Metrologia. INSTRUMENTOS DE MEDIDA

METROLOGÍA

1. OBJETIVO

• Familiarizarse con instrumentos de medida como ser: el tornillo micrométrico y el Vernier, además efectuar un análisis de errores y determinar la densidad de distintos cuerpos geométricos.

1. FUNDAMENTO TEÓRICO

La física es una ciencia experimental que nace de la observación de fenómenos naturales, y para que esta observación sea completa, debemos dar una información cualitativa y cuantitativa de los hechos estudiados, es decir, debemos reportar la medida de la magnitud física en estudio. La técnica experimental empleada para obtener la magnitud física se llama medición y el valor obtenido es la medida.

Medir una magnitud física, digamos longitud, significa compararla contra una unidad de medida previamente establecida a la cual llamamos patrón.

El valor exacto en realidad no existe, pues solo se puede obtener el valor mas probable efectuando una serie de mediciones. También se puede estimar el error cometido mediante un análisis estadístico.

1. INSTRUMENTOS DE MEDIDA

A continuación describiremos los instrumentos de medida de mayor uso en el laboratorio.

Regla graduada

Es uno de los instrumentos mas simples y comunes se utiliza realizando una comparación entre la longitud de la regla y la del objeto en unidades conocidas.  Estas reglas, en la mayoría de los casos, permiten apreciar hasta milímetros ([pic 2]); existiendo sin embargo, reglas cuyas precisiones alcanzan 0,5 mm. Algunos errores que pueden presentarse al ejecutar medidas con regla son:

• Error de cero.- Ocurre mayormente en reglas de madera cuyo extremo de cero se ha desgastado excesivamente, este problema se soluciona colocando el objeto en una posición a la derecha del cero y efectuando la resta entre la cantidad leída y la cantidad inicial.

• Error de paralelaje.- Se comete este error cuando la línea visual del observador no es perpendicular a la escala del instrumento, más aún si se está midiendo objetos cuyos lados son irregulares, este problema se soluciona colocando un espejo paralelo a la escala de lectura

Vernier Rectilíneo (nonio)

El vernier (figura 1.1) es un instrumento que sirve para medir longitudes con una apreciación mejor que la de una regla común.

[pic 3]

Este instrumento fue elaborado para satisfacer la necesidad de un instrumento de lectura directa que pudiera brindar una medida fácilmente, en una sola operación, el vernier comúnmente se pueden medir: exteriores, interiores y profundidades. .[pic 4]

El vernier más común es aquel cuya escala de 10 divisiones coincide con 9 divisiones de la escala principal, entonces:

[pic 5]                Donde:     [pic 6] Escala del vernier

                             [pic 7] Escala principal.

En general, n divisiones de la escala del vernier equivale a (n – 1) divisiones de la escala principal, entonces:

[pic 8]

[pic 9][pic 10]

La aproximación del instrumento está dada por:

[pic 11]

Realizando operaciones algebraicas y ordenando la ecuación resulta:

[pic 12]

Con EV = 1 mm; n = 10; la aproximación del vernier será:

                [pic 13]

Sin embargo existen también nonios con mejores aproximaciones, Tales como: 0.05 mm y 0.02 mm.

En general, la lectura L, efectuada con un vernier se obtiene mediante la ecuación:

                [pic 14]

Donde:                LP = Lectura en la escala principal

                    LV = Lectura en la escala del vernier (Número de divisiones que coincide exactamente con alguna división de la escala principal

                   AV = Aproximación del vernier.

La escala del vernier indica el valor de la fracción, en centésimas de milímetro, que debe añadirse a la medida principal cuando la marca correspondiente coincide con una marca de la escala principal.

Si en un vernier cerrado no coinciden las marcas “0” de la escala principal y del nonio, ese instrumento tiene error de cero. Si el “0” del nonio queda a la derecha del “0” de la escala principal, el error de cero es un exceso y su magnitud se determina como se mide normalmente una longitud y esa magnitud debe restarse de todas las medidas que se obtengan con ese instrumento. Si el “0” del nonio queda a la izquierda del “0” de la escala principal, el error de cero es en defecto y su magnitud y su magnitud está dada por la diferencia entre el máximo valor de la escala del nonio y el valor de la marca de éste que coincide con una marca de la escala principal.

Tornillo micrométrico

Uno de los instrumentos que se utiliza con mayor frecuencia en la industria metalmecánica, es el micrómetro, llamado también calibrador palmer.

El micrómetro es un dispositivo que mide el desplazamiento del husillo cuando este es movido mediante el giro de un tornillo, lo que convierte el movimiento giratorio del tambor en el movimiento lineal del husillo. El desplazamiento de éste amplifica la rotación del tornillo y el diámetro del tambor. Las graduaciones alrededor de la circunferencia del tambor permiten leer un cambio pequeño en la posición del husillo.

Básicamente el micrómetro consiste en un tornillo que pasa por una tuerca, las longitudes se miden como la separación existente entre dos topes, uno de los cuales está unido al tornillo y el otro a la tuerca mediante un arco (figura 1.2).

[pic 15]

El tornillo más usual es aquel cuyo paso es de 0.5 mm, es decir 50 divisiones del tambor equivalen a 0.5 mm de la escala principal; esto quiere decir que la rotación de una división mueve el vástago una distancia de 1/50 del paso, entonces, la aproximación o apreciación de este instrumento resulta

[pic 16]

En general, la apreciación de este instrumento está dada por:

                [pic 17]                donde:         P = Paso del tornillo

                                                        n = Número de divisiones

La línea 49 sobre el tambor corresponde con la línea central del cilindro así:

Si en un micrómetro cerrado la marca “0” del tambor no coincide con la línea central de la escala principal, este instrumento tiene error de cero. Si el “0” del tambor queda debajo de la línea central de la escala principal, el error de cero es en exceso y su magnitud se determina como se mide normalmente una longitud y esa magnitud debe restarse de todas las medidas que se obtengan con ese instrumento. Si el “0” del tambor queda encima de la línea central de la escala principal, el error de cero es en defecto y su magnitud y su magnitud está dada por la diferencia entre el máximo valor de la escala del tambor y el valor de la marca de éste que coincide con la línea central de la escala principal.

Ejemplo en la figura 1.3 el error es por exceso y se debe restar 0.03 [mm] de todas las medidas hechas con este instrumento

[pic 18]

[pic 19]

En cambio según la figura 1.4 el error es en defecto y se debe sumar 0.03 [mm] a todas las medidas hechas por este instrumento

[pic 20]

[pic 21]

Balanza

Las balanzas pueden agruparse en dos clases: Las  mecánicas o de brazo y las electrónicas o digitales. De acuerdo al requerimiento especifico del experimentador, se dispone de balanzas de distintas precisiones, así en el laboratorio de física, normalmente se utiliza una balanza que pueda apreciar hasta décimas de gramo, es decir, la desviación máxima apreciada por el instrumento es de una decima de gramo.

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