Profesor: Gabriel Téllez
El aparato de Cavendish consiste en dos pequenas esferas fijas en los extremos de una barra horizontal suspendida por un fino alambre metalico sobre el cual hay un pequeno espejo. Dos pesadas esferas se colocan cerca a las masas pequenas, la fuerza de gravitacion atrae las esferas pequenas a las grandes lo que hace deviar la barra horizontal. Iluminando con un laser (no disponible para esta demostracion) el espejo se puede medir la desviación angular y deducir la magnitud de la fuerza gravitacional y por ende el valor de la constante gravitacional.
El experimento es muy delicado de realizar y requeriría más del tiempo disponible para una clase magistral. La idea es tan solo mostrar el aparato a los estudiantes y contarles cómo funciona.
Si lo desea puede hacer el experimento haciendo uso del sensor de movimiento y su interface con el computador. Con este se puede graficar la posición de la masa en función del tiempo y medir sobre la curva obtenida el periodo.
Con el Matter Model (PASCO ME-9825), se pueden también ilustrar las ondas transversas y longitudinales en resortes.
El retroproyector permite proyectar una imagen de la cubeta en la pantalla para una mejor visualización.
Se conecta el generador de señales al vibrador mecánico, al cual va amarrada la cuerda. En el otro extremo de la cuerda se amarra la pesa de 200g. Se colocan el genereador y el vibrador sobre la mesa y se ajusta la altura de la polea de tal forma que la cuerda esté aproximadamente paralela a la superficie del suelo. Se coloca la polea de manera que la distancia entre el vibrador y la polea sea aproximadamente de 1m. Así quedará una porción de la cuerda en posición horizontal y otra en posición vertical, y en el extremo vertical cuelga la masa de 200g. Entonces conocemos ya la tensión en la cuerda, se prende el generador de señales, se baja a cero la frecuencia, se ajusta la amplitud al máximo. A continuación se buscan los armónicos cambiando la frecuencia en el generador. Frecuencia fundamental: 21 Hz aprox. Segundo armónico: 41 Hz aprox. Tercer armónico: 63 Hz aprox. Cuarto armónico: 82 Hz aprox.
Otros datos importantes son:
Con estos datos se hacen comprobaciones acerca de las longitudes de onda esperadas para cada armónico (lambda n=2L/n n=1,2,3,4 y L=1m).
Así: lambda 1 = 2m, lambda 2 = 1m, lambda 3 = 0.65m, lambda 4 = 0.5m,
Para producir el fenómeno de interferencia temporal se coloca el caucho en una de las ramas de uno de los diapasones para variar su frecuencia ligeramente, luego se golpean los diapasones con el martillo de goma y se ponen frente a frente las cajas por la parte abierta. El resultado es una variación en la intensidad del sonido, cuya frecuencia se denomina frecuencia de pulsación.
Como jeringa pequeña se pueden usar cuatro jeringas diferentes con diferente area seccional. Para cada jeringa proceder a empujar el piston con el sensor de fuerza para levantar lentamente la masa de 2 kg. Lanzar la medicion de datos de fuerza en el computador para asi conocer la fuerza necesaria para levantar la masa. Mostrar asi a los estudiantes que entre mas pequena el area seccional de la jeringa menor la fuerza que se requiere. Si desean mostrar cuantitativamente que la fuerza es inversamente proporcional al area, he aquí los datos del area para cada jeringa:
Jeringa |
Area en m^2 |
3 cc |
6.12 x 10^-5 |
6 cc |
1.25 x 10^-4 |
12 cc |
1.91 x 10^-4 |
20 cc |
3.13 x 10^-4 |
Tambien se puede usar una de las placas con la camara de vacio cilindrica. Poner dentro un globo ligeramente inflado. Hacer el vacio y observar como el globo se infla. Este experimento sirve para demostrar la ley de Boyle: Presion x volumen = constante. Al hacer el vacio la presion va disminuyendo en la camara y el volumen del aire dentro del globo aumenta.
Otro experimento con la camara de vacio consiste en poner la pequena chupa pegada a una tapa de la camara de vacio (por ejemplo arriba). Al hacer el vacio la chupa terminara por soltarse.
Mas precisamente, el torque tau que uno ejerce sobre el cilindro es igual al torque que hacen las masas M del balde: tau = M g R, en donde R es el radio del cilindro. El trabajo hecho en N vueltas es entonces: W = M g R x 2 pi N. Este trabajo es justamente el calor Q que se transfirio al cilindro: Q= C (Tf-Ti), en donde C es la capacidad calorifica del cilindro y Tf-Ti es la diferencia entre la temperatura final e inicial.
A los estudiantes se les puede mostrar varias cosas:
También tenemos el modelo de unos átomos en formacion rectilinea unidos por sus resortes y guiados por una barra que que se mantengan rectos. Al poner la barra vertical los atomos de abajo tienen que soportar el peso de los de arriba: esto hace que los resortes de abajo estén más comprimidos. Es una ilustración cualitativa de la dependencia de la presión en función de la altura.
El convertidor termoeléctrico consiste en una serie de celdas semiconductoras termoeléctricas convierten energía térmica en energía eléctrica. Consta de dos placas metálicas dispuestas en forma de diapasón. Entre ellas se encuentra el dispositivo semicondcutor que transforma la diferencia de temperatura en diferencia de potencial. Así se crea una corriente eléctrica que opera un motor, el cual está provisto de una hélice en su eje.
Se introduce en cada recipiente una de las placas del convertidor de tal forma que la diferencia de temperatura entre placas sea de unos 50 grados. Se espera unos 3 minutos. Se observa como gira el motoventilador.
CICLO DE OTTO DE DOS TIEMPOS
El ciclo consta de 4 procesos:
La mezcla aire-combustible no se inyecta directamente al cilindro. La mezcla llena la cavidad por diferencia de presión creada en la cámara del cigueñal debida a un vacío creado por la posición del pistón un poco más arriba del tubo de admisión.
CICLO DIESEL DE 4 TIEMPOS
El ciclo consta de seis procesos:
Adicionalmente si se lleva el sensor de temperatura con el cilindro de la fuente fría a la caliente y viceversa, el computador también puede graficar la curva temperatura en función del desplazamiento del pistón. Para los procesos isobáricos se puede comprobar que esta curva es mas o menos recta (ley de gases ideales, P=cte, T proporcional a V)
A parte de esta maquina térmica, se pueden bajar al computador portátil con anterioridad (o visitarlas directamente si el salón de clase tiene conexión a Internet) las applets Java sobre los ciclos Diesel, Otto y de Carnot.