ACTIVIDAD 5: CAVENDISH
LA CONSTANTE DE GRAVITACIÓN UNIVERSAL
Por: Javier Calatrava, Carlos del Burgo y Álvaro Pérez.
Responde a las siguientes cuestiones:
- 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 real sociedad de Londres o Real Sociedad de Londres para el Avance de la Ciencia Natural (en inglés Royal Society of London for Improving Natural Knowledge) es la más antigua sociedad científica del Reino Unido y una de las más antiguas de Europa. Aunque se suele considerar el año 1660 como el de su fundación, años antes ya existía un grupo de científicos que se reunía con cierta periodicidad. A pesar de ser una institución privada e independiente hace las veces de Academia Nacional de Ciencias en Reino Unido.
Sus principales objetivos son reunir una vez por semana a los científicos más célebres y, para evitar que se desviara la discusión de su propósito original estaba prohibido hablar de la divinidad, asuntos de estado o actualidad, limitándose los temas a tratar a la Nueva Filosofía y materias relacionadas como la medicina, anatomía, geometría, navegación, estática, mecánica, etc.
La real sociedad ha recibido varias medallas:
- Medalla Buchanan, para las ciencias médicas.
- Medalla Copley, para la biología.
- Medalla Darwin, en los campos de la evolución y diversidad biológica.
- Medalla Gabor, para la ingeniería genética.
- Medalla Hughes, en el campo del electromagnetismo.
- Medalla Leverhulme, en torno a la ingeniería química.
- Medalla Royal, para las dos más importantes contribuciones para el adelanto de conocimiento natural.
- Medalla Rumford, por investigaciones científicas excelentes en el campo de las propiedades térmicas u ópticas de la materia.
- Medalla Sylvester, en el campo de las matemáticas.
- Medalla del rey Carlos II, otorgada sólo en tres ocasiones a jefes de estado no británicos que hayan contribuido enormemente al desarrollo científico de sus países.
Otros miembros son:
- 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 (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
- De acuerdo con el libro, Cavendish midió la composición 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. ¿Te atreves con este experimento?
Cavendish determinó la composición del aire después de cientos de experimentos llegando a la conclusión de que estaba formado por nitrógeno en un 79,1%; 20,8% de oxígeno.
La teoría del flogisto es una teoría científica obsoleta según la cual toda sustancia susceptible de sufrir combustión contiene flogisto, y el proceso de combustión consiste básicamente en la decadencia de dicha sustancia. Fue postulada por primera vez en 1667 por el alquimista y físico alemán Johann Becher (1635-1682) para explicar el proceso químico de la combustión. Defendía que todos los objetos están hechos de tierra y agua; una de estas tierras es el azufre o flogisto. Es la sustancia liberada por cualquier sólido al quemarse.
Lavoisier eliminó el flogisto de su explicación de la combustión tras observar los resultados de uno de sus experimentos con mercurio llegando a la conclusión actual:
Las sustancias que se queman se combinan con el oxígeno del aire, por lo que ganan peso. El aire que está en contacto con la sustancia que se quema pierde oxígeno y, por tanto, también volumen.
Con Lavoisier los químicos abandonaron progresivamente la teoría del flogisto y se apuntaron a la teoría de la combustión basada en el oxígeno.
Gases que inhalamos y exhalamos al momento de realizar un proceso de respiración completo:
- El porcentaje de oxígeno en el aire exhalado es menor porque se utiliza en la respiración.
- El porcentaje de dióxido de carbono aumenta porque se produce durante la respiración.
- El porcentaje de nitrógeno no cambia porque el cuerpo no lo puede utilizar.
- La cantidad de agua en el aire inhalado depende del lugar, aunque se exhala más vapor de agua ya que también se produce durante la respiración.
- El aire exhalado también es más cálido y limpio que el inhalado.
3 litros de aire es la media que se puede inhalar de forma forzada, es decir: respirando hondo. De esta manera, podemos calcular que al nitrógeno pertenecen 2,37 litros inhalados y exhalados, a el oxígeno corresponden 0,63 y a el dióxido de carbono 0,0012 litros o 1,2 ml. Se exhalan 0,48 litros de oxígeno y 0,12 litros de dióxido de carbono.
