Título:
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MEDICIONES
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Subtítulo
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SISTEMAS DE
MEDIDA II
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Fecha de
realización:
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31/03/2020
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Grupo:
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BASICAS
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Tema:
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MEDICIONES
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Código:
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BAS-MED-SDM-01-02
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INDICE
1 SISTEMAS INTERNACIONAL DE UNIDADES.2 UNIDADES BASICAS.
2.1 CONSTANTES DEFINITORIAS.
2.2 DEFINICION DE UNIDADES BASICAS.
2.3 UNIDADES DERIVADAS.
3 OTROS SISTEMAS DE MEDIDA.
4 BIBLIOGRAFIA.
Fecha
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Autor
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Observaciones
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18/03/2020
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Ing. Juan Carlos Miranda Rios
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Documento Base
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Rev.01
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31/03/2020
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Ing. Juan Carlos Miranda Rios
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Se
actualizo definición de unidades básicas y se complemento la parte teórica
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Rev.02
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MEDICIONES
1 SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES
El Sistema Internacional de Unidades (abreviado SI) es el sistema de unidades adoptado internacionalmente para la practica científica y el único legal en la Union Europea y en la mayoría de los países del mundo, a excepción de algunos países (principalmente de habla inglesa), que no lo han declarado prioritario o único. Es el heredero del antiguo sistema métrico decimal y por ello también se conoce como sistema métrico.
El SI se instauró en 1960, en la XI Conferencia General de Pesas y Medidas, durante la cual inicialmente se reconocieron seis unidades físicas básicas: metro (m), Kilogramo (kg), segundo (s), amperio (A), kelvin (K) y candela (cd). En 1971 se añadió la séptima unidad básica: el mol. Una de las características trascendentales, que constituye la gran ventaja del Sistema Internacional, es que todas sus unidades se basan en fenómenos físicos fundamentales.
Las unidades del SI constituyen referencia internacional de las indicaciones de los instrumentos de medición, a las cuales están referidas mediante una concatenación ininterrumpida de calibraciones o comparaciones. Esto permite lograr equivalencia de las medidas realizadas con instrumentos similares, utilizados y calibrados en lugares distantes y, por ende, asegurar — sin necesidad de duplicación de ensayos y mediciones — el cumplimiento de las características de los productos que son objeto de transacciones en el comercio internacional, experimentación y estudios en el área de la ciencia y la técnica, etc.
Entre los años 2006 y 2009 el SI se unificó con las normas ISO para instaurar el Sistema Internacional de Magnitudes (ISO/IEC 80000, con las siglas ISQ). Las unidades del SI no se han incorporado en forma total en muchas aplicaciones industriales. En Estados Unidos se esta avanzando hacia la adopción de las unidades del SI. No obstante, las conversiones a gran escala son costosas, sobre todo en el caso de muchas aplicaciones mecánicas y térmicas; en vista de esto, la conversión total al sistema internacional tardara todavía algún tiempo. Es por ello que es necesario familiarizarse con las viejas unidades pues estas aun están vigentes en algunas aplicaciones como por ejemplo: potencia de motores, diámetros de tuberías, entre otras.
La definición de las unidades SI se establece mediante un conjunto de siete constantes definitorias. El sistema completo de unidades puede derivarse a partir de los valores numéricos fijos de estas constantes definitorias, expresados en unidades del SI. Estas siete constantes definitorias constituyen la característica fundamental de la definición de todo el sistema de unidades. Estas constantes particulares se eligieron después de ser identificadas como la mejor opción, teniendo en cuenta la definición anterior del SI, basada en siete unidades básicas, y el progreso en la ciencia.
