Profesor: Ricardo Moreno

Instrumentos para la medicion de masa

I. Conceptos

Masa: en física, la masa es una medida de la cantidad de materia que posee un cuerpo. [1] es una propiedad extrínseca de los cuerpos que determina la medida de la masa inercial y de la masa gravitacional. La unidad utilizada para medir la masa en el sistema internacional de Unidades (SI) es el Kilogramo (kg). Es una magnitud escalar. [2]

No debe confundirse con el peso, que es una unidad vectorial que representa una fuerza. Tampoco debe confundirse con la cantidad de sustancia, cuya unidad en el Sistema internacional de Unidades es un mol. [2]

Masa inercial: en física, la masa inercial es una medida de la resistencia de una masa al cambio de velocidad en relación con un sistema de referencia inercial. [2]

Masa gravitacional: es una medida de la fuerza de atracción gravitatoria que experimenta una porción de materia másica dentro de un cuerpo gravitatorio. [2]

II. Historia de la masa

El concepto de masa surge de la confluencia de dos leyes, ley de gravitación universal de Newton y la segunda ley de Newton. Según la ley universal, la atracción entre dos cuerpos es proporcional al producto de dos constantes, denominadas masa gravitacional, siendo esta una propiedad de la materia en virtud de la cual dos cuerpos se atraen: por la 2da ley de Newton, la fuerza aplicada sobre un cuerpo es directamente proporcional a la aceleración que experimenta, denominándose a la constante de proporcionalidad: masa inercial del cuerpo.

Para Einstein la gravedad es una propiedad del espacio-tiempo: una deformación de la geometría del espacio-tiempo por efecto de la masa de los cuerpos. [3]

No es obvio que la masa inercial y la masa gravitatoria coincidan. Sin embargo todos los experimentos muestran que sí. Para la física clásica esta identidad era accidental. Ya que Newton, para quien peso e inercia eran propiedades independientes de la materia, propuse que ambas cualidades son proporcionales a la cantidad de materia, a la cual denominó “masa”. Sin embargo, para Einstein, la coincidencia de masa inercial y masa gravitatoria fue un dato crucial y uno de los puntos de partida para su teoría de la relatividad y, por tanto, para poder comprender mejor el comportamiento de la naturaleza. Según Einstein, esa magnitud significa: la misma cualidad de un cuerpo se manifiesta, de acuerdo con las circunstancias, como inercia o como peso. [2]

Esto llevo a Einstein a enunciar el principio de equivalencia: las leyes de la naturaleza deben expresarse de modo que sea imposible distinguir entre campo gravitatorio uniforme y un sistema referencial acelerado, así pues masa inercial y masa gravitatoria son indistinguibles y consecuentemente, cabe un único concepto de masa como sinónimo de cantidad de materia, según formulo Newton. [2]

En la física clásica, la masa es una constante de un cuerpo y para la física relativista, la masa es función de la velocidad del cuerpo que posee respecto a un observador. [2]

II.1 Primeros indicios de mediciones de masa a través de la historia

Uno de los primeros instrumentos que se utilizó para medir la masa fué aproximadamente 3500 antes de Cristo, el comercio era una de las actividades más relevantes, el pueblo egipcio se vio forzado a pesar y medir esos productos destinados a la venta e intercambio de productos. [4]

Este fue el primero indicio de una balanza egipcia, este instrumento primitivo de medición consistía de una columna con un astil atado con una cuerda cuyos extremos, a su vez, se sostenían unas bandejas mediantes otras cuerdas. En dichas bandejas era donde se colocaban, por un lado, la mercancía que se quería pesar y por el otro, una pesa de un valor que debía se convenido. [4]

A través de los años los egipcios hicieron modificaciones a la balanza, en 1500 AC agregaron una plomada que permitía verificar si el instrumento en sí encontraba o nivelado según los requerimientos. Luego siguieron perfeccionando y a la plomada le sumaron una aguja, conocida como fiel, que indica el equilibrio entre los platos del operador de medición, que además es el momento exacto para el realizar el cálculo del peso. [4]

La civilización Romana no se quedó atrás, cerca del año 200 a.C. lograron darle a forma a lo que luego se conoció como romana de gancho, donde tenía un astil pero de constitución asimétrica, desde su extremo de menor longitud se puede colgar un gancho. En dicho gancho se colgaba la mercancía y posteriormente se mejoró implementándose un plato. Desde el otro extremo más largo se desliza un peso fijo que además tiene que ser dentado y graduado. Tan importante sería esta creación de los romanos, que se constituiría en el perfecto antecedente de las llamadas básculas de plataforma, las cuales se utilizan debido a que su resistencia les permite soportar grandes pesos. [4]

Da. Vinci, por ejemplo en el siglo XV configuró una medidora cuyo cuadrante era graduado. Asimismo, se apartó de otros inventos porque el suyo indicaba el peso del producto en dicho cuadrante, que además tenía una forma semicircular. [4]