- Cavendish realizó importantes descubrimientos de Química. Investiga sobre las propiedades del Hidrógeno y sobre la composición química del agua.
El Hidrógeno:
- PROPIEDADES:
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.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.
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. Existen 3 isótopos del hidrógeno: el protio, de masa 1, que se encuentra en más del 99.98% del elemento natural; el deuterio, de masa 2, que se encuentra en la naturaleza aproximadamente en un 0.02%, y el tritio, de masa 3, que aparece en pequeñas cantidades en la naturaleza, pero que puede producirse artificialmente por medio de varias reacciones nucleares.
- USOS:
El empleo más importante del hidrógeno es en la síntesis del amoniaco. La utilización del hidrógeno está aumentando con rapidez en las operaciones de refinación del petróleo, como el rompimiento por hidrógeno (hydrocracking), y en el tratamiento con higrógeno para eliminar azufre. Se consumen grandes cantidades de hidrógeno en la hidrogenación catalítica de aceites vegetales líquidos insaturados para obtener grasas sólidas. La hidrogenación se utiliza en la manufactura de productos químicos orgánicos. Grandes cantidades de hidrógeno se emplean como combustible de cohetes, en combinación con oxígeno o flúor, y como un propulsor de cohetes impulsados por energía nuclear.
El Agua:
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. Es decir los átomos de hidrógeno y oxígeno están separados entre sí aproximadamente 0,96 Angstroms (más o menos un nanómetro – una milmillonésima de metro) y el ángulo que forman sus líneas de enlace es de unos 104,45 grados.
Además el agua se comporta como un dipolo, es decir 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 átomos muy distintos desde el punto de vista de la electronegatividad. Es esta una propiedad atómica que indica la forma en que un átomo atrae hacia si los electrones que comparte con otro en un enlace covalente.
En el caso del agua, el oxígeno es un átomo muy electronegativo. 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 (un diferencial) 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, el agua NO ES UN IÓN. El agua, muchas otras, es una molécula polar. Esta polaridad es fundamental para entender las propiedades del agua, porqué el agua se comporta químicamente como lo hace y por extensión su importancia dentro de los seres vivos.
- ¿Qué es el calor específico de una sustancia? Lee las páginas 161 a 170 de tu libro de texto. Seguir recurso.
El calor específico o más formalmente la capacidad calorífica específica de una sustancia es una magnitud física que indica la capacidad de un material para almacenar energía interna en forma de calor. De manera formal es la energía necesaria para incrementar en una unidad de temperatura una cantidad de sustancia; usando el SI es la cantidad de julios de energía necesaria para elevar en un 1 K la temperatura de 1 kg de masa. Se la representa por lo general con la letra c.
Se necesita más energía calorífica para incrementar la temperatura de una sustancia con un alto valor del calor específico que otra con un valor pequeño. Por ejemplo, se requiere ocho veces más energía para incrementar la temperatura de un lingote de magnesio que para un lingote de plomo de la misma masa. El calor específico es pues una propiedad intensiva, por lo que es representativa de cada sustancia, mientras que la capacidad calorífica, de la cual depende, es una propiedad extensiva y es representativa de cada cuerpo particular.
Matemáticamente el calor específico es la razón entre la capacidad calorífica de un objeto y su masa.
El término se originó por el trabajo del físico Joseph Black quien condujo varias medidas del calor y usó la frase “capacidad para el calor”,en ese entonces la mecánica y la termodinámica se consideraban ciencias independientes, por lo que el término podría parecer inapropiado, tal vez un mejor nombre podría ser transferencia de calor específica, pero el término está demasiado arraigado para ser reemplazado.
- ¿Qué es un condensador eléctrico? ¿Serías capaz de fabricar uno con material casero?
Un condensador eléctrico es un dispositivo utilizado en la electrónica que podemos encontrar en gran parte de las baterías, filtros, memorias, el flash de las cámaras fotográficas, el sistema de arranque de los motores, fuentes de alimentación, tubos fluorescentes, etc. También es usado para mantener corriente en un circuito y evitar caídas de tensión en él.
