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Por que foi criado um novo quilograma?

O quilo está prestes a passar por uma mudança nunca antes vista, mas não se preocupe, não vai mudar nada na sua vida. Entenda!

Por | @Evilmaax Ciência 3 comentários

O que pesa mais? 1 quilo de algodão ou 1 quilo de chumbo? A resposta é lógica, afinal 1 quilo é sempre o mesmo, independente do que você esteja medindo, certo? Certo, mas parece que essa charadinha acabou de receber uma atualização. 

Sim, foi aprovada nesta semana a reformulação do quilograma que estará completa em 20 de maio de 2019. Nesta data a nossa unidade de peso mais utilizada deixará de ser o mesmo quilograma que ele foi pelos últimos 200 e tantos anos. Mas não se preocupe, isso não irá impactar no modo como você faz a sua feira, mas talvez possa salvar sua vida.

Complicado? Mas calma que logo você vai entender o que estou dizendo. Porém, antes de começarmos a entender o porquê do quilo estar passando pela mudança mais drástica da sua vida, primeiro entenda como ele surgiu de modo revolucionário para mudar as interações humanas e como passa por um momento bizarro em sua vida.

Leia em destaque: Smoot, a piada que virou uma medida do Google.

A criação do quilograma

Uma das melhores coisas estabelecidas pela Revolução Francesa foi a criação do Sistema Internacional de medidas. Até então não existia um consenso em quanto de arroz teria em um saco de arroz, ou quanto custava o pedaço de carne no açougue, já que não existia uma medida padrão para pesar o que você estava comprando. A unidade de comprimento francesa, por exemplo, era o "pé do rei" que como você deve imaginar, era bem volátil, principalmente se você cruzasse alguma fronteira.

Foi durante a revolução e a flama da ideologia da Liberdade, Igualdade e Fraternidade que o sistema métrico foi criado com a intenção de libertar o homem dos pesos e medidas confusos e inconsistentes do Antigo Regime. Foi um projeto utópico, com seus criadores imaginando que um sistema compartilhado de pesos e medidas uniria o mundo, permitindo a livre troca de bens e informações.

E bota utópico nisso. O metro, por exemplo, foi calculado como uma fração da distância entre o Polo Norte e o Equador. Para chegar na medida foi traçada uma seção dessa linha imaginária que atravessa a Europa; depois a mesma foi medida meticulosamente à mão, centímetro a centímetro, em uma jornada de sete anos pelo continente até que ele fosse declarado como 1/10.000.000 da metade do meridiano da Terra.

Sistema Internacional de medidas é uma obra da revolução francesaSistema Internacional de pesos e medidas é uma obra da revolução francesa

Já o quilo ficou a cargo do químico Antoine Lavoisier que, entre outras coisas, ficou conhecido pela identificação do Hidrogênio e do Oxigênio, pela frase "Nada se cria, nada se perde, tudo se transforma" e também por ter pedido a cabeça na guilhotina. No final das contas o quilo e o metro se uniriam ao Kelvin, Ampere, Segundo, Mol e Candela para formar o sistema internacional de medidas. 

Mas a medida - mais ou menos - exata do quilo só veio após muito vira e mexe, em 1799, quando definiu-se que 1 quilograma pesaria a mesma quantidade de 1 litro de água a 4º Celsius, já que nesta temperatura ela está em seu momento de maior densidade. Mas se você pensar bem vai ver que a água não é a melhor forma de estabelecer um padrão para peso. Assim, decidiu-se criar uma peça de 1kg, feito de platina pura, que teria a massa exata daquele mesmo litro de água a 4º Celsius, porém, sem a instabilidade que a versão aquática oferecia. Estava criado o chamado "Quilograma dos arquivos".

90 anos depois o quilo de platina foi mudado para um quilo de platina e irídio que fazia ele mais resistente. Assim, desde 1889, o quilograma é o mesmo. Conhecido como IPK (sigla para International Prototype Kilogram - Prótótipo de Quilograma Internacional) há mais de 100 anos ele segue sendo o padrão mundial de quanto pesa 1 quilo de alguma coisa.

Pode não parecer, mas ele é realmente importante, afinal, é a única coisa do mundo que pode aferir se algo pesa 1 quilo ou não (ou suas derivações); seja 1 quilo de laranja na venda da esquina ou 10 miligramas de algum remédio para uma doença que está sendo manipulado no laboratório.

Manter este padrão de medida seguro é tão importante que ele está, neste momento, guardado dentro de 3 redomas de vidro, ao lado de 6 cópias idênticas, trancafiadas dentro de um cofre com temperatura controlada e chaveado por 3 chaves diferentes. O cofre está localizado no subsolo do Escritório Internacional de Pesos e Medidas, nos arredores de Paris, França.

