Artilugios de ayer y de hoy

Timbre eléctrico

Es un dispositivo capaz de producir una señal sonora al pulsar un interruptor. Su funcionamiento se basa en fenómenos electromagnéticos.

Consiste en un circuito eléctrico compuesto por un generador, un interruptor y un electrimán. La armadura del electroimán está unida a una pieza metálica llamada martillo, que puede golpear una camapana pequeña.

El funcionamiento es que al cerrar el interruptor, la corriente circula por el enrrollamiento del electroimán y este crea un campo magnético en su núcleo y atrae la armadura. El martillo, solida a la armadura, golpea la campana`produciendo el sonido. Al abrir el interruptor cesan la corriente y el campo magnético del electroimán, y un resorte devuelve la armadura a su posición original para interrumpir el sonido.

Modernamente, muchos timbres no tienen interruptor, basándose en golpear la campana al doble de la frecuencia de la red. Tienen la ventaja de ser más fiables y más duraderos, ya que no se ensucian ni se desgastan los contactos del interruptor.

El Telégrafo

Si bien el telégrafo eléctrico que conocemos hoy fue presentado por Samuel Morse el 6 de febrero de 1833, no es menos cierto que Gauss y Weber se comunicaban ya al menos desde 1822 mediante un telégrafo eléctrico creado por ellos mismos que unía los despachos de ambos, situados en el observatorio astronómico y la facultad de Física respectivamente, y distantes algo más de dos kilómetros. No hay que olvidar que Gauss colaboraba activamente con Weber en las investigaciones de este último sobre electromagnetismo.

Cuando en la estación transmisora se cierra el interruptor (manipulador) circula una corriente por el siguiente circuito: polo positivo, línea, electroimán, tierra, polo negativo, lo que tiene como consecuencia que, activado el electroimán, se atraída una pieza metálica terminada en un punzón que presiona una tira de papel, que se desplaza mediante unos rodillos de arrastre, movidos por un mecanismo de relojería, sobre un cilindro impregnado de tinta, de tal forma que, según la duración de la pulsación del interruptor, se traducirá en la impresión de un punto o una raya en la tira de papel.

La combinación de puntos y rayas se puede traducir en letras mediante el uso de un código convenido, en la práctica el más utilizado muchos años ha sido el código Morse.

El astrolabio

El Astrolabio es un instrumento que permite determinar las posiciones de las estrellas sobre la bóveda celeste. Sin embargo, su introducción en Europa no sucede hasta el siglo x, a través de los árabes.

Durante los siglos XVI hasta el XVIII el astrolabio fue utilizado como el principal instrumento de navegación hasta la invención del sextante.

El astrolabio se basa en la proyección estereográfica de la esfera. En su forma original requería una placa de coordenadas de horizonte distinta para cada latitud, pero en el siglo XI el astrónomo al-Zargallu, en el al-Andalus, inventó una placa única que servía para todas las latitudes. Una herramienta matemática que podía ser usada para resolver todos los problemas comunes de astronomía esférica de cinco formas diferentes.

La parte delantera de la madre sirve para saber en qué parte del mundo se está y qué hora es. Una pieza gira encima de la placa madre, que se llama araña o red, y sirve para saber en qué posición del cielo está el Sol. Esta pieza representa al firmamento visible de todo el mundo. Una aguja representa , por un extremo, al Sol, y por el otro, la hora que es.

La parte trasera de la madre sirve para saber la altura de una torre, la distancia a esa torre y el símbolo del zodiaco que está ocupado por el Sol. Encima de esta parte sólo gira una aguja.

El nombre del Astrolabio proviene de la palabra "Astro", que significa estrella, y de la palabra "Labio", el que busca, por lo tanto, literalmente Astrolabio, podríamos traducirlo por el encontrador de estrellas. Sin embargo, este instrumento tan antiguo y complejo tiene además otro tipo de aplicaciones, a saber: determinación de la hora del día o de la noche, mediante la observación del Sol o de un Astro sobre el horizonte, determinar la hora de salida de las estrellas, así como una aplicación astrológica.

El tornillo de Arquimedes

El tornillo de Arquímedes es una máquina utilizada para elevación de agua, harina o cereales. Fue supuestamente inventado en el siglo III adC por Arquímedes, del que recibe su nombre, aunque existen hipótesis de que ya era utilizado en Egipto. 

