Sistema Técnico de Unidades
Un sistema técnico de unidades es cualquier sistema de unidades en el que se toman como magnitudes fundamentales la longitud, la fuerza, el tiempo y la temperatura.[1] Debe ese nombre a que fueron sistemas elaborados para su uso en diversas técnicas basándose, en gran parte, en sistemas de unidades usuales, y especialmente en el sistema métrico decimal, antes de que éste llegase a lo que es ahora: un sistema completo, que ha cambiado el nombre a Sistema Internacional de Unidades (SI).
No hay un sistema técnico normalizado de modo formal, pero es corriente aplicar este nombre específicamente al basado en el sistema métrico decimal y que toma el metro o el centímetro como unidad de longitud, el kilogramo-fuerza o kilopondio como unidad de fuerza, el segundo como unidad de tiempo y la kilocaloría o la caloría como unidad de cantidad de calor.[2] Al estar basado en el peso en la Tierra, también recibe los nombres de sistema gravitatorio (o gravitacional) de unidades y sistema terrestre de unidades.
Unidades fundamentales
Al DJ ANDROID formalmente por un organismo regulador, el sistema técnico en sí no define las unidades, sino que toma las definiciones de organismos internacionales, en concreto la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM). Además, puede haber variaciones según la época, el lugar o las necesidades de algún área en particular. Sin embargo, hay bastante coincidencia en considerar como fundamentales el metro, el kilogramo-fuerza o kilopondio y el segundo.
Longitud
Como unidad de longitud se toma normalmente el metro, aunque cuando resulta poco práctico por resultar una unidad muy grande se toma el centímetro. La definición de esta unidad es la dada por la CGPM.
Fuerza
La unidad de fuerza es el kilogramo-fuerza o kilopondio, de símbolos kgf y kp, respectivamente, definido como el peso que tiene un cuerpo de 1 kilogramo de masa (SI) en condiciones terrestres de gravedad normal (g = 9,80665 m/s2); por tanto esta unidad es invariable y no depende de la gravedad local.
La norma ISO 80000 en su anexo C, que informa sobre equivalencias con unidades desaconsejadas, lo define como 1 kgf = 9,806 65 N, al tiempo que aclara: «Se han usado los símbolos kgf (kilogramo-fuerza) y kp (kilopondio). Esta unidad debe distinguirse del peso local de un cuerpo que tiene la masa de un 1 kg.»[3]
Tiempo
La unidad de tiempo es el segundo, de símbolo s. La misma definición del SI
Temperatura
Se añade además la temperatura a efectos termodinámicos para los sistemas técnicos de unidades. En los sistemas técnicos se ha preferido el grado Celsius, con la misma definición del SI.
Unidades derivadas
Las demás unidades del sistema técnico (velocidad, masa, trabajo, etc.) se derivan de las anteriores mediante leyes físicas. Por ello se llaman unidades derivadas.
Masa
La unidad de masa se deriva usando la segunda ley de Newton: F = m · a, es decir
- m = F/a
y queda definida como aquella masa que adquiere una aceleración de 1 m/s2 cuando se le aplica una fuerza de 1 kilopondio (o kilogramo-fuerza). No teniendo un nombre específico, se le llama unidad técnica de masa, que se abrevia u.t.m. (no tiene símbolo de unidad):
Energía, trabajo
- Energía mecánica.
El trabajo y la energía mecánicos se expresan en kilopondímetros (kpm) o kilográmetros (kgm) = kilopondios (o kilogramos-fuerza) · metro
Definición: Un kilográmetro o kilopondímetro es el trabajo que realiza una fuerza de 1 kilopondio o kilogramo-fuerza, cuando desplaza su punto de aplicación una distancia de 1 metro en su misma dirección:
- 1 kilográmetro o kilopondímetro = 1 kilogramo-fuerza o kilopondio × 1 metro
- Cantidad de calor.
En los sistemas técnicos de unidades se adopta la costumbre, anterior al SI, de considerar la cantidad de calor como una magnitud independiente de la energía mecánica, por lo que tiene una unidad específica.
Como unidad de cantidad de calor se toma la caloría, aunque cuando resulta poco práctica por resultar una unidad muy pequeña se toma la kilocaloría. También se ha utilizado otro múltiplo más grande, la termia (símbolo th) igual a un millón de calorías o una megacaloría (1 Mcal). La definición de ambas unidades es la dada por la CGPM. La CGPM considera que hoy no es necesario mantener esta separación y por tanto, al igual que el kilopondio, en el Sistema Internacional de Unidades no se usa.
Potencia
Para la potencia se emplean tres tipos de unidades, según se trate de potencia mecánica, de potencia calorífica o de potencia eléctrica.
- Potencia mecánica.
