UNIDAD 3 METROLOGA PTICA E
INSTRUMENTACIN BSICAI.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
INSTITUTO TECNOLGICO
SUPERIOR DE ZACAPOAXTLAOrganismo Pblico Descentralizado
COMPETENCIA ESPECIFICA DE LA UNIDAD 3
Al trmino de la unidad el alumn@ desarrolla las
siguientes competencias:
Comprende, aplica y maneja los diferentes instrumentos
y equipos de medicin para su aplicacin correcta en los
procesos productivos de las organizaciones.
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3.1. INTRODUCCIN A LA PTICA
La parte de la fsica que estudia
la luz recibe el nombre de ptica.
La luz estaba considerada, hasta la mitad del siglo
XVII como una corriente de corpsculos.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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Huygens fue el primero en afirmar que la luz era una onda:supona que era un movimiento ondulatorio de tipo mecnico
(como el sonido) que se propaga en un supuesto
medio elstico que llena todo y que se conoca con el nombre de ter.
El hecho real es que la luz pareca presentar caractersticas
corpusculares al tiempo que ondulatorias.
Maxwell, en 1873, contribuy decisivamente a la teora ondulatoria
demostrando que la luz no era otra cosa que una onda
electromagntica.
La ptica es la ciencia de controlar la luz.
La luz es parte de un tipo de energa llamada radiacin electromagntica
(EM).
La luz es la parte de las ondas EM que podemos ver y forma los colores
del arcoris.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 4
De manera cientfica y tcnica; la ptica es el campo de la ciencia y la
ingeniera que comprende los fenmenos fsicos y de tecnologas
asociadas con la generacin, transmisin, manipulacin, uso y
deteccin de la luz.
La luz (viaja a 300 000 km/seg) es una onda electromagntica, esto
significa que es una combinacin de una onda elctrica y una onda
magntica.
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El estudio de la ptica se puede dividir en tres partes:
1. ptica geomtrica. Utiliza el mtodo de los rayos luminosos.
2. ptica fsica. Trata la luz considerada como un movimiento
ondulatorio.
3. ptica cuntica. Se refiere a las interacciones entre la luz y las
partculas atmicas.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 6
Las ondas electromagnticas pueden ser muchas, como se
muestra en la siguiente figura:
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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Espectro electromagntico
Existen tres formas de controlar la luz:
A. Bloquendola con algo.
B. Reflejndola (conocido como reflexin).
C. Doblndola, es decir, la luz cambia su direccin
pasando de un medio transparente a otro de
diferente densidad, como aire o agua (conocido
como refraccin).
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Lentes de contacto
Fotocopiadoras
Microscopios y lupas
Proyectores
Reproductores de CD
Rayos X
Laser (Luz Amplificada por
Efecto de Radiacin Estimulada)
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Para nosotros los seres humanos es muy importante controlar la luz,
ya que los usos que le hemos dado son tan variados, como:
Cabe mencionar que este ltimo se utiliza en la
industria con fines de medicin, cortar, soldar, etc.
3.2 PTICA GEOMTRICA
Se basa en el concepto de rayo y en la naturaleza corpuscular de la luz
(Newton s. XVII):
La luz est formada por partculas que viajan en lnea recta a gran
velocidad.
Utiliza las leyes de la reflexin y de la refraccin.
No estudia la energa asociada a la luz => No explica las interferencias, la
difraccin y la polarizacin.I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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Se ocupa de los fenmenos de radiacin luminosa en los medios
homogneos, sin considerar su naturaleza u origen.
Gran parte de los conocimientos que poseemos sobre esta materia se
hayan sintetizados en unos cuantos principios conocidos por las leyes de
ptica geomtrica, que son:
1. Propagacin de la luz. En un medio homogneo la luz se propaga en
lnea recta, cumpliendo as su principio de Fermat , que dice que el
camino ms corto entre 2 puntos es una lnea recta.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 11
El principio de Fermat afirma que:
La trayectoria real de un haz de luz es la que se asocia
al camino ptico mximo, mnimo o estacionario.
2. Independencia reciproca. Dado un haz de rayos luminosos, si se intercepta una parte con un cuerpo opaco los rayos restantes no interceptados no sufren
variacin.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 12
3. Ley de reflexin. a) el rayo incidente,el reflejo y la normal al punto de incidencia
estn en un mismo plano. b) El ngulo de
incidencia es igual al ngulo de reflexin.