Se basa en un tornillo que se hace girar dentro de un cilindro hueco, situado sobre un plano inclinado, y que permite elevar el agua situada por debajo del eje de giro. Desde su invención hasta ahora se ha utilizado para el bombeado de fluidos.  La máquina está constituida por un cilindro con una hélice en su interior dispuesto el conjunto oblicuamente de forma que la parte inferior esté sumergida en el depósito del que se quiere elevar el agua.

Girando el tornillo en el sentido descendente de la hélice (en el que se enrosca) arrastra una cierta cantidad de agua que es vertida en el depósito elevado. El mismo efecto se logra si se arrolla un tubo flexible a un cilindro.  En un escrito titulado Sobre las espirales Arquímedes escribió: “Si una línea recta que permanece fija en un extremo,se le hace girar en el plano con velocidad constante, hasta hacerla volver de nuevo a la posición de la que ha partido, y junto con la recta que gira, se mueve un punto sobre la recta, también a velocidad constante iniciando su movimiento desde el extremo fijo, el punto describe en el plano una espiral”.

El reloj atómico

Se denomina reloj atómico a un reloj cuyo funcionamiento se basa en la frecuencia de una vibración atómica. Un reloj atómico es un tipo de reloj que utiliza una frecuencia de resonancia atómica eran masers con equipo atado. Las normas de frecuencia atómica son basadas en físicas mas avanzas que los átomos fríos y las muchas fuentes atómicas. 

Los relojes mantienen una balanza de tiempo, Time Atómico Internacional (TAI). Durante un tiempo civil, otra balanza de tiempo se disemina, Time Universal Coordinado (UTC). El primero de los relojes atómicos fue construido en 1948 por la Oficina Nacional de Normalizaciones (NIST) de los EEUU con las ideas sobre un fenómeno extremadamente regular, la resonancia magnética molecular y atómico, del Nobel Isidor Isaac Rabi.

La Rocket

Los primeros esfuerzos de George Stephenson en el diseño de una locomotora se limitaron a la construcción de máquinas para transportar cargas en las minas de carbón, y en 1823 creó una fábrica en Newcastle para su producción. En 1829 diseñó una locomotora conocida con el nombre de Rocket (el cohete), que transportaba tanto cargamento como pasajeros, y a una velocidad superior a la de ninguna otra locomotora construida hasta aquel momento.  

La famosa Rocket ganó un importante concurso de locomotoras de vapor celebrado en Liverpool en octubre de 1829, por la velocidad que llegó a alcanzar. Este éxito estimuló la construcción de otras locomotoras y del tendido de líneas de ferrocarril.

La clepsidra

La clepsidra o reloj de noche fue un invento de los egipcios para medir el tiempo durante la noche y suplir a los "ineficaces" relojes de sol.

Consistía en vaciar un recipiente de agua que estaba graduado en otro depósito, de manera que al vaciarse el líquido progresivamente, se podía medir el tiempo transcurrido y tener por tanto un sistema para cuantificar intervalos de tiempo.

El problema que la clepsidra presentaba era que cometía errores importantes en la medición del tiempo, ya que la velocidad de salida del líquido por el orificio inferior dependía de la altura de líquido en el recipiente.

El sismoscopio

El primer sismoscopio fue inventado en el año 132 de nuestra era, por el filósofo chino Chang Heng. Este aparato consistía de un recipiente grande, que tenía en su exterior ocho cabezas de dragón que apuntaban a las ocho puntos cardinales de la brújula norte, sur, este, oeste, suroeste, sureste, noreste, noroeste. Cada cabeza de dragón tenía debajo una rana con su boca abierta hacia el dragón. Cuando había un terremoto una o más bolas de las que tenían cada dragón en la boca se caía dentro de la rana que tenía debajo según la bola que se había caído determinaban en que dirección había ocurrido el terremoto .

Se recoge que este instrumento detectó un terremoto a 644 Km. aproximadamente de distancia, terremoto que no fue sentido en la zona donde se encontraba el sismoscopio. Aunque se desconoce, con exactitud, el mecanismo interior del instrumento, se piensa que los dragones eran activados por el movimiento de un péndulo.
Este aparato no grababa actividad sísmica, como lo hace actualmente el sismógrafo; sino que solo detecta que un terremoto estaba ocurriendo, y la dirección y la dirección el la que acurría dicho terremoto.