Se usa el caballo de vapor (CV)
- 1 CV = 735,49875 W (vatio)
- Potencia calorífica
Se utilizaba la caloría por hora (cal/h) o, más frecuentemente, la kilocaloría por hora (kcal/h):
- 1 kcal/h = 1000 cal/h = 1,1630556 W (vatio).
También se usaba la termia por hora (th/h), siendo la termia igual a 1 Mcal, es decir:
- 1 th/h = 1 Mcal/h = 1163,0556 kW = 1,1630556 MW
- Potencia eléctrica
Se utiliza el vatio (W) definido por la CGPM.
Presión
La presión se expresa en kgf/m2 (kilogramo-fuerza por metro cuadrado). No tiene nombre específico.
Como el kgf/m² es una unidad muy pequeña, suele utilizarse el (kilogramo-fuerza por centímetro cuadrado), kgf/cm², que recibe el nombre de atmósfera técnica (símbolo: at) cuyo valor se corresponde aproximadamente con la presión atmosférica normal, y es aproximadamente igual al del bar (1 bar = 1,01972 kgf/cm2). En el habla común, también es costumbre referirse a esta unidad como kilos de presión.
- 1 kgf/cm² = 98 066,5 Pa = 1 at = 0,98067 bar
Por ejemplo, los neumáticos de un automóvil suelen inflarse para tener una presión de unos 2 kgf/cm²; en muchos países, para este menester, se utiliza ya el bar, muy próximo al kgf/cm².
En fontanería y riegos era muy usada la unidad de presión denominada metro de columna de agua (m.c.a. o mH2O) que es la presión ejercida sobre su base por una columna de agua de un metro de altura. Se utiliza como submúltiplo el milímetro de columna de agua (mm.c.a).
- 1 m.c.a. = 0,1 kgf/cm² = 0,1 at = 9 806,65 Pa = 0,098067 bar
- 1 at = 10 m.c.a.
- 1 m.c.a. = 1 000 mm.c.a.
En otras técnicas, como la medicina, se utiliza el milímetro de mercurio, con una definición semejante a m.c.a. pero empleando el mercurio, unidad que pasó a llamarse torricelli (torr) y que equivale a:
- 1 torr = 0,013593 m.c.a. = 133,3 Pa
Ya citada, también se definió la atmósfera técnica (at), redondeando el valor de la presión atmosférica normal para que coincidiera con unidades definidas. La presión atmosférica normal es de 10,33 m.c.a o 1,033 kgf/cm2, así que se redondeó a:
- 1 at = 1 kgf/cm2 = 10 m.c.a.
Equivalencias entre el Sistema Técnico y el S.I.
- 1 kp = 9,80665 N ≈ 1 daN
- 1 u.t.m. = 9,80665 kg
- 1 kpm (o kgm) = 9,80665 J
- 1 kp/m² = 9,80665 Pa
- 1 kp/cm² = 98,0665 kPa (kilopascales)
Usos
Hasta la aprobación del SI, los sistemas técnicos se fueron desarrollando ante la necesidad de unidades que fueran adecuadas a los fenómenos ordinarios (unidades prácticas) frente al sistema cegesimal imperante en física teórica (unidades absolutas).[4]
Los sistemas técnicos de unidades se emplearon sobre todo en ingeniería. Aunque se sigue empleando en ocasiones, actualmente el sistema técnico está cayendo en desuso, tras la adopción del Sistema Internacional de Unidades como único sistema legal de unidades en casi todas las naciones.[5]
Diferencias entre el kilopondio y el kilogramo
En general sigue habiendo cierta confusión entre los conceptos de peso y masa, lo cual influye en que, en la vida diaria, el kilogramo-fuerza siga vigente en los hechos: ("peso 60 kilos, pero en la Luna pesaría solo 10 kilos", "si estoy en caída libre no peso nada", aunque en todos los casos la masa es siempre la misma: 60 kilogramos); a pesar de que desde el punto de vista metrológico lo que realmente se usa es el kilogramo, medido con la ayuda de una de las propiedades de la masa, que es atracción gravitatoria (y que sería el principio de medida en la terminología del JCGM[6]). Los sistemas de pesas y medidas modernos normalmente se calibran para que el resultado sea la masa de los cuerpos que se someten a la medición, no la fuerza de atracción que, localmente, pueda experimentar esa masa.
Esta confusión arranca de antiguo, con la creación del sistema métrico decimal. Cuando se creó el kilogramo lo fue como unidad de peso, ya que el sistema fue creado para facilitar el comercio y en este, lo que interesa, es el peso. Aun más, la manera de "pesar" de entonces era con balanzas, en el sentido estricto del término: con dos platillos, uno con la masa a pesar y el otro con pesas calibradas, o bien con una balanza romana que hace lo mismo por medio de una palanca, es decir, que se comparaban masas, y el resultado era el mismo bajo cualquier gravedad.[7] Setenta y cinco años después, en el Tratado del Metro persistía esa definición, puesto que se crearon organismos internacionales para vigilar los patrones del kilogramo y del metro, con el nombre de Oficina Internacional de Pesos y Medidas o Conferencia General de Pesos y Medidas , y no de Masas y Medidas, como correspondería de haberse definido el kilogramo como patrón de masa.
