- CAVENDISH -
- LA CONSTANTE DE GRAVITACIÓN UNIVERSAL -
En el capítulo se menciona que Cavendish entró a formar parte de la Royal Society en 1760. ¿qué es esta sociedad? La Royal Society es una organización británica que según anuncia en su página web “reúne a los científicos más eminentes” creando así la academia científica más antigua que existe hoy en día.
Su fundación data de 1662 y desde entonces, han pasado por su sede numerosos científicos de nivel internacional tales como Charles Darwin, Robert Boyle, John Evelyn, Robert Hooke, William Petty, Gottfried Leibniz, Benjamin Franklin, John Wallis, John Wilkins, Thomas Willis, Sir Home Riggs Popham, Sir Christopher Wren, Sir Isaac Newton, Thomas Bayes, Lewis Fry Richardson, Christiaan Huygens o Stephen Hawking. En sus inicios se celebraban reuniones semanales clandestinas a las que acudían los
más interesados científicos a debatir sobre temas no relacionados con la actualidad o la religión, ya que buscaban seguir La Nueva Filosofía, como apodaron a la ciencia, que se oponía a la religión que había predominado en Europa los siglos anteriores. Bajo el lema “en palabras de nadie” buscan seguir el camino de la ciencia para descubrir la verdad. En numerosas ocasiones han conseguido llegar a ella mediante varios experimentos realizados en sus salones, como la descomposición de la luz de Newton o el Teorema de Bayes, que vincula la probabilidad de que un suceso, A, dado otro, B, y la probabilidad de que ocurra B dado A.
De acuerdo con el libro, Cavendish midió la composición química del aire. Actualmente sabemos que la composición del aire es la siguiente, representada en el diagrama de sectores:
Nitrógeno (N2)
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78,10%
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Oxígeno (O2)
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20,10%
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Argón (Ar)
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0,90%
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Dióxido de Carbono (CO2)
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0,03%
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Neón (Ne)
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0,002%
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Helio (He)
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0,0005%
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Metano (Ch4)
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0,0002%
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Kriptón (Kr)
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0,0001%
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Hidrógeno (H2)
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0,00005%
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Xenón (Xe)
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0,000009%
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Algunos gases son prácticamente imperceptibles en el diagrama debido a su bajo porcentaje (inferior al 1%). Cavendish realizó experiencias para hallar la composición del aire y llegó a lo siguiente:
Concluyó que el aire está formado por nitrógeno en una proporción de cuatro a uno. Sin embargo refinó aún más sus mediciones concluyendo que el porcentaje de ese gas al que él denominaba “flogistizado” (hoy nitrógeno y argón), era de un 79,167% y el resto, la parte “desflogistizada” que contenía oxígeno, de un 20,833%.
Esta teoría del flogisto intentaba explicar el fenómeno de la combustión y la causa de que algunos elementos fueran combustibles mientras que otros no. Acorde con la teoría esta sustancia que carece de peso se encuentra en todo cuerpo inflamable. Cuando se da la combustión el flogisto se separa del cuerpo en el que se encuentra en forma de llamas, dejando dos tipos de residuos tras el proceso: los sólidos comúnmente llamados herrumbre y los que están en forma de aire llamados “aire flogistizado”. Se pensaba que la combustión era ocasionada porque dicho aire tenía la capacidad de absorber una determinada cantidad de flogisto. El cese de la combustión era explicado diciendo que el aire flogistizado ya no tenía más capacidad de albergar flogisto, por lo que el proceso se detenía.
La idea del “aire desflogistizado” viene cuando se descubre un tipo de aire que es capaz de mantener la combustión más tiempo.
La falsedad de esta teoría fue demostrada por Lavoisier que hizo experimentos con plomo, azufre y estaño, y encontró que la masa del residuo de uno de estos cuerpos después de la calcinación era mayor que el cuerpo inicial, invalidando así
la teoría del flogisto. En efecto, el peso de flogisto habría sido negativo en el caso de los metales, lo que no tiene sentido.
(Lavosier)
Cavendish realizó innumerables descubrimientos científicos, pero destacan el descubrimiento de que el hidrógeno es el elemento más simple y abundante del universo, y de que junto con el oxígeno forma la composición del agua. Es un elemento no metálico que se presenta en su forma natural en estado gaseoso con forma incolora, inodora y sin sabor. Una de sus propiedades más llamativas es que tiene la mayor conductividad térmica de todos los gases y que es extremadamente inflamable.
