3. ¿Qué son las unidades de medición? | Unidades y medidas | 🎓 Joseleg 🎓

[Ciencias de Joseleg] [Física] [Mecánica] [Unidades y medidas] [Ejercicios resueltos] [1-Introducción] [2-Medición y el método científico][3-Que son las unidades de medición][4-Historia de la medición][5-Sistema métrico decimal][6-Viejo sistema internacional de unidades] [7-Unidades fundamentales] [8-Nuevo Sistema internacional de unidades][ 9-Unidades derivadas][10-Prefijos decimales y notación exponencial][11-Lenguaje del sistema internacional][12-El sistema imperial][13-Cifras significativas][14-Notación científica][15-Conversiones de unidades][16-Medición e incertidumbre][17-Regla de tres analítica][18-Análisis dimensional][Referencias]

 Las unidades de medición son magnitudes definidas con base a la comparación con un patrón, definido y adoptado por arbitrio de un grupo de personas, que luego es empleada como estándar para medir otras magnitudes en términos de cuantas veces se repite la cantidad patrón. El estudio de las ciencias de la naturaleza depende fundamentalmente de las unidades medición. Por ejemplo, los químicos emplean las medidas para comparar las propiedades de diferentes sustancias y poder corroborar los cambios resultantes durante un experimento(Francis, 1958; Williams, 2003).

Como veremos en secciones posteriores, las unidades de medición son un factor crucial no solo para las ciencias de la naturaleza, sino para el desarrollo de la tecnología humana ya desde las primeras civilizaciones, y los patrones de medida se han convertido en instrumentos que manifiestan el control y la ideología política sobre una determinada situación (Brown & Holme, 2013; Geisler, 2000; Klein, 2012). Medir es un acto político, y si dos sistemas de medición se encuentran generalmente se realizará el penoso trabajo de realizar conversiones, lo más lógico sería que todos adoptaran el sistema más simple, pero el arraigo cultural y político a un sistema de medición determinado puede llegar a ser muy elevado (Lee, 1995).

Figura 3‑1. El kilogramo patrón es en la actualidad el único patrón que sigue siendo un objeto único y palpable.

La medición es un factor tan importante para los científicos, que se ha desarrollado un campo de investigación exclusivamente dedicado a él, denominado metrología (Klein, 2012) “no confundir con meteorología”. Los científicos requieren de definiciones claras de las cantidades a medir, para que de este modo se puedan repetir experimentos y obtener resultados semejantes, siendo esto una parte crucial del método científico, la repetibilidad. Un sistema estandarizado de medición es la única forma para poder realizar esto sin que se generen los problemas de la conversión de unidades. En la actualidad este espíritu es llevado a cabo por el Sistema Internacional de Medición, sin embargo, por trabas políticas aún tenemos que realizar conversiones a otros sistemas de unidades, específicamente del Sistema Imperial de Medición (Hebra, 2003; Pennycuick, 1988).

Los sistemas de medición

Con los milenios se han desarrollado múltiples sistemas de medición, que podemos clasificar en dos categorías básicas, los tradicionales y los científicos (Vera, 2015). Los sistemas de medición tradicionales tienen su origen en el comercio y han sido empleados generalmente mediante definiciones de la longitud del cuerpo humano, especialmente empleando el cuerpo de los reyes como unidades patrón. Como consecuencia en cada país y con cada nuevo rey las medidas podían cambiar, lo cual creaba conflictos a la hora de hacer intercambios comerciales. Durante milenios la púnica forma de regular esto era mediante la institución de los Imperios Multiculturales que sometían con puño de hierro a sus colonias a medir e intercambiar todo bajo sus unidades de patrón, pero la estandarización se perdía cuando los imperios se corrompían burocráticamente o eran destruidos (Vera, 2015).

El segundo tipo son los sistemas científicos, que intentan basar sus unidades patrón en fenómenos naturales que sean repetibles por cualquier investigador en cualquier parte del mundo o del universo (Vera, 2015). El primero de estos sistemas fue el sistema métrico decimal francés de 1791 (Moreau, 1953), que era útil, pero que tenía una serie de inconvenientes metodológicos y políticos que mencionaremos más adelante. Por el momento simplemente diremos que, con el desarrollo de las ciencias, los patrones estándar del sistema métrico cambiaron, dando lugar al Sistema Internacional de Unidades (Lee, 1995), que es muy semejante al métrico, pero que intenta basar sus patrones en fenómenos naturales que sea homogéneos en todo el universo.

