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Bien. He aquí la nueva entrada sobre los experimentos que aparecen en el libro "De Arquímedes a Einstein". En este caso hablaremos sobre la caída libre de los cuerpos, investigada por primera vez por Galileo Galilei en su famoso experimento de la Torre de Pisa. Empecemos.
Nos es imposible colocar el vídeo que hemos utilizado para tomar los datos, pero se puede encontrar aquí (segundo video de la actividad 6):
Nota: Las imágenes se pueden ampliar haciendo clic sobre ellas.
1. Lo primero será hacernos una gráfica representando los datos (y, t) donde y es la posición y t es el tiempo.
Gráfica de posición frente a tiempo
2. El segundo paso consiste en calcular la velocidad media para cada intervalo de tiempo. Para ello, tomamos la diferencia entre una distancia y la anterior (por ejemplo: restamos 0.025 - 0 y obtenemos el incremento de la distancia) y lo dividimos entre el tiempo que ha tardado en recorrer dicha distancia (en este experimento siempre es 0.08 s). Los resultados son los siguientes:
Velocidad media de cada intervalo
3. Con estos datos, representaremos una gráfica con la velocidad de cada tramo (Intervalo) frente al tiempo. Según lo que hemos estudiado, este tipo de movimiento es un MRUA (Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado) por lo que la gráfica debería de salirnos cómo una recta, donde la pendiente (que se obtiene al dividir el incremento del valor y entre el incremento del valor x) es la aceleración de la gravedad (en este caso).
Gráfica de velocidad frente a tiempo
En esta gráfica observamos los resultados obtenidos. La linea azul son nuestros resultados y la negra es la que hubieramos esperado. Dentro de lo que cabe, el error experimental ha sido pequeño.
4. En esta tabla podemos observar los resultados que tendriamos que haber obtenido y los que hemos obtenido:
Comparación entre los valores de la aceleración
5. Este error se debe al rozamiento con el aire y la imprecisión de los sistemas de medida. Para hacer el experimento de manera que salga los más parecido posible deberíamos de haberlo hecho en una habitación donde se hubiera hecho el vacio y con disitintos sensores muy precisos. Aún con esto seguiría existiendo un error experimental, mínimo, pero existente. A esto hay que unir que el valor dado a la gravedad es aproximado.
Hasta aquí llega nuestra entrada. Esperemos que haya sido agradable leerla y que se haya entendido bien la caída libre de los cuerpos.
Bien. Esta entrada hace referencia a un experimento basado en el Principio Fundamental de Hidrostática. Se trata de un experimento sencillo y muy claro para entender el principio de hidrostática. Empecemos.
Para comenzar, hay que tener en cuenta el material que vamos a usar, a saber:
- Un dinamómetro
- Una balanza
- Un calibre
- Una esfera plateada
- Una esfera negra
(Las esferas tienen masas distintas)
Dinamómetro
Balanza
Calibre
1. En primer lugar observa las siguientes imágenes de los instrumentos de medida que vamos a utilizar:
Describe sus características. Presta especial atención a la diferencia entre precisión y exactitud. ¿Podrías decir cuál es la precisión de cada aparato?
Para poder empezar a tomar datos con estos aparatos primero tenemos que saber qué son y para que sirven. Un dinamómetro es un utensilio con forma de tubo que continene un muelle del que cuelga un gancho donde se coloca un peso. Existen distintos tipos de dinamómetros con distintos tipos de escalas, el que tenemos en la foto puede llegar a medir un newton, la unidad para medir fuerza. Al estar graduado para un newton se trata de un objeto que mide con bastante precisión.El siguiente objeto es una balanza, un utensilio que mide la masa de los objetos sobre ella. Este modelo es una balanza electrónica que puede medir objetos que pesen desde 0,1 g hasta 220 g. Para los objetos que vamos a pesar se trata de un objeto bastante preciso.
El tercer objeto es un calibre. Un calibre mide con bastante precisión dimensiones de objetos relativamente pequeños. Suele estar graduado desde centímetros hasta fracciones de milímetro. El que tenemos nosotros mide el objeto en centímetros. Es bastante preciso, pero los hay con mucha mejor precisión.
