Robert Milikan, La unidad de carga eléctrica

Para hablar de Robert Milikan y su conocido experimento de la unidad de carga eléctrica, antes es necesario conocer en que posición se encontraba la física a finales del Siglo XIX y comienzos del XX. Todo el mundo hablaba de electricidad sin saber bien lo que era. Y para ello comencemos con la hipótesis de Symmer, la cual es el punto de apoyo más importante de la electroestática que todos dominamos. En ella, dice que la energía se divide en una carga positiva (vítreo) y otra negativa (resinosa) y que al producirse fricción entre dos elementos, ambas cargas se separan permitiendo entonces que se repelan los siguientes objetos: 

El primer experimento es el más conocido de todos los de electroestática en el cual al frotar lana con un globo hace que se repela frente a una lata de un refresco. Por el contrario, en el segundo experimento no se puede apreciar tan fácilmente. En él, se frota un peine con la lana y este peine hace que el chorro de agua del grifo desvíe su trayectoria ligeramente porque se repele con respecto al propio peine.

Mientras tanto en Europa, concretamente en Alemania, se luchaba para ir algo más allá con el concepto de rayos catódicos por todos lados. Éstos no son nada más que corrientes de electrones observados en el vacío y formados por cátodos y ánodos (positivos y negativos respectivamente). 

Fue entonces cuando Joseph John Thomson dio un giro a toda la cuestión en sí mediante la reducción de presión casi a 0 (0,001 mmHg) consiguiendo desechar toda teoría de que el gas tenía algo que ver con todo ello y evidenciando que tanto magnetismo como electricidad formaban parte del suceso. No solo eso, sino que también demostró que los rayos eran corpúsculos cargados de forma negativa y que la carga eléctrica era enorme en comparación con la masa, que correspondía a una ínfima parte de la masa del átomo más pequeño, por lo que podía existir la opción de que el átomo no fuera indivisible.

Sin embargo, Thomson no se quedó ahí, sino que además de trabajar con isotopos realizó un modelo atómico nuevo, pero poco viable. En él existía un núcleo cargado positivamente en el cual se incrustaban electrones con carga negativa. Esto fue más adelante descartado por el experimento de Rutherford, en el que se observó como una pequeñísima parte de los rayos alfa que se lanzaban contra el átomo rebotaban y otra parte algo mayor se desviaba haciendo que la teoría de Thomson quedara descartada del todo.

Y ahora es cuando por fin podemos empezar a hablar de un Robert Milikan que no fue un genio precoz como pudieron serlo Galileo, Newton o Cavendish, sino que desde el principio estuvo varios años por detrás de todos estos. Primero por su afición al deporte y después por su afición a la docencia no llegó a hacer su gran descubrimiento hasta tener más de 40 años, y en ese tiempo llegó a coincidir con Albert Michelson, su jefe durante varios años en Chicago. Éste ganó el premio Nobel de Física en 1907 por el famoso experimento de la medición de la velocidad de la luz y del descarte de la existencia de éter. Para ello, utilizó un aparato bastante sencillo con el que poder realizar el experimento:

Si este artilugio, el interferómetro de Michelson, detectaba una diferencia entre la llegada de la luz a la pantalla por un lado y la llegada por el otro es que existía un "viento de éter" que provocaba ese cambio en la velocidad de la luz. Esta velocidad se midió varias veces con el mismo resultado en todos, por lo que el experimento salió bien y, por tanto, ambas afirmaciones quedaron verificadas.

Lo natural sería que habláramos ahora del experimento de la unidad de carga eléctrica de Milikan, pero para crear algo más de expectación entre los lectores, meteré con calzador una introducción a las famosas gotas de aceite, y en consecuencia, al modelo atómico de Böhr. En este modelo se marca por fin la existencia de distintas capas de electrones situadas alrededor del núcleo siendo la primera capa ocupada por un número máximo de dos electrones, la segunda y la tercera por ocho electrones, la cuarta y la quinta por dieciocho y la sexta y la séptima por treinta y dos electrones.

De todo esto, lo que a nosotros nos importa para explicar más tarde el experimento que hizo famoso a Milikan es la ionización de las gotas de aceite por medio de los rayos X, que cargan de forma eléctrica al aceite hasta que este aceite se desprende de los electrones cuando la cantidad de energía supere la capacidad de aguante. Esto Milikan luego lo utiliza después de varios intentos fallidos con agua para hacer que su experimento resulte satisfactorio.

Robert Milikan necesitaba por aquel momento un experimento que le convirtiera en alguien famoso y merecedor de una cátedra, por lo que empezó a darle vueltas a todo hasta que llegó a la conclusión de que su experimento sería el de medir la unidad de carga eléctrica. Y para ello decidió bombardear las gotas de aceite con rayos X en una cámara aislada con cargas magnéticas y también con gravedad intentando llegar a la conclusión de sacar múltiplos de la unidad de carga de energía y poder hallar un múltiplo común, que resultaría el fin del experimento. Y ahora intentaremos reproducirlo con la ayuda de esta página web:

Procedemos a hacer directamente la actividad, ajustando la intensidad de campo eléctrico a E=2*10^5N/C y tomando dos datos distintos que nos dan estas dos cálculos:

Efectivamente, y como se puede comprobar, el experimento sale a la perfección, o al menos eso parece por el resultado final. Una genialidad de hace ya casi 100 años y que todavía sigue siendo difícil de entender y de explicar. Pero no recibió el Premio Nobel únicamente por ese experimento y a la postre descubrimiento, que aunque hubiera sido suficiente, para él no lo fue. Un obsesionado por la física clásica no podía permitir como Albert Einstein y Max Planck campeaban a sus anchas cambiando todos los conceptos que les parecían oportunos para su lucimiento. Así que cuando estos sacaron a la luz sus teorías acerca del efecto fotoeléctrico y de h, "la constante de Planck", Milikan decidió demostrarlo. Este efecto es el causante hoy en día de que los ascensores no se cierren cuando un cuerpo se sitúa en el medio, sin necesidad de bloquear la puerta a base de fuerza para que los lectores se hagan una idea... Este efecto, como ya habréis podido deducir, consiste en la liberación de electrones de un material mediante radiación electromagnética.

