Este blog trata del libro "DE ARQUÍMEDES A EINSTEIN" (Los diez experimentos más bellos de la física), de Manuel Lozano Leyva.

miércoles, 12 de junio de 2013

CAVENDISH. LA CONSTANTE DE GRAVITACIÓN UNIVERSAL

Cavendish entró a formar parte de la Royal Society en 1760. 

La Royal Society es la sociedad científica más antigua del Reino Unido y una de las más antiguas de Europa. Se fundó en 1660 pero años antes ya existía un grupo de científicos que se reunía de vez en cuando.
El objetivo principal de esta academia científica es promocionar y difundir la investigación científica.
Varios científicos famosos estuvieron involucrados en su fundación o han participado en su historia:
Charles Darwin, Robert Boyle, John Evelyn, Robert Hooke, William Petty, Gottfried Leibniz, Benjamin Franklin, John Wallis, John Wilkins, Thomas Willis.

Cavendish midió la composición química del aire. En el siguiente diagrama de sectores se incluyen los gases más importantes por su abundancia:



El flogisto es una sustancia hipotética que representa la inflamabilidad, es una teoría científica que dice que todo sustancia susceptible de sufrir combustión contiene flogisto, y el proceso de combustión consiste básicamente en la pérdida de dicha sustancia.

Esta teoría fue revocada por sencillos experimentos de los cuales destacaron los de Cavendish y Priestley. Fue postulada a finales del siglo XVII por los químicos alemanes Johann Becher y Georg Stahl para explicar la combustión.

El hidrógeno es el primer elemento de la tabla periódica. En condiciones normales es un gas incoloro, inodoro e insípido, compuesto de moléculas diatómicas (H2). El átomo de hidrógeno, símbolo H, consta de un núcleo de unidad de carga positiva y un solo electrón. Tiene número atómico 1 y peso atómico de 1.00797. Es uno de los constituyentes principales del agua y de toda la materia orgánica, y está distribuido de manera amplia no sólo en la Tierra sino en todo el universo.



H2O: El agua está formada por dos átomos de hidrógeno (H) y un átomo de oxígeno (O) unidos mediante sendos enlaces covalentes, de manera que la molécula tiene una forma triangular plana. 


Calor específico

El calor es energía que se transfiere, que pasa de un cuerpo a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura. O dicho de otro modo: el calor es energía en tránsito.

El calor específico se define como la cantidad de energía que intercambia un kilogramo de una determinada sustancia cuando se modifica en un kelvin su temperatura. Su unidad en el SI es J/kg K. (la variación de temperatura depende de la masa del cuerpo).

Cuanto mayor es el calor específico de una sustancia más energía necesita para producirle un determinado incremento de temperatura y más energía desprende cuando se enfría en esa misma proporción. Por último, cuanto mayor sea la energía transferida más rápidamente varía la temperatura.
De aquí se deduce que la cantidad de energía transferida por medio de calor se puede calcular mediante:
Q= m c (T2 – T1
Donde Q es la energía transferida en julios, m es la masa expresada en kg, c es el calor específico expresado en J/kg K, T2 es la temperatura más alta y T1, la más baja.
De acuerdo con el principio de conservación de la energía, la energía transferida por medio de calor de un cuerpo caliente a otro frío debe conservarse; es decir, la energía que cede el cuerpo que está a mayor temperatura debe ser igual a la que gana el cuerpo frío.
Qcedido= Qabsorbido
Cuando se mezclan dos sustancias a distinta temperatura, una caliente de masa m1, calor específico c1 y temperatura T1, y otra fría de masa m2, calor específico c2, y temperatura T2, al poco tiempo la mezcla alcanza la misma temperatura final Tf. De la ecuación anterior se deduce:
m1 c1 (T1-Tf) = m2 c2 (Tf-T2)

Ley de Coulomb

La ley de Coulomb fue estudiada en 1785 por medio de un instrumento llamado balanza de torsión, en el cual se pudo realizar mediciones que permitían establecer el valor de la fuerza de interacción entre cargas eléctricas.
En esta experiencia se pudo además constatar que cargas del mismo signo se repelen y cargas de signos contrarios se atraen.


Enunciado de la ley de Coulomb (en el vacío): La fuerza F de acción recíproca entre cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas eléctricas (q y q') e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa (d).

Siendo: K la constante =9x109 N.m2/C2
q y q’ cargas eléctricas, medidas en C (Coulomb*)
d la distancia medida en metros

*Un Coulomb es el valor de una carga tal que repele a otra igual colocada a un metro de distancia con una fuerza de 9.109 N.

La ley de Coulomb permite establecer el valor de la fuerza de interacción entre cargas eléctricas.

La Ley de Gravitación Universal permite establecer el valor de la atracción que tiene lugar entre dos cuerpos con masa


Por tanto:
- ambas fuerzas son directamente proporcionales al producto de las materias que obran recíprocamente (masa y carga).
- ambas fuerzas son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia que los separa.

La ley de Gravitación Universal puede ser solamente de atracción. (La fuerza entre masas es siempre atractiva).






La ley de Coulomb puede ser de atracción o repulsión.

Además, la magnitud de la fuerza eléctrica de Coulomb depende del medio que separa las cargas, mientra que la fuerza gravitacional es independiente del medio.

