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martes, 25 de mayo de 2010

Sentido del humor científico en televisión: el efecto Doppler

(Imagen ilustrativa tomada de este enlace)
Recientemente me llama mucho la atención como una serie de televisión basada en el día a día de un grupo de jóvenes científicos, "The Big Bang Theory" (CBS),  ha ganado popularidad. Al principio pensé que la serie no tendría mayor futuro, después de todo muchas de las situaciones graciosas tenían un fondo científico y un contexto académico. Pronto descubrí que en realidad las situaciones que experimentan los personajes son graciosas para muchas personas desde muchos puntos de vista, aunque muy probablemente por motivos muy diferentes a los míos o de mis colegas. Sin embargo, creo que esta es una excelente oportunidad para explicar algunos conceptos físicos que podrían ayudar a que todos nos riamos de las mismas cosas.  Para quienes siguen la serie, ¿recuerdan aquel capítulo en el que los protagonistas asisten a una fiesta de disfraces en el apartamento de Penny? Los disfraces escogidos por ellos (después de decidir que ninguno se vestiría de Flash) fueron: Thor, Frodo, Robin Hood y....el efecto Doppler.  Pero,  ¿saben uds. qué es el efecto Doppler, y porqué Sheldon insistía en hacer ruidos como los de un auto que se acerca y luego se aleja para intentar dar pistas sobre su motivo de disfraz? Pueden revivirlo en este enlace.
Primero debemos entender lo que es el sonido. El sonido es una vibración del medio (aire, agua entre otros) que se propaga como una perturbación del  mismo. La perturbación en el medio es una compresión en el sentido en que se propaga el sonido. Para dar origen a la compresión de una región del medio es necesaria la rarefacción de las regiones vecinas.  Es como tener un resorte: para comprimir un región, estiramos otra. Así, podríamos describir el sonido como una alternación periódica de regiones densas y menos densas a través del medio. Este es justamente el concepto de una onda longitudinal. En una publicación anterior, Natalia escribió sobre otro tipo de ondas, las transversales, ver este enlace
Si colocamos una membrana en el camino de la onda , el cambio de densidad del aire debido al sonido (compresión-rarefacción) causaría la vibración de la membrana. Este el es principio de funcionamiento de nuestro oído, el cual tiene la capacidad de convertir las vibraciones del tímpano en impulsos eléctricos que pueden ser interpretados por nuestro cerebro . Note que para que exista sonido es necesaria la existencia de un medio. Es decir, contrario a lo que sucede en algunas películas de ciencia ficción, en el vacío no hay sonido. (imagen tomada de este enlace).
Para entender el efecto Doppler, imaginemos que el sonido son como las ondas que se forman en un estanque cuando se arroja una piedra. Si estuviéramos  en una balsa anclada en algun lugar del estanque, podríamos medir el tiempo que dura cada onda en llegar hasta la balsa. Si ahora la balsa avanza hacia el origen de las ondas, el tiempo que  mediríamos entre una onda y otra sería menor.  Decimos entonces que la frecuencia con que percibimos las ondas aumenta. En el caso contrario, cuando la balsa se aleja del punto de inicio de las ondas, el tiempo entre la llegada de las ondas sería mayor, es decir, disminuye la frecuencia con que percibimos las ondas. Lo mismo ocurriría si el punto donde se originan las ondas se moviera hacia nosotros, como en la figura a la izquierda, en la cual vemos una compresión de las ondas hacia la dirección en que se mueve la fuente y una rarefacción en la dirección en que se aleja.  Este cambio de la frecuencia en función del movimiento de la fuente y/o del observador se llama efecto Doppler ( llamado así por el austríaco Christian Doppler). Y por este motivo el disfraz de Sheldon tiene líneas (representando ondas) cuya separación aumenta o disminuye (representando ese aumento o disminución de la densidad de ondas). En el caso del sonido, ese cambio de frecuencia se percibe como un cambio en el tono que escuchamos. Esta es la razón por la sirena de una ambulancia que se acerca se oye diferente a la sirena de una ambulancia que se aleja. De ahí el hecho de que Sheldon intente dar pistas sobre el motivo de su disfraz imitando el sonido de un auto que se acerca y luego se aleja. (imagen tomada del enlace http://users.camk.edu.pl/jkliment/dwarf.html).
El efecto Doppler ocurre también en otros tipos de ondas, como la luz. En astrofísica, el efecto Doppler se conoce como corrimiento al rojo y ha permitido determinar que los objetos en el Universo se alejan unos de otros. Este efecto es también el que se utiliza en los radares diseñados para medir la velocidad de los autos en las carreteras.
Por último cabe decir, como apreciación personal de quien escribe este post, que en general los chistes de contexto científico en esta popular serie de televisión están muy bien fundamentados. Es imposible no notar que quien los escribe sabe de qué está hablando. Incluso, los detalles como las ecuaciones y diagramas escritos en las pizarras que forman parte de la escenografía son correctas. Así que esta es una oportunidad para reír y al mismo tiempo aprender ciencia.