Robert Milikan se pasó 10 años de su vida experimentando para intentar que las teorías de Einstein y Planck quedarán obsoletas con la mala y la buena suerte, depende de cómo se mire, de concluir en todo lo contrario. A pesar de que no estuvieran razonadas matemáticamente, y por tanto carecieran de sustento físico-teórico, las teorías de Einstein eran ciertas. La física había dado un giro en el campo de la electricidad tal en solo 30 años que nadie podría haber imaginado a finales del Siglo XIX y en parte fue gracias a Robert Milikan, ese testarudo americano como pocos que se codeó con los mejores físicos de la historia.

Muchos dirán que el éxito de Milikan reside en su testarudez o en su empeño constante en sacar adelante sus logros, sin embargo, tengo la certeza de que si Robert no hubiera viajado a Alemania ni se hubiera hospedado en Chicago a las órdenes del señor Michelson jamás habría llegado a donde llegó. Es necesario cambiar de aires de vez en cuando para ver otros puntos de vista, para conocer otras culturas y, por tanto, profundizar más en otras áreas del conocimiento que en tu región natal no llegan a estar a ese nivel. Milikan tuvo la suerte de acertar en cada paso que dio, o si no podría haber quedado en un mero divulgador o un profesor de nivel desaprovechado.

Con esto no quiero decir que ser profesor o escritor para gente sin un nivel científico muy avanzado sea malo, ni muchísimo menos (ojalá esto no repercuta en nuestra evaluación...). La importancia de los profesores y de los divulgadores es muy grande. Siempre detrás de un gran genio hubo un gran libro de texto de un gran divulgador y un excelente profesor que le motivó y le enseñó cuanto estuvo en su mano y más. Muchas veces se habla de los genios, alguna, de los maestros, pero ninguna o casi ninguna de aquéllos que escriben los textos para que los demás aprendan. Y ahí es donde reside la base del conocimiento del pueblo, en el doble juego de intereses que se forma entre los que escriben esto, por amor al arte, y los que lo leen por saber algo más y aprender, que es el único consuelo que le queda a aquellos que leen, van al teatro, visitan museos, aparte del de entretenerse y divertirse (que siempre depende de la persona y de la actividad).

Y para finalizar esta entrada os dejo con una obra maestra, el modelo atómico de Rutherford a nuestro modo, espero que lo disfrutéis. Esta ha sido muy probablemente la última entrada de este blog. Así fueron las cosas y así os las hemos contado, muchas gracias por leernos y hasta siempre.

Del inicio al fin del universo

En esta entrada del blog cambiamos completamente nuestra anterior metodología para explicar de un modo más conciso y completo teorías tan complejas como pueden ser la de la creación del universo o su fin, adaptando la explicación a un nivel de dificultad de comprensión bajo. Para ello, no seguiremos ningún registro de cuestiones ni de datos que analizar, sino que utilizando una serie de ejemplos y experiencias muy sencillas realizables en casa de forma que hasta los interesados de menor edad puedan entenderlo.

El objetivo de todo esto es poder explicar a un público sin conocimientos en este campo como funciona el universo y sus dimensiones. Para ello, los juegos de magnitudes son la herramienta ideal en nuestra opinión. Compararemos nuestro Sistema Solar con un área circular de radio 1,5 km a la redonda, el Sol con un balón de fútbol y la Tierra con una esfera de 2 mm de radio. Con esto conseguimos hacer que hasta a los estudiantes de 4º a 6º de primaria les entre un concepto terrenal de las dimensiones reales del Universo. Una vez aclarado este punto, procedemos a explicar las teorías de origen, expansión y fin del universo.

Imágenes como esta ayudan a ilustrar explicaciones,
ya que este tipo de material facilita la comprensión

Explicación de las teorías

Cuando se produjo el Big Bang el universo no era más grande que un atomo, tan pequeño que no nos sería posible verlo, y en menos de una centesima de segundo alcanzó el tamaño de una naranja unos 8 centimetros. Esto significa que todo el universo, a pesar de lo inmenso que es en la actualidad en sus inicios era mucho menor que una cabeza de alfiler. Durante la explosión fue expulsada una cantidad inmensa de materia y antimateria. Cuando la materia choca con la antimateria se destruyen mutuamente produciendo una gran cantidad de energía, energía que provocó que el universo se expandiera cada vez mas. Así pasaron millones y millones de años hasta que la materia se fue uniendo y se crearon las primeras estrellas. Mucho tiempo después se formó nuestro planeta y aquí estamos ahora. Ya sabéis como hemos llegado hasta aquí, pero... ¿que será de nosotros?, ¿cual será el fin del universo? La respuesta a esto todavia no está claro pero se barajan tres teorias: el big crunch, el big rip y el big freeze aunque estas dos últimas son las mas posibles.


La teoría del big crunch, practicamente descartada hoy en día, dicta que la expansión del universo se irá frenando hasta detenerse, y posteriormente comenzaría a encogerse, como si hubiéramos estado inflando un globo y tras parar lo dejáramos desincharse poco a poco. Esta opción ha sido descartada casi por completo porque al parecer el universo se expande cada vez mas rápido (el motivo es demasiado complicado para explicaciones de este tipo, pero no es necesario saberlo para una comprensión global). Esto nos deja las otras dos teorías, y cual es la verdadera no se sabe todavía, ya que depende de un factor llamado energía oscura del cual apenas se sabe.

La teoría del big rip o gran desgarramiento predice que, tras muchos años de expansión, la gravedad (se puede incluir aquí una explicación sencilla de la gravedad, fomentando la participación del público)  no sería capaz de mantener unidas las galaxias y estas se desharían dejando solo estrellas sueltas. Despues ocurriría lo mismo con sistemas solares como el nuestro y al final se desharían las estrellas y los planetas, quedando finalmente reducido todo a partículas subatómicas, que ni siquiera se verían a simple vista. Esta recreación ilustra la teoría a la perfección

Por último esta la teoría del big freeze o gran frío, que plantea que dentro de muchísimos años las estrellas acabarán por apagarse y dejarán de formarse nuevas por falta de energía. Esto provocara el ``apagado´´ del universo, el cual acabaría desapareciendo por la acción de los agujeros negros. Un agujero negro, para aquellos que no lo sepan, no es más que una gran concentración de masa que provoca que toda la materia existente sea atraída por ellos, de forma que incluso la luz es tragada (lo que causa su aspecto y la deformación de los alrededores debido al cambio de dirección de la luz)

La comprensión de los agujeros negros es sencilla si se ha comprendido
el funcionamiento de la gravedad

Por supuesto cualquiera de estas teorías se cumpliría en un futuro lejanísimo, mucho despues del fin de la tierra y del sol, por lo que ni nosotros ni nadie estaremos allí para verlo.