2. ¿Cuáles son las unidades en las que se miden el peso, la masa y el volumen? ¿Cuál/cuáles son magnitudes fundamentales y cuál/cuáles son derivadas? Expresa la ecuación de dimensiones en el/los caso/s que proceda.
Siguiendo el guión del que disponemos, las unidades en las que se mide el peso son los newtons, la masa se mide en gramos y el volumen en metros cúbicos, según el SI (Sistema Internacional). La única que es fundamental es la masa. Los otros no:
Peso: Fuerza con la que la gravedad atrae a un cuerpo N = 1kg ·1m/s^2
Volumen: (espacio que ocupa un cuerpo) m^3
Con esto podemos decir que la masa es fundamental y que el peso y el volumen son derivadas.
Una vez que tenemos suficientes conocimientos iniciales, podemos comenzar con el experimento. Tenemos dos esferas metálicas de distintas densidades pero MISMO volumen. En primer lugar las pesamos:
Masa de la bola plateada
Masa de la bola negra
Como podemos observar, la esfera de plata pesa más que la negra. La plateada tiene una masa de 68,5 g y la negra tiene una masa de 22,5 g.
Ahora suspendemos ambas esferas en el dinamómetro y así calculamos su peso en newtons:
Peso en newtons de la esfera negra
Peso en newtons de la esfera plateada
3. Bien. Hasta aquí ya hemos tomado unos cuantos datos, suficientes para nuestros primeros cálculos. El siguiente objetivo de nuestro experimento es comparar estos datos con los teóricos. Para ello tomaremos la fórmula P=m*g para poder cálcular la masa de las esferas (tomando como referencia que g=9,8 m/s^2).
Como podemos observar, los datos teóricos se aproximan mucho a los experimentales, teniendo en cuenta el error cometido en la aproximación de los newtons y de la gravedad.
Con el calibre hemos medido el diametro de las circunferencias y tenemos que las circunferencias miden 2,5 cm de diametro, por lo que el radio es de 1,25 cm.
4. ¿Ya tenéis las medidas del diámetro de ambas esferas? Ni que decir tiene que entonces sabréis calcular el volumen de las mismas y por último con el dato experimental de la masa obtenido en el punto 2 podemos calcular la densidad de cada esfera (d=m/V) Con este dato podemos calcular el volumen de las circunferencias (con una basta ya que tienen el mismo volumen) y, por ende, calcular tambien la densidad:
Observando las densidades vemos claramente que la esfera plateada (que podría tratarse de niobio, aunque no estamos muy seguros) es más densa que la negra (que se trata de aluminio).
5. Calculad el valor TEÓRICO de los empujes para ambas esferas sabiendo que la densidad del agua es 1 g/cm3.Comparad los resultados obtenidos con los valores experimentales y tratad de explicar las discrepancias si es que las hay.
Observando los resultados experimentales que hemos tomado, el empuje de la bola negra es el siguiente:
-Fuera del agua: 0,22 n
-Dentro del agua: 0,14 n
-Empuje: 0,08 n
Observando los resultados experimentales que hemos tomado, el empuje de la bola plateada es el siguiente:
-Fuera del agua: 0,67 n
-Dentro del agua: 0,59 n
-Empuje: 0,08 n
Ahora debemos calcular el valor teórico y compararlo:
E=V cuerpo*D fluido
Como observamos en la imagen, el empuje nos sale que son 0,081812 n que es muy parecido a los resultados experimentales obtenidos. Nos sale exacto deido a la imprecisión de los objetos de medida.
Conclusiones
Básicamente las conclusiones de este experimento ya las realizó Arquímedes hace siglos, "todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso del volumen de fluido desalojado"
Esta es nuestra entrada relativa al trabajo de Rutherford.
Rutherford (1871 - 1937)
1- Como has podido leer J.J. Thomson fue profesor de Rutherford, que a su vez fue profesor de Hans Geiger. ¿Cómo valoras el hecho de que los investigadores científicos formen a los estudiantes? Investiga qué ocurre en las Facultades de Ciencia españolas.
