M10D 215,072 MHz Zadzwoń do studia 41 200 20 20 
Czy żeby określić idealnie wagę czegokolwiek wystarczy dobra waga? Niekoniecznie. Potrzebne będzie bardzo stabilne podłoże, temperatura, która nigdy się nie zmienia oraz stała wilgotność powietrza. A do tego potrzebne jest już specjalistyczne laboratorium. Takie niedługo zacznie działać w Świętokrzyskim Kampusie Głównego Urzędu Miar.
Osoby, które obserwowały budowę kampusu GUM w Kielcach na pewno zauważyły bardzo głęboki wykop, o wiele głębszy od innych. To właśnie nad nim stanie budynek z laboratorium masy. Specjalny postument zapewni stabilność wymaganą dla niezwykle precyzyjnych urządzeń. Andrzej Hantz, kierownik samodzielnego laboratorium masy, mówi, że prowadzonych pomiarów nie mogą zakłócać żadne drgania.
14.10.2021. Kielce. W budowanym Świętokrzyskim Kampusie Głównego Urzędu Miar powstanie specjalistyczne laboratorium, w którym będzie bardzo stabilne podłoże, niezmienna temperatura i stała wilgotność powietrza / Fot. Jarosław Kubalski – Radio Kielce
Kilogram traci rzęsy
Kilka lat temu metrolodzy na całym świecie otrzymali ważny, ale też smutny komunikat. Przechowywany w podparyskim Sèvres wzorzec kilograma nieco zelżał. Wzorzec przechowywany we Francji to walec wykonany ze stopu platyny i irydu. W ciągu kilkudziesięciu lat ubyło mu 50 mikrogramów (μg). To mniej więcej tyle ile waży jedna rzęsa.
Jednym z efektów spadku masy walca z Sèvres była decyzja o redefinicji kilograma. Doszło do tego 20 maja 2019 roku. Nowy wzorzec jest bardzo skomplikowany i oparto go na stałej Plancka, która wykorzystywana jest do obliczeń w fizyce kwantowej. Ale ciągle potrzebujemy wzorców fizycznych, bowiem łatwiej coś do nich porównać, zwłaszcza, kiedy precyzja pomiaru rzędu mikrogramów nie jest niezbędna. Laboratorium masy Głównego Urzędu Miar opracowuje takie wzorce.
Niewiele osób sobie zdaje sprawę z tego, że dzisiejsze wagi elektroniczne, z którymi się spotykamy w sklepach, ale też wagi laboratoryjne o ogromnych dokładnościach, mierzą tak naprawdę siłę z jaką przyciągany jest ważony przedmiot. Dopiero na tej podstawie wyliczana jest masa.
Wzorzec kilograma
Kilogram (oznaczenie kg) to jednostka masy, podstawowa jednostka układu SI, czyli Międzynarodowego Układu Jednostek Miar.
Wzorzec kilograma został usankcjonowany uchwałą I Generalnej Konferencji Miar (Conférence Générale des Poids et Mesures, CGPM) we wrześniu 1889 roku. Wzorcem kilograma do 20 maja 2019 roku był walec o wysokości i średnicy podstawy 39 mm wykonany ze stopu platyny (90 proc.) z irydem (10 proc.). Przechowywany jest w sejfie Międzynarodowego Biura Miar i Wag w Sèvres koło Paryża, ale ma kilka oficjalnych kopii (w samym Sèvres jest ich sześć). Ponadto wiele krajów posiada swoje narodowe kopie. Polski wzorzec został zakupiony w 1951 roku i otrzymał numer 51. Główny wzorzec kilograma zamknięty jest w sejfie. Aby go otworzyć potrzeba trzech kluczy: jeden znajduje się w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag w Sèvres, drugi w Międzynarodowym Komitecie Miar i Wag, a trzeci we Francuskim Archiwum Państwowym. Od 1889 roku wzorzec wyjmowany był trzykrotnie: w roku 1939, 1946 i 1989.
Dawniej za wzorzec był przyjmowany jeden litr wody o temperaturze czterech stopni Celsjusza przy ciśnieniu normalnym. W 1901 roku z kolei 3. Generalna Konferencja Miar zmieniła definicję litra na „objętość jaką zajmuje 1 kilogram wody destylowanej w temperaturze 3,98 °C przy ciśnieniu 1 atm = 760 mm Hg (1013,25 hPa)”. Zależności między litrem a kilogramem usunięto w 1964 roku, na 12. Generalnej Konferencji Miar.
16 listopada 2018 roku 26. Generalna Konferencja Miar ustaliła, że od 20 maja 2019 wzorzec kilograma jest oparty na stałej Plancka, zdefiniowanej jako 6,62607015⋅10−34 kg⋅m2⋅s−1.