Para comprender mejor la gravedad y los agujeros negros realizaremos una experiencia bastante simple valiéndonos de materiales básicos: únicamente hacen falta canicas, un balón y una tela amplia.

El proceso es sencillo: varios voluntarios sujetan la tela de forma que quede completamente extendida y tensa. A continuación se situa el balón en el centro de la tela, aplicando algo de presión sobre el de forma que hunda la tela bajo él. Lanzando las canicas de la forma correcta podemos lograr que estas se desvíen al pasar cerca del balón o incluso que den una o dos vueltas a su alrededor, simulando de este modo un cuerpo celeste que orbita alrededor de un planeta. Por último realizando una presión mayor en un lado de la tela podremos explicar la acción de un agujero negro, ya que al presionar todo lo que haya en la tela, balón incluido, se verá arrastrado hasta el punto de presión.

El objetivo es representar este fenómeno del modo mas gráfico y participativo posible

Para finalizar hablaremos un poco de las estrellas, los planetas y las galaxias. Las estrellas se forman a partir de gas acumulado que tiende a concentrarse en un punto concreto. A medida que la zona concentrada aumenta también lo hace su capacidad para atraer mas gas y así se crea un bucle hasta que se forma por completo. Las estrellas más grandes siguen fusionando elementos hasta que explotan, en lo conocido como supernova. Se clasifican según el color de mayor a menor temperatura en:

Blanco Azuladas Amarillas Rojas
Blancas Naranjas Marrones 

nuestro sol se encuentra actualmente en la categoría de naranja

 

Los planetas se forman a raíz de las estrellas, con los restos de materia de su creación, y se sitúan en órbita, como podemos ver en nuestro sistema solar. Por último las estrellas junto a sus planetas tienden a formar agrupaciones conocidas como galaxias, manteniendo estructuras basadas en la orbitación en torno al centro. Se puede ver por tanto como a todos los niveles de organización ocurre lo mismo, desde las galaxias hasta la tierra y la luna.

La galaxia clásica tiene forma de espiral

Y con esto damos por finalizada la explicación. Esperamos que haya sido útil para cualquier buscador de información y lo suficientemente sencilla para entenderla, ya que el objetivo final de esto es demostrar que la ciencia esta al alcance de todo aquel que quiera aprender sin importar su capacidad de comprensión o conocimientos previos.

Henry Cavendish, el más extravagante de todos los británicos

Al leer la introducción y ver el apellido Cavendish, muchos de vosotros y en especial los amantes del ciclismo habréis pensado en el sprínter del Sky Pro Cycling Team y nacido en la Isla de Man, Mark Cavendish. Sin embargo, y aunque Mark también sea extravagante y británico, no destaca especialmente por sus conocimientos sobre física ni por sus descubrimientos en el área. Por tanto, no nos queda más remedio que hablar del brillante y solitario científico Henry Cavendish.

Rico, algo Asperger (es decir, nada sociable) y poco común, formó parte como tantos otros mucho más vulgares y no tanto, como pueden ser Newton o Hooke, de la Royal Society. Esta organización se reunía semanalmente con el objetivo de hablar de los experimentos más importantes que surgían y de todo lo relacionado con la ciencia, aislándose de la política o la vida social. Esta sociedad, que a lo largo de su historia ha sido galardonada con numerosas medallas obtuvo en 2011 en Premio Príncipe de Asturias de Comuniación y Humanidades como último de los logros a mencionar. Por último, y uniéndose a Cavendish, Newton y Hooke, otros ilustres como Darwin, Huygens o Leibniz también formaron parte de esta selecta sociedad.

Volviendo al carismático Cavendish, no solo destacó en física con su famosa determinación de G, de la cual hablaremos más adelante, sino que hizo numerosos avances en química. Pero para conocer la importancia de los descubrimientos del señor Cavendish hay que saber que en aquella época, la mayor novedad en química era que el flogisto era el único gas que había en el aire. A partir de eso, consiguió desmentir esa burda teoría, llegando a calcular los porcentajes absolutos del aire de la Tierra. He aquí un gráfico de los porcentajes reales de hoy en día:

Henry Cavendish no falló más que en centésimas de porcentaje a la hora de estimar este altura hace ya varios siglos, sin duda una proeza del genio inglés, pero nacido en Niza (Francia).

Además, fue capaz de diferenciar en el agua el oxígeno del hidrógeno y de analizar las características de este último elemento mientras coqueteaba con mercurios y ácidos. Se le considera el inventor del primer elemento de la tabla periódica, cuyas propiedades más significativas son su estado gaseoso, su densidad de 0,89 kg/m^3 y su temperatura de inflamabilidad a -18ºC.

Si seguimos por la larga lista de descubrimientos que se le atribuyen a Henry Cavendish, topamos con la medida del calor específico en diversas disoluciones en agua, es decir, mediante diversas mediciones fue capaz de llegar a la conclusión de que cambiando el calor al que se exponía una disolución cada sustancia variaba una cantidad x, denominada calor específico, que surgía de la diferencia de temperaturas dividido entre la masa de la sustancia. Sin duda, Cavendish demostró ser uno de los científicos más completos de la historia. Comparándolo con Newton, su predecesor en esta lista de genios físicos, su variedad y cantidad de descubrimientos es mucho mayor, a pesar de haber sido Sir Isaac un fantástico científico y también muy completo.

