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CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA DE WIMSHURST


Aunque la electricidad estática y sus efectos ya aparecen reflejados en escritos de la Grecia Clásica, donde se dieron cuenta que al frotar con un paño un trozo de ámbar era capaz de atraer objetos ligeros, como pelos o plumas, las máquinas capaces de generar este extraño fluido de forma apreciable nacieron a finales del siglo XVII, y durante más de cien años fueron las únicas fuentes de electricidad artificial que dispusieron los físicos para realizar sus experiencias. Sin embargo el hecho que tales máquinas produjeran altos voltajes pero muy poca corriente eléctrica limitaron su utilidad a algunas repetitivas demostraciones de gabinete o a servir de espectáculo en reuniones cortesanas, erizando el pelo de señoritas o haciendo saltar delgadas chispas azules entre los dedos de una cadena de personas subidas a taburetes de madera.



  La triboelectricidad y la inducción electrostática

La mayoría de estas máquinas basaban su funcionamiento en el fenómeno de la triboelectricidad, palabra derivada del griego "tribein" (frotar) y "electron" (ámbar), que se refiere de forma generalista
a la electricidad producida por frotamiento entre materiales de distinta naturaleza. Tal fenómeno recibió por entonces decenas de peregrinas explicaciones, incluidas las "mágicas" de los espiritistas que lo incluían en sus espectáculos y estafas. Por suerte los tiempos han cambiado y hoy sabemos que se debe a la distinta facilidad que tienen los materiales para retener los electrones situados en su superficie, de tal forma que al frotar dos elementos distintos algunos electrones del menos retentivo pasarán inevitablemente al otro, convirtiendo este segundo en negativo, por exceso de electrones, y el anterior en positivo, precisamente por la pérdida de electrones que ha experimentado.

Algunas máquinas triboeléctricas: la de Otto Von Guernicke, la de Ferdinand Carré y la de Edward Nairne



La primera máquina triboeléctrica fue desarrollada por Otto Von Guericke en 1672, y consistía en un armazón de madera con un mecanismo de manivela y dos poleas de distinto diámetro que hacía girar rápidamente una esfera de azufre, la cual se cargaba de electricidad al contacto con la mano de una persona. En las décadas siguientes fueron apareciendo decenas de generadores en diferentes formas y disposiciones, destacando máquinas como la de Carré, la de Nairne o la de Ramsden, pero a partir de 1865 también comenzaron a desarrollarse un tipo distinto de máquinas llamadas de inducción electrostática o también de "influencia" en que ya no había rozamiento, o al menos el rozamiento no era el origen principal de la electricidad producida, sino que se basaban en la inducción de cargas de signo contrario que se creaba al acercar un elemento cargado a otro que no lo estaba. Las primeras demostraciones de este fenómeno habían sido hechas por Wilcke a mediados del siglo XVIII y difundidas poco más tarde por Alessandro Volta con un dispositivo que llamó electróforo. Pero fue ya adentrado el siglo XIX cuando aparecieron las máquinas que utilizaban discos giratorios para reproducir el mismo efecto de forma cíclica, siendo las más conocidas la de Wilhelm Holtz, la de August Toepler y la de Robert Voss, y finalmente en 1883, la del británico James Wimshurst, que puede considerarse una evolución de las anteriores y sin duda la máquina o generador electrostático más eficiente de los construidos hasta entonces. 

James Wimshurst  y su máquina de influencia electrostática, en un grabado de una publicación alemana de finales del XIX

 


 

  La máquina de "influencia" de James Wimshurst


La máquina de Wimshurst consta de dos discos paralelos de material aislante, como ebonita, vidrio o diversos plásticos, montados de forma libre sobre el mismo eje de giro y separados entre ellos por apenas unos milímetros. Estos discos disponen en sus caras externas de unos sectores metálicos de estaño o aluminio, de forma ovoide o alargada, dispuestos circularmente, de forma que visto de forma radial ocupan entre la mitad y un tercio del diámetro total del disco.

Cerca de la superficie exterior de cada disco observamos la presencia de unas varillas metálicas denominadas "barras neutralizadoras", acabadas en escobillas que rozan un sector metálico de la parte superior del disco y a la vez otro situado a 180 grados de éste en la parte inferior. Vemos también que dichas varillas, no están montadas verticalmente en relación al disco, si no con algo de inclinación, formando normalmente un ángulo con la horizontal mayor de 45 grados y menor de 70.
Cada disco tiene sus propias "barras neutralizadoras" que para efectuar su función han de estar comunicadas entre su parte superior e inferior, pero en cambio es indiferente que estén o no aisladas del eje metálico común y por tanto de las neutralizadoras del otro disco, así como que dicho eje esté o no conectado a una toma de tierra.

Partes principales de una máquina de Wimshurst



En la periferia de los discos, a la altura de su eje central en posiciones que corresponden a los 90 y los 270 grados, podemos ver también dos piezas metálicas en forma de "U" que abrazan la parte del disco por donde desfilan los sectores, y que se mantienen a una distancia de centímetro o centímetro y medio de los discos. En cada lateral interno de esta "U" se han dispuesto unas cuantas agujas dirigidas hacia los discos,  pero siempre dejando suficiente espacio para no tocarlos.
Estas piezas son los "peines colectores" y suelen estar sujetas a un soporte aislante y a un contacto central que sobresale de dos cilindros de cristal con una parte plateada. Estos cilindros son las Botellas de Leyden, unos primitivos condensadores de baja capacidad que no obstante permiten almacenar tensiones de cientos de miles de voltios.

Los contactos centrales de las Botellas de Leyden, y por lo tanto sus armaduras internas, están conectadas a los peines colectores, mientras que las armaduras externas de las dos botellas están unidas eléctricamente entre sí mediante un puente removible. Este punto puede considerarse de voltaje neutro y a la vez puede conectarse a tierra, así como al eje metálico superior que comunica las barras neutralizadoras de ambos discos.

De los mismos contactos centrales también parten dos varillas metálicas ajustables de unos diez o quince centímetros de longitud, acabadas en pequeñas esferas entre las cuales se producirán las descargas en forma de chispa.

En cuanto a los discos en sí, que pueden girar locos en el eje superior, están unidos a sendas poleas de pequeño diámetro, las cuales a su vez están ligadas mediante correas hasta otras dos poleas de mayor diámetro solidarias a un eje inferior que acaba en una manivela, de manera que al girar ésta, los dos discos superiores también lo harán pero a mucha mayor velocidad. Una particularidad de esta máquina es que los discos han de girar uno en sentido contrario al otro, y para conseguirlo se utilizan básicamente los sistemas denominados "Longitudinal" y "Transversal".

Dos sistemas de conseguir el giro opuesto de los discos a partir de la manivela: Longitudinal (A) y Transversal (B)



(A) Sistema Longitudinal. En el sistema Longitudinal, como muestra el diagrama (A), los ejes superior e inferior están paralelos entre si. Las dos poleas inferiores están solidarias al eje de la manivela y cada una de ellas mueve una correa independiente que obligará a girar las poleas pequeñas superiores, solidarias a los discos. Pero mientras una de las correas tiene la forma de "0" habitual, haciendo que la polea inferior y la superior giren en el mismo sentido, la otra está montada en forma de "8", invirtiendo por tanto el sentido de giro de la polea y el disco superior.

(B) Sistema Transversal. El sistema Transversal del diagrama (B) utiliza el eje de la manivela situado en forma transversal con respecto al superior, y a diferencia del anterior tiene una única correa que va pasando alternativamente por las cuatro poleas. A la vez, en este sistema sólo una de las poleas grandes inferiores está unida firmemente al eje de la manivela, mientras que la otra gira loca y sólo tiene la misión de reenviar la correa hacia el plato contrario, invirtiendo de esta manera su sentido de giro.

Y después de esta rápida presentación pasemos también de forma muy breve a explicar como funciona...
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  ¿Y cómo funciona la Wimshurst ?

