La 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, o una báscula, es un instrumento de medición que permite medir la masa de un objeto.

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.

Balanza Romana

La romana (el lat. [statera] romāna) es un instrumento que sirve para pesar, compuesto de una palanca de brazos muy desiguales, con el fiel sobre el punto de apoyo. El cuerpo que se ha de pesar se coloca en el extremo del brazo menor, y se equilibra con un pilón o peso constante que se hace correr sobre el brazo mayor, donde se halla trazada la escala de los pesos.

Características
La exactitud y precisión de la romana no es muy grande. Su principio de funcionamiento está basado en las propiedades de las palancas, donde el peso del cuerpo a pesar se contrarresta con el contrapeso del pilón que puede deslizarse a lo largo de una regla graduada.
Aunque existen diversos modelos de romanas, todas tienen un brazo en forma de regla graduada larga donde se lee el peso y otro más corto del que se suspende el cuerpo a pesar, bien sea colocándolo en un plato o colgándolo de un gancho.
Para equilibrar la romana hay que mover el pilón a lo largo de la regla graduada. Cuando la romana está equilibrada, la barra graduada está totalmente horizontal y el punto de la regla en que está situado el pilón permite leer el peso de la mercancía.
Desde mediados del siglo XX las romanas fueron quedando obsoletas y están siendo sustituidas por balanzas de muelles y, más adelante, electrónicas de lectura directa, mucho más exactas y precisas. Su uso quedó limitado a zonas rurales poco desarrolladas.
Ejemplo: si se coloca 1 kg de tomates en el gancho de la romana, el pilón de la romana no variará su posición, bien sea en el valle o en el altiplano; si utilizásemos una báscula electrónica, la medida en el valle sería mayor que en el altiplano.
Es decir, la balanza y la romana comparan masas y la báscula mide fuerzas.

Historia
Las romanas se usan desde tiempos muy remotos, aunque su nombre sugiere que su forma definitiva, así como su utilización, corresponde a los tiempos de la Roma Antigua. Desde entonces se ha seguido utilizando en su forma más sencilla y arcaica o en otras formas más elaboradas.
La aparición de balanzas y básculas mecánicas y, posteriormente, electrónicas, han arrinconado el uso de la romana a ambientes rurales poco desarrollados.

Balanza de Báscula

La báscula (del francés bascule) es un aparato que sirve para determinar la masa de los cuerpos. Normalmente una báscula tiene una plataforma horizontal sobre la que se coloca el objeto que se quiere pesar. Dado que, a diferencia de una romana, no es necesario colgar el objeto a medir de ganchos ni platos, resulta más fácil pesar cuerpos grandes y pesados encima de la plataforma, lo que hizo posible construir básculas con una capacidad de peso muy grande, como las utilizada para pesar camiones de gran tonelaje.

Principios de funcionamiento
Actualmente existen dos tipos de básculas: mecánicas y electrónicas.
En el caso de las básculas mecánicas, las mismas pueden ser por contrapeso o con muelle elástico.
Las básculas con contrapeso actúan por medio de un mecanismo de palancas. Ese mecanismo de palancas transforma la fuerza correspondiente al peso del objeto a medir en un momento de fuerzas, que se equilibra mediante el desplazamiento de un pilón a lo largo de una barra graduada, donde se lee el peso de la masa. El principio de funcionamiento de estas básculas es similar al de una romana o una balanza, comparando masas, mediante una medición indirecta a través del peso.

Los avances en las técnicas de pesado, han hecho desaparecer prácticamente las básculas de palanca con contrapeso, y ahora se usan básculas con muelle elástico, basadas en la deformación elástica de un resorte que soporta la acción gravitatoria del peso del objeto a medir, en lugar de realizar una comparación de masas. Por esta razón, actualmente el nombre báscula se aplica también a toda una serie de sistemas de pesada basados en la gravedad, del tipo dinamómetro.
Al funcionar por muelle elástico, estas básculas miden la fuerza ejercida por un objeto sujeto a la fuerza de gravedad, es decir, el peso. Sin embargo, el peso (P) y la masa (m) están relacionados por la siguiente relación:

P= m . g

donde P es el peso, m es la masa y g es la intensidad del campo gravitatorio o aceleración de la gravedad. Esta relación permite calcular la masa, ya que si la intensidad gravitatoria es constante, entonces la masa es directamente proporcional al peso.

Con el tiempo las básculas han evolucionado mucho y hoy día ya 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.

Calibración.

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.