Acercándonos más al famoso descubrimiento de la determinación de G, llegamos al punto de vernos obligados a decir que la famosa Ley de Coulomb es en realidad un descubrimiento que hizo Henry Cavendish muchos años atrás. Esta ley, en la cual se utiliza la balanza de torsión (recuerden este dato, que más tarde aparecerá con casi total seguridad), explica que la fuerza atractiva o repulsiva entre dos cargas (depende del signo de cada carga) es igual a una constante multiplicada por ambas cargas y dividida por el cuadrado de la distancia entre esas dos cargas. Esta ley tiene un parecido muy característico a la expresión matemática de la Ley de Gravitación Universal. Sin embargo, en este caso la fuerza atractiva, o repulsiva, es mayor, ya que la constante, llamada K, es de 9*10^9Nm^2/c^2. La relación entre ambas leyes es patente, y esto en un futuro no fue más que el preámbulo para intentar relacionar ambas leyes dando lugar a una única ley que explicara todo el universo (lo cual aumentó de dificultad al descubrirse las fuerzas atómicas).

Mientras seguía investigando con la electricidad descubrió un aparato que cambiaría la historia, el condensador una de las piezas base de la electrónica analógica. Este aparato bien sencillo sirve para acumular energía mecánica aunque en la práctica sirve para almacenar energía eléctrica. se compone de dos placas metálicas separadas por un espacio ínfimo relleno de un material dieléctrico, la parafina como ejemplo. Les dejamos este enlace a la web Ikaro sobre como hacer un condensador. Viene explicado de forma fácil y sencilla aunque como ya dicen no va a tener mucha capacidad. Nosotros intentamos hacerlo pero no pudimos pero les animamos a que lo hagan y suban sus vídeos o fotos de los condensadores.

Otro de los experimentos del ilustre Cavendish fue un termómetro que funcionaba sin mercurio pero no lo desarrollaremos sino explicaremos como funciona un termómetro. Como muchos sabrán un termómetro mide la temperatura y a medida que esta sube también lo hace un liquido que tiene dentro, normalmente ese liquido es mercurio aunque también los hay de otros tipos. Los termómetros tradicionales se basan en el fenómeno de la dilatación. Cuando en un cuerpo varía la temperatura este tiene a expandirse en el caso de que aumente y a encogerse en el caso contrario, cuanto mayor sea el coeficiente de variación mayor será la diferencia de volumen de una temperatura a otra. Esa el la razón por la cual los termómetros se solían hacer de mercurio pues su coeficiente de dilatación es elevado aunque ahora se prefieren los digitales pues a diferencia de aquellos no contaminan.





En este momento hablaremos de la mayor contribución a la física por parte de este genio. Para los que no lo sepan hablamos de "G" o la constante de gravitación universal. Ese experimento es ciertamente complicado pues se requieran una condiciones difíciles de conseguir además de un material caro pues el precio de un aparato como el que uso nuestro científico ronda los 500 €. Ahora les explicaremos como medir G. Hacia tiempo que Newton había formulado la ley de gravitación universal F=G·m1·m2/r^2 y a pesar de que nadie dudaba de la veracidad de la fórmula todos los científicos se tiraban de los pelos por la dichosa G hasta que llegó Cavendish y les iluminó. Para llevar a cabo semejante proeza se valió de cuatro bolas, dos pequeñas y dos grandes de misma masa cada par (cuanto mas densas las bolas mejor), una barra de un material ligero e hilo fundamentalmente. Todo debe colocarse en la posición y con las medidas que indica la  imágen.



Este artilugio se debería colocar en el medio de un sótano vacío para evitar que tuviera mayor atracción gravitatoria por un lado que por otro, Cavendish tampoco podría estar pues su sola respiración haría que el hilo se desequilibrase. Pero no solo esto también habría que colocar un láser, en el caso de Cavendish usó un haz de luz, que se reflejaría en un espejo que gira con las bolas pequeñas y a su vez incidiría en una madera. Esta marca de luz permite saber el ángulo que han girado las esferas pequeñas y con la formula de Newton y conociendo los datos de cada objeto basta con despejar y se obtiene G.

Unos datos más las bolas no han de ser de hierro o acero porque entonces podría entrar en juego el magnetismo y chafarnos el experimento. ¿Pero que es el magnetismo? Es bien simple, es un fenómeno que hace que materiales  ejerzan una fuerza tanto atractiva como repulsiva sobre otros materiales. Los elementos conocidos como ferromagnéticos ven amplificada esta cualidad.
Y por último debeis saber si quereis hacer el experimento por vuestra cuenta la cuerda que sujeta las esferas pequeñas y la barras debe de encontrarse en el centro de gravedad de estas o lo que es lo mismo el punto respecto al cual la gravedad de todos los puntos del cuerpo ejerce una fuerza resultante nula.

Sir Isaac Newton

En esta ocasión hablaremos de Sir Isaac Newton, matématico, físico y alquimista inglés del Siglo XVII, considerado uno de los científicos mas completos de la historia.

Nació el 24 de diciembre del 1642 en Woolsthorpe, y murió el 31 de marzo del 1727 a la edad de 84 años. Es posible que algún lector este pensando que la fecha de nacimiento de Newton es el 4 de enero del 1643 y que hemos cometido un error, pero en realidad ambas fechas son correctas. El porqué es simple: debido a las correcciones realizadas al calendario gregoriano, que no fue adoptado en Inglaterra hasta 1752 hay un desplazamiento en las fechas que causa esa diferencia. Dejando de lado la controversia gregoriana, hablar de Newton es hablar de un genio, pero un genio con no muy buen carácter. Desde pequeño, con traumas infantiles y sin estabilidad familiar, se crió en un ambiente duro. Sin embargo, en el que probablemente fuera uno de los pocos arranques de humildad que tuvo en su vida nos deleitó una de las citas más recordadas de la historia: Si he visto más lejos es porque estoy sentado sobre los hombros de gigantes, refiriéndose a científicos anteriores a él, principalmente a Galileo Galilei. Esta cita se considera suya, pero al parecer realmente la usó por primera vez Bernardo de Chartres, un filósofo neoplatónico del siglo XII. Volviendo un poco atrás, pienso que Aristóteles se merece una pequeña mención, ya que sus ideas predominaron en Europa hasta que Copérnico entró en escena. Por ejemplo, según la visión aristotélica del universo todo giraba en torno a la tierra y esta se hallaba en el centro de todo, ademas afirmaba que el universo era finito, pero Copérnico se opuso y defendió la idea del sol como centro de todo, y la existencia de los movimientos de rotación y traslación. Estas imágenes ilustran ambas teorías:

Teoría geocéntrica de Aristóteles, según la cual un planeta tierra de dimensiones muy superiores a las de cualquier otro astro se situaba en el centro del universo. 

