Actividad 5: CAVENDISH. LA CONSTANTE DE GRAVITACIÓN UNIVERSAL

En esta entrada de blog trataremos diferentes aspectos relacionados con la vida y logros de Henry Cavendish, un científico de personalidad extravagante, que ha pasado a la historia principalmente por el hecho de que nos permitió medir la constante de gravitación universal (G). El experimento que le ha dado la fama, el cual nos ha aportado ese dato de una manera bastante precisa, fue ideado previamente por John Michell, que llegó a montar el experimento, pero murió sin haberlo completado, dejándole el instrumento a Francis John Hyde Wollaston, que a su vez le entregó éste a Henry Cavendish. Cavendish reconstruyó el aparato de Michell, pero con la finalidad de hallar la densidad de la Tierra, no la de hallar el valor de G.
Cavendish publicaba sus hallazgos en la Royal Society, sociedad de la cual Cavendish fue miembro.

ROYAL SOCIETY

Nullius in verba

Se trata de la más antigua sociedad científica del Reino Unido, y una de las más antiguas de Europa, pues se fundó en 1660. En la actualidad, a pesar de ser una institución privada, hace las veces de Academia Nacional de Ciencias y es miembro del Consejo Científico Británico desde el año 2000. La Sociedad es gobernada por su Consejo, que está encabezado por el Presidente de la Sociedad. Los miembros del Consejo y el Presidente son elegidos por los integrantes de la Sociedad. El Presidente actual de la Sociedad es Sir Paul Nurse y el que ocupará el puesto el 1 de diciembre de 2015 es Sir Venki Ramakrishnan. El lema de la Sociedad es Nullius in verba, que significa en inglés "Take nobody's word for it", un lema que promueve que cada uno demuestre por sí mismo todo lo que se le diga, y que no se lo crea simplemente.
El origen de esta sociedad está en un grupo de doctores y filósofos naturales que se encontraban en distintas localizaciones y que estuvieron bajo la influencia de la "nueva ciencia" promovida por Francis Bacon.
Esta sociedad tiene diversas funciones y actividades, entre las cuales está apoyar a la ciencia moderna distribuyendo 42 millones de dólares para financiar aproximadamente 600 investigaciones, e innovación y becas para investigaciones. La Sociedad actúa además como consejera de la Comisión Europea y de las Naciones Unidas en asuntos relacionados con la ciencia, publica anualmente varios informes y sirve como Academia de Ciencias del Reino Unido.
De una página web lanzada por la Royal Society llamada Traiblazing, podemos extraer la siguiente lista de científicos pertenecientes a la Royal Society y sus contribuciones a la ciencia.

• Isaac Newton-- Teoría de la luz y los colores.
• Antonie van Leeuwenhoek-- Observación de "pequeños animales" (microorganismos) en agua de charca.
• Edmund Halley-- Observación de un eclipse total de sol en abril de 1715.
• Cheselden-- Consiguió hacer que un niño de 14 años recuperara la vista.
• John Hadley-- Instrumento para medir ángulos.
• Benjamin Franklin-- Sugirió que se podía recoger electricidad en una cometa durante una tormenta eléctrica.
• John Dollond--Refracción de la luz a través de lentes acromáticas.
• Edmund Stone-- La corteza de sauce como cura para la fiebre.
• Edmund Halley-- Observaciones en el tránsito de Venus.

Probablemente el mayor logro de esta Sociedad fue permitir que los científicos de la época comunicaran sus ideas y publicaran sus hallazgos, de modo que toda la comunidad científica podía estar al tanto a través de la Sociedad. La Royal Society pudo haber sido un factor contribuyente al avance de la ciencia.
Cavendish estudió además la composición química del aire. En los siguiente diagramas de sectores se muestran los gases más importantes presentes en el aire, con los datos que poseemos en la actualidad:

A continuación mostraremos en constraste los datos obtenidos por Cavendish en sus cálculos de la composición del aire:

Lo que Cavendish bautizaba con el nombre de aire flogistizado sería lo que actualmente es llamado nitrógeno y argón, y el aire deflogistizado sería el valor del oxígeno.
De esta forma podemos apreciar que la diferencia entre los datos obtenidos por Cavendish y los que poseemos en la actualidad es mínima, e incluso despreciable.

Flogisto

El flogisto es una sustancia hipotética que representa la inflamabilidad, se trata de una teoría científica actualmente obsoleta que fue formulada por Stahl, por la cual toda sustancia que pueda sufrir una combustión, contiene flogisto. Suponiendo que los metales están formados por una cal y un principio inflamable, la calcinación (formación de cal) se podría explicar como la combustión, como el desprendimiento de flogisto, el cual se liberaba del metal y dejaba al descubierto la cal. La reducción de la cal a un metal, que sería el proceso inverso se debería explicar como la adición de flogisto. Por ejemplo, el carbón que era considerada una sustancia rica en flogisto, al ponerse en contacto con una cal metálica, podía reintegrar el metal. 

