11.10: Balance hidrostático
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El balance hidrostático se utiliza para determinar la gravedad específica de una piedra preciosa. Aunque es un aparato bastante sencillo de operar, puede llevar mucho tiempo. Hay que poner los resultados en un cálculo, algo que no a todos los gemólogos les gusta hacer.
Una lectura de gravedad específica se considera una “prueba primaria” en gemología pero, debido al tiempo que este método puede consumir, a menudo es considerado como un método de último recurso en una configuración gemológica estándar.
Básico
- Artículo principal: Gravedad específica
La gravedad específica (SG) es una relación constante del peso de un objeto en comparación con un volumen igual de agua. Cuando un objeto está totalmente sumergido en agua, experimentará un empuje ascendente que es igual al volumen de agua que es desplazado por el objeto. Esto hará que el objeto parezca más ligero en el agua.
El primero en observar esto fue Arquímedes mientras investigaba un posible fraude relativo a una corona hecha para el rey Hiero de Siracusa (actual Sicilia).
Principio de Arquímedes y Arquímedes
Cuando el rey Hiero encargó una nueva corona de oro, se le proporcionó cierto volumen de oro a un orfebre que fabricó la corona al gusto del rey. Poco después circularon rumores de que el orfebre pudo haber sido fraudulento, de que pudo haber agregado plata al oro, obteniendo una buena ganancia para sí mismo en el costado.
El rey Hiero pidió a Arquímedes investigar. Un día mientras estaba en los baños públicos, Arquímedes se percató de cómo su masa corporal provocó que el agua en el baño se desbordara. En su entusiasmo por encontrar una posible respuesta al problema, corrió a casa desnudo, gritando “¡Eureka!” (“¡Lo he encontrado!”).
Arquímedes luego sumergió pesos iguales de oro y plata en agua y, al observar la cantidad de agua que se desplazaba, se percató de que la masa de oro desplazaba menos agua que la plata. Luego sumergió la corona. A través de una serie de cálculos pudo determinar cuánto oro y plata se utilizó para crear la corona. Se detectó el fraude. Esa fue la primera vez en la historia que se utilizó el concepto de SG.
El Principio de Arquímedes (o Ley de Flotabilidad) establece que: la fuerza ascendente sobre un objeto sumergido es igual al peso del fluido desplazado.
Tipos de balanzas hidrostáticas
En gemología se utilizan 4 tipos diferentes de balanzas hidrostáticas.
- Las escamas de dos sartenes
- Las escamas de una sola sartén
- Balanzas de resorte
- Balanzas de lectura directa
Balanzas de dos cazos
Las básculas de dos sartenes son las básculas que consumen más tiempo para usar aunque algunas joyerías todavía las tienen. Pero rara vez se utilizan para determinar SG de piedras, sobre todo porque los contrapesos son generalmente demasiado grandes para ser de alguna ayuda. Además, realmente necesitan ser calibrados cada pocos años.
Aun así, el principio de la escala de dos cazos es muy útil para explicar el equilibrio hidrostático.
Figura\(\PageIndex{1}\)
Se coloca una piedra preciosa en el recipiente izquierdo de la balanza. Los pesos se colocan en la sartén derecha hasta que la balanza “ceros hacia fuera”. Cuando la balanza es igual, se lee el total de los pesos en la sartén derecha y eso representa el peso de la piedra en el aire.
Figura\(\PageIndex{2}\)
Después se introduce una etapa independiente con un vaso de precipitados lleno de agua. Después de eso, se cuelga una delgada canasta de alambre de bobina en el lado izquierdo de la balanza con la canasta totalmente sumergida en el agua. En este punto, la balanza debe estar en equilibrio completo agregando un peso pequeño que sea igual al peso de la canasta.
La piedra se coloca en la canasta de alambre de bobina delgada y luego se sumerge en el agua. Nuevamente, los contrapesos se colocan en la sartén derecha como antes y el resultado de pesos añadidos será el peso de la piedra preciosa en agua.
