Cavendish

1.       Describe brevemente qué es la Royal Society, cuáles son sus objetivos principales, cuáles han sido sus logros más importantes a lo largo de la historia y qué otros científicos han formado parte de ella.

Es la sociedad científica más antigua del Reino Unido y una de las más antiguas de Europa. Se fundó en 1660, aunque ya había científicos que se reunían desde hacía varios años antes. Sus principales objetivos son el impulso de la investigación científica y la difusión del conocimiento para beneficio de la humanidad. Algunos de sus miembros más famosos figuran Isaac Newton, Charles Darwin, Benjamin Franklin, Albert Einstein, Robert Hooke y Stephen Hawking. Actualmente cuenta con más de 1500 miembros, entre ellos 75 Premios Nobel e integrantes de la familia real británica. Han ganado varios premios, entre los cuales está el Príncipe de Asturias de Comunicación y Humanidades. Además, poseen 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.

2.       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 del libro. Investiga qué es el flogisto y por qué cayó en desuso.

En el libro, los valores que midió Cavendish son bastante parecidos a los que tenemos en la actualidad. Por ejemplo, el oxígeno es el 20,833 % del aire según él, pero en la actualidad sabemos que es el 20,95 %. Teniendo en cuenta los avances tecnológicos que han surgido desde que midió la composición química del aire, hizo un muy buen trabajo.

El flogisto es la sustancia hipotética que explicaba la combustión antes del descubrimiento del oxígeno. Supuestamente, todos los cuerpos inflamables contenían flogisto y el proceso de combustión consistía en la decadencia de esta sustancia. Esta teoría fue postulada en 1667 por Johann Becher. Lavoisier realizó un experimento que no resultó como la teoría del flogisto explicaba. Lavoisier interpretó correctamente la combustión y la atribuyó al oxígeno y descartó la idea del flogisto. Con Lavoisier, el resto de los químicos abandonaron esta teoría y empezaron apoyar la teoría en la que la combustión está basada en el oxígeno.

3.       Cavendish realizó importantes descubrimientos de Química. Investiga sobre las propiedades del Hidrógeno y sobre la composición química del agua.

Propiedades del hidrógeno:

·         Es un no metal  por lo que es un mal conductor de la electricidad y del calor

·         Como todos los no metales, no tiene lustre ni se puede aplanar ni estirar por su fragilidad

·         Su estado natural es el gaseoso

·         Aspecto incoloro

·         Su número atómico es 1 y su número másico es 1,00794 u

·         Su símbolo es H

·         Su punto de fusión es -258,125 ºC

·         Su punto de ebullición es -251,882 ºC

El agua (H₂O) está formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno unidos mediante sendos enlaces covalentes, por lo que las moléculas tienen una forma triangular plana. Los átomos están separados entre sí por 0,96 Angstroms (aprox. un nanómetro). El ángulo que forman sus líneas de enlace es de 104,45 º. El agua se comporta como un dipolo (dos regiones con una cierta carga eléctrica, una positiva y otra negativa). Esto se debe a que el hidrógeno y el oxígeno son muy distintos vistos desde la electronegatividad.

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

Es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad. Se representa por la letra ‘’c’’.

c=C/m donde m es la masa de la sustancia y C la capacidad calorífica.

En el SI el calor específico se expresa en julios por kilogramo por kelvin (J·kg^-1·K^-1).

5.       ¿Qué es la Ley de Coulomb? Realiza una comparativa, señalando analogías y diferencias que encuentres entre esta ley y la Ley de Gravitación Universal.

La Ley de Coulomb es la constante de proporcionalidad que depende de la constante dieléctrica del medio en el que se encuentran las cargas. Mediante una balanza de torsión, Coulomb encontró que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales (cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia r que las separa) es inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que las separa.

El valor de la constante de proporcionalidad k es aproximadamente 9·10⁹ Nm²/C² en el SI.

En el aspecto formal, la Ley de Gravitación Universal es igual que esta ley, sin embargo existen algunas diferencias:

·         La Ley de Coulomb es para cargas eléctricas y la ley de Newton es para masas.

·         En la LGU, las masas son siempre positivas, lo que determina que la fuerza gravitacional siempre será de atracción. En la Ley de Coulomb, la fuerza eléctrica es de atracción solamente entre cargas de signo distinto.