El flogisto era considerado una sustancia carente de peso, que durante la combustión de la sustancia en la que se encontraba se separaba en forma de llamas, dejando un residuo incombustible conocido como la sal.
Priestley introdujo a esta teoría los términos de "aire flogistizado" y "aire deflogistizado". El residuo de aire que quedaba tras el proceso de combustión (que en realidad es una mezcla de nitrógeno y dióxido de carbono) recibió el nombre de aire "aire flogistizado", debido a que consideraba que tras la combustión este aire había absorbido la mayor cantidad de flogisto que tenía la capacidad de albergar y el "aire deflogistizado" era el nombre que recibía el aire que podía soportar la combustión durante más tiempo.
Lavoisier criticó esta teoría y mediante experimentos demostró su invalidez. Efectivamente, la existencia del flogisto explicaría la pérdida de masa de un cuerpo tras una combustión, pero después de haber realizado Lavoisier, experimentos con plomo, azufre y estaño, observó que la masa del residuo generado por uno de ellos tras la combustión era de mayor masa a la que tenía la sustancia inicialmente. Esta evidencia científica daba por inválida la teoría del flogisto y la condenaba al olvido, debido a que si asimilaramos la teoría tendríamos que considerar en esos casos el peso del flogisto, como negativo. Lavoisier en uno de sus experimentos colocó una pequeña cantidad de mercurio flotando sobre agua en un recipiente que cerró con una campana de vidrio, y luego provocó la combustión del mercurio. Si la teoría del flogisto fuera cierta, el mercurio debería quedar menos sumergido tras la combustión y el volumen del aire de dentro de la campana debería aumentar por la presencia de flogisto, pero los resultados obtenidos tras este experimento contradijeron la teoría del flogisto. Lo que Lavoisier observó después de realizar este experimento fue que las sustancias que se queman se combinan con el oxígeno del aire, y de esta forma adquieren un peso peso mayor. El aire que está en contacto con la sustancia que entra en combustión pierde oxígeno y, consecuentemente, también obtiene un volumen menor, no lo gana como dice la teoría del flogisto.

EXPERIMENTO PARA COMPROBAR LA PRESENCIA DE DIÓXIDO DE CARBONO EN EL AIRE QUE EXHALAMOS

Un vaso, al cual le hemos añadido esencia de limón, ha entrado en contacto con dióxido de carbono del aire que exhalamos durante la respiración. Con las siguientes imágenes, podemos comprobar la transición del tono de agua en el vaso.

El agua con esencia de limón tiene un tono transparente inicialmente

Al exhalar sobre el agua con limón el agua adquiere un tono turbio o lechoso por la presencia de CO2 en el aire que exhalamos

EXPERIMENTO PARA COMPROBAR LA PRESENCIA DE VAPOR DE AGUA EN EL AIRE QUE EXHALAMOS

Al exhalar sobre un espejo queda vapor de agua sobre su superficie por la presencia de éste en el aire exhalado.

Propiedades del Hidrógeno y composición química del agua.

                                                         

Las propiedades químicas del hidrógeno son las siguientes:

En condiciones normales, el hidrógeno es un gas incoloro, inodoro y sin sabor.

Es la molécula más pequeña conocida.

La densidad del hidrógeno es de 76 Kg./m^3, y cuando se encuentra en estado de gas, la densidad es de 273 kg./ L.

Posee una gran rapidez de transición, cuando las moléculas se encuentran en fase gaseosa. Debido a esta propiedad, hay ausencia casi total, de hidrógeno en la atmósfera terrestre.

Facilidad de efusión, así como también de difusión.

Optima conductividad calorífica

Punto de fusión de 14025 K.

Punto de ebullición de 20268 K

Las propiedades físicas del hidrógeno son las siguientes:

Tiene un peso atómico de 100974 uma.

Posee un estado de oxidación de +1, -1.

Completa su nivel de valencia con un electrón capturada, para así poder producir el anión H^-.

Se combina con los metales alcalinos y alcalinotérreos (menos con el berilio y magnesio), a través de enlaces iónicos.

Forma enlaces tipo covalentes, con los no metales.

Forma enlaces metálicos con los elementos de transición.

El hidrógeno, H^+, siempre se encuentra asociado a otro elemento, menos en el estado gaseoso.

Posee una estructura cristalina hexagonal.

Reacciona con la gran mayoría de los elementos de la tabla periódica.

