EL INGENIOSO TEST DE FOUCAULT

Son muchas las personas que siguiendo este proyecto por pura curiosidad, les llama la atención el hecho de que les diga que en el test de Foucault la superficie de mi cristal no está aún del todo bien.

 

La pregunta siempre es la misma “….test de Foucault? Y eso que es…?”

Así que creo que no estaría mal una entrada en el blog como esta en la que intentaré explicar en que se basa este maravilloso e ingenioso test.

Para comenzar es completamente necesario hablar un poco sobre el autor de este test. Es muy triste el reconocer ciertos descubrimientos o métodos científicos y que no conozcamos nada sobre sus descubridores o autores. 

Personalmente creo que en estos casos recordar a estas personas debería ser obligatorio, es casi un tema de justicia histórica. 

El olvido es el peor de los castigos, por eso me veo en la obligación de intentar honrar la memoria de este científico en este modesto blog.

(El siguiente texto está tomado prestado de la Wikipedia)

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Jean Bernard Léon Foucault

18 de septiembre de 1819 – 11 de febrero de 1868.

Fue un físico francés.

Demostró experimentalmente la rotación terrestre en 1851 mediante un enorme péndulo, el llamado «péndulo de Foucault», que se balanceaba en el Observatorio de París. Una demostración impactante fue realizada el 26 de marzo, en el Panteón de París. Ofició de péndulo una bala de cañón de 26 kg colgada de la bóveda mediante un cable de 67 m de largo, y que tardaba dieciséis segundos para ir y volver cada vez. Adherido a la bala, en su parte inferior, había un pequeño estilete y el suelo del Panteón estaba cubierto de arena. En cada ida y vuelta el estilete dejaba una marca diferente en la arena, cada una de ellas unos dos milímetros a la izquierda de la anterior porque la Tierra giraba.

Entre otras contribuciones, midió la velocidad de la luz, hizo las primeras fotografías del Sol e inventó el giróscopo.

Su demostración en 1851 del movimiento diurno de la Tierra por la rotación del plano de oscilación de un pesado y largo péndulo libremente suspendido en el Panteón de París, causó una sensación tanto en el mundo de los letrados como en el mundo popular, ya que fue la primera demostración dinámica de la rotación de la Tierra. En los años siguientes inventó (y le dio nombre) al giróscopo como una comprobación experimental conceptualmente más simple. En 1855 recibió la Medalla Copley de la Royal Society por sus "notables investigaciones experimentales". Anteriormente ese mismo año fue nombrado physicien (físico) en el Observatorio Imperial de París.

En septiembre de 1855 descubrió que la fuerza requerida para la rotación de un disco de cobre aumenta cuando se lo hace rotar entre los polos de un imán, al mismo tiempo el disco comienza a calentarse por las corrientes de Foucault inducidas en el metal.

Foucault inventó en 1857 el polarizador que lleva su nombre, y en los años siguientes concibió un método para probar los espejos de los telescopios reflectivos para determinar su forma.

La denominada "Prueba Foucault" permitió al trabajador determinar si el espejo es perfectamente esférico, o si está deformado. Anteriormente a la invención de Foucault, la prueba de espejos de telescopio era un proceso de "prueba y error". Con el espejo giratorio de Charles Wheatstone en 1862, Foucault determinó la velocidad de la luz en 298000 km/s, 10000 km/s menos que la obtenida por anteriores experimentadores y solamente 0,6% de diferencia con el valor actualmente aceptado.

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He resaltado en negrita las palabras más relevantes del texto. Una lectura de estos escasos párrafos ya nos convence de que este extraordinario físico era un fenómeno, y además en una época en la que no abundaban los medios técnicos.

Pues si, el “test de Foucault” lo desarrolla la misma persona que el famosísimo péndulo de Foucault, el mismo que descubre las corrientes de Foucault, tan conocidas para los que hemos estudiado electricidad.

EN QUE CONSISTE EL TEST DE FOUCAULT

Esta prueba consiste en el corte de los rayos de luz reflejados por una superficie esférica a la altura de su foco, siendo el foco el lugar donde convergen los rayos de luz reflejados. Así de sencillo.

Como hacemos llegar la luz a la superficie esférica?. Supongo que el Sr. Foucault lo hacía con una vela, pero actualmente casi todo el mundo utiliza un diodo de 4 V, una pila de 9 V y una resistencia que evite que el diodo se dañe.

Con qué se deben cortar esos rayos de luz?.  Pues con algo que tenga un lateral recto muy definido y muy fino, así que me imagino que lo que más a mano tenía en su casa este hombre y que respondiese a estas características era una cuchilla o el filo de una navaja

Precisamente a este test también se le conoce como el test de la cuchilla; en las páginas de habla inglesa lo denomina KE TEST, haciendo referencia a Knife Edge Test, que lo podemos traducir como “el test del filo del cuchillo”

Esta interposición, en el foco, de un elemento con un lateral muy definido y fino hace que si miramos desde la parte posterior de la cuchilla la superficie esférica pasa algo increíblemente maravilloso y espectacular: veremos esa superficie como si estuviese iluminada desde un lateral de la misma y a su altura. El efecto es que cualquier irregularidad superficial la vemos resaltada por las sombras que proyectará sobre la superficie del elemento a examinar.

Las irregularidades suelen ser ondulaciones de la superficie provocadas por un mal pulido. En otros casos son defectos zonales.

Esas ondulaciones de la superficie dejarán ver perfectamente sus sombras.

