Las unidades de medida y la importancia de su comprensión

Una cantidad física es un número que se emplea para definir cuantitativamente un fenómeno físico. Existen innumerables ejemplos de cantidades físicas definidas a través de números como son: estatura, peso, longitud. Algunas de ellas son tan básicas que solo atinamos a describirlas a través del uso de las medidas que empleamos para determinarlas; en otros casos solo podemos definirlas por la forma que empleamos para calcularlas como sucede con la rapidez de un objeto que se calcula al comparar la distancia recorrida con el tiempo usado por el objeto para recorrerla.

Al medir cantidades, siempre usamos un estándar de referencia; por ejemplo, al describir la altura de un edificio por lo general decimos que tiene 8 metros de altura, lo cual significa que se necesitan 8 segmentos con una longitud de 1 metro para igualar su altura, Dicho término "metro" se constituye en un estándar para medir longitudes y se asume que siempre que se diga que algo mide un metro se habla de que tienen la misma longitud. Así como las distancia tienen su medida estándar, el peso, la velocidad, el volumen y la cantidad tienen sus medidas estándar. Estos estándares se definen como unidad, y estas unidades pueden a su vez descomponerse en unidades más pequeñas basadas en la misma o bien conjuntarse para crear unidades de medida compuestas que permitan facilitar la medición de objetos muy pequeños o muy grandes.

Estás unidades de medida tienen la finalidad de dar significado a las cantidades producto de la medición que hemos efectuado.

Las mediciones exactas y confiables requieren unidades inmutables que los observadores puedan volver a utilizar en distinto lugares, el sistema de unidades empleado por científicos e ingenieros en todo el mundo se denomina comúnmente "sistema métrico" aunque, desde 1960, su nombre oficial es Sistema Internacional (SI).

Con el paso de los años las definiciones de las unidades básicas del SI han evolucionado, como ejemplo tenemos las definiciones originales de metro como la diezmillonésima parte de la distancia entre el polo norte y el ecuador, y de segundo como el tiempo que tarda un péndulo de 1 m de largo en oscilar de un lado a otro. Puede notarse enseguida que son definiciones poco prácticas y difíciles de duplicar con precisión, por lo que se han refinado por acuerdo internacional.

El metro fue definido en un inicio basándose en la distancia entre el polo y el ecuador.
Fuente: US Goverment

Medida de tiempo.

El tiempo comenzó a medirse de la forma más general por casi todas las culturas, el paso del sol por el cenit, su salida o su puesta; o bien por las fases de la luna en el cielo, o el cambio de las condiciones climáticas; todas estas formas de medir el tiempo eran bastante imprecisas y variables, así como, sujetas a la interpretación. Fue hasta 1967, que se adoptó finalmente un mecanismo de medida de tiempo mucho más preciso, el reloj atómico, mismo que usa la diferencia de energía entre los dos estados energéticos más bajos del átomo de Cesio. Un segundo (s) se define así como el tiempo que tardan 9,192,631,770 ciclos de esta radiación de microondas. Antes de adoptarse esta medida se usaron varias formas indirectas de medir el tiempo, las cuales resultaban menos precisas y sujetas a pequeñas variaciones.

Como sabemos 60 segundos forman un minuto, 60 minutos una hora, y 24 horas un día; 7 días una semana, de 28 a 31 días un mes, 12 meses un año (hay un año bisiesto cada 4 años); como puede verse la medida del tiempo común suele ser un poco variable a partir de cierto punto (los meses). Si bien es cierto que muchas de las medidas de tiempo no necesitan ser muy precisas en la vida cotidiana, en el caso de la transmisión de información a altas velocidades medidas de tiempo de fracciones de segundo (imperceptibles para los humanos) pueden significar errores de transmisión y pérdidas de datos importantes por problemas de sincronización.

Reloj atómico de Cesio
Fuente de la imágen: Física en movimiento.

Medida de longitud.

En 1960, se definió el metro (m) como la longitud de onda de la luz anaranjada emitida por el átomo de Kriptón (Kr) en un tubo de descarga de luz, usando este estándar se comprobó que la luz en el vacío viaja a 299,792,458 km/s. En 1983, se modifico la definición de este estándar para definirlo como la distancia que viaja la luz en el vacío en 1/299,792,458 segundos. Estándar mucho más preciso que el que se basa en la longitud de onda de la luz.
Las medidas de longitud siempre fueron necesarias para todas las culturas, cada una de estas desarrollo su propio sistema de mediciones muchos de los cuales se basaban en medidas que se consideraban iguales para todos (al menos en apariencia) cuando las diferentes culturas y poblaciones, se vieron en la necesidad de comerciar, se hizo evidente que había un serio problema en cuanto a la conversión de unidades de medidas de una población a otra y de una cultura a la otra, fue por ello necesario ir definiendo estándares de medida que funcionaran para todos y que pudiesen ser verifiados como válidos por todos, las medidas empleadas por el SI son acuerdos tomados por todas las naciones que voluntariamente (o no tanto) se atuvieron a las mismas para poder comerciar de forma transparente.