Composición química del agua:

                                      
El agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, unidos por enlaces covalentes, que hacen que se forme un triángulo con un ángulo de 104,45º.El oxígeno es un átomo muy electronegativo y el hidrógeno es un átomo muy poco electronegativo, lo que hace que los electrones que comparten en los dos enlaces covalentes que presenta la molécula de agua están “desplazados” hacia la región ocupada por el oxígeno

4- Calor específico

El calor específico se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a una unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad.
La unidad del calor específico en el SI es J/kg·kg
Las ecuación del calor específico (c) es la siguiente.


Siendo Q la transferencia de energía, m, la masa de la sustancia, y siendo el delta de T, el incremento de temperatura.
A continuación muestro una tabla dónde se indica el calor específico de algunas sustancias.

Ley de Coulomb

Esta Ley dice así:

"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."

Esta Ley fue enunciada por Charles-Augustin de Coulomb, y fue la base de la electroestática.

La fórmula que define esta ley es la siguiente:

Siendo F, la fuerza de interacción entre las cargas, siendo q1 y q2, las cargas de dos cuerpos, siendo r la distancia entre ambos cuerpos y siendo K la constante de proporcionalidad de Coulomb. De la fórmula podemos extraer que cuando las cargas de los cuerpos aumentan, la fuerza de interacción aumenta proporcionalmente, de manera que si el valor de una de las cargas se triplica, la fuerza de interacción entre ambas cargas lo hará también.

Esta ley, sólo tiene validez en condiciones de reposo, es decir, cuando no existe movimiento de las cargas o, cuando el poco movimiento existente se da a velocidades bajas y en trayectorias rectilíneas uniformes. Es por ello que la fuerza de interacción definida en esta ley, recibe el nombre de fuerza electrostática. 

Indudablemente esta Ley guarda denotables parecidos con la Ley de Gravitación Universal, que como ya mencionamos en nuestra entrada de blog previa se define de la siguiente manera:

Siendo F, la fuerza gravitatoria, siendo G, la constante de gravitación universal, siendo M y m las masa de los cuerpos entre los cuales existe una atracción gravitatoria y siendo d (también llamado r), la distancia entre los cuerpos.

Comparativa entre la Ley de Coulomb y la Ley de Gravitación Universal

Es notable que ambas leyes de manera extremadamente análoga definen fuerzas de interacción entre dos cuerpos en la naturaleza. La proporcionalidad directa entre las masas en la Ley de Gravitación Universal es comparable a la existente entre las cargas de la Ley de Coulomb, al igual que en ambas leyes la fuerza de interacción es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los cuerpos entre los cuales se ejerce la fuerza. Además, existe una constante en ambas que hace que la fuerza de interacción sea directamente proporcional al producto de las masas (LGU) o cargas (Ley de Coulomb) entre la distancia al cuadrado.
A pesar de los irrefutables parecidos entre ambas leyes, existen dos diferencias claras que las diferencian:

1. La fuerza gravitatoria es siempre atractiva, mientras que la fuerza de interacción entre cargas eléctricas puede ser repulsiva. Las masas que estudiamos con el LGU, nunca pueden ser negativas, siempre son positivas, lo que hace que la fuerza gravitatoria siempre sea positiva, es decir atractiva. Por otro lado las cargas eléctricas pueden ser negativas o positivas, y consecuentemente la fuerza de interacción entre ellas puede ser repulsiva o atractiva.
2. La magnitud de la fuerza gravitatoria suele ser menor que la magnitud de la fuerza electroestática. Para demostrar esta relación compararemos la fuerza gravitatoria existente entre un protón y un electrón en un átomo de oxígeno con la fuerza de interacción entre un protón y un electrón en un átomo cualquiera.

Fuerza gravitatoria entre protón (p) y electrón (e):

Fuerza eléctrica entre protón (p) y electrón (e):

Podemos observar que siendo la constante de Coulomb distinta de la Constante de Gravitación Universal y siendo las cargas distintas de la masa, en conclusión obtenemos una fuerza mayor en el caso de la fuerza eléctrica obtenida mediante la ley de Coulomb.

Condensador eléctrico

Un condensador eléctrico o capacitor es un dispositivo cuya función es llevar a cabo un almacenamiento de energía sustentando un campo eléctrico. Su estructura posee dos superficies conductoras que suelen ser placas o láminas, separadas por un material dieléctrico o por el vacío. Las placas se encuentran en una situación de diferencia potencial, y una de ellas está cargada positivamente mientras que la otra está cargada de manera negativa, causando de esta forma que el condensador tenga una variación de carga total nula. El condensador almacena energía mecánica latente, de manera que ésta entra en el circuito y se comporta como un elemento capaz de almacenar energía eléctrica que recibe durante el período de carga.
La carga almacenada es proporcional a la diferencia potencia entre una placa y otra. Al realizar la conexión de un condensador en un circuito, la corriente eléctrica empieza a circular por éste. Mientras se da este proceso, el condensador va almacenando carga entre sus placas. Cuando el condensador se encuentra totalmente cargado, la corriente cesa su circulación. Si la fuente extraída y se sitúan el condensador y la resistencia en paralelo, la carga empieza a fluir de una de las placas del condensador a la otra a través de la resistencia, hasta que la carga es nula en las dos placas. Cuando esto ocurre, la corriente comienza a circular en sentido contrario al que circulaba mientras el condensador se cargaba.

