria en 10 decurias y así sucesivamente, siendo las unidades sucesivas la virga, vírgula, décima, centésima y la milésima. Mouton utilizó la estimación de Riccioli de que un grado de arco equivalía a 321.185 pies boloñeses. Los experimentos de Mouton demostraron que un péndulo de longitud una vírgula batiría 3959,2 veces [Nota 3] en media hora. [9] [Nota 4] Mouton creía que, con esta información, los científicos de un país extranjero podrían construir una copia de la vírgula para su propio uso. [10] Las ideas de Mouton atrajeron interés en ese momento; Picard en su obra Mesure de la Terre (1671) y Huygens en su obra Horologium Oscillatorium sive de motu pendulorum ("De los relojes oscilantes o relativos al movimiento de los péndulos", 1673), proponiendo ambos que una unidad estándar de longitud esté ligada a la Frecuencia de batido de un péndulo. [11] [10]
Al menos desde la Edad Media, la Tierra había sido percibida como eterna, inmutable y de forma simétrica (cercana a una esfera), por lo que era natural que se propusiera alguna medida fraccionaria de su superficie como estándar de longitud. Pero primero era necesario obtener información científica sobre la forma y el tamaño de la Tierra. Un grado de arco equivaldría a 60 minutos de arco, en el ecuador; un miliárea sería un minuto de arco, o 1 milla náutica, por lo que 60 millas náuticas serían un grado de arco en la superficie de la Tierra, tomada como una esfera . [12] Por lo tanto, la circunferencia de la Tierra en millas náuticas sería 21 600 (es decir, 60 minutos de arco × 360 grados en cuatro cuadrantes de 90 grados; un cuadrante es la longitud del cuarto de círculo desde el Polo Norte hasta el ecuador ).
En 1669, Jean Picard , un astrónomo francés, fue la primera persona en medir la Tierra con precisión. En una encuesta que abarcaba un grado de latitud, solo se equivocó un 0,44% ( medición del arco de Picard ).
En Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (1686), Isaac Newton dio una explicación teórica para el "ecuador abultado", [Nota 5] que también explicaba las diferencias encontradas en las longitudes de los "segundos péndulos", [13] teorías que fueron confirmadas por la Misión Geodésica Francesa al Perú emprendida por la Academia Francesa de Ciencias en 1735. [14] [a]
A mediados del siglo XVIII, se hizo evidente que era necesario estandarizar pesos y medidas entre naciones que comerciaban e intercambiaban ideas científicas entre sí. España, por ejemplo, había alineado sus unidades de medida con las unidades reales de Francia [17] y Pedro el Grande alineó las unidades de medida rusas con las de Inglaterra. [18] En 1783, el inventor británico James Watt , que tenía dificultades para comunicarse con los científicos alemanes, pidió la creación de un sistema de medición decimal global, proponiendo un sistema que utilizaba la densidad del agua para vincular la longitud y la masa, [16 ] y, en 1788, el químico francés Antoine Lavoisier encargó un juego de nueve cilindros de latón (una libra [francesa] y sus subdivisiones decimales) para su trabajo experimental. [7] : 71
En 1790, una propuesta presentada por los franceses a Gran Bretaña y Estados Unidos para establecer una medida uniforme de longitud, un metro basada en el período de un péndulo con un latido de un segundo, fue rechazada en el Parlamento británico y en el Congreso de los Estados Unidos. . La cuestión subyacente fue la falta de acuerdo sobre la latitud de la definición, ya que la aceleración gravitacional y, por tanto, la longitud del péndulo, varía (entre otras cosas) con la latitud: cada parte quería una definición de acuerdo con una latitud principal que pasa por su propia latitud. país. Las consecuencias directas del fracaso fueron el desarrollo y despliegue unilateral francés del sistema métrico y su difusión mediante el comercio en el continente; la adopción británica del Sistema Imperial de Medidas en todo el reino en 1824; y el mantenimiento por parte de los Estados Unidos del sistema común británico de medidas vigente en el momento de la independencia de las colonias. Esta fue la posición que continuó durante casi los siguientes 200 años. [Nota 6]
Se ha estimado que, en vísperas de la Revolución de 1789, las aproximadamente ochocientas unidades de medida utilizadas en Francia tenían hasta un cuarto de millón de definiciones diferentes porque la cantidad asociada a cada unidad podía diferir de una ciudad a otra. , e incluso de comercio en comercio. [8] : 2–3 Aunque ciertos estándares, como el pied du roi (el pie del rey) tenían cierto grado de preeminencia y eran utilizados por los científicos, muchos comerciantes optaron por utilizar sus propios dispositivos de medición, dando lugar al fraude y obstaculizando el comercio y la industria. [19] Estas variaciones fueron promovidas por intereses creados locales, pero obstaculizaron el comercio y los impuestos. [20] [21]
En 1790, la Academia de Ciencias nombró a un panel de cinco destacados científicos franceses para investigar pesos y medidas. Eran Jean-Charles de Borda , Joseph-Louis Lagrange , Pierre-Simon Laplace , Gaspard Monge y Nicolas de Condorcet . [8] : 2–3 [22] : 46 Durante el año siguiente, el panel, después de estudiar varias alternativas, hizo una serie de recomendaciones con respecto a un nuevo sistema de pesos y medidas, incluido que debería tener una base decimal , que el unidad de longitud debería basarse en un arco fraccionario de un cuadrante del meridiano terrestre, y que la unidad de peso debería ser la de un cubo de agua cuya dimensión fuera una fracción decimal de la unidad de longitud. [23] [24] [7] : 50–51 [25] [26] Las propuestas fueron aceptadas por la Asamblea francesa el 30 de marzo de 1791. [27]
Tras la aceptación, se encargó a la Academia de Ciencias que implementara las propuestas. La Academia dividió las tareas en cinco operaciones, asignando cada parte a un grupo de trabajo separado : [7] : 82
El panel decidió que la nueva medida de longitud debería ser igual a una diezmillonésima parte de la distancia desde el Polo Norte al Ecuador ( cuadrante de la Tierra ), medida a lo largo del meridiano de París . [20]
Utilizando el levantamiento de Jean Picard de 1670 y el levantamiento de Jacques Cassini de 1718, [a] se asignó al metro un valor provisional de 443,44 líneas que, a su vez, definía las demás unidades de medida. [8] : 106
Mientras Méchain y Delambre completaban su estudio, la comisión había encargado la fabricación de una serie de lingotes de platino basándose en el metro provisional. Una vez conocido el resultado final, se seleccionaría la barra cuya longitud se acercara más a la definición meridional del metro.
