Física, Arroz y Frijoles

¿Por que me salen los ojos rojos en las fotos?

2011-12-26T14:32:00.005-06:00

Esta entrada partipa del XXVI edición del Carnaval de la Física que en esta ocasión es albergado por Cuentos Cuánticos

>:-°

Pregunta existencial para los que en buena parte de las fotos salimos con ojitos de poseídos y nos preguntamos cuál pena de vidas pasadas estaremos pagando.

Después de hacer un análisis un poco más profundo caemos en cuenta que el problema se reduce a las fotos tomadas con flash y es que precisamente cualquier tema que tenga que ver con color se puede reducir a dos cosas: 1) la fuente de luz (en este caso el flash) y 2) el objeto que recibe la luz (para nuestros fines el ojo rojo de la foto).

Es decir, la razón de nuestro ojo poco fotogénico no tiene nada que ver con el karma si no con la manera en que la luz del flash invade (de forma casi violenta, podríamos decir) nuestro ojos.

Antes de meternos a entender el porque de los ojos rojos en las fotografías viene bien saber como adquieren su color la mayoría de cosas que nos rodean.

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 el objeto sólo refleja la parte roja y absorbe los demás colores.

La luz absorbida por el objeto se acumula en forma de energía que les da movimiento a las moléculas, este movimiento llega a manifestarse como un aumento de la temperatura del objeto

Por otro lado tenemos el ojo, la parte de él que se ve roja en las fotos es la pupila que en condiciones normales es negra. El color negro es la ausencia de luz, cualquier cosa que vemos negra tiene la característica de que absorbe toda la luz que le llega y no refleja nada. La pupila es el “huequito” por el que entra la luz al ojo.

A grandes rasgos es posible decir que la luz entra al ojo por la pupila pasa por la cornea y el cristalino que funcionan como lentes que enfocan la luz en la retina la cual se encuentra en la parte posterior del globo ocular. La retina tiene células sensibles a la luz (fotosensibles) que envían señales eléctricas al cerebro por medio del nervio óptico. El cerebro se encarga de generar la sensación de visión.

Esquema del ojo tomado de este link

El ojo, por mecanismos que no nos detendrán en este texto, tiene la capacidad de variar el tamaño de la pupila según las condiciones de luz en las que se encuentre. Así, si el día es soleado la pupila se hace pequeña, pues el exceso de luz nos encandilaría, pero si se oscurece el ambiente, ya sea por estar dentro de la casa o porque se hace de noche, la pupila se agranda para dejar entrar más luz hasta la retina y que esta pueda hacer llegar al cerebro la información suficiente para crear las imágenes. La pupila necesita un tiempo de adaptación para cambiar su tamaño, normalmente no lo notamos porque los cambios de luz natural son graduales, pero nos ha pasado eso de salir de un salón oscuro y encontrar un día fulgurante en el que hasta nos duelen los ojos de lo encandilados que estamos, o el caso contrario, entrar a una habitación que apenas está iluminada y no ver nada, en ambas situaciones pasado un rato es posible volver a ver pues la pupila llega a tener el tamaño adecuado para dejar entrar la luz suficiente a la retina.

Bien sabemos que el flash se usa en condiciones de poca luz, y por lo tanto en momentos en que la retina está muy abierta. Al activar el flash, que es una fuente de luz muy intensa, la pupila no tiene tiempo de cerrarse pues el destello sucede sin previo aviso así que entra mucha más luz al ojo de lo que sucede en cualquier situación de iluminación normal. Otro factor a tomar en cuenta es que el flash ilumina de forma directa el ojo, así que la intensidad y la manera en que llega al ojo hace que la luz que alcanza a la retina se refleje y salga por la pupila. El tejido de la retina es casi transparente pero hay irrigación de vasos capilares que al ser iluminados con la luz del flash reflejan la sangre que llevan dentro, de ahí la coloración rojiza que tienen los ojos en las fotografías con flash.

Lo último que hay que considerar es que quien termina por captar esa luz que sale de la pupila es la cámara que captura las imágenes por medio de un sensor de luz que tiene más sensibilidad que el ojo humano, por lo que puede captar detalles que probablemente no notaríamos a simple vista.