Por esta razón es que se la considera como la primera herramienta de medición de índole automática, distinta al caso de aquellas que establecían entre los pesos determinadas equivalencias. También los estudiosos de las matemáticas se permitieron contribuir con sus propias creaciones. Tal fue el caso de Gilles de Roberval, quien llevó adelante un novedoso sistema de astiles que se acoplaban de manera paralela. Con este método, el francés estaba desafiando el sistema de palancas. Recordemos que éste permitía que los platos del instrumento se mantuvieran en una horizontalidad inmune al desplazamiento de los pesos. [4]

III. Instrumentos para medir la masa

III.A Balanza

La Balanza (del latín: bis , dos, lanx, plato) es una palanca de primer género de brazos iguales que mediante el establecimiento de una situación de equilibrio entre los pesos de dos cuerpos permite medir masas. Al igual que una romana, es un instrumento de medición que permite medir la masa de un objeto. [5]

Para realizar las mediciones se utilizan patrones de masa cuyo grado de exactitud depende de la precisión del instrumento. Al igual que en una romana, pero a diferencia de una báscula o un dinamómetro, los resultados de las mediciones no varían con la magnitud de la aceleración de la gravedad. El rango de medida y precisión de una balanza puede variar desde varios kilos (con precisión de gramos), en balanzas industriales y comerciales; hasta unos gramos (con precisión de miligramos) en balanzas de laboratorio. La evolución de las balanzas en los últimos tiempos ha sido radical, pues se ha pasado de utilizar las balanzas tradicionales, de funcionamiento mecánico, a balanzas electrónicas de lectura directa y precisa. [5]

Figura 1 – balanza mecánica

III.B Balanza Electrónica

La principal utilidad de las balanzas es para pesar los alimentos que se venden a granel, al peso: carne, pescado, frutas, etc. Estas balanzas llevan incorporado una máquina calculadora donde el vendedor introduce el precio de la materia que pesa y realiza automáticamente el cálculo del coste, que el cliente puede ver en una pantalla, y al final de la compra emite una factura de todas las mercancías pesadas. [5]

Otro uso importante de las balanzas es para pesar pequeñas cantidades de masa que se utiliza en los laboratorios para hacer pruebas o análisis de determinados materiales. Estas balanzas destacan por su gran precisión. En los hogares también hay, a menudo, pequeñas balanzas para pesar los alimentos que se van a cocinar según las indicaciones de las recetas culinarias. [5]

Figura 2 – balanza electrónica

III.C Báscula de medición de humedad

También llamada Bulk Weighing (pesaje en continuo por ciclos) Son básculas intercaladas en cintas transportadoras de materiales a granel. El sistema consta de dos tolvas en línea vertical. La superior tiene por objeto almacenar material mientras se produce el pesado del contenido de la tolva inferior. Una vez efectuado el mismo el gráneles liberado a la cinta transportadora y cuando la tolva se vacía se vuelve a llenar con el material acumulado en la tolva superior. [5]

Figura 3 – bascula medición de humedad

III.D Báscula de dosificación

Son básculas normalmente en forma de tolva suspendida por células de carga. A dicha tolva le llegan unos sinfines cuyos motores están controlados por un visor dosificador que puede realizar una formula con varios componentes. [5]

Figura 4 – bascula de dosificación

III.E Dinamómetro

Se denomina dinamómetro a un instrumento utilizado para medir fuerzas, comúnmente utilizado para calcular pesos. El dinamómetro tradicional, inventado por Isaac Newton, basa su funcionamiento en la elongación de un resorte que sigue la ley de Hooke en el rango de medición. Al igual que una báscula con muelle elástico, es una balanza de resorte, pero no debe confundirse con una balanza de platillos (instrumento utilizado para comparar masas). [5]

Estos instrumentos constan de un muelle, generalmente contenido en un cilindro que a su vez puede estar introducido en otro cilindro. El dispositivo tiene dos ganchos o anillas, uno en cada extremo. Los dinamómetros llevan marcada una escala, en unidades de fuerza, en el cilindro hueco que rodea el muelle. Al colgar pesos o ejercer una fuerza sobre el gancho exterior, el cursor de ese extremo se mueve sobre la escala exterior, indicando el valor de la fuerza. [5]

Existen dinamómetros diseñados para diversas aplicaciones. Una de ellas es la de pesar, es decir, para medir el peso de algo y por equivalencia determinar su masa. Esto conlleva a la necesidad de calibración el instrumento cada vez que se cambia de ubicación, especialmente en medidas de

precisión, debido a la variación de la relación entre la masa y el peso, que es la aceleración de la gravedad y depende del emplazamiento. [5]

Figura 5 - Dinamómetro

IV. BÁSCULA ELECTRONICA

Actualmente las básculas funcionan con métodos y sistemas electrónicos, mostrando en una pantalla de fácil lectura la masa del objeto que se pesa. Las básculas electrónicas utilizan sensores conocidos como célula de carga o celda de carga. Las celdas de carga convencionales consisten en una pieza de metal a la que se adhieren galgas extensométricas. Estas galgas cambian su resistencia eléctrica al traccionarse o comprimirse cuando se deforma la pieza metálica que soporta el peso del objeto. Por tanto, miden peso. El metal se calcula para que trabaje en su zona elástica; esto es lo que define la operatividad de una celda. El ajuste de las resistencias se hace con un puente de Wheatstone, de modo que al alimentarse con un voltaje entregan una salida de voltaje proporcional a la fuerza aplicada en el metal (en el orden de milivoltios). Asimismo se utilizan filtros electrónicos de pasa bajo para disminuir el efecto de las perturbaciones de alta frecuencia.