Con sólo leer unas pocas líneas sobre el fenómeno de la triboelectricidad no resulta difícil entender como funcionan las máquinas de rozamiento, pero en el caso de la las máquinas de influencia, también llamadas de inducción electrostática, resulta bastante más complicado, hasta el punto que en el caso concreto de la Wimshurst y en una búsqueda realizada por Internet en sólo media hora he encontrado unas diez o doce explicaciones distintas, algunas de ellas contradictorias entre sí y que llegan incluso a incluir principios, procesos o datos claramente erróneos.

No obstante, de entre todas ellas hay un par que sí vale la pena leer, especialmente la del Profesor Queiroz, que describe bastante bien de las fases de arranque e incluye una simulación del comportamiento de las cargas en una máquina virtual. El problema es que es una explicación algo compleja y además está en inglés, por este motivo a mí me gustaría tomarme un tiempo, investigar un poco más el asunto y poder dedicar una página exclusiva para mostrarlo con detalle pero también de forma asequible para quienes no tienen conocimientos de electricidad.

Así que en espera de disponer de más tiempo para ello, sobre esta fascinante máquina sólo diré de forma muy resumida que al darle a la manivela los discos giran uno contra otro a considerable velocidad, y en este momento la Wimshurst comienza a cebarse a sí misma a partir de pequeñas cargas residuales almacenadas en las botellas de Leyden, o producidas por el contacto de las escobillas neutralizadoras de cobre sobre los sectores de aluminio. Dichas cargas son multiplicadas por la acción de los dos discos moviéndose en direcciones contrarias, cuyos sectores constituyen en realidad armaduras de condensadores variables. Cuando sus armaduras se acercan aumenta la capacidad mutua y una armadura induce las cargas contrarias en la que tiene enfrentada, y al separarse y perder capacidad se eleva la tensión en cada nuevo ciclo hasta valores que van creciendo a medida que el sector se aproxima a los peines colectores, donde una parte de la carga es recogida por el efecto punta de sus agujas y almacenada en las Botellas de Leyden.

Este efecto puede parecer poco importante, pero en algunos segundos es capaz de subir la tensión hasta muchas decenas de kilovoltios. De hecho, las pruebas empíricas efectuadas demuestran que una máquina con discos de sólo 30 cm alcanzará e incluso superará los 90  ó 100 mil volts con bastante facilidad.

Diagrama del movimiento e influencia de las cargas en los discos de una Wimshurst
 con los discos representados en forma de círculos concéntricos



Las máquinas de Toepler y Voss mostraban una impredecible tendencia a cambiar de polaridad durante su funcionamiento. Esto no ocurre en la Wimshurst, pero como su polaridad final está condicionada por las cargas iniciales y por pequeños desequilibrios que se producen de forma aleatoria en los contactos de los neutralizadores, a menos que nosotros la polaricemos previamente de forma externa con otra fuente de tensión, nos va a resultar imposible saber en que Leyden y descargador estará el polo positivo y en cual el negativo.

Un detalle que destaca en todas las Wimshurst es la utilización de esferas terminales en los electrodos de salida, lo cual tiene que ver con el fenómeno de repartición de cargas en su superficie que disminuye la intensidad del campo eléctrico local y reduce o evita el llamado "efecto corona", que en nuestro caso impediría que la tensión se elevase a causa de las pérdidas provocadas al ionizar el aire circundante. Por decirlo de alguna manera, las esferas disminuyen la tensión puntual y "retienen" la carga, permitiendo que se consigan voltajes mucho más altos.

Como la intensidad de este fenómeno depende de la circunferencia de la esfera, en las Wimshurst se suele aprovechar una curiosa disposición con esferas de doble diámetro, montadas una continuación de otra, que permiten conseguir chispas mucho más largas y realizar algunas pruebas que de otra manera resultarían imposibles.

Por ejemplo, por los manuales de física sabemos que una descarga de chispa se establecerá con más facilidad si el terminal positivo es de menos diámetro que el negativo, porque los electrones, que en realidad son las únicas cargas reales y tiene signo negativo, quedan retenidas en la esfera "grande", dejando el campo creado por la pequeña como punto de inicio del camino iónico que después seguirá en sentido contrario la descarga principal.
Este hecho diferencial nos permitirá saber con que polaridad estamos trabajando en cada electrodo, puesto que con los descargadores próximos y colocados en forma de "V" invertida, las primeras chispas saltarán de forma inevitable entre las esferas pequeñas, que son las más exteriores, y si vamos aumentando la distancia llegará un momento en que las chispas dejarán de saltar. En este momento inclinaremos uno de los brazos más que el otro de forma que, manteniendo esta misma distancia anterior, su esfera pequeña "apunte" hacia la grande del electrodo contrario. Si la pequeña tiene polaridad positiva las chispas volverán a saltar e incluso podremos seguir ampliando la distancia, pero si la pequeña es la negativa sólo vamos a poder escuchar pequeños chisporroteos debidos a las fugas de efecto corona, sin que se establezca la descarga principal.  

En cuanto a las tensiones de tantos kilovolts, hemos de decir que si fueran generadas por un transformador de relativa potencia o almacenadas en condensadores de cierta capacidad deberían considerarse muy peligrosas, pero en el caso de la Wimhurst, la intensidad máxima que suministra es de pocos microamperios, incapaces de causar daño fisiológico alguno, y aún en caso de la descarga directa de las Leyden de este tamaño, el calambre sería tan breve que no pasaría de dar un susto sin más consecuencias.


 
 

  Ejemplos e ideas para construir una Wimshurst


Y pasando a la parte práctica, me gustaría decir que entre los proyectos de ciencia divulgativa en que he trabajado estos últimos años, la máquina Wimshurst siempre había sido una asignatura pendiente, tal vez porque su construcción exige disponer de un torno y de cierto grado de habilidad mecánica, o porque a menudo solía aparecer cualquier otra cosa que retenía mi tiempo y mi atención. Pero al final, después de ver como algunos compañeros la construían, me decidí a embarcarme en la aventura.

Excepto por algunos pocos requerimientos mecánicos, abordar el diseño y construcción de una máquina de este tipo no es demasiado problemático. Podemos guiarnos por ejemplo con los grabados de los libros clásicos de física de la biblioteca de nuestra ciudad, o en copias de viejos tratados que están disponibles en la red en formato PDF. Y si buscamos un poco en la Red también encontraremos las Wimshurst en decenas de páginas de divulgación científica, así como en webs de aficionados a estos temas que se han construido su propia versión y explican con pelos y señales la manera de reproducirlas.

Para iniciar este proyecto dispongo también de dos Wimshurst reales que me ha prestado mi amigo Juan. Una de discos de 28 cm. que se vende en forma de kit en Intermet por unos 150 €, aunque está construida de forma bastante espartana, con mucho plástico y tanto los sectores como los condensadores está hechos de forma rápida con pintura conductora metalizada. Y la otra máquina es un bonito modelo clásico de principios de 1900, con discos de tan sólo 20 cm, base metálica y sistema de giro mediante eje transversal y correa única.

Dos Wimshusrt de las que dispongo para comparar medidas y resultados: a la izquierda un kit actual que se vende
 en Internet por  unos 150 €,  y a la derecha una bonita máquina de principios de 1900 con discos de sólo 20 cm.




Yo tiraré un poco por el camino de en medio. Nunca me ha gustado construir dispositivos a partir de un plano, pieza a pieza y con indicación del diámetro y longitud de cada uno de los tornillos. Tampoco quiero ser esclavo de materiales casi imposibles de encontrar o seguir de forma ciega algunas afirmaciones sin haberlas antes comprobado personalmente. En primer lugar voy a documentarme sobre los principios de funcionamiento, pediré consejo a algunos compañeros con experiencia en este tema y después sopesaré las distintas opciones para decidir cómo y con qué voy a construirla.