¿Como podríamos evitarlo?

Los fotógrafos profesionales evitan usar flash buscando otras fuentes de luz o usando los que no vienen incorporados en la misma cámara, así se ilumina a las personas pero de manera indirecta y no entra tanta luz al ojo.

Las cámaras compactas que anuncian tener un efecto “anti ojo rojo” hacen una serie de destellos de flash antes de tirar el de la foto, así la pupila reacciona y se cierra evitando la entrada excesiva de luz. Aunque funciona suele ser muy molesto el efecto de los flashazos continuos.

La otra que se me ocurre es no ver directamente a la cámara, se corre el peligro de que se burlen de uno por salir “viendo para el ciprés” pero evitando la luz directa del flash se librarán de los ojos rojos.

Si les interesa saber sobre este tema recomiendo este enlace que trae información muy completa sobre el tema.

Los frenos de tu carro…

2011-12-12T21:20:00.011-06:00

Tal vez en alguna ocasión ha oído a alguien referirse a los frenos del carro como “frenos hidráulicos”. ¿A qué se refieren con esta expresión?

De manera simplificada podemos dividir el sistema de frenos en tres partes ordenadas de la siguiente manera: el pedal de freno que se conecta a una serie de tuberías (las mangueras de frenos) que, a su vez, se comunican con las pastillas de frenos que son piezas que hacen fricción sobre las llantas para frenarlas (Ver figura 1).

Figura 1. Vista (simplificada) del sistema de frenos

Las mangueras de frenos están llenas de líquido (líquido de frenos) que cumple con la característica de no ser compresible, es decir, por más que se haga fuerza sobre él no lo podemos comprimir ni un poquito, es precisamente esta característica que lo hace deseable para el frenado ya que al aplicarle fuerza por medio del pedal se hace una presión sobre el fluido que está dentro de las mangueras, como el fluido no puede ser comprimido transmite esa presión hasta las pastillas de freno.

El funcionamiento de los frenos hidráulicos se basa en el Principio de Pascal que dice que “la presión ejercida en la superficie de un fluido se propaga en la misma medida por todo el fluido y hacia las paredes del recipiente que lo contiene”

Los frenos hidráulicos usan el principio de pascal no solo para transmitir presión del pedal de freno a las llantas, también utilizan este principio para generar un dispositivo multiplicador de fuerza. ¿Cómo es eso?... A ver, explico:

¿Has pensado como hacés para frenar un carro con la fuerza de tus pies? Si intentamos hacerlo, al mejor estilo de los Picapiedra, nuestros pies terminarían destruidos sin lograr frenar de manera apreciable el carro, el principio de pascal permite hacer una fuerza sobre el pedal del freno, la presión que se transmite dentro de las mangueras genera una fuerza mucho mayor sobre la llanta. A este principio suele llamársele el de "la prensa hidráulica" y se utiliza en muchas aplicaciones, además de los frenos, se hacen elevadores, y la silla del peluquero y el dentista funcionan así también.

Queda claro porque es importante revisar que el nivel del líquido de frenos sea el correcto y darle mantenimiento a las mangueras, en el momento en que las mangueras no estén completamente llenas de líquido habrá problemas con el frenado.

Dependiendo del mecanismo que se utiliza para frenar las ruedas los frenos hidráulicos se clasifican en dos tipos: de tambor y de disco. Para accionar los de tambor dos piezas llamadas zapatas hacen fuerza contra la parte interna del aro de la llanta, el en caso de los frenos de disco, la llanta tiene incorporado un disco de metal que gira con ella, para frenar, dos pequeñas palancas (las pastillas) hacen presión sobre los bordes del disco (Ver figura 2). En ambos casos el frenado se logra por fricción pero en los frenos de disco el rozamiento se da en una superficie menor que en los de tambor por cuanto hay un menor calentamiento que los hace más eficientes. Algunos discos, que deben tener un muy alto rendimiento como los de los carros de carreras, son ventilados, es decir, no son un disco sólido sino que tiene huecos en su superficie, los discos ventilados son más difíciles de construir y, como se imaginarán, más caros.