Después de 1792, se adoptó el nombre de la unidad de masa definida original, " gramo ", que era demasiado pequeño para servir como una realización práctica para muchos propósitos, y se le añadió el nuevo prefijo "kilo" para formar el nombre " kilogramos ". ". En consecuencia, el kilogramo es la única unidad base del SI que tiene un prefijo SI como parte del nombre de su unidad. Se elaboró un patrón de kilogramo provisional y se encargó trabajar para determinar la masa precisa de un decímetro cúbico (que más tarde se definiría como igual a un litro ) de agua. La regulación del comercio requería una "realización práctica": un patrón de referencia metálico de una sola pieza, mil veces más masivo que el que se conocería como la tumba . [Nota 8] Esta unidad de masa definida por Lavoisier y René Just Haüy había estado en uso desde 1793. [28] Esta nueva realización práctica se convertiría en última instancia en la unidad de masa base. El 7 de abril de 1795 se decretó que el gramo en que se basa el kilogramo equivalía al "peso absoluto de un volumen de agua pura igual a un cubo de una centésima de metro, y a la temperatura del hielo derretido". ". [26] Aunque la definición del kilogramo especificaba agua a 0 °C, un punto de temperatura altamente estable, fue reemplazada por la temperatura a la que el agua alcanza su máxima densidad. Esta temperatura, de unos 4 °C, no se conocía con precisión, pero una de las ventajas de la nueva definición era que el valor Celsius exacto de la temperatura no era realmente importante. [29] [Nota 9] La conclusión final fue que un decímetro cúbico de agua en su máxima densidad equivalía al 99,92072% de la masa del kilogramo provisional. [32]
El 7 de abril de 1795, el sistema métrico quedó formalmente definido en la ley francesa. [Nota 10] Se definen seis nuevas unidades decimales: [26]
Los múltiplos decimales de estas unidades estaban definidos por los prefijos griegos : " myria- " (10.000), " kilo- " (1000), " hecto- " (100) y " deka- " (10) y los submúltiplos estaban definidos por el latín. prefijos " deci- " (0,1), " centi- " (0,01) y " mili- " (0,001). [33]
Para fines comerciales, las unidades y unidades prefijadas de peso (masa) y capacidad (volumen) estaban precedidas por los multiplicadores binarios " doble- " (2) y " semi- " ( 1 ⁄ 2 ), como en doble litro , demilitro ; o doble hectogramo , semihectogramo , etc. [Nota 11]
El proyecto de definiciones de 1795 permitió construir copias provisionales de los kilogramos y metros. [34] [35]
La tarea de estudiar el arco meridiano , que se estimaba que duraría dos años, recayó en Pierre Méchain y Jean-Baptiste Delambre . La tarea finalmente llevó más de seis años (1792-1798), con retrasos causados no sólo por dificultades técnicas imprevistas sino también por el convulso período posterior a la Revolución. [8] Aparte de las obvias consideraciones nacionalistas, el meridiano de París también fue una buena elección por razones científicas prácticas: una parte del cuadrante desde Dunkerque a Barcelona (unos 1.000 km, o una décima parte del total) podría estudiarse con inicio - y puntos finales al nivel del mar, y esa porción estaba aproximadamente en el medio del cuadrante, donde se esperaba que los efectos del achatamiento de la Tierra fueran mayores. [20]
El proyecto se dividió en dos partes: la sección norte de 742,7 km desde el Campanario, Dunkerque hasta la catedral de Rodez , que fue inspeccionada por Delambre y la sección sur de 333,0 km desde Rodez hasta la Fortaleza de Montjuïc , Barcelona , que fue inspeccionada por Méchain. [8] : 227–230 [Nota 12]
Delambre utilizó una línea de base de unos 10 km de longitud a lo largo de una carretera recta, situada cerca de Melun . En una operación que duró seis semanas, la línea de base se midió con precisión utilizando cuatro varillas de platino, cada una de dos toesas de largo (aproximadamente 3,9 m). [8] : 227–230 A partir de entonces utilizó, siempre que fue posible, los puntos de triangulación utilizados por Cassini en su estudio de Francia de 1744. La línea de base de Méchain, de similar longitud y también en un tramo recto, se encontraba en la zona de Perpiñán . [8] : 240–241 Aunque el sector de Méchain tenía la mitad de longitud de Delambre, incluía los Pirineos y partes de España hasta ahora no exploradas. Después de que los dos topógrafos se reunieron, cada uno calculó la línea de base del otro para verificar sus resultados y luego volvieron a calcular el metro como 443,296 líneas , [20] [Nota 13] notablemente más corto que el valor provisional de 1795 de 443,44 líneas . El 15 de noviembre de 1798, Delambre y Méchain regresaron a París con sus datos, habiendo completado el estudio. El valor final del metro se definió en 1799 como el valor calculado a partir del estudio.