·         La constante k es mucho más grande comparada con la constante gravitacional G. Esto quiere decir que la fuerza eléctrica es más intensa que la gravitacional.

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

Un condensador es un componente eléctrico que almacena carga eléctrica, para liberarla posteriormente. Para almacenar la carga eléctrica utiliza dos placas o superficies conductoras en forma de láminas separadas por un material dieléctrico. Estas placas son las que se cargan eléctricamente cuando está conectado a una batería o fuente de tensión. Las placas se cargan con la misma cantidad de carga (q) pero con distintos signos (una + y otra -). Una vez cargado, hay entre las dos placas una tensión, está preparado para soltar esta carga cuando esté conectado a un receptor de salida.

Sería fácil construir un condensador en casa. Lo único que haría falta serían un bote de plástico, papel de aluminio, unas gomas elásticas, cables, un tornillo, una batería y un voltímetro. Desafortunadamente, no teníamos algunos de los materiales así que no pudimos hacer el experimento.

7.       ¿Cómo funciona un termómetro? ¿Qué tipos de escalas térmicas existen?

El termómetro es un instrumento diseñado para medir la temperatura. Funciona respetando la dilatación térmica del metal. Algunos metales se dilatan cuando son expuestos al calor, y el mercurio (Hg) es muy sensible a estas temperaturas, por lo que los termómetros están generalmente fabricados con este material. Cuando el mercurio en el interior del termómetro recibe calor, éste experimenta una dilatación que hace que recorra el tubo del termómetro en el que está contenido. Así, cuando el mercurio atraviesa la escala numérica, podemos medir la temperatura.

La mayoría de los lugares del mundo utilizan la escala Celsius (ºC), que está en grados centígrados. Sin embargo hay más escalas, como la escala Farenheit (ºF), la escala Kelvin (K) o grado Réaumur (ºR).

8.       ¿Qué es el centro de gravedad de un cuerpo? Diseña tu propia experiencia y grábala en video.

Es el punto de aplicación de la resultante de todas las fuerzas de gravedad que actúan sobre las distintas masas materiales de un cuerpo, de tal forma que el momento respecto a cualquier punto de esta resultante aplicada en el centro de gravedad es el mismo que el producido por los pesos de todas las masas materiales que constituyen dicho cuerpo. En otras palabras, 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.

9.       Haz una descripción del experimento de Cavendish y contesta a la siguiente pregunta: ¿por qué Cavendish no podría medir desde la sala donde se encontraba la balanza de torsión?

El experimento de Cavendish consiste en dos esferas pequeñas, cada una de masas "m" fijas a los extremos de una barra horizontal atada al techo mediante un largo hilo. Cuando dos grandes esferas, cada una de masa "M", se colocan cerca de las esferas más pequeñas, la fuerza de atracción entre las esferas pequeñas y grandes hace que la barra gire y gire el hilo de suspensión en una nueva posición de equilibrio. Se mide el ángulo al cual gira la barra, por medio de la desviación de un haz luminoso que se refleja en un espejo unido al hilo. Además de proporcionar el valor de G, los experimentos muestran que la fuerza es atractiva, proporcional al producto m·M e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los centros de masas de las esferas.

Cavendish no pudo medir desde la misma sala donde se realizó en el experimento porque él también atraería a las masas y él sería atraído por las masas, lo que causaría perturbaciones y el valor de G sería distinto.

10.   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?

No es buena idea utilizar estos materiales porque tienen propiedades magnéticas. El magnetismo es un fenómeno físico por el cual los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Esto quiere decir que si se hubiesen usado estos materiales, además de la fuerza de atracción gravitacional, hubiesen sufrido atracción o repulsión por sus propiedades magnéticas.

Newton

1.       Resuelve el siguiente enigma: ¿Por qué Isaac Newton tiene dos fechas de nacimiento (25 de diciembre de 1642 y 4 de enero de 1643)?

Tiene dos fechas de nacimiento porque son de calendarios distintos. La de 1642 se refiere al calendario juliano y la de 1643 se refiere al calendario gregoriano (el calendario que usamos actualmente). Cuando nació Newton se utilizaba el calendario juliano en Gran Bretaña.

2.       ¿Qué quiso decir Newton con su expresión ‘’Si he visto más lejos es porque estoy sentado sobre los hombros de gigantes’’? ¿Es frase es realmente original de Newton?

