El libro de las Máquinas de Gabinete

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El libro de las Máquinas de Gabinete
Texto, composición, diseño, dibujos y portada de José Martín Roldán.
Este libro ha sido hecho con objeto de dar valor didáctico
a las “Máquinas de Gabinete”
reconstruidas y recopiladas por José Martín Roldán.
Móstoles
Noviembre del 2002.
REGISTRO GENERAL de la PROPIEDAD INTELECTUAL
2 de Octubre de 2003.
M-007539/2003
Nº 16/2003/7975 del 14-11-2006
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El hombre su industria y su ciencia
Los fenómenos naturales influenciaron y condicionaron a los seres
vivos de nuestro planeta durante millones de años, pero únicamente el
hombre además de beneficiarse de ellos intentó su explicación racional a
través de la observación y posterior investigación de los mismos.
No sabemos en que periodo de la evolución los primates comenzaron a
hacerse preguntas sobre el rayo, la palanca, la dureza de los elementos etc.,
pero, ese momento marca la línea difusa que condujo hacia los homínidos.
El análisis, investigación y utilización de la naturaleza dio como
resultado la creación de artilugios, primeramente sencillos y paulatinamente
más complejos, que en la actualidad han desembocado en un grado de
tecnología y sofisticación tal, que conducen a la humanidad a un futuro
impredecible.
Acuciado por la necesidad y por la naturaleza de su inteligencia el
hombre primitivo fabricó y empleó rudimentarias máquinas en las cuales el
elemento principal era la palanca. En una cadena obligatoria debía obtener
madera, para mover megalitos, fabricar utensilios, armas etc. y escarbar en
canteras buscado el preciado pedernal, piedra principal, en la fabricación de
armas, sierras y diversas herramientas empleadas en obtención de la
madera.
En sucesivas y posteriores edades la habilidad, capacidad e
inquietudes del hombre condicionan su evolución y propician el desarrollo
cultural y tecnológico a través de experimentos supeditados a ilustres
hombres que nos precedieron. La recopilación de una serie de estos
momentos de la historia, es el objetivo de las "MÁQUINAS DE GABINETE"
que han sido recuperadas y posteriormente plasmadas por su autor en este
“LIBRO”, esperando estimule en nuestros jóvenes vocaciones dormidas, y a
otros sirva de complemento a sus conocimientos.
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Péndulo eléctrico
Tales de Mileto, que vivió en la Grecia clásica hacia el 600 antes de
nuestra era, nos describe la propiedad que se le comunica al ámbar
(elektron) de atraer pequeños cuerpos, después de ser frotado.
Esta electricidad, la podemos observar en el péndulo eléctrico.
Constituido por una bolita muy
ligera, antiguamente, medula de saúco,
que suspendida de un hilo fino, es
atraída o repelida por una barra de
material aislante, normalmente de
vidrio, que ha sido frotada con un trozo
de lana o una piel de animal.
La
observación
de
estos
fenómenos condujo a admitir la
existencia de un fluido o energía que
se
denominó
electricidad,
cuya
manifestación atractiva o repulsiva, se
consideró indicativo de dos maneras en la electricidad, que se convino en
llamar positiva y negativa.
Cuando frotamos la barra del péndulo producimos un desequilibrio
electrónico cargándose positiva o negativamente, exceso o defecto de
electrones (dependiendo de la materia de la barra), si la aproximamos a la
bola (que por estar en estado neutro, contiene ambas electricidades
equilibradas), es atraída, y poco después, saturada de la misma electricidad
de la barra por contacto, o por inducción (a distancia), es repelida.
Como consecuencia de este experimento se admite que las
electricidades del mismo signo se atraen y las contrarias se repelen.
Técnicas de elaboración del péndulo eléctrico.- Nuestra
imaginación en este y en sucesivos capítulos nos ha de conducir al
aprovechamiento de diversos materiales de deshecho para la elaboración de
las Máquinas o artilugios del experimento correspondiente.
En este caso, la bola es de corcho sintético blanco, que se ha
recubierto de lamina de dorar, para que el intercambio electrónico se
produzca mas rápidamente.
El soporte de la bola del péndulo, está construido por un varilla de latón
que con la forma correspondiente se apoya en una barra de metacrilato y por
intermedio de piezas de una lámpara descansa en una peana, que esta
hecha con un viejo enchufe (rotulado como péndulo), todo ello para que la
bola del péndulo penda de un fino hilo,.
La barra, que clásicamente es de vidrio, aquí es de material plástico.
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Avance en las investigaciones magnéticas y eléctricas
William Gilbert en el siglo XII enuncia la imantación por influencia y la
existencia de buenos y malos conductores. Stephen Gray (Inglaterra) y
François Dufay (Francia) en el XIII, con el descubrimiento de la conducción a
distancia de la electricidad, la electrificación por influencia y las dos
electricidades, contribuyeron al avance en dicha materia.
Comprobaron:
1) Los malos conductores son susceptibles de ser electrificados por
frotamiento, mientras que los buenos
conductores, al ser frotados, no
adquieren carga eléctrica pues se
neutralizan inmediatamente a través
de
los
objetos
frotantes,
precisamente por su naturaleza
conductiva.
2) Que si aislamos un buen
conductor por medio de malos
conductores
(aislantes),
se
electrizará, al tocarle o aproximarle
un cuerpo electrizado y se transmitirá
la electricidad en toda su longitud.
3) Algunos materiales como el
ámbar y las resinas se electrizan
negativamente y el vidrio o cristal
positivamente.
Para medir y detectar las
cargas eléctricas Gilbert y Dufay describen aparatos, “electroscopios”,
consistentes en dos hojuelas o hilos ligeros suspendidos de un conductor
que al comunicarles la electricidad del objeto a medir experimentan una
repulsión, que se traduce en separación, mayor o menor dependiendo del
potencial eléctrico del objeto a examinar.
Técnica de elaboración.- El electroscopio que tenemos en la imagen,
fue elaborado con un frasco de cristal con tapa.
La tapa, perforada con vibrador, sirve para introducir una varilla de
latón que sellamos con masilla de dos componentes.
Tiene esta varilla en su extremo externo una bola metálica de un tirador
y en el interno, una tira de papel de aluminio doblada por el centro.
Opcionalmente se puede potenciar el efecto con dos terminales
metálicos en comunicación con una masa y en línea con el papel de
aluminio.
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MÁQUINA DE OTTO DE GUERICKE
El alemán en Otto de Guericke en 1672 construyo la primera
máquina de electricidad por frotamiento, la máquina multiplico el
efecto conseguido manualmente. Hoy día consideramos aquella
electricidad como estática o triboelectricidad.
Esta reconstrucción de José Martín Roldán funciona perfectamente
y se basa en el conocimiento que se tenía de la electricidad estática
que se podía transmitir por conductores.
Otto de Guericke construyo la suya con una esfera de azufre, en
este caso se ha construido con esfera de materia plástica, que
colocada entre dos semiesferas metálicas, por frotamiento se
consigue un desequilibrio electrónico en la esfera, que se manifiesta
en descargas eléctricas entre los electrodos.
Fenómenos electrostáticos, "Influencia"
El conocimiento de la electricidad estática conlleva el conocimiento de
los fenómenos de influencia, pero es considerado a Gray como el
descubridor de esta propiedad, al observar, que si aproximaba sin llegar a
tocar, un elemento electrizado, a otro elemento bien aislado, se le inducía o
transmitía la electricidad.
Basándonos también en Dufay y en su enunciando según el cual, "no
todos los cuerpos se electrizan por frotamiento, pero encontrándose bien
aislados se electrizan por influencia", se consiguen interesantes
experimentos de electricidad estática, con sencillos aparatos.
Técnica de elaboración.- Sobre esferas de bronce, palitos sintéticos,
sirven para suspender con finos hilos bolas ligeras.
Sustentadas las esferas por columnas aislantes y peanas, que con
imaginación podemos construir aprovechando diversos materiales.
Una vez construidos los artilugios, utilizando la barra frotada, el
electróforo o una máquina electrostática, se electrizan para producir efectos
de inducción.
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Electróforo
Se debe el descubrimiento del Electróforo, a Alejandro Volta (17451827), funciona aprovechado los fenómenos de influencia o inducción, se
compone de dos partes; torta de resina electrizable por frotamiento y disco
metálico con mango aislante.
El disco metálico es electrizado induciéndole la electricidad de la torta
de resina.