   Construcción de los discos sectorizados

Comenzando con mi propia Wimshurst, en primer lugar me dedicaré a construir los dos discos sectorizados, es decir los dos círculos de material aislante con un cierto número de sectores metálicos de forma alargada situados alrededor de la periferia.

En las primitivas Wimshurst los discos eran de ebonita, uno de los primeros plásticos creado por Charles Goodyear en 1839 en sus intentos de vulcanizar el caucho con azufre. La ebonita es altamente aislante, moldeable al principio y suficiente dura después como para ser trabajada con herramientas de corte, pero hoy en día es casi imposible encontrarla porque ha sido sustituida por otros tipos de plásticos más baratos y de mejores características. En la construcción de máquinas electrostáticas ahora se utiliza normalmente el metacrilato o el policarbonato, en transparente, matizado o negro, que podemos encontrar en forma de hojas de diverso grosor en ferreterías especializadas.

El problema suele ser que en mi isla algunas cosas no son fáciles de conseguir, ya que en las ferreterías y tiendas de recambios sólo se encuentran aquellos materiales que normalmente utilizan los profesionales, como electricistas y fontaneros, resultando el resto tan extraño a los dependientes de estos comercios como si a un Tuareg del Tasili le pidieras un helado de vainilla cubierto de praliné.

Aquí aún se puede conseguir metacrilato en una pequeña fábrica de lámparas, marcos y soportes de adorno, pero es bastante caro, y antes de coger el coche para ir al polígono industrial, pasé por una ferretería donde tuve la suerte de encontrar unas hojas de metacrilato de 1,5 mm de grosor y diversas medidas rectangulares, que normalmente se utilizan para sustituir el cristal en el enmarcado de cuadros y láminas. Las hojas de 30 x 40 cm cuestan 3,4 €, y dos de ellas serán suficientes para fabricar los dos discos de 30 cm. de diámetro, sobrándome dos franjas rectangulares de 10 X 30 para algún otro montaje.

Hojas de metacrilato de 30 x 40 cm y 1,5 mm. de grosor, y las mismas una vez marcadas con un cúter y cortadas doblandolas contra una esquina

 


Bien, ya tengo el metacrilato, ahora tomo el cuadrado de 30 x 30, marco el centro y la circunferencia con un compás. Recorto el borde de forma vagamente poligonal y lo coloco en mi "Cortadora Experimental de Discos", o CED, como la llamo para abreviar. Tras la operación, en pocos minutos obtengo dos discos de 29,5 cm. de diámetro con una forma y acabado bastante precisos.

Vídeo del corte de uno de los discos con el dispositivo CED

Vídeo de YouTube



Las siguientes imágenes muestran los discos cortados con el CED, que ya tienen el agujero central de 6 mm, que coincidirá con el espesor del eje de latón donde más tarde van a girar.

Los discos ya cortados con una sola pasada y con una terminación de la periferia que no precisa ni lijado

 


Seguidamente vamos a calcular y fabricar los sectores metálicos, que son uno de los elementos distintivos de la Wimshurst respecto a otras máquinas semejantes.

Para ello utilizaré un programa de cálculo específico original del profesor Queiroz, que ya he citado anteriormente y que tiene una estupenda web de trabajos relacionados con la electrostática. Dicho programa se llama
Wimhurst Machine Designer y es de libre uso y distribución. Lo bajamos y lo ejecutamos en nuestro ordenador.

La interfaz del WMD es muy sencilla, y en su parte izquierda muestra una serie de cuadrados de texto con datos y medidas que podemos configurar a voluntad, como el diámetro de los discos, el número de sectores metálicos, la separación entre los mismos o su longitud, a partir de los cuales el programa calcula con cierta aproximación los resultados experimentales que podemos esperar de discos semejantes, como la longitud máxima de chispa o la intensidad en cortocircuito que suministrará. Otro resultado interesante se presenta en forma de gráfico en la parte derecha de la ventana, mostrando la imagen de un sector del disco, que podemos imprimir y montar en mosaico para que crear una platilla del disco completo.

El programa wmd.exe del profesor Queiroz es una buena ayuda para confeccionar los sectores de los discos



Como puede verse en la imagen anterior, para el cálculo de mi Wimshurst he utilizado los siguientes valores
:

Disk diameter: 29.8 cm.
Numbre of sectors: 20
Sector length: 7 cm.
Outer margin: 0.5 cm.
Sector width/sector spacing: 2

Para estos datos de entrada el programa arroja una longitud máxima de chispa de 7,61 cm y una intensidad de cortocircuito de 23,32 microampers. Se observa que los sectores son bastante grandes y están bastante próximos entre ellos, sobre esto he de decir que he utilizado estos valores porque me interesa más una intensidad más elevada que una tensión muy alta de salida, parámetros que se invertirían con sectores más pequeños y más separados. De todas formas, según el programa la tensión máxima oscilará sobre los 70 KV, es decir, nada despreciable.

También es necesario advertir que estos valores son sólo orientativos, puesto que existen muchas otras variables externas a los discos o incluso a su influencia mutua que pueden afectarles, pero en todo caso se podrían considerar como valores máximos en condiciones ideales.

Siguiendo con el proceso imprimo la forma que han de tener los 40 sectores (20 por disco) y los marco y recorto sobre cinta de aluminio adhesiva, del tipo utilizado en unir y sellar conductos de aire acondicionado. Los 20 sectores por disco estarán colocados con una diferencia angular de 360 / 20 = 18º, a medio centímetro del borde y cuidando que la punta inferior esté bien orientada hacia el centro de la circunferencia.

Una vez marcadas las posiciones con rotulador permanente, ya no resulta demasiado complicado ir pegando los sectores sobre el disco, sólo tener en cuenta que esta cinta de aluminio tiene un adhesivo de buena calidad que con solo tocar el metacrilato se queda pegada de forma consistente, hasta el punto que si hemos de despegarla para corregir la posición, ha de hacerse muy lentamente y con cuidado, porque en caso contrario se corre el riesgo de romper la cinta de aluminio.  

Marcado y recorte de los 40 sectores de aluminio adhesivo, y aspecto de  los dos discos ya acabados

 


En algo menos de una hora acabo los dos discos, habiendo dejado en el aluminio alguna pequeña arruga o las inevitables burbujas de aire que queda capturado entre éste y el metacrilado, y que puede quitarse pinchándolas con una simple aguja y presionando después la zona con un objeto plano pero de bordes redondeados.

Tanto del programa del profesor Queiroz como de la documentación que he encontrado sobre la Wimshurst se deducen algunas propiedades de los sectores y por ende de la propia máquina en general. Para empezar se considera que la longitud máxima de la chispa será aproximadamente de 1/3 del diámetro de los discos, que en este caso son de 29,8 cm, dando 10 cm. de chispa. Pero además este valor estará limitado por la separación entre sectores comprendidos en un arco aproximado de 120º grados, ya que para mayores voltajes comenzarán a saltar arcos entre los sectores que impedirán una mayor carga de las Botellas de Leyden. Tal distancia sería en este caso la que nos limitará la chispa a 7,61 cm.

La intensidad eléctrica suministrable tiene que ver también con el tamaño de los discos y con la mayor o menor superficie de los sectores, dando más intensidad cuanta mayor sea la superficie "ocupada" por la parte metálica, lo cual se contrapone a las separaciones y por tanto a la tensión máxima. Por este motivo, al diseñar una Wimshurst será necesario encontrar el punto de equilibrio entre ambos factores.