Con la aparición de los pesos de muelles se complicó la cosa: ya no evaluaban (comparaban) masas, sino pesos, pues intervenía la atracción de la gravedad y, con el tiempo, las diferentes Conferencias Generales se dieron cuenta de que, para la ciencia, la masa es una unidad fundamental, más importante que el peso que, para la misma masa, puede variar según las condiciones gravitatorias, y fijaron el kilogramo como unidad de masa, lo cual quedó patente en el Sistema Internacional de Unidades y, para la generalidad de la gente, indujo la confusión entre los conceptos de masa y peso.
Por todo ello:
- El sistema técnico de unidades recogió la idea inicial del kilogramo como unidad de peso pero, para evitar confusiones, intentó cambiar el nombre y estableció el kilogramo-fuerza o kilopondio como unidad fundamental, quedando la masa como unidad derivada, la UTM.
- El Sistema Internacional instauró el kilogramo (que muchos científicos llamaban ya entonces kilogramo-masa, para diferenciarlo del kilogramo-fuerza) como unidad fundamental de masa, mientras que la fuerza fue definida como una unidad derivada: el newton: 1 N = 1 kg ·1 m / 1 s2. Este cambio de definición se debió al deseo de conservar el kilogramo como unidad fundamental, tanto en la Tierra como en cualquier otro lugar del Universo.
El tiempo trascurrido desde que se asignó el kilogramo como unidad de masa no ha sido suficiente para aclarar la confusión, de modo que aún persiste, sobre todo en el lenguaje corriente: ¿cuanto pesa ese trozo de carne?, y el tendero contesta: dos kilos, respuesta que además resultaría correcta si dijera dos kilopondios o dos kilogramos-fuerza. Pero, precisando más, lo que el cliente quiere es una masa de dos kilogramos, independientemente de la gravedad del lugar.
Finalmente, conviene insistir en la forma en que se evalúan masas y pesos. Cuando se emplea un peso de resortes (los más comunes actualmente) la fuerza ejercida por la masa atraída por la gravedad es la que señala el peso del objeto, es decir, mide pesos; sin embargo, cuando se emplea una balanza o báscula de dos platillos, lo que se hace es comparar indistintamente pesos y masas (la del objeto evaluado y la de las pesas patrón colocadas en el otro platillo) por lo que se mide realmente la masa, ya que el resultado sería el mismo en la Tierra o en la Luna (ambos platillos son atraídos igualmente por la gravedad local). Lo mismo pasaría con la balanza romana. Una masa de 1 kg (S.I.), en la Tierra en condiciones normales de gravedad, pesa exactamente 1 kp (S.T.U.) = 9,80665 N (S.I.). En cambio, si esa misma masa de 1 kg (S.I.) se pesa en la Luna, con un peso de muelle elástico, dará un valor de 0,1666 kp (S.T.U.), ya que la intensidad de la atracción gravitatoria en la Luna es la sexta parte de la atracción terrestre), aunque conserve su masa de 1 kg (S.I.) = 1u.t.m./9,80665 (S.T.U.).
Véase también
Referencias
- ↑ Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales: Vocabulario científico y técnico, Espasa, 1996, pág. 937.
- ↑ Olle Järnefors: Metric Units Galore.
- ↑ The symbols kgf (kilogram-force) and kp (kilopond) have both been used. This unit shall be distinguished from the local weight of a body having a mass of 1 kg.
- ↑ Esta disociación, con los problemas que planteaba, se puede encontrar en libros anteriores al SI, como en Carlós Banús: Unidades absolutas y unidades prácticas, Barcelona: Sucesores de Manuel Soler, [c1915].
- ↑ En España concretamente, por ley (Declaración del Sistema Internacional de Unidades de Medida (S.I.) como sistema legal; Ley 3/85 Jefatura del Estado; B.O.E. 18/marzo/1985. También el Real Decreto 2032/2009, de 30 de diciembre, por el que se establecen las unidades legales de medida, BOE número 18 de 21/1/2010), deben usarse las unidades del sistema internacional, incluso en contratos privados. El uso de otras unidades puede dar lugar a que los documentos redactados con ellas puedan ser presentados ante un juez como "ilegales", y dar importantes problemas en litigios a los que las usan.
- ↑ International Vocabulary of Metrology — Basic and General Concepts and Associated Terms (VIM).
- ↑ Al contrario que con los sistemas modernos de medida estos aparatos no necesitaban otra calibración que la de las pesas que debían equilibrar la balanza. Por esa razón los organismos que se crearon en 1875 eran "... de pesos (o pesas) y medidas".