Figura 2. Funcionamiento de frenos: (superior) de tambor, (inferior) de disco

La mayoría carros tiene frenos de disco en las llantas delanteras que requieren de un mejor frenado y frenos de tambor en las llantas traseras, los carros que tienen discos en las cuatro llantas tienen precio más elevado.

La olla de Presión

2011-07-02T06:47:00.006-06:00

La explosión de una olla de presión en la cocina de mi casa es uno de los recuerdos más viejos que guardo. Para bien de nosotros ninguno estaba en la cocina, así que por suerte no es un recuerdo trágico, pero sí muy impresionante. Entré a la cocina después de mi mamá que fue la primera en reaccionar ante el estallido, y tengo muy claro volver a ver hacia arriba y ver frijoles pegados al techo y las gotas de caldo cayendo al piso. Desde entonces en un acuerdo familiar tácito nunca se volvió a comprar una olla de presión. Así que me tomó poco más de veinticinco años el redescubrirlas, claro, puede parecer medio bobo para la mayoría de gente que está muy acostumbrado a verlas y usarlas en sus cocinas pero, no se si aún con la costumbre se han preguntado ¿cómo funcionan estas ollas que logran cocinar tan rápido?

He conversado con bastante gente al respecto, de más está decir que a todos les extrañó que iniciara una conversación casual sobre las ollas de presión, de pronto pensaron que me convertí en vendedora y quiero convencerlos de que me compren una, y más curioso les pareció que les preguntara por qué es que la olla de presión cocina tan rápido la comida. El consenso fue general: la olla al aumentar presión puede llegar a una mayor temperatura, pero al insistir con mis ¿Por qué? Noté que no quedaba tan claro como es que la presión afecta la temperatura del agua.

La olla de presión es un recipiente de metal, que se cierra herméticamente, suele ser muy pesada comparada con otras ollas de su tamaño, porque debe ser maciza para soportar sin romperse, o estallar, las grandes presiones que se generan dentro de ella.

Es bien conocido el hecho de que el agua hierve a 100 °C. Esto es cierto siempre y cuando el agua esté sometida a la presión atmosférica por eso es que en la realidad esa temperatura cambia ligeramente en diferentes puntos de la tierra pues la presión atmosférica varía un poco dependiendo de la posición geográfica y la altura con respecto al nivel de mar.

A presión atmosférica es imposible tener agua más caliente que la temperatura de ebullición ya que en este punto se da también el cambio de estado de líquido a gas. Este cambio de fase tiene lugar cuando la presión de vapor del líquido se iguala con la presión del ambiente que lo rodea, cuando se cumple esta condición se puede formar vapor en cualquier punto del líquido.

Vale la pena establecer la diferencia entre la ebullición, que recién expliqué y la evaporación. No es necesario llegar a la temperatura de ebullición para que algunas moléculas en estado líquido pasen a ser gas, como ejemplo tenemos el secado de la ropa. En la evaporación una pequeña fracción de moléculas alcanza la energía suficiente para romper la tensión superficial del líquido y pasar así al estado gaseoso. Es decir la evaporación es un fenómeno de superficie en tanto la ebullición sucede en todo el volumen del líquido.

En el caso de la olla de presión, una vez que se cierra de forma hermética se aísla y el agua que está dentro no se ve afectada por la presión atmosférica si no por la presión que se genera dentro de ella.
Al calentar agua se le da energía a sus moléculas haciendo que cada vez se muevan más y más, como consecuencia acrecienta la cantidad de moléculas que se evaporan hasta que la presión dentro de la olla llega a ser aún mayor que la presión atmosférica. Está presión generada por el aumento en la cantidad de vapor afecta todas las superficies (principio de Pascal) incluyendo la superficie del agua por lo que se vuelve más difícil que las moléculas que se encuentran en estado líquido abandonen la superficie para pasar a ser vapor siendo necesaria cada vez más temperatura para lograrlo. Este es el proceso que logra aumentar la temperatura del agua hasta más de 100 °C dentro de la olla de presión. De hecho dentro de ella, debido a la alta presión generada por el vapor, es posible llegar a los 130 °C sin que se alcance el punto de ebullición y por eso es que la comida se cocina mucho más rápido.