miércoles, 19 de mayo de 2010

Los días de lluvia y los jeans mojados


¿Quién no adora sus jeans? Aunque muchas veces pensamos que no es una tela tropicalizada y por mas de una razón, en los días de calor son demasiado calientes, si hace frío se ponen friísimos, pero lo peor… cuando llueve inevitablemente terminan empapados hasta las rodillas, ¿Por qué? ¡Nunca nos metimos en un charco tan hondo!

Analicemos que está pasando:

En la publicación anterior Marcela analizó la tensión superficial, una propiedad de los líquidos, que entre otras cosas hace que se formen las gotitas de agua, otra consecuencia de la tensión superficial es la capilaridad que tiene este nombre porque es notoria en un tubo capilar que es un tubo muy delgado.

En resumen la tensión superficial se puede entender como la fuerza de atracción que sienten entre sí las moléculas de la superficie de un líquido. Cuando el líquido se encuentra contenido se debe tomar en cuenta que, además, sus moléculas interactúan con las del recipiente. Esta interacción entre las moléculas de la superficie del líquido y las paredes del recipiente que lo contiene es la capilaridad.


El líquido subirá por las paredes de un tubo capilar si las fuerzas de atracción entre sus moléculas son menores que las que hay entre el líquido y material que forma el tubo.

Se dice que el líquido “moja” el material y que se tiene un menisco cóncavo.

Un ejemplo es agua en un tubo de vidrio.

El líquido subirá hasta que su propio peso se equilibre con las fuerzas intermoleculares, así, entre más estrecho sea el tubo más alto llegará.

Si por el contrario las fuerzas intermoleculares del líquido son mayores que las de este con el material del tubo capilar bajará su nivel en el tubo. Se dice que el menisco es convexo.

Este caso lo podemos observar en los termómetros de mercurio que son calibrados conociendo esta propiedad, lo que vemos cuando leemos la temperatura es la parte alta de menisco.


(Figuras tomadas de: http://3.bp.blogspot.com/_FmJ-wVA-Sa4/SfQZ8Vq_peI/AAAAAAAAACI/UwJhPb4Evt0/s320/Capilaridad+agua.bmp)

La tela de los jeans es hecha de algodón en un tramado en que los hilos quedan muy juntos funcionando como tubos capilares, por lo tanto no es necesario chapotear en una piscina para que nuestro jeans quede mojado hasta las rodillas porque con solo que el ruedo haga contacto con la calle mojada el agua irá subiendo en medio de las fibras de la tela.

Pasaría con casi cualquier tela pero es más frecuente con los jeans porque normalmente no nos molesta que los ruedos lleguen hasta el suelo, en cambio, rara vez permitimos que nos quede tan largo un pantalón de vestir. Por lo tanto si por comodidad o porque nos gusta como nos quedan no queremos renunciar a nuestros jeans en invierno lo mejor que podemos hacer para que no se mojen es arrollarlos y asegurarnos que no toquen al suelo, aunque ya haya dejado de llover, siempre que la calle siga mojada la capilaridad se encargará de que ellos también.

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Las plantas se aprovechan de la capilaridad para llevar el agua desde las raíces a los puntos más altos sin tener que buscar energía extra para vencer la fuerza de gravedad.

Si son amantes de la agricultura casera les gustará conocer el método de riego por capilaridad, se sumerge el extremo de una cuerda de algodón en un recipiente con agua, la parte restante del hilo se guinda sobre las plantas, el agua sube por capilaridad y cae goteando, en muchos casos se sugiere como una opción que se puede usar si salen muchos días de la casa. (Para una descripción mas detallada en los buscadores de Internet vienen varias maneras de implementarlo)

Si quieren ver el efecto de la capilaridad en un video pueden visitar: http://www.youtube.com/watch?v=vQkssQDXv9c






domingo, 9 de mayo de 2010

Por qué los líquidos forman gotas?