El procedimiento para electrizar dicho disco es el siguiente: Frotada y
electrizada la resina, se coloca sobre ella el disco metálico, tocando en ese
momento el disco con un dedo, facilitamos el escape de la electricidad
creada por el frotamiento, nuestro cuerpo y el disco han hecho de
conductores, quedando al retirar el dedo, cargado el disco de electricidad
contraria a la de la resina.
Con el Electróforo se pueden producir efectos eléctricos y descargas
acompañadas de sonido.
Técnica de elaboración.- La torta de resina es un disco de
metacrilato embutido en una tapa de una caja metálica y el disco es también
una caja metálica que se ha achicado, quitando parte del cuerpo cilíndrico, a
la cual se le ha pegado un mango aislante.
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Máquinas electrostáticas
El alemán Otto de Guericke (1602-1686) hacia 1672 experimentó con la
primera máquina de electricidad conocida, consistente en una esfera de
resina, solidaria con un eje giratorio, que al ser frotada con las manos
producía efectos eléctricos sobre finas láminas.
Entre 1743 y 1745, Bose, Gordon y Winkler entre otros perfeccionaron
las máquinas eléctricas, dándoles mayor velocidad con la ayuda de poleas y
utilizando esferas o cilindros de vidrio.
Finos hilos metálicos que se deslizaban sobre la esfera o cilindro,
recogían la electricidad, que en principio se transmitía a un único polo,
constituido por un cañón de fusil (siempre perfectamente aislado).
Aunque rudimentarias estas máquinas y sus fenómenos causaron gran
sensación en los salones donde fueron exhibidas.
Las máquinas electrostáticas que se han reproducido en "MÁQUINAS
DE GABINETE" son: "Nairne", "Holtz", "Wimsurt", "Carree" y "máquina
primitiva por frotamiento directo".
Técnica de elaboración.- Por el espacio que ocuparía y la
complejidad de elaboración de las máquinas electrostáticas, nos limitaremos
a decir que se hicieron con los más diversos materiales de reciclaje.
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Botella de Leyden
La fascinación que producían los experimentos eléctricos entre el público
se incrementó con el descubrimiento de la botella de Leyden o primer
condensador de electricidad conocido.
Se cuenta que el descubrimiento
fue casual, cuando Ewald Georg von
Kleist en 1745 recibió una fuerte
descarga
eléctrica,
intentando
electrizar,
con
una
máquina
electrostática, el agua de una botella,
comunicada con el exterior por medio
de un clavo que traspasaba el corcho.
Pero la botella lleva el nombre de
Leyden por los experimentos hechos
con los mismos elementos en 1746 en
la ciudad de Leyden por Pieter
Musschenbrock.
Constituida en esencia por dos
buenos conductores (armaduras), uno
interno y otro externo separados por el
cristal aislante de la botella (dialéctico).
Al coger la botella y comunicar a la
armadura interna una carga eléctrica se
incrementa su capacidad por la atracción que ejerce la armadura externa, a
la que forzamos a adquirir una electricidad del mismo potencial y de signo
contrario, facilitando este proceso nuestra mano y cuerpo, que hacen de
conductores y por su intermedio aumenta o disminuye el nivel de electrones
en la armadura externa.
Técnica de elaboración.- Las dos botellas de Leyden representadas
en el dibujo, son una de cristal y la otra de plástico, en las que se ha
recubierto parte del interior y su correspondiente exterior con papel de estaño
pegado con cola de contacto. Comunica la lámina interna, en cada una de
ellas con el exterior por medio de una varilla de cobre, que atraviesa el tapón
previamente perforado. Los terminales de los conductores son pequeños
tiradores esféricos de latón.
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Diversos experimentos
Incorporada la Botella de Leyden a las máquinas electrostáticas, los
experimentos y demostraciones formaron parte de las atracciones de la
época y fueron entre otros:
"La propiedad de las puntas" estudiada por Benjamín Franklin (17061790) que se hace patente en el "Molinete eléctrico".
"Fenómenos de atracción y repulsión" como los de la "Esfera eléctrica".
"Electrización de voluntarios" a los cuales se les ponían los pelos de
punta.
Sustituyendo este último experimento en "Maquinas de Gabinete", se
emplea un "Pompón eléctrico" que reproduce los mismos efectos.
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Técnicas de elaboración:
Molinete Eléctrico.- Dos elementos lo constituyen, por un lado una
varilla metálica que sujetamos verticalmente en una peana de material
aislante, afilada por el extremo libre. Por otro lado, el molinete, que
construimos con una tuerca metálica sin orificio de salida, a la que soldamos
de forma simétrica y radial, seis varillas metálicas en forma de "ele", con los
extremos muy afilados, esta segunda pieza ha de rotar libremente sobre la
primera.
Finalmente, por medio de una cadena soldada a la varilla
comunicamos el molinete con uno de los polos de la máquina, siempre
procurando que la cadena se encuentre perfectamente aislada.
Pompón Eléctrico.- Construcción similar al Molinete, necesita una
varilla vertical con peana y comunicación con la máquina a través de una
cadena aislada y metálica.
Al extremo de la varilla soldamos una semiesfera metálica hueca en
cuyo interior se adhiere un pompón, hecho previamente con hilo de seda.
Esfera Eléctrica.- Necesitamos dos semiesferas de metacrilato
transparente, que fácilmente se pueden encontrar en tiendas especializadas.
Construimos una esfera, con las semiesferas pegadas con cinta adhesiva, de
manera que se puedan separar fácilmente, colocamos esta esfera sobre una
columna aislante (tarro de cristal) a su vez colocado sobre una peana de
madera. En la parte baja de la esfera y en su interior acoplamos una caja
metálica que se adapte al fondo, soldamos una cadena a la caja, que
sacamos al exterior a través de una perforación, para que conectada a un
polo de la máquina electrostática adquiera una de las polaridades, después
damos forma circular a un tubo de cobre, de modo que encaje internamente
en el borde de la semiesfera inferior, donde pegándolo quedara sujeto, a este
tubo soldamos una cadena que conectada con el otro polo de la máquina nos
proporcionara la otra polaridad necesaria para el experimento.
Nos queda construir cinco o seis bolas, con corcho blanco forradas de
lamina de dorar, que colocadas en el interior de la esfera, producen los
efectos deseados una vez conectado el invento a la máquina electrostática.
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Relación entre magnetismo y electricidad
Gray había descubierto el desplazamiento de la electricidad a través de
los conductores, William Watson (1715-1787) y Benjamín Franklin investigan
la carga y el movimiento eléctrico. Cavendish y Coulomb definen los
conceptos de "potencial" y carga o "masa eléctrica".
Basándose en las experiencias de Luigi Galvani (1737-1798)
Alessandro Volta (1745-1827) fabrica la pila eléctrica, con ella se consigue
una electricidad más manipulable de mayor intensidad y menor voltaje, que
la conocida de las máquinas electrostáticas, la cual facilitará a Oersted sus
investigaciones posteriores.
Se intuía la relación entre el magnetismo y la electricidad, por los
fenómenos similares que comparten, como, polaridad, inducción, atracciones
y repulsiones, pero fue difícil comprobarlo porque los fenómenos de la alta
tensión de la electricidad estática, disimulaban los posibles fenómenos
magnéticos (que confirmarían la relación). Experimentando con la
electroquímica correspondió a Hans Christian Oersted (1777-1851) la
confirmación de esta hipótesis a través de su famoso experimento,
consistente en la observación de cómo se desvía una aguja imantada
colocada paralela y junto a un conductor cuando se hace circular por él una
corriente eléctrica.
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Técnicas de elaboración.- Dos son las formas que “Máquinas de
gabinete” expone del experimento de Oersted.
1ª forma
Sobre una peana de madera sujetamos una varilla de latón de 12 cm.
de longitud aguzada en el extremo superior, introducimos en la varilla hasta
la base un cilindro de madera torneada y perforado centralmente, de modo
que sobresalgan 3 cm. de varilla, del extremo aguzado, a continuación
introducimos por la varilla, colocamos y pegamos, un circulo de metacrilato
que habremos dividido en cuadrantes que simulen los puntos cardinales,
sobre el disco pegamos diametralmente un puente de metacrilato que pase
sobre la punta metálica con cierta holgura, sobre el puente colocamos y
adaptamos un conductor de cobre grueso, con un interruptor en serie que
comunica con dos pilas de 4,5 voltios montadas en paralelo.