Condensador eléctrico

Un condensador eléctrico es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico.
Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas, en situación de influencia total (todas las lineas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra) separadas por un material dieléctrico o por el vacío. Las placas, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total. (es decir, que se compone de un terminal positivo y negativo muy unidos, separados únicamente por un aislante. )

Aunque desde el punto de vista físico un condensador no almacena carga ni corriente eléctrica, sino simplemente energía mecánica latente; al ser introducido en un circuito se comporta en la práctica como un elemento "capaz" de almacenar la energía eléctrica que recibe durante el periodo de carga, la misma energía que cede después durante el periodo de descarga.

 Experiencia: campanas de Franklin


 Termómetros

El termómetro es un instrumento de medición de temperatura.
Inicialmente se fabricaron aprovechando el fenómeno de la dilatación, por lo que se prefería el uso de materiales con elevado coeficiente de dilatación, de modo que, al aumentar la temperatura, su estiramiento era fácilmente visible. El metal base que se utilizaba en este tipo de termómetros ha sido el mercurio, encerrado en un tubo de vidrio que incorporaba una escala graduada. El mercurio se dilata a temperaturas de a partir de 35 ºC, por lo que es el mas apto para medir temperaturas corporales.
El termómetro de mercurio fue inventado por Gabriel Fahrenheit en el año 1714.

Aunque a parte del termómetro de mercurio hay otros: de presión o tensión, eléctricos, pirómetros...


Escalas de temperatura

La escala térmica más usada es la centígrada (°C). En esta escala, el cero (0°C) y los cien (100°C) grados corresponden respectivamente a los puntos de congelación y de ebullición del agua, ambos a la presión de 1 atmósfera.
Otras escalas termométricas son:
Fahrenheit (°F). El grado Fahrenheit es la unidad de temperatura en el sistema anglosajón de unidades, utilizado principalmente en EEUU.
Su relación con la escala Celsius es: °F = °C × 9/5 + 32 ; °C = (°F − 32) × 5/9
Réaumur (ºR), actualmente en desuso. Su relación con la escala Celsius es:
°R = °C × 4/5 ; °C = °R × 5/4
Kelvin (TK) o temperatura absoluta, es la escala de temperatura del SI. Aunque la magnitud de una unidad Kelvin (K) coincide con un grado Celsius (°C), el cero absoluto se encuentra a -273,15 °C ( inalcanzable según el tercer principio de la termodinámica).
Su relación con la escala Celsius es: TK = °C + 273,15

Equilibrio de los cuerpos

El centro de gravedad de un cuerpo es el punto respecto al cual las fuerzas que la gravedad ejerce sobre los diferentes puntos materiales que constituyen el cuerpo producen un momento resultante nulo.
El c.g. de un cuerpo no corresponde necesariamente a un punto material del cuerpo. Así, el c.g. de una esfera hueca está situado en el centro de la esfera que, obviamente, no pertenece al cuerpo.


El equilibrio forma parte de nuestra vida cotidiana, y está fuertemente relacionado con la fuerza de rozamiento. Sin ella, sería casi imposible lograrlo.
A continuación te mostramos un experimento casero muy sencillo para comprobar el equilibrio de una moneda sobre la arista de un papel:

video


Experimento de Cavendish: Balanza de Torsión


El experimento de Cavendish constituyó la primera medida de la constante de gravitación universal (G) y, por lo tanto, la primera determinación de la masa de los planetas y del Sol. Historia: En un principio, John Michell construyó una balanza de torsión para estimar el valor de la constante de gravitación universal. Sin embargo murió sin poder completar su experimento y el instrumento que había construido llegó a manos de Henry Cavendish.
Éste se interesó por la idea de Michell y reconstruyó el aparato, realizando varios experimentos muy cuidadosos con el fin de determinar la densidad media de la Tierra («pesar el mundo»). Sus informes aparecieron publicados en 1798 en la publicación Philosophical Transactions de la Royal Society.
El instrumento consistía en una balanza de torsión con una vara horizontal en cuyos extremos se encontraban dos esferas de plomo de idéntica masa. Esta vara colgaba suspendida de un largo hilo. Cerca de las esferas, Henry Cavendish dispuso dos esferas de plomo de unos 175 kg cada una, cuya acción gravitatoria debía atraer las masas de la balanza produciendo un pequeño giro sobre ésta. Para impedir perturbaciones causadas por corrientes de aire, Cavendish emplazó su balanza en una habitación a prueba de viento y midió la pequeña torsión de la balanza utilizando un microscopio.
Para realizar el experimento tuvo que tener mucho cuidado, de hecho, no pudo medir desde la misma sala porque las masas se atraen, y si él hubiera entrado en la sala, sería una masa más e interferiría en el experimento.
Consiguió con el experimento hallar el valor de la gravitación universal G: 6,74·10-11 , sin a penas margen de error, pues su valor real es 6,67·10-11.


¿Qué es el magnetismo?

El magnetismo es un fenómeno físico por el que los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el hierro, cobalto, níquel y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético.
Si realizásemos la experiencia deberíamos evitar materiales magnéticos como los ya citados y objetos que los contengan, ya que podrían verse influidos por campos magnéticos y perjudicar al experimento.




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