Metrología y ciudadanos

Este artículo pretende mostrar, tanto a metrólogos como a interesados, las razones y la forma por la que nació la metrología y cómo se involucra e interacciona con casi todas las actividades humanas.

Pretende no caer en la habitual propaganda del oficio que consiste en insistir en la  “importancia” de nuestra ciencia. Al contrario intenta imaginar y describir las circunstancias en las que los primeros humanos comenzaron a tener la necesidad de medir y contar y la forma en que esta necesidad se ha incorporado, casi insensiblemente, a nuestras vidas en la sociedad del siglo XXI.

También usa de los pronósticos bien asentados de la prospectiva para llamar la atención sobre la necesidad de trabajar en nuevos sistemas de trazabilidad en el mundo nanométrico que permitan hacer realidad industrial productos que todavía no imaginamos.

Finalmente se refiere a la importancia del Sistema Internacional como lenguaje común de la ciencia y el comercio e introduce el concepto de “control metrológico del Estado” en la forma utilizada por el derecho español y de la Unión Europea.

This article pretends to show to professionals of Metrology, as well to all people interested in the subject, the reasons and way in which Metrology was born and how Metrology intervenes and interacts in almost all human activities.

Its goal is to avoid recurring to the phrase “the big importance of our science” used and abused by the professionals too frequently. Quite the opposite, it tries to figure out and describe the circumstances in which the first human beings started to feel the need of measuring and counting as well as the way in which this need has been introduced, almost imperceptibly, in our lives in the society of the 21rst Century.

It also utilizes very solid future’s predictions to call the attention of the need to develop new traceability systems in the nanometric world that will allow becoming reality industrial products that today we cannot even imagine.

Finally the article refers to the importance that the International System has as a common language for the science and the commerce. It also introduces the concept of “State’s Metrology Control” in the way it is understood by the Spanish and European Union legislation.

Metrología y ciudadanos

Hace miles de años, no muchos, algo más de una decena, nuestros antepasados eran seres migratorios, caminaban agrupados en tribus o clanes en busca de alimento y agua, recogían semillas y frutas salvajes, cazaban diversas especies de animales, pescaban en las costas y ríos y mariscaban en las playas y acantilados.

En algún momento fueron siendo conscientes de que había lugares donde abundaban plantas que les resultaban especialmente convenientes para su alimentación. Es muy posible que fueran cereales, plantas cuyas semillas se conservan con facilidad (si es que resultaba fácil protegerlas de otros animales o, peor, de otros humanos) porque al menos no se descomponían con rapidez ni eran colonizadas por hongos si, esto lo debieron percibir con cierta rapidez, se mantenían secas. En esa fase del desarrollo de la humanidad nuestros antepasados debían ser capaces de construir pequeños refugios temporales y, a partir de ahí y de la disponibilidad de alimento, comenzaron a construirse los primeros asentamientos más o menos estables.

También es posible que lo que abundara fueran los moluscos, sus ejemplares se “cazan” con facilidad porque no corren y que los asentamientos partieran de ahí. Sea como fuere, es seguro que hubo procesos diferentes en diferentes lugares. Con los primeros asentamientos debió nacer la domesticación de herbívoros. Si se hace una cerca es fácil conseguir que un animal quede dentro, y si en vez de uno es una pareja es bien conocido lo que suele suceder. Es también más que probable que la agricultura fuera naciendo como una ayuda a la ubicación de las plantas, colocando semillas en zonas más próximas o más protegidas. Seguro que pronto encontraron algunas relaciones interesantes entre tipos de suelo y feracidad y entre humedad y desarrollo de las plantas. Se establecieron cerca de cursos de agua porque necesitaban beberla y así el riego pasó a ser una realidad.

Poco a poco las tribus fueron pasando de cazar y recolectar a criar y cosechar y los humanos nos convertimos en ganaderos y agricultores. La agricultura fijó a nuestros antepasados a la tierra.

Entonces nació la metrología.

Nuestros antepasados no eran menos inteligentes que nosotros, no podríamos distinguir un recién nacido hace diez mil años de otro del siglo XXI, les faltaba el conocimiento acumulado del que nosotros disfrutamos.

Un día se encontraron con que tenían que contar.

Tenían que contar porque al ser agricultores tenían cosechas, porque algunas de las cosechas no se consumen en el momento de su recolección y han de conservarse, porque lo que se conserva debe consumirse de forma que las reservas duren hasta la siguiente cosecha.