La aguja imantada para la brújula la construiremos cortando y dando
forma con unas tijeras al fleje de un metro viejo. En su centro haremos un
pequeño taladro por el que pasaremos una caperuza de un remache, de
manera que nos sirva para dejarla en equilibrio sobre la punta aguzada.
Para imantar la brújula le daremos en sus extremos toques
simultáneamente con dos imanes de altavoces con los polos opuestos.
2ª forma
Este segundo procedimiento es igual en todo el anterior, pero
sustituyendo el puente y conductor uní-filiar por una bobina al aire de 12 cm.
de diámetro por 10 cm. de longitud de hilo grueso de cobre esmaltado que
construiremos enrollando sobre un tubo de papel parafinado, consolidando
las espiras con pegamento de cianocrilato, retirando el papel parafinado que
nos ha servido de molde. Por un orificio que habremos preparado en la
bobina al construirla, pasamos la varilla metálica con su extremo puntiagudo,
de que hablamos en la forma anterior, de modo que la punta quede
perfectamente centrada dentro del bobinado, fijamos con arandelas de
madera y cola la bobina. Colocando la aguja de la brújula sobre la punta
aguda de la varilla y conectando la bobina a la fuente de alimentación el
experimento se puede dar por terminado.
"Schweigger" con un experimento parecido descubrió el "multiplicador"
conducente a los aparatos de medida, lo que nos demuestra que los avances
siguen un camino obligatorio, basándose los investigadores de cada instante
en sus predecesores.
Los efectos tanto en uno como en el otro experimento se manifiesta
accionando el interruptor.
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Observaciones sobre el experimento de Oersted
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Si retrocedemos en el tiempo y nos situamos en aquel contexto
veríamos como, los investigadores, manipularon innumerables veces, tanto
la barra frotada como los imanes, la brújula y los conductores, con el afán de
descubrir alguna relación entre magnetismo y electricidad. Se desconocía
todo de esta ciencia, entonces intuida del “electromagnetismo”, trabajaban
sobre hipótesis, más o menos validas, mediatizados por el conocimiento que
tenían de la electricidad estática, pretendiendo emparejarla con la recién
descubierta electricidad dinámica, pues producía fenómenos de atracción y
repulsión (no descubiertos aun para la electricidad dinámica) y se transmitía
igualmente a través de conductores.
No debió ser fácil a Oersted interpretar su experimento, ya que si la
brújula se mueve al circular una corriente por el conductor próximo a ella,
podía ser este movimiento por la misma electricidad y no por ninguna clase
de magnetismo, porque la electricidad estática de una barra frotada también
mueve la brújula, cuando se le aproxima.
Por este motivo tampoco hoy día podemos decir, que, está claro que en
el experimento de Oersted la aguja imantada se mueve, reaccionando a
fenómenos magnéticos.
La solución vino de la observación, la brújula se comporta de diferente
manera, ante una barra electrizada que ante un imán; puesto que cuando
aproximamos la barra electrizada a la brújula, la atrae con indiferencia de los
polos magnéticos de dicha brújula (lo mismo por el polo norte que por el sur
que por el centro), a diferencia de lo que sucede cuando se le aproxima un
imán ya que este atrae a la brújula orientándola en sentido inverso a sus
respectivas polaridades y al invertir el imán la brújula gira 180º, ofreciendo el
otro polo.
La brújula en el experimento de Oersted responde a este último criterio,
se orienta como influenciada por un campo magnético que se ha creado, y si
invertimos los polos de la fuente de alimentación, al cambiar con ello el
sentido del campo magnético la brújula gira 180º.
Posteriormente, encontrar una respuesta de inducción eléctrica por el
magnetismo, creyendo en la reversibilidad del experimento de Oersted, no
fue nada fácil, ya que cuando aquellos precursores del conocimiento actual
aproximaban un imán a un conductor, por la insignificante electricidad que se
inducía los resultados eran inconmensurables. Más tarde la solución vino
dada al aumentar la cantidad de conductor que iba a ser influido por el
campo magnético para que los efectos fueran apreciables, empleando
bobinas. Por ello se llamó multiplicadores a las primeras bobinas diseñadas
con tal objeto.
Lo expuesto condicionó que el primer resultado positivo en la inducción,
que obtuvo Faraday no fuese con un imán sino con un electroimán (que era
un multiplicador).
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Experimento de Arago
La convicción de que los fenómenos de inducción, bien conocidos en la
electricidad estática habían de tener correspondencia en la electrodinámica,
fomentó la investigación en este sentido.
Mientras Faraday se esforzaba esperando solucionar el problema, en
1824 Gambey se da cuenta de que una aguja imantada, disminuye
sensiblemente sus oscilaciones en la proximidad de una masa de cobre. En
ese mismo año François Arago (1786-1853) partiendo de esta observación
reproduce el experimento en sentido contrario. Coloca una brújula (aguja
imantada) sobre un disco de cobre y cuando lo hace girar, confirmando sus
intuiciones, el disco de cobre arrastra en el giro a la aguja imantada.
Arago no lo interpretó adecuadamente y lo atribuyó a un magnetismo
inducido, al que denomino "magnetismo de rotación" (más adelante veremos
como Faraday explicó el fenómeno satisfactoriamente).
Técnica de elaboración.- Aunque parece complicada su elaboración
con habilidad y paciencia se consigue el resultado apetecido.
Necesitamos una peana sobre la cual colocamos una estructura de
metacrilato que sirve de soporte a los engranajes, piñón, corona dentada y
manivela con sus correspondientes ejes, diseñado todo para conseguir una
desviación de 90º en el resultado final del giro de un disco de cobre, que
influye sobre una aguja imantada, que nos hemos de ingeniar para colocarla
muy próxima al disco sin llegar a tocarlo, de manera que pueda moverse
libremente en su eje
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Inducción electromagnética
Desde 1824 Michael Faraday (1791-1867) dedica sus esfuerzos a
descubrir las corrientes inducidas, pero no obtiene resultados positivos hasta
Agosto de 1831, por la inducción de la corriente, que una bobina de hilo de
cobre produce sobre otra del mismo material, montadas en un núcleo común
y circular de hierro dulce.
En poco tiempo, hasta octubre de ese mismo año Faraday descubre la
inducción de corrientes entre bobinas sin núcleo y la inducción de corrientes
por un imán en las bobinas (se utilizaban bobinas de hilo de cobre forrado de
seda).
Se comprobó a partir de estos experimentos, que para inducir
corrientes de electricidad dinámica en un circuito, es imprescindible que el
circuito que ha de ser inducido corte las líneas de fuerza del campo
magnético inductor.
Esta interacción en las líneas de fuerza puede ser de varias formas, por
movimiento del inductor, del inducido o por variaciones del flujo de la
corriente que sustenta el campo magnético.
Aunque fue entre bobinas el primer experimento de inducción. En "Maquinas
de Gabinete" hemos reconstruido como ejemplo, la inducción de imán a
bobina.
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Técnica de construcción.- Necesitamos una peana, que nos
haremos con un trozo de contra-chapado de 15x18 cm. y cuatro tacos de
madera, para las patas.
Un soporte con topes circulares para la bobina, que se puede hacer
con el tubo de cartón del papel de cocina y los topes circulares con cartón
en forma de corona circular, que pegaremos a los extremos del tubo,
barnizando el soporte así construido con goma laca.
Bobinamos tres capas en este soporte con hilo de cobre esmaltado de
aproximadamente 0,03 cm., que podemos conseguir en tiendas de
electrónica o talleres de bobinado. Pasamos los extremos del hilo por
orificios hechos en uno de los topes de cartón y los conectamos a los bornes
de un miliamperímetro muy sensible (aprox. 20000 Ω/V.), que encontraremos
en tiendas de segunda mano o de electrónica.
Para construirnos una barra imantada, necesitamos algunos imanes de
altavoces (con un diámetro tal que puedan moverse fácilmente por el hueco
de la bobina), se pegan en serie y por su agujero central pasamos y
pegamos un palo que nos servirá de mango.
Fijando los elementos como se ve en la foto de la Pág. 30, y si todo ha
ido bien al introducir y sacar la barra imantada por el interior de la bobina la
aguja del miliamperímetro al detectar la corriente inducida se moverá.
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Magneto de Faraday
Inmediatamente después de estos descubrimientos Faraday se pone a
trabajar en la explicación del experimento de Arago, para ello construye una
máquina parecida a la de Barlow (que veremos más adelante), pero que
funciona inversamente, si en aquella, una rueda de cobre se mueve
respondiendo a una corriente eléctrica, que interacciona con un imán, en
esta, la rueda al moverse y cortar las líneas de fuerza del imán, genera una
corriente eléctrica que se puede medir mediante un miliamperímetro
conectado al centro y a la periferia de la rueda.
