Bienvenido a PRACTICA CIENCIA. Este es un blog dedicado a la divulgación científica. Su principal característica es un enfoque basado en la experimentación como punto de partida y en presentar cada nueva entrada justo cuando las anteriores han fijado de manera sólida los conocimientos previos necesarios. Este blog hace uso sistemático de vídeos de youtube, ya que el autor considera que no hay nada como ver para creer y hoy en día hay excelente material didáctico en la red el cual puede ser legalmente utilizado ya que apuntamos directamente a la fuente y al autor del mismo. Así, este blog está cogiendo el formato de lo que podríamos denominar una "youtupedia": entradas apoyadas por vídeos donde hay multitud de enlaces que nos derivan a otras entradas y en el que además se intenta que haya siempre un hilo conductor. Todo ello amenizado por los propios comentarios del autor que son fruto de su experiencia en el campo, tras años de estudio y autoindagación.
Tan pronto como se enuncia una Ley general surgen numerosos intentos para desvalijarla intentando demostrar experimentalmente su incumplimiento. Y así ha sucedido con la Primera Ley de la Termodinámica. A todos los inventos que se ha contruido para intentar demostar la invalidez del Primer Principio de la Termodinámica se los conoce como móviles perpetuos de primera especie. Básicamente todos ellos intentan demostrar que no se cumple la ley de la conservación de la energía y que hay ciertos dispositivos ingeniesos que supuestamente pueden funcionar por tiempo ilimitado sin necesidad de recibir un aporte de energía igual o superior al trabajo que realizan.
Arriba puedes ver un par de ejemplos de inventos que se concibieron a tal fin, incluso mucho tiempo antes de que se formulara la Primera Ley. El primero, el vaso que se llena a sí mismo, se atribuye a Robert Boyle. El segundo, la rueda giratoria que se empuja a sí misma, se atribuye a Leonardo da Vinci.
Abajo puedes ver otro móvil perpetuo de primera especie cuyo funcionamiento se muestra en un vídeo del Canal Sur de Andalucía. Muy divertido y sorprendente.
Precisamente esto ha llevado a una nueva manera de enunciar la Primera Ley de la Termodinámica: ningun sistema que trabaje cíclicamente es capaz de realizar un trabajo por tiempo ilimitado sin estar recibiendo una cantidad de energía igual o superior al propio trabajo realizado.
En ocasiones hay hallazgos o inventos que pasan desapercibidos para el mundo pero que sin embargo han sido determinantes para que otros lograran avances muy importantes. Este es el caso de la cuba neumática que creó el clérigo inglés y amante de la fisiología Stephen Hales. Con la cuba neumática Hales encontró la manera de separar un gas a partir de una reacción química dada manteniéndolo aislado dentro de un recipiente rellenado parcialmente con agua de forma que no se mezclara con los gases que componen el aire .
La invención de la cuba neumática animó a que otros científicos empezaran a experimentar con diferentes gases liberados a partir de diferentes reacciones. Esto llevo al descubrimiento del anhídrido carbónico, el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno, entre otros, a lo largo del siglo XVIII.
A la generación de científicos que experimentaron con la cuba o cubeta neumática también se les conoce como químicos neumáticos.
Gerolamo Cardano fue el primero en sugerir la idea de colocar una lente en la apertura de la cámara oscura inventada por Leonardo Da Vinci y perfeccionada por Cesare Cesariano para poder enfocar la imagen capturada en una región concreta.
La cámara oscura fue utilizada durante siglos para la realización de retratos pictóricos; muchos artistas calcaban el contorno de las siluetas proyectadas por la misma sobre una superficie al alcance.
Pero el gran reto de la cámara no era capturar la imagen sino conseguir una copia impresa de la misma. Y este no era una problema ya de Óptica sino de Química. La sustancia que abrió las puertas a la impresión fotográfica fue el cloruro de plata, que por contacto con la luz cambia de color. Este hecho fue descubierto de forma casi fortuita en 1724 por el científico alemán Johan Heinrich Shultze mientras realizaba un experimento en el que pretendía estudiar una reacción química en la que había plata involucrada. Shultze comprobó que la mezcla de plata y yeso se oscurecía al contacto con la luz del Sol. Ese hallazgo desencadenó el interés de muchos más científicos por experimentar con otros compuestos químicos y encontrar técnicas para conseguir plasmar una imagen sobre una superfície. Las sales de plata y el cloruro de sodio resultaron ser muy apropiados.
