Unidad 3. Metrologia Optica e Instrumentacion Basica

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  • 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

    3

    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.

    I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 5

  • 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

    7

    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).

    I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 8

  • 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 9

    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

    10

    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

    13

  • 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.

    I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 14

  • 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.

    I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 15

  • 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

    16

  • 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.

    I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 17

  • 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.

    I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 21

  • APLICACIONES DE LA POLARIZACIN DE LA LUZ

    1. Sustancias con actividad ptica.

    2. Polarizados o polaroides.

    3. Gafas de sol.

    4. Hologramas.

    I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 22

  • ACTIVIDAD

    Investigar 3.5. Instrumentos pticos.

    Se tomara la bibliografa existente en el Centro de

    Informacin del ITSZ

    I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 23

  • 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

    24

  • 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.

    I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 25

  • 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

    26

    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.

    I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA

    27

    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.

    I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 28

    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.

    I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 29

    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

    30

    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.

    I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 31

  • 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

    32

  • 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

    33

  • 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.

    I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 34

  • 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

    36

    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

    37

  • 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

    38

    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.

    I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 39

  • 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

    41

  • 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

    43

  • 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.

    I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA 46

  • 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

    48

    =

  • 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

    49

    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

    52

    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

    53

  • 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

    54

  • 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

    55

  • 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

    56

  • 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

    57

    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.

    I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA

    58

  • 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.

    I.I. ISIDRO CASTELN HERRERA

    59