Con esta frase Newton quiere decir que lo que ha conseguido ha sido gracias a las aportaciones de los demás científicos. La frase no es suya, sino que es atribuida a Bernardo de Chatres (Bernardus Carnotensis en latín), un filósofo neoplatónico del siglo XII.

3.       Desde una perspectiva científica, ¿cuál es la visión aristotélica del Universo o Aristotelismo?

Según Aristóteles, hay dos regiones en el universo: el mundo sublunar y el mundo supralunar. El mundo sublunar abarca todo lo que está por debajo de la luna (sin incluirla), es decir, la Tierra. En la Tierra todo se y es heterogéneo. Las cosas están compuestas de cuatro elementos (tierra, agua, aire y fuego). Los movimientos siempre son rectilíneos y finitos, descendentes si son tierra o agua y ascendentes si son aire o fuego. Se considera que los movimientos no rectilíneos son una violación del orden natural. Como la tierra es el elemento más pesado y nuestro mundo está compuesto en su mayoría de tierra, es el centro del universo.

El mundo supralunar es la región que empieza en la luna y se extiende más allá. En el mundo supralunar rige la armonía y el orden. Todo está compuesto del quinto elemento, el éter. Los planetas y las estrellas están envueltos en esferas de éter, que mueve al cuerpo. No se mueven por si solos, sino que se mueven las esferas. Siguen un movimiento circular y uniforme teniendo como centro a la Tierra. Según Aristóteles el Universo es esférico y finito pero eterno, es decir, no tiene historia.

Cuando ocurría alguna irregularidad en el movimiento de los planetas, se atribuía a la percepción y no se consideraba real.

4.       Construye una línea del tiempo que contenga a los físicos mencionados en el capítulo y sus principales aportaciones a dicha ciencia.

Para ver la línea del tiempo haz click en el siguiente enlace: http://timeglider.com/timeline/831b83ba4528cc58

5.       ¿Qué ventajas presenta el telescopio reflector de Newton frente al telescopio refractor de Galileo? Explica que son la reflexión y la refracción.

Las principales ventajas que presenta el telescopio de Newton son:

·         Las aperturas son muy variadas y no afectan demasiado al coste ni a lo compacto que es el telescopio.

·         Elimina la aberración cromática (distorsión óptica provocada por la lente al no poder enfocar todos los colores en un punto de convergencia).

·         Son más económicos en grandes aperturas.

·         Funcionan en un espectro de luz más amplio.

·         Su coste de fabricación no es muy alto y su proceso de fabricación es más rápido.

·         Permite tener un ratio focal más pequeño, lo que supone un mayor campo de visión.

El telescopio de Newton era reflector. La reflexión es el cambio de dirección de una onda, que al entrar en contacto con la superficie de separación entre dos medios cambiantes, regresa al punto donde se originó.

Por otro lado, el telescopio de Galileo era refractor. La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro, pero solo se produce si la onda incide de forma oblicua sobre la superficie de separación y si tienen índices de refracción distintos. Se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda señalada.

6.       Realiza el experimento de descomposición de la luz mediante un prisma óptico y descríbelo incluyendo tu propia imagen.

Al pasar la luz blanca a través de un prisma, la luz blanca se descompone en distintos colores (rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta). Newton llamó a éste conjunto de colores espectro. Éstos son los colores de los que se compone la luz blanca, y al pasarlos por el prisma cada uno sufre una desviación según su longitud de onda, dando origen a lo que llamamos arcoíris. 

Hemos tratado de realizar el experimento que realizó Newton en casa, pero en vez de usar un prisma, hemos utilizado un vaso con agua.

Al pasar la luz del sol, que es blanca, ha aparecido un pequeño arcoíris por la dispersión de la luz que hemos explicado antes.

7.       Explica por qué se forma el arcoíris primario y el secundario.

Los arcoíris se forman cuando los rayos del sol atraviesan pequeñas gotas de agua contenidas en la atmósfera terrestre. Es un arco que contiene los colores a los que Newton llamó espectro, con el rojo arriba y el violeta abajo.

El arcoíris primario está formado por los rayos que penetran una gota refractándose, se reflejan una vez en su superficie interna y salen de la gota refractándose de nuevo. Se forma un ángulo de aproximadamente 42º.

En cambio, el arcoíris secundario está formado por los rayos que penetran en la gota y se reflejan dos veces en su superficie interna. Se forma un ángulo de aproximadamente 50º. Son más transparentes que los primarios y tienen los colores invertidos.

