Los 10 Experimentos Mas Bellos De La Ciencia

En esta ocasión vengo a contarles acerca de un libro, el título ya lo leyeron arriba, se trata de "De Arquímedes a Einstein", de Manuel Lozano Leyva, catedrático de física de la Universidad de Sevilla.





La excusa de esta obra de "ciencia para todos los públicos" nace de una idea de la revista Physics World, que preguntó a sus lectores cuáles pensaban que eran los experimentos más bellos de la física. En el libro, se parte de una variación (justificada) de la lista original y en lenguaje muy llano, más que explicarnos los farragosos detalles de cada experimento en sí, se nos ofrece un ameno relato en torno al experimento: circunstancias de la época, vida de su inventor, etc.





Aclaro que la explicación que acá puse de los experimentos, no es la que figura en el libro, no es de ahí que lo saqué, solo es una explicación acerca de los que se encuentran en el libro.

Y cuáles son esos experimentos?
Estos:

1. Interferencia de electrones en una doble rejilla (Young)
2. La caída libre de los Cuerpos de Galileo
3. El experimento de Milikan para determinar la unidad de carga eléctrica
4. La descomposición de luz al pasar por un prisma (Newton)
5. La interferencia de la luz en la doble rejilla de Young
6. Experimento de Cavendish para determinar la constante de gravitación universal
7. La medida del radio de la tierra por Erastótenes
8. La caída de los cuerpos por un plano inclinado, por Galileo
9. El descubrimiento del núcleo atómico de Rutherford
10. El péndulo de Focault

1. Interferencia de electrones en una doble rejilla (Young)

Un estudio detallado del experimento de Young realizado con electrones como ejemplo de partículas materiales, muestra algunas propiedades desconcertantes de la dualidad onda-partícula que constituyen, a pesar de su carácter paradójico, los fundamentos mismos de la física cuántica.

Si se coloca el detector de electrones detrás de una de las rendijas y se tapa la otra se obtendrá una curva de distribución de electrones máxima en el centro y que disminuye progresivamente hacia los extremos, análoga a la que resultaría si el experimento se hubiera realizado con perdigones u otro tipo de corpúsculos materiales. Si los detectores de electrones se sitúan detrás de cada una de las dos rendijas, entonces la curva resultante es la suma de las otras dos; es decir, en nada parecida al diagrama característico del fenómeno de interferencias en el que se alternan los máximos y los mínimos de intensidad.





El experimento de Young efectuado con luz y con electrones arroja resultados parecidos. El diagrama de interferencias indica que la curva de distribución de electrones por la pantalla tiene la misma forma que la de intensidad de la onda luminosa que resulta si el experimento se efectúa con luz.

Más información sobre este experimento, acá.

2. La caída libre de los Cuerpos de Galileo

Hacia 1589 había terminado Galileo su formación universitaria y era ya famoso por su labor en el campo de la mecánica. Al igual que Arquímedes, había aplicado las matemáticas a situaciones estáticas, inmóviles; pero su espíritu anhelaba volver sobre el problema del movimiento.
Toda su preocupación era hallar la manera de retardar la caída de los cuerpos para así poder experimentar con ellos y estudiar detenidamente su movimiento. (Lo que hace el científico en un experimento es establecer condiciones especiales que le ayuden a estudiar y observar los fenómenos con mayor sencillez que en la naturaleza.)





Galileo se acordó entonces del péndulo. Al desplazar un peso suspendido de una cuerda y soltarlo, comienza a caer. La cuerda a la que está atado le impide, sin embargo, descender en línea recta, obligándole a hacerlo oblicuamente y con suficiente lentitud como para poder cronometrarlo.
Como decimos, el péndulo, a diferencia de un cuerpo en caída libre, no cae en línea recta, lo cual introducía ciertas complicaciones. La cuestión era cómo montar un experimento en el que la caída fuese oblicua y en línea recta.