Medidas de longitud del SI
Fuente: http://contenidosdigitales.ulp.edu.ar/exe/matematica2/cules_son_las_medidas_de_longitud.html

Medida de masa.

El kilogramo (kg), se define como la masa de un cilindro de aleación platino-iridio específico que se conserva en la oficina internacional de pesos y medidas en Sèvres, cerca de París. Un estándar atómico se está revisando a partir del año 2019, sin embargo, aún se está en etapa de revisión y validación de su precisión. Se pretende lograr la aceptación de un estándar basado en una constante física debido a la precisión que esto implicaría, dado que las medidas basadas en patrones físicos son susceptibles a variaciones producto de condiciones distintas como calor, desgaste, ubicación, etc., además de la posibilidad de sufrir daños. Los trabajos para lograr un patrón de medida basado en una constante fundamental se intensificaron a partir de 2005 por parte del Comité Internacional de Pesas y Medidas, mismo que instaba a lograr la redefinición de kilogramo, amperio, kelvin y mol, basándose en constantes fundamentales, estableciendo que el amperio (A) se definirá de acuerdo a la carga del electrón (e), el mol de acuerdo a la constante de Avogrado, el Kelvin de acuerdo a la constante de Boltzmann y el kilogramo a partir de la constante de Plank.

Estas redeficiones habrán  de realizarse de forma tal que no afecten la pirámide de trazabilidad, es decir que los usuarios no experimenten incrementos en la incertidumbre de sus calibraciones.

Medida patrón del metro
Fuente: El heraldo

Prefijos de unidades.

Una vez definidas las unidades fundamentales, es fácil introducir unidades fraccionarias y unidades complementarias a partir de las mismas. En el SI estas otras unidades siempre están relacionadas con las fundamentales por múltiplos de 10 o de 1/10. Los nombres de las unidades adicionales se obtienen agregando un prefijo al nombre de la unidad fundamental.

Los prefijos más comunes son Kilo (1,000), deci (1/10), centi (1/100), mili (1/1,000), y nos dan una idea de cómo se relacionan en tamaño estas medidas con la unidad base.

Múltiplos y sub múltiplos del SI
Fuente: https://www.smartick.es/blog/matematicas/medidas-y-datos/medidas-de-masa/

El sistema británico.

Es un sistema de unidades de medida que se utiliza en Estados Unidos y unos cuantos países más, en casi todo el mundo se utilizan las medidas del Sistema Internacional de unidades, sin embargo, muchas de las herramientas que utilizamos suelen venir en medidas del sistema británico, ejemplos del sistema británico de medidas son las libras para la masa, las pulgadas para la longitud.

El newton es la unidad de fuerza del SI, mientras que en el sistema Inglés se utiliza la libra, el tiempo se mide en segundos en ambos sistemas; las unidades británicas suelen emplearse en mecánica y termodinámica. Y suele ser importante saber realizar las conversiones entre un sistema y otro.

No hacerlo de forma correcta o confundir las unidades de un sistema con las de otro nos puede llevar a errores de cálculo de consecuencias fatales ya sea en vidas o en recursos económicos.

Para el sistema británico las medidas de longitud se dan en pulgadas (2.54cm), y las de fuerza se dan libras (4.448221615260 newtons), existen varias medidas más, como son pies, millas terrestres, millas marinas, galones, y demás, las cuales se usan en algunos ámbitos de forma preferente a las de SI, por lo que es aconsejable siempre que se hagan cálculos de cualquier tipo estar atentos a las unidades utilizadas para evitar errores de conversión.

Sistema Inglés de pesos y medidas.
Fuente: https://www.goconqr.com/es-VE/p/6577725?dont_count=true&frame=true&fs=true 

Importancia de la consistencia en el uso de las unidades de medición.

Usamos ecuaciones para expresar las relaciones entre las cantidades físicas representadas por símbolos algebraicos en las mismas. Cada símbolo representa una cantidad en unidades de medida y es importante cuidar que usemos medidas del mismo sistema, para reducir la posibilidad de errores de cálculo. 

Toda ecuación debe ser dimensionalmente consistente, no podemos emplear en una misma fórmula medidas de diferentes sistemas, si existiesen unidades de medida de diferentes sistemas en nuestro datos, antes de intentar resolver la ecuación, debemos de realizar las conversiones necesarias.

Unidades de medida de la información.