Sin embargo, debido al peso de la tradición aún se mantienen algunas unidades de medición no estándar, que varían de región en región (De Simone, 1971), o incluso al interior de los campos de investigación científico, como la unidad no estandarizada para la energía desplegada por artefactos explosivos poderosos, el megatón.

Unidades como manifestación de una dimensión física

En física existen muchas definiciones para la expresión dimensión, una definición laxa es que una dimensión representa cualquier cantidad física que es medible mediante una comparación con un estándar patrón. Por ejemplo, si tenemos la cantidad física, entonces lo primero que debemos: definir es el patrón, para luego entablar una relación algebraica en la que cualquier medición de del patrón se dará como n veces la cantidad estandarizada o unidad.

Figura 3‑2. Componentes de una magnitud dimensional.

Por ejemplo, la variable dimensional o magnitud “distancia” que se simboliza generalmente con la letra x, se basa en el patrón “metro”, por lo que su expresión de comparación es “x = n metros”. Sin embargo, colocar el nombre completo de la unidad patrón es engorroso, por lo que generalmente empleamos símbolos para representarlo, para el metro empleamos la (m) minúscula.

Distancia = x, la variable en cursivas

Metros = m, la unidad en texto estándar

Algebraicamente la expresión entre el valor y la unidad es una multiplicación algebraica en la cual ignoramos la necesidad de colocar un símbolo de multiplicación, lo trabajamos como si fuera un solo término. Adicionalmente hay que hacer una distinción conceptual entre las unidades y los estándares patrones. La unidad es una definición fija y abstracta que se obtiene a partir del patrón, y es independiente a las condiciones físicas como la presión o la temperatura. En contraste el patrón estándar es la manifestación física real de dicha unidad, y como el patrón si está sometido a variables reales, este puede ser afectado. Por ejemplo, la definición original del metro se basaba en una barra de metal que debía mantenerse a una temperatura estandarizada para que su longitud no cambiara.

Uso analítico de las unidades

En un sentido mucho más estricto, cuando hablamos de la capacidad analítica en las ciencias de la naturaleza, no hablamos solo de cualquier matemática, sino que hablamos de generalizaciones, basadas en el álgebra. Las unidades deben tratarse como variables algebraicas y se adicionan como si fueran cualquier otro término. Cuando dos unidades son multiplicadas o divididas, el resultado puede ser otra unidad, referida como unidad derivada. Por ejemplo, en el sistema internacional las unidades de velocidad son metro dividido en segundos:

Si multiplicamos dos velocidades, no solo su valor de magnitud (n) se eleva al cuadrado, también deberán hacerlo sus unidades correspondientes:

Algunas unidades derivadas tienen nombres especiales que deben ser tratadas como tal o como sus equivalentes según sea necesario, si no se memorizan esas equivalencias es conveniente tener una tabla a la mano, por ejemplo, la unidad de fuerza llamada newton es equivalente a un kilogramo por metro dividido en segundos al cuadrado:

Dilemas reales de no saber emplear las unidades de medición

La importancia de las conversiones de unidades, no se limitan a la investigación científica en el laboratorio, evidentemente se emplea mucho para establecer la tasa de cambio para comprar o vender divisas cuando tienes que viajar entre diferentes países. Sin embargo, su mayor impacto se da en la ingeniería y labores técnicas que requieren el manejo de maquinaria costosa.

Un ejemplo de esto fue la falla de un satélite climático de observación climática enviado a Marte por parte de la NASA, el cual fue accidentalmente destruido en septiembre de 1999 justo al llegar al planeta rojo. En lugar que ingresar en una órbita se estrelló. La causa fue que las aplicaciones del software de control empleaban valores de fuerza en diferentes sistemas de unidades, específicamente el Sistema Internacional y el Sistema Imperial (Stephenson et al., 1999).

El mismo año un avión de carga se estrelló debido a que la torre de control emitió valores en el Sistema Internacional de unidades, mientras que el altímetro del avión estaba calibrado con el Sistema Imperial de unidades (Qing, 2013).

En 1983 un Boeing 767 se quedó sin combustible en medio del vuelo debido a dos errores con la tanqueada de combustible, nuevamente debido a confusiones entre el Sistema Internacional de unidades y el Sistema Imperial de unidades (Witkin, 1983).