Cavendish, el físico antisocial

Henry Cavendish fue un físico y químico británico que nació en Niza, Francia, el 10 de octubre de 1731. Perteneciente a una familia de la alta nobleza inglesa fue un alumno aplicado, callado, muy tímido y reservado. Es especialmente conocido por sus investigaciones en la química del agua y del aire, además de por el cálculo de la densidad de la Tierra.

A pesar de la familia a la que pertenecía sus logros fueron los que le hicieron ganarse el respeto de la gente. En 1760 entró en la Royal Society, la más antigua sociedad científica del Reino Unido y una de las más antiguas de Europa. Aunque se suele considerar el año 1660 como el año de su fundación, años antes ya existía un grupo de científicos que se reunía con cierta periodicidad. El 28 de noviembre de 1660 los asistentes decidieron fundar una Sociedad para la promoción del Saber Experimental Físico-Matemático, reunirse una vez por semana (los miércoles), establecer una cuota de ingreso de 10 chelines y una cuota semanal de un chelín para sufragar los experimentos, siendo elegido Wilkins como presidente. 

Desde el principio los experimentos tenían gran importancia y consumían gran parte del tiempo que duraban las reuniones. Charles Darwing, Robert Boyle, Robert Hooke, Benjamin Franklin, Isaac Newton... fueron algunos de los miembros de esta sociedad. Algunos ejemplos son las notas de Benjamin Franklin sobre cómo hacer volar una cometa en una tormenta eléctrica (1752) - demuestra que el rayo es electricidad y no un ser de fuerza sobrenatural - o la teoría de Newton sobre la luz y los colores (1672). También recoge el estudio de Edward Stone sobre el éxito de la corteza de sauce para tratar la fiebre, es decir, los inicios del descubrimiento del ácido salicílico y la producción de la aspirina, hoy uno de los medicamentos más utilizados del mundo.

Volviendo con Cavendish, uno de los experimentos que él realizó fue el de la medición de la composición del aire. Este experimento iba en contra de la teoría del flogisto, que era la teoría que estaba aceptada. Esta teoría sostenía que el flogisto era una sustancia que representa la inflamabilidad. Según esta teoría toda sustancia susceptible de sufrir combustión contiene flogisto, y el proceso de combustión consiste básicamente en la pérdida de dicha sustancia. Además decías que el único gas era el aire, y lo que emitían los materiales al arder o hervir era el flogisto que el aire contenía. Fue postulada a finales del siglo XVII, pero teorías como la de Cavendish pusieron esta errónea teoría en desuso.

En este experimento concluyó que el aire estaba formado por lo que él llamó aire flogistizado (nitrógeno y argón) en un 79,167 %, y que la parte desflogistizada era sólo un 20,833 % (se refiere al oxígeno, cuyo porcentaje es de 20,95). En este diagrama de sectores se encuentran los valores actuales de los principales componentes del aire:

Como se puede apreciar la precisión del experimento es increíble a pesar de su antigüedad.

Además realizó importantes descubrimientos en Química, algunos relacionados con el hidrógeno y el agua. El hidrógeno en condiciones normales es un gas incoloro, inodoro e insípido, compuesto de moléculas diatómicas, H₂. El átomo de hidrógeno, símbolo H, consta de un núcleo de unidad de carga positiva y un solo electrón. Es uno de los constituyentes principales del agua y de toda la materia orgánica, y está distribuido de manera amplia no sólo en la Tierra sino en todo el universo. Es la sustancia más inflamable de todas las que se conocen, siendo además un poco más soluble en disolventes orgánicos que en el agua. Se trata de un agente reductor poderoso, aun a la temperatura ambiente. Reacciona con los óxidos y los cloruros de muchos metales para producir los metales libres.

El agua (H₂O) es un compuesto químico formado por dos átomos de hidrógeno (H) y uno de oxígeno (O). Esta molécula es esencial en la vida de los seres vivos, por su material hidratante y su uso higiénico, siendo dos de sus muchos usos. Henry Cavendish descubrió en 1781 que el agua era una sustancia que está compuesta y que no es un elemento, como en la antigüedad se creía. Mas tarde se dio a conocer la verdadera composición química del agua. Entre las moléculas de agua se establecen enlaces por puentes de hidrógeno, y es la única sustancia de la que se conocen sus tres estados.

El calor específico es aquella cantidad de energía que intercambia un kilogramo de una sustancia cuando se modifica en un kelvin su temperatura. En el Sistema Internacional se mide en julios partido por kilogramo por kelvin ( J/kg K), aunque en países como Estados Unidos, el calor específico se suele medir en BTU como la unidad de calor, por libras, como unidad de masa y en grados Fahrenheit como unidad de temperatura.

Cuanto mayor sea el calor específico, mayor energía ha de ser transmitida para elevar la temperatura de la sustancia. Cuanto mayor sea esta energía transmitida, más rápidamente varía la temperatura. De esto podemos deducir que la cantidad de energía transmitida es igual a la masa por el calor específico de la sustancia y por la temperatura más alta menos la temperatura más baja:

Q = m·c (T2-T1)

Donde la cantidad de energía transmitida es Q, m es la masa, c es el calor específico y T2 y T1 son la temperatura mayor y la temperatura menor.

La ley de Coulomb dice que la fuerza de atracción reciproca entre cargas puntuales es proporcional al productos de las cargas eléctricas e inversamente proporcional a la n al cuadrado. Estos significa que dos cargas se atraerán, siempre y cuando las dos sean del mismo signo (positiva con negativa o viceversa), por una fuerza que esta condicionada por la distancia a la que estas dos cargas puntuales se encuentren y por las cargas eléctricas que tengan.