¡Estaba claro! Bastaba con colocar un tablero de madera inclinado, que llevara en el centro un surco largo, recto y bien pulido. Una bola que ruede por el surco se mueve en línea recta. Y si se coloca la tabla en posición casi horizontal, las bolas rodarán muy despacio, permitiendo así estudiar su movimiento.
Galileo dejó rodar por el surco bolas de diferentes pesos y cronometró su descenso por el número de gotas de agua que caían a través de un agujero practicado en el fondo de un recipiente. Comprobó que, exceptuando objetos muy ligeros, el peso no influía para nada: todas las bolas cubrían la longitud del surco en el mismo tiempo.

3. El experimento de Milikan para determinar la unidad de carga eléctrica

El experimento de la gota de aceite fue un experimento realizado por Robert Millikan y Harvey Fletcher en 1909 para medir la carga elemental (la carga del electrón).





El experimento implicaba equilibrar la fuerza gravitatoria hacia abajo con la flotabilidad hacia arriba y las fuerzas eléctricas en las minúsculas gotas de aceite cargadas suspendidas entre dos electrodos metálicos. Dado que la densidad del petróleo era conocida, las masas de las “gotas ", y por lo tanto sus fuerzas gravitatorias y de flotación, podrían determinarse a partir de sus radios observados. Usando un campo eléctrico conocido, Millikan y Fletcher pudieron determinar la carga en las gotas de aceite en equilibrio mecánico. Repitiendo el experimento para muchas gotas, confirmaron que las cargas eran todas múltiplos de un valor fundamental, y calcularon que es 1,5924|(17).10-19 C, dentro de un uno por ciento de error del valor actualmente aceptado de 1,602176487|(40).10-19 C. Propusieron que esta era la carga de un único electrón.





Para más información sobre este experimento, click aca.

http://es.wikipedia.org/wiki/Experimento_de_Millikan

4. La descomposición de luz al pasar por un prisma (Newton)

Newton sabía muy poco sobre la naturaleza de la luz, no sabía que era una onda y menos aún que era una onda electromagnética. Creía que estaba formada por corpúsculos, pero consiguió descomponerla en sus colores espectrales. Hoy sabemos que la luz es a la vez partícula y onda.

Los seres humanos (y algunos animales) apreciamos una amplia gama de colores que, por lo general, se deben a la mezcla de radiaciones (luces) de diferentes longitudes de onda. El color de la luz con una única longitud de onda o una banda estrecha de ellas se conoce como color puro.
Al hacer pasar la luz por un prisma de cristal, las distintas longitudes de onda que componen el haz de luz viajan dentro de él a diferente velocidad y se curvan de manera diferente al entrar y al salir (doble refracción al cambiar de medio) dando como resultado un haz desviado de la dirección inicial y con sus componentes separados. Así surge el espectro solar.





Cada uno de los diferentes rayos de luz atraviesa el cristal con distinta velocidad y la velocidad media de la luz dentro del prisma es menor que en el vacío. La luz es una onda con un campo eléctrico oscilante que interfiere con la partículas cargadas que hay en la materia.
Siempre que la luz incide en una cara se refleja y se refracta al mismo tiempo.

Las radiaciones visibles están comprendidas entre las siguientes longitudes de onda: desde 350 nm (nanometros) para el color violeta hasta 750 nm para el rojo.





Cada uno de los diferentes rayos de luz atraviesa el cristal con distinta velocidad y la velocidad media de la luz dentro del prisma es menor que en el vacío. La luz es una onda con un campo eléctrico oscilante que interfiere con la partículas cargadas que hay en la materia.
Cómo puedes obsevar en la imagen inicial de esta página, siempre que la luz incide en una cara se refleja y se refracta al mismo tiempo.
Las radiaciones visibles están comprendidas entre las siguientes longitudes de onda: desde 350 nm (nanometros) para el color violeta hasta 750 nm para el rojo.
Las gotas de agua suspendidas en la atmósfera también descomponen la luz y forman el arco iris.