4. Leyes de refraccin:
a) El rayo incidente, la normal y el rayo
refractado estn en un mismo plano.
b) La relacin entre el seno del rayo de
incidencia y el seno del rayo de
refraccin es una constante llamada
constante de refraccin , que depende
de cada medio.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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TAREA
Investigar como forman las imgenes los siguientes espejos:
Plano.
Cncavo.
Convexo.
Cual son las principales diferencias entre cada uno de estos?
Hacer en la libreta.
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3.3. PTICA FSICA
La ptica fsica se basa en la teora ondulatoria de la luz:
Propuesta por Huygens (s. XVII) y confirmada por Young (hacia 1804) y
desarrollada por Fresnel.
Maxwell (XIX) admite que la luz es una onda electromagntica que se propaga
en el ter (fluido transparente que llena todo incluso el vaco)
Einstein (1905) admite que las ondas electromagnticas se propagan en el vaco
sin necesidad del ter.
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TEORA ONDULATORIA DE LA LUZ
Supone que la luz es una onda electromagntica (transversal); producida por
la perturbacin de campos elctricos y magntico, que viaja en cualquier
medio; incluso en el vaco.
Utiliza los conceptos: amplitud, frecuencia, longitud de onda, velocidad de
propagacin, frente de onda y direccin de propagacin.
Los frentes de onda son esferas concntricas, alrededor del foco origen de la
onda.
Explica los fenmenos: reflexin, refraccin, interferencias, difraccin y
polarizacin.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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INTERFERENCIAS LUMINOSAS
Todos hemos observado las bandas
coloreadas que aparecen en las pompas de
jabn o en la superficie de las pelculas que se
forman en el agua mezclada con aceite.
Estas bandas se deben a la interferencia
producida por la luz reflejada en las superficies
superior e inferior de la superficie.
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El trmino interferencia se refiere a cualquier situacin en la que dos o ms
ondas se traslapan en el espacio.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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DIFRACCIN DE LA LUZ
Fue descubierta por Grimaldi (s. XVII)
(*) Se produce al hacer pasar un rayo de luz por un rendija o incidir
sobre un obstculo cuyas dimensiones sean prximas.
Fenmenos cotidianos: las estrellas y bombillas alejadas se ven estrelladas
por la difraccin de la luz en las pequeas irregularidades en la pupila del
ojo; por ejemplo un farol en la niebla o travs de un cristal empaado.
Es un fenmeno tpico de las ondas y no de las partculas.
Se obtienen figuras de interferencia (ondas que atraviesan por el centro
y las emitidas por los bordes u obstculos).I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 19
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 20
POLARIZACIN DE LA LUZ Descubierta en 1679 por Erasmus Bartholin: las imgenes obtenidas al
atravesar en un cristal de calcita son dobles.
Al atravesar la luz ciertas lminas o cristales transparentes "se pierdeluz" y al colocar dos de estas lminas giradas 90 se extingue la luz.
En una onda electromagntica, la direccin del campo elctrico esperpendicular a la direccin de propagacin de la onda.
Si el campo elctrico es siempre paralelo a una lnea perpendicular ala propagacin, la onda se denomina literalmente Polarizada.
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APLICACIONES DE LA POLARIZACIN DE LA LUZ
1. Sustancias con actividad ptica.
2. Polarizados o polaroides.
3. Gafas de sol.
4. Hologramas.
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ACTIVIDAD
Investigar 3.5. Instrumentos pticos.
Se tomara la bibliografa existente en el Centro de
Informacin del ITSZ
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3.4. DIFERENCIA, VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE
INSTRUMENTOS ANALGICOS Y DIGITALES
En general los parmetros que caracterizan un fenmeno puedenclasificarse en Analgicos y Digitales, se dice que un parmetro esanalgico cuando puede tomar todos los valores posibles en formacontnua, por ejemplo:
El voltaje de una batera,
La intensidad de luz,
La velocidad de un vehculo,
La inclinacin de un plano, etc.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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Por otra parte se dice que un parmetro es digital cuando solo puede tomar valores discretos, por ejemplo:
El nmero de partculas emitidas por un material radioactivo en un segundo,
El nmero de molculas en un volumen dado de cierto material,
El nmero de revoluciones de un motor en un minuto, etc.