Teoría heliocéntrica de Copérnico, que situaba al sol en el centro del universo y al resto de planetas incluyendo la tierra orbitando a su alrededor.

Hemos de recordar que en época de Aristóteles se creía que la tierra estaba compuesta por cuatro elementos y que cada uno tendía a ocupar su lugar natural en el mundo, la tierra debajo luego el agua, el aire y sobre ellos el fuego. La razón de estas ideas se debía en gran medida por la fuerza de la gravedad, era ella la que les hacía creer esto, ademas del principio de Arquímedes. Todo esto junto a la falta de instrumentos de precisión les hacia tener una visión incorrecta de la realidad. Por lo que consideraron que la tierra era el centro del universo y que todo giraba en torno a ella. Además de esto consideraban que había dos lugares en el cosmos:

La tierra donde todo era imperfecto y no había ningún orden, y la zona supralunar un lugar donde todo estaba formado por éter, un material que otorga al espacio una perfección sin igual. Según Aristóteles el universo es finito, una esfera en la que están encerradas las estrellas, la luna, la tierra y todos los demás astros que ellos podían ver. Si quieren conocer más del universo Aristotélico visiten esta página web de la que hemos tomado la información, ya que nuestra explicación podría contener fallos u omitir datos.

Para los que estén interesados en conocer la historia del universo y todas las teorías surgidas en torno a él les recomendamos el documental "El universo Mas allá del Big Bang" que lo pueden encontrar en Youtube les dejo los links en el siguiente spoiler.

SPOILER

Son diez videos espero que os gusten.

Vídeo 1

Vídeo 2

Vídeo 3

Vídeo 4

Vídeo 5

Vídeo 6

Vídeo 7

Vídeo 8

Vídeo 9

Vídeo 10

Y este link os enviará a una linea del tiempo en la que aparecen los científicos más importantes mencionados en el documental y sus principales aportaciones a la ciencia.
http://www.dipity.com/Hannival/Cientificos/

Bueno es esta parte hablaremos de los fenómenos de refracción y reflexión de la luz. La primera se refiere al cambio de dirección de la luz al cambiar de estado este fenómeno es fácilmente observable basta con coger una pajita, una cuchara da igual el objeto y sumergirlo hasta la mitad en un vaso con agua.

El segundo efecto es el de la reflexión que no es más que el cambio de dirección de la luz cuando incide sobre un objeto algo igualmente fácil de demostrar usando un espejo.

Una vez explicado esto veremos uno de los mejores invento de Newton, el telescopio reflector, que no es más que un telescopio que amplificaba la luz por medio de espejos y lo compararemos con el predecesor hecho por galileo, el telescopio refractor.

Esquema del telescopio reflector por fuera

Esquema del telescopio reflector por dentro

Esquema del telescopio refractor por fuera

Esquema del telescopio refractor por dentro

Como se puede observar entr los dos telescopios hay una gran diferencia en el primero se usan espejos para dirigir la luz por tanto la imagen no se altera mientras que en la segunda se usan lentes para dirigirla por lo que aquí si que se hace

Relacionado en gran medida con la dispersión de la luz se encuentra el enigma del arco iris. Si en la actualidad muchos de nosotros aún nos preguntamos qué es en realidad, en aquellos tiempos la duda acerca de por qué se originaba era todavía mayor. Si bien pocos saben la verdadera explicación al origen de tal fenómeno, menos aún conocen de la existencia de dos tipos de arco iris: el primario y el secundario.¿Y qué tiene que ver el arco iris con Newton? Pues que el físico inglés publicó en 1704 un libro llamado Opticks en el que se explicaba este junto a otros tantos experimentos, fenómenos y demás explicaciones relacionadas con el tema de la luz. En él, se explica la formación del arco iris al reflejarse la luz del sol contra las gotas de lluvia y producir un espectro luminoso en el otro lado del cielo. En algunos casos aparece otro espectro luminoso, llamado arco iris secundario, con los colores completamente al revés y mucho más lejos del observador. Este se produce cuando suceden cuando son al menos dos refracciones y tres reflexiones las que experimenta la luz sobre la gota de agua. A continuación, unas cuantas imágenes relacionadas con lo explicado:

Descomposición de la luz, el prisma realiza la función de la gota de agua.

Imagen del experimento de Newton, en el cual usó un prisma como el de la ilustración anterior para realizar la  descomposición del haz de luz.

Probablemente todos nosotros hemos podido contemplar un espectáculo como este alguna vez.

En esta imagen se aprecia el arco iris secundario y sus colores invertidos, un fenómeno algo mas difícil de ver.

Y tras tantas vueltas por la vida y obra de Isaac Newton llegamos a lo que puede ser considerado como su clímax, pero también el clímax de la física y muy probablemente de la historia: Los Principia. En ellos Newton explica y razona lo que serían las 3 Leyes de Newton del Movimiento y la Ley de Gravitación Universal entre otros temas. Y para entrar más en detalle sobre todo esto comenzaremos explicando lo que es el concepto momento lineal y desde ahí iremos pasando punto a punto hasta la Ley de Gravitación. Este momento lineal o cantidad de movimiento es considerado como el producto de la masa por la velocidad, es decir, P=m·v.  Y a partir de ahí comienza una transformación que deriva en la Segunda Ley de Newton:

Momento lineal: P=m·v

La variación del momento lineal: P=m·(v-vo)

Y conociendo que el impulso es igual a la variación del momento lineal, es decir: F·(t-to)=m·(v-vo)

F=m·(v-vo)/(t-to) --> F=m·a (Segunda Ley de Newton, que dicta que la masa es la proporción del cambio).

En el caso de que el impulso sea 0: F·(t-to)=0

m·(v-vo)=0, siendo la masa una constante.

El momento lineal es siempre el mismo, no existe variación y así se llega a la Primera Ley de Newton. Esta dicta que todo cuerpo en estado de reposo o MRU (en equilibrio) no experimenta ningún cambio mientras ninguna fuerza resultante sea imprimida en él.

