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sábado, 21 de marzo de 2015

CAVENDISH Y LA CONSTANTE DE GRAVITACIÓN UNIVERSAL

CAVENDISH Y LA CONSTANTE
DE
GRAVITACIÓN UNIVERSAL


En esta entrada, trataremos sobre uno de los científicos más extraños e importantes de todos los tiempos: Henry Cavendish, un aclamado científico inglés, descubridor de entre muchos descubrimientos, el de la constante de gravitación universal. Como Newton y Hooke, Cavendish también formó parte de la Royal Society, así que nos decidimos por tratar un poco esta institución tan importante en el mundo de la ciencia. La Royal Society es una de las sociedades científicas más antiguas del mundo con más de 350 años de existencia, cuya sede está en Londres. Los orígenes de la Royal Society se remontan al año 1640, a las reuniones celebradas por científicos y gente culta de la época en Londres. Fue después de dos años que finalmente se consolidó como una sociedad científica. Su objetivo o misión desde entonces es la de reconocer, fomentar y apoyar la excelencia de la ciencia y estimular el desarrollo y el uso científico para el beneficio del ser humano. Esta sociedad tiene una especial relevancia, puesto que en ella se han producido los descubrimientos más significativos y fundamentales en la historia de la ciencia, sobre los que hoy en día construimos nuevas hipótesis. Como bien decíamos anteriormente, algunos de sus miembros históricos que nos han marcado son Isaac Newton, Robert Hooke, Charles Darwin, Robert Boyle, Benjamin Franklin, James Cook, Albert Einstein y Stephen Hawking. En la actualidad, la Royal Society cuenta con 75 Premios Nobel y con múltiples medallas por contribuir enormemente al desarrollo científico. Desde su fundación, le podemos atribuir la transfusión de sangre, el estudio publicado por Newton sobre la luz y los colores, documentos del explorador James Cook y uno sobre cuáles fueron las condiciones que en 1752 condujeron a Franklin a la invención del pararrayos, etc.


Ahora hablaremos sobre sus aportaciones hacia la composición química del aire. Haré una gráfica


de la composición actual y la de su tiempo. En el libro dice que la cantidad de ‘aire flogistizado’ (nitrógeno y argón) es de un 79,167%. Actualmente el porcentaje de nitrógeno junto con el de argón es de 79,1%. Es decir que lo calculó con un error de 0,067%. Además la parte ‘deflogistizada’ era solo un 20,833%, actualmente es de 20,9%. Un error de 0,067%. Todo el nitrógeno y oxígeno es un 99% del aire.


La teoría del flogisto intentaba explicar la combustión y el porqué de que algunos elementos fueran combustibles y otros no. El creador de esta teoría fue el médico y químico alemán Georg Ernst Stahl, que decía que el calor se presenta en dos formas: libre y en combinación. Denominó flogisto, palabra que en griego significa inflamable, al calor en combinación. Según Stahl la combustión era el paso de esta forma de fuego combinado a la forma libre, donde se hace apreciable a los sentidos. La ceniza carecen de flogisto y, por tanto, son incapaces de volver a arder. Esta interpretación de la combustión fue rebatida a finales del siglo XVIII por Lavoisier, al demostrar que se trataba de una reacción química, y por tanto esta teoría quedó en desuso.

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He realizado unos experimentos para comprobar que se exhala más dióxido de carbono del que se inhala. Para ello he respirado de un vaso que tenía agua con lima y he exhalado en uno con la misma disolución. Como esperaba, el segundo vaso se ha puesto lechoso por el CO2.IMG_0507.JPG

También he realizado otro para ver si respiramos más vapor de agua del que inspiramos. He expirado contra un espejo y el vapor de agua se queda pegado al espejo. No puedo identificar si es vapor de agua, ya que no tengo papel de cloruro de cobalto.

Cavendish realizó importantes descubrimientos en el terreno de la química. Ahora hablaré de las propiedades del hidrógeno. Una de las propiedades de los elementos no metales como el hidrógeno es que son malos conductores del calor y de la electricidad. Debido a su fragilidad, el hidrógeno, no se pueden aplanar para formar láminas ni se pueden estirar para convertirse en hilos.

