viernes, 1 de abril de 2016

Una breve historia de la medición de la Gravedad.


El método del péndulo para medir g , introducido por Huygens en 1656 se utilizó primero debido a su simplicidad mecánica y su período casi independiente de la amplitud (isócrono) de oscilación.

Para alcanzar una precisión del orden de 10 -6, la longitud del péndulo se debe medir con una precisión del orden de 10 -6 y el periodo de oscilación con una precisión de dos veces más que esto. Hasta el final del siglo dieciocho, todas las mediciones de péndulo fueron absolutas, es decir, se midieron tanto periodo de oscilación y la longitud del péndulo en un sitio dado y la g calculada a partir de estas dos cantidades. Las mediciones eran bastante largas y complicadas y se hicieron principalmente en condiciones de laboratorio. De fundamental importancia para la historia de la gravimetría sigue siendo la medida absoluta hecha por Kuhnen y Furtwángler entre 1898 y 1904 en Potsdam que fue utilizada como la base para el sistema de gravedad Potsdam introducido en 1908 y que se extendió en todo el mundo. A pesar de la duración de las mediciones, el dato Potsdam tenía un error sistemático significativo que fue descubierto sólo varios años más tarde. En 1817, Kater inventó el péndulo reversible, un péndulo que se puede colgar de cualquiera de los dos puntos extremos. Un avance significativo en las mediciones de gravedad fue resultado de la introducción de los gravímetros relativos de resorte. Estos instrumentos son dispositivos en los que la fuerza sobre una masa debida a la gravedad es equilibrada por la fuerza de recuperación de un muelle básicamente un peso. Históricamente los gravímetros de resorte se pueden dividir en dos tipos: lineal, en el que las condiciones de equilibrio son entre dos fuerzas (elástica y gravitacional) y astatic, en el que una condición cerca del equilibrio se alcanza igualando el impulso de la gravitatoria y elástica. La gran mayoría de los gravímetros modernos pertenece a la segunda categoría.

Un segundo avance en la gravimetría relativa fue resultado de la introducción del resorte de longitud cero. En este tipo de resorte, la fuerza de restauración es proporcional a la longitud entera del mismo. Su importancia radica en el hecho de que cuando se emplea en un sistema de astatic, con el punto de aplicación del resorte y el pivote del brazo que sostiene la masa de ensayo situado en la misma línea vertical, la condición de equilibrio es independiente del ángulo de desviación del brazo, haciendo por lo tanto que la sensibilidad (en principio) sea infinita. Desde 1934, cuando LaCoste hizo su primer medidor de gravedad basado en el resorte de longitud cero (que en realidad nació como sismómetro de largo período ), este tipo de gravímetro ha dominado la escena de la gravimetría relativa. El descubrimiento de la superconductividad en ciertos materiales a baja temperatura dio lugar a un nuevo tipo de gravímetros de resorte, que son, al menos en principio, de deriva libre. En el gravímetro superconductor, la masa de ensayo, una esfera metálica hecha de o revestida con una capa de metal superconductor, se levita por medio de un campo magnético generado por una corriente que fluye en una bobina superconductora. El instrumento se instala en un lugar fijo y mide las variaciones de gravedad con el tiempo. Los cambios medidos en la corriente necesaria para mantener la masa de ensayo en la posición de referencia son proporcionales a las variaciones en el campo gravitatorio como los resultados por las mareas, las variaciones de la presión barométrica y, movimientos de masas atmosféricas locales, o variaciones de densidad dentro de la tierra. Gravímetros superconductores, inventados por Prothero y Goodkind a mediados de los 60, proporcionan una sensibilidad muy elevada, del orden de 10 -10 y, debido a las propiedades superconductoras, pueden ser casi libres de deriva.

Todos los gravímetros relativos requieren de una calibración con el fin de determinar qué cambios de longitud del muelle o de la corriente eléctrica corresponden a un cambio gravitatorio dado. Los gravímetros relativos han sido ampliamente usados para realizar mediciones en tierra, en la superficie del mar, en el fondo del mar y desde el aire. Todo problema geofísico, así como varios problemas geodésicos se pueden resolver usando técnicas relativas. El problema básico de la metrología geodésica, sin embargo, no se puede resolver mediante la gravimetría relativa. Fue sólo después de la segunda guerra mundial, cuando se dispuso de técnicas para mediciones de alta precisión de los intervalos de tiempo y espacio, que las mediciones de fueron posibles al medir el movimiento de un objeto en caída libre.
El mundo de la gravedad relativa terrestre ha sido dominado por varias décadas, desde 1939, por los gravímetros Lacoste Romberg (modelos D y G) y los últimos años han sido testigo en el crecimiento del Scintrex AutoGrav (CG3, CG5), microg LaCoste (gPhone), y ZLS (Burris).
En lo que se refiere a los gravímetros superconductores, GWR Instruments, Inc. es el fabricante exclusivo de este tipo de instrumentos. La levitación de una masa de prueba esférica en un campo magnético generado por las corrientes ultraestables persistentes en dos bobinas de niobio superconductoras a una temperatura de menos de 9.3 K sustituye al muelle mecánico. La investigación y desarrollo destinado a reducir el tamaño y el costo de  gravímetros portátiles absolutos y superconductores es sin duda el objetivo más obvio. La tarea más difícil, sin embargo, se refiere al desarrollo de gravímetros absolutos sobre la base de una nueva visión del principio de interferometría: la interferometría atómica.

Referencias.

Iginio Marson, A Short Walk along the Gravimeters Path, International Journal of GeophysicsVolume 2012 (2012), Article ID 687813. 

1 comentario:

Jorge Arzate dijo...

Aún más avanzada, y sin partes móviles como ocurre con esta tecnología de "la sombra del silicio", es sin duda la también nueva tecnología de la caída libre de "átomos fríos" para lo cual se utiliza interferometría laser. Los así llamados gravímetros cuánticos, que vienen desarrollando varios paíces pero que los franceses han puesto ya a la venta a través de un prototipo comercial (ver foto anexa), promete igualmente no solo abaratar los futuros gravímetros sino hacerlos un orden de magnitud más precisos, mas ligeros y menos frágiles...

Habrá que verlo, pero la tecnología de la placa de silicio suspendida, no resuelve la fragilidad tradicional de los gravímetros a la hora del transporte, aunque sí tal vez podamos verlos volando en drones antes que los cuánticos...

Espero podamos verlos pronto en el Cgeo...

Saludos

Jaaf