Se considera que la primera fotografía de la historia fue realizada en el año 1826 por el francés Joseph Nicérme Niépce al capturar la imagen que se veía desde la ventana de su casa en una plancha tras mantener su cámara oscura inmóvil durante una exposición de 8 horas. A las imágenes así captadas se las empezó a denominar heliografías.
Pero la primera persona que realmente empezó a comercializar por todo el planetas la idea de Niépce tras perfeccionar los todavía rudimentarios métodos de revelado fue su socio Daguerre, quien empezó a utilizar vapores de mercurio para calentar la lámina impresa con sales de plata tras retirarla rápidamente de la exposición para frenar su deterioro posterior. Al prototipo de cámara inventada por Daguerre se la denominó daguerrotipo y gozó de gran popularidad. No en vano hay que tener en cuenta que los productos químicos que se usaban para el proceso eran muy tóxicos y además tanto las cámaras como las láminas de impresión eran muy pesadas.
El científico inglés Talbot colaboró al perfeccionamiento del tratamiento químico-luminoso de las láminas consiguiendo obtener unas imágenes que se denominaron claro-oscuros de aceptable calidad.
Sin embargo, el primer prototipo de cámara fotográfica ligera y con un rodillo incorporado no fue creado hasta el año 1888 por George Eastman en Estados Unidos. Estamos hablando ni más ni menos del fundador de la mundialmente famosa marca KODAK.
En el año 1944 se inventó la cámara POLAROID que permitía una revelado instantáneo de la fotografías por primera vez.
La cámara fotográfica ha sido uno de los descubrimientos más influyentes del mundo, no solamente por ser precursora del cine, sino porque consiguió inmortalizar hechos históricos con todo su realismo, como los horrores de una guerra y facilitar así que la gente pudiera tomar consciencia de una forma más directa de cosas que hasta entonces solamente podían cuajar en el erario popular por la tradición oral.
Y es que con la fotografía se reafirma la frase "una imagen vale más que 1000 palabras".
A efectos prácticos una lupa, sea más o menos sofisticada, servirá para ver ampliada la superficie de un objeto que es iluminado por una fuente de luz externa que será reflejada por tal superficie. En cambio, un microscopio se utilizará para observar la estructura interior de una muestra muy fina que será atravesada por un haz de luz colocada normalmente en la parte más baja del dispositivo.
El microscopio es un instrumento óptico cuya invención se atribuye al holandés Anton van Leeuwenhoek. En su versión más simple no es más que una lupa incrustada en un mecanismo que incluye un soporte en el que fijar las muestras que se quieren observar y su factor de amplificación es bastante reducido.
Los microscopios de uso más extendido son los compuestos, lo cuáles incluyen dos lentes convergentes, el objetivo y el ocular, acopladas a modo de compartir un mismo punto focal y cuyo aumento lateral total resulta del producto del aumento lateral de cada una de las lentes. Sin embargo, en la actualidad es común que tanto el objetivo como el ocular de un microscopio compuesto se correspondan a su vez con un sistema óptico compuesto, con el fin de lograr un mayor aumento lateral sin introducir aberración esférica.
Utilizando un microscopio compuesto de 50 aumentos Robert Hooke observó las células por primera vez en el año 1665, aunque las que él viera fueran células muertas de origen vegetal. Se abría la puerta a la Microbiología.
Podemos decir que la lupa es el instrumento óptico más sencillo que existe. En realidad se trata de una simple lente convergente con una distancia focal apropiada para aumentar el tamaño de los objetos observados. Normalmente la lupa se utiliza para observar objetos colocados entre el punto próximo y el ojo humano. El punto próximo se corresponde con aquella distancia mínima a la que el ojo humano puede enfocar objetos con nitidez y suele ser de unos 25 cm. Lo ideal es que el objeto caiga exactamente sobre el foco de la lupa para poderlo ver con vista relajada (como si los rayos provinieran paralelos del infinito). En tal configuración el observador obtendrá una imagen virtual y le parecerá que los rayos de luz le llegan con un mayor ángulo de incidencia que el real.