O Grande K está lacrado sob 3 redomas de vidro fechadas a vácuoO Grande K está lacrado sob 3 redomas de vidro fechadas a vácuo

E a preocupação com o Grande K, como ele é chamado pelos mais íntimos, é justificável: Se você pudesse entrar lá dentro após burlar todo o sistema de segurança do parágrafo anterior, você poderia mudar um padrão universal no qual se baseiam muitas de nossas medidas de hoje em dia. 

Ok, isso não iria acabar com o sistema de pesagem mundial, afinal a Agência Internacional de Pesos e Medidas foi bem espertinha. Ao criar o Grande K eles também criaram outras 40 cópias mais ou menos idênticas (todas as diferenciações de peso entre si foram anotadas) e as enviaram para 15 países ao redor do mundo. As cópias deveriam funcionar como uma espécie de lastro caso algo desse errado com o quilo original e precisassem atestar novamente o peso. A ideia é muito boa, claro, mas em 1948 o pessoal viu que deu problema.

Quando o quilo começou a dar problemas

Após 40 anos eles decidiram reunir os 40 padrões espalhados pelo mundo para fazer uma nova pesagem e verem se estava tudo certo. A boa notícia é que todos puderam ser pesados certinho, a má é que eles descobriram algo, no mínimo, estranho: Suas massas estavam diferentes da pesagem inicial, e mais, elas estavam diferentes, inclusive, no quanto divergiam da pesagem inicial. Para piorar, nem mesmo a massa do Grande K era igual à massa daquelas 6 cópias guardadas em conjunto com ele, e não se esqueça que ele fora guardado durante toda a sua vida em 3 frascos selados à vácuo, em ambiente controlado, etc. etc. 

Para piorar, em uma nova medição realizada no final dos anos 80, início dos anos 90, as coisas estavam ainda mais doidas. Agora suas massas divergiam em até 54 microgramas, o que é o peso de uma impressão digital (não se preocupe, a impressão digital não é o motivo da imprecisão já que os cilindros são lavados com cuidado antes da pesagem). 

O culpado ainda não se tem certeza de quem seja, porém especula-se que seja o próprio ato de limpar o pó ou lavar os cilindros. Mas isso não é o principal aqui. O principal é que COMO VOCÊ VAI CONFIAR EM UM SISTEMA DE PESO BASEADO EM UM PESO QUE SE ALTERA CONFORME O TEMPO PASSA?

Medições realizadas desde 1889 e como os pesos variaramMedições realizadas desde 1889 e como os pesos variaram

E o problema é ainda maior quando pensamos que das 7 unidades básicas de medida do Sistema internacional (Mol, Candela, Ampere, Quilograma, Kelvin, Segundo e Metro), quatro delas dependem diretamente do quilo (as 4 primeiras citadas há pouco). E olha que nem estamos falando das derivações, como Newtons, Joules, Volts e Watts.

Sim, o mundo tem um problema; e isso inclui os 3 países que não utilizam o sistema métrico (Estados Unidos, Mianmar e Libéria) já que a libra, que é o seu equivalente ao nosso quilo, está lastreada em exatos 0.45359237 quilos. 

Assim, chegamos no ponto crucial dessa história toda: O quilograma não pode mais ser dependente de um valor mutável. Ele precisa ser medido de acordo com uma grandeza da natureza. E é isso que está para acontecer.

O "novo" quilograma

No final da semana passada, mais precisamente na sexta-feira, 16 de novembro, uma verdadeira revolução foi aceita no pelo Escritório Internacional de Pesos e Medidas. Depois de ter servido por 129 anos como padrão mundial, o PKI teve sua aposentadoria oficialmente anunciada. Após uma votação ficou decidido que o quilograma será agora baseado em uma constante fundamental da natureza.

A mudança não será notada por ninguém fora de um laboratório de física avançado, mas é uma ocasião importante para os envolvidos. "É o Cometa de metrologia da Halley", segundo Stephan Schlamminger, físico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST), que trabalhou no equipamento usado para a próxima mudança. "É incrivelmente raro que uma redefinição dessa magnitude aconteça." 

Pode parecer meio exagerado, mas pensando com calma não é não. A importância fundamental da metrologia e das unidades consistentes de medição são a base do método científico. Sem eles, você não pode repetir experimentos, e se os resultados de seus experimentos não se tornam confiáveis na base da repetição e comprovação, então a sua compreensão do mundo como um todo se torna mais frágil.  