Más sobre este experimento, acá.

5. La interferencia de la luz en la doble rejilla de Young

El experimento de Young, también denominado experimento de la doble rendija, fue realizado en 1801 por Thomas Young, en un intento de discernir sobre la naturaleza corpuscular u ondulatoria de la luz. Young comprobó un patrón de interferencias en la luz procedente de una fuente lejana al difractarse en el paso por dos rejillas, resultado que contribuyó a la teoría de la naturaleza ondulatoria de la luz.

La figura muestra el aparato que Young utilizó en su experimento. El aparato consiste en una estrecha rendija S1 y dos rendijas, también estrechas, S2 y S3 paralelas a S1 (equidistantes de ella) y una pantalla.





La luz procedente de una fuente ( no representada) incide sobre la rendija S1. Según el principio de Huygens, desde la rendija S1 se propagan ondas secundarias que alcanzan en un mismo instante las rendijas S2 y S3 . Es evidente que toda variación de fase de las ondas emitidas por la fuente S1 es acompañada por iguales variaciones de la fases de las ondas radiadas por las fuentes secundarias S2 y S3 . Por consiguiente, en las ondas radiadas por las fuentes S2 y S3 la diferencia de fase queda siempre invariable, es decir, las fuentes son coherentes.





Cuando las ondas provenientes de las rendijas S2 y S3 llegan a la pantalla, se observa sobre ella un cierto número de bandas brillantes y oscuras, paralelas a las rendijas, o sea, patrón de interferencia.

Posteriormente, la experiencia ha sido considerada fundamental a la hora de demostrar la dualidad onda corpúsculo, una característica de la mecánica cuántica. El experimento también puede realizarse con electrones, átomos o neutrones, produciendo patrones de interferencia similares a los obtenidos cuando se realiza con luz, mostrando, por tanto, el comportamiento dual onda-corpúsculo de la materia.

http://es.wikipedia.org/wiki/Experimento_de_Young



El gover de experimento de Cavendish o de la balanza de torsión constituyó la primera medida de la fuerza de gravedad entre dos masas y, por ende, a partir de la Ley de gravitación universal de Newton y las características orbitales de los cuerpos del Sistema Solar, la primera determinación de la masa de los planetas y del Sol.

Una versión inicial del experimento fue propuesta por John Michell, quien llegó a construir una balanza de torsión para estimar el valor de la constante de gravedad. Sin embargo, murió en 1783 sin poder completar su experimento y el instrumento que había construido fue heredado por Francis John Hyde Wollaston, quien se lo entregó a Henry Cavendish.





El instrumento construido por Cavendish consistía en una balanza de torsión con una vara horizontal de seis pies de longitud en cuyos extremos se encontraban dos esferas metálicas. Esta vara colgaba suspendida de un largo hilo. Cerca de las esferas Cavendish dispuso dos esferas de plomo de unos 175 kg cuya acción gravitatoria debía atraer las masas de la balanza produciendo un pequeño giro sobre esta. Para impedir perturbaciones causadas por corrientes de aire, Cavendish emplazó su balanza en una habitación a prueba de viento y midió la pequeña torsión de la balanza utilizando un telescopio.





Cavendish se interesó por la idea de Michell y reconstruyó el aparato, realizando varios experimentos muy cuidadosos con el fin de determinar la densidad media de la Tierra. Sus informes aparecieron publicados en 1798 en la Philosophical Transactions de la Royal Society. A principios del siglo XIX se pudo obtener, por primera vez, el valor de la constante de gravitación universal G a partir de su trabajo, el cual (6.74·10-11) difería del actual (6.67·10-11) en menos de un 1%.

http://es.wikipedia.org/wiki/Experimento_de_Cavendish

7. La medida del radio de la tierra por Erastótenes.

Son increíbles las cosas que se pueden hacer con materiales sencillos y un poco de geometría. Por ejemplo, una vara. Quizás lo único que se nos ocurre es tirársela a nuestro perro para que nos la traiga. Sin embargo, si sabemos sólo unos cuantos principios geométricos podemos llegar a medir. EL RADIO DE LA TIERRA.