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INSTRUMENTOS ANALGICOS
A. Bajo Costo.
B. En algunos casos no requieren de energa de
alimentacin.
C. No requieren gran sofisticacin.
D. Presentan con facilidad las variaciones
cualitativas de los parmetros para visualizar
rpidamente si el valor aumenta o disminuye.
E. Es sencillo adaptarlos a diferentes tipos de
escalas.I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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Ventajas
A. Tienen poca resolucin, tpicamente no proporcionan ms de 3 cifras.
B. El error de paralaje limita la exactitud a 0.5%.
C. Las lecturas se presentan a errores graves cuando el instrumento tiene varias
escalas.
D. La rapidez de lectura es baja.
E. No pueden emplearse como parte de un sistema de procesamiento de datos de
tipo digital.
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Desventajas
INSTRUMENTOS DIGITALES
1) Tienen alta resolucin alcanzando en algunos casos
mas de 9 cifras en lecturas de frecuencia y una
exactitud de + 0.002% en mediciones de voltajes.
2) No estn sujetos al error de paralaje.
3) Pueden eliminar la posibilidad de errores por
confusin de escalas.
4) Puede entregar informacin digital para
procesamiento inmediato en computadora.
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Ventajas
1. El costo es elevado.
2. Son complejos en su construccin.
3. Las escalas no lineales son difciles de
introducir.
4. En todos los casos requieren de fuente de
alimentacin.
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Desventajas
3.5. INSTRUMENTOS PTICOS
Lentes de contacto
Fotocopiadoras
Microscopios y lupas
Proyectores
Reproductores de CD
Rayos X
Laser (Luz Amplificada por Efecto de
Radiacin Estimulada)
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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Para nosotros los seres humanos es muy importante controlar la luz, ya
que los usos que le hemos dado son tan variados, como:
Otros instrumentos pticos son:I. Lentes de aumento
II. Telescopio
III. Cmara fotogrfica
ESPEJO:
Dispositivo ptico, generalmente de vidrio, con una superficie lisa
y pulida, que forma imgenes mediante la reflexin de los rayos
de luz.
Adems de su uso habitual en el hogar, los espejos se emplean en
aparatos cientficos; por ejemplo, son componentes importantes
de los microscopios y los telescopios.
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FIBRA PTICA:
Fibra o varilla de vidrio u otro material transparente con un ndice de
refraccin alto que se emplea para transmitir luz.
Tambin pueden emplearse para transmitir imgenes, cada punto de la
imagen proyectada sobre un extremo del haz se reproduce en el otro
extremo, con lo que se reconstruye la imagen, que puede ser observada a
travs de una lupa.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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MICROSCOPIO:
Cualquiera de los distintos tipos de
instrumentos que se utilizan para obtener
una imagen aumentada de objetos
minsculos o detalles muy pequeos de los
mismos.
El tipo de microscopio ms utilizado es el
microscopio ptico, que se sirve de la luz
visible para crear una imagen aumentada del
objeto.I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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TELESCOPIO:
Es un instrumento ptico
empleado para observar objetos
muy grandes que se encuentran a
muy lejanas distancias como por
ejemplo estrellas, cometas,
planetas, entre otros.
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3.6. INSTRUMENTOS MECNICOS Son los instrumentos de medicin que deben ser manipulados
fsicamente por el inspector.
Los instrumentos mecnicos cada da son remplazados por
electrnica que nos permite tener una mejor resolucin y
evitan errores de paralaje. Sin embargo hoy por hoy constituyen
una alternativa econmica en algunos casos.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA35
1) Micrmetros
2) Vernier
3) Durmetros
4) Indicadores de cartula
5) Tensimetros
6) Etc.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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Dicho tipo de instrumentos estn constituidos por todos aquellos que se
valen de una medicin directa a travs de un mecanismo, que nos permita
tomar la lectura del valor directamente de dicho instrumento, tales como:
MEDICIN CON REGLAS
Las herramientas de medicin ms comunes en el trabajo del
taller mecnico es regla de acero. Se emplea cuando hay que tomar
medidas rpidas y cuando no es necesario un alto grado de exactitud.
