En Física hablamos de masa, inercia…, ¡de tántas cosas!

Patrones de medida del metro, utilizados de 1889 a 1960, compuestos de una aleación de platino e iridio.

Cuando hablamos de masa, nos estamos refiriendo a la medida de la inercia de un cuerpo, es decir, su resistencia a la aceleración. Todos sabemos la inmensa cantidad de combustible que se necesita para enviar al espacio exterior a esos transbordadores que llevan suministros y astronautas al espacio exterior para el mantenimiento de la Estación Espacial Internacional. El esfuerzo, es vencer la masa que se quiere transportar hasta que esta, alcanzando los 11 km/s de velocidad, pueda escapar de la fuerza de gravedad de la Tierra y poder así, cumplir con su cometido.

De acuerdo con las leyes de Newton del movimiento, si dos masas distintas, m₁ y m₂, son hechas colisionar en ausencia de cualquier otra fuerza, ambas experimentaran la misma fuerza de colisión. Si los dos cuerpos adquieren aceleraciones a₁ y a₂, como resultado de la colisión, entonces m₁ a₁ = m₂ a₂. Esta ecuación permite comparar dos masas. Si una de las masas se considera como una masa estándar, la masa de todas las demás puede ser medida comparándola con esta masa estándar. El cuerpo utilizado para este fin es un cilíndro de un kilógramo de una aleación de platino iridio. llamado el estándar internacional de masa (como se deja explicado más arriba). La masa definida de esta forma es llamada masa inercial del cuerpo.

Las masas también se pueden definir midiendo la fuerza gravitacional que producen. Por tanto, de acuerdo con la ley de gravitación de Newton, m_g = Fd² / MG, donde M es la masa de un cuerpo estándar situado a una distancia d del cuerpo de masa m_g; F es la fuerza gravitacional entre ellos, y G es la constante gravitacional. La masa definida de esta forma es la masa gravitacional. En el siglo XIX, Roland Eötvös (1848-1919) demostró experimentalmente que las masas inerciales y gravitatorias son indistinguibles, es decir, m₁ = m_g.

Aunque la masa se define formalmente utilizando el concepto de inercia,  es medida habitualmente por gravitación. El peso (W) de un cuerpo es la fuerza con la que un cuerpo es atraído gravitacionalmente a la Tierra, corregido por el efecto de la rotación, y es igual al producto de la masa del cuerpo y la aceleración en caída libre (g), es decir, W = mg.

            Kilogramo patrón.

El kilogramo (unidad de masa) tiene su patrón en: la masa de un cilindro fabricado en 1880, compuesto de una aleación de platino-iridio (90 % platino – 10 % iridio), creado y guardado en unas condiciones exactas, y que se guarda en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en Sevres, cerca de París.

Una balaza mide solo cantidad de masa.

La masa es la única unidad que tiene este patrón, además de estar en Sevres, hay copias en otros países que cada cierto tiempo se reúnen para ser regladas y ver si han perdido masa con respecto a la original.

No olvidemos que medir es comparar algo con un patrón definido universalmente.

¿Y el peso?

De nuevo, atención a lo siguiente: la masa (la cantidad de materia) de cada cuerpo es atraída por la fuerza de gravedad de la Tierra. Esa fuerza de atracción hace que el cuerpo (la masa) tenga un peso, que se cuantifica con una unidad diferente: el Newton (N).

La UNIDAD DE MEDIDA DEL PESO ES EL NEWTON (N)

Entonces, el peso es la fuerza que ejerce la gravedad sobre una masa y ambas magnitudes son proporcionales entre sí, pero no iguales, pues están vinculadas por el factor aceleración de la gravedad.

En el lenguaje común, el peso y la masa son frecuentemente usados como sinónimos; sin embargo, para fines científicos son muy diferentes. La masa es medida en kilogramos; el peso, siendo una fuerza, es medido en newtons (símbolo N. Unidad del SI de la fuerza, siendo la fuerza requerida para comunicar a una masa de un kilogramo una aceleración de 1 m s –²). Es más, el peso depende de donde sea medido, porque el valor de g es distintos en diferentes puntos de la superficie de la Tierra. La masa, por el contrario, es constante donde quiera que se mida, sujeta a la teoría especial de la relatividad. De acuerdo con esta teoría, publicada por Albert Einstein en 1905, la masa de un cuerpo es una medida de su contenido total de energía.

Por tanto, si la energía del cuerpo crece, por ejemplo, por un aumento de su energía cinética o temperatura, entonces su masa también crece. De acuerdo con esta ley, un aumento de energía ΔE está acompañado de un aumento de masa Δm, en conformidad con la ecuación de masa-energía  Δm = ΔE/c^2, donde c es la velocidad de la luz. Por tanto, si un kilo de agua se eleva de temperatura en 100 K, su energía interna aumentará en 4 x 10 –¹² kg. Este es, por supuesto, un incremento despreciable y la ecuación de masa-energía es sólo significativa para energías extremadamente altas. Por ejemplo, la masa de un electrón es siete veces mayor si se mueve con relación a un observador al 99% de la velocidad de la luz.

Naves espaciales del futuro que pudieran viajar a velocidades cercanas a c (299,792.458 m/s), la velocidad de la luz en el vacío, verían incrementada su masa, ya que, al ser esa velocidad un límite impuesto por el Universo, a medida que la nave se acercara a ese límite, se vería frenada y, su fuerza inercial se convertiría en masa según la fórmula E= mc²

Ya sabemos que, se ha comprobado una y mil veces que, la teoría de Einstein de la relatividad especial es cierta en el sentido de que, al ser la velocidad de la luz el límite de velocidad del Universo, nada puede ir más rápido que la luz, cuando un cuerpo viaja a velocidades cercanas a la de la luz, a medida que se acerca a ella, puede ver como su masa aumenta, ya que, la energía de movimiento se convierte en masa al no poder conseguir su objetivo de marchar más rápido que la luz.

Muones lanzados a velocidades cercanas a c, aumentaron su masa 10 veces

En los anillos enterrados en las entrañas de la Tierra (en el Acelerador de partículas LHC), haces de partículas son lanzadas a la velocidad de la luz para que colisionen y, su peso aumenta conforme se van acercando a ese límite marcado por el universo.

La masa relativista de un cuerpo medida por un observador (un físico del LHC que mide el aumento de masa de los protones a medida que adquieren velocidad en el acelerador de partículas del CERN) con respecto al cual este cuerpo se mueve. De acuerdo con la teoría de Einstein, la masa m de un cuerpo moviendose a velocidad v está dada por  m = m₀/√ (1 – v² / c²), donde m₀ es su masa en reposo y c es la velocidad de la luz. La masa relativista solo difiere significativamente de la masa en reposo si su velocidad es una fracción apreciable  de la velocidad de la luz. Si v = c/2, por ejemplo, la masa relativista es un 15% mayor que la masa en reposo.

Según las consecuencias obtenidas en el proyecto Manhattan, lo que sí es seguro es que, una pequeña fracción de materia, contiene una gran cantidad de energía. Según nos decía Asimov: “…un sólo gramo de materia se podría convertir en energía eléctrica que bastaría para mantener luciendo continuamente una bombilla de 100 vatios durante unos 28.200 años. O bien, la energía que representa un sólo gramo de materia es equivalente a la que se obtendría de quemar unos 32 millones de litros de gasolina”.

Una cosa si que nos puede quedar muy clara: Aunque sabemos algunas cosas sobre la masa y lo que entendemos por la energía, no podemos decir que, al día de hoy, “sepamos de verdad”, lo que la masa y la energía son.

Seguiremos aprendiendo.

emilio silvera