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En
esta entrada vamos a resolver las cuestiones propuestas tras leer el
capítulo de Cavendish del libro De
Arquímedes a Einstein.
1-
En el capítulo se menciona que Cavendish entró a formar parte de la
Royal
Society en
1760. Newton y Hooke,
entre otros ilustres científicos, también formaban parte de ella.
Describe brevemente qué es la Royal Society, cuáles son sus
principales objetivos, cuáles han sido sus logros más importantes a
lo largo de la historia y qué otros ilustres científicos han
formado parte de ella.
La
Royal Society de Londres es una prestigiosa academia científica
inglesa que fue fundada en 1660 por importantes personajes en el
mundo de la ciencia y la cultura. Sigue conservando su fundación y
el carácter de institución independiente y no pública.
El
objetivo principal de esta academia es promocionar y difundir la
investigación científica. Entre los científicos pertenecientes a
la Royal Society los más destacados son Boyle, Newton y Darwin. El
prestigio de esta academia viene del siglo XVII, cuando algunos
cientificos decidieron poner a disposición de la humanidad el
conocimiento científico. Sin embargo, los descubrimientos más
recientes se discutían de forma privada en el llamado “colegio
invisible”.
Los
miembros más ilustres que fundaron o formaron parte de la Royal
Society fueron:
Charles
Darwin, Robert
Boyle, Robert
Hooke, Benjamin
Franklin, John
Wallis, John
Wilkins, Thomas
Wil,
sir Humphry Davy,
Sir Home Riggs Popham,
Sir Christopher Wren,
Sir Isaac Newton
(demostró su teoría
de la óptica ante los miembros de la sociedad y posteriormente se
convirtió en presidente de ésta), Thomas
Bayes (presentó
su teorema por primera vez ante esta sociedad), Lewis
Fry Richardson,
Abraham de Moivre,
Christiaan Huygens,
Anton van Leeuwenhoek,
Stephen Hawking
y Richard Dawkins
2-
De acuerdo con el libro, Cavendish midió la comnposición química
del aire. Realiza un diagrama de sectores con una hoja de cálculo
que incluya los gases más importantes por su abundancia y compara
tus resultados con los que muestra el libro. Investiga qué es el
flogisto y por qué cayó en desuso.
¿Qué
es el flogisto? / La teoría del flogisto
Según
las antiguas concepciones griegas, todo lo que puede arder contiene
dentro de sí el elemento fuego,
que se libera bajo condiciones apropiadas.
En
1702, Georg Ernest Stahl, desarrolló la teoría del flogisto para
poder explicar la combustión. El flogisto o principio inflamable,
descendiente directo del "azufre" de los alquimistas y del
antiguo elemento "fuego", era una sustancia imponderable,
misteriosa, que formaba parte de los cuerpos combustibles. Cuanto más
flogisto tuviese un cuerpo, mejor combustible era. Los procesos de
combustión suponían la pérdida del mismo en el aire. Lo que
quedaba tras la combustión no tenía flogisto y, por tanto, no podía
seguir ardiendo. El aire era indispensable para la combustión, pero
con carácter de mero auxiliar mecánico.
Es
aquí donde falla la teoría del flogisto: Las reacciones de
calcinación de los metales se interpretaban a la luz de esta teoría
del siguiente modo: el metal, al calentarse perdía flogisto y se
transformaba en su cal. ¿Cómo la cal es más pesada que el metal
correspondiente, pese a que éste ha perdido flogisto?. Este problema
sin resolver no era tan serio en el siglo XVIII como nos parece hoy a
nosotros. Mientras la teoría del flogisto explicase los cambios de
aspecto y las propiedades, cabía ignorar las variaciones en la masa.
Lavoisier demostró la inexistencia del flogisto.
3-
Cavendish realizó importantes descubrimientos de Química. Investiga
sobre las propiedades del Hidrógeno y sobre la composición química
del agua.
EL
HIDRÓGENO:
En
1766, Henry Cavendish fue el primero en reconocer el hidrógeno
gaseoso como una sustancia discreta, identificando el gas producido
en la reacción metal – ácido como “aire inflamable” y
descubriendo que la combustión del gas generaba agua.