Una muestra de ello es el accidente con del dirigible “Hindenburg”, en el que todo el hidrógeno que contenía en su interior se inflamó espontáneamente dando lugar a grandes explosiones.
Algunos de sus usos son:
- Como refrigerante en generadores eléctricos.
- Para calibrar algunos termómetros.
- Como gas en globos aerostáticos.
- Detector de fugas.
La cantidad de energía que intercambia un kilogramo de una determinada sustancia cuando se modifica en un kelvin su temperatura es conocida como su calor específico (c). Mientras más elevado sea el calor específico, menos conductor será el material. La unidad del calor específico en el SI es J/kg·K.
En esta entrada también hemos de tener en cuenta la Ley de Coulomb. Pero, ¿qué dice esta ley? Comencemos por enunciarla, junto con la LGU.
Ley de Coulomb:
“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”
La constante de proporcionalidad depende de la constante “dieléctrica” del medio en el que se encuentran las cargas.
Ley de Gravitación Universal:
“La fuerza con la que se atraen dos cuerpos puntuales proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional a la distancia al cuadrado que los separa”
Comencemos a comparar ambas leyes:
Ley de Gravitación Universal
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Ley de Coulomb
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¿Qué magnitud tratan?
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Fuerza gravitatoria
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Fuerza electromagnética
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¿Qué describe la ley?
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Describe la interacción gravitatoria entre dos cuerpos.
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Describe la interacción de fuerzas entre dos cargas.
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Variable directamente proporcional
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El producto de las masas de los cuerpos.
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El producto de la magnitud de ambas cargas.
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Variable inversamente proporcional
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El cuadrado de la distancia entre los cuerpos.
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El cuadrado de la distancia que separa las cargas.
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Constante de proporcionalidad
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La constante de gravitación universal (G) medida por Cavendish mediante una balanza de torsión.
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La constante dieléctrica (Er ) del medio en el que se encuentran las cargas.
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Sentido de la fuerza
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Siempre va a ser una fuerza atractiva debido al signo “-” de su ecuación. Éste indica que la fuerza se opone al vector unitario.
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El sentido depende del signo de las cargas. Si son de igual signo la fuerza será repulsiva. Si son de distinto signo la fuerza será atractiva.
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Seguimos con la comparación, esta vez analizando las gráficas que obtenemos de cada una de las leyes.
- Ley de Gravitación Universal
Gráfica Masa-Fuerza
Gráfica Distancia-Fuerza
- Ley de Coulomb
Gráfica Magnitud de carga - Fuerza
Gráfica Distancia-Fuerza
Tras la comparación podemos concluir que ambas leyes son distintas entre sí, pero a la vez comparten muchas similitudes. La base es la misma, lo que cambia es la aplicación de cada una.
Henry Cavendish fue uno de los precursores de la electricidad. Sus principales descubrimientos fueron la atracción de las cargas eléctricas, que anteriormente explicada como la Ley de Coulomb, y la introducción del concepto de potencial eléctrico. Este término guarda una curiosidad cuando lo relacionamos con Cavendish, ya que, a falta de aparatos de medición, probaba en sus propias carnes la fuerza de las corrientes eléctricas.
Hoy en día podemos almacenar la energía eléctrica en baterías y en condensadores eléctricos. Un condensador eléctrico es un dispositivo de función similar a la de una batería, es decir, se usa para el almacenaje de energía eléctrica, aunque de manera diferente: En una batería cargada, la energía se obtiene de una serie de reacciones químicas de su interior, mientras que en el condensador se carga rápidamente y libera la electricidad de manera rápida. Su uso es amplio hoy en día, desde flashes de cámaras hasta tubos fluorescentes pasando por su incorporación en circuitos para evitar caídas de tensión.
