HENRY CAVENDISH

En esta entrada responderemos a una serie de cuestiones planteadas por nuestros profesores de física en el blog De Arquímedes a Einstein

1. 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 es una organización científica inglesa en la cual los científicos más conocidos se reúnen y comparten sus teorías, ideas. Esta organización fue fundada el día 28 de noviembre de 1660 siendo el resultado de varias décadas de reuniones de un grupo de filósofos que compartían sus conocimientos naturales y discutían sobre sus teorías. En su fundación la Royal society estaba compuesta por doce miembros entre los que destacan Robert Boyle y John Wilkins.

Uno de los logros más importantes conseguidos por un miembro de la Royal Society fue la la de la teoría óptica llevada a cabo por Isaac Newton. Éste demostró su teoría ante todos los miembros de la Royal Society.

Los miembros más ilustres de esta sociedad fueron, entre otros, Charles Darwin, Robert Hooke, Isaac Newton, Robert Boyle, Benjamin Franklin.

2. 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.

Gases	Volumen(%)
Nitrógeno	78,084
Oxígeno	20,946
Argón	0,9340
Dióxido de carbono	0,035
Neón	0,001818
Helio	0,000524
Metano	0,000179
Kriptón	0,000114
Hidrógeno	0,000055
Óxido nitroso	0,00003
Monóxido de carbono	0,00001
Xenón	0,000009
Ozono	de 0 a 7×10−6

Los gases más importantes son el oxígeno, el hidrógeno, el dióxido de carbono y el ozono. El oxígeno es muy porque aparte de ser el segundo elemento más abundante es el elemento del que los seres vivos dependemos para vivir. El dióxido de carbono también es muy importante debido a que es el elemento mediante el cual las plantas realizan su respiración y luego una transformación en oxígeno. El ozono es importante porque cumple una función básica para el adecuado funcionamiento de el planeta Tierra. Este funcionamiento es reducir las radiaciones producidas por el sol lo que mantiene un temperatura adecuada en la superficie terrestre. Por último el nitrógeno es de vital importancia no solo por ser el elemento más abundante en la atmósfera sino que a partir de este elemento los seres vivos (las plantas generalmente) sintetizan sus proteínas. Si comparamos los resultados que he obtenido a partir de la investigación en internet y los comparamos con los que obtuvo Cavendish podemos observar que apenas hay error. Cavendish dijo que el aire flogisticado, argón y nitrógeno, era el 79.167% del aire. El porcentaje de argón y nitrógeno que hoy en día conocemos es de 79.018%. Si calculamos el error relativo veremos que es casi nulo, exáctamente 0.1%. Si observamos la cifra de oxígeno que Cavendish obtuvo, 20.833 y la comparamos con el valor actual, 20.496, veremos que el error relativo es casi nulo, al  igual que con el aire flogisticado.

La teoría del flogisto trataba de explicar la combustión de los cuerpos y decía que todo cuerpo que era susceptible de padecer una combustión contenía flogisto. Esta teoría decía que una vez que las sustancias padecían una combustión el flogisto desaparecía  y que por esa razón los objetos sólo se podían quemar una vez (si se realizaba una combustión completa). Esta teoría fue rebatida por Lavoisier ya que éste demostró que la combustión se debía a un proceso químico.

3. Investiga sobre las propiedades del Hidrógeno y sobre la composición química del agua.

El hidrógeno es el elemento número uno de la tabla periódica. Es un elemento que se encuentra en estado gaseoso a temperatura ambiente. Cuando se encuentra por encima de los -18ºC es un elemento inflamable. Este elemento tiene tres isótopos: el protio, que solo tiene un protón y un electrón; el deuterio, que tiene un protón, un neutrón y un electrón y por último el tritio que tiene dos neutrones un protón y un neutrón.

El hidrógeno tiene varias utilidades. Una de ella es para refinar los combustibles fósiles y mejorar su rendimiento. Antiguamente se usaba en los dirigibles y globos aerostáticos ya que su densidad era menor que la de el aire pero este método cayó en desuso debido a que hubo una serie de accidentes, el más conocido fue el de el dirigible Hindenburg, el cual explotó como consecuencia de una combustión fortuita. También se usa como detector de fugas y en algunas fases de la fisión nuclear.

El agua es una sustancia cuyas moléculas están formadas por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.

4. ¿Qué es el calor específico de una sustancia?

El calor específico es la cantidad de energía que hay que suministrar a una unidad de masa para aumentar su temperatura en una unidad.