El estado del hidrógeno en su forma natural es gaseoso y es incoloro. El número atómico del hidrógeno es 1. El símbolo químico del hidrógeno es H. El punto de fusión del hidrógeno es de 14,025 grados Kelvin o de -258,125 grados celsius o grados centígrados. El punto de ebullición del hidrógeno es de 20,268 grados Kelvin o de -251,882 grados celsius o grados centígrados. El hidrógeno tiene varios usos:
  • Se utiliza para el procesar combustibles fósiles.
  • Se utiliza para producir amoníaco utilizado en los productos comunes de limpieza del hogar.
  • El punto triple del hidrógeno (la temperatura a la que los 3 estados, sólido, líquido y gaseoso están en equilibrio) puede utilizarse para calibrar algunos termómetros.
  • El hidrógeno (ya sea utilizado por sí solo o combinado con nitrógeno) se utiliza en plantas de fabricación de muchos para determinar si hay fugas. También se utiliza para detectar fugas en los envases de alimentos.
  • El hidrógeno se utiliza como refrigerante rotor en generadores eléctricos.
  • El hidrógeno en estado gaseoso se usa como un gas de protección en la soldadura de hidrógeno atómico.
  • También se usa en la producción de ácido clorhídrico, utilizado ampliamente en las industrias químicas.
  • Puede ser utilizado para crear agua.


A parte del hidrógeno, también aportó datos importantes con respecto al agua. El agua está formada por dos átomos de hidrógeno (H) y un átomo de oxígeno (O) unidos mediante enlaces covalentes, haciendo que la molécula tenga una forma triangular plana. Los átomos de hidrógeno y oxígeno están separados entre sí aproximadamente 0,96 Angstroms (una milmillonésima de metro) y el ángulo que forman sus enlaces es de unos 104,45 grados.
Además el agua tiene dos regiones con una cierta carga eléctrica, es decir, es dipolo. Una de ellas es positiva y la otra negativa.
Esto se debe a que el hidrógeno y el oxígeno son átomos muy distintos desde el punto de vista de la electronegatividad.
El agua es una molécula polar, y no es un ión.


El calor específico es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que aplicarle a la unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad.
m = masa del cuerpo
c = capacidad calorífica (cantidad de calor que hay que suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad )
     delta T = T-T0 = variación de tiempo

En esta entrada, hemos tratado sobre descubrimientos de Cavendish, y seguiremos tratandolos, pero quisimos hacer una parada y tratar una ley coetánea a nuestro científico, la ley de Coulomb. para tratar esta ley, elaborada por Charles-Augustin de Coulomb (padre de la electrostática), primero,hemos de saber que dicta:
La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario.
Matemáticamente, esta ley se define de la siguiente manera:F=k* q1*q2/d^2. La constante, llamada constante de Coulomb, equivale \scriptstyle K= 9\cdot 10^{9} \mathrm{N\cdot m^2/C^2}(este resultado se obtiene del inverso del producto de 4πΣ៰, siendo Σ៰ la permitividad relativa, la cual se ha de encontrar en el intervalo 1 F/m a 8,85*10-12 F/m. La permitividad relativa, es una constante física que permite definir como un campo eléctrico afecta y es afectado por el medio. La menor que se puede dar corresponde a la del vacío).
Esta ley, al compararla con la de la gravitación universal, encontramos los siguientes parecidos y diferencias:
Analogías
Las dos se pueden calcular cuando los objetos en cuestión están en reposo o en un movimiento característico (para la LGU, debe realizar una órbita y en la ley de Coulomb, debe moverse uniformemente, en un recorrido rectilíneo y con una velocidad muy pequeña).
Permiten calcular fuerzas de atracción, la cual se da sobre todos los cuerpos, en ambas leyes esta fuerza es proporcional al producto que definen los dos cuerpos (masas o cargas) e inversamente proporcional a la distancia al cuadrado, tienen el mismo módulo en los dos cuerpos, pero distinto sentido.
Son magnitudes vectoriales, cuyo vector unitario es la dirección de la fuerza.
Diferencias
En la LGU, la constante empleada no varía dependiendo del medio, pues es universal; mientras que el la ley de Coulomb, varía según el medio que se encuentre, ya que la define la permitividad relativa.
La fuerza obtenida con la LGU, se suele tomar en consideración cuando al menos, una de las masas tienen una cierta cantidad (masa de personas, normalmente superior a los 50 km, pero claro está que se puede usar cualquiera, pero si es muy pequeña, la fuerza puede ser muy pequeña, siendo despreciable) mientras que en la ley de Coulomb, no se aprecian las masas, sino cargas, las cuales son muy pequeñas a partir de una distancia grande, esta ley no tiene mucho uso (en ejemplo sería con el Sol y Neptuno. La distancia es tal en comparación a la carga de estas que se puede considerar despreciable).
En la LGU, siempre, las fuerzas son atractivas; mientras que las de la ley de Coulomb, pueden ser también repulsivas (si las cargas son del mismo símbolo).
Dentro de las aportaciones de Cavendish a la electrónica, encontramos una manera de almacenamiento de energía que nos pareció bastante interesante y además, seguramente lo usaremos en un futuro, por lo que quisimos hablar sobre este invento, los condensadores. Estos utensilios, al igual que las baterías, son unas estructuras que nos permiten almacenar cantidad de energía eléctrica. Estos, están compuestos generalmente por capas de metal llamadas placas que es por donde circula la electricidad. Este invento, al ser conectada a un campo eléctrico (es decir, a un circuito eléctrico), desprende toda la energía que había adquirido antes de la misma forma, es decir, que cede durante el mismo tiempo, con la misma carga y cantidad de energía que la que se le suministró durante su periodo de carga. Si esto no queda muy claro con un ejemplo será más fácil.Si el condensador se cargó en 3 segundo completamente (hasta su límite de capacidad) con una cargaa de 25Ä, al conectarlo a un circuito electrónico, cederá toda la energía que pueda almacenar, durante 3 segundos con una carga de 25Ä.
Los condensadores, se definen por 5 aspectos:
-Su composición: Encontramos de plata, de cerámica, de poliéster, de papel... Se define por el material que compone el dieléctrico (la capa que separa las dos placas conductoras del condensador).
-Su carga: Que es la cantidad de energía eléctrica que se puede acumular. Esta emplea el Faradio (F), como unidad, pero al ser las cargas tan pequeñas, se suele medir en μF.
-Su tensión de trabajo: Es la potencia eléctrica máxima que el condensador puede soportar (en su carga), la cual está definida por el dieléctrico.
-Su polaridad: Al superar el 1μF de carga, los condensadores tienen polaridad, es decir, que los terminales (por donde se conecta al circuito o al “cargador”), tienen un polo determinado (+ o -). Esto es muy importante ya que al aplicarle una potencia, hay que tener en cuenta esta polaridad ya que puede explotar.
-Su tolerancia: Define el error máximo entre la capacidad máxima de carga real y la señalada en el cuerpo.
Dependiendo de estos aspectos,, podemos encontrar estos tipos de condensadores:
Condensadores de mica: Se usan en corrientes de alta frecuencia, como la que se emplean en telecomunicaciones.
Condensadores cerámicos: Empleados también en telecomunicaciones por su alta frecuencia pero a diferencia de los de mica, estos son de un tamaño bastante más pequeño.
Condensadores electrolíticos: Este tipo emplea un papel empapado de un líquido iónico a modo de dieléctrico para mejorar la capacidad de almacenamiento de cargas. Son usados para corrientes de alto voltaje pero baja frecuencia.
Condensadores variables: Se caracterizan por poder cambiar su capacidad de carga dependiendo de su función.
Y como no, nosotros quisimos ir más allá y decidimos crear nuestro propio condensador, mostrado en el siguiente video.