Hoy en día resulta sencillo hacer un condensador con materiales caseros. Lo único que necesitaremos serán unos cables, papel de aluminio y papel encerado. En el siguiente vídeo podemos observar como se fabricarlo. Nos hubiese gustado contar con los materiales necesarios para fabricarlo, sin embargo, ninguno de los integrantes de Batas Blancas teníamos cables, y por disponibilidad de fechas (Sábado y Domingo) nos es imposible adquirir unos. Aquí podemos observar el vídeo en el que se explica la fabricación:
Cavendish inventó un termómetro que funcionaba sin mercurio, pero, ¿cómo funciona un termómetro en realidad? Un termómetro se vale del equilibrio térmico para determinar la temperatura de un cuerpo. Cuando se ponen en contacto un cuerpo caliente y otro frío, las partículas del cuerpo caliente pierden energía cinética al chocar con las partículas del cuerpo frío. Gracias a esto, aumenta la velocidad y la energía cinética de las partículas del cuerpo frío. Esta transferencia termina cuando los dos cuerpos tienen la misma temperatura. En ese instante, se dice que los dos cuerpos están en equilibrio térmico. Cuando nos ponemos un termómetro, empieza la transferencia de temperatura desde nuestro cuerpo al termómetro. Transcurrido un tiempo, la temperatura de nuestro cuerpo es la misma que la del termómetro, y podemos comprobarla fácilmente.
Ahora entremos en las cuestiones relacionadas con el experimento en cuestión. ¿Qué es el centro de gravedad? El centro de gravedad o centro de masas de un cuerpo es el punto en el cual se aplica la resultante de las fuerzas de gravedad que actúan sobre las distintas porciones materiales del cuerpo. En la figura de un humano, el centro de masas suele estar situado en torno al ombligo.
Este punto en concreto es el que permite a los objetos permanecer en equilibrio evitando su caída. Es muy importante tenerlo en cuenta en arquitectura a la hora de edificar, ya que un mal cálculo del centro de gravedad de un elemento podría provocar un accidente.
Una sencilla forma de calcular el centro de masas de un cuerpo es el siguiente:
- Suspender desde una arista una figura y marcar la línea vertical con una plomada.
- Suspender la figura desde otra arista y marcar de nuevo la línea vertical con una plomada. El punto de intersección entre ambas líneas será el centro de masas.
Si queremos poner en alto una figura usando pilares, no es necesario un pilar o pared para todo el perímetro de la figura. Lo que se debe de hacer para ser lo más eficaz posible es hacer coincidir el centro de masas de la figura con el del pilar o polígono que formen los pilares. Por ejemplo:
Techo y su centro de masas.
Pilares y el centro de masas del polígono que forman.
Ambos centros de masas coinciden, el equilibrio es estable.
Aquí nuestra experiencia de centro de masas:
Ahora llegamos al plato fuerte del capítulo. Hablemos de Cavendish y la Constante de Gravitación Universal. La constante de gravitación universal G fue medida por Henry Cavendish haciendo uso de una balanza de torsión. El aparato se compone de dos esferas pequeñas de masa m , fijas a los extremos de una barra horizontal suspendida de un soporte por un alambre o fibra fina que permite la rotación de la misma. Cuando dos esferas más grandes de masa M se colocan próximas a las pequeñas, la fuerza de atracción entre ellas hace que la balanza vire y tuerza el alambre en suspensión a una nueva posición de equilibrio. El ángulo al cual gira la barra se mide por la desviación de un haz luminoso reflejado en un espejo sujetado al cable.
Esta experiencia es realmente delicada de recrear ya que hay infinidad de elementos que pueden influir en el resultado final. Estos son los cambios de temperatura, el ruido, cualquier tipo de vibración, corrientes de aire u otros cuerpos de mayor masa que estén cerca y puedan causar otra fuerza de atracción. Debido a todo esto si intentamos hacer el experimento nosotros mismo será mejor que no estemos presentes en la misma habitación, para así influir lo menos posible.
Para este experimento no hubiera sido muy buena idea usar materiales como el hierro o el acero. Esto es debido al magnetismo. El magnetismo es un fenómeno físico por el cual los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Estos materiales que se atraen a causa de una energía magnética son conocidos como imanes.
Introducir materiales como el hierro o el acero no sería buena idea ya que interactuarían con el campo magnético terrestre, actuando como una brújula, y variarán el resultado final del experimento.
Tampoco sería conveniente emplear otros metales como el níquel, el cobalto o sus aleaciones ya que presentan grandes cualidades electromagnéticas. Definitivamente el material que menos se debe de usar el el neodimio, considerado como el imán más potente del universo puede causar fuerzas inimaginables.