De todas formas, estos cálculos son a la fuerza muy inexactos, porque si bien la constante de ruptura del dieléctrico del aire seco es de 3 KV. por milímetro, este valor baja de manera radical con el grado de humedad y con las formas puntiagudas, hasta valores que pueden ser inferiores a 1 KV. por milímetro. Aparte de esto, la humedad y las impurezas depositadas sobre un material aislante, como el metacrilato, también pueden causar arcos y fugas para valores de tensión muy inferiores al teórico, haciendo que la distancia "eléctrica" del aislamiento entre sectores sea en realidad bastante inferior a la física real.
Durante el montaje también intuyo que en la intensidad suministrada por la máquina ha de verse influida por otros factores añadidos a la superficie cubierta por los sectores de aluminio, aunque de momento, hasta comenzar las pruebas, no podré precisar la importancia de tales factores, que más adelante especificaré.

Por todos estos motivos opino que hemos de ser conservadores con los resultados esperados, aunque yo ya estaría satisfecho si se aproximaran al 80% de los calculados.




  La base de madera contrachapada, los soportes de los ejes y los cojinetes de fricción


La base será de tablero de haya contrachapada, de 30 x 22 cm. con un grosor de 2 cm, más que suficiente para dar consistencia al conjunto y añadir algo de peso a la máquina, ya que es importante que al darle a la manivela para hacer girar los discos, la Wimshurst no se nos mueva ni salte sobre la mesa.

Lo siguiente serán los dos brazos-soportes verticales del mismo tablero pero de sólo 1,2 cm de grosor, con 24 cm. de altura y forma trapezoidal de 6 cm. en la base y 3 en el tope. Estos brazos serán los que sujeten los dos ejes, el inferior de la manivela y las poleas grandes, y el superior de los discos sectorizados con sus poleas pequeñas.

La siguiente imagen muestra estos dos brazos-soporte a los que he añadido un refuerzo en la base para aumentar la estabilidad. Aquí los tengo apuntalados el uno contra el otro y colocados entre dos escuadras mientras se seca el pegamento Araldit, para que se mantenga la verticalidad y no me encuentre luego sorpresas en el momento de montarlos.

Los dos brazos-soporte verticales apuntalados entre escuadras mientras endurece el Araldit que fija los refuerzos de la base



Seguidamente he confeccionado los cojinetes de latón que soportarán el eje inferior, hechos a partir de unos tapones de ferretería que
se utilizan en algunos muebles para esconder las cabezas de los tornillos. En las siguientes imágenes se ve el momento de aumentar el diámetro interno de 4 a 6 mm. con una broca y un taladro manual, mientras que el exterior lo he disminuido de 12 a 10 mm. Para esto último lo he montado en el cabezal de un taladro fijo al banco de trabajo y he ido rebajando con una lima plana hasta hasta el punto deseado.

Aumentando de 4 a 6 mm. el agujero central del futuro cojinete, y rebajando el diámetro exterior con una lima y un taladro fijo

 


En un rato acabo cinco cojinetes, aunque de momento sólo utilizaré tres de ellos en el eje inferior, que es el único que gira. Los dos restantes sería para montarlos en el centro de los discos principales, pero solamente si fueran necesarios por tener demasiado juego respecto al eje.

Cinco cojinetes de latón fabricados a partir de elementos de ferretería






  Construcción de las poleas y la manivela


Los siguientes elementos en mi lista de construcción son las poleas de material plástico, las grandes del eje inferior, que han de girar solidarias al eje de la manivela, y las pequeñas del eje superior, que giran locas en su eje pero que estarán unidas por tornillos a los discos principales de la máquina, y por tanto también los obligan a girar.

Las dos poleas grandes las he fabricado a partir de dos ruedas de Nylon de 10 cm de diámetro por 3,5 de anchura, utilizadas normalmente en las carretillas de transporte. Con ciertas dificultades las he montado en el torno y con una herramienta de corte muy plano especialmente hecha para este material he ido retirando el grosor sobrante, especialmente de la banda exterior. Para la acanaladura de la periferia he utilizado otra herramienta con la punta de corte en forma semicircular, de 5 mm. de anchura y 5 mm. de profundidad, creando por tanto una guía suficiente para correas de 4 ó 5 mm de sección, aunque aún no sé de que material la construiré.

Construcción de las poleas grandes a partir de ruedas de carretilla

 


El resultado no ha sido del todo malo para mi limitada habilidad con el torno, que sólo manejo de vez en cuando. La polea mantiene prácticamente su diámetro externo de 10 cm. pero ha reducido su anchura a 9 mm, dejando una pequeña ala de 2 mm de grosor a cada lado de la acanaladura. Los agujeros del eje de momento no los he tocado pero son de 10 mm, cuando el eje de latón es de 6, y por lo tanto voy a tener que introducirle un casquillo para adaptarlo.


Las dos poleas pequeñas superiores las he torneado a partir de barra de Delrin de 3,5 cm. de diámetro. La canal es la misma que las poleas grandes, y midiendo la relación de diámetros internos me da un valor de 3,6, es decir que para cada vuelta que dé la manivela, los discos superiores darán algo más de tres y media.

Las poleas grandes de nylon casi acabadas, con su anchura reducida a 9 mm. A la derecha las mismas poleas y las dos pequeñas de delrin

 


Estoy pensando que de momento no pondré cojinetes en las poleas pequeñas (que recordemos son las que hacen girar los discos), sino que me limitaré a engrasar el eje. Por este motivo, el agujero central lo he taladrado directamente en 6 mm, es decir del mismo diámetro que la varilla de latón que utilizaré como eje superior. En caso de que en el futuro note que hay desgaste, siempre puedo añadir un cojinete de fricción o incluso de bolas si fuera necesario.


Bueno... siguiendo con la cosa, he fijado los discos a las poleas superiores con tres pequeños tornillos avellanados. También he acabado los casquillos de las poleas inferiores, que van sujetas al eje de la manivela (aún no construida), mediante dos tornillos cada una.

Las poleas inferiores, con sus casquillos ya incrustados, montadas provisionalmente en su eje



Con la manivela tuve algunos problemas, ya que intenté doblar el eje inferior en forma de doble "L" invertida para conseguir la forma adecuada y que la manivela y eje fueran una sola pieza, pero cuando el ángulo de la varilla de latón superó los 50º, se rompió de forma brusca. Por este motivo construí la manivela separada, con un casquillo de latón que se atornilla al eje principal, y donde soldé la parte de la varilla que se me había roto. Con el torno y barra de PVC hice también el mango de la manivela que gira loca respecto a la varilla, y que es mantenida en su sitio por una pequeña tuerca atornillada a la cabeza de ésta.

La manivela de latón con el mando torneado de PVC






  Las correas de arrastre


Las correas de arrastre suelen ser también un problema en este tipo de máquinas, puesto que raramente se encuentra algo ya hecho que por medida, grosor y resistencia pueda servir. La correas de tocadiscos o de antiguos magnetófonos o son muy cortas o excesivamente delgadas, y las correas de máquina de coser son por lo general demasiado gruesas y rígidas para utilizarse en poleas de este tamaño.

En la máquina de mi amigo Juan, por ejemplo, la correa inicial duró apenas seis meses antes de agrietarse y comenzar a patinar, y al no encontrar nada adecuado acabó cortando un trozo de cuero, de forma bastante irregular, que va bien pero después de algún tiempo también amenaza con romperse.

Un compañero de un foro de radio antigua me comunicó que me enviaba un par de metros de junta redonda de caucho de 3 mm, de las utilizadas para fabricar juntas para motores, pero mientras estaba esperando recibir su amable regalo pensé en alguna manera de salir del paso.

Para ello utilicé cordoncillo de nylon blanco del tipo que venden en ferreterías para usos varios, calculé aproximadamente la longitud de las correas y añadí un poco más, entonces entorché tres hilos de esta longitud para conseguir un grosor alrededor de 4 mm.

Las correas las construí entorchando tres hilos de nylon de uso general, consiguiendo un grosor medio de 4 mm.

 


Después uní los tres hilos con el soldador y en un principio soldé también ambos extremos para cerrar la correa, pero el resultado fue un trozo demasiado rígido que no duró muchas vueltas sin romperse. Por este motivo reduje al máximo la parte rígida de las cabezas y simplemente las uní con bastantes vueltas de hilo de coser, tomando la precaución de anudar cada pasada en cada extremo, me manera que si un hilo se rompe no afectará a los demás.

