Addio al Chilogrammo, arriva la bilancia di WATT

Pubblicato il: 16/11/2018 17:34:43
Strumenti di Misura e Controllo

Novembre è qui, e questo significa che sta arrivando un enorme cambiamento. E per "grande" ci riferiamo ovviamente alla ridefinizione dell'unità di massa del chilogrammo che il mondo sta costruendo da oltre 100 anni.

Proviamo a spiegare: Quindi cosa effettivamente definisce un'unità di misura? Probabilmente sai che un miglio è 5280 piedi e un piede è 12 pollici e un pollice è 2,54 centimetri ecc. Ma dove finisce questa catena di definizioni? Per tutte le unità (anche le unità imperiali utilizzate in America) le risposte finiscono tutte con le definizioni delle unità Système International (SI) stabilite e mantenute per oltre 100 anni dal Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) in Francia. La base di questo sistema sono le unità di base del SI.

Solo 7 unità base SI definiscono ogni altra unità esistente. E sono:

  1. Chilogrammo, kg (massa)
  2. Metro, m (distanza)
  3. Secondo, s (tempo)
  4. Kelvin, K (temperatura)
  5. Ampere, A (corrente elettrica)
  6. Candela, cd (intensità luminosa)
  7. Mole, mol (quantità di sostanza)

Ogni unità che hai mai usato è derivata "ufficialmente" da queste 7 unità.

Ad esempio : 

  • Un gallone ? Ufficialmente 0,003785 m ^ 3.
  • Un'atmosfera di pressione ? Ufficialmente 101325 (kg / (m * s ^ 2) di pressione
  • 100 Watt ? Ufficialmente 100 kg * m ^ 2 / s ^ 3.
  • 12Volts ? Ufficialmente un 12 kg * m ^ 2 / (s ^ 3 * A).

kilo

Tutte le unità sono definite ufficialmente (ciò che chiamiamo 'tracciabile' o "riferibile") attraverso unità di base SI storicamente, sono stati definiti facendo riferimento a un artefatto.

Se parliamo del tempo, ad esempio, negli anni '40, 1 secondo era definito come 1/86400 del tempo impiegato dalla Terra per ruotare completamente una volta. Negli anni '50, il secondo fu ridefinito come 1 / 31556925,9747 il tempo impiegato dalla Terra per orbitare attorno al sole.

Infine, negli anni '60, la tecnologia è avanzata abbastanza da ridefinire il secondo non da un artefatto (come la Terra) ma da una proprietà fondamentale dell'universo. Oggi il secondo è definito come il tempo impiegato da un elettrone in un atomo di cesio 133 per oscillare 9,192,631,770 volte.

Il metro ha avuto un viaggio altrettanto lungo e notevole. Definito prima come 1 / 10.000.000 della distanza dall'equatore al polo nord, quindi come la distanza tra due segni su una barra di platino-iridio in Francia.

Tutte le altre unità di base nel sistema SI sono state da tempo ridefinite in termini di proprietà fisiche del nostro universo che sono costanti e immutabili. Tutto ciò, tranne il chilogrammo. Ah, il chilogrammo! Il chilogrammo ha ostinatamente eluso la ridefinizione.

A differenza del tempo e della distanza, la massa è più difficile da misurare con precisione, quindi i tentativi di creare una definizione universale del chilogrammo non sono stati all'altezza della semplice presa dell'IPK dal caveau per pesarlo ogni tanto. E questo è frustrante dato che, negli ultimi 100 anni, ci sono prove che l'IPK ha effettivamente perso parte del suo materiale (anche se, paradossalmente, l'IPK è l'unico oggetto nell'intero universo che non può perdere massa.

Quindi sì, se qualche tecnico incurante ha scheggiato per sbaglio un po 'di metallo dall'IPK, allora il peso che attribuiamo agli atomi aumenterebbe. L'IPK sempre  pesa 1 kg per definizione.

Fino ad ora è stato così. Infine, questo mese, dopo decenni di lavoro e false partenze, i metrologi sono pronti a ridefinire il chilogrammo con una configurazione sperimentale complessa ma incredibilmente precisa.

Per 129 anni, il chilogrammo è stato definito come la massa di un artefatto fisico conservato in un caveau in Francia (chiamato International Prototype Kilogram, the IPK). Gli scienziati si stanno preparando a detronizzare il "re dei chilogrammi", la massa che definisce tutti gli altri chilogrammi.