En junio de 1799, se fabricaron prototipos de platino de acuerdo con las cantidades medidas, el metro de archivos se definió como una longitud de 443,296 líneas y el kilogramo de archivos se definió como un peso de 18827,15 granos del livre poids de marc , [36] y entró en los Archivos Nacionales de Francia. En diciembre de ese año, el sistema métrico basado en ellos se convirtió por ley en el único sistema de pesas y medidas en Francia desde 1801 hasta 1812.
A pesar de la ley, la población siguió utilizando las antiguas medidas. En 1812, Napoleón revocó la ley y emitió una llamada medidas habituales , restaurando los nombres y cantidades de las medidas habituales pero redefinidas como múltiplos redondos de las unidades métricas, por lo que era una especie de sistema híbrido. En 1837, tras el colapso del Imperio napoleónico, la nueva Asamblea volvió a imponer el sistema métrico definido por las leyes de 1795 y 1799, que entraría en vigor en 1840. La métrica de Francia tardó hasta aproximadamente 1858 en completarse. Algunos de los antiguos nombres de unidades, especialmente la libra , originalmente una unidad de masa derivada de la libra romana (como lo era la libra inglesa ), pero que ahora significa 500 gramos, todavía se utilizan en la actualidad.
A principios del siglo XIX, los artefactos de longitud y masa de la Academia Francesa de Ciencias eran las únicas unidades incipientes del sistema métrico que se definían en términos de estándares formales . Otras unidades basadas en ellos, excepto el litro , resultaron de corta duración. Los relojes de péndulo que podían marcar el tiempo en segundos se habían utilizado durante unos 150 años, pero sus geometrías eran locales tanto para la latitud como para la altitud, por lo que no existía un estándar para medir el tiempo. Tampoco se había reconocido una unidad de tiempo como unidad básica esencial para derivar cosas como la fuerza y la aceleración. Se habían identificado algunas cantidades de electricidad, como carga y potencial, pero aún no se habían establecido los nombres ni las interrelaciones de las unidades. [Nota 15] Existían escalas de temperatura tanto Fahrenheit (ca. 1724) como Celsius (ca. 1742), y variados instrumentos para medir unidades o grados de las mismas. Aún no se había elaborado el modelo de unidad base / derivada , ni se sabía cuántas cantidades físicas podrían estar interrelacionadas.
En 1861, la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia (BAAS) propuso por primera vez un modelo de unidades interrelacionadas basado en lo que se denominó unidades "mecánicas" (longitud, masa y tiempo). Durante las siguientes décadas, esta base permitió la mecánica , la electricidad y la térmica [ ¿cuándo? ] unidades a correlacionar.
En 1832, el matemático alemán Carl-Friedrich Gauss realizó las primeras mediciones absolutas del campo magnético terrestre utilizando un sistema decimal basado en el uso del milímetro, el miligramo y el segundo como unidad base de tiempo. [37] : 109 El segundo de Gauss se basó en observaciones astronómicas de la rotación de la Tierra, y fue el segundo sexagesimal de los antiguos: una división del día solar en dos ciclos de 12 períodos, y cada período dividido en 60 intervalos, y cada intervalo se dividió de nuevo de modo que un segundo fuera 1/86.400 del día. [Nota 16] Esto efectivamente estableció una dimensión temporal como un componente necesario de cualquier sistema útil de medidas, y el segundo astronómico como unidad base.
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En un artículo publicado en 1843, James Prescott Joule demostró por primera vez un medio para medir la energía transferida entre diferentes sistemas cuando se realiza trabajo, relacionando así la caloría de Nicolas Clément , definida en 1824 como "la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de agua de 0 a 1 °C a 1 atmósfera de presión" al trabajo mecánico . [38] [39] La energía se convirtió en el concepto unificador de la ciencia del siglo XIX , [40] inicialmente al reunir la termodinámica y la mecánica y luego agregar la tecnología eléctrica .