Es muy fácil de entender, imaginemos que estamos en la cima de una montaña y el sol se está poniendo, una de sus laderas estará con sombra (la que esté del lado contrario a la puesta del sol) y la otra muy iluminada (aquella que esté del lado de la puesta del sol).

Lo mismo pasa con la superficie a examinar.

Cuando el espejo está bastante pulido es muy sencillo ver la luz reflejada concentrada en el foco. Dicho foco estará a la altura del centro del espejo sobre una línea perpendicular al mismo y a cierta distancia.

Dicha distancia, denominada FOCO, ya sabemos calcularla conociendo la curvatura de la superficie a examinar, ya lo he explicado en otra entrada, al principio de este proyecto.

En mi caso mi cristal tiene una curvatura con un FLECHA de 2.08 mm, más o menos, y el foco está a una distancia de unos: 2404 mm

Si el espejo fuese parabólico su foco estaría justo a la mitad (1202 mm) pero como aún es esférico el foco estará más e menos a esos 2404 mm

El espejo hay que tallarlo y pulirlo inicialmente para conseguir un casquete de esfera lo más exacto posible y posteriormente, mediante una técnica de pulido y movimientos controlados, se convierte su curvatura en un paraboloide. Esto se denomina PARABOLIZADO.

Como aguantamos la cuchilla en el lugar adecuado?, pues haciéndola solidaria, por ejemplo, a una estructura auxiliar, en mi caso he realizado una especie de caja de madera con una ventanita y en uno de sus laterales he pegado la cuchilla.

Así que ubico el conjunto más o menos a la distancia adecuada, me aseguro que el espejo esté más o menos “mirando” a esa “caja”  y enciendo mi fuente de luz, mi diodo.

Si el espejo está bastante pulido veremos que al mover la caja lentamente, hacia delante y hacia atrás, a la distancia aproximada del foco, aparece un puntito de luz proyectado en el frontal de la caja, y lo podremos ver desenfocado o enfocado.

Moveremos el conjunto hasta que veamos el puntito de luz proyectado sobre el mismo lo más enfocado posible y posteriormente elevaremos o bajaremos el espejo y lo desplazaremos a derecha o izquierda hasta lograr situar ese puntito de luz sobre nuestra cuchilla muy cerca del borde de la misma.

Vista posterior del aparato de mi Foucault

Es más complicado describirlo que hacerlo.

Ayer mismo tomé tres fotos. En ellas se puede ver el puntito de luz y el diodo a oscuras; el puntito, el diodo y la caja con ayuda de la luz de una linterna, y en la tercera hasta puedo ver el puntito de luz con la luz de mi cocina encendida.

El puntito, en las fotos ya está situado sobre la cuchilla.

Luz del foco (la más pequeña) y diodo

La misma foto con luz auxiliar de linterna

A plena luz (se observa la luz del foco débil sobre la cuchilla)

En el punto de observación podemos elementos tales como una webcam, una cámara de vídeo y una cámara de fotos.

Puesto que la cuchilla debemos ubicarla cortando el haz de luz debemos poder avanzarla poco a poco, así que se instala un tornillo que permita “meter” la cuchilla hacia dicho haz de luz.

Detalle del tornillo que pivota el conjunto metiendo la cuchilla sobre el haz de luz

Y para un avance longitudinal se instala otro tornillo que nos permitirá avanzar el conjunto a la velocidad adecuada, muy lenta.

Detalle del tornillo de avance. Empuja el conjunto. También se ve el muelle recuperador

Longitudinalmente en conjunto se desplaza apoyado en algún elemento que lo permita, tal como un tubo, una corredera de cajón etc. en mi caso lo que he instalado es un tubo de cobre, pero pronto será cambiado por algún elemento con menor coeficiente de rozamiento para lograr un desplazamiento más suave.

En otra entrada intentaré describir las sombras que se ven en el test.

Lo mejor es mostrar lo que en realidad se ve, aqui dejo mis ejemplos prácticos. Es el aspecto de mi cristal:

• Este es el aspecto del cristal tras tres horas y media de pulido manual. La torta de pulido estaba muy dura y no se adaptaba bien al centro, lo que provocó un defecto de pulido central. Tambien se aprecia una corona circular más pulida que el resto por una porción de la torta que sí hacía buen contacto con el cristal:

 

 

• El aspecto del cristal anterior con el test de Foucault es éste:

• Este es el aspecto del cristal tras 7 horas de pulido : parece que está impecable, pero no es cierto, su zona central aún tienen muchas microlesiones que las veo con mi minimicroscopio. Necesita más pulido.

• El aspecto que muestra el test de Foucault es definitivo. Es increíble  la definición de las microondulaciones de la superficie en la segunda fotografía

La superficie se ve mucho más suavizada pero aún hay mucho trabajo por delante. No tengo una esfera así que no se puede intentar la parabolización. Ha desaparecido casi por completo el círculo que había antes en la zona central, puesto que ahora el pulido es mucho más homogéneo.

La siguiente foto está tomada aplicando zoom con la cámara y está bastante enfocada así que se puede apreciar la textura de la superficie. Es increible como el test de Foucault permite ver sombras que delantan unas ondulaciones superficiales pequeñísimas que le dan al cristal un aspecto como de "piel de naranja".

Con una buena torta de pulido y una mecánica de pulido adecuada esto no debería aparecer. Creo que mi torta de pulido aún está un poco dura.