lunes, 19 de marzo de 2012

Henry Cavendish y la constante de gravitación universal.

1. ¿Qué es la Royal Society? ¿Cuáles son sus principales objetivos? ¿Cuáles han sido sus principales logros? ¿Quiénes han sido sus miembros más destacados?
La Royal Society es una sociedad científica inglesa. Es la más antigua de Reino Unido, y una de las más antiguas de Europa. Su fundación oficial fue el 28 de Noviembre de 1660, aunque hacía ya más de una década que los miembros tenían reuniones informales para tratar sobre lo que ellos llamaban "Nueva Filosofía", que era un conglomerado de ciencias que iban desde la biología y la anatomía hasta la física y las matemáticas pasando por la mecánica y la navegación. Su principal objetivo es el de ser mecenas de las ciencias, es decir, promocionar todas las actividades científicas. A lo largo de su historia ha tenido miembros muy distinguidos como:

Robert Boyle (1627-1691)
Christiaan Huygens (1629-1695)
Robert Hooke (1635-1702)
Sir Isaac Newton (1642-1727)
Gottfried Leibniz (1646-1716)
Benjamin Franklin (1706-1790)

Charles Darwin (1809-1882)
Sus logros más importantes fueron la teoría de la luz y los colores de Newton, la demostración de que los rayos son electricidad realizada por Benjamin Franklin, los inicios del descubrimiento del ácido salicílico con el que se desarrollan las aspirinas, o bastante más actuales son los estudios sobre los agujeros negros de Stephen Hawking, otro eminente miembro.

2. ¿De qué está compuesto el aire? Realiza diagrama de sectores. ¿Según Cavendish, de qué estaba compuesto el aire? Compara los resultados. ¿Qué es el flogisto y por qué cayó en desuso?
El aire está compuesto principalmente  por oxígeno, nitrógeno y argón. Según Cavendish, el aire estaba compuesto por aire flogistizado (nitrógeno y argón) en un 79,167% y por aire desflogistizado (oxígeno) en un 20,833%. Sin embargo, hoy conocemos que hay muchos más gases en la composición del aire, aunque la mayoría como se puede observar, están en cantidades minúsculas. 
Según la teoría elaborada a finales del siglo XVII por los científicos alemanes Johan Becher y Georg Stahl, el flogisto es una sustancia hipotética, según la cual explicaban la combustión. Antiguamente se creía que los cuerpos estaban compuestos por tierra, agua, aire y fuego, según esta teoría, los cuerpos provistos de flogisto entraban en combustión cuando se producía un intercambio de éste. Esta teoría provocó división de opiniones entre los que la apoyaban y la criticaban. Uno de los que la criticaban fue Lavoisier, que explicó el fenómeno de la cobustión como la unión de oxígeno con otras sustancias, lo cual hizo que la popularidad y la credibilidad de la teoría del flogisto decayese. Aunque en cierto modo, gracias a las ideas de estos alemanes se empezó a investigar sobre los gases y se realizaron importantes descubrimientos como el ya mencionado antes por Lavoisier o el descubrimiento de que el agua era un elemento compuesto y no básico como se creía. 

3. Investiga sobre las propiedades del Hidrógeno y la composición química del Agua. 
El Hidrógeno (H) es el primer elemento de la tabla periódica. Está compuesto generalmente por un protón y un electrón. Es el elemento más sencillo y más pequeño que se cooce. También es el menos denso y el que se encuentra en mayor abundancia en el universo, componiendo casi un 84% de la materia visible. Es incoloro, inodoro, no es tóxico y es fácilmente inflamable aunque su llama es prácticamente invisible. Se combina con prácticamente todos los elementos aunque el hidrógeno elemental es muy escaso en la Tierra. El agua (H2O) es una combinación de dos átomos de hidrógeno por uno de oxígeno. Es una molécula dipolar, es decir, tiene dos regiones con carga eléctrica, una positiva y otra negativa, aunque la molécula de agua está cargada eléctricamente. 