Una
de las propiedades de los elementos no metales como el hidrógeno es
por ejemplo que los elementos no metales son malos conductores del
calor y la electricidad. El hidrógeno, al igual que los demás
elementos no metales, no tiene lustre. Debido a su fragilidad, los no
metales como el hidrógeno, no se pueden aplanar para formar láminas
ni estirados para convertirse en hilos.
El
estado del hidrógeno en su forma natural es gaseoso. El hidrógeno
es un elmento químico de aspecto incoloro y pertenece al grupo de
los no metales. 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 común tiene un peso molecular de 2.01594. El gas tiene
una densidad de 0.071 g/l a 0ºC y 1 atm. Su densidad relativa,
comparada con la del aire, es de 0.0695. El hidrógeno es la
sustancia más inflamable de todas las que se conocen. El hidrógeno
es un poco más soluble en disolventes orgánicos que en el agua.
Muchos metales absorben hidrógeno. La adsorción del hidrógeno en
el acero puede volverlo quebradizo, lo que lleva a fallas en el
equipo para procesos químicos.
A
temperaturas ordinarias el hidrógeno es una sustancia poco reactiva
a menos que haya sido activado de alguna manera; por ejemplo, por un
catalizador adecuado. A temperaturas elevadas es muy reactivo.
LA
COMPOSICIÓN DEL AGUA
El
agua está formada por dos átomos de hidrógeno (H) y un átomo de
oxígeno (O) unidos mediante dos enlaces covalentes. Además, el agua
se comporta como un dipolo, lo que quiere decir que tiene dos
regiones con una cierta carga eléctrica. Una de ellas es positiva y
la otra negativa.
El
hecho de que el agua sea un dipolo se debe a que el hidrógeno y el
oxígeno son elementos muy distintos electronegativamente. En el
caso del agua, el oxígeno es un átomo muy electronegativo, mientras
que el hidrógeno es un átomo muy poco electronegativo. Los
electrones que comparten en los dos enlaces covalentes que presenta
la molécula de agua están “desplazados” hacia la región
ocupada por el oxígeno. Esto implica que esa zona tenga un poco más
de carga negativa, mientras que los hidrógenos tienen diferenciales
de carga positiva. Decimos que tiene diferenciales de carga para
resaltar que el agua no es una molécula cargada eléctricamente, ya
que no es un ión.
4-
¿Qué es el calor específico de una sustancia? Lee las páginas 161
a 170 de tu libro de texto.
El
calor específico es la cantidad de calor que se necesita por unidad
de masa para elevar la temperatura un grado Celsio.
El
calor específico del agua es 1 caloría/gramo °C = 4,186
julios/gramo °C que es mas alto que el de cualquier otra sustancia
común. Por ello, el agua desempeña un papel muy importante en la
regulación de la temperatura. El calor específico por gramo de agua
es mucho mas alto que el de un metal. En la mayoría de los casos es
mas significativo comparar los calores específicos molares de las
sustancias.
De
acuerdo con la ley de Dulong y Petit, el calor específico molar de
la mayor parte de los sólidos, a temperatura ambiente y por encima,
es casi constante. A mas baja temperatura, los calores específicos
caen a medida que los procesos cuánticos se hacen significativos. El
comportamiento a baja temperatura se describe por el modelo
Einstein-Debye para el calor específico.
5-
Cavendish también fue un adelantado a su tiempo. Aunque no entró en
la histora por su descubrimento, ¿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
(recuerda la actividad Explicación
matemática de la LGU)
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.
Un
condensador, también llamado capacitor, es un componente eléctrico
que almacena carga eléctrica, para liberarla posteriormente. También
se suele llamar capacitor. En la siguiente imagen vemos varios tipos
diferentes.
7-
Cavendish inventó
un termómetro que funcionaba sin mercurio, pero, ¿cómo funciona un
termómetro?
¿Qué tipos de escalas térmicas existen? Lee las páginas 163-165
de tu libro de texto. Además es interesante que tanto para esta
cuestión como para la cuetión 4, sigas este recurso.
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.
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
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 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.
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 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.
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 magnetismo?
¿qué otros materiales evitarías en caso de diseñar la
experiencia?
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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