Tipos de básculas

Actualmente hay varios tipos de básculas que son bastante representativas:
Básculas de baño. Se encuentran en muchos hogares y son un elemento muy útil y rápido para conocer el peso de las personas.
Básculas para pesar personas en farmacias. Son básculas muy sofisticadas que introduciendo una moneda, pesan, miden la estatura y calculan el peso ideal que corresponde a la persona o su índice de masa corporal.
Báscula para pesar mercancías en empresas y almacenes: Son básculas cuya plataforma está a ras de suelo, y permiten pesar de forma rápida y directa las mercancías que maneja una empresa, hay básculas de diferentes capacidades de peso.
Báscula para pesar camiones. Son básculas de gran capacidad de peso que se instalan en la entrada de muchas empresas y en las carreteras para pesar directamente a los camiones que acceden a las empresas o controlarlos en las carreteras por si llevan exceso de carga.
Báscula para pesar graneles. 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 granel es liberado a la cinta transportadora y, cuando la tolva se vacía, vuelve a llenarse con el material acumulado en la tolva superior.
Báscula de dosificación. Son básculas normalmente en forma de tolva suspendida por células de carga. A dicha tolva le llegan unos tornillos sin fin cuyos motores están controlados por un visor dosificador que puede realizar una fórmula con varios componentes

Dinamómetro

Se denomina dinamómetro a un instrumento utilizado para medir fuerzas. Fue inventado por Isaac Newton y no debe confundirse con la balanza (instrumento utilizado para medir masas), aunque sí puede compararse a la báscula.
Estos instrumentos consisten generalmente en un muelle contenido en un cilindro de plástico, cartón o metal generalmente, con dos ganchos, 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 inferior, el cursor del cilindro inferior se mueve sobre la escala exterior, indicando el valor de la fuerza.
Los muelles que forman los dinamómetros presentan un límite de elástico, de tal modo que si se aplican fuerzas muy grandes y se producen alargamientos excesivos, se puede sobrepasar el límite de elasticidad; en esas condiciones, el muelle experimenta una deformación permanente que conlleva la inutilización del dinamómetro.
Las máquinas de ensayo de materiales sometidos a diferentes esfuerzos incorporan dinamómetros, principalmente cuando los ensayos son de resistencia a la tracción, para medir los esfuerzos de rotura que rompen las probetas de ensayo.
Una forma común de dinamómetro es una balanza de resorte calibrada en newtons, la unidad de fuerza del Sistema Internacional de unidades (SI) y mide tanto fuerzas de tracción como de compresión, empleándose el dinamómetro correspondiente según el caso.
Los dinamómetros de tracción pueden utilizarse para medir la resistencia de los trenes sobre las vías, y los de compresión, para determinar la presión mutua ejercida entre dos cuerpos.

Unidad Nº 2

Medición

Realizar una medición significa obtener un número denominado medida, que es la relación entre la cantidad desconocida que queremos determinar y una cantidad conocida de la misma magnitud que elegimos como unidad.

Magnitudes
Se denomina magnitudes ciertas propiedades de un objeto o sistema que puedan ser expresadas con un valor numérico y su correspondiente unidad.
Son ejemplos de magnitudes: la longitud, el tiempo, la velocidad y la temperatura.

Unidades de medidas
Desde la antigüedad, el hombre necesitó expresar con números las dimensiones de los objetos. Para ello, creo diferentes unidades de medida. Hoy contamos con sistemas universales que permiten medir longitud, masa, volumen, temperatura, etc.
Muchas propiedades de la materia son cuantitativas, esto es, están asociadas con cifras. Cuando una cifra representa una cantidad medida, las unidades de esa cantidad deben estar especificadas. Decir solo que la longitud de un lápiz es 17,5 carece de sentido. Decir que tiene 17,5 centímetros (cm) especifica apropiadamente la longitud. Las unidades que se utilizan para las mediciones son las del sistema métrico.
El sistema métrico, desarrollado por primera vez en Francia a fines del Siglo XVIII, se utiliza como sistema de medición en la mayor parte de los países.
A fin de estandarizar las mediciones científicas, en 1960 se aprobó un acuerdo internacional que especifica las unidades métricas básicas que deben utilizar todos los científicos. Las unidades preferidas se conocen como unidades SI, de acuerdo con el Systeme International d´ Unités, francés.

Hay siete magnitudes científicas fundamentales, de las cuales se derivan otras magnitudes como por ejemplo la velocidad, que es la relación entre la distancia y el tiempo transcurrido, tiene unidades SI de metros por segundo (m/s).

Unidades SI básicas

*Con frecuencia se utiliza la abreviatura seg. para nombrar segundo.

Este sistema utiliza prefijos para indicar las fracciones decimales o los múltiplos de varias unidades. Por ejemplo el prefijo mili – representa una fracción de 10-3 de una unidad. Un miligramo (mg) es 10-3 gramos (g), un milímetro (mm) es 10-3 metros y así sucesivamente.

