Sistema MKS (1889)

La historia de los sistemas de unidades de medida es tan antigua como la civilización misma. Desde las primeras sociedades humanas, la necesidad de cuantificar el mundo que nos rodea –longitudes, masas, tiempos, áreas, volúmenes– se manifestó en la creación de patrones de medida, a menudo basados en partes del cuerpo humano (como el pie o la pulgada) o en elementos naturales (como la longitud de un grano de cebada). Sin embargo, estos sistemas, intrínsecamente locales y variables, generaban serios problemas en el comercio y la comunicación, especialmente a medida que las sociedades se volvían más complejas y las relaciones comerciales se extendían más allá de las comunidades locales.

1790-1799: El Nacimiento del Sistema Métrico Decimal durante la Revolución Francesa

La Revolución Francesa fue un período de profundos cambios sociales, políticos y culturales, que también tuvo un impacto significativo en la metrología. En un intento por racionalizar y unificar las medidas en todo el territorio francés, la Asamblea Nacional Constituyente encargó a la Academia de Ciencias de París el desarrollo de un nuevo sistema de unidades. Este encargo dio como resultado el Sistema Métrico Decimal, un sistema revolucionario basado en principios científicos y racionales.

• 1790: La Asamblea Nacional Constituyente encarga a la Academia de Ciencias la creación de un nuevo sistema de pesos y medidas.
• 1791: La Academia de Ciencias propone un sistema decimal basado en una unidad de longitud, el metro, definido como la diezmillonésima parte de la distancia entre el Polo Norte y el Ecuador a lo largo del meridiano de París. Se elige también el gramo como unidad de masa, definido como la masa de un centímetro cúbico de agua a la temperatura de su máxima densidad.
• 1795 (Decreto del 18 de Germinal del año III): La Convención Nacional decreta la adopción oficial del Sistema Métrico Decimal en Francia. Este decreto marca un hito fundamental en la historia de la metrología, al establecer un sistema coherente y decimal que simplificaba enormemente los cálculos y las conversiones (Bigourdan, 1901).
• 1799: Se construyen y depositan en los Archivos de la República en París los prototipos patrones del metro y del kilogramo, materializando físicamente las definiciones del nuevo sistema.

El Sistema Métrico Decimal representó un avance significativo hacia la unificación de las medidas, al introducir un sistema coherente y decimal basado en unidades fundamentales definidas científicamente (aunque con las limitaciones de la época en cuanto a la precisión de las mediciones). Sin embargo, su adopción no fue inmediata ni universal, y coexistió durante mucho tiempo con otros sistemas de unidades.

Siglo XIX: La Expansión del Sistema Métrico y la Necesidad de Mayor Precisión

A lo largo del siglo XIX, el Sistema Métrico Decimal se fue extendiendo gradualmente por otros países, principalmente en Europa y Latinoamérica. Sin embargo, la necesidad de mayor precisión en las mediciones, impulsada por los avances científicos y tecnológicos, y las dificultades para reproducir con exactitud el metro patrón original, hicieron evidente la necesidad de un sistema más robusto y con una base más sólida. Además, el desarrollo del electromagnetismo reveló las limitaciones del sistema métrico para abarcar este nuevo campo de la física.

1875: La Convención del Metro y la Creación del BIPM

En este contexto, la Convención del Metro, firmada en París el 20 de mayo de 1875 por 17 estados (y a la que se adhirieron muchos más posteriormente), representó un paso decisivo hacia la unificación internacional de las unidades de medida. Esta convención estableció:

• La creación del BIPM (Bureau International des Poids et Mesures): Una organización intergubernamental con sede en Sèvres, Francia, encargada de mantener los prototipos internacionales del metro y el kilogramo, así como de realizar investigaciones metrológicas y asegurar la comparabilidad de las mediciones a nivel mundial. El BIPM se convirtió en el garante de la uniformidad de las mediciones a escala internacional (BIPM, s.f.-a).
• La creación de la CGPM (Conférence Générale des Poids et Mesures): Una conferencia intergubernamental que se reúne periódicamente para discutir y tomar decisiones sobre asuntos relacionados con el sistema métrico.
• La construcción de nuevos prototipos internacionales del metro y del kilogramo: Fabricados con una aleación de platino-iridio, que ofrecía mayor estabilidad y resistencia a la corrosión que los prototipos anteriores.

La Convención del Metro y la creación del BIPM sentaron las bases para el desarrollo del Sistema Internacional de Unidades (SI), que se convertiría en el sistema de unidades de medida más utilizado en el mundo. La necesidad de un sistema coherente para la mecánica, que se abordaría formalmente en la primera CGPM, era ya una cuestión apremiante.