Tenían que contar porque cuando el pastor llevaba sus rebaños a pastar y los sacaba del poblado tenía que saber que volvía a traer todas sus reses.

Tenían que contar porque a alguien, que tenía muchas cabras, se le ocurrió cambiar una cabra por un recipiente (léase medida) de granos de trigo o, más sofisticado, por dos medidas de trigo.

Tenían que contar porque el más fuerte inventó la propiedad privada.

Medir es lo mismo que contar.

Medimos una magnitud cuando realizamos un “proceso que consiste en obtener experimentalmente uno o varios valores que pueden atribuirse razonablemente a una magnitud”.₍₁₎ Si la magnitud del rebaño son sus ovejas lo que haremos es contarlas. La unidad “oveja” es bastante intuitiva. Cuando medimos la cantidad de trigo que tenemos nace otra unidad intuitiva: el “recipiente”. Nuestros antepasados acababan de descubrir el volumen y de inventar un patrón de volumen de sólidos.

Contar es algo que parece fácil pero la serie de los números naturales no es algo trivial que se descubre o inventa con facilidad. Probablemente en aquellos tiempos la serie era de solo cuatro elementos [1, 2, 3, muchos]. ¿Cómo contarían las ovejas al salir por la mañana y regresar a la tarde? El pastor debería tener un montón de guijarros, ponía un guijarro en otro montón por cada oveja que salía por la mañana y lo devolvía al montón original cuando regresaba por la tarde. Si le sobraban piedras le faltaban ovejas.

Estas operaciones requieren una inteligencia muy alta porque necesitan de un alto nivel de abstracción que permita hacer equivalente una cabra a dos medidas de trigo o una oveja a un guijarro. Una vez que acostumbramos a la mente a esas equivalencias es más fácil contar hasta diez y saber que diez dedos equivalen a dos manos.

Ya podemos saber cuantos recipientes de trigo tenemos en el granero. Tenemos que cambiar de esquina el grano del montón con el recipiente y echar una piedra en un saquito cada vez que lo hagamos. Tendremos tantas “medidas” de trigo como piedras en el saquito. Naturalmente es conveniente utilizar siempre un recipiente idéntico (ahora diríamos “estabilidad del patrón”, “fiabilidad del instrumento” o algo así) y poner cuidado en llenar siempre igual el recipiente, podemos utilizar un listón y pasarlo por la boca del cacharro, un enrasador, (ahora diríamos que necesitamos de un “procedimiento”).

Así que medir es lo mismo que contar porque no es otra cosa que determinar “experimentalmente” (o sea trabajando sobre el objeto de nuestra medida con un instrumento) cuantas veces, en el objeto que medimos, la magnitud que medimos contiene a la unidad convencionalmente establecida.

Lo importante de lo anterior es solo darnos cuenta de que la metrología está tan incorporada a nuestras vidas que no nos damos cuenta de su existencia, casi de la misma forma en que no somos conscientes de nuestra respiración.

Hay más de lo mismo.

Son las siete menos cuarto de la mañana y suena el despertador. Por cierto ¿cómo sé que las siete menos cuarto son las siete menos cuarto? Supongo que el reloj está “en hora” pero miro el de pulsera. Indica lo mismo así que deduzco que los dos instrumentos funcionan correctamente. Me levanto a oscuras y me dirijo al baño, toco un interruptor y se enciende la luz, aproximadamente a 50 m de donde estoy un instrumento detecta que he conectado al circuito 160 W y lo registra para cobrármelo a fin de mes. Después de hacer algo que no cuento me lavo las manos, abro el grifo y ahora son tres instrumentos los que registran el flujo de agua para cobrarme: contadores divisionarios de agua fría y caliente registran mi consumo en m³, la entrada de agua al edificio se registra en el contador general de agua de la comunidad, mientras pasaba esto un sensor de presión ha detectado que mi consumo provocaba una caída en la presión del sistema y ha encendido una bomba eléctrica de agua. Llego a la cocina y pulso un botón de mi cafetera preferida, se ilumina intermitentemente mientras se calienta, cuando un instrumento detecta que se ha alcanzado la temperatura necesaria la luz se hace fija, pongo una taza y una cápsula y pulso otro botón, una pequeña bomba empieza a bombear agua a una presión importante 2,1•10³ kPa, una válvula tarada a un valor determinado vigila que el agua fluya y que no pueda producirse una sobrepresión peligrosa. Aparece mi mujer y comenta que hace frío, a través de la ventana leo un termómetro de máxima y mínima que tengo en una fachada convenientemente orientada al N, “si – digo – hace fresco para abril, solo 10º C y hemos tenido 9º C ₍₂₎ de mínima”. La radio está puesta “pi, pi, pi, pi, piiiii”, son las siete (las seis en Canarias) ¿trazará esta gente el reloj a la UTC ROA?