Cuando la celda se somete a esfuerzos por encima de su capacidad, el metal del cuerpo de la celda pasa a una zona inelástica, adquiriendo deformaciones plásticas o permanentes y ya no regresa a su estado inicial. Antes de llegar a la zona plástica, se sale de la zona de elasticidad lineal, dando lugar a que las deformaciones no sean proporcionales a la fuerza que soporta la célula de carga y, en consecuencia, la salida de voltaje no varíe de manera lineal a la deformación de la pieza metálica y la célula de carga no funcione correctamente. Para evitar esto, los fabricantes colocan

tornillos ajustables para limitar el movimiento de la plataforma de la báscula de manera que la celda no se flexione más allá de su rango de funcionamiento.

IV.1 CALIBRACION

En estas básculas que miden peso mediante la deformación de un elemento elástico, la masa indicada es una medida indirecta que resulta de evaluar el esfuerzo correspondiente al peso del objeto. Tienen que calibrarse periódicamente y cuando son trasladadas, debido a las variaciones en la intensidad gravitatoria de unos lugares a otros. La calibración se hace por comparación con pesas patrones que a su vez estén calibradas con mayor precisión que la correspondiente a la balanza a calibrar según un sistema internacional de trazabilidad y certificación. [7][8]

IV.2 COMPOSICION

Visor LCD Batería Memoria Teclado impermeable con sonido Plato inoxidable Balanza Palanca o soporte horizontal

Una balanza consta de platillo, sistema de resortes, brazo, escala y contrapesos. El sistema de resortes es el cual se ajusta para que al no tener peso, la escala en el brazo lea cero, y que al aplicar un peso fijo, la escala lea el peso dado.

Una balanza electrónica a diferencia de una mecánica cuenta con un cerebro electrónico que interpreta las cargas y las refiere a un peso de calibración interno, así como los mecanismos internos para trasmitir e interpretar la carga sobre el platillo. Una característica importante de las balanzas analíticas es que poseen un sistema de nivelación para lograr la horizontal.

IV.3 METODO DE FABRICACION DE UNA BALANZA MECANICA

1. Se tienen los dos platillos, esas serán las bandejas que sostengan los artículos que se pesen y el contrapeso. Cada cuadrado debe ser del mismo tamaño.

2. Se coloca un platillo en cada extremo del soporte horizontal. Usa el lado de la misma con las medidas. Alinea los platillos de forma pareja y pegarlos en ese lugar

3. Coloca una moneda en una bandeja y en la otra el artículo que vas a pesar. Calcula el peso al colocar monedas en un extremo hasta que las pesas estén equilibradas. Una vez que las mismas lo estén, el peso del objeto será igual al de las monedas.

4. Logra un peso específico al usar una moneda o monedas iguales a la cantidad de peso que necesitas. Multiplica el peso de la moneda por 6 pulgadas. Divide esta cifra por 5. El coeficiente te dirá dónde colocar la moneda sobre la regla. Si usas una moneda de cinco centavos, tu respuesta debería ser 4,8 y colocarías la moneda en la marca de 4,8 pulgadas en la regla.

5. Agrega la sustancia en la bandeja del otro lado de la regla hasta que la balanza esté equilibrada. Ahora tienes 5 gr (o cualquier peso que utilices) de la sustancia. Usa este método para pesar hierbas, especias, polvos o cualquier otro producto liviano que necesites pesar.

IV.4 ERRORES

El aire puede ser el mayor culpable en el error en las balanzas mecanica, y es por esto que las de gran nivel que requieren precisión y exactitud se usan dentro de un vacío. Otros errores pueden resultar de artículos que se mueven. Cuando éstos se colocan para pesar, los que se mueven no permiten que la balanza se equilibre por completo. Polvo que puede asentarse en el objeto a pesar, platillos que no se calibran, evaporación, condensación e incluso electricidad estática, todos pueden causar errores en la balanza.

[1] cnice.nec.es[2] Es.Wikipedia.org[3] MacMasters, D.M (1964). Gran Enciclopedia del Mundo. Bilbao: Durvan, S.A. de Ediciones.[4] http://www.basculasbalanzas.com/tipos/historia.html[5] http://instrumentosparamedirmasa.blogspot.com/2011/09/instrumentos-para-medir-masa.html [6] http://www.tiposde.org/ciencias-exactas/394-tipos-de-instrumentos-de-medicion/[7] Guía técnica de trazabilidad e incertidumbre en la magnitud de masa. Centro Nacional de Metrología. México. Consultado el 12 de septiembre de 2009.[8] Patrones del laboratorio, en Boletín Informativo n.º 17. Centro de Estudios de Medición y Certificación de Calidad (CESMEC). Chile. Consultado el 12 de septiembre de 2009.