Resumiendo, en el experimento de Barlow la electricidad produce una
energía que mueve la rueda; en el de Faraday la energía que aplicamos a la
rueda produce electricidad.
Si la Rueda de Barlow la consideramos como él más importante
eslabón en el camino hacia el motor eléctrico, hemos de considerar la rueda
o magneto de Faraday como el primer generador, que transforma la energía
mecánica en eléctrica
Todo responde a la reversibilidad de estas máquinas.
Si nos fijamos bien este experimento es igual el de Arago con la
diferencia de que aquí el imán está fijo y en el de Arago el imán es la brújula
y es libre de moverse.
En ambos casos el disco de cobre corta las líneas de fuerza del imán y
esto induce en el mismo disco una corriente acompañada de su propio
campo magnético. De aquí dedujo Faraday la explicación del experimento de
Arago, donde la brújula (aguja imantada), induce en el disco una corriente
con su propio campo magnético y es este campo el que arrastra a la brújula.
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Técnica de elaboración.- Necesitamos una peana de 22x12 cm.,
dos columnas de material aislante que nos servirán para sustentar el disco
de cobre y otra columna de madera para colocar el imán.
Encargamos en una tienda especializada un disco de cobre de 13x0,05
cm. o bien lo confeccionamos nosotros, haciéndole finalmente un taladro
central de 0,5 cm..
Una varilla roscada de 0,5x10 cm. nos valdrá para el eje del disco la
cual redondeamos 4 cm. en cada extremo con lima (quitando la rosca), y a 2
cm. finales de uno de los extremos le damos forma cuadrangular.
En los extremos de las columnas aislantes hacemos dos taladros
adecuados para que entre la parte del eje que hemos redondeado.
En el trozo central de este eje en el que aun queda rosca, ponemos el
disco, que sujetamos con tuercas, colocamos convenientemente las
columnas en los extremos del eje ya preparado para ello, hemos de hacer
muescas al eje para colocar horquillas que impidan que el eje se salga.
Sobre la peana acoplamos y sellamos las dos columnas con el disco ya
montado.
Como habremos procurado que el extremo del eje que hemos
planificado quede libre y fuera de la peana allí colocamos una manivela con
el mango correspondiente.
En la peana de madera frente al disco se sujeta el imán como indica la
figura pág. 31, imán que nos confeccionaremos con otros dos de cierre de
puertas, colocados en serie y entre dos piezas polares largas, de hierro
dulce.
Los terminales de un voltímetro sensible Irán conectados mediante hilo
conductor, uno al eje y el otro a un fleje que se desliza por la periferia del
disco, como se ve en la figura.
Al rotar el disco la aguja del voltímetro se moverá.
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Aparatos de medida de la electrodinámica
André-Marie Ampère (1775-1836) se dedica de lleno a investigar la
nueva electricidad que llama electrodinámica. Entre otras cosas inventó la
aguja astática que se emplea en modernos medidores, en aquellos tiempos
la empleo Nobili en su aparato de medida.
Arago es el descubridor del electroimán imprescindible en estos
instrumentos.
A Johann Schweigger (1779-1857), le corresponde el descubrimiento
del primer y rudimentario aparato que con el nombre de "Multiplicador"
(1820), mede esta electricidad.
Siguiendo el ritmo evolutivo "Stöhrer", construye un aparato de medida
llamado Galvanóscopo y "Nobili" en 1825 su Galvanómetro Astático o de
reflexión.
El perfeccionamiento de los instrumentos de medida eléctrica aun
continua en nuestros días incorporando a ellos nuevos descubrimientos y
tecnologías.
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Técnica de elaboración:
Galvanóscopo de Stöhrer.- En una columna rematada por una escala
graduada se fija una bobina horizontalmente, en cuyo interior un imán móvil
es solidario con una aguja que señala una mayor o menor desviación en la
escala dependiendo de la electricidad que circula por la bobina al utilizar las
puntas de prueba.
Galvanómetro de Nobili.- La doble aguja, móvil e imantada, una dentro
y otra fuera de la bobina, con los polos opuestos (astática), responde a la
corriente a medir que circula por la bobina fija.
El aparato terminado está introducido en una botella de cristal con un
mecanismo para graduar la aguja y otro para nivelar el sistema.
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Rueda de "Barlow"
Se consideran los experimentos de Faraday en 1821 con conductores
e imanes flotando en mercurio como el primer esbozo de un motor eléctrico.
Yendo más allá se le puede conferir a los experimentos de Oersted y de
Schweigger tal honor.
Uno de los eslabones mas importantes en el camino hacia el motor
eléctrico es la rueda de Barlow (1822) debida a Peter Barlow (1776-1862).
En este experimento una rueda de cobre colocada entre los polos de
un potente imán, gira, al circular por ella una corriente continua,
respondiendo a la interacción entre el campo del imán y el creado en la
rueda.
Técnica de construcción.- Esta máquina necesita bastante energía
para hacer rotar su rueda, una fuente de alimentación de corriente continua
de 12 voltios y 5 amperios puede valer (por razones de calentamiento no
mantendremos su circulación más que momentáneamente).
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Necesitamos una base de madera.
En la base de madera hacemos un vaciado central para depositar el
mercurio que contactara con la rueda (el mercurio comunica con el exterior
por medio de un cable rematado en un borne, siendo un terminal). Sobre
este vaciado se coloca un imán (tal y como vemos en la foto y grabado
correspondiente) en forma de "U", cuyo núcleo esta constituido por 5 o 6
imanes en serie (de cierre de puerta) con piezas polares que haremos de
hierro dulce.
Construimos con aluminio una horquilla (a la que se sujetara la rueda
posteriormente) que acoplamos a una columna de aluminio por medio de
corredera graduable (esta columna comunicara con el exterior por intermedio
de conductor y borne que será el otro terminal).
En los extremos de la horquilla donde hemos de colocar la rueda (que
ha de tener el mínimo rozamiento) hacemos dos taladros que roscamos con
terraja, para meter dos tornillos, en cuyos extremos (de los tornillos), con una
broca adecuada habremos hecho un vaciado de forma cónica.
Confeccionamos el eje de la rueda con varilla roscada (de la medida
adecuada), a cuyos extremos le damos forma cónico-afilada, de modo que
pueda descansar sobre los conos de los tornillos graduables de la horquilla.
Diseñamos la rueda según la foto (en lámina de cobre de 0,05 cm.), la
recortamos con sierra de marquetería (para no deformarla podemos trabajar
afirmada la lámina con cinta adhesiva, entre dos contra-chapados de
madera). Una vez terminada esta operación le hacemos un taladro central en
el cual por medio de tuercas sujetamos el eje.
Colocada la rueda regulamos todo y echamos mercurio al depósito.
Ha de rotar la rueda tocando ligeramente el mercurio.
Muy importante es aislar el invento con caja de metacrilato y sellar con
silicona todas las juntas exteriores, pues el mercurio y sus gases son muy
tóxicos.
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Generadores eléctricos
Al año siguiente del experimento que hizo Faraday con su magneto,
Pixii (1832) y simultanea e independientemente Dal Negro obtienen
corrientes notables con dos máquinas similares, consistentes en un imán en
forma de herradura que rota frente a una bobina (1832).
Ritchie en 1833 modificando este invento, hizo que rotara la bobina, en
vez del imán. Estas máquinas son de corriente alterna.
Haciendo otra modificación Clarke en 1836, esta vez en el colector,
consigue corriente continua.
En 1867 Werner Siemens, toma electricidad de una derivación de la
misma máquina, para construir un electroimán destinado a crear el campo
magnético del inductor, sustituyendo el imán permanente utilizado hasta
entonces. Pasando los generadores a denominarse "dinamos" en vez de
"magnetos".
Zénobe Gramme (1826-1901) en 1868 construye su famoso anillo que
se empleó tanto en magnetos como en dinamos y que además de su utilidad
práctica fue empleado con profusión de forma didáctica en aulas y gabinetes.
Técnicas de construcción.- Siendo la técnica de construcción de
estas máquinas muy complicada no puede ser expuesta de manera
exhaustiva en este “Libro de Máquinas de Gabinete", por ello haremos un
resumen del tema.
