Kilogramo (kg): definición, unidad SI y nueva base en la constante de Planck

Descubre qué es el kilogramo, su papel en el SI y cómo la constante de Planck redefinió su medida desde 2019. Precisión, historia y equivalencias esenciales.

El kilogramo es la unidad básica de masa en el Sistema Internacional de Unidades (SI). Se utiliza ampliamente en la ciencia, la ingeniería y el comercio en todo el mundo. Históricamente, su valor se aproximaba a la masa de un litro de agua, pero esa relación es solo una aproximación y no constituye la definición actual.

Definición actual (desde el 20 de mayo de 2019)

A partir del 20 de mayo de 2019 la definición del kilogramo se basa en la constante de Planck, a la que se le asignó un valor numérico exacto:

h = 6,62607015×10⁻³⁴ J·s

Como el julio (J) se expresa en unidades fundamentales como kg·m²·s⁻², fijar el valor de h junto con las definiciones ya existentes del metro y del segundo determina de forma consistente el kilogramo. En otras palabras, el kilogramo queda definido implícitamente a través de la relación física que contiene a h y las unidades de tiempo y longitud.

Por qué se cambió la definición

La redefinición buscó evitar la dependencia de un objeto material único (el prototipo internacional —«Le Grand K»—) cuya masa podía cambiar con el tiempo por contaminación o desgaste. Basar el kilogramo en una constante fundamental de la naturaleza proporciona una referencia estable, reproducible y accesible en cualquier laboratorio con la tecnología adecuada.

Realizaciones prácticas

Las realizaciones prácticas que permiten “materializar” la nueva definición incluyen:

• Balanza de Kibble (anteriormente llamada balanza watt): compara la potencia eléctrica con la potencia mecánica para vincular la masa con la constante de Planck, utilizando los efectos Josephson y Hall cuánticos para obtener referencias eléctricas extremadamente precisas.
• Método de la esfera de silicio (proyecto Avogadro): determina la masa mediante el conteo del número de átomos en una esfera prácticamente perfecta de silicio altamente puro, relacionando así la masa con constantes atómicas.

Breve historia

Antes de 2019, el kilogramo estaba definido por el Prototipo Internacional del Kilogramo (IPK), un cilindro de aleación de platino e iridio guardado en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM) en Francia. Con el paso del tiempo se observaron pequeñas variaciones entre réplicas, lo que motivó la transición hacia una definición basada en constantes físicas.

Equivalencias y usos corrientes

• 1 kilogramo = 1000 gramos (1 kg = 10³ g).
• 1 gramo = 0,001 kg.
• 1 tonelada = 1000 kg (ver tonelada).
• En unidades anglosajonas, 1 kg ≈ 2,20462 libras. (La equivalencia exacta procede de la definición internacional de la libra.)
• Un litro de agua a la temperatura de máxima densidad (aprox. 3,98 °C; 277,13 K) y a nivel del mar tiene una masa muy próxima a 1 kg, y esa relación fue la base histórica de la definición del gramo en 1795.

Definiciones alternativas y proyecto atómico

Antes y durante el proceso de redefinición hubo propuestas para definir el kilogramo en términos del número exacto de átomos de una sustancia dada (por ejemplo, átomos de carbono-12 o silicio-28) a una temperatura especificada. El proyecto Avogadro es la realización más desarrollada de esta idea, y las distintas aproximaciones han servido para comprobar y calibrar la nueva definición basada en h.

Implicaciones

La definición moderna garantiza estabilidad a largo plazo, coherencia con otras unidades fundamentales y la posibilidad de reproducir el kilogramo en distintos laboratorios de metrología del mundo sin necesidad de recurrir a un único artefacto. Para la mayoría de aplicaciones cotidianas (comercio, cocina, industria) los cambios no afectan la práctica habitual, pero en metrología de alta precisión la nueva definición mejora la exactitud y trazabilidad de las mediciones de masa.

Masa y peso

El kilogramo es una unidad de masa. En el lenguaje normal, la medición de la masa define el peso de algo. Esto no es científicamente correcto. La masa es una propiedad inercial. Mide la tendencia de un objeto a mantenerse a una velocidad determinada cuando no actúa ninguna fuerza sobre él.

Las leyes del movimiento de Sir Isaac Newton contienen una fórmula importante: F = ma. F es fuerza. m es masa. a es aceleración. Un objeto con una masa (m) de un kilogramo se acelerará (a) a un metro por segundo por segundo cuando actúe sobre él una fuerza (F) de un newton. Esto supone una décima parte de la aceleración debida a la gravedad terrestre.

El peso de la materia depende de la fuerza de la gravedad. La masa de la materia no lo hace. La masa de un objeto es la misma en todas partes. La materia tiene una masa invariable en el supuesto de que no se desplace a una velocidad relativista con respecto a un observador. Según la teoría de la relatividad especial de Einstein, la masa relativista (masa aparente con respecto a un observador) de un objeto o partícula con masa en reposo m₀ aumenta con su velocidad como M = γm₀ (donde γ es el factor de Lorentz). Este efecto es insignificante a las velocidades cotidianas, que son órdenes de magnitud inferiores a la velocidad de la luz, pero se hace notable a velocidades muy altas. Por ejemplo, viajar a tan sólo un 10% de la velocidad de la luz con respecto a un observador -excesivamente rápido en comparación con las velocidades cotidianas (unos 108 millones de km/h o 67.000.000 mph)- aumenta la masa relativista de un objeto algo más del 0,5%.

En cuanto al kilogramo, el efecto de la relatividad sobre la constancia de la masa de la materia es simplemente un interesante fenómeno científico que no tiene ningún efecto sobre la definición del kilogramo y sus realizaciones prácticas. Los objetos son "ingrávidos" para los astronautas en microgravedad. Sin embargo, los objetos siguen teniendo su masa e inercia. El astronauta debe utilizar diez veces más fuerza para acelerar un objeto de diez kilogramos a la misma velocidad que un objeto de un kilogramo.

Un columpio común, como el que se muestra en la imagen, puede mostrar la relación de fuerza, masa y aceleración. Alguien podría empujar a un adulto en el columpio. El adulto se aceleraría lentamente. Sólo se balancearía una corta distancia hacia delante antes de que el columpio cambiara de dirección. Si un niño está sentado en el columpio, entonces el niño se columpiaría hacia adelante más rápido y más lejos.

 
Las cadenas del columpio sostienen el peso de la niña. Si uno se colocara detrás de ella y tratara de detenerla, estaría actuando contra su inercia. Esta inercia proviene de su masa, no de su peso.  

Preguntas y respuestas

P: ¿Cuál es la unidad base de masa en el Sistema Internacional de Unidades (SI)?

P: ¿Cómo se determina actualmente la definición de kilogramo?

P: ¿Existen otros métodos para definir un kilogramo?

P: ¿A cuántas libras equivale un kilogramo?

P: ¿Cuántos kilogramos hay en una tonelada?

P: ¿Cuál es el peso de un litro de agua a nivel del mar y a 3,98°C (39,16°F; 277,13K)?

P: ¿Cuándo se estableció esta base para definir los gramos?

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