Por tal razón es que se habla de un sistema métrico decimal:
Sistema – porque es un conjunto de medida.
Métrico – porque su unidad fundamental o base es el metro.
Decimal – porque la razón entre las medidas (mayores y menores que el metro) siempre es 10 o una potencia de 10.

Medidas de longitud
Veamos, en el siguiente cuadro, que hay otras medidas de longitud mayores que el metro, los múltiplos, y otras menores, los submúltiplos.Medidas de masa
Cuando queremos saber la masa de los cuerpos o de las sustancias sólidas, recurrimos a las medidas de masa, que también se usan para expresar la masa de los líquidos y los gases.

Para apreciar la masa de un cuerpo o sustancia, por comparación, se usan las balanzas.

Características de los instrumentos de medición

Alcance: es la mayor medida que se puede realizar con el instrumento.

Apreciación: es la mayor variación de la medida que podemos registrar con dicho instrumento.

Estimación: es un proceso que realiza el observador, dónde éste evalúa qué fracción de la apreciación del instrumento le corresponde a una medida.

¿Qué son las cifras significativas?

En el trabajo científico reconocemos dos clases de números: números exactos (cuyos valores se conocen exactamente) y números inexactos (cuyos valores tienen alguna incertidumbre). Los números exactos son aquellos que tienen valores definidos o enteros que resultan de su conteo. Por ejemplo, en un kilogramo hay exactamente 1000 gramos, en una docena de huevos hay exactamente doce huevos.
Los números obtenidos por medición siempre son inexactos, porque siempre hay errores en el equipo utilizado para medir cantidades (errores en el equipo), y hay diferencias en la forma en que diferentes personas hacen las mediciones (errores humanos). Supongamos que diez estudiantes con diez balanzas diferentes reciben la misma moneda para pesarla. Las diez mediciones variarán ligeramente. Las balanzas pueden estar calibradas en forma ligeramente distinta y puede haber diferencias en como toma cada estudiante la lectura de la masa en la balanza.
Recuerde: siempre hay incertidumbre en las cantidades medidas.

Ahora supongamos que usted pesa una moneda en una balanza capaz de medir hasta 0,0001g. Usted puede informar que la masa es de 2,2405 ± 0,0001 g. La notación ± (se lee “más o menos”) es una forma útil de expresar la incertidumbre de una medición. En gran parte del trabajo científico quitamos la notación ± comprendiendo que hay una incertidumbre de al menos una unidad en el último dígito de la cantidad medida. Esto es, las cantidades medidas se informan por lo general en forma tal que sólo un dígito sea el incierto. Todos los dígitos, incluyendo el incierto, se denominan cifras significativas. El número 2,2405 tiene cinco cifras significativas. El número de cifras significativas indica la precisión de una medición.

Las cifras significativas de una medida son todas las cifras seguras y una única insegura.

Siempre que realices una medida debes expresar el resultado utilizando sólo las cifras significativas.

¿El “0” es una cifra significativa?

Para contestar esta pregunta veremos tres casos distintos

a) Los ceros que indican el lugar decimal, hasta la primera cifra distinta de cero, no se cuentan como cifra significativa. Por ejemplo la medida 0,0053 kg tiene solamente 2 cifras significativas el 5 y el 3.
b) Los ceros que quedan entre cifras significativas, se consideran cifras significativas. Por ejemplo 203,6 cm tiene cuatro cifras significativas.
c) Los ceros finales son siempre cifras significativas. Por ejemplo la medida 2,300 m tiene 4 cifras significativas.


Suma y Resta

Supongamos que deseamos sumar dos longitudes cuyos valores son: 2,34 m y 1,5 m:

2,34 m - tiene dos lugares después de la coma y su última cifra (el 4) sabemos que
_
no es segura. Esto lo indicaremos poniendo una rayita arriba de ella 2,34 m.

1,5 m - tiene un lugar después de la coma y su última cifra (el 5) sabemos que
_
no es segura y lo indicaremos poniendo una rayita arriba de ella 1,5 m.

Ahora realizaremos la suma
_
2,3 4
+ _
1,5
_________
_ _
3,84

_ _
El resultado es 3,8 4 m donde las dos últimas cifras nos quedan inseguras. Para corregir esto, lo que hacemos es redondear hasta que quede una sola cifra insegura. En este caso por ser el “4” menor que cinco, el resultado redondeado queda 3,8 m.

Podemos observar que el resultado (3,8 m) tiene un solo lugar después de la coma, al igual que 1,5 m que es el término sumado con menos lugares decimales en esta operación.

