El Tamiz

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Premios Nobel - Física 1920 (Charles Édouard Guillaume)

Nos hemos saltado un premio en la serie de los Premios Nobel: el de Química de 1919. La razón, como alguna otra vez nos ha pasado, es que no se entregó galardón de Química ese año. De ahí que pasemos del Nobel de Física de 1919, el de Johannes Stark por sus descubrimientos del efecto Doppler y el desdoblamiento de líneas en los rayos canales, al de Física de 1920 con el que disfrutaremos hoy. El premio de 1920 fue entregado al suizo Charles Édouard Guillaume, en palabras de la Real Academia Sueca de las Ciencias,

En reconocimiento al servicio que ha otorgado a las medidas de precisión en Física gracias a su descubrimiento de anomalías en las aleaciones de acero al níquel.

Esto puede no sonar muy fascinante… y, a diferencia de otras veces, realmente no lo es; al menos, por mucho que he leído sobre el asunto, no he encontrado demasiadas cosas interesantes sobre las que hablar. Por lo tanto, este artículo será relativamente corto.

Eso sí, algo debe quedar claro: a veces hay descubrimientos que no son aventuras maravillosas de contar, ni contienen nuevas teorías revolucionarias, pero su utilidad es absolutamente fundamental. El caso de hoy es precisamente así: Guillaume nos proporcionó algo magnífico, si bien tal vez aburrido, como herramienta para realizar descubrimientos nuevos.

Charles Guillaume
Charles Édouard Guillaume (1861-1938) [dominio público].

No se trata esta vez, por tanto, de un descubrimiento que nos revelase secretos del Universo, ni de la explicación de un enigma con el que llevábamos rompiéndonos la cabeza muchos años, como tantas otras veces en esta serie. Se trata del hijo de un relojero, obsesionado también con la precisión en la medida, regalándonos algo con lo que nuestros instrumentos científicos dieron un salto cualitativo en la precisión.

Este hijo de relojero fue Charles Édouard Guillaume, que nació en Suiza en 1861, nieto de un exiliado francés (que también era relojero, por cierto). Tras estudiar en el Politécnico de Zurich y pasar un breve período de tiempo como oficial de artillería, el joven Charles entró a trabajar en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en 1883.

Esta oficina había sido creada ocho años antes, en 1875. Diecisiete países firmaron la Convention du Mètre en Francia, un tratado mediante el cual las naciones firmantes se comprometían a mantener unos estándares internacionales de medida. La base la constituía, por supuesto, el sistema métrico decimal que había creado un comité de científicos –entre los que estaban algunos de la talla de Laplace o Lagrange, por cierto– poco después de la Revolución Francesa. La sede de la Oficina sigue estando hoy en día en Francia, aunque se considera territorio internacional.

Oficina Internacional de Pesos y Medidas
Pavilion de Breteuil, la sede de la OIPM en Sèvres [dominio público].

El propósito fundamental de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas era mantener estándares estrictos y rigurosos de cada una de las unidades del Sistema Internacional, crear copias de las referencias para poder enviarlas a los distintos países y revisar las definiciones de cada una de las unidades para que fuesen lo más exactas posibles.

Cuando Guillaume entró a trabajar en la Oficina, se dedicó a intentar mejorar varios de los estándares de la época. En aquellos años, muchas de las definiciones de las unidades del Sistema Internacional se basaban en objetos físicos: el metro, por ejemplo, se definía como la longitud de una barra de platino. El kilogramo era algo parecido: la masa de un bloque de platino.

El problema de utilizar objetos físicos como referencia de las unidades era triple: por una parte, de modificarse las propiedades del objeto –por ejemplo, de aumentar la masa del kilogramo unidad porque se oxidase–, ¡cambiaría la definición de la unidad! Por otra parte, la única manera de que alguien en Australia, por ejemplo, pudiera emplear el metro como referencia, era hacerle llegar una copia lo más exacta posible del metro de referencia de la Oficina en Francia.

El riesgo final era el de que la referencia se pierda o se destruya: se dependía totalmente de un objeto físico del que, aunque había copias, ninguna era una perfecta. En resumen, que utilizar objetos como definiciones es una idea terrible, aunque a veces no hay más remedio. No es sorprendente que, poco a poco, la OIPM fuera redefiniendo unidades a partir de fenómenos físicos y no de objetos: así nos libramos de algunos de los obstáculos anteriores.