5. Cavendish también fue un adelantado a su tiempo. Aunque no entró en la historia por su descubrimiento, ¿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 dice:

La intensidad de las fuerzas electrostáticas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de las dos cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Tienen la misma dirección que la línea recta que las une y la fuerza será de repulsión si el signo de ambas cargas es el mismo o de atracción si es distinto.

Esta ley fue descubierta en un primer instante por Joseph Priestley, en 1766, y redescubierta pocos años después por Henry Cavendish, pero no fue hasta el año 1785 que la ley se tratara de manera directa y se enunciara de forma apropiada. Este último paso lo dio el científico Charles-Augustin de Coulomb, a quien se le atribuye el nombre de dicha ley.

Dicho esto, procederemos a indagar un poco más acerca de esta ley. Lo primero que diremos es que siempre que hablemos de la fuerza entre cargas eléctricas estamos suponiendo que ambas se encuentran en reposo con respecto al sistema de referencia que hayamos elegido para tratar el problema en cuestión. De ahí a que lo denominemos electrostática (electro-hace referencia a la carga eléctrica, estática-que no se mueve).

Puesto que la fuerza electrostática es una magnitud vectorial, podemos decir que se cumple la Tercera Ley de Newton o principio de Acción-Reacción. Diremos entonces que ambas fuerzas son iguales en módulo y dirección, pero opuestas en sentido.

La expresión matemática de la Ley de Coulomb, en módulo, es la siguiente:

En ella, k es una constante conocida como constante de Coulomb.

Una vez dicho todo esto, procederemos a la comparativa entre esta ley y la Ley de Gravitación Universal que, como ya sabemos, dice que:

La fuerza con la que se atraen dos masas puntuales es directamente proporcional a la masa de ambos cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.

	Ley de Coulomb	Ley de Gravitación Universal
¿Para qué sirve?	Mide la intensidad de la fuerza electrostática entre dos cargas puntuales.	Mide la intensidad de la fuerza gravitatoria entre dos masas puntuales.
¿Es repulsiva o atractiva?	Si el signo de ambas cargas es es el mismo, la fuerza es repulsiva, y si es distinto, es atractiva.	Es siempre atractiva.
¿Es universal?	No, ya que tiene las siguientes limitaciones: -Sólo vale para cargas que están en reposo. -Cuando las distancias son muy pequeñas (nivel atómico) hay que realizar una serie de ajustes o correcciones mediante la cuántica.	Sí, ya que siempre que tengamos dos masas puntuales estas van a sufrir una fuerza de atracción directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa
¿Es una fuerza central?	Sí, ya que va de centro de masas a centro de masas de las cargas en cuestión. Por ello decimos que se da en cargas eléctricas puntuales.	Sí, ya que va de centro de masas a centro de masas de los cuerpos en cuestión. Por ello decimos que se da en masas puntuales.
¿Cumple el principio de Acción-Reacción?	Sí, ya que la fuerza electrostática que ejerce una carga sobre la otra es igual en dirección y en módulo pero opuesta en sentido que la que ejerce la última sobre la primera.	Sí, ya que la fuerza gravitatoria que ejerce un cuerpo sobre el otra es igual en dirección y en módulo pero opuesta en sentido que la que ejerce el último sobre el primero.
¿De qué elementos depende?	Depende de la constante de Coulomb, de la magnitud de las cargas y de la distancia que separa ambos cuerpos al cuadrado.	Depende de la Constante de Gravitación Universal, de la masa de los cuerpos y de la distancia que separa ambos cuerpos al cuadrado.

Habiendo comparado ambas leyes, observamos que obviamente son diferentes, pero que aún así guardan una gran relación entre sí: la fórmula se parece, ambas cumplen la Tercera Ley de Newton, son fuerzas centrales…

6. ¿Qué es un condensador eléctrico? ¿Serías capaz de fabricar uno con material casero?

Aparte de por los descubrimientos relacionados con la gravedad, Cavendish también fue muy relevante en el campo de la electricidad, pues se dice que fue uno de los fundadores de la moderna ciencia de la electricidad. Como ya hemos dicho anteriormente, redescubrió la Ley de Coulomb, aunque no la enunció ni experimentó más a fondo con ella. También utilizó el concepto de potencial eléctrico, pero de una forma bastante curiosa. Como en aquella época no se disponía de instrumentos necesarios para medir la fuerza eléctrica, lo que hacía Cavendish era someterse a una corriente eléctrica y, en función del dolor causado, medía su potencia.