Aunque suene increíble, es posible medirlo usando el sistema que inventó Eratóstenes hace 2.200 años. Este notable hombre de la Antigüedad nació en Cirene (actual Libia) en el año 276 a.C. Fue, como muchos hombres sabios de su tiempo astrónomo, historiador, geógrafo, filósofo, poeta, crítico teatral y matemático. Sus conocimientos lo llevaron a ocupar un puesto muy importante para los sabios de la Antigüedad: Director de la Biblioteca de Alejandría. Alejandría era la ciudad más importante de su época, famosa por su gran faro (una de las siete maravillas del mundo) y por su enorme biblioteca, la más grande en su época.

Eratóstenes pasaba todo el día estudiando, ya que una de las misiones como director, era justamente leer, clasificar y estudiar todos los libros que allí estaban. De ahí que fuera un hombre notable en tantas disciplinas. Sin embargo, no faltaban los envidiosos que lo llamaban "Beta" (nombre que recibe la segunda letra del alfabeto griego), porque según ellos Eratóstenes era siempre el "segundo" mejor del mundo en todo. No obstante, por lo que sabemos de él, parece que su apodo correcto debió haber sido "Alfa", ya que su inteligencia y avidez por el conocimiento lo convirtieron en un hombre recordado hasta hoy.

Uno de sus descubrimientos más importantes fue el que le permitió medir la circunferencia de la Tierra. Estaba un día Eratóstenes, metido en sus papiros, cuando leyó que en un lugar llamado Siena, cerca de la primera catarata del Nilo, el día del solsticio de verano (21 de junio en el hemisferio norte) el Sol se reflejaba de manera directa en el fondo de un pozo. Fenómeno que es equivalente a poner una vara de manera vertical en el suelo y que no proyecte ningún tipo de sombra.





Esta era una observación que muchos podrían haber ignorado con facilidad, pero no Eratóstenes. Curioso como era, repitió entonces la experiencia el 21 de junio, esta vez en Alejandría. ¡Cuál no sería su sorpresa al comprobar que los resultados eran totalmente diferentes.
Para Eratóstenes la única explicación posible para este fenómeno era que la Tierra era una esfera.





El Sol está tan lejos de la Tierra que sus rayos son paralelos cuando llegan a nuestro planeta. Los palos verticales situados en distintos puntos forman ángulos diferentes con respecto al Sol y proyectan, por lo tanto, diferentes longitudes de sombra.

La diferencia entre las sombras de Alejandría y Siena, puso a trabajar a Eratóstenes, quien llegó a la conclusión que la distancia angular, con respecto a la circunferencia de la Tierra, entre estas dos ciudades era de siete grados. Es decir si trazamos imaginariamente una línea recta desde el punto de medición en cada ciudad hasta el centro de la Tierra, el ángulo que se forma es de siete grados.





Eratóstenes conocía la distancia entre Alejandría y Siena (el equivalente a 800 kilómetros actuales), así basándose en esto hizo una serie de cálculos y dedujo la circunferencia de la Tierra con gran exactitud.

Hoy sabemos que esta medida es de 40.000 km. Eratóstenes pudo medirla, usando sólo su capacidad de observación, su inteligencia y sobre todo su gusto por la experimentación. Con estos elementos midió por primera vez un planeta, con un margen de error mínimo, lo cual constituye todo un logro.

8. La caída de los cuerpos por un plano inclinado

Una de las más célebres historias sobre Galileo Galilei es la referente al lanzamiento de diferentes masas desde lo alto de la torre de Pisa (una bola de hierro y una pluma según versiones exageradas) para demostrar que el tiempo que tardaban en alcanzar el suelo era el mismo en contra de lo que planteaba Aristóteles que creía que los objetos más pesados caían más deprisa que los ligeros. No se sabe con seguridad si la historia es cierta pero sí se conoce que realizó experimentos con el plano inclinado para llegar a la misma conclusión, que «los objetos se aceleran independientemente de su masa» ya que como acabamos de ver un plano inclinado sólo ralentiza el movimiento de caída (disminuye el valor de la aceleración) pero no altera su naturaleza (la aceleración sigue siendo constante).