Por último, escojamos un ejemplo de momento lineal. Este ejemplo bien puede ser el de una partida de billar en la que dos bolas chocan. En este caso, se ha de producir un caso de acción y reacción, Tercera Ley de Newton, que dicta que un cuerpo que realiza una fuerza llamada acción sobre otro recibe una idéntica y contraria llamada reacción. Y con esto se puede deducir el movimiento que tomará una bola de billar por ejemplo tras chocarse, ya que solo es una cuestión de vectores en la que ha de sumarse la fuerza de acción o reacción y el impulso que llevaba.

Y por fin llega la hora de hablar de la famosa Ley de Gravitación Universal, la cual formaliza y demuestra la atracción entre todos los objetos existentes en el universo, es decir, unifica en una todas las posibles fórmulas de la gravitación en una. Esta ley dicta que la fuerza de atracción entre dos objetos cualesquiera (Planetas, estrellas, manzanas o lo que fuera) es igual a una constante llamada G (que posteriormente calcularía su valor el científico Henry Cavendish) directamente proporcional a la masa de ambos objetos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que les separa.

Fórmula correspondiente a la LGU, en la cual G es la constante de gravitación,  ``m1´´ y ``m2´´  las masas de los  objetos implicados y ``r´´ la distancia entre ambos. Por último, ``F´´ correspondería a la fuerza que dichos objetos se ejercen mutuamente.

Esta Ley es sin duda uno de los cambios más bruscos de la historia de la física y, por tanto, de la ciencia. Y no fue proceso de un día precisamente... Para llegar a ella, Newton necesitó dos años en solitario, tras los cuales se convirtió en el mayor genio del planeta tanto por descubrir esta Ley como por muchas otras proezas que le convierten en el mayor genio de toda la historia. ¿Y cuales fueron esos dos años? Pues concretamente 1665 y 1666. En aquella época Newton no era más que un estudiante de Cambridge que prometía llegar a ser algo, pero no alguien excesivamente destacado. Sin embargo, en esos dos años, mientras todo el mundo huía, se refugiaba y pasaba los dos peores años de su vida por culpa de la horrorosa peste, el joven Isaac continuaba la majestuosa estirpe formada por sus predecesores: Copérnico, Galileo y Kepler. Pero lo importante de la Ley de Gravitación Universal no es la llegada a ella, sino sus consecuencias a corto y sobretodo a largo plazo. Hicieron falta 300 años para que este legado que nos dejó Newton fuera utilizado para llegar a la Luna y así dar el primer paso para que el hombre surcase el espacio.

La Luna y su órbita alrededor de la tierra, acerca de lo cual escribimos a continuación

Por otro lado, esta Ley también descarta que haya una fuerza centrífuga que haga que la Luna no se abalance sobre la Tierra, estableciendo en su lugar la existencia de una fuerza atractiva y central que mantiene a ambos cuerpos a la misma distancia eternamente. Esta fuerza de atracción es igual y contraria a la que produce la Luna sobre la Tierra, de tal modo que se produce un par de acción y reacción. Todo esto produce que la Luna gire a una velocidad inconmensurable alrededor de la Tierra llamada velocidad orbital. Y esta velocidad orbital también existe en todos los satélites que tenemos alrededor de la Tierra, los cuales 300 años más tarde permiten saber donde estamos en cada momento por llevar un móvil encima gracias en gran medida al señor Albert Einstein, que es uno de los científicos que se apoyarán en Newton para hacer sus descubrimientos. Sin embargo, eso ya es parte de otra historia...

Coche a reacción

En esta nueva entrada vamos a tratar de un tema relacionado con su predecesora. Escribiremos sobre la leyes de Newton. Pero antes hemos de ver un concepto clave que ayudará a la comprensión de esta entrada:


El rozamiento Fuerza que se opone al movimiento de un objeto. Esta puede ser del cuerpo sobre el que se    apoya o puede ser el medio que le rodea como al aire.


Las leyes de Newton son las siguientes:

1ª ley de Newton (conocida como fase inercial) Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas sobre él.

2ª ley de Newton El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime.

3ª ley de Newton Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: o sea, las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto.

Con la siguiente experiencia podremos comprobar que las afirmaciones de Newton son correctas. En el siguiente video mis compañeros y yo hemos tomado un coche a reacción, que no es mas que un coche impulsado por un globo inflado. Como el que podemos ver en la imagen.

Ahora les mostraremos el vídeo.

Como hemos explicado en la grabación el coche ha pasado por 4 fases. La primera de ellas es una fase de reposo que corresponde con la primera ley de Newton. Una vez soltado podemos ver como el vehículo comienza a acelerar hasta que el globo se queda sin aire esa fase corresponde a la segunda ley. Cuando el globo se queda sin aire continua en movimiento pudiendo ver una fase inercial que correspondería a la primera ley de nuevo, lo que no es exactamente correcto pues debido al rozamiento con suelo y aire jamas pasa por esa fase para que estuviese correctamente nombrada debería encontrarse en el vacío y en una superficie perfectamente pulida incluso a nivel nuclear, pues a menor rugosidad menor es el rozamiento. Hasta que se detiene debido a la resistencia del aire y al rozamiento lo que corresponde a la segunda ley. Para concluir hablaremos de la tercera ley que aparece justo cuando soltamos el coche pues esta se produce cuando el aire comienza a salir lo que genera una fuerza que lo impulsa esto se puede ver en el siguiente diagrama de fuerzas.

Como podemos ver el aire expulsado al impactar contra la atmósfera genera una fuerza(rojo) y por la tercer ley de Newton la atmósfera ejerce sobre él una fuerza igual pero opuesta lo que hace que el coche se mueva, se ha omitido el coche para simplificar el dibujo. Es el mismo principio que el que usan cohetes y aviones(los de hélices no cuentan) para desplazarse solo que en el primer caso en vez de aire queman combustibles para generar una llama que les impulsa.