Hoy en día, gracias al avance tecnológico, no tenemos que someternos a estos métodos de medición. Por otro lado, este avance, se ha inventado el condensador eléctrico, que es un dispositivo pasivo capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Desde un punto de vista físico, un condensador eléctrico no almacena carga ni corriente eléctrica, sino simplemente energía mecánica. Esto es cierto, pero en la práctica, cuando es introducido en un circuito, funciona como un organismo que puede almacenar la energía eléctrica que recibe durante el periodo de carga para después liberarla en el periodo de descarga.

7. Cavendish inventó un termómetro que funcionaba sin mercurio, pero, ¿cómo funciona un termómetro? ¿Qué tipos de escalas térmicas existen?

Antes de explicar lo que es un termómetro y como funciona, debemos explicar lo que es el equilibrio térmico. Diremos pues que dos cuerpos están en un estado de equilibrio térmico cuando ambos tienen la misma temperatura. Este fenómeno se da cuando dos cuerpos que están a distinta temperatura se ponen en contacto. Es entonces cuando las partículas del cuerpo que está a mayor temperatura chocan con las partículas del que está a menor, cediendo energía cinética las del primero a las del segundo. Como consecuencia, las partículas del cuerpo frío aumentan su velocidad y, por tanto, su temperatura. Esta transferencia de energía cesa en el momento en el que ambos cuerpos están a la misma temperatura o, dicho de otro manera, cuando la energía cinética media de las partículas de ambos cuerpos es la misma y, por tanto, tienen la misma velocidad.

El termómetro funciona exactamente igual: se pone en contacto un cuerpo con el instrumento de medida, y la temperatura que marca el termómetro varía hasta que su temperatura es la misma que la del cuerpo en cuestión. Por ello, cuando tenemos fiebre, el termómetro marca la temperatura interna de nuestro cuerpo, la cual, si es mayor de 37 ºC, está alta y por tanto se deben tomar medidas al respecto.

Al igual que existen distintas escalas para medir la longitud, como el metro o la yarda, también las hay para medir temperatura. Las más usadas son la fahrenheit, la celsius y la kelvin. En España usamos la escala celsius. Luego en otros países, como en EEUU, se usa la fahrenheit. Su equivalencia a grados celsius es la siguiente:  °C × 9/5 + 32. Finalmente tenemos a la escala Kelvin, la más usada en el ámbito científico, que equivale al número de celsius más 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 es el punto de aplicación de la resultante de todas las fuerzas que la gravedad ejerce sobre el cuerpo, se dice que es el punto en el que está concentrado todo su peso. El centro de gravedad de un cuerpo puede ser un punto o interior o exterior del cuerpo, por ejemplo en una esfera hueca está situado en el centro de la esfera con lo cual obviamente no pertenece al cuerpo en sí. un ejemplo muy común para explicar el centro de gravedad es el del triángulo, como la mayoría de vosotros sabréis existe un punto en el triángulo por el cual sujetándolo con un bolígrafo por ejemplo el triángulo permanecerá en equilibrio, este punto es el llamado centro de gravedad y en un triángulo se encuentra en la intersección de sus tres medias, el baricentro:

El centro de gravedad en el cuerpo humano dependerá de la posición en la que nos encontremos y de cómo sea nuestro cuerpo ya que las fuerzas gravitacionales se aplicarán de una forma u otra. A continuación os muestro un par de ejemplos:

A continuación os mostramos la experiencia que hemos realizado para investigar cómo funciona el centro de gravedad, hemos intentado recrear de una forma parecida lo que viene realizado en la animación del enunciado, la circunferencia amarilla es el centro de gravedad del objeto.

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?

La balanza de torsión es un instrumento formado por una barra de las cuales dos bolas pequeñas de masa m y dos bolas grandes de masa m, la finalidad es calcular la tracción que ejercen las bolas entre sí midiendo el ángulo entre las dos, para medir este ángulo se utiliza un láser usando su reflejo en un espejo cóncavo. Para evitar errores experimentales producidos por otros objetos se suele cerrar el instrumento. Con este experimento se puede averiguar la atracción o repulsión entre las bolas y su dependencia respecto a las distancias.

Cavendish no podía realizar el experimento estando él presente en la habitación porque al tener él también masa atraería a las bolas y no saldría un resultado correcto.

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?

La energía magnética es la fuerza física de atracción o de repulsión que ejercen dos cuerpos entre sí. No habría sido buena idea usar el hierro o el acero para este experimento debido al magnetismo, estos materiales actúan dentro del campo magnético de la tierra y harían que el resultado final no fuese exacto.

Otros materiales que no valdrían serían el níquel y el cobalto, por la misma razón.