2 UNIDADES BASICAS
El Sistema Internacional de Unidades, distingue siete unidades básicas, las cuales se presenta en la siguiente tabla:
Tabla 1
Unidades Básicas SI
MAGNITUD
|
UNIDAD
|
SIMBOLO
|
UNIDADES
BÁSICAS
|
||
Longitud
|
Metro
|
m
|
Masa
|
Kilogramo
|
kg
|
Tiempo
|
Segundo
|
s
|
Corriente Eléctrica
|
Amperio
|
A
|
Temperatura
|
Kelvin
|
K
|
Intensidad Lumínica
|
Candela
|
cd
|
Cantidad de Sustancia
|
Mol
|
mol
|
Asimismo, la Resolución 1 adoptada por la 26ª Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM) del 16 de noviembre del 2018, definió los valores numéricos de las siete cantidades fundamentales en fusión a unidades denominadas “Constantes Definidoras”. A través de esto, se dispone de un conjunto completo de definiciones que no hacen referencia a ningún patrón materializado, propiedad de material o medición especifica. De esta forma, cualquier ecuación valida de la física que relacionen las constantes definitorias con una unidad pueden usarse para realizar dicha unidad en cualquier parte del mundo, con mayor exactitud a medida que mejore la tecnología.
Estas nuevas definiciones de unidades básicas entraron en rigor el 20 de mayo del 2019 Día Mundial de la Metrología, fecha en que se conmemora la Firma del Tratado de la Conversión del Metro en 1875, el mas antiguo que existe en vigor.
2.1 CONSTANTES DEFINITORIAS
Las ventajas de utilizar una constante para definir una unidad es que desconecta la definición de la unidad del trabajo de realización, ofreciendo la posibilidad de desarrollar realizaciones practicas completamente diferentes o nuevas o mejores, a medida que las tecnologías evolucionen, sin necesidad de cambiar la definición.
Las siete constantes definitorias se han elegido de forma que proporcionen referencias fundamentales, estables y universales y que, al mismo tiempo, permitan realizaciones prácticas de las unidades, con las menores incertidumbres. Estas constantes elegidas poseen distinta naturaleza, habiendo desde constantes fundamentales hasta constantes técnicas.
2.2 DEFINICION DE UNIDADES BASICAS
En el Sistema Internacional de Unidades, las nuevas definiciones de unidades básicas, están referidas a las constantes definitorias, pero todas las definiciones de las unidades varían su redacción, de manera que resulten más homogéneas entre sí e incluyan, de forma explicita, los valores numéricos de las constantes de las que derivan, lo que conduce a las siguientes definiciones:
Segundo (s) El segundo se define al fijar el valor numérico de la frecuencia de la transición hiperfina del estado fundamental no perturbado del átomo de cesio 133, ΔνCs, en 9 192 631 770 Hz, en consecuencia:
En otras palabras, se define segundo como la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental no perturbado del átomo de cesio 133.
Metro (m) El metro se define al fijar el valor numérico de la velocidad de la luz en el vacio, c, en 299 792 458 m/s, donde el segundo se define en función a la frecuencia del cesio Δν(133Cs)hfs. En consecuencia:
En otras palabras, se define metro como la longitud del trayecto recorrido por la luz en un tiempo de 1/299 792 458 segundos.
Kilogramo (kg) El kilogramo se define al fijar el valor numérico de la constante de Planck, h, en 6,626 070 15 10-34 J s (kg m2 s-1), donde el metro y el segundo se definen en función de h, c y ΔνCs. En consecuencia:
O lo que es lo mismo:
La definición anterior del kilogramo fijaba el valor de la masa del prototipo internacional del kilogramo como exactamente igual a un kilogramo, y el valor de la constante de Planck, h, debía determinarse experimentalmente. La definición actual fija el valor numérico exacto de h y la masa del prototipo es la que debe determinarse ahora experimentalmente.
Amperio (A) El amperio se define al fijar el valor numérico de la carga elemental, e, en 1,602 176 634 10-19 Culombios, igual a A s, donde el segundo se define en función de ΔνCs. En consecuencia:
O lo que es lo mismo:
En otras palabras, el amperio se define como la corriente eléctrica correspondiente al flujo de 1/1,602 176 634 10-19 cargas elementales por segundo.
