Adivina adivinador: ¿qué tienen en común los ciclistas y las aves migratorias?

Hace unas semanas tuve la oportunidad de presenciar una competencia de triatlón.  El evento por sí solo es impresionante: atletas, hombres y mujeres, probándose a sí mism@s en tres disciplinas deportivas. Demostrando su valentía al adentrarse en un mar con cara de pocos amigos, luego montando la bicicleta para desafiar la carretera y por último calzando sus tenis y usando hasta la última gota de su energía para cruzar la meta llen@s de satisfacción. No importa el lugar en que llegaron, para mí tod@s fueron héroes y heroínas (supongo que yo por pasar tanto tiempo frente a la computadora me impresiono fácilmente por estos acontecimientos :-p ). Pero además del empeño de los y las atletas, otro detalle me llamó mucho la atención sobre la competencia: en ciclismo, aquel competidor que permaneciera a una distancia de dos metros o menos del competidor al frente suyo por más de 15 segundos era penalizado. Esto es llamado "drafting" o, como lo escuché en la misma competencia, "chupar rueda".  En palabras cotidianas,  diríamos que lo que sucede es que el ciclista que va al frente va cortando el aire. Así, el ciclista que le sigue ya no siente tanta resistencia del aire.

Aerodinámica o la ciencia de cortar el aire

Pero exactamente qué es lo que ocurre cuando se "corta el aire"?  Bueno, esta expresión que usamos coloquialmente es totalmente correcta desde el punto de vista físico. Cuando un cuerpo avanza en un medio, en este caso aire, éste se divide para rodear al cuerpo. Sin embargo, dependiendo de la forma de ese cuerpo, así serán las características de las corrientes de aire que lo rodean. Por ejemplo, pensemos primero en qué pasaría si tomamos una tabla rígida y corremos con ella de manera que su área se oponga al aire (figura a la izquierda). No es necesario llevar a cabo la experiencia para saber lo que sucederá: sentiremos una fuerza que se opone a nuestro avance, y entre mayor sea el tamaño de la tabla y más rápido intentemos ir más difícil será avanzar. Pues bien, como dije antes el aire se dividirá para pasar alrededor de la tabla. En la parte de atrás de la misma, el aire no circula de la misma manera que lo hace hacia los lados. En esta región el flujo se vuelve turbulento. Es decir, el aire se mueve de manera desordenada y forma pequeños remolinos. Debido a esto, la presión de ese lado es menor que la presión del aire contra la placa al frente. Y esa diferencia de presiones es la responsable porque sintamos una fuerza hacia atrás.  Si pensamos en un objeto esférico, la región de flujo turbulento es menor, y por lo tanto la diferencia de presiones también lo es.

El ciclista en su bicicleta

Regresando al ciclismo, un ciclista y su bicicleta no representan un diseño aerodinámico muy eficiente que digamos. Es por esto que en competencias de velocidad es muy importante no solo el diseño de la bicicleta en sí, sino que también la forma del casco del ciclista, el material de su ropa y su posición  para minimizar efectos de la resistencia del aire. El caso del ciclista sobre su bicicleta se parece un poco al de la tabla que mencionamos anteriormente.  Una región de aire turbulento se formará atrás suyo  (figura a la derecha). El ciclista debe luchar contra la fuerza de resistencia debida a la diferencia de presiones. Se ha calculado que en una carretera plana, entre 70 y 90% de la energía del ciclista debe invertirse en vencer esta resistencia. Sin embargo, si otro ciclista se sitúa en esta zona de turbulencia, la diferencia de presiones será menor para él pues tendrá una zona de turbulencia al frente (la del ciclista que va al frente) y atrás suyo (la propia), y así invertirá menos energía en vencer la resistencia del aire.  Los ciclistas experimentados saben de este hecho e incluso constituye una estrategia de equipo. Los miembros del equipo se turnan para liderar el pelotón. Quienes se encuentren dentro del grupo pueden ahorrar hasta  40 %  de su energía siguiendo al líder. Y es por este motivo también es que en muchas competencias esta practica es penalizada.   Este hecho también es bien conocido por ciclistas temerarios quienes en la autopista se acercan a camiones u otros vehículos para aprovecharse del drafting. Sin embargo, esta práctica es altamente PELIGROSA, pues la región de turbulencia puede ser tal que más bien se cree un vacío que succione al ciclista hacia el camión, causando un accidente, y no hay necesidad de explicar las posibles consecuencias para el ciclista imprudente :-s ....