Las poleas grandes de nylon casi acabadas, con su anchura reducida a 9 mm. A la derecha las mismas poleas y las dos pequeñas de delrin

 


En un principio intenté además ajustar la longitud de las correas para que una vez montadas no estuvieran ni muy tensas ni demasiado flojas. Pero el punto correcto es muy difícil de conseguir con algo que casi no se estira ante la tensión mecánica. La solución que encontré fue curiosa, un sistema de ajustar la longitud sin tener que cortar ni añadir ningún trozo y que expongo a continuación:

1) Primeramente debemos procurar que la correa tenga una longitud adecuada a la distancia entre las dos poleas y a la suma de sus semidiámetros, teniendo siempre en cuenta que las dos correas no van montadas de la misma forma, ya que al tener que girar los discos en sentido contrario, una tendrá forma de una "0" y la otra de "8". Siendo interesante en ambos casos que sea un poco mayor que la medida necesaria.

2) Las correas se cierran mediante cosido de sus extremos y se montan en las poleas, donde normalmente comprobaremos la holgura y la tendencia que tengan a patinar.

3) Con mucho cuidado calentamos una parte con un mechero, y a los pocos segundos observaremos como las fibras se contraen unos cuantos milímetros, absorbiendo la holgura total de la correa.

4) Cuando la holgura ya no sea observable, se desmonta de una polea y con el mechero se calienta un poco más, dando un pequeño toque de tensión adicional que normalmente nos bastará para que al montarla de nuevo funcione de maravilla.

5) Si nos hemos pasado y la tensión es excesiva, también calentaremos una porción pero con la correa montada, con lo cual este trozo va a estirarse levemente hasta una nueva medida que se mantendrá cuando la zona se enfríe.

En estas operaciones de "calentamiento" debemos tener la precaución de no fundir ni cortar las fibras, ni insistir siempre en el mismo punto, puesto que de forma inevitable la zona más afectada va a perder flexibilidad y por tanto cuando la máquina esté funcionando
afectará a la regularidad del giro.

Este método empírico puede parecer complejo, pero realmente no lo es. Puedo asegurar que en pocos minutos se conseguirán dos correas ajustadas y mucho más fuertes y flexibles que sus equivalentes de cuero o caucho.

Y si alguien se pregunta si se podría utilizar directamente un trozo de cabo del diámetro adecuado, la respuesta es sí, pero mientras sea exclusivamente de fibras trenzadas, porque muchos cabos, especialmente aquellos utilizados en náutica, tienen la funda exterior trenzada pero el interior está compuesto de fibras lineales, que no van a comprimirse ni expandirse de la misma manera al aplicarle calor, y además, probablemente, un material de estas características carecerá de la necesaria flexibilidad para conseguir una buena tracción sin que esté demasiado tenso, forzando las poleas y .





  Las Botellas de Leyden


Las Botellas de Leyden no son otra cosa que condensadores capaces de aguantar tensiones altísimas. Fueron inventadas en 1746 por Pieter van Musschenbroek en la Universidad de Leyden, y perfeccionadas al año siguiente por William Watson y Jean Antoine Nollet. Estas botellas o "jarras" (en inglés se las denomina "Leyden Jars") fueron el primer sistema que permitió acumular las cargas eléctricas de las máquinas electrostáticas y efectuar demostraciones del poder de la electricidad en que eran capaces de hacer saltar chispas consistentes y de aturdir e incluso matar pequeños animales.

Las Botellas de Leyden están constituidas por un recipiente de cristal con una capa conductora en el interior y otra en el exterior, separadas precisamente por el cristal que actúa de dieléctrico. Si son de pequeño tamaño su capacidad no es demasiado alta, a lo sumo un par de cientos de picofaradios, pero debido a que la energía acumulada crece con el cuadrado de la tensión, incluso estas bajas capacidades cargadas a cientos de miles de volts, pueden resultar peligrosas.

Siguiendo los consejos de mi amigo David, para la construcción de mis Leydens he utilizado vasos de cristal del tipo cóctel, que son muy delgados de pared y prácticamente cilíndricos. En su interior he pegado una hoja de papel de aluminio de cocina, y en el exterior la misma superficie del aluminio adhesivo que ya utilicé para confeccionar los sectores de los discos.

En la siguiente imagen pueden verse las partes de estas Leydens, el propio recipiente ya cubierto interna y exteriormente de hoja de aluminio y algunas partes torneadas en PVC gris, que de derecha a izquierda muestran el disco de centrado interno, el tapón superior y el soporte de la base inferior que se atornillará a la madera de la Wimshurst.

La parte superior del vaso no cubierta por el aluminio es una zona de "seguridad" contra los arcos de descarga que podrían formarse entre el interior y el exterior del condensador. Cuando el conjunto esté montado habrá unos 9 cm. de distancia entre ambos elementos, y teniendo en cuenta que las dos Leyden irán conectadas en serie, calculo que podrían acumular tensiones del orden de 160.000 Volts antes de se produjera la descarga.  

Los contactos de la Leyden son por una parte la propia hoja de aluminio de la armadura externa, y una varilla de latón 4 mm. sujeta por el tapón y un centrador interno.  A la parte baja de esta varilla le he soldado una cruz de cobre que al introducirse en el vaso hará contacto con la armadura interna de aluminio

Partes de las Botellas de Leyden desmontadas, los vasos, la base, el tapón y el centrador
 interno de PVC, y las varillas centrales de contacto interno con la cruz de cobre inferior




En la siguiente imagen puede verse el montaje de una Leyden, con la cruz de cobre doblada para que roce con el aluminio interno. El disco inferior de centrado está fijado en su posición mediante un simple terminal de regleta eléctrica.

Un detalle a tener en cuenta es que el vaso de cristal no es perfectamente cilíndrico, y por este motivo la armadura externa de aluminio la he tenido que construir en cuatro partes. En teoría el contacto eléctrico entre ellas ha de ser bueno, pero este aluminio es adhesivo y la delgada capa de pegamento en la práctica aísla los puntos de contacto. Este detalle puede falsear la capacidad del condensador formado y que salten pequeñas chispas en su superficie. La solución es que cuando se pega una hoja sobre otra se corte una pequeña lengüeta y se doble al revés, con lo que el contacto metal-metal está asegurado y no debemos tener problemas en este aspecto.

Montaje del electrodo central de la Botella de Leyden



La siguiente imagen muestra las dos Botellas de Leyden acabadas y montadas provisionalmente en la máquina. En la parte superior he soldado un terminal redondo que puede atornillarse con facilidad al punto común de salida de los peines colectores, y que sujeta firmemente todo el vaso, el cual queda además encajado en el soporte inferior de PVC, atornillado a su vez desde abajo a la madera de la base.

En esta disposición aún falta instalar el puente metálico que ha de conectar las dos armaduras exteriores de las Leydens, de manera que ambos condensadores estarán en realidad en serie, disminuyendo a la mitad su capacidad, pero reduciendo las pérdidas y doblando la tensión que pueden soportar.

Montaje provisional de las Leydens en la Wimshurst, con la parte baja bien encajada en las bases
 de PVC y la alta atornillada al terminal por donde la llega la carga de la máquina




La unión central entre las dos Leydens la he hecho de forma sencilla mediante una varilla de latón cuyos extremos encajan en dos terminales de inserción tipo fusible. Este punto se puede considerar como de potencial cero, siendo los dos contactos centrales de las botellas el positivo y el negativo. Estos dos contactos, una vez quitada la varilla, serán también los que van a utilizarse como salida para algunas de las experiencias que pueden realizarse con esta máquina.