Kelvin (K) El kelvin, unidad de temperatura termodinámica, se define al fijar el valor numérico de la constante de Boltzmann, k, en 1,380 649 10-23 J/K (kg m2 s2 / K), donde el kilogramo el metro y el segundo se definen en función de c, h y ΔνCs. En consecuencia:
O lo que es igual a:
En otras palabras, el kelvin es igual a la variación de la temperatura termodinámica que da lugar a una variación de energía térmica de 1,380 649 10-23 J.
Mol (mol) Un mol (cantidad de sustancia) contiene exactamente 6,022 140 76 1023 entidades elementales. Esta cifra es el valor numérico fijo de la constante de Avogadro, NA, (mol-1) y se denomina Número de Avogadro.
La cantidad de sustancia, símbolo n, de un sistema, es una medida del número de entidades elementales especificadas. Una entidad elemental puede ser un átomo, una molécula, un ion, un electrón o cualquier otra partícula o grupo especificado de partículas.
En otras palabras, el mol es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene 6,022 140 76 1023 entidades elementales especificadas.
Candela (cd) La candela es la intensidad luminosa en una dirección dada. Se define al fijar el valor numérico de la eficacia luminosa de la radiación monocromática de frecuencia 540 1012 Hz, Kcd, en 683 lm/W (cd sr kg-1 m-2 s3), donde el kilogramo, el metro y el segundo se definen en función de h, c y ΔνCs. En consecuencia:
O lo que es igual a:
En otras palabras, la candela es la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite radiación monocromática de frecuencia 540 1012 Hz y tiene una intensidad radiante en esa dirección de (1/683) W/sr
2.3 UNIDADES DERIVADAS
Las unidades derivadas se definen como productos de potencias de las unidades básicas. Cuando el factor numérico de este producto es uno, las unidades derivadas se llaman unidades derivadas coherentes. Las unidades básicas y las unidades derivadas coherentes del SI forman un conjunto coherente denominado conjunto de unidades SI coherentes. La palabra “coherente” significa que las ecuaciones entre los valores numéricos de las magnitudes toman exactamente la misma forma que las ecuaciones entre las magnitudes propiamente dichas. Algunas de las unidades derivadas coherentes en el SI reciben nombres especiales. La tabla 2 enumera 22 unidades SI con nombres especiales. Junto con las siete unidades básicas (Tabla 1) forman el núcleo del conjunto de unidades SI. Todas las demás unidades SI son combinaciones de algunas de estas 29 unidades.
Tabla 2
Unidades Derivadas SI – Con Nombres y Símbolos Especiales
Cantidad
|
Unidad
|
Símbolo
|
Unidad Expresada en Unidades Básicas
|
Unidades Expresada en otras Unidades del SI
|
Angulo Plano
|
Radian
|
Rad
|
rad = m/m
|
|
Angulo Solido
|
Estereorradian
|
Sr
|
sr = m2/m2
|
|
Frecuencia
|
Hercio
|
Hz
|
Hz = s-1
|
|
Fuerza
|
Newton
|
N
|
N = kg m s-2
|
|
Presión, Tensión
|
Pascal
|
Pa
|
Pa = kg m-1 s-2
|
N m-2
|
Energía, trabajo, cantidad de
calor
|
Julio
|
J
|
J = kg m2 s-2
|
J m
|
Potencia, flujo radiante
|
Vatio
|
W
|
W = kg m2 s-3
|
J s-1
|
Carga eléctrica
|
Culombio
|
C
|
C = A s
|
|
Diferencia de potencia
eléctrico
|
Voltio
|
V
|
V = kg m2 s-3
A-1
|
W A-1
|
Capacidad eléctrica
|
Faradio
|
F
|
F = kg-1 m-2
s4 A2
|
C V-1
|
Resistencia eléctrica
|
Ohmio
|
W
|
W = kg m2 s-3 A-2
|
V A-1
|
Flujo magnético
|
Weber
|
Wb
|
Wb = kg m2 s-2
A-1
|
V s
|
Densidad de flujo magnético
|
Tesla
|
T
|
T = kg s-2 A-1
|
Wb m-2
|
Temperatura Celsius
|
Grados Celsius
|
ºC
|
ºC = K
|
|
Flujo luminoso
|
Lumen
|
lm
|
lm = cd sr
|
|
Iluminancia
|
Lux
|
Lx
|
Lx = cd sr m-2
|
lm m-2
|
Actividad referida a un
radionucleido
|
Becquerel
|
Bq
|
Bq = s-1
|
|
Dosis absorbida, kerma
|
Gray
|
Gy
|
Gy = m2 s-2
|
J kg-1
|
Dosis equivalente
|
Sievert
|
Sv
|
Sv = m2 s-2
|
J kg-1
|
Newton (N) El newton es la fuerza que da a una masa de1 kilogramo una aceleración de 1 metro por segundo por segundo.