La cesta de alambre debe ser de un material que no sea absorbente de agua para evitar lecturas falsas. También se debe tener cuidado de que las burbujas de aire alrededor de la canasta y la piedra no influyan en las lecturas, ya que las burbujas de aire tienden a elevarse hacia arriba y pueden sumar al empuje ascendente.
Para evitar la tensión superficial, se agrega una pequeña gota de detergente al agua.
Después de tomar tanto el peso en aire como el peso en agua, es necesario realizar el siguiente cálculo.
- \[SG = \frac{weight\ of\ stone\ in\ air}{weight\ of\ stone\ in\ air\ -\ weight\ of\ stone\ in\ water}\]
Balanzas de un solo plato
Figura\(\PageIndex{3}\)
La mayoría de las escalas gemológicas son de este tipo. Pueden ser analógicas o digitales y vienen en varios tamaños y en todos los rangos de precios. Para nuestros propósitos, lo mejor es obtener una escala de quilates en lugar de una escala de gramos. Una escala de gramos puede servir muy bien si tiene una alta precisión que puede leer 0.01 gramos, lo que equivale a 0.05 quilates. Estas básculas digitales son muy económicas, por debajo de los 100 USD.
Se pueden utilizar diversas configuraciones hidrostáticas con básculas digitales. Se podría usar un puente sobre el que se coloca el vaso de precipitados de vidrio, con un alambre de bobina que se coloca directamente en la báscula (ver video a continuación). O el vaso de precipitados se puede colocar directamente en la báscula con la piedra colgando de un alambre que está unido a un escenario (como se ilustra a la derecha), pero tenga en cuenta que en esta última configuración, la gravedad estándar es igual al peso de la piedra dividido por el peso que se lee cuando la piedra se cuelga en el agua, y también el cable tiene que ser lo más delgado posible.
Balanzas de resorte
Figura\(\PageIndex{4}\)
Este tipo de pesaje hidrostático puede ser útil cuando se manejan piezas grandes de rugosidad que son más pesadas de lo que puede manejar tu balanza habitual.
Las balanzas de resorte son relativamente económicas y pueden variar ampliamente en precisión. Antes de pesar la piedra, uno debe, por supuesto, pesar la parte de la balanza que se sumerge en el agua para que pueda deducirse. Como es habitual, la piedra se pesa primero en el aire y luego se pesa en agua.
Cuanto más grande sea el áspero y mayor sea la precisión de la balanza, más precisas serán sus medidas.
Una balanza de primavera se suele utilizar en el campo al igual que un pescador recreativo la usaría para pesar un pez.
Balanzas de lectura directa
Estos también son conocidos como “Balanzas de gravedad específica de lectura directa de Hanneman” en honor a quien reinventó (o al menos popularizó) esta vieja rueda — el Dr. W. Wm. Hanneman. Hace uso hábilmente tanto del Principio de Arquímedes como de la Palanca de Arquímedes. Se trata de una adopción de “El poco equilibrio” de Galileo Galilei.
Su operación es como las balanzas que ves en el consultorio de un médico o vigilantes, donde se baraja un peso de un extremo a otro.
Una escala de lectura directa se puede construir con poco esfuerzo a partir de materiales domésticos y tiene una precisión de aproximadamente 0.002 quilates. En lugar de tener que pasar por el dolor de los cálculos, esta escala te dará una lectura inmediata sobre el SG de la piedra preciosa.
La descripción completa de su construcción se da en la “Guía de Gemología Asequible” del Dr. Hanneman.
Requerimientos legales
Algunos países imponen regulaciones estrictas sobre el uso de básculas de pesaje cuando se utilizan en un entorno comercial. Esto significa que la báscula debe etiquetarse con un documento (pegatina) que demuestre que la báscula está calibrada según los requisitos legales.
Estas básculas son en general mucho más caras.
En la Unión Europea, esto está regulado bajo la Directiva de Instrumentos de Pesaje No Automáticos (NAWI).
Para Canadá, esto está regulado a través de la Ley Canadiense de Medición.
Temas relacionados
Fuentes
- Gemología 3ª edición (2005) - Peter Read
- Guía de Gemología Asequible (2001) - Dr. W. Wm. Hanneman