Solo un cuarto de hora, mejor 15 min, de rutina doméstica en día laborable y he utilizado un montón de instrumentos. Otros muchos están trabajando para mí en todo el país y fuera de él: la producción de energía se atiende por muchas centrales de todo tipo (nucleares, térmicas convencionales, hidráulicas, eólicas), todas repletas de instrumentación, y se transporta y distribuye internacionalmente utilizando un complejo y sofisticado sistema de sensores y comunicaciones; en dos de nuestras playas del sur los grandes contadores y analizadores de los gasoductos submarinos vigilan la cantidad y composición del gas que nos da energía; el agua que abastece mi baño y mi cocina ha sido captada, tratada y distribuida por una red de miles de kilómetros de tuberías y plantas de bombeo y tratamiento con múltiples mediciones; la que desecho por los desagües se dirige por su propia red a las plantas de depuración, también allí los sensores miden y supervisan en continuo. Una red de cincuenta laboratorios de tiempo en todo el mundo, en continua colaboración y con unos cuatrocientos relojes atómicos (siete en España, uno de ellos muy cerca de mi despacho) trabajando conjuntamente mantienen el Tiempo Universal Coordinado (UTC) y nos permiten muchas más cosas que saber qué hora es.

A los científicos y los ingenieros (también a los profesores) les ocurre muchas veces lo mismo que a los profanos en sus materias, que la metrología les pasa desapercibida a pesar de que casi cualquier cosa que hacen tiene detrás instrumentación, mediciones, procedimientos y trazabilidad a patrones. Eso es bueno si la naturalidad no encubre la ignorancia y si la metrología que utilizan tiene la calidad suficiente. La metrología tiene que ser como un buen juez: actuar en silencio, conforme a norma, utilizar información fiable, proporcionar resultados correctos y pasar desapercibido.

Lo consigue.

Nuestros bienes se miden múltiples veces.

No se puede concebir un proceso productivo, mucho más si se exige calidad, sin una metrología subyacente avanzada. Las materias primas que se adquieren son medidas y analizadas antes de ser admitidas para su utilización, se las examina con instrumentos y técnicas sofisticadas en magnitudes y para aspectos que son muy desconocidos por la gente. Las fábricas de acero utilizan sensores de radiación para asegurar que la chatarra que incorporan no procede de lugares contaminados, los bodegueros estudian el contenido de azúcar de las uvas por el comportamiento de la refracción de un haz luminoso sobre los frutos, las refinerías controlan la calidad y cantidad del petróleo que desembarca en sus tanques. Las partes o piezas fabricadas por proveedores y subcontratistas se someten a ensayos en laboratorios específicos, muchas veces una muestra aleatoria es destruida para poder garantizar la conformidad del suministro. Durante el proceso productivo las cadenas de fabricación realizan múltiples y continuas medidas de magnitudes muy diversas: longitud, masa, presión, temperatura, planitud, fuerza; se estudian muchos parámetros químicos de las materias y se contrastan con la respuesta que ofrecen materiales de referencia de composición conocida preparados con gran minuciosidad. Los productos terminados se someten a controles finales muchos de los cuales son de carácter metrológico.

Los servicios también están afectados. Los transportes y las comunicaciones no funcionarían correctamente sin que las máquinas que los realizan hayan sido construidas con una metrología avanzada y sin que sus sistemas estén sincronizados al tiempo con precisión de nanosegundos.

La metrología es calidad. Tras un producto o servicio defectuoso siempre hay un problema de mediciones incorrectas.

Ahora avanzamos hacia el mundo de lo pequeño.

Nuestro teléfono móvil nos lo dio, aparentemente gratis, la compañía de teléfonos. En todo caso no es una gran cosa, lo llevamos en el bolsillo a todas partes, lo tratamos con descuido, soporta golpes, vibraciones, cambios de temperatura …. pero es capaz de tener la misma hora que la estación base con la que se comunica. Para este aparatito sincronizar la hora es algo muy importante, si no lo consigue no es capaz de entender los archivos que le envía el sistema ni de que este comprenda el archivo que lleva nuestra voz. Para hacer esto tiene que sincronizarse al nivel de nanosegundos.

Para que transcurra un segundo han de pasar mil millones de nanosegundos. Un reloj que atrase un nanosegundo al día tardará tres millones de años en atrasar un segundo.