Joule (J) El joule o Julio es el trabajo realizado cuando el punto de aplicación de una fuerza constante de 1 newton se desplaza una distancia de 1 metro en la dirección de esa fuerza.
Watt (W) El watt o vatio es la potencia que da lugar a la generación de energía a razón de 1 joule por segundo.
Voltio (V) El voltio es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un alambre conductor que transporta una corriente constante de 1 amperio, cuando la potencia disipada entre tales puntos es igual a 1 Watt.
Weber (Wb) El weber es el flujo magnético que, al cerrar un circuito de una vuelta, produce en éste una fuerza electromotriz de 1 voltio conforme se reduce a cero a una tasa uniforme de 1 segundo.
Lumen (lm) El lumen es el flujo luminoso emitido en un ángulo sólido de 1 estereorradián por una fuente puntual uniforme que tiene una intensidad de 1 candela.
Faradio (F) El faradio es la capacitancia de un capacitor entre cuyas placas hay una diferencia de potencial de 1 voltio cuando tiene una carga de electricidad igual a 1 culombio.
Henry (H) El Henry es la inductancia de un circuito cerrado en el que se produce una fuerza electromotriz de 1 voltio cuando la corriente eléctrica en el circuito varía de manera uniforme a razón de 1 amperio por segundo.
Radian (rad) El radián es el ángulo plano entre dos radios de un círculo que recorre en la circunferencia un arco igual a la longitud del radio.
Estereorradián (sr) El estereorradián es el ángulo sólido que, cuando tiene su vértice en el centro de una esfera, recorre un área de la superficie de la esfera igual a la de un cuadrado cuyos lados tengan una longitud igual al radio de la esfera.
Ohmio (V) El ohmio es la resistencia eléctrica entre dos puntos de un conductor cuando una diferencia constante de potencial de 1 voltio aplicada entre ellos, produce en el conductor una corriente de 1 amperio, sin que el conductor sea fuente de ninguna fuerza electromotriz.
Culombio (C) El culombio es la cantidad de electricidad transportada en 1 segundo por una corriente de 1 amperio.
Las siete unidades básicas y las 22 unidades con nombres y símbolos especiales se pueden usar combinadamente para expresar las unidades de otras magnitudes derivadas. Dado que el número de magnitudes no tiene límite, no es posible proporcionar una lista completa de magnitudes y unidades derivadas. La Tabla 3 muestra algunos ejemplos de magnitudes derivadas y las correspondientes unidades derivadas coherentes expresadas en función de las unidades básicas.
Tabla 3
Unidades Derivadas SI - Varios
Magnitud
Derivada
|
Símbolo Típico
|
Unidad Derivada expresada en Unidades Básicas
|
Área
|
A
|
m2
|
Volumen
|
V
|
m3
|
Velocidad
|
v
|
m s-1
|
Aceleración
|
A
|
m s-2
|
Numero de onda
|
s
|
m-1
|
Densidad
|
r
|
kg m-3
|
Densidad superficial
|
rA
|
kg m-2
|
Volumen especifico
|
u
|
m-3 kg-1
|
Densidad de corriente
|
j
|
A m-2
|
Intensidad de campo magnético
|
H
|
A m-1
|
Concentración de cantidad de sustancia
|
c
|
mol m-3
|
Concentración másica
|
r, g
|
kg m-3
|
Luminancia
|
Lv
|
cd m-2
|
El conjunto completo de unidades SI incluye tanto el conjunto coherente como los múltiplos y submúltiplos formados utilizando los prefijos SI. Es importante enfatizar que cada magnitud física tiene solo una unidad SI coherente, aunque esta unidad se puede expresar en diferentes formas usando algunos de los nombres y símbolos especiales.