4. ¿Qué es el calor específico de una sustancia? Lee las páginas 161 a 170 de tu libro de texto.
El calor específico de una sustancia es una magnitud física, es la cantidad de calor que debemos suministrar a una unidad de masa de la sustancia, para que la temperatura de ésta se eleve una unidad (pude ser tanto de Celsius o Kelvin). En el SI se representa con una ''c'', para obtenerlo debemos dividir el cociente entre la capacidad calorífica y la masa: c=C/m y se mide en julios por kilogramo y por kelvin [J·(kg·k)-1].

Aquí podemos ver una tabla con algunos calores específicos (esta tabla esta medida en kilocalorias/ {kilogramos·celsius}) :














5. Cavendish también fue un adelantado a su tiempo. Aunque no entró en la historia por su descubrimiento, ¿qué es la Ley de Coulomb? Realiza una comparativa, señalando las analogías y diferencias que encuentras entre esta ley y la Ley de Gravitación Universal.

 Lo primero que se ha de puntualizar es que las dos leyes enuncian principios distintos pues la Ley de Coulomb se utiliza para medir la fuerza de interacción entre cargas eléctricas y LGU se usa para medir las fuerzas gravitacionales. Ambas tienen una fórmula aunque no igual. La ley de Coulomb establece que la fuerza eléctrica es directamente proporcional al producto de las cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. En cambio la Ley de Gravitación Universal, enuncia que la fuerza de aceleración de la gravedad es directamente proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional a la distancia entre ellas. Se puede apreciar que en ambas fuerzas, existe una constante que siempre se cumple, pero ésta no es igual en las dos fórmulas; Coulomb constata que K =9·109 N.m2/C2 mientras que la constante en LGU es 6.67384·10−11 N·m2/kg2 un producto en el denominador y una distancia elevada al cuadrado en el denominador.

6. ¿Qué es un condensador eléctrico?
Un condensador o capacitor, es un dispositivo usado en electricidad y electrónica. Su componen de dos placas conductoras separadas entre sí por un material aislante llamado dieléctrico. La capacidad del condensador viene dada por los materiales usados y es directamente proporcional a la superficie de las placas enfrentadas e inversamente proporcional a la distancia que las separa. Su uso más frecuente es el de almacenar energía para baterías, memorias... también se usan en los flashes de las cámaras fotográficas o en los tubos fluorescentes.
¿Serías capaz de fabricar uno de material casero?
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7. Cavendish inventó un termómetro que funcionaba sin mercurio, pero, ¿cómo funciona un termómetro? ¿Qué tipos de escalas térmicas existen?

Un termómetro como ya bien sabéis es un instrumento que sirve para medir la temperatura de un cuerpo o una sustancia. Hay cantidad de termómetros, pero los más comunes aprovechan la propiedad que presentan los cuerpos de dilatarse al aumentar la temperatura o de contraerse al disminuir la temperatura. Para medir la temperatura hay varias escalas: La primera y la que se utiliza en el SI son los Kelvin, se representa mediante una ''K''; su punto 0 es el cero absoluto o temperatura termodinámica más baja posible; para pasar a grados Celsius hay que realizar lo siguiente T [K] = tC [°C] + 273. La segunda escala son los grados Celsius, se representan mediante ºC y son utilizados sobretodo en Europa; éstos se basan en el punto de fusión del agua (punto 0ºC) y en de ebullición (100ºC). Por último están los grados Fahrenheit, se representan mediante ºF; éstos también se basan en el punto de congelación y evaporación del agua (32ºF y 212ºF); para pasar a Celsius debemos realizar: C = (F - 32)/1,8\,\!.
Como funciona un termómetro
Termómetro de mercurio:
Los termómetros de mercurio ya no son tan frecuentes, durante estos últimos años se han ido retirando del mercado, ya que al contener mercurio podían ser peligrosos en caso de romperse. Estos termómetros funcionaban mediante la dilatación del mercurio al aplicarle el calor de una persona generalmente, por lo que el mercurio, que se encontraba en un extremo, se extendía al dilatarse por el tubo, lo que nos permitía saber la temperatura de la persona.
Termómetro digital.
Los termómetros digitales, en la actualidad se están imponiendo por delante de los de mercurio. Su funcionamiento es distinto, ya que mediante un dispositivo que varía su resistencia eléctrica, termistor, y unos circuitos integrados, miden el voltaje y lo transforman, de manera que en la pantalla aparezca nuestra temperatura.