La máquina de Pixii y Dal Negro.- necesita un imán de herradura que
gire por medio de un sistema multiplicador frente a un bobinado, con núcleo
de hierro dulce también en forma de herradura.
Al ser cortadas las líneas de fuerza por la bobina y su núcleo se le
induce a dicha bobina una corriente alterna que podemos medir por medio de
un galvanómetro.
Máquinas con el anillo de Gramme.- son dos con las que cuenta
"Máquinas de Gabinete".
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Una de ellas es una magneto, que entre sus piezas tiene una rueda
dentada adquirida en rastro de Madrid, empleada para aumentar la velocidad
de rotación del anillo. El imán permanente esta constituido por dos imanes,
colocados como piezas polares, unidos por una armadura hecha de flejes de
embalar.
El otro anillo de Gramme hace que funcione una dinamo, que fue
encontrada en una tienda de viejo, deteriorada y faltándole piezas, pero
ahora se encuentra perfectamente, restaurada, recuperada y funcionando.
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Motor de Froment
La importancia que se vislumbraba de la energía eléctrica, incentivó la
investigación de las diferentes maneras de aprovecharla, una de estas
maneras estaba destinada a los motores.
En 1831 Joseph Henry diseña un artilugio oscilante movido por
electroimanes.
Con este antecedente e influenciado por el diseño de la máquina de
vapor, Pablo Gustavo Froment (1815-1865), construye un motor eléctrico
lineal, que desplazado inmediatamente por los motores rotativos, pasa a ser,
al igual que ha pasado con otros muchos experimentos, mera curiosidad de
la historia de la ciencia, historia que "Máquinas de Gabinete" ayuda a
recuperar.
Técnica de construcción.- De forma breve explicaremos la manera en
que se ha reconstruido el experimento de Froment.
Está constituida la máquina por un sistema de electroimanes que
impulsan a sus núcleos alternativamente, transforma este movimiento lineal
en rotativo, un cigüeñal y un volante de inercia.
El cigüeñal por un extremo conecta por medio de una biela con un
distribuidor de corriente y por el otro lado, otra biela, lo conecta con una
palanca oscilante con un punto de apoyo, y dos de tracción, que los
electroimanes hacen funcionar, sincronizados por el distribuidor de corriente.
Todo ello colocado adecuadamente, sobre soporte de madera y con una
alimentación de corriente continua de 12 voltios, 2 amperios, que pasando
por el distribuidor alimenta los electroimanes selectivamente dos a dos.
El volante de inercia, se construyo con uno de máquina de coser,
cortándole los radios y adaptándole una nueva rueda, para hacerlo más
pequeño.
Los cuatro electroimanes son de máquinas de deshecho.
El resto de piezas, ejes, casquillos, soportes, peana y demás,
igualmente son de reciclaje.
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Motores eléctricos rotativos
Dejando a parte los motores lineales el futuro del aprovechamiento
energético de la electricidad estaba reservado a los motores rotativos.
En 1834 Boris Semenovich Jacobi hizo ensayos con un motor eléctrico
de electroimanes y cinco años más tarde lo empleó para navegar con un
barco.
El motor empleado en “Máquinas de gabinete” con fines didácticos, es
un motor esquemático y funcional de imanes permanentes, según una idea
del Dr. Figeiredo del Brasil.
Como normalmente para el funcionamiento de los motores eléctricos,
se han sustituido los imanes permanentes por electroimanes, con objeto de
adaptar él del Dr. Figeiredo a dicho sistema, fue modificado, uno de los dos
modelos aquí presentados, por José Martín Roldán, según muestra el
esquema y la fotografía.
El funcionamiento de los motores es consecuencia de la reversibilidad
de los generadores. El campo magnético de un cuerpo llamado "inducido"
reacciona, poniéndose en movimiento, respondiendo al campo magnético de
otro cuerpo llamado "inductor".
Técnica de construcción.- Este motor consta de dos partes una el
"estator" inductor y otra el "rotor" inducido.
El rotor es una bobina al aire, que construiremos de la siguiente
manera: En un tubo del papel de cocina, que previamente habremos forrado
de papel de silicona(1), hacemos una perforación diametral por la cual
pasamos apretadamente un hilo de cobre esmaltado (el eje) de 0,15 cm. Ø
por 13 cm. de longitud, cuyos extremos quedamos equidistantes al tubo de
cartón, a uno de los extremos, que sobresale del tubo le quitamos
completamente el esmalte y al otro, con la mayor exactitud, le quitamos el
esmalte a la mitad del hilo en toda su longitud (o sea, si nos imaginamos el
cilindro del hilo constituido por un prisma de "n" lados, limpiamos de esmalte
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"n/2" lados consecutivos), a continuación soldando en uno de lo lados de
este eje (junto al cartón), el extremo de un hilo de cobre esmaltado de 0,15
mm. Hacemos con él un bobinado en forma de anillo alrededor del tubo de
catón de 75 vueltas pasándolas por ambos lados del eje, dejando este en el
centro y procurando que las espiras no establezcan cortocircuito, al terminar
de bobinar soldamos el otro extremo de este hilo fino, en la parte opuesta del
eje en que hicimos la primera soldadura.
Una vez hecha esta bobina que es el inducido, hemos de consolidarla
untándola con abundante pegamento de cianocrilato, una vez seco, hemos
de eliminar el molde de cartón, para ello usando un alicate de cortar alambre
cortamos y eliminamos el eje de cobre del interior del tubo y quitamos todo el
soporte de cartón, quedando así la bobina al aire, procuramos quedar los
cortes dados con el alicate al eje, ajustados a la bobina (sin hacer
cortocircuito).
Para colocar el inducido, hacemos dos piezas en forma de "T" de tubo
de antena de 0,5 cm. de diámetro, con una longitud de 7 cm. y un trozo de 3
cm soldado al extremo.
En peana preparada colocamos estas dos piezas sellándolas en dos
taladros, de manera que colocada la bobina en los tubos transversales de las
"Tes" pueda girar libremente (se coloca la bobina antes de sellar).
Para el inductor: Con una pretina, de hierro dulce de 2x0,3 cm.
hacemos una "U" de 7 cm. de base y 7 cm. de altura, en la base de la "U"
damos dos taladros para que por medio de tornillos pequeños la podamos
sujetar a la peana. En cada lateral de la "U" hacemos un bobinado de 100
espiras con hilo 0,15 mm. de cobre esmaltado (después de forrar en la
pretina con cinta aislante, la parte correspondiente a la bobina), las dos
bobinas han de ser conectadas en serie.
Colocamos centrada la "U" ya terminada, pasando su base bajo el
inducido y atornillando.
Los terminales del bobinado se conectan a dos pilas colocadas en
paralelo de 4,5 voltios y en serie con un interruptor y con el inducido a través
de las columnas que lo sustentan, sujetando todo adecuadamente sobre la
peana, hemos concluido.
El otro motor de imanes permanentes es más sencillo de hacer, a la "U"
no le hace falta ningún bobinado, hemos de sellar a cada uno de sus
extremos un imán de los de cierre de puertas con los polos opuestos y de
manera que queden centrados con la bobina rotatoria. La Corriente de la pila
circulara únicamente a través del rotor por intermedio de las columnas.
(1) El papel de silicona es repelente a pinturas, pegamentos y demás,
siendo difícil de encontrar, nos lo podemos agenciar quitándolo de un platico
adhesivo, al cual viene unido.
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Carrete de Ruhmkorff
Después del descubrimiento que hizo Faraday de la inducción eléctrica
en las bobinas con núcleo compartido, como consecuencia lógica, llegaron
instrumentos que se llamaron transformadores, destinados a modificar el
voltaje e intensidad de las corrientes alternas, aprovechando las variaciones
de su campo magnético.
Los transformadores están constituidos esencialmente por un núcleo
de hierro dulce, sobre el que se bobinan el circuito primario, por el cual entra
la corriente y el secundario o secundarios o de salida.
Siendo necesarias variaciones del campo magnético para el
funcionamiento de los transformadores eléctricos, fue más complicado su
diseño, para las corrientes continuas, que necesitaron de un dispositivo que
produjera una corriente pulsante en el circuito primario.
Ruhmkorff lo consiguió por medio de un ingenioso mecanismo que produce
rápidas interrupciones en dicho circuito primario. En 1851 diseño un aparato
que se conoce como "Carrete de Ruhmkorff" en el cual un pequeño voltaje,
se multiplica de tal manera (a costa de la intensidad), que es capaz de
producir el arco voltaico, (empleándose posteriormente en los tubos de
Crookes, destinados a producir los rayos X).