La Primera CGPM de 1889 y la Consolidación del Sistema MKS

Tras la firma de la Convención del Metro en 1875 y la creación del BIPM, se preparó el terreno para la primera reunión de la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM). Esta conferencia, celebrada en 1889, fue crucial para la metrología moderna, ya que formalizó las definiciones del metro y el kilogramo, y con ello, consolidó el sistema MKS como un sistema coherente para la mecánica.

1889: La Primera Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM)

La primera CGPM se celebró en París en 1889, reuniendo a delegados de los estados miembros de la Convención del Metro. El objetivo principal de esta conferencia era establecer definiciones oficiales y patrones internacionales para el metro y el kilogramo, basándose en los prototipos fabricados y conservados en el BIPM.

• Fabricación de los Prototipos Internacionales: La empresa londinense Johnson Matthey fue la encargada de fabricar los prototipos internacionales del metro y el kilogramo. Se produjeron 30 prototipos del metro y 40 del kilogramo, utilizando una aleación de platino con un 10% de iridio. Esta aleación fue elegida por su alta estabilidad química y física, así como por su resistencia a la corrosión, lo que garantizaba la conservación a largo plazo de los patrones (Quinn, 2011). La precisión alcanzada en la fabricación de estos prototipos fue notable para la época, con tolerancias del orden de 0,0001 mm para el metro y de unos pocos microgramos para el kilogramo.
• Selección de los Prototipos Internacionales: Tras rigurosas mediciones y comparaciones entre los diferentes prototipos, se seleccionaron aquellos que representaban de la mejor manera posible las definiciones originales del metro y el kilogramo. La barra número 6 fue elegida como el prototipo internacional del metro, y el cilindro número X como el prototipo internacional del kilogramo. Estos patrones se convirtieron en la referencia mundial para las mediciones de longitud y masa, respectivamente. Los prototipos restantes se conservaron como copias de trabajo en el BIPM o se distribuyeron a los estados miembros como patrones nacionales, estableciendo una jerarquía de trazabilidad metrológica.
• Definiciones Formales del Metro y el Kilogramo: La CGPM de 1889 declaró formalmente que:

Barra nº 6 del metro y el cilindro nº X del kilogramo de 1889

• • El metro es la distancia entre dos trazos finos grabados en una barra de platino iridiado (la barra número 6), medida a 0 °C.

Prototipo internacional del kilogramo

• • El kilogramo es la masa del cilindro de platino iridiado (el cilindro número X) que se conserva en el BIPM.

Estas definiciones, aunque basadas en artefactos materiales, representaron un avance significativo al proporcionar una base física y reproducible para las unidades de longitud y masa.

La Consolidación del Sistema MKS

Con la definición del metro y el kilogramo, y en conjunto con el segundo (cuya definición en ese momento se basaba en la rotación terrestre, específicamente en el día solar medio), se consolidó el sistema MKS (metro-kilogramo-segundo). Este sistema se convirtió en un sistema coherente de unidades para la mecánica, permitiendo expresar todas las magnitudes mecánicas (como la fuerza, la energía, la potencia, etc.) en términos de las tres unidades base: metro, kilogramo y segundo. El sistema MKS proporcionó un marco sólido para el desarrollo de la física y la ingeniería, facilitando la comunicación científica y la estandarización de las mediciones.

Limitaciones del Sistema MKS Inicial

A pesar de su importancia, el sistema MKS inicial presentaba algunas limitaciones. La principal era la definición del segundo, basada en la rotación terrestre, que presentaba pequeñas variaciones a lo largo del tiempo. Además, el sistema MKS no incluía unidades para describir los fenómenos electromagnéticos, que estaban siendo objeto de intensos estudios a finales del siglo XIX. Estas limitaciones llevaron a la búsqueda de un sistema de unidades más completo y preciso, que culminaría con el desarrollo del Sistema Internacional de Unidades (SI).

El Desafío del Electromagnetismo y la Propuesta de Giorgi (1901)

A finales del siglo XIX, los avances en el estudio de la electricidad y el magnetismo, culminando con la teoría electromagnética de James Clerk Maxwell, pusieron de manifiesto las limitaciones de los sistemas de unidades existentes, incluyendo el sistema CGS (centímetro-gramo-segundo) y el propio sistema MKS, para describir adecuadamente los fenómenos electromagnéticos (Hunt, 1991).