Ahora pasaremos a hablar del la masa del coche. Para poder entender esto debemos saber que el rozamiento producido con una superficie, es proporcional al peso del objeto (no confundir peso con masa, el peso se mide en newtons y la masa en kilogramos). Esto se puede comprobar fácilmente, basta con coger un libro y moverlo por la mesa, después pon la mano sobre el libro, aprieta hacia abajo e intenta moverlo. Como verás te cuesta más, debido a que al aumentar el peso también lo ha hecho el rozamiento. Hagamos otro experimento. Coge un papel, haz una bola y lánzala, ahora en esa bola mete algo que le añada peso, un trozo de metal valdría, y vuélvelo a lanzar con la misma fuerza. Habrás visto que la bola de papel sola se ha desplazado mucho menos que la bola de papel cargada. Esto se debe a que los objetos cuanto mayor sea su masa mayor es su inercia, más cuesta moverlos, pero también más cuestas detenerlos. Mientras que al aire frena rápidamente tu primer lanzamiento, el segundo le cuesta más por lo que la bola alcanza mas distancia antes de tocar al suelo. Con estas sencillas pruebas has podido comprobar lo que que nosotros demostramos cuando realizamos la experiencia del coche al tener mayor peso le costaba mas moverse pero a su vez cuando el globo se deshinchaba tardaba mas en detenerse.

Continuemos hablando de el aire, un tema que nos ha creado muchas molestias, porque el globo está hecho de plástico, en especial uno fácilmente deformable si se le somete a presión y al inflarlo demasiado se daba de sí, por lo que nuestros intentos de comprobar como se comportaba el coche más o menos cargado de aire fueron infructuosos, porque el numero de variables que cambiaban era demasiado grande debido a que no nos encontramos en un entorno ideal. Uno de esos problemas era el rozamiento con el aire, cuando el globo estaba muy hinchado aquel era mucho mayor que cuando el globo lo estaba menos. Pero suponiendo que estuviéramos en eso entorno ideal en el que el globo no se deformase, ni hubiera rozamiento, habríamos comprobado que el coche sufriría una mayor aceleración cuando el globo se encontrase más hinchado.


Aquí les mostraremos otro vídeo en el que demostramos que los cuerpos poseen inercia.

La gravedad... ¿para todos igual?

En esta entrada expondremos una serie de datos interesantes relacionados con la fuerza que nos sujeta a la Tierra calculando aproximadamente cual es su valor a través de un vídeo rudimentario, pero eficaz que nos ofrecen dos señores y a través del cual nosotros desarrollaremos su trabajo práctico. Acercándonos ya al tema en cuestión nos preguntamos lo siguiente: ¿por qué no flotamos o volamos? ¿Por qué estamos sujetos al suelo? ¿Por qué no podemos saltar tanto como queremos y no tener que rodear edificios, vallas, etc...?

Recordamos que en el espacio hay gravedad
0, y, por tanto, pueden estar suspendidos
los astronautas ya que no hay fuerza que
les sujete.

En la Tierra, la gravedad nos mantiene
en todo momento en el suelo.
Esta fuerza nos impide volar y surcar
sin ningún límite los cielos del planeta

La respuesta a todos estos enigmas se justifica con el descubrimiento de la gravedad, descubrimiento relativo, ya que la gravedad siempre estuvo entre los humanos y antes incluso que nosotros. El primero en acercarse algo a la idea de gravedad dicen que fue Newton, sin embargo, Galileo ya trabajó en ese tema con la demostración de que todos los objetos caen al mismo tiempo si se suprime la resistencia del aire (aunque eso él no lo podía saber). La gravedad, aparte de ser la importancia o dificultad con la que se presenta una situación, es la aceleración que impone a todo móvil que se encuentra en una atmósfera o ente parecido. En la Tierra, el valor de la misma es de 9,81m/s^2. Y ahora vamos a intentar demostrar que ese valor teórico puede ser alcanzado de manera práctica y sin herramientas de medida adecuadas.

Con la única ayuda de dos bolas de metal, un metro situado de manera vertical, una cámara de video y el programa Windows Movie Maker, los dos señores mencionados anteriormente fueron capaces de sacar unos datos que ahora os muestro ya organizados, desarrollados y con sus correspondientes gráficas y-t (Espacio-Tiempo) y v-t (Velocidad-Tiempo). Posteriormente, aparece el vídeo de los dos señores mencionados anteriormente con los datos mediante los cuales hemos sido capaces de desarrollar todo lo demás incluyendo ambas gráficas:

Nota: El primer dato de aceleración se multiplica por dos, ya que Vo=0m/s y, por tanto, sale un dato totalmente incoherente con respecto a los demás.

En la tabla podemos observar que la aceleración media es de 9,77m/s^2. Comparándola con el valor real de la gravedad (9,81m/s^2) podemos afirmar que el margen de error a sido mínimo, menos de un 1%, por lo que podríamos considerar el experimento como exitoso, a pesar de que si nos fijamos en los datos de aceleración por tramo apreciaremos que ninguno coincide y varios de ellos se desvían considerablemente, llegándose a apreciar en la gráfica.

Las causas de estas discrepancias son bastante evidentes, y se concentran en la toma de datos. Como mencionamos al principio, no dispusimos de herramientas de medida adecuadas. Para empezar usamos un metro, cuya precisión es limitada. Ademas se tomaron los datos en base a una serie de fotogramas a partir de un vídeo, y en esa toma de datos es posible que se de un error humano al tomarse mas bien a ojo. Por último hay que tener en cuenta que nos movemos en un tiempo de menos de un segundo, que provoca que errores pequeños se noten mucho más.

Gráfica Velocidad-Tiempo de los datos sacados

Gráfica Espacio-Tiempo de los datos sacados

Si analizamos las gráficas, principalmente la gráfica Velocidad-Tiempo, veremos que la velocidad de la bola se incrementa a medida que pasa el tiempo, y eso causa que al llegar al suelo la bola tenga una velocidad mucho mayor de la que tenía en los primeros instantes. Esta aceleración es la gravedad.

En tercer lugar, y como ya predijimos anteriormente, he aquí el famoso vídeo.