Entre una de las invenciones del gran Cavendish se hallaba el termómetro. Lo curioso de este es que funcionaba sin mercurio. A continuación, vamos a tratar sobre este elemento tan frecuentado en nuestra vida cotidiana. Como bien sabemos, un termómetro es un aparato que mide la temperatura. El funcionamiento de los termómetros se basa en la variación uniforme de una determinada propiedad que se relaciona con la temperatura. El método empleado más frecuentemente en estos instrumentos es el fenómeno de la dilatación de metales, principalmente el mercurio, debido a su elevado coeficiente de dilatación, contenido en un pequeño ensanche del termómetro. El fenómeno de la dilatación se basa en el estiramiento del metal cuando la temperatura aumenta. Esto es así, que, cuando el termómetro alcanza diferentes temperaturas, podemos apreciar muy bien como se estira el termómetro. Pero... posiblemente se nos venga una pregunta a la cabeza ¿cómo podemos explicar que el termómetro indique la misma temperatura del cuerpo? Pues bien, esto es resultado de un proceso de transferencia de energía denominado equilibrio térmico. Cuando se ponen en contacto un cuerpo caliente y otro frío, las partículas del cuerpo caliente pierden energía cinética y las del otro aumentan en esta energía. Esta transferencia finaliza cuando las partículas de ambos cuerpos tienen la misma velocidad, energía cinética media y temperatura, lo que llamamos equilibrio térmico.
Para calibrar los termómetros, indicamos con unos valores la altura a la que llega el mercurio cuando nos encontramos en dos estados de referencia: la fusión del hielo (hielo y agua→presión 1 atm) y la ebullición del agua (agua y vapor→presión 1 atm). Para tener una medida correcta de la temperatura, a los termómetros se les agrega una graduación que depende de la escala de temperatura en la que deseemos obtener la medición. Las escalas más comunes son las siguientes:
  • Escala Celsius (ºC): El termómetro se divide en 100 partes, entre el 0, que corresponde a la temperatura de fusión del hielo, y el 100, que corresponde a la temperatura de ebullición del agua.
  • Escala Fahrenheit (ºF): El termómetro comprende 180 divisiones entre la 32, que corresponde con la temperatura de fusión del hielo, y la 212, que corresponde a la temperatura de ebullición del agua.
  • Escala Kelvin (ºK): Se le asigna el valor 0 a la temperatura más baja que, teóricamente, puede existir en el universo y, por tanto, es inalcanzable. El 0 coincide con - 273ºC (no hay valores negativos). La división 273 corresponde con la temperatura de fusión del hielo y, la 373, corresponde con la temperatura de ebullición.