Aunque el metal del que está hecha la olla es fuerte y el cierre de la tapa puede asegurarse bien el aumento indefinido de la presión haría que fallaran en algún punto, así que la tapa tiene una válvula para liberar la presión. El tipo más común consta de un mecanismo muy sencillo y a la vez ingenioso, la válvula está montada sobre un resorte y en posición relajada se encuentra cerrada. Debido a la creciente cantidad de vapor en el interior de la olla aumenta la presión y se ejerce una fuerza que comprime el resorte lentamente hasta que alcanza una presión límite, determinada para no poner en peligro la integridad de la olla y por lo tanto a su usuario, que logra que la boquilla de escape libere el vapor al exterior de la olla.

Izquierda: Válvula para liberar presión en estado relajado, en este punto todo el contenido de la olla se encuentra herméticamente aislado

Derecha: Válvula para liberar presión en abierta. El vapor saldrá de la olla hasta que la presión en su interior no genera la fuerza suficiente como para comprimir el resorte sobre el que se apoya la válvula.

Ilustración tomada de este link

De hecho el que esta válvula se tape es la causa más común de explosión de ollas de presión, probablemente fue lo que sucedió en mi casa y que me dejó semejante manía contra ellas. Para los que la han visto detenidamente, (los que no ¡háganlo!) la salida de esta válvula es un orificio pequeñito, es necesario que sea así, porque si fuera más grande al abrirse descompensaría la presión en el interior de la olla causando una baja en la temperatura dentro y haciendo, por lo tanto, que la cocción sea tan lenta como en una olla común. Este pequeño orificio puede taparse con facilidad por alguno de los pedacitos de comida que hay dentro de la olla, por eso es importante revisarlo antes de poner la olla de presión a cocinar, así se evita un accidente potencialmente terrible, pues como vimos (y ahora entendemos) el agua dentro de la olla de presión está mas caliente de lo común.

Física a la luz de las velas

2011-04-19T20:34:00.000-06:00

¿Alguna vez has observado detenidamente una vela? Pues yo lo hice un día de estos, y mientras disfrutaba de la relajante sensación que suele proporcionar, no pude evitar preguntarme ¿de dónde viene la luz? ¿por qué la llama tiene diferentes colores? ¿de qué sirve la mecha, por qué no se quema de un solo ? ¿qué sucede con la parafina, se evapora y por eso la vela se apaga? (Nota: sí, así somos los y las físicas, siempre preguntando, hasta en los momentos de descanso :) ) Desde ese día he querido escribir al respecto. Investigando un poco sobre el asunto, me di cuenta que no fui la primera en preguntarse estas cosas, como suele suceder. De hecho Faraday, físico muy famoso por sus descubrimientos en electricidad y magnetismo, estudió detalladamente la física y la química de las velas. Incluso, en 1860 dio una serie de 6 charlas dirigidas a jóvenes, titulada la "La historia química de la vela". La transcripción de estas lecciones se pueden encontrar en este enlace.

A continuación les ofrezco algunas explicaciones que estoy segura les parecerán muy interesantes.

Encendiendo la vela

Empecemos del principio. Una vela o candela, puede estar hecha de diferentes materiales como por ejemplo parafina y cera de abejas. Lo importante es que este material debe ser sólido a temperatura ambiente y derretirse al calentarse. Por simplicidad, yo voy a considerar una vela de parafina para este texto.

Cuando encendemos la vela, se produce luz y calor al quemarse la mecha. La vela empieza a derretirse y el material líquido sube por capilaridad por las fibras de la mecha (en esta publicación podés leer sobre capilaridad). Una vez que llega al tope, donde está la llama, sufre un proceso de descomposición que es el responsable por la emisión de luz, los colores y la forma de la llama. Esto explica porqué la mecha no se consume de una sola vez: lo que se consume es el combustible que viene de la vela derretida. Y también explica porqué la vela se acaba: la parafina se consume en la misma llama.