Sin embargo, lo contrario no es cierto, porque en general varias magnitudes diferentes pueden compartir la misma unidad SI. Por ejemplo, para la magnitud capacidad calorífica así como para la magnitud entropía, la unidad SI es el julio por kelvin. De manera similar, para la magnitud básica corriente eléctrica y para la magnitud derivada fuerza magnetomotriz, la unidad SI es el amperio.
Por ello, es importante no usar solo la unidad para especificar la magnitud. Esto es aplicable no solo a los textos técnicos, sino también, por ejemplo, a los instrumentos de medida (es decir, la lectura del instrumento debe indicar tanto la unidad como la magnitud medida).
En la práctica, en ciertas magnitudes, se prefiere el uso de ciertos nombres de unidades especiales para facilitar la distinción entre diferentes magnitudes que tienen la misma dimensión. Usando esta libertad, uno puede recordar el proceso mediante el cual se define la magnitud. Por ejemplo, la magnitud par de torsión es el producto de un vector distancia por un vector fuerza, siendo su unidad el newton metro. Aunque el par de torsión tiene la misma dimensión que la energía (unidad SI julio), el julio no se utiliza nunca para expresar un par de torsión.
3 OTROS SISTEMAS DE MEDIDA
El SI es el único sistema de unidades que está reconocido universalmente, de modo que tiene una marcada ventaja para establecer un diálogo internacional. Otras unidades, es decir, ajenas al SI, se definen generalmente en términos de las unidades SI. El uso del SI también simplifica la enseñanza de la ciencia. Por todas estas razones el uso de las unidades SI se recomienda en todos los campos de la ciencia y de la tecnología.
Sin embargo algunas unidades ajenas al SI se usan todavía ampliamente. Unas pocas, tales como el minuto, la hora y el día como unidades de tiempo, se usarán siempre por cuanto están profundamente introducidas en nuestra cultura. Otras se usan por razones históricas, para atender las necesidades de grupos especiales de interés, o por cuanto no hay una alternativa conveniente en el SI. En la tabla 4 se dan algunos ejemplos de estas unidades.
Tabla 4
Unidades No SI – Utilizadas Comúnmente
Magnitud
|
Nombre de la Unidad
|
Símbolo
|
Valor en Unidades
SI
|
Tiempo
|
Minuto
|
min.
|
1 min = 60 s
|
Hora
|
h
|
1 h = 60 min = 3
600 s
|
|
Día
|
d
|
1 d = 24 h = 86 400
s
|
|
Longitud
|
Unid. Astronómica
|
Au
|
1 au = 149 597 870
700 m
|
Pulgada
|
plg
|
1 plg = 0,0254 m
|
|
Pie
|
Pie
|
1 pie = 0,3048 m
|
|
Angulo plano y ángulo
de fase
|
Grado
|
º
|
1º = (p/180) rad
|
Minuto
|
’
|
1’ = (1/60)º = (p/10 800) rad
|
|
Segundo
|
’’
|
1’’ = (1/60)’ = (p/648 000) rad
|
|
Área
|
Hectárea
|
Ha
|
1 ha = 1 104
m2
|
Volumen
|
Litro
|
L, l
|
1 L = 1 10-3
m3
|
Galón US
|
G
|
1 G = 3.785 10-3
m3
|
|
Masa
|
Tonelada
|
t
|
1 t = 1 103
kg
|
Libras
|
Lb
|
1 lb = 0,3732 kg
|
|
Dalton
|
Da
|
1 Da = 1,660 539
066 60 (50) 10-27 Kg
|
|
Energía
|
Electrovoltio
|
eV
|
1 eV = 1,602 176
634 10-19 J
|
Logarítmicas
|
Belio
|
B
|
|
Decibelio
|
dB
|
De acuerdo a la naturaleza como es definida la unidad de masa (fundamental o derivada), se los puede clasificar en dos tipos: gravitacionales (técnicos) y absolutos. Son sistemas gravitacionales o técnicos aquellos que tienen como unidad fundamental la unidad de fuerza, siendo en ellos la unidad de masa, unidad derivada. Mientras que son sistemas absolutos aquellos que tienen como unidad fundamental la unidad de masa, siendo pues, la unidad de fuerza unidad derivada.