Es precisamente el aumento angular lo que se tiene en cuenta para determinar la capacidad de aumento de una lupa. Este aumento angular se define como el cociente entre las tangentes del ángulo subtenido por los rayos de luz que provienen del objeto con y sin la lupa.
Considerando el objeto precisamente colocado sobre el punto focal cuando se utiliza la lupa frente al ángulo máximo del objeto que se observará sin lupa cuando se coloca justo en el punto próximo obtendremos un aumento lateral de
Sin embargo la distancia focal no se puede reducir infinitamente ya que eso requeriría lentes de un radio de curvatura cada vez menor y la aberración esférica aparecería imponiendo límites prácticos.
El binocular surge como el dispositivo óptico que pone remedio a la excesiva longitud requerida para alinear apropiadamente todas las lentes de un anteojo astronómico. La solución la encuentra en el uso de un par de prismas estratégicamente diseñados y posicionados para que la luz se refracte dos veces en ellos para invertir el sentido de su trayectoria un par de veces y así ser capaces de dar cabida a una considerable longitud óptica en una distancia física total más reducida. De ahí que al binocular se le conozca también como prismático.
El primer sistema de comunicaciones por radio es atribuido al ingeniero italiano Guglielmo Marconi. Su primer prototipo se basaba en el montaje experimental de Heinrich Hertz para el envío y detección de ondas electromagnéticas combinado con un pulsado para la generación de señales en código Morse. Nacía así el primer sistema de telegrafía sin hilos, capaz de mandar información a largas distancias, el cual se hizo muy popular por el hecho de que gracias a su uso pudo haber algunos supervivientes en la tragedia del Titanic.
Pero una cosa es la telegrafía sin hilos y otra cosa es mandar un sonido o incluso la voz humana a través de las ondas hertzianas. Dos de los pioneros en este logro fueron el canadiense Reginald Aubrey Fessenden y el español Julio Cervera Baviera.
El primero estuvo trabajando para Thomas Alba Edison y desarrolló lo que se conoce como el principio heterodino por el que se modulan dos señales, una de audio y otra de alta frecuencia. Puso en práctica sus ideas utilizando un transmisor de chispas de alta frecuencia y consiguió así transmitir la voz humana a más de una milla de distancia en el año 1900.
Julio Cervera, original de Segorbe y licenciado en Ciencias Físicas por la Universidad de Valencia, además de haber sido un eventual colaborador de Marconi en sus estudios para la transmisión telegráfica sin hilos de señales codificadas, consiguió transmitir la voz humana entre Alicante e Ibiza en el año 1902.
Cabe aclarar que a pesar de la atribución popular generalizada de la invención de la radio a Marconi, existe una gran controversia sobre su validez, ya que existen serios indicios de que Nikola Tesla desarrolló la transmisión sin hilos varios años antes. Es más, se afirma que Marconi en su patente utilizó hasta 14 diferentes patentes originales de Tesla en la suya propia.
El electroimán fue inventado en el año 1825 por el físico norteamericano Joseph Henry experimentando con los efectos magnéticos de la corriente eléctrica tras el descubrimiento de Hans Christien Oersted.
El telégrafo es uno de los mayores inventos del siglo XIX. Gracias al uso del electroimán, se encontró la manera de transmitir mensajes codificados por cable y decodificarlos utilizando código Morse. Este fue el primer gran invento en el campo de las telecomunicaciones y al igual que los potentes ordenadores actuales basaba su funcionamiento en un código binario.
El osciloscopio es un instrumento excelente para poder visualizar formas de onda como las señales eléctricas de corriente alterna, de frecuencia y/o amplitud variable, de las cuales parte de ellas se pueden corresponder con las vibraciones propias de tonos audibles.
Uno de instrumentos más útiles para el propio desarrollo de la ciencia y la tecnología es el osciloscopio. La clave del funcionamiento del osciloscopio está en el hecho de que la deflexión vertical que sufren los rayos catódicos (electrones) en su interior ante la aplicación de un campo eléctrico es proporcional al voltaje que lo genera. Es decir, a más voltaje, más deflexión; a menos voltaje, menos deflexión.