Técnica de construcción.-El carrete de Ruhmkorff de “Máquinas de
Gabinete” ha sido construido aprovechando una bobina de alta tensión de un
automóvil y un mecanismo interruptor que funciona con el propio magnetismo
del circuito primario.
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Nuevos horizontes
Observó Paalov que las descargas eléctricas de un carrete de
Ruhmkorff a través de un tubo de Geissler (tubo especial de vació con los
dos electrodos), se producían de forma oscilante, coincidiendo con las
propiedades de una onda, lo que hizo pensar a él y a otros científicos, si el
electromagnetismo, al igual que las ondas, se desplazaría y se transmitiría a
distancia.
Azuzados por las perspectivas que se intuían, varios investigadores
trabajaron en el descubrimiento de la transmisión a distancia de dichas
ondas, uno de ellos, Heinrich Hertz (1875-94), tubo éxito en este empeño con
su resonador eléctrico.
Un avance en la detección de las ondas electromagnéticas Hertzianas,
se efectuó con el empleo del “cohesor” (en el dibujo) de Édouard Branly
(1844-1940), consistente en un tuvo de vidrio conteniendo limaduras
metálicas, que se convierten en buenas conductoras de la electricidad
cuando son recorridas por las ondas electromagnéticas, por lo tanto capaz
de indicar si en el espacio en que se encuentra circula alguna onda
electromagnética.
Basándose en sus predecesores, Guillermo Marconi (1874-1937),
hacia 1895 consiguió transmitir y recibir mensajes a distancia, “telegrafía sin
hilos”.
Su experimento consistió en emitir por medio de un “transmisor”
(carrete de Ruhmkorff con interruptor) y recibir en un “receptor” constituido
por una antena y un cohesor. Cada vez que el cohesor recibe señal se hace
conductor, cerrando un circuito que pone en marcha un martillito accionado
por un electroimán, que con un golpe deshace la cohesión, repitiéndose el
proceso mientras siga recibiendo señales de ondas electromagnéticas.
Posteriormente para detectar las ondas, se empleo un mineral
semiconductor, que un principio fue la galena (sustituyendo al cohesor de
Branly).
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Receptor de Galena
Cuando con el uso del micrófono se consiguió transformar las ondas
sonoras en, electromagnéticas hertzianas, y transmitirlas a distancia, se
empleo como receptor un aparato que usaba el detector de galena, una
bobina (circuito resonante) y un auricular
El camino hacia las nuevas tecnologías y conocimientos estaba
abierto.
Técnica de construcción.- Este aparato de galena (fácil de
construir), esta construido con una bobina de unas 80 vueltas de hilo de
cobre de 0,4 mm. Arrolladas en tuvo de plástico de 6 cm. Conectada en
serie al un detector de germano y todo ello en paralelo a un condensador
variable y al auricular, por uno de los terminales el aparato ha de comunicar
con una antena exterior y por el otro a una buena masa.
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Campos Eléctrico y Magnético
Este experimento se hizo para que se pudieran observar los
fenómenos eléctricos y magnéticos con sus diferencias y analogías en una
misma esfera según idea de José Martín.
Se construye una bobina de forma esférica, consolidada con
cianocrilato, de unos 6 cm. de diámetro con hilo de cobre esmaltado de 0,3 ∅
mm. dejando en dicha esfera un hueco cilíndrico y diametral para introducir
una pila de 1,5 voltios que hemos de colocar horizontalmente, de tal manera
que conecte con los extremos de la bobina,
creando un campo magnético. Pegamos en el
extremo superior de la bobina una pequeña
brújula y encima de dicha brújula un palito aislante
del que penderán por finos hilos bolitas ligeras de
corcho blanco, en el extremo opuesto de la
esfera, hemos de pegar una columna aislante que
apoyara en una peana para sujeción del conjunto.
Por el interior de la columna que será hueca se
pasan dos hilos de cobre que conectados a un
extremó de la bobina y la pila (pila ya soldada por
el otro extremo al otro terminal de la bobina)
comunican con un interruptor sobre la peana para
abrir y cerrar el circuito.
Terminado con esto el invento, si
electrizamos la esfera con una barra de vidrio o con el electróforo de Volta,
las bolitas son repelidas y la brújula reacciona moviéndose en la proximidad
del electróforo. Sin embargo al conectar la pila y crear un campo magnético
solamente la brújula se mueve, mientras las bolas no se inmutan ante el
campo magnético, continuando con su repulsión si existe el campo eléctrico
o en reposo si no existe dicho campo.
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Óptica
Constituyen el principal elemento de “Máquinas de Gabinete” los
experimentos eléctricos ya recogidos en este libro.
Aunque no muchos, son significativos los artilugios de óptica y otras
materias recopilados para dicho gabinete que se exponen en las próximas
paginas.
Linterna Mágica
La proyección de imágenes por medio de la linterna mágica, se
atribuye al jesuita Athanasius Kircher, que la describe en 1654 en su libro
“Ars Magna Lucis et Umbrae”.
Es la linterna una caja metálica con un foco luminoso en su interior,
que proyecta las imágenes pintadas en un cristal colocado entre dos lentes
convergentes.
Bastante limitadas las posibilidades de la linterna mágica, le fue sacado
el máximo rendimiento con diversas técnicas, como, cristales cuyas
imágenes se podían mover por medio de palancas o el empleo de varias
linternas etc..
Técnica de elaboración.- Esta Linterna Mágica de “Máquinas de
Gabinete” se elaboró con una caja metálica de golosinas a la que se le
soldaron, las patas, un asa y dos botes de pintura, que sirven para colocar y
enfocar las lentes.
Pintada la caja por el exterior de negro y decorada con ramas en oro.
Son accesorios imprescindibles unos cristales con dibujos para ser
proyectados.
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El espectro solar
Isaac Newton (1643-1727) hizo pasar un rayo de luz solar a través de
un orificio de una habitación obscura, para que atravesara con la inclinación
adecuada un prisma de cristal y de esta manera, a la salida del rayo obtuvo
el espectro solar, con los colores del arco iris.
Dedujo del experimento, que la luz blanca esta compuesta por infinidad
de rayos simples cuyos índices de refracción varían de una manera continua
y se separan por la refracción.
Para enunciar esta hipótesis Newton demuestra: 1º que estos diversos
colores se refractan desigualmente y 2º que si se vuelven a reunir se
reconstruye la luz blanca.
Este segundo enunciado dio lugar al disco de Newton, que parece atribuido a
él inadecuadamente, disco que lleva pegadas una serie de bandas con los
colores del espectro, que pretende darnos el color blanco al hacerlo girar.
Técnicas de elaboración.- Esta maquina se ha hecho con un
antiguo “huso”, al cual únicamente se le ha colocado un disco de
madera con las bandas de los colores del espectro pegadas.
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Animación de imágenes
El empleo de la animación de imágenes como forma de
entretenimiento ha sido incesante a lo largo de la historia, empezando con el
empleo de sombras hechas con las manos y continuando con diversos
instrumentos ideados para tal fin, instrumentos que se fueron haciendo más
complejos a lo largo del tiempo, sombras chinescas, zootropo (William
Horner, 1834), taumatropo (J. A. Paris, 1827), Cromotropo (época
Victoriana), Fanakistiscopio (Joseph Plateau, 1832), linterna mágica,
praxinoscopio, etc., fueron algunos de los muchos aparatos.
En la ilustración se ven el Cromotropo y el Fanakistiscopio.
El zootropo.- Llamado también “rueda de
vida”, destacado precursor de la animación de
imágenes, cuya popularidad aun persiste. Se
basa en una secuencia de imágenes desfasadas
de un dibujo, formando una cadena sin fin,
colocado en el interior de una caja cilíndrica, y
que haciendo rotar la caja, la vemos a través de ventanillas practicadas al
efecto, para dar la sensación de movimiento, siendo participe de este
resultado, la facultad de nuestra visión denominada persistencia de la
imagen.
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Técnicas de elaboración.- En la página anterior tenemos tres
objetos relacionados con la animación de imágenes, en primer lugar el
Cromotropo, cuya elaboración es compleja y diremos superficialmente, que
esta constituido por dos cristales circulares pintados adecuadamente en
transparencia, acoplados en una caja de madera plana y que giran en
sentido contrario por medio de un sistema mecánico accionado por una
manivela.