8.       Infórmate acerca del concepto de momento lineal. Trata de escribir las tres leyes de Newton en función de esta magnitud.

El momento lineal de un cuerpo es la cantidad de movimiento o momentum de un cuerpo. Se define como el producto de la masa por el vector de velocidad, por lo que es una magnitud vectorial.

p=m·v

Primera Ley de Newton (Ley de la Inercia):

Todo sistema que esté sometido a fuerzas cuya resultante es 0, tenderá a seguir en us estado de reposo o de MRU.

Si R=0, p= m·v_f = m·v_o. La cantidad de movimiento no cambia. Al no haber aceleración, la velocidad es constante.

Segunda Ley de Newton (Principio Fundamental de la Dinámica):

Si sobre un sistema actúa una fuerza cuya resultante es distinta a 0, el cuerpo sufrirá una aceleración proporcional a su masa.

F= dp/dt                                                               (d=derivada, p=momentum)

F=(d/dt)·(m·v)=m·(dv/dt)=m·a

Al cambiar la velocidad, la cambia la cantidad de movimiento.

Tercera Ley de Newton (Principio de Acción y Reacción):

Si sobre un sistema ejerce una fuerza sobre otro (F₁₂) llamada acción, entonces simultáneamente el sistema 2 ejercerá una fuerza (F₂₁) sobre el sistema 1, reacción, con mismo módulo y sentido contrario.

p₁/t= -p₂/t

dp₁/dt= -dp₂/dt

F₁₂= -F₂₁

9.       Enuncia y comenta la Ley de Gravitación Universal.

La fuerza de atracción que sufren dos masas entre sí es proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa sus centros.

La Constante de Gravitación Universal (G) es:

Si sustituimos la 2ª Ley de Newton en la fórmula de la Ley de Gravitación Universal, somos capaces de saber cuánto vale la aceleración de la gravedad en cualquier punto:

Con esta ley, se explica el movimiento de los cuerpos terrestres y celestes, las leyes de Kepler sobre el movimiento de los planetas, que el movimiento de un cuerpo en caída libre es independiente del peso y por qué se forman las mareas.

Explica la razón por la cual los cuerpos próximos a la superficie de la Tierra caen con la misma aceleración, pero entonces, ¿por qué no cae la luna desde el cielo? Al contrario de lo que se creía antes de Newton, la trayectoria de la manzana al caer no es rectilínea, sino que es curvilínea porque es empujada por la fuerza del aire. Es igual que un proyectil disparado desde un cañón, que según Newton describe una trayectoria elíptica. Esto quiere decir que tanto la manzana como la luna caen, pero la manzana llega al suelo y la luna sigue cayendo permanentemente.

10.   En ‘’De Arquímedes a Einstein’’ se alude a una fuerza centrífuga que es la causante de que la Luna no caiga sobre la Tierra. ¿Estás de acuerdo con esa explicación? ¿Es compatible con el tercer principio de Newton? ¿Qué es la velocidad orbital?

Según el libro, la causante de que la luna no caiga sobre la Tierra e una fura centrífuga porque se opone una fuerza de igual módulo y dirección, pero de sentido contrario, como dice la 3ª Ley de Newton. El cuerpo se equilibra porque se supone que la fuerza opuesta a la atractiva de un cuerpo es la fuerza centrífuga.

La luna orbita la Tierra porque se encuentra en un equilibrio entre la gravedad y la inercia. La inercia hace que los cuerpos se muevan en línea recta, por lo que si la velocidad inicial es mucho mayor a la necesaria para orbitar, el cuerpo saldría de la órbita por la tangente. Si la velocidad inicial es menor a la necesaria, el cuerpo se estrellaría contra la superficie de la Tierra. Esto se puede ver con el cañón de Newton. Sólo con la velocidad inicial adecuada, el cuerpo orbitará la Tierra.

Según la Ley de Acción y Reacción, la acción sería la fuerza que ejerce la Tierra sobre la luna y la reacción la fuerza que ejerce la luna sobre la Tierra, por lo que ambos cuerpos se acelererarían el uno hacia el otro hasta juntarse de no ser por la velocidad inicial que llevaba la luna.

La velocidad orbital es la velocidad que lleva un cuerpo en el espacio en la órbita alrededor de otro cuerpo celeste.