Así es que el osciloscopio no es más que un tubo de rayos catódicos adaptado, de forma que incorpora dos pares de placas paralelas, formando un ángulo de 90º entre sí, todas ellas paralelas al chorro de electrones propulsados desde el cátodo.
El primer par de placas es alimentado por un voltaje en forma de diente de sierra que proporciona un circuito electrónico específico (no es el fin de este blog entrar a tal grado de detalles en el terreno de la electrónica; al menos, por ahora) y cuya finalidad es la de hacer una barrido en la dirección horizontal de la pantalla, según la escala de tiempos que se haya seleccionado.
Al segundo par de placas es a las que se conecta el voltaje que se quiere visualizar, y eventualmente medir, también la escala de voltios que se seleccione.
Los campos a los que se puede aplicar la utilización de un osciloscopio son variadísimos. En la serie de vídeos que acompañan esta entrada se detalla su funcionamiento y cómo es utilizado para visualizar el gradiente potencial en las células del corazón.
El tubo de rayos catódicos surge como una mejora del tubo de Crookes, poniendo de manifiesto unos rayos lumínicos que aparecen cuando se aplica un alto voltaje entre sus dos electrodos. Colocando una cruz de Malta en su interior de un material duro que no puede ser atravesado por la luz ni la materia y observando donde se proyecta su sombra, se llega a la conclusión de que los rayos provienen del cátodo. De ahí su nombre.
También se comprueba que estos rayos se ven atraídos por un imán, lo cual no ocurre con los rayos de luz ordinarios. La primera evidencia experimental de este hecho fue presentada en el año 1858 por Julius Plücker tras estudiar el efecto de un electroimán sobre la descarga eléctrica en tubos de vacío (usando lo que hoy se conocen como tubos de Geissler) conteniendo gases enrarecidos. Por lo que deben tener carga eléctrica asociada. Dado que surgen del cátodo, el polo negativo, es de esperar que su carga sea negativa también. Pero para confirmar su carga negativa lo que se hizo fue colocar unas placas conductoras paralelas entre sí, a medio recorrido dentro del tubo, y observar hacia donde y con qué grado de deflexión se curvaban los rayos si se aplicaba un voltaje dado a éstas.
El tubo de Crookes no es sino una versión más evolucionada del tubo de Geissler. Con este tubo William Crookes consiguió demostrar en el año 1895 que, la existencia de los rayos luminosos que se avistaban al aplicar un muy alto voltaje entre el ánodo y el cátodo inmersos en él, tenía que estar relacionada con partículas negativas.
Para comprobar eso colocó una lámina de zinc (objeto muy duro; impenetrable) en forma de cruz de Malta, en medio de la trayectoria. Observó que la sombra de ese objeto se proyectaba sin distorsionarse en el fondo ancho del tubo, donde se encontraba el ánodo. Eso implicaba dos cosas:
los haces de luz tenían que partir del ánodo, el polo negativo. Por lo tanto se trataría de cargas de signo negativo.
los haces de luz se propagaban en línea recta.
El hecho de que las esos rayos se debieran a partículas cargadas se confirmaba porque se veían atraídos por el campo magnético de un imán, curvando su trayectoria, como veremos más adelante.
En el vídeo de en medio vemos como se construye un tubo de Crookes desde sus piezas separadas. Vemos que hay dos elementos claves para su funcionamiento:
el uso de una bomba de vacío para extraer casi todo el aire del mismo. Las técnicas para crear el vacío en un recipiente tuvieron su origen en las esferas de Magdeburgo en el siglo XVII y habían evolucionado bastante ya para mediados del siglo XIX.
Necesitamos una fuente de alto voltaje que genere la tensión necesaria para que el efecto sea visible. En la medida en que se dispone de mecanismos para generar el vacío el voltaje requerido puede ser un poco inferior. Ya no se precisan por lo tanto millones de voltios como en los tubos de Geissler, sino que unos valores del orden de 10 a 100 KV pueden ser suficiente. En el vídeo de abajo podemos ver el tipo de generador de alto voltaje que se podía estar utilizando en aquella época junto a un modelo un poco diferente de tubo de vacío.
El modelo final del tubo de Crookes solía incluir una rejilla cargada positivamente cerca del cátodo con cuyo voltaje se podía 'modular' la intensidad lumínica de los rayos producidos. Eso lo convierte en el prototipo para los futuros tubos tríodos de vacío que se utilizarían para la transmisión de radio, modulando la señal de audio en la rejilla con la alta frecuencia aplicada entre al ánodo y el cátodo. Pero eso ya se verá a su debido momento...
