Balanza de torsión de coulomb

Balanza de torsión de coulomb

Para 1777, Charles Coulomb se encontraba usando hebras de distintos materiales en la creación de una balanza de torsión. La balanza de torsión se basa en la capacidad que tiene una barra de retorcerse mientras cuelga de una fibra. En tal caso de que gire la barra, esta es regresada a su posición por la fibra. Al conocer la fuerza de torsión que está presente, la cual la ejerce la fibra sobre la barra, esto nos puede ayudar al calcular las medidas de las fuerzas.

Si bien, antes de pasar a conocer las especificaciones de la balanza de torsión de coulomb, no está demás que conozcan un poco acerca de la vida de su creador y cómo fue que logró llegar hasta ahí, veámoslo.

Charles Coulomb

Charles Augustin Coulomb, nace el 14 de Junio de 1736 en Angulema, Francia. A pesar de que nació en el seno de una familia adinerada, esta se arruinó por las especulaciones financieras que se contaban, causando el divorcio de sus padres. A sus 25 años se gradúa de ingeniero en la Escuela de Ingeniería de Meziers donde obtuvo el rango teniente.

En el curso de su vida, es en 1764 donde llega a las Islas Martinica con el trabajo de supervisar el Fuerte Borbón, el cual empezaba su construcción; en respectivo lugar, aprendió de mecánica de estructuras, elasticidad de materiales y de la fricción en las maquinarias. Una vez que termina eso en 1772, escribe una obra literaria titulada “Una aplicación de reglas, de máximos y mínimos para algunos problemas de estática, relativos a la arquitectura”, siendo esta su primera obra.

En 1777 gana su primer premio gracias a las brújulas y el magnetismo generado por la Tierra, este fue el gran premio de la Academia de Ciencias Francesas. Cabe destacar que para 1781 vuelve al ganar con la teoría de la fricción en maquinarias. Finalmente muere el 23 de Agosto de 1806 en París después de convertirse en presidente del Instituto de Francia. Sin lugar a dudas, entre los inventos de este hombre destaca: la balanza de torsión.

¿Qué es la balanza de torsión de Coulomb?

Balanza de torsión de coulombLa balanza de torsión de Coulomb, es un instrumento que depende ni más ni menos del péndulo de torsión; se constituye por la elasticidad de un material que se somete al torsión. Este cuenta con una barra colgante, en la cual si se aplica torsión esta puede regresar a su sitio original.

También, puede estar compuesto de una base de madera en la que se apoya un cilindro, con dos tambores metálicos en el cual pende un hilo de plata donde se sostiene una varilla o aguja de goma de laca. Haciendo torsión como en todos los casos, esta regresa a la posición original en que empezó, debido a la atracción que genera la otra esfera colocada a cierta distancia de la esfera principal encontrada en la barra.

Gracias a este invento es que se establece la Ley de Coulomb. A causa de que Charles Coulomb hizo uso de una esfera cargada sobre la barra de la balanza y luego a distintas distancias, colocó otras pequeñas esferas cargadas igualmente, para atraer o repeler, causando torsión de un cierto ángulo.

De esta manera, la Ley de Coulomb nos dice que las cargas iguales se repelen y las cargas diferentes se atraen, esto explicaría el porqué la barra puede moverse o volver a su posición original al aplicar torsión.

Además, hay que destacar que todas las fuerzas tienen un vector con dirección, como es en este caso de la fuerza eléctrica, uniendo las dos cargas a lo largo de la línea.

Tipos de balanza de torsión de Coulomb

El tipo de la balanza de torsión de Coulomb dependerá de la forma del material (suelen ser alargadas) que se emplea como torsor, ya sea en forma de cable, chapa, barra, entre otros.

  • Gomas de torsión: para relojes de péndulo de torsión.
  • Cables de torsión: resisten tensiones mecánicas medias.
  • Barras de torsión: soportan los componentes de suspensión de un vehículo, amortiguando, mientras se conduce, los movimientos verticales.

