Quando duas massas em quilogramas nominalmente idênticas não são mais idênticas? Quando cada um vai para um lugar diferente e adsorve várias quantidades de umidade e contaminantes.

Explorando este problema, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST) e o Conselho Nacional de Pesquisa (Canadá) estão colaborando com laboratórios de medição no Norte, América Central e do Sul para entender melhor como as massas dos pesos de precisão aumentam e diminuem com o tempo.

Eles esperam que os resultados beneficiem o comércio internacional, em que mesmo pequenas imprecisões de medição podem ter impactos significativos.

Para garantir que meio quilo de batatas no supermercado realmente pesa meio quilo, a balança de uma loja deve ser calibrada regularmente. Para este tipo de calibração, consumidores, em última análise, dependem de artefatos em massa, peças de metal cuja massa foi medida com precisão. Os cientistas conhecem a massa porque cada artefato, por sua vez, foi comparado a outros artefatos em uma cadeia ininterrupta de comparações que remonta à definição fundamental da própria massa.

Os laboratórios de padrões mantêm um bando de artefatos em massa para comparações como essas, que são usados ​​para calibrar tudo, desde balanças de supermercado a balanças de banheiro. De tempos em tempos, esses laboratórios exigem um artefato em massa adicional ou de substituição para sua coleção.

Nos primeiros meses de sua vida, Contudo, a massa de um novo artefato pode mudar significativamente à medida que o metal recém-cortado adsorve moléculas de seu ambiente.

Há alguma discordância sobre quanto tempo os cientistas devem esperar antes de terem certeza de que a massa de um novo artefato é estável. Então, O NIST e o NRC Canadá projetaram um novo experimento massivo para ajudar a resolver esse problema.

O experimento envolve 60 pesos nominalmente idênticos de um quilograma, encomendado para ser feito de uma única haste de aço inoxidável de alta qualidade. Cerca de metade dessas 60 unidades foram distribuídas para 29 países dentro do Sistema Interamericano de Metrologia (SIM), uma rede de institutos nacionais de metrologia (NMIs) localizados no Norte, América do Sul e Central, bem como nações insulares.

Por um ano ou mais, os representantes do SIM para cada país medirão a massa de seu artefato a cada poucos meses e enviarão os dados ao NIST e ao NRC Canadá. Eles também irão monitorar o ambiente de cada massa, incluindo a temperatura do laboratório, pressão barométrica, umidade e compostos orgânicos voláteis (VOCs), uma medida da qualidade do ar.

"A coisa toda vai ser um estudo de estabilidade maciço em uma escala que ninguém nunca fez antes, "disse o físico do NIST Patrick Abbott." Porque as massas são retiradas da mesma barra de aço, você esperaria que eles tivessem a mesma resposta em longo prazo. "No entanto, as condições nos diferentes laboratórios SIM devem afetar a taxa na qual as massas mudam, dependendo de qualidades como altitude e a quantidade de sal no ar. Durante os primeiros meses de suas vidas, as massas foram mantidas nos EUA e Canadá. Agora, metade deles será armazenada em laboratórios perto do equador e bem no hemisfério sul.

"Então, como as massas vão mudar?" Abbott disse. "Assim que eles chegarem lá, eles não vão necessariamente seguir o mesmo padrão que fazem na América do Norte. "

Pêlo de gato em calças pretas

Um novo artefato, recém cortado, é como uma esponja:coleta moléculas do ar, e isso aumenta ligeiramente sua massa com o tempo. Os novos artefatos usados ​​neste experimento têm menos de um ano e, Portanto, em um estágio de ganho de peso relativamente rápido da ordem de 7 microgramas (milionésimos de grama) ao longo de seis meses. Isso pode parecer muito pequeno para importar, mas mesmo pequenas mudanças - especialmente se forem imprevisíveis - podem aumentar as incertezas nas medições de laboratório.

"Esses pesos estão mudando, "Abbott disse." Eles estão pegando coisas do ar - uma espécie de calça preta em uma casa com um gato branco. "

Em algum ponto, esse processo geralmente para ou diminui significativamente. A questão é, quanto tempo um laboratório tem que esperar antes de ter certeza de que sua massa atingiu uma fase estável? E como esse período muda dependendo da localização do laboratório e das condições ambientais médias?

Estudos anteriores tendem a ser em pequena escala, conduzido em um único laboratório. Abbott e seus colegas do NIST e do NRC Canadá se perguntaram se um esforço em larga escala ajudaria a resolver as discrepâncias nos resultados anteriores.

"Agora mesmo, muitos dos estudos que foram feitos foram bem localizados:um laboratório, uma pessoa, sob um conjunto de condições, "Abbott disse." Mas outra pessoa em outro laboratório pode fazer o mesmo estudo e dizer, 'sob estas condições, temos algo completamente diferente, "ele continuou. Então, quem está certo?

"Esperamos que este estudo seja capaz de responder à pergunta:se você comprar uma massa para o seu laboratório, o que é uma expectativa razoável de quando você realmente seria capaz de colocá-lo em serviço, e tem confiança nisso? ", disse Abbott.

Mais do que missa sozinha

Antes de distribuir os artefatos, O NIST e o NRC Canadá os caracterizaram totalmente medindo sua densidade, bem como sua suscetibilidade magnética, uma qualidade de como o material se comporta quando é exposto a um campo magnético. Cada instituto ficou com metade das massas:o NRC Canadá ficou com os pares, e o NIST pegou os de numeração ímpar.

Para medir as densidades de sua metade dos pesos, os cientistas canadenses usaram uma técnica hidrostática que envolvia pesar cada artefato sucessivamente em fluidos de diferentes densidades conhecidas. Enquanto isso, O NIST conduziu seus testes aerostaticamente, usando uma câmara de pressão que poderia pesar os artefatos em diferentes densidades de ar.

Embora todas as massas devessem ser nominalmente idênticas, Abbott ficou surpreso ao descobrir que os primeiros 15 pesos medidos tinham uma densidade distintamente diferente dos segundos 15. Ele ficou preocupado por ter cometido um erro - até descobrir que seu colega canadense havia medido a mesma discrepância em seus pesos.

"Acontece que o fabricante usou duas barras de aço diferentes com densidades ligeiramente diferentes, "Abbott disse, "e vimos isso em nossas medições."

Quando eles trocaram dados para ver o quão próximos os números estavam alinhados, Abbott disse, "foi bonito, apenas bonita. Usamos duas técnicas muito diferentes, e houve excelente concordância para este estudo. "

No início deste mês, NIST e NRC Canadá distribuíram 29 das 60 massas, um para cada um dos países participantes da América do Sul e Central. Os artefatos restantes serão mantidos e monitorados pelo NIST e NRC Canadá até que o estudo seja concluído.

Até 19 de maio, 2019, a definição mundial de massa continuará a ser baseada no Protótipo Quilograma Internacional (IPK), um cilindro de metal forjado no final do século 19 e mantido em um laboratório fora de Paris, França. Após esta data, a definição formal de um quilograma será redefinida para contar com uma constante fundamental da natureza. Contudo, ainda se espera que artefatos de quilograma sejam usados ​​em muitas aplicações, incluindo a disseminação do novo padrão de massa.