En cuanto a la capacidad, una medición de las dos Leydens en serie me arroja un un valor de 238 pF, ciertamente considerable para una máquina de este tipo que normalmente varían entre 20 y 100 pF, con lo cual puede esperarse que las descargas que se produzcan, con independencia de la longitud que consiga, serán sonoras y de considerable entidad.

Puente de unión entre las armaduras externas de las Botellas de Leyden, creando la configuración eléctrica de dos condensadores en serie






  Los elementos de carga y descarga: las barras neutralizadoras,
los peines colectores y los electrodos descargadores de salida

Bien, ya tenemos montada la base de la máquina, los brazos-soportes de los ejes, los discos, las poleas, las correas y la manivela. Los discos ya pueden girar rápidamente, y ahora continuaremos con algunos elementos que tiene que ver con la creación y captura de la carga eléctrica, como son los peines colectores y las barras neutralizadoras.

Estas barras, que para abreviar llamaremos sólo neutralizadores, ya las hemos descrito anteriormente, y son en realidad dos varillas metálicas acabadas en escobillas en cada extremo.
Cada neutralizador consta de tres partes, los dos brazos, hechos de varilla de latón de 4 mm. de grosor y 13 cm. de longitud total y la pieza central de unión, también de latón, de 2 cm. de diámetro y 1,2 cm de longitud. Esta pieza está encajada en el eje superior y por tanto mantiene el conjunto perpenticular con el mismo. La unión de los brazos con la pieza central se efectúa mediante rosca de 4 mm y contratuerca, porque los brazos han de poder ajustarse para que estén en línea con el eje y bloquearse después. 

La imagen siguiente muestra los dos neutralizadores desmontados y sus piezas centrales de unión entre sí y con el eje. En un principio había fabricado estas piezas de delrin, pero no las consideré suficientemente sólidas y las cambié la sección de barra de latón de las medidas ya indicadas.

Partes de las dos barras neutralizadoras, compuesta cada una  de ellas
 por dos varillas dobladas en cierto ángulo y la pieza central de unión




Las barras neutralizadoras han de acabar en escobillas que hagan un buen contacto con los sectores metálicos a medida que pasan por debajo. Sobre estas escobillas hay mucha literatura, pero en realidad pueden estar hechas de casi cualquier material conductor, aunque siempre es preferible que sea un metal distinto al de los sectores. El motivo es que interesa que en el contacto entre dos metales distintos se forman pequeñas cargas que a modo de "semilla" ayuden a cebar la máquina en el momento del arranque.

Por este motivo he elegido cinta de cobre de 3 mm. de anchura para las escobillas, procedente de los rollos desoldadores que utilizamos los técnicos en electrónica para absorber el estaño de los componentes en el momento de extraerlos del circuito impreso. Otra ventaja de esta cinta es que es muy flexible y suave, lo cual siempre compensará mejor las pequeñas oscilaciones laterales que puedan tener los discos y causará menos desgaste al rozar contra los sectores metálicos.

La forma de sujetar las escobillas la he dispuesto provisional para las primeras pruebas, mediante un terminal eléctrico suficientemente sólido, aunque de estética discutible en relación al resto de la máquina.

Forma provisional de sujetar las escobillas de cinta de cobre a las barras neutralizadoras



La primera de las imágenes siguientes muestra una de las barras neutralizadoras montada sobre el disco situado del lado de la manivela, con un ángulo respecto a la horizontal semejante al que tendrá durante el funcionamiento de la máquina. La segunda imagen es un detalle de la pieza central, de la unión roscada con los dos brazos y de una tuerca redonda con el borde estriado cuya misión es apretar la pieza central contra el soporte de madera, para bloquear todo el conjunto de las barra y que no cambie el ángulo en que se haya prefijado.

Vista de la barra neutralizadora correspondiente al disco frontal de la máquina, calada de momento en un ángulo de algo
 más de 60º. La segunda imagen es un detalle de la pieza de unión y de la tuerca circular de bloqueo de posición


 


Otra cosa que también he explicado anteriormente es que los peines colectores tienen un soporte de latón forma de "U" y abrazan la periferia de los discos en cada uno de sus lados, en las posiciones de 90 y 270º.  La primera de las imágenes siguientes muestra un pequeño útil de madera que se me ha ocurrido para el doblado de la varilla, y que facilita darle la forma y las medidas correctas sin demasiado esfuerzo. En la segunda se ven dos colectores a medio acabar, con la forma final y la rosca para sujetarlos, pero aún sin las agujas, que sí pueden verse sobre la pieza de madera, y que he fabricado a partir de hilo de acero de clips de oficina, de 1 mm de sección, cortándolas a medida y sacándoles punta con el Dremel y un disco de widia.

Fabricación de los peines colectores con la ayuda de un útil de madera, y dos colectores a medio acabar, con las agujas a punto de ser soldadas

 
 

Los peines colectores irán sujetos a una cruz de metacrilato empernada en la parte alta del brazo-soporte posterior de la máquina, a la altura de su eje superior. La forma de sujetarlos será hacerles tres centímetros de rosca, que servirán para la contratuerca interna, la externa, el contacto de la Botella de Leyden y dentro de unos días, la pieza de soporte de los explosores de bolas de salida, que aún he de fabricar. La siguiente imagen muestra el proceso de crear la rosca de 4 mm mediante una hembra de esta medida y su mango correspondiente.

Proceso de hacer rosca de 4 mm. y de una longitud de 3 cm. a la parte
 donde el peine-colector se sujeta al resto de la máquina




Para poder realizar algunas experiencias con colectores he fabricado dos juegos de distinta anchura, en concreto de 2,5 cm. y de 3,5 cm, las primeras de las cuales ya tiene las agujas, que como ya se ha dicho, utilizan el efecto de concentración de cargas en su punta para "recoger" las cargas de los sectores metálicos y pasarlas a las Botellas de Leyden.

Dos juegos de peines colectores para experimentar con ellos, respectivamente de 2,5 cm. y de 3,5 cm.
 de anchura. Observando que los primeros ya tiene las agujas que forman el peine propiamente dicho




En la parte trasera de la máquina, a la altura del eje superior, dispondremos de una cruz de metacrilato de 24 x 3 x 1 cm. que será el punto donde se fijarán tanto los peines colectores como los contactos centrales de las Leydens y las varillas ajustables de los explosores de salida. La cruz principal está algo separada del soporte vertical de madera y fijado a su vez a otra cruz más pequeña, también de metacrilato, que mantendrá su horizontalidad incluso si retiramos las Botellas de Leyden, lo cual ha de poder hacerse para llevar a cabo ciertas experiencias electrostáticas.

Por otra parte, este soporte se ha hecho de metacrilato porque es muy importante conseguir el máximo aislamiento entre ambos peines de salida, entre los cuales pueden establecerse diferencias de potencial de más de 100.000 Volts pero con tan baja intensidad disponible, que convertiría casi en un cortocircuito materiales menos aislantes y que absorben humedad, como la madera.

La cruz de metacrilato que aisla y sujeta los peines colectores y la cabeza de las Leydens, y detalle
 de los peines colectores de 2,5 cm, con cuatro puntas en un lado y 5 en el otro


 


La demostración más frecuente e inmediata que suele realizarse con una Wimshurst es hacer saltar impresionantes chispas entre los extremos de dos electrodos ajustables en distancia, los cuales están unidos eléctricamente a ese punto común entre los peines colectores y las Botellas de Leyden.

Estos electrodos no tienen muchos secretos. En realidad son sólo una varilla sujeta en un punto articulado, que se prolonga hacia abajo con un mango aislante que permite ajustarla manualmente, y hacia arriba hasta los elementos terminales en forma de pequeña esfera. Algunas Wimshurst llevan sólo una esfera terminal, pero es más frecuente la disposición de dos esferas colocadas una a continuación de la otra una, siendo la interior de un diámetro doble o triple de la exterior. En mi caso, la mayor es de 20 mm y la menor de 9 mm.

