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¿Cómo se mide la masa en el espacio y por qué cambia el peso según la gravedad en la Tierra?

Categoría: Tecnología

En la Estación Espacial, si te subes a una báscula, la aguja no se mueve. Sin embargo, los astronautas necesitan conocer su masa. Para ello, utilizan un dispositivo que conecta el cuerpo a un resorte y lo hace oscilar, calculando la masa a partir del tiempo de oscilación. [5]

Las balanzas y básculas en la Tierra comparan fuerzas y convierten señales en números. Las básculas electrónicas de alta precisión pueden mostrar diferencias debido a la gravedad del lugar. Este artículo explica la diferencia entre los métodos en el espacio y en la Tierra, y por qué las básculas electrónicas varían según la ubicación. [4]

1. Cómo medir la masa en la Estación Espacial si la aguja de la báscula no se mueve

En la Estación Espacial, tanto las personas como las básculas están flotando. Al subirse a una báscula, el cuerpo no ejerce una fuerza sobre ella, por lo que la aguja no se mueve. Por esta razón, en órbita no se mide el peso, sino la masa. [5]

La Estación Espacial tiene dos tipos de dispositivos: uno ruso y uno de la NASA. El dispositivo ruso hace oscilar al astronauta con un resorte y calcula la masa a partir del periodo de esa oscilación. El dispositivo de la NASA tira del astronauta con un resorte y determina la masa a partir de la aceleración. [5]

Según M. Fahl, exastronauta de la NASA, la persona se sube a una plataforma con resorte y se oscila, midiendo el periodo (aproximadamente 3 segundos). La masa es proporcional al cuadrado del periodo. Es necesario mantener el cuerpo compacto e inmóvil, y la precisión es de aproximadamente ±1 kg. [6]

Lo que se mide aquí no es lo que llamamos peso en la Tierra, sino la masa. Si se puede medir en un lugar donde no funciona la gravedad, ¿qué comparan exactamente las herramientas de la Tierra?

2. Cómo la balanza tradicional compara masas mediante equilibrio

La balanza es una herramienta que tiene un plato en cada extremo de una barra con un punto de apoyo en el centro. Se coloca el objeto a medir en un lado y pesas en el otro. Cuando la barra se nivela, la masa de las pesas es igual a la masa del objeto, porque si los brazos tienen la misma longitud, el equilibrio se logra cuando las masas son iguales. [1]

La balanza se usó desde hace mucho tiempo en el antiguo Egipto. Sin embargo, las fechas varían según las fuentes: algunas mencionan murales de hace unos 5000 años, mientras que otras indican hace unos 10000 años. Aquí usamos la expresión "hace miles de años" para mantener la incertidumbre. [1][2]

Las pesas eran originalmente de piedra y a menudo tenían forma de animal. En el antiguo Egipto, se dice que la balanza era una herramienta divina para medir la justicia. [1]

Según el análisis del autor, este método es resistente a los cambios de ubicación porque la gravedad cambia en la misma proporción en ambos platos. No obstante, para medir objetos grandes se necesitan balanzas grandes, lo que las hace incómodas para transportar.

3. Cómo la romana usa una palanca para medir el peso con una sola pesa

En la época romana, se popularizó la romana, que aplica el principio de la palanca. Con una sola vara y una sola pesa, se puede medir hasta cierto peso, lo que la hace conveniente para llevar. [2]

La pesa se mueve sobre la vara hasta encontrar la posición de equilibrio. Esa posición marca el peso en la escala. Es similar a un columpio: las personas más pesadas se sientan más cerca del centro para equilibrar. Esta analogía es del autor y no está en las fuentes. [2]

En Japón, el gobierno permitió la fabricación y uso de balanzas de estilo occidental en el año 1875. [2]

Tanto la balanza como la romana se basan en el equilibrio con pesas o contrapesos. Entonces, ¿cómo funciona un sistema que no usa pesas, sino que convierte una pequeña deformación causada por el peso en electricidad?

4. Cómo la galga extensométrica de una báscula convierte la deformación en señal eléctrica

Dentro de las básculas y balanzas de plataforma hay una pieza llamada celda de carga. Cuando se aplica fuerza, la celda se deforma ligeramente, y una galga extensométrica pegada a ella también se deforma. La galga extensométrica es un sensor cuya resistencia eléctrica cambia según la cantidad de deformación. [3]

Si se aplica voltaje a la galga, se obtiene una salida de voltaje proporcional al cambio de resistencia. Este voltaje se convierte en un número de peso para mostrarlo en la pantalla. Las celdas de carga se usan en básculas, balanzas y balanzas de plataforma. [3]

La balanza tradicional comparaba con una "referencia física" (pesas). El sistema de galga extensométrica mide convirtiendo la deformación en cantidad eléctrica. Por lo tanto, aunque ambos "miden peso", los conceptos son diferentes.