El camino que llevaría a la postulación y posterior descubrimiento experimental del electrón vino de la mano de unos tubos de vidrio, cuyo primer prototipo se le atribuye al físico alemán Heinrich Geissler y fue creado en el año 1850. La clave para realizar el experimento que pondría de relieve la existencia de unos misteriosos rayos lumínicos que, tras años de perfeccionamiento tecnológico e investigación se relacionarían con el electrón, son dos:
de un lado la capacidad de generar condiciones de baja presión en los gases contenidos en el tubo.
de otro lado el avance en la tecnología de generación de corriente continua, lo que permite para este dispositivo llegar a diferencias de potencial del orden de millones de voltios entre sus dos electrodos.
Llegado a un cierto umbral de baja presión se produce una débil luminosidad que es la que dio pie a seguir estudiando este fenómeno con tecnología cada vez más avanzada.
A modo de curiosidad estos tubos fueron utilizados para anuncios luminosos. Además, según el tipo de gas y las condiciones de presión y temperatura son capaces de emitir luces de diferentes colores. No tienes más que buscar "tubos de geissler" en youtube para encontrar un montón de ejemplos de llamativos efectos lumínicos que se pueden obtener con estos tubos.
En el vídeo nº 30 de la magistral colección "El Universo Mecánico" sobre 'Capacidad y Voltaje' se muestra cómo surgieron de forma histórica y prácticamente accidental los dispositivos que derivarían en los actuales condensadores eléctricos: las botellas de Leyden. En efecto, un científico llamado Muchenbruck ideó un dispositivo para dirigir la corriente eléctrica hacia el agua contenida en un recipiente a través de un alambre utilizando un generador electrostático para producir un fenómeno conocido como electrólisis. Lo que se encontró en cambio, con chispazo de por medio, fue que ese dispositivo era capaz de acumular carga eléctrica.
La forma de las botellas de Leyden y la manera de cargarlas fue evolucionando, en parte gracias a la colaboración del prestigioso científico y estadista Benjamin Franklin.
En el vídeo se presentan los elementos claves para entender qué es un condensador. Se nos muestra que un condensador se compone de dos conductores separados por el vacío o un material no conductor (dieléctrico). Cada uno de los conductores acumula todas sus cargas eléctricas en la superficie exterior. Las cargas se distribuyen sobre la superficie ya que, al repelerse, es la forma que tienen de alejarse más unas de otras. Por ese motivo (y por la aplicación del Teorema de Gauss), en el interior del conductor el campo eléctrico es 0.
También vemos en el vídeo cómo se define el potencial eléctrico a partir del trabajo realizado para mover una carga en el seno de un campo eléctrico. Y en virtud de esa definición, y el hecho de que el campo eléctrico en el interior de un conductor sea 0, se deriva que el potencial tanto en el interior de conductor como en su superficie tiene necesariamente que ser constante.
Por lo tanto, si en cada uno de los conductores de un condensador el potencial es constante, la diferencia de potencial entre sus placas lo será también.
El proceso de carga de un condensador se puede realizar a través de una máquina electrostática, aprovechando un relámpago (el cuál se solía capturar utilizando un pararrayos, el cuál fue inventado por Franklin, aunque él mismo utilizó una cometa y casi le cuesta la vida), o, más usual en la actualidad, una pila eléctrica.
Tanto el voltaje proporcionado por la pila como la carga acumulada se pueden medir y se pone de manifiesto que son proporcionales. La constante de proporcionalidad es la capacidad del condensador. Así, expresamos Q = C · V, donde V es la diferencia de potencial entre sus placas.
En sus experimentos y con los dispositivos que fue inventando para acumular mayores cantidades de carga eléctrica, Franklin se dio cuenta que conectando botellas de Leyden en paralelo la carga total acumulada era la suma de la carga que acumulaba cada una de ellas: CTotal = C1 + C2 + ... + Cn. En cambio, si se conectaban las botellas de Leyden en serie, la carga total obtenida era menor. Expresado en términos de la capacidad en un condensador, la conexión en serie de los mismos da lugar a una capacidad total equivalente que cumple esta relación: 1/CTotal = 1/C1 + 1/C2 + ... + 1/Cn.