Próżnia lepsza niż powietrze
GUM dysponuje urządzeniem, które potrafi zważyć substancję z dokładnością do jednej dziesiątej mikrograma. Mowa o próżniowym komparatorze masy. Na świecie jest tylko około 50 krajów, gdzie próżniowe komparatory masy wykorzystywane są do tak zaawansowanych pomiarów. Ten w Głównym Urzędzie Miar wyprodukowała polska firma RADWAG – jedna z trzech na świecie, które są w stanie skonstruować taki sprzęt.
Komparator działa w próżni, dzięki temu rozwiązany zostaje jeden ważny problem.
– W przypadku ważenia, pomiary wykonywane są z reguły w atmosferze. To oznacza, że musimy uwzględnić czynnik dodatkowy związany z wyporem powietrza. Komparator próżniowy rozwiązuję tę niedogodność – mówi Andrzej Hantz. – W naszych badaniach z wykorzystaniem tego urządzenia będziemy chcieli też wykorzystać gazy szlachetne – mowa głównie o argonie – i sprawdzać jaki wpływ na pomiary ma takie środowisko – dodaje.
Automatyczny próżniowy komparator masy AVK-1000 produkcji firmy RADWAG zainstalowany w Samodzielnym Laboratorium Masy Głównego Urzędu Miar w Warszawie / Fot. RADWAG
W przyszłości planowane jest przeniesienie próżniowego komparatora masy do Świętokrzyskiego Kampusu GUM. Przed metrologami już dzisiaj stoi ogromne wyzwanie dostosowania pomieszczenia do potrzeb tak dokładnego miernika. Aby pomiary były precyzyjne, potrzeba spełnić kilka warunków. Wspominaliśmy już o stabilności laboratorium. Ale ważna jest też temperatura w pomieszczeniu, w którym stoi próżniowy komparator masy. Musi być ona znana do tysięcznej części stopnia Celsjusza. Również wilgotność powietrza w pomieszczeniu musi być określona do setnej części procenta. Zmiany temperatury i wilgotności w czasie muszą być znikome. Temperatura nie może się zmienić więcej niż o trzy dziesiąte stopnia Celsjusza, a wilgotność nie więcej niż o procent.
Dzięki możliwościom oferowanym przez Świętokrzyski Kampus Laboratoryjny GUM, laboratorium będzie mogło zapewnić wzorce najwyższej dokładności. To przełoży się na jakość badań, które urząd będzie robił dla polskich przedsiębiorstw.
To ważne zadanie, bowiem pomiary siły, a co za tym idzie i masy są wszechobecne w gospodarce. Są konieczne na przykład przy konstrukcji elementów mostów, czy przy badaniu wytrzymałości materiałów.
Lotnictwo też skorzysta
Drugim obszarem badań, którym będą zajmowali się metrolodzy w laboratorium masy, stanie się ciśnienie. Laboratorium w Kielcach pozwoli na badanie ciśnień dynamicznych. To nowy obszar pomiarów w Głównym Urzędzie Miar. Wiedza na temat ciśnienia potrzebna jest na przykład pilotom samolotów. Andrzej Hantz zapowiada, że GUM, a konkretnie jego laboratorium w Świętokrzyskim Kampusie, będzie pracowało nad zbudowaniem krajowego wzorca ciśnienia dynamicznego. Do tej pory go nie mieliśmy.
Replika państwowego wzorca miary masy 1 kg / Fot. RADWAG
Ile waży koronawirus?
Ważyć można wiele rzeczy na przykład masę wszystkich wirusów SARS-CoV-2 na świecie. Fizycznie nie da się wszystkich wirusów zebrać i położyć na laboratoryjnej szalce, ale wiemy ile waży jeden osobnik. Szacunkowo znamy też liczbę wirusów w organizmie chorego oraz wiemy ile osób na świecie choruje na COVID-19. Na tej podstawie naukowcy z Instytutu Naukowego Weizmanna w Izraelu obliczyli ile ważą wszystkie koronawirusy na naszej planecie. Okazuje się, że gdybyśmy je pozbierali i pozlepiali dostalibyśmy kulę ważącą około dziesięciu kilogramów.
Mikrogramy mają znaczenie
Jedna z najbardziej trujących substancji na świecie to rycyna. Jest około tysiąca razy bardziej toksyczna niż cyjanek. Do zabicia człowieka wystarczy sto mikrogramów rycyny. To mniej więcej tyle, ile waży ziarenko soli.
Nie pij plastiku
Naukowcy z Montrealu zważyli ile zanieczyszczeń produkują plastikowe torebki herbaty. Jeżeli wykorzystujemy je do parzenia tego aromatycznego napoju musimy liczyć się z tym, że do herbaty dostanie się około 16 mikrogramów plastiku, czyli tyle, ile waży np. pyłek kurzu.