La exactitud de medida que se toman depende de las condiciones y el
uso correcto de la regla.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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REGLA DE ACERO
Se fabrican en una gran variedad de tipos y tamaos, adecuados a la forma
o tamao de una seccin o longitud de una pieza.
Los tipos de reglas ms utilizados en el trabajo del taller mecnico se
describen a continuacin.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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A) Regla rgida de acero templado. Tiene 4 escalas, 2 en cada lado; se
fabrican en diferentes longitudes, la ms comn es de 6 pulgadas o 150 mm.
B) Regla flexible, similar a la anterior pero ms estrecha y delgada, lo que
permite flexionar, dentro de ciertos lmites, para realizar lecturas donde la
rigidez de la regla de acero templado no permite una medicin adecuada.
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LAINAS (MEDIDORES DE ESPESORES)
Estos medidores consisten en lminas delgadas que tienen marcado su
espesor y que son utilizadas para medir pequeas aberturas o ranuras.
El mtodo de medicin consiste en introducir una laina dentro de la abertura,
si entra fcilmente se prueba con la mayor siguiente disponible, si no entra
vuelve a utilizarse la anterior.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 40
PATRONES DE RADIO
Estos patrones consisten en una serie de
lminas marcadas en mm con los
correspondientes radios cncavos y convexos,
formados en diversas partes de la lmina.
La Inspeccin se realiza determinando que
patrn se ajusta mejor al borde redondeado de
una pieza; generalmente los radios van de 1 a 25
mm en pasos de 0.5 mm.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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CALIBRES ANGULARES
Estos calibres cuentan con
lminas que tienen diferentes
ngulos para cubrir las
necesidades de medicin de
chaflanes externos o internos,
inspeccin de ngulos de ruedas
de esmeril o cortadores.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 42
CUENTAHLOS:
Los cuentahlos consisten en una serie de lminas que se
mantienen juntas mediante un tornillo en un extremo,
mientras que el otro tiene salientes que corresponden a la
forma de la rosca de varios pasos (hilos por pulgada); los
valores estn indicados sobre cada lmina.I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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PATRONES PARA ALAMBRES, BROCAS Y MINAS
Los patrones para brocas sirven para determinar el tamao de estas al
introducirlas en un agujero cuyo tamao esta marcado a un lado o para
mantener en posicin vertical un juego de brocas.
El cuerpo del patrn tiene grabadas indicaciones sobre el tamao de
brocas recomendable para un tamao de rosca determinado. Esta
caracterstica permite elegir rpidamente broca adecuada.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 44
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 45
COMPASES
Antes de que los instrumentos como el calibrador vernier fueran introducidos,las partes eran medidas con compases (interiores, exteriores, divisores,hermafroditas) y reglas.
Para medir un dimetro exterior la parte es puesta entre las puntas de loscompas y luego las puntas de los compas son colocadas sobre una regla paratransferir la lectura.
En otra aplicacin las puntas de los compas de exteriores se separan unadistancia especfica utilizando una regla, entonces las partes son maquinadashasta que la punta de los compas se deslizan justamente sobre la superficiemaquinada.
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I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 47
3.7. MEDIDORES DE PRESIN
La presin se define como fuerza ejercida sobre una superficie por
unidad de rea.
En ingeniera, el trmino presin se restringe generalmente a la fuerza
ejercida por un fluido por unidad de rea de la superficie que lo encierra.
De esta manera, la presin (P) de una fuerza (F) distribuida sobre un rea
(A), se define como:
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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=
1. Calidad del producto, la cual frecuentemente depende de ciertas
presiones que se deben mantener en un proceso.
2. Por seguridad, como por ejemplo, en recipientes presurizados donde la
presin no debe exceder un valor mximo dado por las especificaciones del
diseo.
3. En aplicaciones de medicin de nivel.
4. En aplicaciones de medicin de flujo.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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Existen muchas razones por las cuales en un determinado proceso se debe
medir presin. Entre estas se tienen:
En el Sistema Internacional De Unidades, la unidad de medida de
presin es el Pascal (Pa), que se define como la fuerza ejercida por un
Newton (N) sobre un rea de un metro cuadrado (m2). O sea, Pa = N/m2.