Cada uno de estos materiales de los torsores tienen una particularidad, por lo que debemos resaltar el hecho de que el efecto puede ser mayor en algunos materiales y otros no, ya que la resistividad de estos materiales puede ser diferente y atraer o repeler con más fuerza la esfera.

Usos y aplicaciones de la balanza de torsión de Coulomb

A continuación se mencionan y se explican algunos de los usos y aplicaciones de esta balanza de torsión:

1. Mide la fuerza electrostática entre dos cargas

Para medir la fuerza electrostática, se necesitan de dos esferas de metal que cuelgan de ambos extremos de la barra que se suspende por una chapa delgada, filamento o cable. Se hace uso de una tercera esfera cargada que se coloca a una distancia, haciendo que las dos esferas cargadas se repelen o se atraigan desde cierto ángulo ocasionando torsión. Asimismo, calculamos cuanta fuerza (en Newton) es necesaria para que la fibra pueda torsionar desde un cierto ángulo.

2. Medir la densidad de la Tierra

En un experimento de 1798 en Cavendish, se utilizó la balanza para medir la densidad de la Tierra con mayor precisión, demostrando en un laboratorio terrestres la ley gravitacional, esta sería un principio de la Ley de Gravitación.

3. Define la unidad de carga electrostática

Actualmente a esta carga se le dice como la que pasa por la sección de un cable cuando la corriente es de un amperio durante un segundo.

4. Mostrar el principio de equivalencia

En el siglo XX, el barón Eötvös demuestra este principio que establece que la masa inercial es igual al la masa gravitacional.

Balanza de torsión de coulomb

En la actualidad, en muchas partes y en muchos laboratorios, es usada la balanza de Coulomb para hacer experimentos de Física en clases, ya al ser quien establece la Ley de Coulomb y lo afirma; asimismo, esta balanza es de mucha utilidad en el tema de la fuerza electrostática ya que la misma puede medir dicha fuerza y sus unidades de cargas, así como también puede medir fuerzas débiles.

balanza de torsión

Balanza de torsión

La balanza de torsión es un aparato básico que su función principal es realizar algunas mediciones de fuerza de atracción. Fue inventado por el famoso físico Charles Coulomb, en su incansable intento de demostrar las semejanzas entre las atracciones físicas.

En el año 1770, aproximadamente, un grupo de reconocidos físicos se asombraban por la semejanza entre la fuerza de gravedad y la fuerza eléctrica. Muchos intentos fueron llevados a cabo para crear una ley análoga para la comparación de ambas.

Sin embargo, un día, el ya mencionado Coulomb, decidió dar un paso al frente, creando el primer prototipo de la balanza de torsión. Cuando fue mostrada por primera vez al público (gremio de físicos), estos quedaron asombrados de la sencillez del aparato.

Simplemente se trata de una base que se halla colgando de un alambre de cobre. Por el otro extremo del alambre, se encuentra el empalme de este con el micrómetro de torsión.

Todo esto, se encuentra encapsulado o encerrado en un envase, para que no se vea perjudicado por las corrientes de aire.

¿Cómo era el primer prototipo de la balanza de torsión?

La primera versión de este tipo de balanzas, creada por Charles Coulomb, era mucho más básico. Se componía de un pequeño tubo horizontal equilibrado, que prende de un hilo. La función de este hilo era retraerse gracias a las cargas eléctricas.

En uno de los extremos del brazo horizontal se encuentra una bola, catalogada como “esfera B”. Esta era extremadamente liviana.

En la parte superior, como soporte, Coulomb utilizó un disco, que estaba graduado para que girara al compás del hilo.

Cuando se distribuía carga eléctrica a la esfera B y seguidamente se le acercaba otra bola por el otro extremo, se creaba el efecto buscado. Observar, de que forma, la barra horizontal, era atraída y repulsada por las cargas que contenían las esferas.

Debido a que la esfera B se encontraba inmóvil y la esfera A podía ser movilizada, la barra tendía a girar. Este giro era el que determinaría, cuantitativamente, que tan fuerte era la atracción o repulsión de las cargas eléctricas.