En 1861, un comité de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia (BAAS), que incluía a William Thomson (más tarde Lord Kelvin) , James Clerk Maxwell y James Prescott Joule entre sus miembros, recibió el encargo de investigar los "Estándares de resistencia eléctrica". [ se necesita aclaración ] En su primer informe (1862), [41] establecieron las reglas básicas para su trabajo: se debía utilizar el sistema métrico, las medidas de energía eléctrica debían tener las mismas unidades que las medidas de energía mecánica y dos conjuntos Habría que derivar el conjunto de unidades electromagnéticas: un sistema electromagnético y un sistema electrostático. En el segundo informe (1863), [42] introdujeron el concepto de un sistema coherente de unidades mediante el cual las unidades de longitud, masa y tiempo se identificaban como "unidades fundamentales" (ahora conocidas como unidades base ). Todas las demás unidades de medida podrían derivarse (por lo tanto, unidades derivadas ) de estas unidades base. Se eligieron como unidades base el metro, el gramo y el segundo. [43] [44]
En 1861, antes de [ se necesita aclaración ] [ en? ] en una reunión de la BAAS, Charles Bright y Latimer Clark propusieron los nombres de ohmio , voltio y faradio en honor a Georg Ohm , Alessandro Volta y Michael Faraday respectivamente para las unidades prácticas basadas en el sistema absoluto CGS. Esto fue apoyado por Thomson (Lord Kelvin). [45] El concepto de nombrar unidades de medida en honor a científicos destacados se utilizó posteriormente para otras unidades.
En 1873, otro comité de la BAAS (que también incluía a Maxwell y Thomson) encargado de "la selección y nomenclatura de unidades dinámicas y eléctricas" recomendó utilizar el sistema de unidades cgs . El comité también recomendó los nombres de " dina " y " ergio " para las unidades de fuerza y energía cgs. [46] [44] [47] El sistema cgs se convirtió en la base del trabajo científico durante los siguientes setenta años.
Los informes reconocían dos sistemas de unidades eléctricas basados en centímetros, gramos y segundos: el sistema de unidades electromagnético (o absoluto) (EMU) y el sistema de unidades electrostático (ESU).
En la década de 1820, Georg Ohm formuló la Ley de Ohm , que puede ampliarse para relacionar la potencia con la corriente, el potencial eléctrico (voltaje) y la resistencia. [49] [50] Durante las décadas siguientes, la realización de un sistema coherente de unidades que incorporara la medición de fenómenos electromagnéticos y la ley de Ohm estuvo plagada de problemas: se idearon varios sistemas diferentes de unidades.
En los tres sistemas CGS, las constantes y, en consecuencia , no tenían dimensiones y, por lo tanto, no requerían ninguna unidad para definirlas.
Las unidades de medida eléctricas no encajaban fácilmente en el sistema coherente de unidades mecánicas definido por la BAAS. Utilizando el análisis dimensional , las dimensiones del voltaje en el sistema ESU eran idénticas a las dimensiones de la corriente en el sistema EMU, mientras que la resistencia tenía dimensiones de velocidad en el sistema EMU, pero la inversa de la velocidad en el sistema ESU. [44]
El sistema de unidades electromagnéticas (EMU) se desarrolló a partir del descubrimiento de André-Marie Ampère en la década de 1820 de una relación entre las corrientes en dos conductores y la fuerza entre ellos, ahora conocida como ley de Ampère :
En 1833, Gauss señaló la posibilidad de equiparar esta fuerza con su equivalente mecánico. Esta propuesta recibió más apoyo de Wilhelm Weber en 1851. [51] En este sistema, la corriente se define estableciendo la fuerza magnética constante en la unidad y el potencial eléctrico se define de tal manera que garantice que la unidad de potencia calculada por la relación sea un ergio/segundo. Las unidades de medida electromagnéticas se conocían como abampere, abvolt, etc. [52] Estas unidades fueron posteriormente escaladas para su uso en el Sistema Internacional. [53]
El sistema electrostático de unidades (ESU) se basó en la cuantificación que hizo Coulomb en 1783 de la fuerza que actúa entre dos cuerpos cargados. Esta relación, ahora conocida como ley de Coulomb , se puede escribir
En este sistema, la unidad de carga se define estableciendo la constante de fuerza de Coulomb ( ) en la unidad y la unidad de potencial eléctrico se definió para garantizar que la unidad de energía calculada mediante la relación sea un ergio. Las unidades de medida electrostáticas eran el estatamperio, el estatavoltio, etc. [54]
El sistema de unidades gaussiano se basó en la comprensión de Heinrich Hertz , [ cita necesaria ] mientras verificaba las ecuaciones de Maxwell en 1888, de que las unidades electromagnéticas y electrostáticas estaban relacionadas por:
Utilizando esta relación, propuso fusionar los sistemas EMU y ESU en un solo sistema utilizando las unidades EMU para cantidades magnéticas (posteriormente denominadas Gauss y Maxwell ) y unidades ESU en otros lugares. Llamó a este conjunto combinado de unidades " unidades gaussianas ". Se ha reconocido que este conjunto de unidades es particularmente útil en física teórica. [37] : 128
Las unidades de medida CGS utilizadas en el trabajo científico no eran prácticas para la ingeniería, lo que llevó al desarrollo de un sistema de unidades eléctricas más aplicable, especialmente para la telegrafía. La unidad de longitud era 10,7 m (el hebdómetro , nominalmente el cuadrante de la Tierra ), la unidad de masa era una unidad sin nombre igual a 10 −11 gy la unidad de tiempo era el segundo. Las unidades de masa y longitud se escalaron de manera incongruente para producir unidades eléctricas más consistentes y utilizables en términos de medidas mecánicas. Llamado informalmente sistema "práctico", se le denominó correctamente sistema de unidades cuadrante-undécimo gramo-segundo (QES) según la convención.