Las Limitaciones de los Sistemas Existentes para el Electromagnetismo

El sistema CGS, ampliamente utilizado en física, presentaba varios inconvenientes cuando se aplicaba al electromagnetismo:

• Falta de Racionalización: El sistema CGS utilizaba diferentes conjuntos de unidades para la electrostática y la magnetostática, lo que resultaba en fórmulas complejas y la aparición de factores numéricos arbitrarios (como 4π) en las ecuaciones. Esta falta de racionalización dificultaba la comprensión y la aplicación de la teoría electromagnética.
• Unidades de Tamaño Poco Práctico: Las unidades del sistema CGS para magnitudes eléctricas y magnéticas, derivadas de las unidades base centímetro y gramo, resultaban en valores extremadamente grandes o pequeños para las magnitudes de uso práctico en ingeniería eléctrica. Esto dificultaba su aplicación en este campo.
• Insuficiencia de Tres Magnitudes Base: El análisis dimensional en electromagnetismo demostró que se requería una cuarta magnitud independiente, además de longitud, masa y tiempo, para describir completamente los fenómenos electromagnéticos. El sistema CGS, con solo tres unidades base, era insuficiente para este propósito.

El sistema MKS, aunque coherente para la mecánica, tampoco incluía unidades específicas para el electromagnetismo, lo que limitaba su aplicabilidad en este campo.

1901: La Propuesta Revolucionaria de Giovanni Giorgi

En este contexto, en 1901, el ingeniero italiano Giovanni Giorgi presentó una propuesta innovadora a la Asociación Electrotécnica Italiana (AEI) que revolucionaría el sistema de unidades (Giorgi, 1901). Giorgi propuso extender el sistema MKS añadiendo una cuarta unidad base de naturaleza electromagnética. Esta propuesta buscaba:

• Unificación de la Mecánica y el Electromagnetismo: Integrar las unidades mecánicas (metro, kilogramo, segundo) con las unidades eléctricas y magnéticas en un único sistema coherente.
• Racionalización del Sistema: Adoptar un sistema racionalizado, en el que las constantes electromagnéticas tuvieran valores más sencillos y estuvieran relacionadas con las propiedades del vacío, simplificando así las ecuaciones.
• Unidades de Tamaño Práctico: Obtener unidades de magnitud adecuada para las aplicaciones prácticas en ingeniería eléctrica y otras disciplinas, evitando valores extremadamente grandes o pequeños.

Giorgi sugirió que esta cuarta unidad se eligiera entre las unidades eléctricas ya existentes, como el culombio (unidad de carga eléctrica) o el amperio (unidad de corriente eléctrica). La adopción del culombio como cuarta unidad base daría lugar al sistema MKSC (metro-kilogramo-segundo-culombio), mientras que la adopción del amperio daría lugar al sistema MKSA (metro-kilogramo-segundo-amperio).

El Concepto de una Cuarta Dimensión

Un aspecto crucial de la propuesta de Giorgi fue la introducción del concepto de una cuarta dimensión en el sistema de unidades. Hasta entonces, se consideraba que todas las magnitudes físicas podían expresarse en términos de las tres dimensiones fundamentales: longitud, masa y tiempo. Giorgi argumentó que las magnitudes electromagnéticas requerían una dimensión adicional, independiente de las anteriores, para ser descritas completamente. Esta idea representó un cambio conceptual importante en la metrología.

El Debate sobre la Permeabilidad Magnética del Vacío

La propuesta original de Giorgi implicaba la adopción de un valor específico para la permeabilidad magnética del vacío (μ₀ = 4π×10⁻⁷ H/m), lo que generó un intenso debate en la comunidad científica. La elección de este valor afectaba la forma de las ecuaciones electromagnéticas y la definición de las unidades eléctricas. La idea central de Giorgi era que las constantes en las fórmulas electrostáticas y electromagnéticas no fueran adimensionales, sino que tuvieran dimensiones físicas, lo cual era un cambio conceptual importante.

Este debate y la necesidad de realizar más investigaciones y experimentos retrasaron la adopción formal de la propuesta de Giorgi durante varias décadas. 

La Adopción del Sistema MKSA y las Unidades Fotométricas (1935-1946)

La propuesta de Giorgi, aunque fundamental, no fue adoptada de inmediato. Transcurrieron varias décadas de debate, experimentación y análisis antes de que se lograra la unificación de las unidades electromagnéticas con el sistema MKS. Durante este período, se exploraron diferentes opciones y se realizaron importantes avances en la comprensión de los fenómenos electromagnéticos.

1935: La IEC y los Sistemas MKSΩ

En 1935, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) dio un paso importante al adoptar dos sistemas basados en el metro, el kilogramo y el segundo, pero incluyendo una unidad eléctrica: el sistema MKSΩ (metro, kilogramo, segundo, ohmio). Se propusieron dos versiones: una no racionalizada y otra racionalizada (IEC, 1935).