Así, por ejemplo, hoy en día el metro no se define como la longitud de ningún objeto, sino como la longitud que recorre la luz en el vacío durante 1/299 792 458 segundos. Esto no resuelve todos los problemas, pero sí muchos. De hecho, la única unidad del Sistema Internacional que sigue basándose en un objeto físico es el kilogramo, y nos estamos planteando muy seriamente reemplazarlo por una definición a partir de constantes fundamentales del Universo, como la constante de Planck.

Prototipo internacional del kilogramo
Kilogramo prototipo de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas.

Pero en la época de Charles Guillaume todo eso estaba aún muy lejos, y casi todas las unidades se basaban en objetos físicos. De modo que el suizo se dedicó –como otros científicos de la Oficina– a intentar reemplazar objetos existentes con otros más fiables. Por ejemplo, en 1889 la barra de platino que definía el metro se reemplazó por otra de platino-iridio, que sufría menos cambios con la temperatura.

El cambio de tamaño con la temperatura se suele medir mediante el coeficiente de dilatación, que indica cuánto cambia de tamaño con cada grado de temperatura un objeto, como fracción de su tamaño. Cuanto mayor es el coeficiente de dilatación, más aumenta de tamaño en porcentaje el objeto por cada grado que aumente la temperatura. Evidentemente este coeficiente suele ser muy pequeño: incluso en el caso de un metal que se dilate mucho cuando se calienta, el porcentaje respecto al tamaño original suele ser minúsculo.

Pero muchas veces un cambio pequeño puede tener consecuencias importantes, si por ejemplo hay piezas de metal que encajan a la perfección a una temperatura pero no a otra. En muchas situaciones se emplean juntas de dilatación, mediante las que objetos de metal pueden dilatarse y contraerse sin problemas. Se encuentran a menudo en vías de tren, puentes, motores, etc.

Junta de dilatación
Junta de dilatación en un puente [Matt H. Wade / CC 3.0 Attribution-Sharealike 3.0 License].

El problema de la dilatación es particularmente importante al fabricar instrumentos de medida de precisión, ya que en ese caso una diferencia muy pequeña puede significar el fracaso en la medida. De ahí que Guillaume pusiera tanto empeño en experimentar con diferentes metales y aleaciones: para encontrar aquellos que tuvieran un coeficiente de dilatación mínimo.

Lo curioso de las aleaciones, como el acero, es que introducir en ellas variaciones en la composición de cada uno de sus elementos puede modificar tremendamente sus propiedades. Charles Guillaume se encontró con un caso extremo de esto al experimentar con aleaciones de acero al níquel, en las que hay una pequeña cantidad de ese metal. Ya hablamos de aceros al níquel al hacerlo de ese elemento en la serie Conoce tus elementos, de modo que si eres viejo del lugar ya sabes de lo que hablo.

Bien, Guillaume se dedicó, entre muchas otras cosas, a producir aleaciones de acero al níquel modificando gradualmente el porcentaje de níquel, y midió el coeficiente de dilatación térmica para cada una. Y lo que observó fue algo realmente brusco e inusual cuando la proporción de níquel llegaba al 36%.

Coeficiente de dilatación del invar
Coeficiente de dilatación en función del porcentaje de níquel [RicHard-59 / CC Attribution-Sharealike 3.0 License].

Como ves, cuando el acero contenía un 36% de níquel el coeficiente de dilatación caía en picado, para luego volver a subir de nuevo bruscamente. Esa aleación, por lo tanto, era extraordinariamente resistente a la dilatación, y sería un material excelente para fabricar cualquier cosa en la que esa dilatación fuese un problema.

Se trataba de una aleación casi invariable frente a la temperatura, y por esa razón Charles Édouard Guillaume la bautizó como invar. Hoy en día hay varias marcas que comercializan diversas variaciones del invar, pero todas se aprovechan de ese “punto mágico” del 36% de níquel que estabiliza el volumen de la pieza frente a la temperatura.