Le Grand Kilo, custodito sotto chiave in Francia da quando è stato fabbricato nel 1889, sta per passare la mano a un dispositivo che misura la luce.

Gli scienziati sperano di ritirare il cilindro in lega accuratamente calibrato per garantire la sicurezza dei sistemi di pesi metrici del mondo in caso di distruzione dell'oggetto. Conservato sotto due campane e fissato con tre chiavi, di cui solo due in Francia, il prezioso pezzo di metallo è conservato in un elegante edificio appena fuori Parigi.

È servito da standard globale per la pesatura di cose per 130 anni, con dozzine di copie archiviate in tutto il mondo per standardizzare i pesi delle singole nazioni

Addio al chilogrammo ? Una nuova definizione basata sulla costante di Planck

I rischi legati al fatto di avere un riferito costituito da un manufatto fisico sono altissimi, da qui la necessità di una nuova definizione del chilogrammo che non si formerebbe più su un oggetto materiale, modificabile, ma su una costante fondamentale della fisica.

In altre parole, una legge di natura invariabile, qualunque sia l'uomo. Come avvenne per il metro nel 1983. In precedenza, era anche definito da uno standard fisico, ora è definito dalla velocità della luce. Più precisamente, un metro corrisponde al percorso della luce nel vuoto durante una frazione precisa di secondo. 

Per il chilogrammo, l'idea è di usare la costante di Planck. Definito dal fisico tedesco Max Planck , gioca un ruolo centrale nella meccanica quantistica ed esprime la soglia di energia minima che può essere misurata su una particella.

Non è facile capirlo, ma gli scienziati rassicurano : "Questo cambiamento di definizione è una rivoluzione importante per i fisici e metrologi, ma tutto è stato fatto in modo che non v'è alcun impatto diretto nella vita quotidiana". È tutto questo sarà frutto del lavoro di una "rivoluzione gentile" che ha occupato la comunità scientifica negli ultimi trenta anni. Trent'anni di ricerche per una "rivoluzione liscia"

Vengono utilizzati due metodi di calcolo per collegare questa costante di Planck al chilogrammo. Il primo, utilizzato da francesi, americani e canadesi, utilizza una bilancia di Watt, un dispositivo che converte una massa fisica in energia elettrica e viceversa. Il secondo è contare il numero di atomi di una sfera di silicio considerata la più rotonda al mondo. Questo è il progetto Avogadro , un'opzione scelta da italiani e tedeschi.

Questi cinque laboratori nazionali hanno presentato i loro risultati e sono arrivati ​​ad un valore con un margine di errore molto piccolo. Resta per la Conferenza generale dei pesi e delle misure mediare questo lavoro e fermare la nuova definizione quantistica del chilo. Questo è ciò che verrà discusso questa settimana ( dal 13 al 16 novembre 2018 ) a Versailles.

Questa nuova definizione del chilogrammo dovrebbe essere ufficializzata il 20 maggio del 2019 , Giornata mondiale della metrologia. Il "Grand K", rimarrà in servizio per diversi anni, il tempo per garantire la continuità tra la vecchia e la nuova definizione. Prima di una meritata pensione.

Un nuovo dispositivo, noto come bilancia Kibble o bilancia di WATT, traccia piccoli cambiamenti nella corrente elettrica per calcolare la forza gravitazionale che agisce su una massa, i due componenti del peso. Misurando la forza attrattiva tra due piastre cariche e seguendo un processo incredibilmente complesso per calibrare gli effetti della gravità terrestre, il chilogrammo può ora essere definito in termini nient'altro che le costanti fisiche del nostro universo.

Come funziona la bilancia di WATT ? ecco la spiegazione del NIST in questo video : 

Si prevede che il BIPM raccomandi questa nuova definizione da adottare questo mese di novembre 2018 , ponendo fine a un viaggio iniziato oltre un secolo fa dal “vecchio” chilogrammo. Il sistema di unità SI sarà finalmente un sistema veramente universale privo di artefatti umani. 

In che modo ciò influenzerà noi mortali? Beh, la verità è : non molto, è probabile che non si noti nemmeno, ma dal momento che tutte le bilance del mondo sono graduate sulla base di questo originale chilo il cambiamento sarà inevitabile. D'altra parte, per la comunità scientifica questo rappresenta un cambiamento importante, data l'estrema precisione di cui hanno bisogno quando fanno i loro calcoli.

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