Por último desarrollaremos el modelo teórico, que es básicamente lo que saldría si no hubiera ningún error. Usaremos las ecuaciones del MRUA(movimiento rectilíneo uniformemente acelerado), aplicada a la caída libre, para lo cual ''v''es la velocidad, ''y'' es la altura, ''t'' el tiempo y ''g'' la aceleración, en este caso la gravedad. Para el desarrollo contaremos con el dato de tiempo total(0,48s) y, por supuesto, la gravedad(9,81m/s^2):

y=1/2g·t^2                                                v=g·t
y=1/2·9,81m/s^2·(0,48s)^2                       v=9,81m/s^2·0,48s
y=4,905m/s^2·0,2304s^2                         v=4,7088m/s
y=1,13m

Con esto obtenemos los dos datos: la distancia recorrida en 0,48s y la velocidad alcanzada en ese momento.
El resultado comparativo final es que en la distancia recorrida apenas hay diferencia, pero en la velocidad final hay una pequeña variación, puesto que esas décimas por debajo de aceleración de la gravedad obtenidas reducen la velocidad final en el experimento.

Con esto concluye el experimento, que podemos considerar un éxito por su gran aproximación a la realidad. Tal vez, en otra ocasión, con mejores instrumentos, logremos una mayor exactitud, pero si algo hemos demostrado es que cualquiera puede experimentar con solo tener herramientas básicas y ganas. Os dejamos con una serie de tomas falsas que pueden resultar un tanto cómicas del vídeo en el que basamos todo el trabajo.

Principio fundamental de la hidrostática de Arquímedes

En esta entrada vamos a hacer un sencillo experimento relacionado con el Principio Fundamental de la Hidrostática de Arquímedes. Para ello, comenzaremos analizando los instrumentos de medida que utilizaremos (Báscula, calibre y dinamómetro) y realizando una serie de cálculos y de experimentos llegaremos al famoso Principio.

Las principales características de un instrumento de medida son la rapidez, la exactitud, la precisión y la sensibilidad. La diferencia entre precisión y exactitud es que para que un aparato sea exacto debe acertar con la medida y además, ser preciso.


Báscula: Su precisión gira en torno al gramo o al kilogramo en las básculas que pesan personas. No destaca por su precisión. Es rápida, pero no sensible, ya que al variar la masa no sustancialmente, la medida no varía.

Dinamómetro: Es un instrumento de medida
muy preciso, ya que su desviación está en torno al 0,3 % aproximadamente.Es muy sensible ya que hay que calibrarlo por la gravedad, eso causa que sea muy lento.


Calibre: Instrumento de medida especificamente hecho para medir objetos pequeños, por lo que es muy preciso.Al ser un instrumento de alta precisión, es muy lento y sensible.


Según el sistema internacional, el peso se mide en newtons, la masa en kilogramos y el volumen en centímetros cúbicos. Tanto el newton como el volumen son magnitudes derivadas, siendo la fórmula del peso  P=m*g y la del volumen m^3


Ahora vamos a resolver un problema que tiene que ver con los instrumentos de medida citados anteriormente.


Tenemos dos esferas de mismo volumen, pero distinta densidad. Una de ellas, que es plateada, y su masa es de 6,85*10^1 gramos. Y la otra, negra, y su masa es de 2,25*10^1 gramos. La foto de la izquierda es la plateada y la de la derecha la negra.

A continuación medimos sus pesos en el dinamómetro y comprobamos que son, aproximadamente, 6,7*10^-1 N en el caso de la plateada y 2,2*10^-1 N en la negra. Las fotos de la derecha corresponden a la negra y las de la izquierda a la plateada. 

Para confirmar estas medidas calcularemos el peso de ambas esferas usando la fórmula del peso mencionada anteriormente:
Peso bola plateada = Masa bola plateada * Gravedad
Peso bola plateada = 6,85*10^1 g * 9,8m/s^2
Peso bola plateada = 0,0685 kg * 9,8 m/s^2
Peso bola plateada = 6,713*10^-1 N

(Siempre funcionamos en las unidades del SI)

Ahora repetimos el proceso con la bola negra:


Peso bola negra = Masa bola negra * Gravedad

Peso bola negra = 2,25*1^1 g * 9,8 m/s^2
Peso bola negra = 0,0225 kg * 9,8 m/s^2
Peso bola negra = 2,205*10^-1 N


Observando los resultados (6,7*10^-1 N y 6,713*10^-1 N en el caso de la plateada y 2,2*10^-1 N y 2,205*10^-1 N en el de la negra) podemos ver que, pese a variar ligeramente, son muy aproximados y este margen de error puede deberse a muchas causas tales como la limitada precisión del dinamómetro o a un error humano al tomar la medida.

Tras medir el peso y la masa, solo falta calcular el volumen y, para ello, el diámetro. Con el calibre hacemos estas medidas. Como podemos comprobar en las imágenes el diámetro de ambas bolas es de 2,5 cm. Así que el radio es de 1,25 cm. π1,25^3*4/3=8,1771cm^3=8,1771*10^-2m^3* Este es el volumen de ambas bolas aproximadamente. Ahora que tenemos tanto el volumen como la masa, procedemos a calcular la densidad.

Densidad = Masa / Volumen

Densidad Bola Plateada = 6,85*10^1gr / 8,1771*10^-6m^3 = 8,38*10^6gr/m^3

Densidad Bola Negra = 2,25*10^1 gr / 8,1771*10^-6m^3 = 2,75*10^6gr/m^3

Por último, sumergiremos las esferas en agua para comprobar el principio de Arquímedes, la causa de nuestro anterior trabajo. Como vemos en estas imágenes, tomadas después de sumergir las esferas en agua, comprobamos que su peso disminuía pues pasaba de 2,2*10^-1 N a 1,4*10^-1 N en el caso de la bola negra (derecha) y de 6,7*10^-1 N a 5,9*10^-1 N en el de la plateada(izquierda).

Aunque ahora debemos de asegurarnos de que no hemos cometido error alguno, por eso hemos de contrastarlo con la teoría. Para ello recogemos los datos del volumen de las esferas que nos da π1,25³*4/3=8,1771cm³

Sabiendo que el volumen del agua es de 1g/cm^3, deducimos que desalojamos 8,1771g de agua que pasado a N son:

F=0,0081771*9,8/s²

F=8,014*10^-2 N

Redondeado es igual a 0,08N que restándoselo a 0,22 da 0,14 y restándoselo a 0,67 da 0,59 demostrando el principio de Arquímedes.