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Como funciona un Reloj Atómico y su función en el Sistema de Posicionamiento Global (GPS)
Quiero mostrarles algo realmente grandioso.
El primer Reloj Atómico del tamaño de un chip disponible comercialmente del mundo.
Symmetricon\'s CSAC.
Así es: este pequeño dispositivo
de aproximadamente el tamaño de una moneda de 25 centavos
es un reloj atómico
Los relojes atómicos mas precisos se atrasan
un segundo por cada 138 millones de años.
La forma en la que funcionan los reljos atómicos me sorprende
dejenme mostrarles como el primer reloj atómico funcionaba
Comenzaré con gelatina.
Si golpeamos un bloque de gelatina, esta se mueve hacia atrás y hacia adelante.
Exactamente como se mueve un péndulo en un reloj antiguo
las oscilaciones de esta gelatina nos permiten para contar el tiempo.
Ahora bien, la gelatina no es muy buena para estas funciones
pero dentro de un reloj atómico hay un trozo de cuarzo
de una forma similar, y si lo golpeamos
lo cual se hace mediante electricidad
oscilará unas cinco millones de veces por segundo.
Puede mantener este ritmo constante y sólo atrazarse 1 segundo cada 90,000 años
una fracción de la precisión necesaria para un reloj atómico.
El cuarzo se atraza porque pierde velocidad y necesita
un \"empujón\" para recuperar su velocidad de oscilación.
Es aquí donde la parte \"atómica\" de un reloj atómico entra en juego.
Usamos atómos de cesio para controlar estos empujones con una gran precisión.
Cada vez que las oscilaciones del cuarzo pierden velocidad
aunque sea una fracción muy mínima, le damos un toque
un toque eléctrico justo en el momento adecuado
así que en la práctica, sus oscilaciones nunca varían.
Dejenme mostrarles como usamos el cesio para hacer esto.
Los átomos en cesio puro existen en su mayoría en
dos variantes ligeramente distintas
Una de baja energía y otra con un poquito más de energía que la primera.
Para un reloj atómico, estos dos estados tienen dos propiedades
críticas para hacer un reloj.
La primera, es que pueden ser separadas por un imán.
La segunda, que los átomos de baja energía pueden ser convertidos
en los de alta energía si bombardeamos el cesio con la radación correcta.
Los Ingenieros enlazan la disminución de vibraciones del cuarzo
con la longitud de onda exacta de la radiación con la que se bombardeará
para así crear un ciclo de retroalimentación.
Permítanme mostrarles como.
En un horno calentamos cloruro de cesio para crear
un flujo gaseoso de iones de cesio.
Este flujo contiene iones de baja y alta energía.
Primero lo pasamos a través de un imán separando ambos tipos,
descartando los de alta energía, permiento que los iones de baja energía
pasen a una recámara.
Dentro de la recámara bombardeamos estos iones con
radiación a una longitud de onda específica para lograr convertirlos en iones de alta energía.
Luego, estos iones gaseosos pasan de la recámara a
otro imán que envía los iones de alta energía hacia un detector
esta vez descartando los iones de baja energía.
El detector convierte los iones en corriente.
El truco es lograr hatar esa corriente del detector
al oscilador de cuarzo.
Cuando las oscilaciones del cuarzo disminuyen,
osea, se vuelven algo más lentas
es cuando el bombardeo de energía sobre los iones de cesio
en las recámaras, cambia y menos iones de alta energía
salen de la recámara, haciendo que la corriente disminuya o se detenga.
Esto causa que el circuito envíe un \"choque\" al oscilador
de cuarzo y corrija el período de oscilación.
Esto se logra aplicando el voltaje correcto
mediante el efecto piezoeléctiroc, se da un \"empujón\" al cuarzo
haciendo que este vuelva a oscilar normalmente.
De esta manera se crea un reloj que se atraza menos
de un segundo a travéz de varios millones de años.
Nuestro mundo funciona gracias a esta precisión.
Por ejemplo, el sistema de posicionamiento global (GPS) necesita de esta preción.
El sistema de posicionamiento global está compuesto por
24 satelites que orbitan la tierra.
Un receptor GPS usa la posición de cuatro
de estos satélites para determinar su posición.
Uno para sincronizar la hora del receptor
y tres para localizar y calcular su posición.
Esto funciona de la siguiente manera.
Una señal es enviada al receptor desde el primer satélite
que contiene la posición del satélite
así como la hora a la que se envío la señal desde el mismo.
El receptor multiplica el tiempo que dura viajando esta señal
por la velocidad de la luz, para determinar la distancia a la que se encuentra del satélite.
Con un satélite el receptor sabe
que está dentro de una esfera alrededor de ese satélite
con un radio igual a la distancia calculada
Luego, realiza el mismo cálculo con un segundo satélite.
La intersección de estas nos esferas reduce
la posición a la circunferencia de un círculo.
Luego, usando un tercer satélite, el receptor puede reducir
la posición a un punto único.
Ya que estas señales viajan a la velocidad de la luz,
atrazarse hasta por un milisegundo significaría un error
de aproximadamente un millón de pies, o 300 kilómetros.
Pero con la precisión de un reloj atómico
el receptor puede determinar su posición con una incerteza de aproximadamente 3 pies.
Soy Bill Hammack, el engineerguy
Este video está basado en un capítulo del libro
Ocho Sorpredentes Historias de Ingeriería.
El capítulo del libro contiene más información acerca de este y otros temas.Traducción realizada por Rodolfo Felipe (rodolforfq)