Afortunadamente para el ambiente de las Tecnologías de la Información las unidades de medida son estándares existiendo apenas variaciones en los usos y costumbres para señalar las capacidades de los dispositivos en cuanto a velocidades de transmisión y almacenamiento, la unidad básica de almacenamiento es el bit (dígito binario), un bit solo puede tomar uno de dos estados, es decir, si está activo, no puede estar inactivo, el estado de un bit se conoce como valor, si el valor esta activo el bit contiene el equivalente de un uno, si está inactivo su valor es cero, los bit por si solos son incapaces de representar más que valores booleanos (verdadero/falso), pero agrupados en BYTE, es posible que adquieran valores con base en su posición, un BYTE es la agrupación de 8 bits, aunque para cuestiones de diseño de computadoras los BYTE se agrupan en palabras, esto hace posible tener computadoras con arquitecturas mayores al BYTE (8 bits), pudiendo tener arquitecturas de 8, 16, 32, 64 bits, lo cual equivaldría a tener 2 o más bytes trabajando como una sola unidad de almacenamiento, esto permite a los equipos manejar cantidades más grandes.

Fuente: Equivalencia de decimal a binario,  Las normas una vivencia para la convivencia

Un Byte se forma de la unión de 8 bits, donde cada posición toma su valor de la base 2, un byte es capaz de representar 256 posibles valores (00000000 = 0 a 11111111 = 255), al formar palabras de 2 Byte es decir teniendo 16 bits es posible representar 65536 valores, con 32 bytes es posible representar 4,294,967,296 valores y así sucesivamente, la capacidad de cómputo se va incrementando exponencialmente con cada nuevo Byte que agregamos al tamaño de palabra.
La información que se almacena en formato digital siempre son dígitos binarios, y se mide en bits o en Byte, utilizando para ello prefijos equivalentes al sistema numérico (Kilo, Mega, Giga, Tera para los múltiplos) no se suele utilizar medidas negativas o fraccionarias, ya que no es posible almacenar fracciones de bit, ya que si bien podemos utilizar números fraccionarios y números negativos a nivel lógico, todos ellos se almacenan físicamente en bits (la unidad de medida fundamental del sistema binario).
De este modo un bit (b) equivale a 1 unidad, un Kilobit (kb) a 1,000 bits, un megabit a 1,000 Kilobits y un gigabit a 1,000 megabits (mb), pero si hablamos de Bytes (la unión de 8 bits) entonces las equivalencias de los prefijos cambian sutilmente ya que 1 Byte (B) es la unidad básica pero los múltiplos se basaran en potencias binarias siendo entonces un KiloByte (KB) equivalente a 1,024 Bytes, un MegaByte (MB) equivale a 1024 KiloBytes es decir 1,048,576 Bytes, un GigaByte (GB) equivale a 1024 MegaBytes es decir 1,073,741,824 Bytes y así sucesivamente, como podemos ver, hay una sutil diferencia entre la forma en que se consideran la cantidad de unidades presentes en los múltiplos de la unidad base.
Es importante comprender esta situación, ya que al evaluar la capacidad de procesamiento o de transferencia de un equipo informático, existen importantes diferencias si esta se expresa en Kilobits o en KiloBytes. La capacidad expresada en Bytes es ocho veces superior a la expresada en bits.

Conclusiones.

Las unidades de medida permitieron a la humanidad poner orden a las actividades que se realizaban entre grupos humanos distintos, y entre distintas poblaciones de los mismos grupos humanos, comenzando así un camino hacia la estandarización de las unidades empleadas para pesar y medir, los materiales y los tiempos. Si bien es cierto que aún existen muchas unidades de medida en uso en el mundo como los quintales, libras, onzas, mazos, e infinidad de variantes no del todo estandarizadas, se puede decir que actualmente en el mundo son dos los sistemas de medidas dominantes: el SI (Sistema Internacional de pesos y medidas) y el Sistema Británico, los cuales coexisten de manera más o menos armónica, pero que nos hacen susceptibles a errores de cálculo cuando las personas que se encargan de realizar los cálculo obvian cerciorarse de que están usando el sistema de medidas correcto, por ello es importante aprender a ser cuidadosos al realizar cálculos y siempre asegurarse de conocer en que sistema están las medidas de las cosas que vamos a calcular y sobre todo realizar las conversiones pertinentes para que todos nuestros cálculos estén en el mismo sistema de medidas y contemplen la cantidad de dígitos necesarios para asegurar que no vayamos a quedarnos cortos o bien pasarnos de manera catastrófica en nuestros cálculos por errores de redondeo (precisión).

Bibliografía.

Medina Martín Ma. Nieves, Becerra Santiago Luis Omar, Lumbreras Juste  Ángel; 2019: la definición del kilogramo en el SI revisado, e-medida revista española de metrología, Volumen 8, No. 15 diciembre 2019, consultado el 08/01/2019, disponible en: https://www.e-medida.es/numero-14/2019-la-definicion-del-kilogramo-en-el-si-revisado/.

Hugh D. Young, Freedman Roger A. (2009), Física universitaria volumen 1, decimosegunda edición, Pearson Educación, México.

Joyanes Aguilar Luis (2008), Fundamentos de programación algoritmos, estructura de datos y objetos, cuarta edición, McGraw-Hill, México.