El Fanakistiscopio, más sencillo, esta construido con una varilla
enmangada, con un pequeño eje perpendicular a la varilla en su extremo
opuesto, para colocar un disco, de madera, que en su periferia tiene una
serie de diez o doce ventanillas equidistantes que sirven para ver a través de
ellas en un espejo, cuando giramos el disco, una cartulina pegada sobre él
con los dibujos adecuados para dar sensación de movimiento.
Por ultimo el Zootropo, construido con una lata cilíndrica de 18 cm de
diámetro por 18 cm. de alto, a la que quitamos las dos tapas. Una base
queda abierta y la otra la cerramos con un disco de madera de 1,5 cm, de
grosor con un taladro central para colocar el eje para rotar. En el extremo
abierto de la lata se hacen 11 cortes en forma de escotillas estrechas y
próximas a la periferia, por las cuales observaremos, cuando gira, la banda
de dibujos que hemos confeccionado con el adecuado desfase. Sujetamos el
eje a una peana y pintamos el Zootropo de negro y esperemos que funcione.
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El Praxinoscopio
El francés Émile Reynaud invento el Praxinoscopio en 1877
revolucionando el mundo del entretenimiento y vendiendo su invento por
todos los continentes.
Para competir en un mercado que evolucionaba rápidamente Reynaud
introdujo numerosas modificaciones, como, praxinoscopio-juguete, miniatura,
teatro, con motor, con resorte, con resorte eléctrico, de proyección, etc..
A pesar de los esfuerzos por mantenerlo de actualidad, el
Praxinoscopio, fue desplazado por nuevos avances, como el kinetoscopio de
Thomas Edisón o el cinematógrafo de los hermanos Lumière.
En la actualidad su contemplación nos resulta de gran atracción.
En el ámbito de las imágenes, modifico la técnica de los instrumentos
hasta entonces conocidos. Da por reflexión una imagen muy nítida a través
de un tambor central con espejos, rotatorio.
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Técnica de elaboración.- Para construir este invento hemos de
tener habilidades de carpintero y hacer de madera el tambor y el prisma
central que soporta 12 espejos, con unas medidas opcionales. Nuestro
modelo tiene 35 cm. de diámetro y una altura el conjunto de 65 cm..
Sobre el prisma central de espejos, se coloca un candelabro con vela y
pantalla (con objeto de verlo por la noche, en aquella época no había luz
eléctrica). El prisma central y el tambor son solidarios y giran a la par.
De una vieja lámpara de bronce podemos hacer la base, con una barra
roscada central que hace de eje y soporta el conjunto, en este eje por medio
de tuercas y arandelas colocamos el tambor, al que habremos hecho un
taladro central. Ingeniándonos para que roten libremente tambor y prisma,
manteniéndose quietas las demás partes.
Aunque tanto en el original como en el de “Máquinas de Gabinete” el
tambor se mueve con manivela, obtendremos el mismo resultado moviéndolo
con la mano.
Nos queda confeccionar una tira sin fin, con 12 dibujos correlativos que
colocada en el tambor, frente a los espejos nos producirá, al verla reflejada
en ellos, mientras jira, la sensación de movimiento.
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Microscopio de Proyección
Este aparato que fue utilizado a finales del siglo XIX y principio del XX,
con fines didácticos, es una variante de la linterna mágica, utiliza la luz solar,
que pasando a través de dos lentes convergentes adaptables, y dos laminas
de cristal (con el preparado a observar), sigue su trayectoria, con la imagen
incorporada, a través de dos o tres lentes convergentes con dispositivo de
enfoque saliendo hacia una pantalla blanca, en la cual el preparado se ve
ampliado.
La cantidad de veces que resulta mayor que el objeto original, la
proyección, depende de la distancia del microscopio a la pantalla, que a su
vez depende del foco luminoso, puesto que la luz siempre es la misma,
cuanto más aumentamos el tamaño más disminuye la visibilidad (teniendo
por tanto un límite la distancia). El calculo exacto del aumento se obtiene
dividiendo la superficie de la proyección por la superficie del preparado que
se proyecta.
La luz solar como fuente luminosa para este microscopio, la sustituyo
Foucault por el arco voltaico, en la reproducción para “Máquinas de
Gabinete” se ha empleado una luz alógena de 200 w..
Intentado solucionar el problema del calor que deteriora rápidamente
los preparados, se ha incorporado un ventilador interno.
Técnica de elaboración.- Tal y como muestra el esquema se
necesitan: Lentes convergentes, tubos, tornillos, laminas de latón y un
enfoque de cremallera de un instrumento óptico.
Siendo: L, luz alógena, “A”,”B”,”C”,”D”,”E”,”F” lentes; g-g’, laminas de
cristal para el preparado; “h” y “h’ ” tornillos para sujetar el preparado y
K,K’,K’’ sistemas de enfoque.
Una lata que modificada y decorada a voluntad sirve para situar el foco
luminoso y el ventilador la cual hemos de colocar de manera que una
ventanilla conduzca la luz hacia la lente “A”.
Con columnas metálicas se sujeta el conjunto terminando en una
peana.
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Polarización de la luz
Las ondas luminosas se transmiten vibrando en todas las direcciones
perpendicularmente al eje principal de la onda.
Por medio de la reflexión la luz se polariza, dirigiendo a un espejo un
rayo luminoso, con una incidencia de 55º, se selecciona su salida al ser
reflejado, ya que solo vibra en el plano de reflexión, recibido otra vez, en
ángulo de 55º en un 2º espejo, volverá a salir reflejado con mayor o menor
intensidad, pasando por reflexión nula, dependiendo de la posición de dicho
segundo espejo respecto al plano del rayo luminoso que recibe (ya
polarizado).
Explicación al recorrido del rayo luminoso en el esquema: El primer
espejo “L” que recibe el rayo luminoso es un cristal transparente que debido
a la inclinación del mismo respecto al rayo (35º) lo refleja hacia un espejo
“E”, que lo devuelve y envía, atravesando en esta ocasión “L”, hacia “C”.
El aparato que se incluye en “Máquinas de Gabinete”, es reproducción
del de Nörremberg que además de servir para observar este fenómeno, se
utiliza para observar diversos efectos de la luz polarizada al atravesar
cuerpos apropiados, colocados en una platina, señalada en la ilustración
como “P”.
“D” es una articulación para que “C” gire.
Técnicas de elaboración.- El presente aparato
es perfectamente visible en el esquema, para quien
quiera intentar su construcción.
Señalar que: “E” es un espejo plano, “L” una
lamina de fino cristal transparente que gira sobre un
eje graduado.
“C” es un vidrio negro que puede girar
horizontal y verticalmente y que las columnas y
platinas son de latón.
El recopilador de este instrumento ha añadido
para mejor manipulación, un tubo con lentes
solidario con “C”, que hace de ocular y recoge el
rayo a observar.
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Calor
Anillo de Gravesande
Una de las maneras de demostrar la dilatación de los sólidos es este
aparato en el cual una esfera metálica suspendida por una cadena, circula
sin dificultad por un anillo colocado en su trayectoria, pero después de
calentada la bola con la llama de un mechero, ya no pasa por dicho anillo. Lo
cual demuestra que se ha efectuado una dilatación por el calor
Alambique
Se utiliza para destilar, operación que consiste en separar de los
líquidos, otros líquidos y materias sólidas aprovechando las diferentes
temperaturas de ebullición de sus componentes.
Haciendo hervir en un matraz el liquido a destilar, se conducen sus
vapores a un dispositivo refrigerante para volverlos a licuar (proceso
denominado Condensación) y así poder recoger el liquido destilado.
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Anillo de Gravesande.- Se ha elaborado utilizando piezas diversas y
sobrantes de otras máquinas, como base, un pomo de puerta y una pieza de
lámpara de luz, como columna y sobre la base un tubo que soporta un
adorno adecuado todo ello de latón. Del adorno pende una cadena que
sujeta la bola de latón, que ha de pasar por el anillo que hemos colocado en
la columna.
Alambique.- Un matraz de laboratorio, colocado sobre un trípode que
tiene una columna, de la que se cuelga un bote al que se suelda un tubito de
lata cerca de la base, para acoplarle un conducto con el fin de que pase el
agua refrigerante a un dispositivo condensador, (tubo de cristal dentro del
cual hay otro tubo que proviene del matraz) Procurando unirlo de manera
que el agua circule en sentido contrario al vapor, otro tubo sale de la parte
opuesta del condensador y por intermedio de una llave reguladora se
consigue que salga el agua necesaria que ha de efectuar la refrigeración. El
tubo proveniente del matraz y que pasa a través del condensador se
conduce al deposito que recoge lo destilado.