En la actualidad, el aparato utilizado para registrar los movimientos sismicos de la tierra recibe el nombre de sismógrafo, el cual fue inventado en 1880 por John Milne.

La rueda

Es un disco o bastidor circular diseñado para girar sobre un eje que pasa por su centro; constituye una parte integrante de la mayoría de los vehículos y sistemas de transporte terrestres. Las ruedas más antiguas que se conocen fueron construidas en la antigua Mesopotamia, entre el año 3500 a.C. y el 3000 a.C. Se cree que todos los vehículos de ruedas aparecieron después de la invención del torno de alfarero, y el carro no tardo en sustituir al trineo como medio de transporte. En su forma más simple la rueda era un disco sólido de madera fijado a un eje redondo mediante espigas de madera. Luego se eliminaron secciones del disco para reducir el peso y los radios empezaron a emplearse en tomo al año 2000 a.C.

La invención de la rueda fue un importante punto de inflexión en el avance de la civilización humana. La rueda llevó a un uso más eficiente de la fuerza animal en la agricultura y otros terrenos, y se convirtió en un sistema mecánico insustituible para controlar el flujo y la dirección de la fuerza. Las aplicaciones de la rueda en la vida y tecnología moderna son casi infinitas.

La rueda, considerada uno de los inventos más importantes de la historia, tiene más de 5.000 años de antigüedad, y desde su nacimiento ha sido crucial para los dispositivos mecánicos. Cuando el eje es fijo, la rueda se mantiene en su sitio junto al chasis mediante un pasador, y gira independientemente del eje. (En el caso del eje móvil, la rueda está fijada firmemente del eje y ambas piezas giran juntas). Los primeros rodamientos, que hacen que las ruedas giren con más suavidad, aparecieron alrededor del 100 a.C. Las primeras ruedas eran discos macizos; después surgió el diseño de radios, resistente y más ligero.

En la actualidad los vehículos con ruedas son los más usados como medio de transporte (coche, autobuses, motos,...). Las ruedas han evolucionado y en la actualidad son ruedas con cámaras de aire y resistentes a la erosión y a la lluvia.

Un invento muy ligado a la rueda es el freno. El freno es un dispositivo mecánico que se aplica a la superficie de un eje, una rueda o un disco giratorio, de manera que reduce el movimiento mediante fricción.

El GPS

¿Qué es el GPS?

El GPS es un sistema global de navegación por satélite, el cuál permite determinar en todo el mundo la posición de una persona, un vehículo o una nave, con una desviación de cuatro metros. El sistema fue desarrollado e instalado y actualmente es operado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. Significa Global Positioning System = Sistema de Posicionamiento Global.

¿Quién lo inventó?

Este sistema lo idearon los doctores americanos Getting y Parkinson y lo pusieron en práctica en el año 1978 con el primer satélite. El sistema se completó en 1994. Actualmente hay otro sistema más de navegación por satélite que es el GLONASS y, en un futuro, dispondremos también del sistema europeo Galileo.

¿Cómo se utiliza?

Muy fácil: los satelites se pasan el día y la noche transmitiendo una señal de radio en diversas frecuencias, en las que ofrecen una serie de datos sobre su posición y el momento exacto en que envían la señal. El GPS cuenta cuanto tiempo ha tardado en llegar y empieza a cabilar.

El GPS ha evolucionado de manera vertiginosa desde su aparición, traspasando los fines para los que en un principio fueron diseñados y llegando a utilizarse en aplicaciones que ni se imaginaron en el momento de su desarrollo.

Han sido los avances en el mundo de las comunicaciones como en el de los sistemas electrónicos los que han permitido que estas técnicas lleguen a todo tipo de usuarios, traspasando la pequeña comunidad militar o científica para las que fueron diseñadas.

El autogiro

Fue inventado por el murciano Juan de la Cierva, y desarrolló el rotor articulado del cual tomó su idea Igor sikorsky para sus primeros helicópteros, pagando incluso la patente y los derechos de utilización al inventor español. En su primer vuelo el autogiro logró recorrer 200 metros en 1923 y más tarde, realizó el primer viaje entre aeródromos desde Getafe a Cuatro vientos en 1924.  