De esta forma, el brillante físico Coulomb, lograba demostrar al mundo la gran similitud que existe entre las fuerzas. En el experimento el empleo la fuerza de gravedad, que determinaba el peso de la barra y la fuerza eléctrica, impartida desde las esferas.

Proceso de carga de la balanza de torsión.

Teniendo en cuenta que en los objetos sólidos, las partículas que se trasladan de uno u otro cuerpo, son los electrones libres. En cuanto a los protones, estos se mantienen estáticos en los objetos o cuerpos.

Ahora bien, para lograr la electrización de uno de los cuerpos, lo que se necesita agregar o eliminar protones. ¿Cómo se logra esto? Sencillo, hay tres formas. Mediante la frotación, la inducción y el contacto.

balanza de torsión

Por frotación.

Al momento de realizar la frotación entre dos objetos o cuerpos sólidos, estos se cargan negativa y positivamente. Cual queda cargado positivamente y cual queda negativamente, va a depender directamente de los tipos de objetos que se froten.

Por ejemplo, las varillas de vidrio son sencillas de cargar con partículas positivas, siempre que se frote con una tela de seda. En cambio, las varillas hechas de plástico, se logran cargar negativamente, se forma fácil, con tela de lana.

Ahora bien, en términos generales, si lo que deseamos es administrar carga positiva a un cuerpo, lo que debemos hacer es realizar la frotación con otro objeto que logre restarle electrones.

Por otro lado, al frotar nuestro objeto cargado con protones, con uno lleno de electrones, este se cargará negativamente. Algunos físicos crean listas para administrar los cuerpos y las cargas que imparten en otros.

Por ejemplo, colocamos una varilla de vidrio en una balanza de torsión, una tela de seda y una tela de lana.

Al frotar la tela de lana con la de seda, esta última se cargará negativamente. Lo contrario ocurre si es la tela de seda la que se frota con la de lana.

En otro orden de ideas, para llegar a comprobar si un cuerpo está cargado positiva o negativamente, existen muchas formas. Una de estas es la observación mediante un electroscopio.

Este instrumento da la posibilidad de confirmar que ambos objetos cuentan con el mismo valor, pero confirma cual está cargado de menos electrones. Lo que quiere decir, que los valores de las cargar siguen siendo los mismos, solo que se han movido.

Por inducción.

Esta es otra forma de cargar objetos de forma negativa y positiva. Se lleva a cabo cuando se coloca un cuerpo determinado, en una balanza de torsión, con carga positiva, cerca de otro objeto, que se encuentra en estado neutro. Esto altera el equilibrio de las cargas a la hora de distribuirse.

Esto se debe a que los electrones del objeto neutro se dirigen todos hacia el lado del cuerpo con carga positiva. De esta forma, el segundo cuerpo (neutro), se encuentra con las cargas desequilibradas, teniendo un sector negativo y el otro positivo.

Ahora, si en ese momento, el segundo cuerpo se coloca en contacto con la Tierra, esta se encargará de distribuir electrones al cuerpo. Esto para lograr crear un equilibrio de cargas dentro del objeto.

Pero, si a partir de ese momento, se retira el segundo cuerpo del contacto con la Tierra y además se aleja del primer cuerpo, nos quedará cargado negativamente, gracias a los electrones que la Tierra distribuyó previamente.

De esta forma, se lleva a cabo un proceso de carga o de electrización por medio de la inducción electrostática. Cuando se distribuyen muchas cargas en un cuerpo, sean positivas o negativas, se le conoce como cargas inducidas.

Ahora bien, el experimento anteriormente mencionado se puede efectuar de forma alterna. Si, en vez que el primer objeto este cargado de forma positiva, usamos uno cargado negativamente, tendrá un resultado totalmente contrario al anterior.

El primer cuerpo, al estar cargado de más electrones, cuando se acerca al segundo objeto, logra repeler las partículas de la misma carga. Dejando el sector más cercano al primer cuerpo, cargado de forma positiva.