• Sistema MKSΩ No Racionalizado: En este sistema, la permeabilidad magnética del vacío tenía un valor de 10⁻⁷ H/m.
• Sistema MKSΩ Racionalizado: En esta versión, se introdujo un factor de 4π en las ecuaciones electromagnéticas para simplificar algunas fórmulas y relacionarlas más directamente con las propiedades del espacio libre. Esta racionalización, en línea con la propuesta de Giorgi, simplificó las ecuaciones fundamentales del electromagnetismo.

La adopción de estos sistemas por parte de la IEC representó un avance significativo hacia la unificación de las unidades eléctricas y mecánicas, aunque aún no se había llegado a una solución definitiva.

1946: La Adopción del Sistema MKSA y la Definición de las Unidades Fotométricas

Finalmente, en 1946, las organizaciones internacionales, incluyendo la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (IUPAP) y el Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM), adoptaron formalmente el sistema MKSA (metro, kilogramo, segundo, amperio) (CIPM, 1946). La elección del amperio como cuarta unidad base fue un hito crucial.

• El Amperio como Unidad Base: El amperio, definido en términos de la fuerza entre dos conductores paralelos portadores de corriente eléctrica, proporcionaba una base sólida y reproducible para la medición de las magnitudes eléctricas y magnéticas. Esta definición vinculaba directamente las magnitudes eléctricas a las mecánicas, completando el objetivo de Giorgi de unificar la mecánica y el electromagnetismo en un único sistema coherente.

La adopción del sistema MKSA representó la culminación de los esfuerzos por establecer un sistema de unidades universal y coherente. Este sistema sirvió como base para el desarrollo del Sistema Internacional de Unidades (SI), que se adoptaría formalmente en 1960.

La Definición de las Unidades Fotométricas en 1946

Además de la adopción del sistema MKSA, la reunión del CIPM de 1946 también fue significativa por la definición de las unidades fotométricas, que buscaban cuantificar la luz tal como la percibe el ojo humano:

• Nueva Candela (unidad de intensidad luminosa): Se definió la candela basándose en el brillo del radiador de Planck (cuerpo negro) a la temperatura de solidificación del platino, estableciendo un valor de 60 candelas por centímetro cuadrado. Esta nueva definición proporcionó una base más precisa y reproducible para la medición de la intensidad luminosa, superando las definiciones anteriores basadas en velas de cera.
• Nuevo Lumen (unidad de flujo luminoso): Se definió el lumen como el flujo luminoso emitido dentro de un ángulo sólido unitario (estereorradián) por una fuente puntual uniforme que tiene una intensidad luminosa de 1 candela. Esta definición vinculó el lumen a la candela, estableciendo una relación coherente entre la intensidad luminosa y el flujo luminoso, y proporcionando una base cuantitativa para la fotometría.

Estas definiciones de las unidades fotométricas fueron un paso importante para la estandarización de las mediciones de la luz y sus aplicaciones en diversos campos, como la iluminación, la fotografía y la óptica.

Con esto concluye la descripción del proceso que llevó a la adopción del sistema MKSA y la definición de las unidades fotométricas. Este desarrollo fue crucial para la creación del Sistema Internacional de Unidades (SI) en 1960.

Fuentes Primarias:

1. Bigourdan, G. (1901). Le système métrique des poids et mesures: son établissement, sa propagation avec son historique. Gauthier-Villars.
2. Comité International des Poids et Mesures (CIPM). (1946). Procès-verbaux des séances du Comité International des Poids et Mesures. Bureau International des Poids et Mesures.
3. Giorgi, G. (1901). Unità razionali di elettromagnetismo. Atti dell’Associazione Elettrotecnica Italiana, 5(1), 1-18.
4. International Electrotechnical Commission (IEC). (1935). Publication 79. IEC.
5. Resolutions of the CGPM: 1st meeting (24-28 September 1889). (s.f.). Recuperado el [Fecha de Recuperación] de http://www.bipm.org/jsp/en/ListCGPMResolution.jsp?CGPM=1

Fuentes Secundarias:

1. Bureau International des Poids et Mesures (BIPM). (s.f.). About BIPM. Recuperado el [Fecha de Recuperación] de https://www.bipm.org/en/.
2. Cardarelli, F. (2018). Scientific Unit Conversion: A Practical Guide to Metric and SI Units. Springer International Publishing.
3. Dawes, C. L. (s.f.). Electricidad industrial. Recuperado de Google Books.
4. Fink, D. G., Beaty, H. W., & Carroll, J. M. (s.f.). Manual práctico de electricidad para ingenieros. Recuperado de Google Books.
5. Hunt, B. J. (1991). The Maxwellians. Cornell University Press.
6. Lleó Morilla, A. (s.f.). Gran manual de magnitudes físicas y sus unidades. Recuperado de Google Books.
7. Quinn, T. J. (2011). From quantum metrology to the new SI. Metrologia, 49(1), R1.
8. Diccionarios Oxford Complutense de física. (s.f.).