El autogiro puede llegar a velocidades de vuelo muy lentas, no obstante, no tiene la posibilidad de detenerse en el aire. El nacimiento de los helicópteros, propició el declive de los autogiros, casi hasta su desaparición, aunque en tiempos más recientes ha habido un cierto resurgir entre la aviación deportiva, tanto por iniciativas comerciales como por aficionados que construyen sus propios autogiros. Es un aparato muy seguro, teniendo solamente un momento crítico: tras el aterrizaje, mientras el rotor aún no se ha detenido, una ráfaga fuerte de viento lo puede volver a elevar. El helicóptero no tiene esta ventaja, el piloto tiene que actuar sobre el paso colectivo y pasar el rotor a auto rotación para que la aeronave se comporte como un autogiro.

El Telescopio

Se denomina telescopio (palabra compuesta de las partículas tele- y –scopio,”ver lejos”) a cualquier instrumento que permite ver objetos lejanos. Es la herramienta fundamental de la astronomía, y cada desarrollo o perfeccionamiento del telescopio ha sido seguido de avances en nuestra compresión del Universo. 

Generalmente, se atribuye su invención a Hans Lippershey, un fabricante de lentes holandés, alrededor del 1608. Galileo Galilei tuvo noticias de este invento y decidió diseñar y construir uno. En 1609 mostró  el primer telescopio registrado. Gracias al telescopio, hizo grandes descubrimientos en astronomía, entre los que destaca la observación, el 77 de enero de 1610, de cuatro de las lunas de Júpiter girando en torno a este planeta. 

Conocido hasta entonces como la lente espía, el nombre telescopio fue propuesto primero por el matemático griego Giovanni Demisiani el 14 de abril de 1611 durante una cena en Roma en honor de Galileo; cena en la que los asistentes pudieron observar las lunas de Júpiter por medio del telescopio que Galileo había traído consigo. 

Existen varios tipos de telescopio, notablemente refractores, que utilizan lentes, reflectores, que tienen en un espejo cóncavo en lugar de la lente del objetivo, y catadiótricos, que poseen un espejo cóncavo y una lente correctora. El telescopio reflector fue inventado por Isaac Newton en 1688 y constituyó un importante avance sobre los telescopios de su época al corregir fácilmente la aberración cromática característica de los telescopios refractores. 

El parámetro más importante de un telescopio es el diámetro de su objetivo. Un telescopio de aficionado generalmente tiene entre 76 y 150 mm de diámetro y permite observar algunos detalles planetarios y muchísimos objetos el cielo profundo (cúmulos, nebulosas y algunas galaxias). Los telescopios que superan los 0,20 m de diámetro permiten ver detalles lunares finos, detalles planetarios importantes y una gran cantidad de cúmulos, nebulosas y galaxias brillantes.

El Transistor

El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador.Actualmente se los encuentra prácticamente en todos los enseres domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadores, reproductores de audio y vídeo, hornos de microondas, lavarropas automáticos, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, computadoras, calculadoras, impresoras, lámparas fluorecentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, iPod, celulares, etc.El transistor bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de EEUU en diciembre de 1947 por John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, quienes fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1956. 

Tipos de transistor 

- Transistor de punta de contacto. Primer transistor que obtuvo ganancia, inventado en 1947 por J. Bardeen y W. Brattain. Consta de una base de germanio sobre la que se apoyan, muy juntas, dos puntas metálicas que constituyen el emisor y el colector.

- Transistor de unión bipolar, BJT por sus siglas en inglés, se fabrica básicamente sobre un monocristal de Germanio, Silicio o Arseniuro de Galio, que tienen cualidades de semiconductores, estado intermedio entre conductores como los metales y los aislantes como el diamante

- Fototransistor, sensible a la radiación electromagnética, en frecuencias cercanas a la de la luz.

-Transistor de efecto de campo, FET, que controla la corriente en función de una tensión; tienen alta impedancia de entrada.

-Transistor de efecto de campo de unión, JFET, construido mediante una unión PN.

-Transistor de efecto de campo de compuerta aislada, IGFET, en el que la compuerta se aísla del canal mediante un dieléctrico.

-Transistor de efecto de campo MOS, MOSFET, donde MOS significa Metal-Óxido-Semiconductor, en este caso la compuerta es metálica y está separada del canal semiconductor por una capa de óxido.

Transistores y electrónica de potencia

Con el desarrollo tecnológico y evolución de la electrónica, la capacidad de los dispositivos semiconductores para soportar cada vez mayores niveles de tensión y corriente ha permitido su uso en aplicaciones de potencia. Es así como actualmente los transistores son empleados en conversores estáticos de potencia, controles para motores y llaves de alta potencia (principalmente inversores), aunque su principal uso está basado en la amplificación de corriente dentro de un circuito cerrado.