Lo que Guillaume no sabía era por qué. Pero no sólo no lo sabía él, sino que nosotros seguimos sin estar seguros. Evidentemente la razón, como la de todas las propiedades de las aleaciones frente a la composición, tiene que ver con la estructura atómica de la aleación, y muy probablemente con el comportamiento magnético de esa estructura. Pero los detalles se nos escapan aún hoy en día.

Invar
Bloques de invar [dominio público].

El invar pronto se convirtió en algo utilísimo para fabricar todo tipo de aparatos de medida de precisión, y lo sigue siendo hoy: relojes, instrumentos de geodesia, de medición sísmica… También se sigue usando en motores y pistones que pueden sufrir grandes cambios de temperatura, para que las piezas cambien de tamaño lo menos posible.

Pero Guillaume realizó otro descubrimiento más, muy parecido al primero, que también resultó ser de una utilidad tremenda. Se encontró con que otra aleación de acero al níquel, en este caso con un 5% de cromo, 36% de níquel (el número mágico) y un 59% de hierro frente al 64% del invar, era enormemente resistente a los cambios de temperatura… pero en este caso no respecto a la dilatación, sino a la elasticidad.

Es muy común que los metales, según se calientan, pierdan parte de su elasticidad. Una vez más, no se trata de algo tremendamente brusco, pero sí lo suficiente como para afectar a instrumentos de precisión. La elasticidad es muy útil para muchos de ellos, como los relojes mecánicos, porque utilizan pequeños muelles como parte del mecanismo –esto era más importante antes que ahora, por supuesto, ya que nuestros relojes más precisos no se basan en piezas mecánicas–.

Guillaume, haciendo gala otra vez de su originalidad, bautizó a la nueva aleación elinvar, por ser casi invariable en la elasticidad. El elinvar, como el invar, pronto se convirtió en una constante de los instrumentos de precisión, y nuestra tecnología de medida avanzó muchísimo gracias a los dos.

De ahí la importancia de tan aburridos descubrimientos. Hemos mencionado ya muchas veces en El Tamiz que, en ocasiones, enormes y revolucionarios descubrimientos se han basado en mediciones de una precisión inaudita en su momento, que ponían de manifiesto errores en teorías anteriores que no hubiéramos observado sin ese nivel de precisión. Un ejemplo muy simple es el experimento de Michelson-Morley, cuya precisión de medida alcanzó niveles desconocidos en su época.

Por lo tanto, descubrimientos como los de Guillaume proporcionaron a los científicos de la siguiente generación las herramientas afiladísimas que necesitaban para descubrir a su vez cosas nuevas y maravillosas. Desgraciadamente para él, desarrollar una nueva aleación que no cambia de tamaño con la temperatura no tiene el glamour que descubrir una nueva partícula subatómica, pero el suizo merece al menos que le dediquemos una sonrisa.

Como siempre, os dejo con el discurso de entrega del Premio. Fue pronunciado por A. G. Ekstrand, Presidente de la Real Academia Sueca de las Ciencias, el 10 de diciembre de 1920:

Su Majestad, Sus Altezas Reales, damas y caballeros.

La Academia Sueca de las Ciencias ha decidido entregar el Premio Nobel de Física de 1920 a Charles Édouard Guillaume, Director de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, por los servicios que ha otorgado a las técnicas de precisión en Física por su descubrimiento de las propiedades del acero al níquel.

Uno de los grandes pensadores griegos dijo que “las cosas son números”, y trató de explicar el origen de todas las cosas mediante los números. Los científicos de la actualidad no llevan el culto a los números a tal extremo; sin embargo, reconocen de todos modos que el conocimiento exacto de la Naturaleza comienza únicamente cuando logramos expresar los fenómenos mediante pesos y medidas.

El desarrollo de la Ciencia siempre ha ido a la par con el progreso en la precisión de medida. Esto se aplica a la astronomía, la geodesia, la química y por encima de todo a la física, cuyo crecimiento acelerado data del momento en el que empezó a aplicarse la precisión moderna a las observaciones.