5. Por qué las balanzas electrónicas de alta precisión muestran diferencias según la gravedad local

La mayoría de las balanzas electrónicas que miden con una precisión de 1/100000 o más usan un método de equilibrio electromagnético. Se hace pasar corriente por una bobina para generar una fuerza electromagnética que mantiene la posición del brazo de la balanza igual antes y después de colocar el objeto, y esa corriente se convierte en el valor de peso (método de cero). Los sistemas de galga extensométrica y capacitivos se llaman "método de desplazamiento" porque miden el movimiento. [4]

Debido a su estructura, las balanzas electrónicas miden la fuerza de gravedad sobre la muestra como si fuera masa. Por eso, si cambia la aceleración de la gravedad, el valor mostrado también cambia. La aceleración de la gravedad varía según la latitud y la altitud: es mayor en Hokkaido que en Okinawa, y mayor en lugares de baja altitud que en los de alta altitud. [4]

Si se mide una pesa de 500 g en un lugar a 100 m de altitud, la lectura es aproximadamente 0,0157 g menor respecto al nivel del mar. Este es un valor de referencia máximo calculado con el radio de la Tierra de 6.371.000 m. En porcentaje, es aproximadamente 0,003 % (0,0157 ÷ 500). [4]

Las balanzas electrónicas con una resolución mínima de 0,1 mg o menos se llaman balanzas analíticas, y existen modelos ultra-micro que llegan a 0,0001 mg (0,1 μg). Estas detectan cambios de temperatura, humedad, presión y vibración que las personas no perciben. [4]

Las básculas domésticas tienen una graduación mucho más gruesa, por lo que no notan esta diferencia. Para un peso de 60 kg, la diferencia sería de unos 2 g con la misma proporción (cálculo del autor).

6. Experimento con una báscula de cocina y una regla para comprobar el equilibrio y la fuerza

Coloca una báscula digital de cocina sin ningún objeto y presiona suavemente con la mano. Aparecerá un número. Es un experimento para sentir cómo la deformación de la celda de carga se convierte en electricidad. No presiones fuerte para no dañar la báscula; hazlo suavemente y por poco tiempo.

La balanza con regla y monedas. Coloca un lápiz sobre la mesa y pon una regla en el centro sobre él. Si colocas el mismo número de monedas de 10 yenes en los extremos izquierdo y derecho, la regla se nivelará. Prueba cuántas monedas necesitas en el lado derecho si aumentas las del izquierdo, o qué pasa si cambias la distancia de las monedas al punto de apoyo, para entender la idea de la palanca de la romana.

Lee los materiales. Para la corrección de gravedad de las balanzas electrónicas, los documentos técnicos de los fabricantes tienen diagramas y ecuaciones. Para la medición en el espacio, puede ser bueno buscar explicaciones de agencias espaciales con un adulto.

Fuentes

  1. Kotobank "Balanza" (Enciclopedia Mundial, etc.) https://kotobank.jp/word/%E5%A4%A9%E7%A7%A4-578834 (Explica el mecanismo, origen y pesas de la balanza.)
  2. Prefectura de Osaka "Historia de las mediciones" https://www.pref.osaka.lg.jp/o110120/keiryo/rekisi2023/index.html (Cubre el origen de la balanza, la romana y el año 1875.)
  3. A&D "FAQ de celdas de carga" (PDF) https://www.aandd.co.jp/pdf_storage/tech_doc/loadcell/t_cell_faq_ver1.pdf (Detalla las galgas extensométricas y las celdas de carga.)
  4. A&D "Perturbaciones ambientales y balanzas electrónicas" (JEMCA 2020) (PDF) https://www.aandd.co.jp/pdf_storage/tech_doc/balance/t_balance_jemca_2020_47_1.pdf (Explica el equilibrio electromagnético, cambios por gravedad y balanzas analíticas.)
  5. Science News "Viejos dispositivos aún funcionan para pesar astronautas" https://www.sciencenews.org/article/old-school-contraptions-still-work-weighing-astronauts (Describe la medición de masa en el espacio.)
  6. The Naked Scientists "¿Cómo se pesan los astronautas?" https://www.thenakedscientists.com/node/191786 (Explica la relación entre periodo y masa.)
  7. Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial "Química e Industria" (Estándares de masa) https://unit.aist.go.jp/riem/mass-std/化学と工業.pdf (Trata sobre la revisión de la definición del kilogramo.)