                                                        Resultado de imagen de ¿Qué es el centro de gravedad de un cuerpo?Resultado de imagen de ¿Qué es el centro de gravedad de un cuerpo?
Ahora, comenzaremos a tratar el experimento tan famoso de Cavendish y para ello, debemos de tratar primero qué es el centro de gravedad de un cuerpo. El centro de gravedad es el punto de aplicación de la resultante de todas las fuerzas de gravedad que actúan sobre el cuerpo en cuestión. Los Fisicarios, hemos realizado un video donde se concibe más claramente el punto de gravedad a continuación:


Como no, los Fisicarios, no ibamos a hacer un feo al experimento que más fama ha dado a este científico, la balanza de torsión, con la cual descubrió el valor de la constante de gravitacionalidad. Un dato curioso es que no era el objetivo de este experimento averiguar la constante, sino tratar de averiguar la densidad de la Tierra.
Para realizar este experimento, hay que crear esta balanza. Para ello, en un sótano (puesto que en estos sitios, la fuerza de atracción con todas las paredes es básicamente la misma), juntamos a una vara, dos esferas pequeñas. En el centro de gravedad de este sistema, atamos un hilo el cual cuelga del techo suspendiendo en el aire esta estructura. En este centro de gravedad, colocamos también un pequeño espejo. Una vez hecho esto, dispondremos dos esferas de mayor tamaño y peso a una distancia de las atadas a la vara. Colocamos un láser o un haz de luz que al incidir sobre el espejo. El último paso, es colocar una regla situando el punto de referencia (0cm) donde incide el láser reflejado. Esto, debería ser algo tal que así:


Ahora, debemos salir de la habitación (con la medida entre las esferas tomada) para así, no crear ninguna fuerza de atracción entres las esferas y tú, cosa que causaría el fracaso del experimento (por ello, Cavendish no estuvo dentro del sótano al hacerlo). Al pasar un tiempo, entraremos dentro del sótano y encontraremos que la vara está en oscilación y que el láser no incide en los 0cms en la regla, estará cambiando. Con estos datos, Cavendish pudo averiguar el valor de la constante de gravitación. Ya se sabía que F=G*m*m2/d2 y que F=ma y que el peso era masa por gravedad. Si sustituimos, tendremos que G=F*d2/m*m2. La distancia, es la separación inicial entre las esferas, la fuerza, corresponde al punto máximo de oscilación (es decir, donde incide el láser al final de cada oscilación, visto en la regla) por la masa de la esfera adjunta a la vara, entre la frecuencia de oscilación al cuadrado; y las masas, las masas de las esferas. Conocido todo esto, no hay más que sustituir y operar, dándonos el valor de la constante de gravitación universal.
Además, decidimos crear una balanza de torsión nosotros mismos pero no pudimos calcular los datos necesarios debido al ataque inesperado de un gato, el cual destrozó la preparación y algunos materiales (el espejo y el láser). He aquí, algunas fotos de la segunda preparación::
Materiales
Materiales: Vara Hilo Esferas de distintas masas
Preparación de la vara y las esferas pequeña.
Encontramos el punto de gravedad. De él colgamos un hilo para poder suspender el sistema colgándolo del techo.
Suspendemos las otras esferas y a esperar que empiece a oscilar (siempre sin nosotros delante, ni ningún objeto, pero en nuestro caso, este era el único lugar donde podíamos hacerlo).

Para el experimento previamente explicado no sería buena idea la utilización de materiales como el hierro y el acero por el fenómeno del magnetismo. Podemos definir magnetismo como el conjunto de fenómenos de atracción y repulsión producidos por los imanes y las corrientes eléctricas. Hay que evitar usar, por lo menos en las masas, hierro o acero, porque interactúan con el campo gravitatorio terrestre y obtendremos una brújula con dos polos en el experimento. Al igual que el hierro y el acero, otros materiales, como el níquel, el cobalto, la hematita, la magnetita y todas sus aleaciones, incluso los gases ionizados, presentan características electromagnéticas y, por tanto, se deben evitar en el diseño del experimento.

1 comentario:

  1. No tengo palabras. Gran trabajo y en especial los vídeos que me han encantado.

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