La zona de reacción
Seguramente habrás observado la llama de una vela en alguna ocasión y te habrás dado cuenta que no es homogénea en color. Por ejemplo, más o menos a la altura de la mecha y en la región exterior de la llama, vemos una luz azulada. En este caso, las moléculas de la parafina derretida, la cual esencialmente es una molécula compuesta por otras moléculas menores, se evaporada de la mecha y se descompone en moléculas más pequeñas que reaccionan entre ellas y con el oxígeno del aire. Como resultado producen otras moléculas pequeñas como CH y C2. Al ocurrir esta descomposición se libera también energía (la energía que estaba contenida en los enlaces químicos que formaban la molécula grande de parafina) y como consecuencia las moléculas se encuentran en estado excitado. Esto significa que los electrones alrededor de los núcleos tienen una energía por encima de su nivel mínimo. Moléculas excitadas emiten energía para poder regresar a su estado no excitado o estado basal, pues una de las reglas de la Naturaleza es que todo tiende a su estado de mínima energía. Esa energía emitida la vemos en forma de luz, predominantemente en tonos azulados para este caso. Esto es lo que se conoce como emisión molecular.

El cono oscuro
La región cercana a la mecha en el interior de la llama es oscura. Aquí no hay mucho oxígeno que pueda reaccionar con el vapor de parafina y la temperatura es relativamente baja, así que la emisión de luz en esta región es muy poca o casi nula. Es en esta región donde se encuentra la menor temperatura en la llama, aproximadamente 600 grados centígrados. Es por eso que cuando uno juega a pasar la mano por la llama sin quemarse el secreto está en hacerlo lo más cerca posible de la mecha (dicho sea de paso, en este blog no recomendamos jugar con fuego ;) )

Amarillo luminoso
Finalmente, la parte más sobresaliente de la llama es la de color amarillo. Esta región está formada por un gas de partículas nanométricas de carbono. Pero a diferencia del cono oscuro, las moléculas están lo suficientemente calientes como para volverse incandescentes. Esto es como cuando observamos carbón en brasas: sabemos que está realmente caliente cuando lo vemos rojo o incluso blanco. De hecho las temperaturas en esta región superan los 1000 grados centígrados.

La demostración de que en realidad se trata de partículas sólidas de carbono suspendidas en el aire es muy sencilla como dedujeron Faraday y su mentor Davy. Basta con tomar una vela y observar su llama contra la luz del sol. La región amarilla de la que estamos hablando aparecerá opaca debido a la presencia de estas nanoparticulas. Sin embargo el mecanismo mediante el cual se producen dichas nanopartículas todavía no está muy claro.
Estas partículas de carbono son las responsables por el color negro que adquieren algunos objetos cuando los acercamos a la llama, por ejemplo una cuchara.

La forma de la llama
Entre más se calienta el aire, menos denso es. Por lo tanto, el aire caliente tiene a subir por encima del aire que está menos caliente. De esta manera se crea una corriente de convección alrededor de la llama: el aire en contacto con ella se calienta, sube y es remplazado por aire menos caliente. Este constante fluir del aire es el responsable por la forma de gota de la llama. Pero no olvidemos que la noción de hacia donde es arriba y hacia donde es abajo depende en realidad de la gravedad terrestre: abajo es hacia donde caen los objetos. Entonces cabe preguntarse, qué sucedería en un ambiente sin gravedad? Científicos de la NASA han realizado experimentos al respecto a bordo de transbordadores y de la estación espacial. El resultado es una llama semi-esférica alrededor de la cual no hay corrientes de convección, como se muestra en la foto tomada directamente de la página de los experimentos. Por lo tanto el calor se concentra durante más tiempo cerca de la vela y la parafina se derrite más rápido. Una vela en la estación espacial se gasta más rápido que en la Tierra.

En realidad estas líneas son un resumen bastante corto de la física de las llamas de las velas. Mucho más puede ser dicho, incluyendo también la parte química, tanto así que Faraday hizo todo un curso de 6 sesiones sobre este tema. Lo importante es que de ahora en adelante, cuando el o la lectora de este post observe la llama de una vela, recordará que existen por lo menos dos fenómenos físicos diferentes responsables por la luz y su color: emisión molecular e incandescencia. Por cierto, a propósito evité poner la foto de una vela para ilustrar los colores de la llama, pues la idea es incentivarlos a uds. a observar bien la llama la próxima vez que se topen con una vela encendida.