El motivo para esta disposición tiene que ver con la distinta repartición de cargas sobre las esferas de diferente diámetro, lo cual condiciona la intensidad del campo eléctrico que tiene a su alrededor, afectando a la ionización del aire circundante y por tanto a que las chispas alcancen más o menos longitud. Con respecto al campo eléctrico, una esfera actúa de forma contraria a una punta, porque al repartir la carga de forma más uniforme en su superficie, minimiza las pérdidas por efecto corona, permitiendo que la tensión suba más rápidamente y a un nivel mayor antes de que la chispa se establezca.

El problema con estas pequeñas esferas es que no las encuentras en las ferreterías, o al menos en las ferreterías de sitios pequeños, como en mi caso, y por este motivo he tenido que fabricarlas con el torno perdiendo más tiempo del que hubiera deseado. Si tuviéramos que hacer doscientas no habría más problema, porque ya nos preocuparíamos de conseguir la herramienta de corte necesaria acabada en forma semicircular y con el diámetro de la bola que necesitamos, pero para cuatro bolas en dos diámetros distintos no nos va a tocar más remedio que hacerlo de manera un poco improvisada, una a una, con varilla o barra de latón del diámetro correcto girando rápido, dándole una forma previa con las propias herramientas del torno y mejorando el acabado con limas de distintas formas.

Cualquier mecánico sabe que la forma esférica que se obtiene por este sistema es siempre mejorable, pero jugando un poco con el rectificado final conseguimos algo que se parece bastante a la idea inicial. Una vez lista la esfera, utilizaremos papel de lija de grano fino para darle un pulido que siendo bonito en estética es más importante aún para evitar pérdidas de carga, y tras practicarles la adecuada rosca interior, la montaremos en la varilla de 4 mm. que hemos roscado anteriormente.  

En la fabricación de pequeñas esferas con este procedimiento hemos de tener extremo cuidado con el torno, puesto que el cabezal está girando a gran velocidad y nosotros sujetamos la lima bastante cerca de su radio de acción, así por tanto es necesario llevar las mangas cortas para que no puedan engancharse y no perder de vista ni un sólo segundo la operación, ya que de cogernos una mano en el torno las consecuencias podían ser muy graves.

En la misma tarde aprovecho también para fabricar los dos mangos aislantes de PVC a partir de barra de 12 mm. La longitud total será de 7 cm, y es muy importante que el aislamiento sea perfecto, ya que en caso contrario nos exponemos a un desagradable calambrazo cuando intentemos ajustar la distancia entre electrodos. 

La siguiente imagen de la izquierda muestra una de las esferas en el proceso de pulido, aunque en este caso no he utilizado el torno, sino un simple taladro montado de forma fija al banco de trabajo. A la derecha pueden verse las dos piezas acabadas, con el mango de PVC, la pieza perforada de sujeción, la varilla prolongadora y las dos esferas de latón.

En algunas Wimshurst los mangos aisladores de los electrodos de salida están en línea con las varillas prolongadoras, en otros en cambio forman un cierto ángulo. Yo he preferido esta segunda opción, ya que en mi caso estos elementos están muy cerca de las Leyden y su movimiento sería dificultado además por el propio soporte de metacrilato.

Pulido de las bolas de los electrodos de salida , y las dos piezas acabadas, con mango aislante, sujeción, varilla prolongadora y bolas descargadoras

 





  Barnizado de los elementos de madera y montaje de la máquina


Una vez acabados todos los elementos individuales y he comprobado que se acoplan entre ellos sin problemas, procedo al desmontaje para barnizar las partes de madera.

Le doy una lijada con papel de 280 y después de 400, y para aumentar un poco el tono de color del tablero le aplico dos manos de tinte al agua Orita color pino, especial para madera, dejando que seque a lo largo de seis horas para después aplicarle dos capas de barniz transparente satinado.

Parte de los elementos desmontados para proceder al barnizado de los soportes de madera, y proceso de teñido previo al barnizado

 


El resultado estético ha sido bueno, teniendo además en cuenta que no estoy intentando reproducir fielmente una Wimshurst de finales del XIX, sino algo funcional pero con mejor aspecto y prestaciones que el kit de plástico que se vende en Internet.

Mi máquina de Wimshurst a punto de efectuar las primeras pruebas



Dos imágenes con más detalle de la parte trasera

 





  Las primeras pruebas


Hago girar la manivela y a las pocas vueltas ya comienzo a notar un intenso olor a ozono, síntoma claro que se está produciendo alta tensión, y casi instantáneamente comienzan a saltar chispas entre las esferas pequeñas de los electrodos de salida. Y sin embargo, la longitud de las mismas es decepcionante, ya que apenas alcanzan los dos centímetros y medio, que aún correspondiendo a una tensión de 25.000 volts son muy inferiores a las esperadas.

Procedo a efectuar un ajuste de las barras neutralizadoras, conectando un microamperímetro de aguja entre los terminales de salida. La intensidad es relativamente alta, superior a 20 microampers. Variando la inclinación de las barras consigo mejorarla hasta 25 microampers, superior a los 23 predichos por el programa de Queiroz, y sin embargo las chispas no aumentan apreciablemente de longitud, y siguen muy lejos de los 7,6 cm indicados por el mismo programa.

Las primeras chispas de 2-2,5 cm, de cuerpo consistente pero cortas en longitud
 


Realizo una serie de pruebas en un cuarto a oscuras, donde puedo observar que los discos de mi Wimshurst brillan casi como un árbol de navidad. Hay numerosos arcos entre los sectores comprendidos entre los peines colectores y las escobillas neutralizadoras más próximas a cada uno de ellos. Es evidente que estas descargas están restando tensión a las salidas de la máquina y que ello tiene que ver con la poca distancia entre sectores. Otra evidencia es que los discos de metacrilato se están marcando con unas feas líneas negras, así como los propios sectores de aluminio. Parece ser como si el reguero de chispas casi permanentes estén creando caminos en que "queman" por donde pasan.

Después de algunas pruebas más en que no consigo mejorar el resultado, decido desmontar los discos y corregir los 40 sectores sin tener que fabricarlos de nuevo. La idea es marcar y cortar dos franjas de 4 mm. en cada lado, con lo cual la distancia entre ellos pasará de 11 a 19 mm. Acabo el trabajo en apenas una hora y ya que tengo la máquina como un puzle de piezas deparramadas sobre la mesa, aprovecho para cambiar el sistema de sujeción de las escobillas neutralizadoras. Para ello doblo los extremos para que sean casi paralelos a los discos y con un disco de widia practico un corte en sus extremo. Después perforaré un agujero de 1,5 mm para el tornillo de sujeción y en cada uno de estos puntos colocaré nuevas escobillas, ya que las anteriores también han sufrido un cierto desgaste debido a los "fuegos artificiales".

Otra cosa que aprovecho para hacer es equilibrar los discos lateralmente, introduciendo una simple hojita de papel entre el propio disco su polea de Delrin correspondiente. Con un eje de 6 mm. montado en el caracol de la mesa de trabajo voy ajustando y cambiando el apriete de los 3 tornillos hasta que consigo oscilaciones laterales que apenas superan al milímetro, lo cual, para discos de 30 cm. de diámetro es un ajuste satisfactorio.

 Cambiando la sujeción de las escobillas neutralizadoras, perforando el agujero de sujeción y cortando una hendidura con un disco de diamante

 


Colocando nuevas escobillas y aspecto del sistema una vez acabado

 


Monto la máquina de nuevo y algo ha mejorado, ahora las chispas ya superan los 4 cm y las "luces navideñas" en la oscuridad han disminuido de forma apreciable. Sin duda el rendimiento ha mejorado, pero no es suficiente. En la Wimshurst de mi amigo observo que las puntas de los peines neutralizadores están bastante lejos de los discos, en concreto a más de 1 cm. No puedo imaginarme como al aumentar la distancia de salto puede mejorar al tensión final, pero como esta máquina es un ejemplo bastante complejo de un sistema autoexcitado, es muy posible que no tenga en cuenta todos los factores.