Las definiciones de unidades eléctricas incorporaron la constante magnética como el sistema EMU, y los nombres de las unidades fueron transferidos de ese sistema, pero escalados de acuerdo con las unidades mecánicas definidas. [57] El sistema se formalizó como el sistema internacional a finales del siglo XIX y sus unidades se designaron más tarde como "amperio internacional", "voltio internacional", etc. [58] : 155-156
El factor que ocurre en las ecuaciones de Maxwell en el sistema gaussiano (y en los otros sistemas CGS) proviene de los estereorradiánes que rodean un punto, como una carga eléctrica puntual. Este factor podría eliminarse de contextos que no involucran coordenadas esféricas incorporándolo a las definiciones de las cantidades involucradas. El sistema fue propuesto por Oliver Heaviside en 1883 y también se conoce como "sistema de unidades gaussiano racionalizado". Posteriormente, la IS adoptó unidades racionalizadas basadas en el esquema de racionalización de Heaviside.
Maxwell y Boltzmann habían elaborado teorías que describían la interrelación de la temperatura, la presión y el volumen de un gas a escala microscópica, pero por lo demás, en 1900 no se entendía la naturaleza microscópica de la temperatura. [59] [60]
A finales del siglo XIX, se habían formulado las leyes macroscópicas fundamentales de la termodinámica y, aunque existían técnicas para medir la temperatura utilizando técnicas empíricas, la comprensión científica [ aclaración necesaria ] de la naturaleza de la temperatura era mínima.
Con la creciente adopción internacional del metro, las deficiencias del mètre des Archives como estándar se hicieron cada vez más evidentes. Los países que adoptaron el metro como medida legal compraron barras de metros estándar que debían tener la misma longitud que el mètre des Archives , pero no había una forma sistemática de garantizar que los países realmente estuvieran trabajando con el mismo estándar. La definición meridional, que pretendía garantizar la reproducibilidad internacional, rápidamente resultó tan poco práctica que prácticamente fue abandonada en favor de los estándares de artefactos, pero el mètre des Archives (y la mayoría de sus copias) eran "estándares finales": tales estándares (barras que tienen exactamente un metro de longitud) son propensas a desgastarse con el uso, y se puede esperar que diferentes barras estándar se desgasten a diferentes velocidades. [61]
En 1867, se propuso crear un nuevo metro estándar internacional, y se tomó la longitud del mètre des Archives "en el estado en que se encuentre". [62] [63] La Conferencia Internacional sobre Geodesia de 1867 pidió la creación de un nuevo prototipo internacional del metro [62] [63] [Nota 19] y de un sistema mediante el cual los estándares nacionales pudieran compararse con él. El prototipo internacional también sería un "patrón de línea", es decir, el metro se definió como la distancia entre dos líneas marcadas en la barra, evitando así los problemas de desgaste de los estándares de extremo. El gobierno francés dio apoyo práctico a la creación de una Comisión Internacional de Metros, que se reunió en París en 1870 y nuevamente en 1872 con la participación de una treintena de países. [62]
El 20 de mayo de 1875, 17 estados firmaron un tratado internacional conocido como la Convención del Metro . [21] [64] Este tratado estableció las siguientes organizaciones para realizar actividades internacionales relacionadas con un sistema uniforme de mediciones:
El prototipo internacional del metro y el prototipo internacional del kilogramo estaban hechos de una aleación de 90% platino y 10% de iridio que es excepcionalmente dura y que tiene buenas propiedades de conductividad eléctrica y térmica. El prototipo tenía una sección transversal especial en forma de X ( Tresca ) para minimizar los efectos de la tensión de torsión durante las comparaciones de longitud [21] y los kilogramos del prototipo tenían forma cilíndrica. La firma londinense Johnson Matthey entregó 30 prototipos de metros y 40 prototipos de kilogramos. En la primera reunión de la CGPM en 1889, la barra nº 6 y el cilindro nº X fueron aceptados como prototipos internacionales. El resto se guardó como copias de trabajo del BIPM o se distribuyó a los estados miembros como prototipos nacionales. [sesenta y cinco]
Tras la Convención del Metro, en 1889, el BIPM tenía la custodia de dos artefactos: uno para definir la longitud y el otro para definir la masa. Otras unidades de medida que no dependían de artefactos específicos estaban controladas por otros organismos.
Aunque la definición de kilogramo se mantuvo sin cambios a lo largo del siglo XX, la 3.ª CGPM de 1901 aclaró que el kilogramo era una unidad de masa , no de peso . El lote original de 40 prototipos (adoptado en 1889) se complementó de vez en cuando con más prototipos para uso de los nuevos signatarios de la Convención del Metro . [66]
En 1921, el Tratado del Metro se amplió para cubrir las unidades eléctricas, fusionando la CGPM su trabajo con el de la IEC.
La historia de la medición del siglo XX está marcada por cinco períodos: la definición de 1901 del sistema coherente MKS; los 50 años intermedios de coexistencia del MKS, los cgs y los sistemas comunes de medidas; el prototipo del sistema práctico de unidades del SI de 1948; la introducción de la IS en 1960; y la evolución de la IS en el último medio siglo.