(La información para este post fue tomada en gran parte del texto publicado por J. Walker en la sección "The amateur scientist" de Scientific American en abril de 1978 )

Marie Curie: un ejemplo de dedicación a la ciencia

2011-03-08T18:29:00.000-06:00

Hoy decidí hacer de una vez por todas la primera publicación del año. Hace días ando en busca de inspiración. Ideas no me han faltado, pero sí la disciplina para sentarme a ponerlas por escrito :-p . En esta ocasión decidí aprovecharme de dos hechos: hoy 8 de marzo es el Día Internacional de la Mujer, y el 2011 es el Año Internacional de la Química. Al unir estos dos acontecimientos un personaje me viene a la mente: Maria Skłodowska, mejor conocida por su nombre de casada Marie Curie . Esta inspiradora mujer, nacida en Polonia en 1867, fue la primera persona en recibir dos premios Nobel:

Física (1903) junto a su marido Pierre Curie por sus contribuciones al estudio del fenómeno de radiación descubierto por Becquerel.
Química (1911) por el descubrimiento de los elementos radioactivos radio y polonio, sus trabajos en aislamiento de radio y el estudio de su comportamiento (este año es el centenario de este galardón, razón por la cual se ha declarado Año Internacional de la Química) .

Siendo la quinta hija de una pareja de educadores (su padre profesor de física y matemáticas, su madre maestra, pianista y cantante), la infancia y juventud de Marie estuvieron marcadas por las dificultades económicas y de salud en su familia. Sin embargo, desde que aprendió a leer a la edad de cuatro años, hasta sus estudios doctorales, ella se identificó por su excelencia académica y entusiasmo por el trabajo. Es así como logra graduarse en física y matemáticas de la Universidad de la Sorbona en París. Es durante su temprana estadía en esta ciudad que conoce a su esposo Pierre Curie. Junto a Pierre, Marie inicia sus estudios sobre radiactividad, tema sobre el cual desarrolla su tesis doctoral. Además de los trabajos que la hacen merecedora de los premios Nobel, se destaca entre sus contribuciones el uso de rayos x portátiles durante la Primera Guerra Mundial.

Sus logros no se restringen al campo de los descubrimientos científicos. En 1906, al morir su esposo en un accidente, Marie lo sucede en la cátedra de Física de La Sorbona. Esta fue la primera vez que una mujer asumía esta posición. Detalle curioso: ella rechaza la pensión vitalicia por viudez y se dedica a continuar su labor científica, la cual sería continuada posteriormente por su hija Irene Curie, quien también ganó el premio Nobel de Química en 1935.

Como es bien sabido por muchos, Marie muere en 1934 víctima de los efectos de la radiación en su cuerpo.

Para terminar, buscando por ahí, me encontré un par de detalles que me eran desconocidos y que me llamaron mucho la atención:

Los Curie usaron parte del dinero del premio para ayudar en la construcción de un sanatorio
A Marie Curie le gustaba escribir poemas:

¡Ah, que amargamente transcurre la juventud del estudiante
mientras que a su alrededor, con eterna pasión lozana
otros jóvenes buscan ávidamente los fáciles placeres!"

Si quieren leer más sobre su vida pueden hacerlo aquí y aquí.

NOTA: Personalmente, espero que llegue el día en que no tengamos que celebrar el Día de la Mujer, que la igualdad sea verdadera y que por lo tanto no sea necesario estar hablando de ella. Siempre he creído que lo más importante es una sentirse igual, darlo por un hecho e ignorar a quienes no piensan así. A mí por lo menos me ha funcionado :) . Esto no significa que no debamos recordar a la gente que ha marcado el camino.