Sin desmontar los discos, cambio las varillas y los peines colectores por el tipo grande, que permite que las agujas más separadas, y de forma sorprendente la intensidad aumenta hasta los 28-30 microampers, pero la tensión no parece variar un ápice y por tanto tampoco crece la longitud de chispa. Y en este momento se me ocurre romper con las teorías mas extendidas sobre la Wimshurst con respecto a los peines colectores, las cuales dicen que las puntas han de ocupar toda la longitud de los sectores. Y sin embargo, yo no acabo de entender muy bien la motivación de este principio, ya que los sectores son metálicos y por tanto la movilidad de las cargas es suficientemente grande para que puedan ser "recogidas" en cualquier punto del mismo.

Mi idea es desmontar todas las agujas fijas y sustituirlas por dos ajustables, con lo que podré ir variando la distancia y establecer comparaciones. Según la teorías citadas el rendimiento de la máquina debería disminuir de forma apreciable, pero sin embargo no es así, con las dos agujas a la misma distancia de los discos no hay diferencia alguna con utilizar cuatro agujas por lado, lo cual demuestra mis sospechas. Y además cuando comienzo a acercar las agujas noto una mejora notable de la máquina, las chispas máximas aumentan a 5 cm. y se producen con una cadencia mayor que antes.
 

Pruebas con peines colectores más separados y con sólo dos puntas ajustables

 


Esto progresa, pero sigue sin ser suficiente. Entonces decido cuestionar otro de los dogmas establecidos sobre esta máquina, que es la distancia entre los discos. La documentación que he encontrado recomienda mantener los discos la unos 2 ó 3 mm. pero que nunca, en ningún caso, lleguen a tocarse. Los motivos no se explican, pero me temo que es afirmar las cosas porque otros lo han hecho anteriormente.

Sobre este tema mis ideas han ido evolucionando a lo largo de la construcción de esta máquina. En un principio pensé que al funcionar por los efectos de inducción de cargas y multiplicación de la tensión debido a los condensadores variables que forman los sectores metálicos, su rendimiento sería mayor cuanto más cerca estuvieran los discos de soporte. y aunque estos llegaran a rozarse, tampoco sería un problema mientras el uno no frenara el movimiento contrario del otro. Pero después de meditar bastante sobre el tema y en vista de los resultados obtenidos hasta ahora, estoy pensando en una nueva posibilidad: que para conseguir una tensión más alta, aunque no corresponda al ajuste que proporciona una mayor intensidad en cortocircuito, es necesario maximizar la "variación de capacidad". Es decir, buscar las formas de los sectores, la distancia entre ellos en el mismo disco, y el ajuste de distancia entre discos, para que los dos valores de capacidad entre la posición de los sectores enfrentados y la posición de los sectores intercalados sean lo más distintos posible.

Entonces, teniendo en cuenta estas premisas, la tensión más alta conseguida no sólo dependerá de la distancia entre sectores que establece la tensión de arco, sino también de la variación anterior. Para sectores muy estrechos y separados entre ellos, ambos factores permitirán una tensión final muy grande, pero entonces la limitación vendrá de la baja intensidad en cortocircuito que suministra, lo cual provocará que la tensión, limitada también por las pérdidas superficiales y de ionización no suba tanto como debería.

Estos razonamientos tal vez puedan ser el motivo por el cual algunos aconsejan que los sectores han de situarse sobre un disco a una distancia igual a su anchura, aunque quienes dicen esto piensan más en la distancia de arco que en el efecto multiplicador de las cargas.

Como sea, desmonté mi máquina parcialmente y fui añadiendo arandelas de separación entre los discos, y como sospechaba, esto se tradujo de inmediato en mayores longitudes de chispa, hasta que con una separación interna de 6 mm, a los que debemos sumar 1,5 + 1,5 del grosor del metacrilato de los discos, es decir, de 9 mm. entre sectores enfrentados, conseguí los mejores resultados... ¡¡ con potentes chispas que llegan a saltar a distancias de hasta 9 cm...!! ... Y eso que he realizado las pruebas con un porcentaje de humedad ambiente que supera el 75%...

La evidencia de estas pruebas empíricas me demuestra algo que hasta ahora no he visto en ninguna descripción de la Wimshurst; que para cada tipo de sectores habrá una distancia óptima entre discos, la cual será menor para sectores estrechos y muy separados, y mayor en aquellos anchos que produzcan un cierto solapamiento al girar.

A partir de este punto ya pude ir sobre seguro, modifiqué los peines estrechos con tres agujas en cada brazo (más que nada por estética, ya que con una aguja sería suficiente), y les di la longitud adecuada para que se acercaran lo más posible a los discos, naturalmente sin tocarlos. Incorporé además unas tuercas terminales con botón de baquelita que permiten apretar más o menos los brazos de los descargadores de salida, y con algunos detalles más la máquina quedó lista y a punto de operar, como demuestran las siguientes imágenes y el vídeo que vienen a continuación.

Detalle de la distancia entre discos y de los nuevos peines colectores, y una impresionante chispa de 9 cm, equivalente a unos 80-90 Kilovolts

 


Una vez la máquina ya funcionaba perfectamente se me ocurrió probar una configuración que no he visto en ninguna Wimshurst: la de sustituir los peines de agujas por escobillas de contacto, a igual que los neutralizadores. Modifiqué un poco los terminales que ya había usado para estos y los inserté el las "U", al lado de las agujas. Naturalmente, aunque éstas sigan estando, ahora no efectúan ninguna acción, por estar eléctricamente "cortocircuitadas" por un camino más fácil que las cargas no han de saltar.

...Y la sorpresa es que también funciona. Las chispas son de la misma calidad y longitud máxima, e incluso diría que se alargan más en la disposición simétrica de los descargadores de salida, enfrentando las esferas pequeñas. Otra diferencia que noto es que que la máquina tarda algo más en cebarse, casi quince segundos la primera vez, pero después la cadencia de chispas no muestra cambios con la disposición tradicional.

Un efecto que antes apenas había notado es que al cebarse y aproximarse el momento de la descarga, noto que los discos ofrecen más resistencia al giro, e incluso cambia el ruido de toda la máquina. Es evidente que forzar el cambio de capacidad de los condensadores se hace a costa de un esfuerzo mecánico, pero por algún motivo esta transformación parece ser más costosa con escobillas en vez de agujas.  

Prueba de recoger las cargas de los sectores con escobillas de cobre

 


Una vez satisfecha la curiosidad por esta variación, regreso a los colectores de agujas y sigo probando la máquina para ver sus límites. E
n cuanto a la comparación con las dos Wimshurst que me habían prestado, por decirlo de alguna manera, no hay demasiado color. La clásica de 1900 tiene distancias tan pequeñas entre sus elementos que sus chispas apenas alcanzan los 3 cm antes de comenzar a cortocircuitarse sobre los discos, entre los peines y los neutralizadores, y el kit moderno consigue como máximo unos 6 cm, y al ser menores tanto la intensidad en cortocircuito como la capacidad de las Botellas de Leyden, sus descargas son más delgadas y tardan más en cebarse y saltar.

Vídeo del funcionamiento de mi Wimshurst con explicación del ajuste de los electrodos de salida

Vídeo de YouTube



En este punto, y después de un par de semanas de trabajo, ya puedo dar el proyecto por acabado. La máquina va muy bien, y en las condiciones de humedad habituales en mi isla, rondando el 70 o 75%, casi alcanza la máxima tensión teórica en relación al tamaño de disco, la cual estoy seguro que superaría de trabajar con índices por debajo del 50%.
 
Así que ahora podré ir planteando algunas experiencias didácticas que quiero realizar con ella, tanto las clásicas de atracción-repulsión electrostática, como otras menos frecuentes de física general, y hasta algunas novedosas que tengo en mente y que en su momento desvelaré.





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