A la hora de comenzar a formar nuevos estudiantes que pueden acabar como futuros físicos, es muy importante que éstos posean un guía que les ayude a andar el camino hacia el conocimiento. Todo buen científico debe de proveer a sus alumnos de un enfoque práctico de las cosas y de otro teórico aunque sin estancarse en solo uno ya que si no aprenderá del otro.
2- En palabras de Rutherford, "toda ciencia, o es Física, o es coleccionismo de sellos". En 1908, le otorgaron el premio Nobel de Química. Su reacción fue realmente muy curiosa: "He cambiado muchas veces en mi vida, pero nunca de manera tan brusca como en esta metamorfosis de físico a químico". ¿Cuáles son las diferencias entre la Física y la Química? Da una interpretación a ambas frases del científico, ¿por qué crees que le otorgaron el premio Nobel de Química y no el de Física?
La física es la ciencia que estudia la materia y la energía así como las leyes a las que están sujetas y la química es la ciencia que estudia la materia y sus transformaciones.La diferencia fundamental reside en que la física estudia la materia “por fuera” sin transformaciones en su composición mientras que la química se dedica a estudiar la materia “por dentro” transformando sus propiedades.
“Toda ciencia, o es Física, o es coleccionismo de sellos”
Creemos que Rutherford dijo esto porque la física es la ciencia que se dedica a transformar la materia de un modo visible mientras que la química lo hace cambiando sus propiedades internas y por tanto de una forma poco visible.
"He cambiado muchas veces en mi vida, pero nunca de manera tan brusca como en esta metamorfosis de físico a químico"
Con esta frase Rutherford quiere expresar que él es un físico al que le han entregado el premio Nobel de química, lo cual le parece que no tiene sentido. Lo cierto es que su experimento manipulaba átomos, con lo que se debe de clasificar dentro de la parte de química. Puede que fuera su único experimento químico pero es por el que le dieron el Nobel.
3-Investiga sobre la biografía de Nikola Tesla. ¿Cuáles fueron sus principales aportaciones a la Física? ¿Qué disputas científicas mantuvo con Edison y Marconi?
Físico croata, Nikola Tesla, nacido en 1856 en Similjan, la actual Croacia y el antiguo imperio Austrohúngaro, fue un niño prodigio y una mente brillante para la física. Tesla poseía una mente brillante y sus profesores no tardaron en darse cuenta de ello. En 1884 llega a Nueva York para trabajar con Edison gracias a la recomendación de un amigo de éste. Así, se pone a trabajar en la mejora de los motores de corriente continua de Edison llegando a hacerlos mucho más eficientes. Está claro que Tesla no habría hecho esto si no fuera por el dinero que supuestamente Edison le iba a entregar, dinero que nunca llegó a tener dando lugar a la “Guerra de las corrientes”, en la que Edison y Tesla compitieron para demostrar al mundo que corriente era mejor, si la continua de Edison o la Alterna de Tesla. Basándonos en nuestra situación actual, parece claro que fue Tesla y su corriente alterna los que ganaron la batalla.
Años después de este enfrentamiento Tesla trabajaba en la transmisión de energía a través del aire llegando a inventar la radio a pesar de que se considere a Marconi como el inventor de la misma. Lo cierto es que Tesla patentó la radio 15 años antes de que lo hiciera Marconi, por lo que la Corte Suprema consideró en 1943 a Tesla como inventor de la radio a pesar de las demandas y juicios que tuvo con Marconi.
Los últimos años de su vida los pasó investigando como transmitir grandes cantidades de electricidad a través del aire, proyecto que quedó abandonado por la falta de presupuesto.
Tesla (1856 - 1943)
4- A lo largo del capítulo se suceden las descripciones sobre el descubrimiento de distintos fenómenos físicos (que puedes y debes añadir en la línea de tiempo) que serán cruciales en el desarrollo de la sociedad del siglo XX y que siguen muy relevantes en la actualidad. Responde brevemente (básate sólo en el libro para este punto, excepto en los enlaces señalados) a la siguiente serie de preguntas (haciendo referencia a los científicos implicados):
4a) ¿Qué diferencia la fluorescencia de la fosforescencia?