En sus experimentos Galileo dejaba rodar esferas de distinta masa por un plano inclinado y de sus resultados concluyó además que partiendo del reposo, con la bola parada en el punto más alto del plano inclinado, la distancia recorrida era proporcional al cuadrado del tiempo transcurrido.


http://enciclopedia.us.es/index.php/Plano_inclinado

9.El descubrimiento del núcleo atómico de Rutherford

Antes de la propuesta de Rutherford,los físicos aceptaban que las cargas eléctricas en el átomo tenían una distribución más o menos uniforme. Rutherford trató de ver cómo era la dispersión de partículas alfa por parte de los átomos de una lámina de oro muy delgada. Los ángulos resultantes de la desviación de las partículas supuestamente aportarían información sobre cómo era la distribución de carga en los átomos. En concreto, era de esperar que si las cargas estaban distribuidas acordemente al modelo de Thomson la mayoría de las partículas atravesarían la delgada lámina sufriendo sólo ligerísimas deflacciones en su trayectoria aproximadamente recta. Aunque esto era cierto para la mayoría de partículas alfa, un número importante de estas sufrían deflexiones de cerca de 180º, es decir, prácticamente salían rebotadas en dirección opuesta a la incidente.

Rutherford apreció que esta fracción de partículas rebotadas en dirección opuesta podía ser explicada si se asumía que existían fuertes concentraciones de cargas positivas en el átomo. La mecánica newtoniana en conjunción con la ley de Coulomb predice que el ángulo de deflexión de una partícula alfa relativamente ligera, por parte de un átomo de oro más pesado depende del parámetro de impacto o distancia a la que la partícula alfa pasaba del núcleo





Se deduce que el parámetro de impacto debe ser bastante menor que el radio atómico. De hecho el parámetro de impacto necesario para obtener una fracción apreciable de partículas "rebotadas" sirvió para hacer una estimación del tamaño del núcleo atómico, que resulta ser unas cien mil veces más pequeño que el diámetro atómico. El modelo atómico de Rutherford fue sustituido muy pronto por el de Bohr. Bohr intentó explicar fenomenológicamente que sólo algunas órbitas de los electrones son posibles. Lo cual daría cuenta de los espectros de emisión y absorción de los átomos en forma de bandas discretas.

Para saber más sobre Rutherford, hacé click acá.

http://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_at%C3%B3mico_de_Rutherford

10. El péndulo de Focault

Foucault puso en movimiento un péndulo que pesaba 28 kilos y medía 67 metros de largo, y registró que el nivel de oscilación del péndulo giraba lenta pero continuamente en dirección de la marcha del reloj. La causa de este giro es, según los físicos, la Fuerza de Coriolis, que lleva el nombre del físico francés G.G. Coriolis, 1792-1843), también llamada aceleración angular. Resulta del movimiento de giro del globo terrestre y provoca una desviación de las masas hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el sur. Además, las corrientes del aire y del mar globales están sometidas a la influencia de esta misma fuerza.
El experimento de Foucault permitió demostrar el movimiento rotatorio de la tierra. Un péndulo cuyo punto de sujeción le permite oscilar libremente en cualquier dirección es usado para repetir el experimento que el físico francés Foucault realizó por primera vez en público en París en 1851.
El péndulo consiste en una masa sostenida por un cable, que se mantiene en movimiento. Al estar bajo estas condiciones (ver gráficos), el plano de oscilación gira lentamente respecto a una línea trazada en la tierra, aun cuando la tensión del alambre que soporta a la masa y fuerza gravitacional sobre ella, se encuentran en un plano vertical.

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