Tabla 5
Unidades Sistemas de Unidades Alternativos
Magnitudes
|
Sistema Absoluto
|
Sistema Técnico
|
|||
SI – MKS
|
CGS
|
FPS
|
Europeo
|
Ingles
|
|
Longitud
|
M
|
cm
|
Pie
|
m
|
Pie
|
Masa
|
Kg
|
gr
|
Lb
|
UTM
|
Slug
|
Tiempo
|
S
|
s
|
S
|
s
|
S
|
Temperatura
|
ºK
|
ºC
|
ºF
|
ºR
|
|
Intensidad Lumínica
|
Cd
|
||||
Corriente Eléctrica
|
A
|
||||
Cantidad de
Sustancia
|
Mol
|
||||
Fuerza
|
N = kg m/s2
|
dina = gr cm/s2
|
poundal = lb pie/s2
|
kgf =
Kilopondio
|
lbf
|
Velocidad
|
m/s
|
cm/s
|
pie/s
|
m/s
|
pie/s
|
Aceleración
|
m/s2
|
cm/s2
|
pie/s2
|
m/s2
|
pie/s2
|
Trabajo o Energía
|
J = M m
|
ergio = dina cm
|
poundal pie
|
kgf m
|
lbf pie
|
Potencia
|
W = J / s
|
ergio/s
|
poundal pie/s
|
kgf m/s
|
lbf
pie/s
|
Presión
|
Pa = N / m2
|
dina/cm2
|
poundal/pie2
|
||
Calor
|
Cal
|
Cal
|
BTU
|
||
- Sistema Métrico Decimal o MKS: primer sistema unificado de medidas, donde sus unidades básicas son el metro, kilogramo y el segundo.
- Sistema Cegesimal o CGS: denominado así porque sus unidades básicas son el centímetro,el gramo y el segundo.
- Sistema Natural: en el cual las unidades se escogen de forma que ciertas constantes físicas valgan exactamente 1.
- Sistema Técnico de Unidades: derivado del sistema métrico con unidades del anterior. Este sistema está en desuso.
- Sistema Anglosajón de Unidades (sistema inglés y FPS): aún utilizado en algunos países anglosajones. Muchos de ellos lo están reemplazando por el Sistema Internacional de Unidades.
4 BIBLIOGRAFIA
- Física – Concepto y Aplicaciones – Paul E. Tippens – 7ma Edición
- Física 1 Principio con Aplicaciones – Douglas C. Giancoli – 6ta Edición.
- Estática – Ingeniería Mecánica - R. C. Hibbeler – 12va Edición.
- Manual MR de Formulas para Ciencia y la Técnica – Juan Carlos Miranda Rios
- Física – Jerry D. Wilson, Anthony J. Buffa, Bo Lou – 6ta Edición
- Física Volumen I – Mecánica – Marcelo Alonso, Edward J. Finn
- Física Concepto y Aplicaciones – Paul E. Tippens–7ma Edición
- El Sistema Internacional de Unidades de Medidas: Fundamentalmente Mejor – INACAL – Edwin Guillen.
- https://www.icai.es/articulo-revista/el-sistema-internacional-de-unidades-si-revisado/ - Emilio Prieto Esteban
- El Sistema Internacional de Unidades – 9na Edición – Centro Español de Metrología
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