La necesidad de una dimensión electromagnética independiente para resolver las dificultades relacionadas con la definición de tales unidades en términos de longitud, masa y tiempo fue identificada por Giorgi en 1901. Esto llevó a Giorgi a presentar un documento en octubre de 1901 en el congreso de la Associazione Elettrotecnica Italiana. (AEI) [67] en el que demostró que se podía obtener un sistema electromecánico coherente de unidades agregando una cuarta unidad base de naturaleza eléctrica (por ejemplo, amperio, voltio u ohmio) a las tres unidades base propuestas en el Informe BAAS de 1861. Esto dio dimensiones físicas a las constantes k e y k m y, por tanto, también a las cantidades electromecánicas ε 0 (permisividad del espacio libre) y μ 0 (permeabilidad del espacio libre). [68] Su trabajo también reconoció la relevancia de la energía en el establecimiento de un sistema de unidades coherente y racional, con el julio como unidad de energía y las unidades eléctricas en el Sistema Internacional de Unidades permaneciendo sin cambios. [58] : 156 Sin embargo, tuvieron que pasar más de treinta años antes de que el trabajo de Giorgi fuera aceptado en la práctica por la IEC.
A medida que la industria se desarrolló en todo el mundo, el sistema de unidades cgs adoptado por la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia en 1873, con su plétora de unidades eléctricas, continuó siendo el sistema de medición dominante y permaneció así durante al menos los siguientes 60 años. . Las ventajas eran varias: tenía un conjunto completo de unidades derivadas que, aunque no del todo coherentes, eran al menos homólogas; el sistema MKS carecía en absoluto de una unidad definida de electromagnetismo; las unidades MKS eran incómodamente grandes para las ciencias; Los sistemas consuetudinarios de medidas dominaron en los Estados Unidos, Gran Bretaña y el imperio británico, e incluso hasta cierto punto en Francia, el lugar de nacimiento del sistema métrico, que inhibió la adopción de cualquier sistema competidor. Finalmente, la guerra, el nacionalismo y otras fuerzas políticas inhibieron el desarrollo de la ciencia favoreciendo un sistema coherente de unidades.
En la 8ª CGPM de 1933 se planteó la necesidad de sustituir las unidades eléctricas "internacionales" por unidades "absolutas". Se aceptó la propuesta de la CEI de que se adoptara el "sistema" de Giorgi, denominado informalmente MKSX, pero no se tomó ninguna decisión sobre qué unidad eléctrica debería ser la cuarta unidad base. En 1935, JE Sears [69] [ cita necesaria ] propuso que este debería ser el amperio, pero la Segunda Guerra Mundial impidió que se formalizara hasta 1946. La primera (y única) comparación de seguimiento de los estándares nacionales con el prototipo internacional de el medidor se realizó entre 1921 y 1936, [21] [63] e indicó que la definición del medidor se conservó dentro de 0,2 μm. [70] Durante esta comparación de seguimiento, se definió más claramente la forma en que se debía medir el medidor prototipo: la definición de 1889 había definido el metro como la longitud del prototipo a la temperatura del hielo derretido, pero, en 1927 , la 7ª CGPM amplió esta definición para especificar que el prototipo de contador estará "apoyado sobre dos cilindros de al menos un centímetro de diámetro, colocados simétricamente en el mismo plano horizontal a una distancia de 571 mm entre sí". [37] : 142–43, 148 La elección de 571 mm representa los puntos Airy del prototipo: los puntos en los que se minimiza la flexión o caída de la barra. [71]
La 9ª CGPM se reunió en 1948, quince años después de la 8ª CGPM. En respuesta a las solicitudes formales realizadas por la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada y por el gobierno francés para establecer un sistema práctico de unidades de medida, la CGPM pidió al CIPM que preparara recomendaciones para un único sistema práctico de unidades de medida, adecuado para adopción por todos los países que se adhieren a la Convención del Metro. [72] El borrador de propuesta del CIPM fue una extensa revisión y simplificación de las definiciones, símbolos y terminología de las unidades métricas basadas en el sistema de unidades MKS.