La diferencia fundamental no es otra que su composición, en la primera se encuentran átomos de flúor mientras que en la segunda son átomos de fósforo. La fluorescencia produce una luz azulada en cuanto recibe radiación externa mientras que la fosforescencia tiene una luz verdosa que seguía aun cuando no recibía radiación externa.
Los científicos que más desarrollaron este tema fueron los Becquerel, en especial Henri Becquerel, de la tercera generación de esta familia.
4b) ¿Qué son los Rayos X? ¿Cómo se descubrieron?
Los rayos X son radiaciones electromagnéticas descubiertas por primera vez analizando las radiaciones que emitía un tubo de rayos catódicos. Wilhem Conrad Rötgen se dio cuenta de que estas radiaciones llegaban a atravesar un gran número de obstáculos, incluyendo metales menos densos que el plomo y que ademas se podía fotografiar el elemento radiado.
4c) ¿Qué es la Radiactividad? ¿Cómo fue descubierta?
La Radiactividad es la desintegración espontanea de ciertos átomos pesados. Rutherford y su ayudante, Frederick Soddy, descubrieron que se producían tres tipos de emisiones durante esta descomposición: las alfa, formada por átomos de helio; las beta, que eran electrones; y las gamma, que era radiación electromagnética muy potente.
4d) ¿Por qué fueron importantes las aportaciones del matrimonio Curie y de Rutherford al trabajo de Becquerel?
Porque los Curie fueron los que descubrieron el fenómeno que Becquerel estaba observando, por lo que pudo saber con qué estaba tratando y Rutherford consiguió clasificar los distintos tipos de radiación.
4e) ¿Qué son las radiaciones alfa, beta y gamma? Ordénalas energéticamente.
Las radiaciones alfa, beta y gamma son distintos tipos de emisiones cuando se descomponían los átomos pesados durante la radiación.
Alfa: Son átomos de helio. Poseen poca penetración, baja frecuencia y una longitud de onda muy amplia.
Beta: Son electrones. Poseen una penetración, frecuencia y longitud de onda medias
Gamma: Radiación electromagnético. Posee una penetración considerable, una muy alta frecuencia y una corta longitud de onda.
4f) ¿Qué es la ley de desintegración atómica? ¿Por qué sirve como método de datación geológica?
La ley de desintegración atómica es el ritmo con que los átomos de una muestra radiactiva se desintegran. La vida media de los átomos puede variar desde unos pocos segundos a millones de años. Rutherford consiguió encontrarle una utilidad muy práctica a este asunto. Consiguiendo muestras geológicas que contuvieran estos elementos y conociendo el ritmo de descomposición de los elementos pudo establecer un límite inferior para la edad de la Tierra.
Este tipo de datación todavía se usa en la actualidad para datar múltiples objetos incluyendo restos humanos. Para estos casos, lo mejor es usar el carbono-14, un isótopo del carbono que nuestro cuerpo renueva sin querer debido a que se encuentra unido con el dióxido de carbono. Al ser inestable, en nuestro cuerpo se va transformando en Nitrógeno-14 manteniendo un nivel equilibrado entre ambos. Ahora bien, a nuestra muerte nuestro cuerpo deja de “renovar” su carbono-14 que sigue transformándose en el nitrógeno. Mediante aparatos de medición, los científicos son capaces de averiguar la cantidad de carbono-14 que hay en nuestro cuerpo y datar la fecha de muerte del individuo. Solo presenta un problema y es que se necesitan más de 400 años de descomposición para poder medirlo.
4g) ¿Para qué sirve un contador Geiger?
Un contador Geiger sirve para medir la radiación presente en un objeto o lugar. El aparto funciona midiendo la energía radiactiva de partículas captadas por el receptor del medidor que está dispuesto para que solo atraviesen las partículas una a una. Está basado en el experimento de Rutherford del núcleo atómico.