El funcionamiento de los condensadores es simple, para explicarme mejor presento un gráfico:
1 y 3 = placas de cobre o un material conductor
2 = papel o un material dieléctrico
Se aplica corriente ya sea positiva o negativa a el cable 1 de manera que la placa 1 está repleta de esa corriente y sus electrones repelen poco a poco a los de su mismo signo de la placa 3 (ambas placas se encuentran separadas por un material dieléctrico, en nuestro caso un folio de papel). De esta manera, se usan los condensadores para obtener durante un tiempo limitado corriente en el cable 2 al aplicar la corriente suficiente al cable 1 aunque sea durante un tiempo ilimitado. En el momento en el que dejemos de aplicar corriente en la placa 1, la placa 3 recuperará de forma natural los electrones perdidos.
- 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 cuestión 4, sigas este recurso.
Existen diversos tipos de termómetros que se han ido inventando a lo largo de la historia. Algunos están en desuso y/o han podido ser sustituidos por otros más modernos; de todas formas, entre ellos destacan el digital y el clínico de cristal que utiliza mercurio; también existen otros que se siguen utilizando actualmente puesto que se les pueden otorgar diferentes usos como por ejemplo el de alcohol, que se utiliza para medir temperaturas frías. Con un termómetro normal tendríamos más dificultades para llevarlo a cabo.
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 creador del primer termoscopio fue Galileo Galilei; éste podría considerarse el predecesor del termómetro. Consistía en un tubo de vidrio terminado en una esfera cerrada; el extremo abierto se sumergía boca abajo dentro de una mezcla de alcohol y agua, mientras la esfera quedaba en la parte superior. Al calentar el líquido, éste subía por el tubo.
Tipos de termómetros
- Termómetro de mercurio: es un tubo de vidrio sellado que contiene mercurio, cuyo volumen cambia con la temperatura de manera uniforme. Este cambio de volumen se aprecia en una escala graduada. El termómetro de mercurio fue inventado por Gabriel Fahrenheiten el año 1714.
- Pirómetros: termómetros para altas temperaturas, se utilizan en fundiciones, fábricas de vidrio, hornos para cocción de cerámica etc.
Escalas de temperatura
- Centígrada (°C):
La escala más usada en la mayoría de los países del mundo. Llamada Celsius desde 1948 en honor a Anders Celsius(1701-1744). 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.
- Fahrenheit (°F)
Propuesta por Daniel Gabriel Fahrenheit en la revista Philosophical Transactions (Londres, 33, 78, 1724). El grado Fahrenheit es la unidad de temperatura en el sistema anglosajón de unidades, utilizado principalmente en Estados Unidos.
Su relación con la escala Celsius es: °F = °C × 9/5 + 32 ; °C = (°F − 32) × 5/9
- Réaumur (°R)
Actualmente en desuso. Se debe a René-Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757). Su relación con la escala Celsius es: 0 ºR = 0 º C; °R = °C × 4/5 ; °C = °R × 5/4.
- Kelvin (TK) o temperatura absoluta
Es la escala de temperatura del Sistema Internacional de Unidades. Aunque la magnitud de una unidad Kelvin (K) coincide con un grado Celsius (°C), el cero absoluto se encuentra a -273,15 °C y es inalcanzable según el tercer principio de la termodinámica. Su relación con la escala Celsius es: TK = °C + 273,15
- 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: VIDEO
El centro de gravedad de un cuerpo es aquel punto en el que se aplica la resultante de las fuerzas gravitatorias que ejercen su efecto en un cuerpo y no tiene porqué pertenecer a un punto en la masa de dicho cuerpo, puede estar fuera como en el caso de un cubo vacío.
- 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?
En una de las acepciones del principio de equivalencia se dice que la fuerza de gravedad actúa sobre todos los cuerpos de manera independiente a su composición. Así pues, los cuatro cuerpos pueden estar hechos de cualquier material pero cuanto más denso sea mejor ya que la fuerza depende del cuadrado de la distancia entre los dos centros de los cuerpos. Si son de madera tendrán que ser mucho más grandes que si son de plomo de manera que habría que ponerlos más lejos. El material ideal sería el plomo ya que no es difícil de conseguir y cumple las características que buscamos pero nunca hay que tratar con el acero o el hierro porque interactúan con el campo magnético terrestre y construiríamos una brújula en vez de conseguir nuestro objetivo.
El magnetismo o energía magnética es precisamente es un fenómeno físico por el cual los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto 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.
