O quilograma é definido com base em um padrão: um pequeno cilindro de Platina e Irídio que tem sofrido pequenas alterações em sua massa ao longo dos anos.
O quilograma, que é um múltiplo do grama, é a mais popular unidade para medidas de massa. É usado em grande parte do mundo e é definido por meio do Sistema Internacional de Unidades.
Múltiplos do grama
Cada quilograma equivale a 1000 g e também a 1 milhão de miligramas, como mostra a figura a seguir:
O quilograma é, portanto, responsável por definir a quantidade de massa presente em um corpo, mas também é usado para definir o seu peso. Quando um corpo está em uma região que apresenta gravidade, o seu peso é determinado pelo produto de sua massa e da gravidade local:
O quilograma foi inicialmente definido como a massa presente em um litro de água pura. Depois, foi definido como a massa de um cilindro produzido por meio de uma liga metálica especial. No entanto, a definição dessa grandeza física baseada em objetos, e não em grandezas físicas fundamentais, tem causado alguns problemas para os físicos.
Veja também: Peso de um corpo.
Sistema Internacional de Unidades
O Sistema Internacional de Unidades surgiu em 1960 com a tentativa de unificar as representações das grandezas fundamentais da natureza. Ele apresenta sete unidades fundamentais (comprimento, massa, tempo, intensidade de corrente elétrica, temperatura, intensidade luminosa e quantidade de matéria), usadas para a definição de todas as medidas científicas e até mesmo comerciais. Além disso, é o sistema de medidas mais utilizado no mundo, adotado oficialmente por 203 países.
Uma das grandezas mais importantes, largamente empregada para todo tipo de medições e transações comerciais ao longo da história, é a massa – e por isso o quilograma foi padronizado. A versão moderna do quilograma foi proposta em 1879, e sua versão original encontra-se armazenada no Escritório Internacional de Pesos e Medidas, na França. Ao todo, mais 40 réplicas oficiais foram distribuídas em diversos países a fim de se padronizar a unidade. O protótipo do quilograma é um pequeno cilindro, feito de uma liga metálica composta por 90% de Platina e 10% de Irídio, chamada IPK (International Prototype Kilogram).
Diferentemente de outras unidades, como o segundo ou o metro, que são estabelecidas tendo como referência constantes físicas, o quilograma ainda é definido com base em um objeto. Tal peculiaridade torna a precisão dessa importante grandeza muito menor do que a verificada em outras grandezas fundamentais.
Construindo o quilograma
Vários cuidados foram tomados durante a escolha do material usado para determinar o quilograma, entre eles: a densidade da liga metálica utilizada deveria ser muito alta, com o intuito de evitar os efeitos do empuxo atmosférico sobre ele; apresentar pouca ou quase nenhuma susceptibilidade magnética, a fim de não sofrer a ação de nenhuma força de campos magnéticos externos; e ser bom condutor, para não acumular cargas eletrostáticas, sofrendo assim a atração de outros objetos.
Seu formato é cilíndrico para que se consiga a menor área superficial possível (cerca de 62 cm2), evitando a deposição de partículas. Uma área ainda menor seria obtida se o protótipo fosse esférico, porém o manuseio e a fabricação dessa forma geométrica com a precisão desejada para o IPK mostraram-se muito complexos.
Para evitar os efeitos de oxidação e deposição de partículas, que podem afetar a massa dos protótipos, os pequenos cilindros de aproximadamente 39 mm de diâmetro e altura são guardados em redomas (campânulas de vidro) com vácuo parcial. Quando retirados de lá para medições, os cilindros são lavados com solventes líquidos e, depois, secos com correntes de gás ozônio e raios ultravioleta.
Por que o quilograma está mais leve?
Periodicamente, o IPK e suas réplicas são meticulosamente comparados em balanças altamente precisas. Para a surpresa dos metrologistas, ao longo dos anos, suas massas têm divergido – algumas têm aumentado, e outras vêm diminuindo com o tempo. Não há uma resposta definitiva para explicar as diferenças encontradas, porém se acredita que o gás de Mercúrio presente na atmosfera possa reagir com a Platina presente no cilindro, que é catalisadora de reações químicas. Além disso, é possível que houvesse gases presos dentro do cilindro no momento de sua fundição, os quais, lentamente, têm escapado de seu interior.
A consequência econômica de diferentes medidas de massa para os países atualmente não é relevante, uma vez que o padrão de quilograma adotado por cada um difere muito pouco. No entanto, áreas do conhecimento que necessitam de medidas extremamente precisas, como a Química, Física, Biologia etc., podem sofrer com as diferenças. Ademais, as próprias definições de força e pressão utilizadas para regular os aparelhos de medição desses países poderiam operar com valores ligeiramente diferentes.
Conclusão
Estabelecer um novo sistema de referência para o quilograma, baseado em constantes físicas fundamentais, é necessário, pois os protótipos utilizados para sua definição sofreram pequenas mudanças de massa: cerca de 50 microgramas ao longo dos últimos 100 anos – 50.10-6 g (situação que ainda não foi totalmente compreendida pelos cientistas).