Termómetro de gas
Los termómetros de gas suelen ser de los más precisos y son utilizados para calibrar otros termómetros. Estos termómetros funcionan por la dilatación térmica.

8. Entramos en las cuestiones relacionadas con el experimento en cuestión: ¿Qué es el centro de gravedad de un cuerpo? Prueba la siguiente experiencia. Diseña tu propia experiencia y grábala en vídeo. No olvides insertarla en tu blog:
El centro de gravedad de un cuerpo es el punto en el que está resumido el conjunto de fuerzas gravitacionales que actúan sobre él. En el siguiente experimento, mostramos como varían los centros de gravedad poniendo dvd’s unos encima de otros. Si se pone uno encima de otro, vemos que el centro de gravedad de los dos varía, y se desplaza a ½ del primer dvd. Si añadimos otro, el centro de gravedad tiene que ser movido para que caiga dentro de la base de sustentación (primer dvd) A medida que añadimos dvd’s el centro de gravedad se desplaza hacia la izquierda para que no se caiga la torre. Se desplaza una enésima parte de n dvd’s  A medida que aumenta el número de dvd’s la distancia entre ellos tiene que disminuirse. El número máximo de dvd’s que puede sobresalir el dvd de arriba con respecto a la base es de (n-1)/n

9. Llegamos al plato fuerte del capítulo: el experimento de Cavendish (aquí podéis realizarlo virtualmente). Lo ideal sería diseñar vuestra propia experiencia, pero se trata de una tarea bastante ardua (el autor cita un interesante artículo de la revista Investigación y Ciencia al respecto), por lo que nos conformaremos con que hagáis una descripción del experimento y contestéis a la pregunta: ¿por qué Cavendish no podía medir desde la sala dónde se encontraba la balanza de torsión?
El experimento consiste en algo parecido a una balanza, en la que se cuelga un brazo de madera en cuyos extremos están situados dos bolas de metal.
Una barra suspendida de un hilo fino sostiene una masa en cada extremo. Si se acercan dos masas mayores, la fuerza de gravedad entre las masas hace que la barra oscile. Cronometrando esta oscilación, se puede deducir la rigidez del hilo, luego la fuerza.
Porque si lo hubiese medido estando él en la misma sala no hubiera sido correcta la medición, creo que por dos motivos, el uno es que quizás con su propia respiración produciría aire que podía provocar errores en la medición de su experimento, y el segundo motivo y quizás más importante es que las personas también tenemos masa, e interesaba que allí no hubieran más masas que las dos esferas grandes y las dos pequeñas, para que sólo existiesen las fuerzas de atracción entre ellas.
Si Cavendish hubiera estado presente en la sala, su propia presencia podría haber desbaratado su experimento. Lo mejor era que las únicas fuerzas gravitatorias fueran las de las bolas y que nada más interfiriera en la medición de la oscilación.

10. Para concluir el trabajo, investiga por qué no es buena idea utilizar materiales como el hierro o el acero para realizar el experimento. ¿Qué es el magnetismoDescripción: http://www.previewshots.com/images/v1.3/t.gif? ¿qué otros materiales evitarías en caso de diseñar la experiencia?
Ni el hierro ni el acero deben ser usados  ya que estos metales son magnéticos y modificarían el experimento, y como dice Leyva, podríamos crear sin quererlo una brújula.
Todos los tipos de metales magnéticos son malos para este experimento:
Ferritas, imanes de alnico, imanes de tierras raras, imanes flexibles, imanes de platino/cobalto. Imanes de cobre/níquel/cobalto y de hierro/cobalto/vanadio.
El magnetismo es el fenómeno físico por el que los materiales se atren o repelen con otros materiales. Las unidades del SI relacionadas con el magnetismo son:
  • Tesla [T] = unidad de campo magnético
  • Weber [Wb] = unidad de flujo magnético
  • Amper [A] = unidad de corriente eléctrica 



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