Historia de la máquina de vapor

Desde los albores de la humanidad, el ser humano se ha visto en la necesidad de aprovechar las diferentes formas de energía que le brindaba su entorno para mejorar su calidad de vida y acceder a nuevas cuotas de confort.

La primera energía que utilizó el hombre fue su propio esfuerzo físico, necesario para cazar animales y asegurar su alimentación (por aquel entonces eran nómadas, ya que dependían de la caza).

Tiempo después aprendió a trabajar la tierra, asentándose en aquellas zonas que les procuraban buen alimento. Delegó gran parte de su esfuerzo físico en las bestias de carga y tiro cuando consiguió domesticar a los animales.

Con el descubrimiento del fuego, el ser humano empieza a quemar leña para calentarse frente al frío, asar los alimentos, iluminar las zonas oscuras e incluso defenderse de las fieras. Al principio recogían las brasas producidas por los incendios naturales (rayos de tormentas) y mantenían el fuego añadiendo ramas y trozos de madera. Hace 10.000 años, el ser humano aprendió a dominar el fuego frotando dos palos de madera intensamente (aunque en la actualidad muy pocas personas son capaces de conseguirlo).

En el siglo II d.C., Herón de Alejandría construyó la EOLIPILA (del latín pelota, bola), lo que podría considerarse como precursora de la máquina de vapor. Parece que existe cierta controversia sobre el nombre de dicho artefacto, ya que también pueden encontrarse referencias como EOLIPILO, AELóPILO ó AELóPILA. En cualquier caso, se trataba de una esfera metálica conectada mediante dos tubos huecos (con posibilidad de rotación) a una caldera. La esfera además disponía de dos orificios diametralmente opuestos por los que, una vez calentada agua en la caldera, provocaban un movimiento de rotación sobre la esfera al escapar el vapor a presión (por efecto de acción y reacción) a través de los orificios. No se encuentran referencias sobre aplicaciones prácticas de este dispositivo, parece ser que únicamente fue utilizado como juguete y divertimento para niños.

Herón desarrolló numerosos artilugios de cierta importancia en aquella época, como un mecanismo mediante sifones de agua que permitía abrir las puertas de un teatro.

Hasta la llegada de la primera Revolución Industrial (1800), el empleo de sistemas mecánicos para transformar fuentes de energía se reducía a los molinos de viento, de agua y de sangre (movidos por personas ó animales).

En el año 1712, los británicos Thomas Newcomen y su socio Thomas Savery, comenzaron a poner los cimientos de lo que poco después sería la primera revolución industrial.

Desarrollaron una máquina de vapor atmosférica capaz de extraer agua de las minas de carbón. Estos artefactos eran denominados en aquella época como “máquinas de hierro y fuego” y sus detractores afirmaban que se necesitaba una mina de hierro para construirla y otra de carbón para alimentarla.

Unos años después y gracias a las investigaciones de Newcomen, el escocés James Watt mejoró sustancialmente el diseño de la máquina de vapor incorporando un condensador.

La máquina de Watt supuso una verdadera revolución en todos los ámbitos de la sociedad de la época: maquinarias de las fabricas, locomotoras y barcos de transporte que no dependían de los animales ni de las corrientes de aire y agua, etc. Después aparecerían las turbinas de vapor, los motores de combustión y eléctricos que utilizamos en la actualidad.

 

Enlaces de interés

http://www.pbs.org/wgbh/nova/monitor/engine2.html

Página donde puedes practicar a poner en funcionamiento una máquina de vapor. Muy divertido.

http://www.youtube.com/

Realiza búsquedas como “máquina de vapor” ó “steam engine” y verás videos muy curiosos basados en el gran invento de James Watt.

http://es.wikipedia.org

Cualquier cosa que busques, soluciones a muchas de tus preguntas encontrarás en esta página. Si buscas máquina de vapor podrás ver un gif animado de la máquina de Watt.

http://www.tecno12-18.com/

Puedes visitar unidades didácticas interactivas muy divertidas sobre la máquina de vapor y muchos otros temas. Está pensada para la ESO, pero te sorprenderá lo que puedes llegar a aprender. Requiere de suscripción.