Esa fue la idea que movió a la Asamblea Nacional Francesa cuando, en 1790, ordenó a la Academia de las Ciencias de París que estableciese una base invariable de pesos y medidas. Se organizó un comité para ese propósito, compuesto por Borda, Lagrange, Laplace, Monge y Condorcet, y a partir de sus sugerencias la Asamblea Nacional adoptó un sistema decimal basado en una cierta fracción de un cuadrante del meridiano terrestre. Así se introdujo la base del sistema métrico en Francia, que luego se estableció mediante una ley aprobada por la Convención el 1 de agosto de 1793.

El progreso fue más lento en otros países. La gente de Europa tardó unas décadas en darse cuenta de las ventajas del sistema métrico, y esto sucedió en gran parte gracias a las grandes exposiciones internacionales. Durante la exposición internacional de París de 1867 se formó un comité por parte de la mayor parte de los países participantes, con el objeto de preparar la adopción de un sistema internacional único de pesos y medidas. La proposición a tal efecto, aprobada por el emperador el 1 de septiembre de 1869, fue enviada a todos los países, y así se fundó posteriormente la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en Breteuil, cerca de París.

La nación francesa no sólo concibió la idea de esta gran reforma, sino que, mediante su habilidad diplomática, logró que se adoptase en todo el mundo civilizado; por esta razón, la humanidad tiene una gran deuda de gratitud con Francia.

Todas las copias del metro estándar y el kilogramo estándar destinadas a los diversos países son examinadas y comparadas meticulosamente en esta Oficina Internacional, cuyo director, Charles Édouard Guillaume, es indudablemente el metrólogo principal de nuestro tiempo. Este científico, al dedicar toda su vida al servicio de la ciencia, ha realizado una contribución muy poderosa al avance del sistema métrico.

A lo largo de sus estudios, largos y concienzudos, descubrió un metal con las propiedades metrológicas más notables. Ése es el descubrimiento que la Academia Sueca de las Ciencias ha intentado recompensar otorgándole el Premio Nobel de Física de este año, ya que el descubrimiento es de gran importancia para la precisión de las medidas científicas, y por lo tanto para el desarrollo de la Ciencia en general.

El mero hecho de disponer de un sistema internacional de pesos y medidas y una Oficina Internacional para la aplicación de ese sistema no nos libraría de las dificultades inherentes a cada operación de medida o peso, salvo que pudiéramos alcanzar la máxima precisión posible. La principal fuente de error en las medidas de longitudes en particular era la temperatura, como resultado de la propiedad bien conocida de los materiales de cambiar su volumen con las variaciones de temperatura.

Era, por lo tanto, fundamental examinar con la máxima precisión la dilatabilidad de todos los metales y aleaciones bajo la acción del calor. Durante estas delicadas investigaciones, y en particular durante el estudio de las propiedades de ciertos tipos de acero, Guillaume tuvo la idea, aparentemente paradójica, de que podría ser posible producir una aleación libre de esta propiedad universal de los materiales de cambiar su volumen cuando lo hace la temperatura.

Los largos y difíciles experimentos realizados por Guillaume año tras año con diversas aleaciones y, por encima de todas, con el acero al níquel, para determinar su dilatabilidad, elasticidad, dureza, cambios en el tiempo y estabilidad, lo llevó finalmente al descubrimiento fundamental de la aleación de acero al níquel conocida como invar, cuyo coeficiente de dilatación con la temperatura es prácticamente nulo.

Estos estudios y descubrimientos por parte de Guillaume han proporcionado, a lo largo del tiempo, nuevas y significativas aplicaciones prácticas. Algunos ejemplos son el uso del invar en el diseño de instrumentos físicos de medida, y en particular en la geodesia, donde el descubrimiento de Guillaume ha cambiado completamente los métodos de medir las líneas de base.

El acero al níquel ha suplantado también al platino en la fabricación de lámparas incandescentes, y dado el precio actual del platino, esto representa un ahorro anual de unos veinte millones de francos; finalmente, la cronometría debe a los descubrimientos e investigaciones de Guillaume un nuevo refinamiento: el uso de las nuevas aleaciones permite que los relojes se ajusten con mayor precisión y a menor coste que antes.

También desde un punto de vista teórico los estudios perspicaces y sistemáticos de Guillaume sobre las propiedades del acero al níquel han tenido la máxima importancia, ya que han confirmado la teoría alotrópica de Le Chatelier sobre las aleaciones binarias y ternarias. Por lo tanto, ha realizado una importante contribución a nuestro conocimiento de la composición de la materia sólida.