Tras observaciones astronómicas, el segundo se fijó en una fracción del año 1900. La unidad base electromagnética, tal como exigía Giorgi, fue aceptada como el amperio. Después de negociaciones con la CEI y la IUPAP, también se propusieron como unidades base dos unidades adicionales: el grado kelvin y la candela. [73] Por primera vez, la CGPM formuló recomendaciones relativas a las unidades derivadas. Al mismo tiempo, la CGPM adoptó convenciones para la escritura e impresión de símbolos y números de unidades y catalogó los símbolos de las unidades de medida más importantes MKS y CGS . [74]
Hasta la llegada del reloj atómico , el cronometrador más fiable de que disponía la humanidad era la rotación de la Tierra. Por lo tanto, era natural que los astrónomos bajo los auspicios de la Unión Astronómica Internacional (IAU) tomaran la iniciativa en el mantenimiento de los estándares relacionados con el tiempo. Durante el siglo XX, se hizo evidente que la rotación de la Tierra se estaba desacelerando, lo que provocaba que los días se alargaran 1,4 milisegundos cada siglo [75] ; esto se verificó comparando los tiempos calculados de los eclipses de Sol con los observados en la antigüedad que se remontan a Registros chinos del 763 a.C. [76] En 1956, la 10ª CGPM encargó al CIPM que preparara una definición del segundo; en 1958, se publicó la definición que indicaba que el segundo (llamado segundo de efeméride ) se calcularía mediante extrapolación utilizando la velocidad de rotación de la Tierra en 1900. [75]
Según las propuestas de Giorgi de 1901, el CIPM también recomendó que el amperio fuera la unidad base a partir de la cual se derivarían las unidades electromecánicas. Se descartaron las definiciones de ohmio y voltio que se habían utilizado anteriormente y estas unidades se convirtieron en unidades derivadas basadas en el amperio. En 1946, el CIPM adoptó formalmente una definición de amperio basada en la definición original de la UEM y redefinió el ohmio en términos de otras unidades básicas. [77] Las definiciones para el sistema eléctrico absoluto, [ se necesita aclaración ] basadas en el amperio, se formalizaron en 1948. [78] El borrador de unidades propuestas con estos nombres es muy cercano, pero no idéntico, a las unidades internacionales. [79]
En la escala Celsius del siglo XVIII, la temperatura se expresaba en grados Celsius con la definición de que el hielo se derretía a 0 °C y (a presión atmosférica estándar) el agua hervía a 100 °C. Una serie de tablas de consulta definían la temperatura en términos de mediciones empíricas interrelacionadas realizadas utilizando varios dispositivos. En 1948 hubo que aclarar las definiciones relativas a la temperatura. (El grado, como medida angular, fue adoptado para uso general en muchos países, por lo que, en 1948, la Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM) recomendó que el grado Celsius, tal como se utiliza para medir la temperatura, pasara a denominarse grados Celsius .) [80]
En la novena CGPM, la escala de temperatura Celsius pasó a llamarse escala Celsius , y la escala en sí se fijó definiendo el punto triple del agua como 0,01 °C, [81] aunque la CGPM dejó la definición formal de cero absoluto hasta la décima CGPM. cuando se asignó el nombre " Kelvin " a la escala de temperatura absoluta y se definió el punto triple del agua en 273,16 °K. [82]
Antes de 1937, la Comisión Internacional de Iluminación (CIE por su título francés, Commission Internationale de l'Eclairage ), junto con el CIPM, elaboraron un estándar de intensidad luminosa para reemplazar los distintos estándares nacionales. Esta norma, la candela (cd), que se define como "la luminosidad del radiador lleno a la temperatura de solidificación del platino es de 60 nuevas velas por centímetro cuadrado ", [83] fue ratificada por la CGPM en 1948.
La definición recientemente aceptada del amperio permitió definiciones coherentes prácticas y útiles de un conjunto de unidades derivadas electromagnéticas, incluidas faradio, henrio, vatio, tesla, weber, voltio, ohmio y culombio. Dos unidades derivadas, lux y lumen, se basaron en la nueva candela, y una, el grado Celsius, equivalente al grado Kelvin. Otras cinco unidades derivadas diversas completaron el borrador de la propuesta: radianes, estereorradián, hercios, julios y newton.
En 1952, el CIPM propuso el uso de la longitud de onda de una fuente de luz específica como estándar para definir la longitud y, en 1960, el CGPM aceptó esta propuesta utilizando la radiación correspondiente a una transición entre niveles de energía específicos del átomo de criptón 86 como nuevo estándar para el metro. El artefacto del medidor estándar fue retirado.
En 1960, las propuestas de Giorgi fueron adoptadas como base del Système International d'Unités (Sistema Internacional de Unidades), la SI. [37] : 109 Esta definición inicial del SI incluía seis unidades básicas, el metro, kilogramo, segundo, amperio, grado Kelvin y candela, y dieciséis unidades derivadas coherentes. [84]
La evolución del SI después de su publicación en 1960 ha visto la adición de una séptima unidad base, el mol , y seis unidades derivadas más, el pascal para la presión, el grey , el sievert y el becquerel para la radiación, el siemens para la conductancia eléctrica, y katal para actividad catalítica (enzimática). También se han redefinido varias unidades en términos de constantes físicas.
Over the ensuing years, the BIPM developed and maintained cross-correlations relating various measuring devices such as thermocouples, light spectra, and the like to the equivalent temperatures.[85]
The mole was originally known as a gram-atom or a gram-molecule—the amount of a substance measured in grams divided by its atomic weight. Originally chemists and physicists had differing views regarding the definition of the atomic weight—both assigned a value of 16 atomic mass units (amu) to oxygen, but physicists defined oxygen in terms of the 16O isotope whereas chemists assigned 16 amu to 16O, 17O and 18O isotopes mixed in the proportion that they occur in nature. Finally, an agreement between the International Union of Pure and Applied Physics[86] (IUPAP) and the International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) brought this duality to an end in 1959/60, both parties agreeing to define the atomic weight of 12C as being exactly 12 amu. This agreement was confirmed by ISO and in 1969 the CIPM recommended its inclusion in SI as a base unit. This was done in 1971 at the 14th CGPM.[37]: 114–115
The second major trend in the post-modern SI was the migration of unit definitions in terms of physical constants of nature.
In 1967, at the 13th CGPM, the degree Kelvin (°K) was renamed the "kelvin" (K).[87]
Astronomers from the US Naval Observatory (USNO) and the National Physical Laboratory determined a relationship between the frequency of radiation corresponding to the transition between the two hyperfine levels of the ground state of the caesium 133 atom and the estimated rate of rotation of the earth in 1900. Their atomic definition of the second was adopted in 1968 by the 13th CGPM.
