-1- 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 -2- 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. -3- 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. -4- -5- 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. -6- -7- 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. -8- -9- 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. - 10 - 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. - 11 - - 12 - - 13 - - 14 - - 15 - 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. - 16 - - 17 - 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. - 18 - 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. - 19 - - 20 - - 21 - 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. - 22 - 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. - 23 - Observaciones sobre el experimento de Oersted - 24 - 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). - 25 - 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 - 26 - - 27 - 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. - 28 - 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. - 29 - - 30 - 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. - 31 - 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. - 32 - - 33 - 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. - 34 - 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. - 35 - - 36 - - 37 - 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). - 38 - 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. - 39 - - 40 - 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". - 41 - 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. - 42 - - 43 - - 44 - - 45 - 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. - 46 - - 47 - 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 - 48 - "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. - 49 - - 50 - 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. - 51 - - 52 - 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). - 53 - - 54 - 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. - 55 - 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. - 56 - - 57 - 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. - 58 - - 59 - 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. - 60 - - 61 - 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. - 62 - 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. - 63 - - 64 - 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. - 65 - 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. - 66 - - 67 - 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. - 68 - - 69 - 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. - 70 - - 71 - 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. - 72 - 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. - 73 - - 74 - - 75 - 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. - 76 - 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. - 77 - - 78 - - 79 - 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: - 80 - 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. - 81 - - 82 - 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. - 83 - - 84 - 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. [email protected] - 85 -