En consideración a la gran importancia del trabajo de Mr. Guillaume para la metrología de precisión y, por tanto, para el desarrollo de toda la ciencia y la ingeniería modernas, la Academia Sueca de las Ciencias ha otorgado el Premio Nobel de Física de este año a Charles Édouard Guillaume, en reconocimiento a los servicios que ha otorgado a las técnicas de precisión física por su descubrimiento de las propiedades del acero al níquel.

Monsieur Guillaume. Mediante sus estudios perserverantes en termometría ha obtenido usted honor en física y en química: pero ha ganado sus laureles científicos fundamentalmente en una rama diferente. Mediante sus estudios sobre las aleaciones metálicas y su sensibilidad a las diferncias de temperatura, ha establecido usted el hecho de que algunas de esas aleaciones poseen propiedades notables; algunas apenas se expanden al calentarse, lo que le sugirió la idea de convertirlas en estándares de medida.

Una de estas aleaciones de acero al níquel en particular, la que contiene un 36% de níquel, fue considerada por usted como la que poseía las condiciones necesarias. Dado que es prácticamente invariable bajo la acción del calor y otras influencias, usted la ha bautizado como invar. Su beneficio potencial para la Ciencia, para la fabricación de estándares y de instrumentos diversos, es ya evidente. En la geodesia, los cables de invar proporcionan unos valores para las líneas de base mucho más precisos que los anteriormente empleados.

En nombre de la Real Academia Sueca de las Ciencias, lo felicito por sus investigciones y sus descubrimientos, que han sido de la máxima utilidad, y por esa misma razón merecen el Premio Nobel. Le pido ahora que acepte el galardón de manos de Su Majestad el Rey, para quien será un placer entregárselo.

En la próxima entrega de la serie, el Premio Nobel de Química de 1920.

Para saber más:

Ciencia, Premios Nobel

7 comentarios

De: Cavaliery
2015-01-28 21:00

Hola Pedro... como definirías tu el kilogramo? (obviamente no usando un objeto físico)

Saludos

De: Cruz Enrique
2015-01-29 00:16

Pues si me lo preguntaras a mi, yo usaría algo así como la masa de chorropecientos mil átomos de hierro-56 o usando la masa del protón o eléctrón. Supongo que si no lo hacen es porque no es tan "simple" de medir estas masas o que no se tiene claro que sean "constantes".

De: davidlga
2015-01-29 13:39

http://elzo-meridianos.blogspot.com.es/2015/01/el-objeto-mas-redondo-del-mundo-jamas.html

De: Brigo
2015-01-29 14:05

Acabo de leer en meneame.net que han construido la esfera más perfecta hasta la fecha, fabricada en cristal de silicio para conseguir exactamente eso, definir el kilogramo en función de el átomo de silicio:

https://www.meneame.net/m/tecnolog%C3%ADa/objeto-mas-redondo-mundo-jamas-construido

Me asombra que aún no sepamos muy bien cómo se comporta una aleación de hierro-niquel. Deberíamos solucionarlo, bien por orgullo o bien porque quizás señale algún problema en nuestras teorías, lo que podría dar lugar a otras nuevas y a algún que otro Nobel :)

De: Cavaliery
2015-01-29 16:07

Algo asi:? http://elzo-meridianos.blogspot.com.es/2015/01/el-objeto-mas-redondo-del-mundo-jamas.html

De: pietro
2015-01-29 19:25

Buenos días. Ha sido un artículo corto, tristemente, pero lo he disfrutado. Al ir entrando en tema, pensé que irías a hablar un poco de las aplicaciones del acero inoxidable en las diferentes industrias, y de los diferentes tipos (austenítico, martensítico, etc). Aunque muy posiblemente esta clasificación exceda los conocimientos del buen Guillaume, y más apropiado quedaría expuesto en la serie de inventos ingeniosos. Gracias por el artículo, un saludo grande

De: Arturo
2015-02-06 23:36

primero que nada enhorabuena por el articulo lo he disfrutado bastante, llevo años leyendo el blog pero nunca se me había ocurrido comentar ya ni para dar gracias por publicar tan buenos artículos. :)

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