Esta es una unidad de presin muy pequea, pero el kilo pascal (KPa), 1.000
Pa, permite expresar fcilmente los rangos de presin comnmente ms
usados en la industria.
Otras de las unidades utilizadas son el Kilogramo por centmetro cuadrado
(Kg./cm2); libras por pulgada cuadrada (Psi); bar, y otros.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA50
Tabla 1. Factores de conversin para unidades de
presin
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 51
INSTRUMENTOS PARA MEDICIN DE LA PRESIN
Instrumentos mecnicos
Los instrumentos mecnicos utilizados para medir presin cuyas
caractersticas se resumen en la tabla 2, pueden clasificarse en:
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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Columnas de Lquido:
Manmetro de Presin Absoluta.Manmetro de Tubo en U.Manmetro de Pozo.Manmetro de Tubo Inclinado.Manmetro Tipo Campana.
Instrumentos Elsticos:
Tubos Bourdon. Fuelles. Diafragmas.
Instrumentos electromecnicos y electrnicos
Los instrumentos electromecnicos y electrnicos utilizados para medir
presin pueden clasificarse en:
Medidores de Esfuerzo (Strain Gages)
Transductores de Presin Resistivos
Transductores de Presin Capacitivos
Transductores de Presin Magnticos
Transductores de Presin Piezoelctricos
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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Los medidores de presin son instrumentos de precisin
fabricados para medir la presin sangunea, la presin de lquidos y
gases en tuberas o tanques de almacenamiento y la presin
atmosfrica, a grandes rasgos, teniendo para cada uso diversos
equipos disponibles de acuerdo a las necesidades.
Dependiendo de las aplicaciones de los medidores de presin, son
las unidades disponibles para sus resultados, adems de que
algunos reciben nombres diferentes dependiendo tambin del tipo
de presin que van a medir.I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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MANMETRO DE TUBO DE BOURDON
Este medidor de presin tiene una ampliavariedad de aplicaciones para realizarmediciones de presin esttica.
Es barato, consistente y se fabrica endimetros de 2 pulgadas (50 mm) encaratula.
Tienen una exactitud de hasta 0.1% de lalectura a escala plena; con frecuencia seemplea en el laboratorio como un patrnsecundario de presin.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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MANMETRO DE TUBO ABIERTO
El manmetro consiste en un tubo en forma de U que
contiene un lquido, que generalmente es mercurio.
Cuando ambos extremos del tubo estn abiertos, el
mercurio busca su propio nivel ya que se ejerce una
atmsfera de presin sobre cada uno de ellos.
Cuando uno de los extremos se conecta a una cmara
presurizada, el mercurio se eleva hasta que las presiones
se igualan.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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BARMETROS
La presin, es la fuerza aplicada por unidad de
superficie, dando cabida a una gran gama de
acciones y eventos donde se ejerce y es
necesario el uso e medidores de presin para
evaluar su magnitud.
I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA
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Las diferentes dimensiones utilizadas para la presin atmosfrica
comprenden los kilogramos por centmetro cuadrado, libras por
pulgada cuadrada, milmetros de mercurio y atmsferas,
entre otros.
BARMETRO DE MERCURIO
Un barmetro de mercurio ordinario est formado por un tubo de vidrio de unos
850 mm de altura, cerrado por el extremo superior y abierto por el inferior.
Cuando el tubo se llena de mercurio y se coloca el extremo abierto en un recipiente
lleno del mismo lquido, el nivel del tubo cae hasta una altura de unos 760 mm por
encima del nivel del recipiente y deja un vaco casi perfecto en la parte superior del
tubo.
La lectura de un barmetro de mercurio puede tener una precisin de hasta 0,1
milmetros.
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BARMETRO ANEROIDE
Un barmetro ms cmodo, en el que la presin
atmosfrica deforma la pared elstica de un cilindro en
el que se ha hecho un vaco parcial, lo que a su vez
mueve una aguja.
A menudo se emplean como altmetros (instrumentos
para medir la altitud) barmetros aneroides de
caractersticas adecuadas, ya que la presin disminuye
rpidamente al aumentar la altitud.
El barmetro es la base de todos los pronsticos
meteorolgicos.
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