Escribo estas páginas con un ordenador portátil de 300 euros. Tiene más de cien millones de transistores fabricados con precisión nanómetrica. Dentro de muy poco tiempo, en algunos aspectos ya hoy, tendremos que encajar mecánicamente piezas fabricadas a escalas muy pequeñas con otras, hechas por otros industriales, cuyas dimensiones coincidan exactamente. Esto requiere trazabilidad de los instrumentos a patrones nanométricos.

Un nanómetro es a un milímetro como un milímetro es a un kilómetro.

No importa mucho lo que mida “el” metro. Lo verdaderamente importante es que todos los metros del mundo sean iguales entre sí. De eso se ocupan los metrólogos.

Supongo que la siguiente generación será capaz de sobrevivirnos. Si esto es así verá cosas asombrosas. La física, la química y la biología convergen en el mundo de lo pequeño. El estado de la ciencia es uno de los parámetros que determinan la situación de la humanidad, la ciencia determinará el destino y la vida cotidiana de nuestros descendientes que será muy diferente de la nuestra. De la misma forma que mi retatarabuelo recolector de moluscos y aleoagricultor tenía una vida muy diferente de la mía (aunque en lo sustancial nació, se alimentó, se reprodujo y murió) la de mis bisnietos será muy diferente de la mía, pero esto no requerirá 10 000 años, bastará con la centésima parte.

Los científicos que hacen prospectiva coinciden en la incorporación de los nanodispositivos a la vida común. Es muy probable que en el futuro recibamos información de la red a través de nuestras lentillas y que controlemos nuestros dispositivos con el pensamiento. Muchos robots o dispositivos automáticos velarán por nuestra seguridad. Ya hoy hay automóviles que aparcan solos o que frenan automáticamente cuando lo hace el vehículo de delante, mucho más común es que cambien de marcha, obedezcan a nuestra voz para marcar un teléfono o poner la radio, controlen la tracción de las ruedas para facilitar la trazada de una curva, o regulen los frenos para que las ruedas no se bloqueen. Es probable que en el siglo XXII se inyecten nanorobots en nuestro cuerpo que detecten y destruyan células tumorales o realicen algún tipo de microcirugía casi incruenta.

Nada de esto se puede desarrollar y fabricar sin una estructura metrológica adecuada.

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Los metrólogos necesitan mantenerse constantemente en contacto con sus colegas de otros países. Es necesario asegurar sistemáticamente que los patrones de las unidades son iguales entre sí (sería más correcto decir que los institutos de metrología son capaces de realizar unidades casi idénticas) y se examinan mutuamente mediante comparaciones. Pasan una “muestra” (esto tiene sus matices porque no se “pasa” un voltio o un segundo como se pasa un gramo) y comparan sus mediciones para estar seguros de la uniformidad del sistema.

El inglés no es su idioma común.

Su idioma comun es el Sistema Internacional de Unidades (SI). Viene del antiguo Sistema Metrico Decimal, procede de las ideas de la ilustracion y es una de las grandes conquistas de los ciudadanos.

Un sistema comun de unidades.

No lo hemos conseguido todavia con el dinero. Tampoco con los derechos individuales. Hablamos lenguas diferentes. Pero tenemos un sistema comun de unidades de medida
que permite que los cientificos de todo el mundo se entiendan entre si y que podamos realizar compras y ventas en todo el mundo especificando perfectamente las características de lo que compramos o vendemos.

Hasta ahora he tratado de mostrar cómo la metrología, esa gran desconocida, está presente en nuestra vida y en los productos y servicios que utilizamos y consumimos de forma tan constante que pasa desapercibida.

Pero todavía no he hablado de los malvados.

Alguien puede tener la tentación de vender litros de 950 cm³ o kilogramos de 950 g. Los ciudadanos no estamos indefensos ante ellos.

En el comercio diario adquirimos muchos bienes a granel, compramos líquidos para alimentarnos y disfrutarlos normalmente en envases cerrados (botellas, recipientes de cartón y plástico) en los que figura su volumen impreso, adquirimos también líquidos que se miden por contador como el agua fría y caliente de nuestro domicilio o el combustible que consume nuestro vehículo, adquirimos gas y electricidad que se miden por contador, compramos alimentos por su masa (aunque los pesamos para calcularla) y viajamos en taxi pagando por distancia y tiempo (también por ubicación y horario).