Este montaje es interesante por su sencillez y porque está al alcance de cualquier bolsillo. También es interesante porque utiliza una resistencia y un condensador típicos por sus tamaños y valores para el montaje de un sinfín de circuitos electrónicos reales. Probablemente la capacidad del condensador en este montaje sea bastante pequeña (del orden de microfaradios) por lo que seguramente se esté utilizando una resistencia bastante grande (cercana o del orden del megaohmio; un millón de ohmios) para que salga una constante de tiempo del orden de segundos.
Los diodos led no son sino unos dispositivos que se iluminan cuando son atravesados por una corriente eléctrica en un sentido.
En este vídeo del profesor Julio Germán Rodríguez Ojeda se nos muestra con ayuda de un montaje experimental el proceso de carga y descarga de un condensador.
Un condensador es un dispositivo con dos placas conductoras separadas por un material no conductor conocido como dieléctrico. Las dos placas pueden tener diferentes disposiciones en el espacio. Pueden ser planas y paralelas, cilíndricas y concéntricas, ... Cuando un condensador se conecta a una fuente de alimentación o batería que le proporciona corriente continua, va acumulando cargas opuestas en sus placas hasta llegar a su capacidad total. La carga que puede acumular un condensador es proporcional al voltaje aplicado entre sus placas y a la constante de proporcionalidad se la denomina capacidad. Así, Q = C · V.
Cuando el condensador ha alcanzado su carga total o máxima en corriente continua, no permite más la circulación de las cargas eléctricas por lo que la corriente eléctrica se interrumpe. Llegado a ese punto el condensador se comporta como un circuito abierto.
Si ahora se utiliza un interruptor para desconectar al condensador de la fuente de poder dejándolo conectado en serie con una resistencia, las cargas del condensador podrán circular a través de la resistencia y el condensador se irá descargando. En el vídeo la resistencia es la dada por la bombilla eléctrica que vemos que se enciende con importante luminosidad pero que poco a poco va disminuyendo hasta apagarse.
Aplicando las relaciones entre voltaje y corriente para una resistencia (ley de Ohm) y para un condensador en un circuito eléctrico y aplicando ciertos conocimientos básicos de derivación e integración, podemos obtener las ecuaciones que describen exactamente el proceso de carga y descarga del condensador:
En el vídeo del profesor Rodríguez Ojeda vemos que se utiliza un condensador de 300.000 microfaradios. Este es un valor extraordinariamente grande para un condensador pero resulta de utilidad para fines didácticos ya que con ese valor obtenemos un tiempo de descarga del orden de segundos y así podemos apreciar visualmente como la bombilla se va apagando.
Como se puede ver en el desarrollo matemático anterior el tiempo de carga y descarga del condensadorse corresponde directamente con la constante asociada a la letra griega tau y que es igual al producto de la capacidad del condensador por la resistencia. Si suponemos que la lámpara utilizada fuera una típica de 12 voltios y 3 wattios podríamos inducir que éste debe tener una resistencia interna de aproximadamente 48 ohmios (P = V · I e V = R · I). Con este valor de la resistencia la constante de tiempo tau sería igual a 14,4 segundos.
Para una función exponencial la constante de tiempo se corresponde con el tiempo que debe transcurrir para que se alcance del orden del 65 % del valor final. Para el tiempo correspondiente a dos constantes de tiempo se alcanza el 95 % del valor final. Y no es sino al cabo de tres veces la constante de tiempo que se llega a estar por encima del 99 % del valor final y se considera que el condensador se ha cargado o descargado completamente.
Por lo tanto, para los valores considerados el condensador se cargaría o descargaría "a través de la resistencia" en unos 45 segundos. Probablemente la resistencia utilizada por el profesor durante la descarga sea ligeramente inferior de la que se ha supuesto aquí, pero del mismo orden, ya que se va apagando en cuestión de segundos igualmente. En las gráficas de abajo se puede ver la forma de las curvas de carga y descarga que se obtienen con los valores que se han supuesto a modo de ejemplo, donde el eje horizontal es para el tiempo y el vertical para el voltaje entre las placas del condensador.