Fuentes Terciarias (o que necesitan más información para una clasificación precisa):

1. La web de las biografías. (s.f.). Giorgi, Giovanni. Recuperado el [Fecha de Recuperación] de http://www.mcnbiografias.com/app-bio/do/show?key=giorgi-giovanni
2. Físicanet. (s.f.). Biografía de Giovanni Giorgi. Recuperado el [Fecha de Recuperación] de http://www.fisicanet.com.ar/biografias/cientificos/g/giorgi.php
3. Enciclonet 3.0. (s.f.). Giorgi. Recuperado el [Fecha de Recuperación] de [se quitó una URL no válida]
4. Reuniones de la CGPM y decisiones importantes. (s.f.). Recuperado el [Fecha de Recuperación] de http://es.wikipedia.org/wiki/Conferencia_General_de_Pesas_y_Medidas
5. KBÒRIES MATINERES. (2014, febrero). Mesura. Recuperado el [Fecha de Recuperación] de http://kboriesmatineres.blogspot.com/2014/02/mesura.html

Rúbrica de Evaluación (Puntuación: 1-20 por categoría)

Evaluación del Texto «Sistema MKS (1889)» según la Rúbrica Proporcionada:

• Introducción y Contexto (Puntuación: 18/20): El texto comienza estableciendo un contexto histórico adecuado, remontándose a la necesidad de unificación de medidas desde las primeras civilizaciones y destacando los problemas de los sistemas locales. La introducción a la Revolución Francesa como catalizador del sistema métrico es efectiva. Solo se podría mejorar añadiendo una breve mención sobre la situación metrológica previa a la Revolución con más detalle.
• Desarrollo del Tema (Puntuación: 17/20): El texto desarrolla el tema de manera cronológica y coherente, explicando la evolución desde el sistema métrico decimal hasta la consolidación del sistema MKS. Se abordan los hitos importantes, como la Convención del Metro y las CGPM. La explicación de la necesidad de mayor precisión y la inclusión del electromagnetismo es buena. Se podría mejorar profundizando un poco más en los detalles técnicos de las definiciones y las mediciones, pero en general el desarrollo es sólido.
• Precisión y Rigor Conceptual (Puntuación: 19/20): El texto demuestra una alta precisión en la definición de conceptos y el uso de terminología técnica. Las definiciones del metro, el kilogramo y el segundo, así como la explicación del sistema MKS y su relación con el electromagnetismo, son correctas y consistentes. La mención de las limitaciones del sistema CGS y las ventajas del MKS en este contexto es un punto fuerte.
• Estructura y Organización (Puntuación: 18/20): La estructura cronológica con subtítulos claros facilita la lectura y la comprensión. La organización del contenido es lógica y las transiciones entre las ideas son fluidas. El uso de negritas para destacar fechas y conceptos clave es efectivo. Se podrían añadir algunos diagramas o imágenes para ilustrar los prototipos o las definiciones, lo cual mejoraría la presentación visual.
• Utilidad Pedagógica (Puntuación: 16/20): El texto es bastante accesible para un lector con conocimientos básicos de física e historia. El lenguaje es claro y se evitan tecnicismos excesivos. Sin embargo, se podrían añadir ejemplos más concretos de cómo el sistema MKS facilitó los cálculos y las aplicaciones prácticas en la ciencia y la ingeniería. La inclusión de la sección «Conceptos Clave» y la clasificación de las fuentes es muy útil pedagógicamente.
• Uso de Referencias (Puntuación: 15/20): El texto utiliza algunas referencias bibliográficas relevantes, lo cual es positivo. Sin embargo, se podrían añadir más citas para respaldar todas las afirmaciones y enriquecer la bibliografía. La inclusión de las fuentes al final del texto con su clasificación (primarias, secundarias, terciarias) es un gran acierto.
• Redacción y Ortografía (Puntuación: 20/20): La redacción es clara, precisa, fluida y correcta desde el punto de vista gramatical y ortográfico. No se detectan errores significativos en este aspecto.

Puntuación Total Estimada: 123/140