Tal vez a muchos de nosotros cuando pensamos en líquidos nos resuena la voz de nuestra maestra de escuela diciendo: "los estados de la materia son tres: líquido, sólido y gaseoso...los líquidos se caracterizan por adoptar la forma del recipiente...". En fin, primero que todo la definición de estados de la materia es compleja y el número de estados depende en realidad de los criterios que se usen para clasificarlos. Este tema merece una publicación exclusiva. Y en segundo lugar, alguien alguna vez se preguntó que pasa con los líquidos cuando no están en un recipiente?

Pensemos en un líquido en reposo dentro de un contenedor, por ejemplo agua en una piscina. Si nos imaginamos estar en la posición de una de las moléculas de agua digamos en el centro de la piscina, no sentiríamos fuerza ninguna. Este no quiere decir que no existan fuerzas actuando, simplemente siginifica que la suma de las fuerzas es cero. Esto se da porque en cualquier dirección que miremos tendríamos el mismo número de moléculas ejerciendo una fuerza de atracción sobre nosotros simultaneamente. Como nuestras moléculas vecinas están distribuidas de manera homogénea a nuestro alrededor (esta es una característica de los líquidos) entonces esas fuerzas se cancelan. Esta afirmación será cierta para cualquier punto del líquido lejos de las paredes del contenedor (piscina) y e la superficie del agua. Específicamente en la superficie, la fuerza sobre las moléculas no tiene una distribución uniforme alrededor de ellas por la falta de las moléculas de agua "encima" de ellas. Esto favorece la atracción que ejercen las moléculas en el mismo plano (a los lados) y dentro del líquido (abajo de la superficie). Esta situación se traduce como una resistencia que el líquido presenta a que se aumente su superficie:  si quisiéramos hacer más grande  el área de su superficie, tendríamos que invertir más energía en separar esas moléculas. Esto se denomina tensión superficial y puede verse como una energía  (elástica, como la que se almacena en un resorte que se comprime) almacenada en la superficie del líquido. Y como en la naturaleza los estados tienen siempre a minimizar la energía, el trabajo de la tensión superficial va a ser buscar la forma que mejor le permita estar en su estado de menor energía.
Pensemos ahora por ejemplo en una gota de agua cayendo de un tubo. En la ausencia de contenedor, la tensión superficial es la responsable por la forma que adquiere el líquido. Esta tiende a minimizar la superficie y esto resulta en una forma esférica. Ciertamente tal vez la gota se vea deformada por algunas interacciones como por ejemplo con las paredes del tubo antes de caer. Pero si tuviéramos la oportunidad de verlas en el espacio, lejos de cualquier fuerza, ciertamente serían esferas perfectas.
Si colocamos esa gota sobre una superficie, por ejemplo una gota de rocío sobre las hojas de una planta, debemos también considerar cómo son las interacciones de las moléculas del líquido con la superficie en sí. Si la superficie propicia interacciones atractivas con el líquido, la gota se esparcirá sobre la misma. En el caso del líquido ser agua se dice que la superficie es hidrofílica. Ya si la superficie tiende a rechazar el líquido, este tenderá a minimizar el área de contacto al mismo tiempo que minimiza la tensión superficial, es decir, la gota no se esparce sino que tiende a la forma esférica nuevamente. Para agua, estas superficies se llaman hidrofóbicas.
Algunas veces se hace necesario cambiar la tensión superficial en un líquido. Para esto se usan sustancias llamadas tenso activas. Un ejemplo es cuando usamos jabón y agua para hacer burbujas: el jabón disminuye la tensión superficial del agua, lo cual permite que una película de esta mezcla se estire facilmente para formar la pompa. Si querés saber sobre los colores en las burbujas de jabón, te invitamos a que visités esta publicación.
La tensión superficial es también la responsable por hechos como que algunos insectos son capaces de caminar sobre el agua o que sea posible poner a flotar una navajilla sobre el agua, a persar de que el material del que está hecha sea mucho más denso que el agua.