Termómetro

Cavendish inventó un termómetro que nada tenía que ver con los de mercurio o de azogue que eran los que se utilizaban en aquella época. No se sabe qué sustancia era la que llevaba ese termómetro, pero sí se sabía que tenía una mayor precisión. Pero, ¿qué es un termómetro? Se trata de un instrumento de medición de temperatura. Los termómetros se calibran mediante dos valores cualesquiera que se marcan dos estados de referencia que reciben el nombre de puntos fijos. Los estados de referencia que son elegidos de manera más común son:

• Fusión del hielo: Temperatura a la que coexisten agua en estado sólido (hielo) y agua en estado líquido a una presión de 1atm.
• Ebullición del agua: Temperatura a la que coexisten agua en estado líquido y agua en estado gaseoso (vapor) a una presión de 1atm.

 Los dos tipos de termómetro más conocidos son:

• Termómetro de mercurio o de alcohol coloreado:

Este tipo de termómetro basa su funcionamiento en la contracción y dilatación gradual que se produce en los volúmenes de las sustancias a causa de los cambios de temperatura. Este sistema de medición permite que se mida de forma real la temperatura ambiente, sin que un objeto cercano que irradie calor, afecte a la correcta medición de la temperatura del aire. El mercurio a temperatura ambiente permanece en estado líquido y se dilata o contrae dependiendo de la variación de la misma, permitiendo así la medición de la temperatura.

• Termómetro digital:

Se vale de dispositivos transductores para la medición, y emplea luego circuitos electrónicos para convertir en números las mínimas variaciones de tensión obtenidas, mostrando tras la medición la temperatura en un visualizador digital.

Escalas térmicas

• Escala Celsius:

En esta escala el valor 0 corresponde a la temperatura de fusión del hielo y el valor de 100 a la temperatura de ebullición del agua. El intervalo existente entre 0 y 100 se divide en 100 partes iguales, y cada una, recibe el nombre de grado Celsius (ºC). Se trata de una escala centígrada.

• Escala Fahrenheit:

Se trata de una escala, cuyo uso todavía está extendido en los países anglosajones. A los dos estados de referencia les corresponden los valores de 32 (punto de fusión del hielo)y 212 (punto de ebullición del agua) grados. El intervalo existente entre los dos puntos fijos se divide en 180 partes iguales, y cada una recibe el nombre de grado Fahrenheit (ºF). La razón por la que los estados de referencia del agua son tan dispares se debe a que Fahrenheit eligió diferentes estados de referencia a los que fueron elegidos por Celsius, pues marcó como 100ºF la temperatura media en el interior del cuerpo de una persona sana, como 0ºF la temperatura de una mezcla a partes iguales de hielo, sal y agua.

• Escala absoluta/ Escala Kelvin:

La escala absoluta fue propuesta por Kelvin y es la medida de temperatura del SI. El valor de 0 se le asigna a la temperatura más baja que puede existir en el Universo. En esta temperatura la velocidad de las moléculas es nula e inalcanzable, consecuentemente. Por esta razón en esta escala no existen

Centro de gravedad

 

La fuerza más corriente que actúa sobre un cuerpo es su propio peso. En todo cuerpo por irregular que sea, existe un punto tal en el que puedo considerarse en él concentrado todo su peso, este punto es considerado el centro de gravedad. El centro de gravedad puede ser un punto exterior o interior del cuerpo que se considere.

El conocimiento de la posición de los centros de gravedad es de gran importancia en la resolución de problemas de equilibrio, ya que son los puntos de aplicación de los vectores representativos de los respectivos pesos.

CARACTERÍSTICAS

- El centro de gravedad puede estar dentro o fuera del cuerpo.

- El centro de gravedad de un cuerpo quedará perfectamente determinado con respecto a un eje de coordenadas, por una abscisa (x) y una ordenada (y).

-El centro de gravedad no varía con su posición,pero sí depende de su forma geométrica.

- Si un cuerpo presentase un eje de simetría el centro de gravedad se encontrará en un punto contenido en dicho eje

-Se a un cuerpo se le aplica una fuerza igual al peso, pero en sentido contrario y en el centro de gravedad, dicho cuerpo permanecerá en equilibrio, independientemente de lo que pudiera inclinarse el cuerpo respecto al centro de gravedad.

CLASIFICACIÓN

Experimento de Cavendish

Magnetismo