5- Explica cómo se llevó a cabo el experimento de Rutherford. Si quieres, puedes hacerlo con un pequeño vídeo, que simule el experimento. ¿Por qué no funcionó con Mica, sí con pan de oro y mejoró mucho con pan de platino? Comenta la frase: "Es como si se disparara un obús naval de buen calibre sobre una hoja de papel y rebotara".
El experimento de Rutherford fue en realidad realizado por Geiger y Mardsen, eso sí, bajo la supervisión de Rutherford. El experimento consistía en ver si las partículas alfa recién descubiertas eran capaces de atravesar pan de oro o platino. En un principio, el propio Rutherford había hecho el experimento con mica, y había visto que el haz de alfas atravesaba limpiamente la mica. Así pues, les propuso a Geiger y Mardsen que realizaran el mismo experimento pero con oro, un material mucho más fino y que probablemente daría algún resultado curioso. El experimento en si era sencillo, proyectar las alfa contra el oro y el platino y esperar que alguna partícula se desviara, cosa harto impensable. Tras horas y horas de proyectar alfas, los resultados resultaban imposibles, ¡una de cada 8000 partículas rebotaban! Rápidamente fueron a decírselo a Rutherford, quién sorprendido por el resultado, dijo su famosa frase: “es como si se disparara un obús naval de buen calibre sobre una hoja de papel y rebotara”. Tras este experimento se empezó a especular con que el modelo atómico de Thomson estuviera mal diseñado.
Con esta frase, Rutherford pretende, de una manera muy ilustrativa, explicar la imposibilidad de que una partícula alfa hiciera lo que hizo en el experimento.
6- Describe el modelo de Rutherford y sus limitaciones. ¿Por qué el equipo de Rutherford se puede considerar el padre de la interacción nuclear (piensa en qué lo ocurriría a los protones si no existiera dicha interacción)? ¿Qué son las 4 interacciones fundamentales de la naturaleza?
El modelo de Rutherford está basado en la existencia del núcleo, donde se sitúan los protones y alrededor del cual giran los electrones. El equipo de Rutherford puede considerarse el padre de la interacción nuclear por el simple hecho de que hasta entonces no se había descubierto el núcleo. Sin dicha interacción, los protones se irían todos por cualquier sitio en vez de mantenerse juntos.
Las 4 interacciones fundamentales de la naturaleza son los cuatro tipos de atracciones que pueden sufrir los átomos. Son las siguientes:
A) Interacción nuclear fuerte:
Es la interacción que permite unir unas partículas elementales, llamadas quarks, para que produzcan otro tipo de partículas más complejas, los hadrones.
B) Interacción nuclear débil:
Es la interacción que permite unir unas partículas elementales, llamadas quarks y leptones, a otra.
C) Interacción electromagnética:
Es la interacción que actúa entre partículas con carga eléctrica.
D) Interacción gravitatoria:
Es la interacción que hace que cualquier tipo de materia provista de energía interaccione entre sí.
7- Crea tu propio "escudo científico" (buscando tu propio lema científico) tal y como hizo Rutherford al ser nombrado barón.
Este escudo se ha construido a partir de un escudo en blanco, al que hemos añadido el símbolo de "radiación" en honor a Rutherford, una radio en honor a Tesla y el las iniciales de "corriente alterna" y "corriente contínua"
1. Symmer, consideraba a la electricidad como una energía que era capaz de admitir dos clases de fluidos muy ligeros; uno resinoso, o negativo, y el otro vítreo, o positivo. Según Symmer, estas propiedades se neutralizaban al combinarse ambos fluidos. Esto se demostró al ver que dos objetos frotados contra ámbar al juntarlos se repelían y que los que dos objetos frotados contra el vidrio al juntarse también se repelían pero que uno frotado contra vidrio y otro frotado contra resina al juntarse se atraían.
2. Un tubo de descarga o de rayos catódicos es un tubo de cristal en el que se han insertado dos electrodos, uno positivo y otro negativo y se ha hecho el vacío para que sea más fácil observar el fenómeno que en él se produce. Thomson consiguió desviar los rayos gracias a que consiguió hacer el mayor vacio posible (a base de romper tubos de rayos catódicos). Cuanta más presión ejerce el gas, más voltaje se tiene que aplicar para producir y desviar los rayos.