Y vosotros lectores os preguntareis, ¿pero cual es la diferencia entre la ley de gravitación universal (LGU) y esta, la ley de Coulomb? Pues la respuesta está en que la ley de Coulomb sólo es aplicable en condiciones estacionarias, es decir, cuando no hay movimiento de las cargas o, como aproximación cuando el movimiento se realiza a velocidades bajas y en trayectorias rectilíneas uniformes.

Por esto mismo no la podemos aplicar a los planetas como podemos hacer con la ley de gravitación universal, ya que los planetas ni se mueven en trayectorias rectilíneas, ni se desplazan a velocidades bajas. Además la constante de la fórmula de las ecuaciones de estas dos leyes son distintas, en la ley de gravitación universal la constante de proporcionalidad es de 6,67·10^-11, mientras en la ley de Coulomb 8,85·10^-12.

Un condensador eléctrico es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, separadas por un material mal conductor o por el vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total.

Aunque desde el punto de vista físico un condensador no almacena carga ni corriente eléctrica, sino simplemente energía mecánica,  al ser introducido en un circuito se comporta en la práctica como un elemento "capaz" de almacenar la energía eléctrica que recibe durante el periodo de carga, la misma energía que cede después durante el periodo de descarga. Es posible construir uno casero. Para ello es necesario seguir los siguientes pasos:

- Se envuelve un bote de plástico con papel de aluminio (por su interior y exterior).

- Se colocan varias gomas para fijar el papel de aluminio al vaso.

- Se hace un agujero en la tapa del bote y se introduce un tornillo con punta redonda con un alambre.

- En la parte superior del tornillo se sujeta un cepillo de colección (es un cable con varios hilos).

- Conectar otro alambre por la parte exterior de la botella. El resultado final debería de ser algo parecido al siguiente:

Hay muchos tipos de termómetros en la actualidad: de gas, de resistencia, termopar, termistor, de lámina bimetálica...Pero los dos más utilizados son el termómetro de mercurio y el termómetro digital. El termómetro de mercurio era un tubo de vidrio sellado que contenía mercurio. Al medir alguna temperatura, el volumen del mercurio aumentaba proporcionalmente a la cantidad de calor aplicado sobre el termómetro. Al dilatarse y gracias a un sistema de graduación que tenía el termómetro, podíamos averiguar la temperatura a la que el mercurio estaba siendo sometida.

También, unos de los termómetros más importantes fue el termómetro digital, que contenía unos dispositivos transductores y unos circuitos electrónicos que servían para convertir en números las pequeñas variaciones de tensión obtenidas, que muestran finalmente la temperatura en una pantalla. Una de sus principales ventajas es que no utilizan mercurio y por tanto,no contaminan en medio ambiente cuando son desechados.

Los termómetros, normalmente dependiendo del país o de la zona, son medidos en diferentes escalas. Hay cuatro escalas de temperatura: la escala celsius, que es la escala más utilizada en el mundo y en la cual el punto de congelación esta en 0ºC y el de ebullición esta en 100ºC, ambos a presión de 1 atmósfera. Fue nombrado así en honor al científico Anders Celsius. Otra escala es la escala Fahrenheit, que fue propuesta por Gabriel Fahrenheit y es la unidad de medida de temperatura en el sistema anglosajón de unidades. Su relación con los grados celsius es: °F = °C × 9/5 + 32 o °C = (°F − 32) × 5/9. Otra escala es la escala Reaumur, actualmente en desuso. Su relación con la escala Celsius es: °R = °C × 4/5 o °C = °R × 5/4. La cuarta y última escala es la escala kelvin o escala absoluta, que es la escala utilizada en el Sistema Internacional. Aunque la magnitud de una unidad kelvin coincide con la de un grado Celsius, el cero absoluto esta en 0ºK y coincide con -273,15ºC. La relación de grados kelvin con los grados celsius es: ºK = °C + 273,15.

Pero hablemos de su gran experimento en el que emplea la balanza de torsión. Para comenzar el centro de gravedad de un objeto es aquel sobre el que actúa la fuerza resultante de la suma de todas la fuerzas gravitatorias. 

Nuestro experimento trata de como varía la superficie de contacto entre dos objetos a medida que vamos añadiendo más objetos para formar una torre.

La balanza de torsión y la determinación del valor de la constante de gravitación universal.

Cavendish es conocido sobre todo por este experimento, en el cual mediante la utilización de una balanza de torsión, dos bolas metálicas grandes no magnéticas y otras dos más pequeñas pudo desarrollar unas condiciones para realizar la medición por unos visores.

El experimento lo realizó de la siguiente forma: Primero puso las dos bolas grandes cerca de las pequeñas mediante la polea que está arriba, lo suficientemente cerca para que la fuerza de atracción no fuera despreciable y superara a la fuerza de rozamiento del aire, una vez puestas lo suficientemente cerca las dos bolas pequeñas se produjo un movimiento de sentido circular, que al medir su ángulo por los visores permitió saber la fuerza de torsión producida por el movimiento de las bolas pequeñas, de la que despejamos -> F= m*a  y Fg= GMm/r^2

Tal era la delicadeza del experimento que Cavendish ni siquiera podía estar dentro de la misma sala, puesto que su propia masa causaría un error en la medición.

Esto también se aplica a la minuciosidad de medición de todos los agentes de la sala, la caja de madera sobre la que se realizaba la experiencia, la masa de los materiales utilizados y la elección de la sustancia de las bolas, puesto que si hubieran tenido algún efecto magnético hubieran desbaratado el experimento.

El magnetismo que tuvo que evitar no es más que la propia acción de los electrones, que al tener carga negativa son atraídos electromagnéticamente a otro, esto se hace mucho mas evidente en algunos metales como el hierro, níquel o el cobalto, por lo que si hubiera utilizado alguno de estos elementos se le hubiera ido a la porra la medición.