Un mechero de alcohol completa el conjunto.
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Mecánica newtoniana
Máquina de Atwood
Para calcular la atracción terrestre, después del plano inclinado de
Galileo, se idearon diversos dispositivos mecánicos, el que aquí exponemos
es del inglés George Atwood, profesor de física en Cambridge a finales del
siglo XVIII.
Como no podemos medir con exactitud los espacios y los tiempos de
los cuerpos en caída libre debido a su velocidad y perturbaciones, esta
máquina (que hoy día no es mas que una pieza de museo), consigue atenuar
la caída conservando la proporcionalidad, y así poder hacer las mediciones
necesarias para averiguar la aceleración que adquiere por unidad de tiempo
un cuerpo que cae libremente, o sea la gravedad.
En ella dos pesos iguales colocados en equilibrio, que cuelgan de los
extremos de un fino hilo y que pasa a través de una polea de escaso
rozamiento, se desequilibran, con la adición a uno de ellos de otro peso
pequeño, poniéndose en movimiento. Conociendo la distancia recorrida y los
valores de los pesos podemos establecer la formula que nos da la gravedad.
Siendo “M” pesos mayores, “m” peso pequeño,
“a” aceleración de la maquina correspondiente a los
pesos en uso, “g” es el término a averiguar, igual a la
gravedad.
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Técnica de elaboración.- Siendo muy laboriosa y complicada la
construcción, será suficiente una somera explicación.
La base de la máquina esta hecha con tres piezas de aglomerado de 3
cm de espesor, colocadas escalonadamente y forradas de chapa de madera,
es la mayor de las piezas de 54x54 cm.. Sobre ellas y firmemente sujeta va
la columna de 2 m. de alto, con forma tronco-cónica, hecha con un tubo de10
cm. de pvc., que ha sido circundado pegándole listones de madera de 3x3
cm., que una vez torneado y forrado con lámina de madera, tiene 17 cm. en
la base y 14 en la parte alta. Sobre la columna se encuentra una caja de 23
de largo, 32 de ancho y 30 de alto, con base de madera y laterales de
metacrilato transparente, para contener el sistema de poleas. Las poleas que
son cinco, están hechas de aluminio, torneadas con instrumentos
rudimentarios preparados al efecto, cuatro de ellas tienen ejes con finas
puntas que giran sobre cazoletas y sirven de apoyo a la quinta que tiene un
canalillo en la periferia, para contener el hilo que sujeta las pesas. Las pesas
están hechas cortando dos piezas exactamente iguales de tubo de latón que
se han rellenado con plomo fundido, plomo que sujeta una argolla que sirve
para colgar las pesas del hilo que proviene de la polea. Estas pesas se han
de configurar con un peso exacto, por medio de una báscula de precisión,
limando lo necesario. Para medir los espacios se ha colocado de arriba a
bajo de la máquina y por detrás del recorrido de uno de los pesos un tubo
cuadrado de latón con una escala en centímetros. Un sistema de palancas
que en la máquina original iniciaba el funcionamiento, ha sido sustituido por
en electro imán que en el momento exacto produce igualmente el inicio del
experimento.
Un reloj de péndulo bien visible y acoplado lateralmente a la columna
sirve para cronometrar la caída del peso y también para poner en macha el
electro imán del que hemos hablado en el párrafo anterior. El reloj, que
consta de rueda catalina, escape de áncora y un sistema motor con pesas y
trinquetes está hecho totalmente a mano, empleando latón en su
elaboración.
El peso pequeño, que desequilibra el sistema y va colocado sobre una
de las pesas ha de ser de peso conocido, configurado con la báscula de
precisión.
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EMPLEO DE LA MAQUINA DE "ATWOOD"
Siendo en el movimiento uniforme:
E=VxT.
En un movimiento uniformemente acelerado como es el que produce la
gravedad:
E=V(media)xT ;
V(media)‗ V(inicial)+V(final)
2
V(M)‗ O+(axT) ;
2
Sustituyendo:
E‗ axT xT ;
2
E‗ axT²
2
y,
a ‗ 2E ;
T²
Si empleamos la máquina de "Atwood" con los dos pesos de 206 gramos y
la ponemos en movimiento con el peso adicional de 6'4 gramos, tomando como
unidad de tiempo el segundo y como unidad de medida el cm., comprobaremos
que recorre en los cinco primeros segundos, respectivamente: 7'5, 30, 67'5, 120 y
187'5 centímetros, que corresponden a un movimiento uniformemente
acelerado, de 15 cm. por s., (comprobar con la fórmula de la aceleración).
Llamando "M" a cada una de las masas grandes y "m" a la pequeña,
sabiendo que el peso es igual a la masa por aceleración (o por la gravedad), dado
que el peso pequeño mueve las dos masas grandes y la suya, con la aceleración
propia de la máquina, tendremos:
En la máquina:.....................
Peso pequeño=a(2M+m) ;
En la superficie terrestre:.... Peso pequeño=mxg ;
Igualando:
de donde:
mxg=a(2M+m) ;
g ‗ a(2M+m) ;
m
Como las masas son proporcionales a los pesos, podemos sustituir sin variar
el resultado.
Siendo:
M=206 gramos y m=6'4 gramos.
g ‗ 0'15[(2x206)+6'4)] ‗ 9'8 metros por segundo.
6'4
------------------------------------------------------------------------------------------------------Abreviaturas: E=espacio, V=velocidad, T=tiempo, a=aceleración de la
máquina, g=gravedad terrestre.
Sera:
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Giroscopio
Léon Foucault (1819-68) fue el constructor del giroscopio, que confirma
la primera ley de Newton que dice “un cuerpo tiende a continuar es su estado
de reposo o movimiento uniforme si no está sometido a fuerzas externas”.
Constituido por una masa en forma de disco cilíndrico montado sobre un eje
cardán, una vez que se le dota de movimiento rotatorio se produce la “inercia
giroscópica” que tiende a conservar la precesión o inclinación del eje, en
ángulo recto con el disco.
En la actualidad se sigue utilizando para determinar las rutas en
navegación, en naves espaciales, aeronáutica etc.
Técnica de elaboración.- Dos volantes pequeños unidos forman el
disco de inercia al que se le ha puesto un eje terminado en puntas que gira
sobre cazoletas en el lugar que le corresponde en el sistema cardán. Esta
hecho el sistema cardán en aluminio y todos los ejes terminan en puntas que
giran en cazoletas.
Un tornillo superior regula el rozamiento.
La base tiene tres patas graduables para equilibrar el sistema.
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Antiguo instrumento
Este artilugio cuyo original se descubrió en una tumba egipcia, sirve
para trazar elipses de una manera completamente distinta del sistema
clásico empleado en nuestra cultura, consistente en sujetar una cuerda con
dos clavos (cuerda mayor que la distancia entre los clavos) y hacer circular
un lápiz tensando dicha cuerda, sobre una superficie destinada a marcar la
elipse.
En este antiguo método egipcio la elipse se traza introduciendo un lápiz
por un orificio de un mango que hacemos rotar sobre la superficie donde se
marcara la elipse. El mango circula por una muesca en forma de cruz hecha
en un tablero.
Técnica de elaboración.- Con piezas de contra-chapado de madera,
colocadas y pegadas de manera que quede un vaciado en forma de cruz que
se ensancha en su interior, donde circulan las cabezas de los tornillos que
sujetan el mango.
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Conclusión
El presente libro esta basado en más de cincuenta maquinas de la
historia de la ciencia.
Para la construcción de las mismas se revisaron libros y documentos
variados, la mayoría de los cuales, conseguidos en el Rastro de Madrid, se
encuentran en la biblioteca del autor.
Se emplearon materiales diversos, ninguno en su forma original
diseñado para las “Máquinas de Gabinete” y casi todos de reciclaje.
El conjunto, como “Máquinas de Gabinete” ha recorrido, con indudable
éxito, diversas casas de cultura, colegios, universidades etc., espera el autor
que su síntesis en el presente libro sirva para que en el futuro sigan
cumpliendo una labor didáctica.
El Autor que, soy yo, trabaje de pintor, queriendo dedicar mi última
etapa de forma autodidacta, a satisfacer mis inquietudes, ciencia,
paleontología, arqueología fotografía.
Para sugerencias.
josemartin_roldan@hotmail.com
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