Los consumidores lo tendríamos muy difícil sin contar con la ayuda de la metrología y las autoridades públicas. ¿Cómo puede un ciudadano estar razonablemente seguro de que su contador de electricidad mide correctamente y de que el suministrador no le cobra de más accidental o dolósamente? ¿Cómo podemos confirmar nuestra sospecha de que determinada gasolinera suministra menos de lo que dice? ¿Cómo sabemos que un envase donde podemos leer “1 L” contiene un litro?

Los procedimientos habituales del derecho son totalmente inadecuados. Un consumidor individual está casi indefenso frente a las corporaciones empresariales, no domina los aspectos técnicos de la cuestión, tendría que entablar procedimientos judiciales pagando abogados y procuradores, seguro que se plantean problemas de prueba y habría que recurrir a costosas intervenciones de peritos expertos. Todo ello es muy caro en relación con una pequeña cantidad y los ciudadanos no tendrían interés en afrontar una reclamación.

Los estados tratan de proteger a sus ciudadanos de los posibles abusos en este campo e instituyeron lo que en el derecho español llamamos “control metrológico del Estado”. Lo que se pretende regular es cómo deben ser los instrumentos que se juzga deben estar sometidos a control, qué características deben tener, cuáles son los errores máximos que pueden cometer, cómo se les protege de la manipulación y en qué forma se controla su mantenimiento a lo largo del tiempo. Dice un aforismo jurídico que no hay obligación sin sanción así que el derecho también regula el régimen de infracciones y sanciones tratando de disuadir a los navegantes de utilizar fraudulentamente instrumentos de medida.

Lo que nació para proteger al consumidor ha tratado también de proteger otros aspectos que interesan a la ciudadanía: un principio esencial es de la seguridad jurídica, de forma que la autoridad pública se autolimita exigiendo el sometimiento al control metrológico del Estado de instrumentos de cuyas mediciones pueden derivarse sanciones administrativas o penales para los ciudadanos. En una sociedad democrática no parece razonable pensar que las autoridades de tráfico utilicen cinemómetros (los llamados “radares”) para sancionar indebidamente y obtener mayor recaudación, más fácil sería que las limitaciones presupuestarias limitaran el gasto en mantenimiento y los instrumentos se fueran deteriorando progresivamente. Para evitar cualquier deterioro y proteger a los ciudadanos, y también mantener la necesaria credibilidad de sistemas que si fuesen sospechosos serían socialmente inaceptados, la autoridad pública se autorregula y se obliga a someter sus propios instrumentos al control metrológico del Estado.

Otros instrumentos sometidos a control lo son por la seguridad de los ciudadanos. No se espera de su funcionamiento un lucro económico pero es imprescindible garantizar que funcionan bien y deben ser sometidos a control: es el caso de los manómetros para controlar la presión de los neumáticos. Otros protegen al medio ambiente de forma que estamos seguros de que los instrumentos de las instalaciones para la Inspección Técnica de Vehículos que controlan las emisiones están dentro de los errores máximos permitidos, son conformes a norma y se mantienen correctamente.

Finalmente las autoridades han tratado también de que las especificaciones técnicas de los instrumentos de medida no creen barreras técnicas artificiales al comercio internacional.

Para ello las autoridades supranacionales de la Unión Europea han armonizado la normativa de numerosos instrumentos de medida cuya evaluación de la conformidad goza de validez en todo el territorio de la Unión. De otra parte la Organización Internacional de Metrología Legal agrupa, por el tratado de París, a numerosos países y emite recomendaciones sobre las características de los instrumentos que pueden ser certificadas para facilitar el comercio internacional.

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He escrito aquí sobre nuestros antepasados y nuestro futuro. He querido transmitir al lector que el homo sapiens es un hombre que mide, que le es necesario para su vida cotidiana, que medir bien es algo absolutamente indispensable para nuestras vidas y que lo hacemos constantemente sin tener conciencia de que así es.

Un pequeño grupo de hombres y mujeres trabajan en silencio en esta industria de la metrología, se preocupan de que sus colegas científicos puedan trabajar en sus laboratorios midiendo correctamente los resultados de los experimentos. Se preocupan de que los médicos utilicen instrumentos de diagnóstico o tratamiento que midan correctamente y de que los análisis de los laboratorios ofrezcan resultados veraces para nuestra salud. Se preocupan de que la industria fabrique automóviles, ropas, medicamentos y juguetes de calidad. Se preocupan de nuestros alimentos. Se preocupan de que la calidad del agua y el aire sea vigilada por instrumentos fiables. Se preocupan de nosotros, los ciudadanos.