¿Cómo se pesa el aire?
Primero hagamos algunas estimaciones cuantitativas. El techo de un automóvil mide aproximadamente 1 metro cuadrado y la columna atmosférica que presiona sobre el techo de nuestro automóvil es de 10 toneladas. La razón por la que el auto no fue aplastado fue porque todas las superficies del auto estaban bajo la misma presión. Pero si el interior del coche está completamente sellado y se utiliza una bomba mecánica para evacuar el interior, es cuestionable si podrá resistir la prueba. Una sala de 50 metros de largo, 15 metros de ancho y 8 metros de alto contiene aproximadamente 8 toneladas de aire. Hay 1,29 gramos de aire en una botella con un volumen de 1 litro. Aunque la masa es pequeña, se pesa fácilmente con una balanza de precisión. Por supuesto, también se puede medir utilizando los métodos que dominan Galileo y los lectores de Science World. Antes de eso, ¡escuchemos primero lo que dijo Galileo! Puede que no lo entiendas de inmediato, pero lo entenderás poco después de que te expliquemos el método que aprendimos directamente de Galileo.
Esto es lo que dijo Galileo.
Galileo lo explicó hablando con sus dos amigos Sagredo y Simplicio: "Hay una manera sencilla, basta con tener una botella... no le pongas nada más que el aire original. Inyecta aire y añade agua". dentro, pero no dejes que salga el aire. De esta forma se exprimirá el aire y el volumen será menor. Añade la mayor cantidad de agua posible a la botella. También puedes llenar la botella con 3/4 del agua que falta. usando demasiada fuerza, péselo con cuidado en la báscula, luego sostenga el cuello de la botella, abra el corcho y deje que el aire salga exactamente del volumen del agua en la botella. aire, que es igual al volumen de agua en la botella."
Más adelante discutiremos cómo hacer una balanza utilizable en casa. Si ya disponemos de una báscula, el método de pesar la calidad del aire es más sencillo y directo.
Un método más práctico
Coge una botella de aluminio como hemos mencionado anteriormente y tapala con un tapón de goma. El tapón del frasco no debe ser demasiado grueso para que la aguja de la jeringa pueda perforarse fácilmente, pero el grosor debe garantizar el rendimiento de sellado del frasco después de retirar la aguja. El tapón debe estar atado con alambre, como una botella de champán. Consigue una jeringa más grande (disponible en farmacias) y úsala para llenar el recipiente con agua, lo que puede tardar varias veces.
Según la descripción de Galileo, no es difícil verter 3/4 del agua en el recipiente, de modo que el volumen de aire pase a ser 1/4 del volumen original. Usemos números específicos para ilustrar. Si el volumen de la botella es de 400 centímetros cúbicos, al principio hay 400 centímetros cúbicos de aire en la botella y la presión es de 1 atmósfera. Después de llenarse de agua, el agua ocupa 300 centímetros cúbicos de espacio y el aire sólo ocupa 100 centímetros cúbicos. Como no escapa aire, la presión aumenta a 4 atmósferas.
Ahora, el primer pesaje: mide la masa de 300 centímetros cúbicos de agua y 400 centímetros cúbicos de aire (pero comprimido a 100 centímetros cúbicos), incluyendo la masa de la botella y el tapón. El siguiente paso es insertar la aguja en el tapón y liberar el aire comprimido del interior, llevando la presión del aire al interior a una atmósfera. Pesemos 300 centímetros cúbicos de agua y 100 centímetros cúbicos de aire (con la botella y el tapón claro). La diferencia entre las dos medidas es la masa de 300 centímetros cúbicos de aire: una diferencia pequeña, pero no difícil de medir, ya que basta con determinar la diferencia entre los dos pesajes. La explicación del proceso en la Figura 1 ayuda a nuestra comprensión.
Si el lector elige un recipiente basándose en los números anteriores y lo llena con 3/4 de agua, suponiendo que el equilibrio esté bien, la diferencia es de 388 mg, no mucho más ligero que una aspirina, y el aire La densidad es 0,388/300 = 0,001293 g/cm3, que es exactamente 1/773 del agua. Sin embargo, algunos errores son inevitables debido a la naturaleza del propio saldo.
Crea tu propio dispositivo simple y sensible
Ahora resolvamos el problema principal: el equilibrio y veamos cómo hacerlo más sensible. La clave del problema está en el punto de apoyo y su área de contacto debe ser lo más pequeña posible. Hay muchas formas de hacerlo: por ejemplo, utilizando tres hojas finas, que los diseñadores utilizan para cortar cartón. El método de colocación de la hoja se muestra en la Figura 2: las dos inferiores se martillan en un trozo de madera como base, y la hoja superior se incrusta en el medio de un trozo de madera, lo que equivale a un brazo de equilibrio (brazo igual). balance). Ahora es necesario equipar el brazo de equilibrio con dos paletas: en una paleta se encuentra el contenedor a pesar (la botella de aire comprimido para el primer pesaje) y en la otra paleta se sostiene el peso. Como sugirió Galileo en sus experimentos, utilizar arena fina como pesa es una excelente opción.
Después de nivelar con cuidado de esta forma, suelta el aire comprimido según el método anterior, y retira con cuidado un poco de arena (no la tires) para restablecer el equilibrio. En este momento, si no tienes una balanza precisa en casa, lo mejor es ir a una droguería o a un orfebre y pedirles que te ayuden a pesar la masa de arena que retiramos (cuidado con no perder ni un grano de arena). ), que son aproximadamente 0,5 gramos. Si puede encontrar una manera de calibrar su propia balanza, no tiene que molestar a un farmacéutico (hay formas de calibrar una balanza, pero lo dejamos a la imaginación del lector).
La flotabilidad de Arquímedes es constante
Ahora, veamos el efecto de la flotabilidad de Arquímedes. Como comentábamos al principio, esto también era lo que preocupaba a Galileo. La fuerza de flotación existe, pero la fuerza sobre la botella y la pila de arena son diferentes porque desplazan diferentes volúmenes de aire. Pero podemos ignorar el efecto de la flotabilidad en este método de pesaje: la flotabilidad de Arquímedes de la botella es la misma en las dos pesadas, porque el volumen de la botella no cambia (hay una pequeña deformación, ignorando el cambio de volumen); Arena Hay pocos cambios en la flotabilidad porque la arena eliminada es demasiado pequeña para ignorarla. Por último, pero no menos importante, no olvide contarnos sus resultados experimentales.