A solução? Usar constantes da natureza - quantidades numéricas ou físicas consideradas inalteradas em todo o universo. Essas constantes formam o alicerce da física moderna; tão fundamental para nossa compreensão do mundo físico que eles recebem códigos de uma única letra. Há o G para a constante gravitacional, o C para a velocidade da luz e medidas mais desconhecidas como H para a Constante de Planck, que é a menor ação que um fóton pode ter.

O Grande K O Grande K

Hoje o quilo é a única medida que ainda não foi ajustada a uma constante da natureza. O metro foi o primeiro a ser atrelado a uma constante, em 1960, quando foi usado o comprimento de onda da luz; depois, em 1983, a medida foi atualizada para o caminho percorrido pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo de 1/299.792.458 segundo. Mas não pense que essas redefinições têm como objetivo mudar a unidade em si, mas sim embasá-las em uma coisa cada vez mais sólida.

Como reproduzir uma grandeza da natureza no laboratório

Redefinir o quilograma usando constantes universais tem sido tão difícil quanto parece e já envolve décadas de pesquisas em laboratórios em todo o mundo; os frutos de dois prêmios Nobel em física quântica; e a construção de algumas das máquinas mais complexas já feitas pelo homem.

O resultado final de todo esse trabalho duro é um instrumento conhecido como a balança Kibble, inventada em 1975 pelo físico britânico Bryan Kibble e otimizada desde então para alcançar novos níveis de precisão. Apesar de suas complicações, a balança Kibble funciona como um conjunto tradicional de escalas, exatamente como aquelas que você pode usar para pesar frutas no mercado. Mas enquanto essas balanças geralmente pesam uma massa contra a outra, a balança Kibble pesa massa contra uma força eletromagnética que pode ser medida com extrema precisão.

Esta força eletromagnética é gerada usando uma bobina de fio cercada por ímãs permanentes. Essa configuração pode criar dois métodos diferentes de pesagem. No primeiro, você corre uma corrente através da bobina de fio para gerar força eletromagnética. No segundo, você move fisicamente a bobina para cima e para baixo como um pistão, que tem o mesmo efeito. Devido a uma série de recentes descobertas (incluindo os Prêmios Nobel citados acima), podemos medir algumas das forças envolvidas em ambos os modos de pesagem com incrível precisão. E combinando esse conhecimento, podemos medir a massa em um lado da balança Kibble usando a constante de Planck que, não se esqueça, é a menor ação física possível no universo. É isso que permite aos cientistas criar uma nova definição para o quilograma.

Apenas dois laboratórios conseguiram até agora criar uma balança Kibble que pode pesar massa com a precisão necessária para definir um quilograma. Um é administrado pelo National Research Council (Conselho Nacional de Pesquisa) no Canadá e o outro é operado pelo National Institute of Standards and Technology (Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia) nos EUA. As balanças são tão delicadas que precisam ser mantidas em locais lacrados a vácuo.

Além disso os cientistas ainda precisam medir o campo gravitacional local da sala em que estão trabalhando para levar em conta quaisquer variações antes que possam ser usadas. 

A balança Kibble operada pelo instituto americanoA balança Kibble operada pelo instituto americano

Como dito lá no início, o "novo" quilograma só chegará aos institutos de aferição a partir de maio do ano que vem, mas a conferência desta semana marcou a comemoração de uma vitória há muito esperada. Isso porque além de consertar o quilo, de tabela ainda vai acabar refinando o que se sabe sobre outras unidades métricas que usam o quilograma para serem aferidas. No total, quatro unidades receberão novas definições: o quilograma, o ampere, o kelvin e o mol. 

As medidas atuais

Aliás, e como se calcula atualmente as atuais medidas? Aqui vai a lista:

  • Metro: Unidade de distância. Calcula-se pela distância percorrida pela luz no vácuo em 1/299,792,458 segundos;
  • Segundo: Unidade de tempo. Exatamente 9,192,631,770 ciclos de radiação de um átomo de césio-133;
  • Quilograma: Unidade de massa. A constante de Planck é dividida por 6,626,070,15 × 10-34 m-2 s;
  • Mol: Unidade de substância. Medida pela Constante de Avogadro, ou 6.022.140,76 1023 entidades elementares;
  • Candela: Unidade de intensidade luminosa. Definida por uma fonte de luz com radiação monocromática de de frequência 540 × 1012 Hz e intensidade radiante de 1/683 watt por esterradiano;
  • Kelvin: Unidade de temperatura. Calcula-se pela Constante de Boltzmann, ou uma mudança na energia térmica de 1.380 649 × 1023 joules.
  • Ampere: Unidade de corrente elétrica. É igual ao fluxo de 1/1.602 176 634 × 10-19 cargas elementares por segundo.

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