Como regla general podemos decir que:

El resultado de sumar o restar dos valores debe tener el mismo número de cifras decimales (lugares después de la coma) que el término que tenga menos.


Producto y División

El resultado de una multiplicación o división tendrá tantas cifras significativas como el factor que tenga menos cifras significativas.

Usemos como ejemplo el producto 2,840 m x 1,3 m.

2,840 m - tiene cuatro cifras significativas

1,3 m - tiene dos cifras significativas

Siguiendo la regla anterior, el resultado de su multiplicación debe expresarse con 2 cifras significativas : 2,840 m x 1,3 m = 3,692 m2
Para expresarlo correctamente debemos redondear este valor hasta que sólo tenga dos cifras significativas. Primero debemos identificar cuál es la segunda cifra insegura, que en este caso es el 9 y para redondearla debemos aumentar el 6 en una unidad, tomando el valor 7.
El resultado final y correcto es: 3,7 m2

Observa que además de multiplicar los números, también multiplicamos las unidades. En este caso m x m = m2

Siempre que realices una operación, es importante respetar el número de cifras significativas del resultado.

Recuerda que las cifras significativas están relacionadas con la “precisión” de las medidas y no es lógico tener resultados de operaciones, con mayor “precisión” que las medidas originales.


Masa

La unidad de medida de la masa en el Sistema Internacional de Unidades es el Kilogramo, cuya notación es “Kg”.

El instrumento para medir masa de un cuerpo es la balanza.

Masa y Peso

En el lenguaje cotidiano se suele utilizar el término “peso” de un cuerpo en lugar de “masa”. Cuando habitualmente decimos que utilizamos una balanza “pesamos” algo y obtuvimos su “peso”, en realidad lo que hicimos fue “masarlo” y determinar su “masa”.
La masa de un cuerpo es propia de él y no depende del lugar dónde se mida.

Todos sabemos que los cuerpos que se encuentran en las cercanías de la superficie terrestre o en general de cualquier astro son atraídos por él. A esta fuerza se le denomina peso de un cuerpo.

El Peso de un cuerpo es la fuerza de atracción que ejerce la Tierra (o el astro en el que se encuentre) sobre él.


Sistema

¿Qué es un sistema?

Cuando estamos estudiando un cierto fenómeno físico o medimos alguna magnitud asociada a él, centramos nuestra atención en una cierta porción del espacio que nos rodea. Generalmente es útil dividir (imaginariamente) el espacio en dos regiones que llamaremos: sistema y ambiente.

Denominamos SISTEMA, a la porción de espacio que separamos de su entorno, para facilitar su estudio.

Denominamos AMBIENTE a todo lo que rodea al sistema y puede interactuar con él.
Los sistemas podemos clasificarlos según muchos criterios, en este caso veremos una única clasificación, determinando dos tipos de sistemas:

Sistema Abierto

Es aquel que intercambia materia con el ambiente.

Sistema Cerrado

Es aquel que no intercambia materia con el ambiente.

En los tres experimentos que hemos realizado podrás observar que en la mayoría de los casos dio cero o la variación fue pequeñísima comparada con la masa total del sistema.
Esto nos está demostrando que la masa de estos sistemas cerrados no cambió, aunque se hayan producido cambios en su interior.
En los primeros dos casos, fusión del hielo y disolución del cloruro de sodio en agua, se dice que se produjeron procesos físicos y el tercer caso es un ejemplo de proceso químico, no registrándose en ninguno de los casos variación en la masa del sistema.

¿Cómo diferenciamos un proceso físico de uno químico?

La característica más importante de un proceso físico es que durante el proceso no se ve afectada la composición de las sustancias que intervienen.

En el caso de un proceso químico, inicialmente se tienen una o varias sustancias y luego del proceso se obtienen sustancias distintas, con diferente composición a las que teníamos en un principio.

Las conclusiones de estos experimentos nos conducen a los mismos resultados experimentales que llevaron al científico francés A. Lavoisier en la segunda mitad del siglo XVIII a enunciar la llamada Ley de Conservación de la Masa o también conocida como Ley de Lavoisier.

Ley de la Conservación de la Masa:

La masa de un sistema cerrado es constante (∆m = 0), aunque en el sistema se produzcan procesos físicos o químicos.

De la aplicación de esta ley se deduce que es imposible crear materia de la nada y tampoco es posible el proceso inverso, que consistiría en destruir materia. Si es posible a partir de determinados materiales, transformarlos en otros y si el sistema es cerrado, su masa se mantiene constante.
De la siguiente frase extraída de una publicación de A. Lavoisier, podemos interpretar su idea respecto a la conservación de la masa:

“Nada se crea, nada se destruye, todo se transforma”