Pájaros

Es posible idear formas que minimicen tal resistencia, tarea de la cual se encarga la aerodinámica.  La figura de la izquierda es un ejemplo de una forma que produce relativamente poca turbulencia. Decimos entonces que tiene un diseño aerodinámico eficiente en lo que respecta a reducir la resistencia del aire.  Por ejemplo, las alas de los aviones están diseñadas para que la zona de flujo turbulento se forme en la parte superior del ala. De esta manera, existirá una fuerza que empuja al avión hacia arriba.

Como en muchos otros casos, esto no es nada nuevo para la Naturaleza. Seguramente has visto alguna vez un grupo de pájaros que vuela en formación de V. Esto es muy común especialmente para especies migratorias, que deben recorrer grandes distancias. Esta formación, en la que el líder es relevado periódicamente  les permite  surcar el cielo reduciendo el gasto de energía. Algunos estudios también sugieren que específicamente la forma de V les ayuda también a mantener la comunicación entre ellos (figura tomada de este enlace).  

Así que la respuesta a esta adivinanza es que  tanto ciclistas como aves, ambos tienen en común el interés por vencer la resistencia del aire. 

En el mar la vida es más sabrosa… (¿Por qué el mar es azul?)

No solo el mar es azul, si no que también los lagos y, como podemos ver en la foto, las piscinas.

En esta fotografía el fondo de la piscina es blanco, y dentro hay un balde, blanco también, podemos ver que el agua dentro del balde tiene un ligero color celeste. Es decir, hay un efecto de volumen, cuanto mayor es la profundidad de agua se verá de un azul más intenso.

Fotografía tomada de este link

De primera impresión podríamos pensar que el mar, las piscinas y lagos son azules porque reflejan el cielo, pero, aunque ese razonamiento suena muy lógico, piensen en una piscina bajo techo, ahí también el agua se ve azul, entonces el hecho de que el cielo sea azul no determina el color azul del agua.

Para entender por que el mar es azul debemos entender primero a que se debe el color de la mayoría de las cosas que vemos alrededor de nosotros.

Cuando vemos el color de un objeto lo que sucede es lo siguiente:

La luz del día es la que llega del sol, es luz blanca, que es una combinación de todos los colores que podemos ver, cuando la luz blanca alcanza un objeto interacciona con las moléculas que lo forman y debido a la composición química de estas absorben una parte de la luz y otra la reflejan.

Cuando vemos algo rojo, por ejemplo, es porque de la luz blanca con que es iluminado sólo refleja la parte roja y que los demás colores son absorbidos.

La luz absorbida por el objeto se acumula en forma de energía que les da movimiento a las moléculas, este movimiento se refleja en un aumento de la temperatura del objeto
Si te interesa conocer más sobre la luz blanca y los colores pueden visitar el artículo: ¿Por qué el cielo es azul?

La explicación anterior es válida para cuerpos que no generan luz propia, si no que deben su color a la luz con que son iluminados, es decir, no es válida para focos, bombillos o pantallas de televisión o computadora, los mecanismos a los que se explican los colores de estos últimos son diferentes y nos ocuparán en otra publicación.

Volviendo al mar (lagos, piscinas y demás) ahora podemos decir que tiene un color intrínseco que se debe a la absorción que en el agua se da con mayor facilidad para los colores rojo, naranja, amarillo, que para el azul y violeta, estos rebotan y llegan hasta nuestros ojos.

¿Qué pasa con la parte de la luz que es absorbida?

La molécula de agua, H₂O, está formada por un átomo de oxígeno y dos hidrógenos unidos como se puede ver en la siguiente figura:

Las moléculas no están estáticas, si no que se encuentran vibrando, en el caso de la molécula de agua tiene tres posibles movimientos de vibración.

Podríamos pensar en los enlaces como resortes que unen a las moléculas y que podemos hacer vibrar de diferentes modos.

Sabemos que si nadie mueve el resorte el sólo no iniciará un movimiento, es decir, para hacer vibrar un resorte es necesario darle energía, normalmente esta energía se la podemos dar al comprimirlo o estirarlo con la mano.

En el caso del agua la parte de la luz que absorbe (rojo, naranja y amarillo) le da energía para generar movimientos de vibración en la molécula.
La figura se tomó de esta página, de hecho, si te interesa conocer más profundamente sobre el color azul del agua y la vibración de las moléculas te la recomiendo.

En resumen, el color azul turquesa que tiene el mar, y que nos hace suspirar por escaparnos a la playa, se debe a la manera en que la luz interactúa con las moléculas que lo forman, los colores mas verdosos se deben principalmente a que el agua que lo forma no es pura y tiene muchas partículas, algas por ejemplo, flotando, estas cambian levemente la coloración del agua. Si el agua está muy revuelta, como cuando una ola revienta muy fuerte, se verá café por toda la arena que levanta.