By 1975, when the second had been defined in terms of a physical phenomenon rather than the earth's rotation, the CGPM authorised the CIPM to investigate the use of the speed of light as the basis for the definition of the metre. This proposal was accepted in 1983.[88]
The candela definition proved difficult to implement so, in 1979, the definition was revised and the reference to the radiation source was replaced by defining the candela in terms of the power of a specified frequency of monochromatic yellowish-green visible light,[37]: 115 which is close to the frequency where the human eye, when adapted to bright conditions, has greatest sensitivity.
Después de que se redefiniera el metro en 1960, el kilogramo siguió siendo la única base del SI definida por un artefacto físico. Durante los años siguientes, se refinaron las definiciones de las unidades básicas y, en particular, la puesta en práctica [90] para realizar estas definiciones.
La tercera recalibración periódica en 1988-1989 reveló que la diferencia promedio entre el IPK y la línea de base ajustada para los prototipos nacionales era de 50 μg; en 1889, la línea de base de los prototipos nacionales se había ajustado de modo que la diferencia fuera cero. Como el IPK es el kilogramo definitivo, no hay forma de saber si el IPK había ido perdiendo masa o los prototipos nacionales habían ido ganando masa. [89]
A lo largo del siglo, los distintos prototipos nacionales del kilogramo fueron recalibrados frente al prototipo internacional del kilogramo (IPK) y, por tanto, entre sí. Las compensaciones iniciales del valor inicial de 1889 de los prototipos nacionales en relación con el IPK fueron anuladas, [89] y cualquier cambio de masa posterior fue relativo al IPK.
Se propusieron varios reemplazos para el IPK.
Desde principios de los años 1990, el Proyecto Internacional Avogadro trabajó en la creación de una esfera de 1 kg y 94 mm hecha de un cristal uniforme de silicio-28, con la intención de poder sustituir el IPK por un objeto físico que fuera exactamente reproducible a partir de un objeto exacto. especificación. Debido a su construcción precisa, es probable que la esfera del Proyecto Avogadro sea el objeto esférico con mayor precisión jamás creado por humanos. [91]
Otros grupos trabajaron en conceptos como la creación de una masa de referencia mediante la electrodeposición precisa de átomos de oro o bismuto y la definición del kilogramo en términos de amperios relacionándolo con las fuerzas generadas por la repulsión electromagnética de las corrientes eléctricas. [92]
Finalmente, las opciones se redujeron al uso de la balanza Watt y la esfera del Proyecto Internacional Avogadro. [92]
En última instancia, se tomó la decisión de no crear ningún reemplazo físico para el IPK, sino definir todas las unidades SI en términos de asignar valores precisos a una serie de constantes físicas que previamente se habían medido en términos de las definiciones de unidades anteriores.
En su 23ª reunión (2007), la CGPM encargó al CIPM que investigara el uso de constantes naturales como base para todas las unidades de medida en lugar de los artefactos que estaban en uso en ese momento.
Al año siguiente, esto fue respaldado por la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (IUPAP). [ 93 ] En una reunión del CCU celebrada en Reading, Reino Unido , en septiembre de 2010, se acordaron en principio. [95] La reunión del CIPM de octubre de 2010 concluyó que "las condiciones fijadas por la Conferencia General en su 23ª reunión aún no se han cumplido plenamente. [Nota 21] Por esta razón el CIPM no propone una revisión de la SI en la actualidad tiempo". [97] Sin embargo, el CIPM presentó una resolución para su consideración en la 24ª CGPM (17-21 de octubre de 2011) para aceptar las nuevas definiciones en principio, pero no implementarlas hasta que se hubieran ultimado los detalles. [98]
En la redefinición, cuatro de las siete unidades básicas del SI (el kilogramo , el amperio , el kelvin y el mol ) se redefinieron estableciendo valores numéricos exactos para la constante de Planck ( h ), la carga eléctrica elemental ( e ), la constante de Boltzmann ( k B ), y la constante de Avogadro ( N A ), respectivamente. El segundo , el metro y la candela ya estaban definidos por constantes físicas y estaban sujetos a corrección de sus definiciones. Las nuevas definiciones tenían como objetivo mejorar el SI sin cambiar el valor de ninguna unidad, asegurando la continuidad con las mediciones existentes. [99] [100]
Esta resolución fue aceptada por la conferencia, [101] y, además, la CGPM adelantó la fecha de la 25.ª reunión de 2015 a 2014. [102] [103] En la 25.ª reunión, celebrada del 18 al 20 de noviembre de 2014, se concluyó que "a pesar de [los avances en los requisitos necesarios] los datos aún no parecen ser lo suficientemente sólidos para que la CGPM adopte el SI revisado en su 25.ª reunión", [104] posponiendo así la revisión para la próxima reunión en 2018.
En 2017 se disponía de mediciones lo suficientemente precisas para cumplir las condiciones y la redefinición [105] se adoptó en la 26.ª CGPM (13-16 de noviembre de 2018), y los cambios finalmente entraron en vigor en 2019, creando un sistema de definiciones cuyo objetivo es ser estable a largo plazo.
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)On voit que le projet de Mouton est, sans aucune différence de principe, celui qui a ét réalisé par notre Système métrique.
[Se puede ver que la propuesta de Mouton no era, en principio, diferente del sistema métrico tal como lo conocemos.]
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)(pág. 140) Se podría decir que el creador del sistema métrico fue Gabriel Mouton.