3. El modelo de Thomson se basa en el modelo de Dalton al que le han insertado electrones. Por ello se le conoce como el modelo de tarta de pasas. Este modelo no es viable debido a los experimentos de Rutherford en los que las partículas alpha al bombardear una lámina de oro algunas rebotaban. Si el modelo de Thomson fuera cierto, todas las partículas rebotarían.
4. El experimento de Michelson consistia en medir la velocidad de la tierra con respecto al éter.El éter es una hipotética sustancia extremadamente ligera que se creía que ocupaba todos los espacios vacíos como un fluido. La existencia del éter como la sustancia que describía Michelson no existe, pero si que existe un alcohol muy volátil con el mismo nombre.
5. Los rayos X ionizan a las gotas de aceite porque se llevan a los electrones libres con ellos.
6. El experimento consiste en medir el tiempo que tardan las gotas de aceite en subir y bajar por las capas con carga. Así, mediante una ecuación, Millikan averiguó la carga eléctrica de los electrones. El experimento consistía en pulverizar unas gotas de aceite y hacer que pasaran a través de dos campos con carga gota a gota.
7. El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones de un material cuando se ilumina con radiación ultravioleta. En los ascensores o en los garajes sirve para que las puertas no se cierren cuando pasas.
8. Para así poder ver como se piensa en otros entornos y con ello poder conseguir una mayor capacidad deductiva, y tener más conocimientos para poder experimentar.
9. Es recomendable porque así puedes estar al tanto de lo que ocurre a tu alrededor, aprendes cosas y completas tus conocimientos.
10. Aquí están algunos de nuestros modelos del núcleo atómico. El primero es el modelo "balón de adidas" y el otro es un video con la construcción del modelo de Thomson mediante las figuras de Lego.
Todo empezó cuando un buen día a un historiador de la ciencia, Robert Crease, se le ocurrió hacer una encuesta sobre los experimentos más bellos de la física. Para ello eligió la revista Physics World, revista de los miembros del Institute of Physics, una de las mayores sociedades de físicos del mundo. Crease recibió un gran número de respuestas a partir de las cuales pudo realizar una lista con los experimentos más bellos de la Física.
Al autor al ver el resultado de la encuesta se le ocurrió que podía escribir un libro: tenía un tema y un buen hilo conductor, el orden cronológico de los experimentos. Revisando mejor el listado de los diez experimentos más bellos, el autor se fijó en que había un físico repetido, Galileo, por eso el autor buscó que experimento había quedado en undécimo lugar y resulto ser el principio fundamental de la hidrostática del siracusano Arquímedes al que puso en primer lugar para encajar cronológicamente a todos los físicos.
Lo que el autor ha intentado es escribir este libro de una forma en el que los padres puedan hablar de el con sus hijos y provocar debates interesantes en las casas.
Nos parece un libro interesante de leer en el colegio y aprender un poco más de este apasionante mundo de la fisica. Este libro nos hace ver lo bonita que puede ser la física no solo lo malo y aburrido.
Conocemos el principio fundamental de la hidrostática, la descomposición de la luz del sol por un prisma y la caída libre de los cuerpos. Los físicos que ya conociamos de antes son Arquímedes, Galileo, Newton y Einstein.
La verdad es que la ilustración nos parece muy apropiada ya que se trata de un Einstein saliendo de una bañera lo que claramente hace alusión a Arquímedes. Parece una portada muy acorde con el libro.
Manuel Luis Lozano Leyva es uno de los físicos nucleares españoles más conocidos en el mundo. Actualmente dirige el departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear de la Universidad de Sevilla. Realizó una tesis doctoral en Oxford y ha trabajado en el Instituto Niels Bohr de Copenhague, en la Universidad de Padua, en el Instituto de Física Nuclear de Daresbury y en la Universidad de Múnich. Actualmente es miembro del Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN) y catedrático en la universidad de Sevilla.