El Santa Claus cuántico

2010-12-24T09:27:00.000-06:00

En estos días de aires navideños, recordé un chiste que recibí por email hace algunos años. Se trataba de cómo Santa Claus podría cumplir con su titánica tarea haciendo uso de la mecánica cuántica. Inmediatamente pensé que debería escribir algo similar aquí, no solo porque combina bien con el ambiente festivo sino porque sería una divertida manera de introducir los principios básicos de la mecánica cuántica. Haciendo una búsqueda rápida en internet encontré que este tema es tratado extensamente en muchas publicaciones, como en este enlace. Así que me dedicaré a hacer un pequeño resumen y a la vez explicar un poquito sobre la mecánica cuántica. Sé que a muchos les interesa saber sobre este tema, pues una de las preguntas que una (un) físca (o) escucha es : qué es la mecánica cuántica? Manos a la obra...

El misterio...
El asunto es que, y estoy segura que muchos de uds. se lo habrán preguntado alguna vez, existe un misterio alrededor del bondadoso personaje que reparte regalos en Nochebuena a l@s niñ@s que se portaron bien. Bueno, estoy segura de que en realidad hay muchos misterios, pero en este momento me refiero al hecho de que Santa tiene solo una noche para hacer su trabajo. En su libro "La física de la Navidad" el periodista científico Roger Highfield estima que Santa Claus tiene aproximadamente 24 horas para visitar 850 millones de hogares. Para lograr esto debe viajar en el sentido contrario a la rotación de la Tierra y durar como máximo 0.0001 segundos en cada visita. Esto nos da una idea de la dificultad de su trabajo. Y todavía más, para lograr esto el trineo de San Nicolás (como le llaman también) debería viajar mínimo a la velocidad de la luz...cosa prohibida por la relatividad hasta para alguien con tan buenas y regalonas intenciones...
Sin embargo, hay una manera de contornar esa restricción impuesta por la relatividad. Y es a través de la mecánica cuántica.

La mecánica cuántica y el principio de incertidumbre

La mecánica cuántica forma parte de lo que los físicos llamamos Física Moderna. Este es un sinónimo para la física del siglo XX. En realidad su nacimiento se debe al aporte de muchas personas, físicos y matemáticos. Podría escribirse un libro (y de hecho existen varios) sobre la historia de la mecánica cuántica. Aquí simplemente voy a enumerar los hechos relevantes para poder entender sus principios básicos:

En 1900, Planck propuso que la luz era absorbida por la materia en cantidades específicas. Esto fue necesario para poder explicar observaciones en experimentos. Dicha afirmación fue retomada en 1905 por Einstein para poder explicar el efecto fotoeléctrico, trabajo por el cual ganó el Premio Nobel de Física en 1921. Quedó demostrado que la energía en el universo está cuantizada, y de ahí el nombre mecánica cuántica
Dualidad partícula - materia : el efecto fotoeléctrico puede interpretarse pensando en la luz como partículas y no como ondas. A estas partículas se les llamó fotones. Posteriormente,en 1925 de Broglie hizo la propuesta complementaria: las partículas pueden comportarse como ondas, lo cual logra comprobarse mediante experimento de difracción de electrones. Schrödinger propuso entonces la mecánica ondulatoria, nombre por el cual a veces se llama a la mecánica cuántica.
En 1925, Heisenberg postula su principio de incertidumbre, el cual recalca la necesidad de cambiar nuestra forma de percibir el mundo cuando se trata de fenómenos a nivel atómico. Y es en este punto precisamente que me quiero detener un poco.

El principio de incertidumbre es simplemente una restricción: en el mundo de partículas tan pequeñas como los átomos, no podemos saberlo todo. Si sabemos exactamente a donde está la partícula, no sabemos muy bien a qué velocidad y en qué dirección viaja. Y viceversa, si sabemos con certeza a qué velocidad (incluida la dirección) viaja, no podemos decir muy bien a donde se encuentra. Esto nos impide trazar la trayectoria de cualquier objeto de la manera en que estamos acostumbrados en el mundo clásico. Este es el corazón mismo de la mecánica cuántica. Inicialmente nos puede parecer muy restrictivo estar sujetos a este principio, pero en realidad permite comportamientos totalmente imposibles en nuestro mundo macroscópico, como es el efecto túnel. El concepto es simple. Si tomás una bola y la hacés rebotar contra una pared, sabés que siempre regresará y que al menos que rompa la pared, la pelota estará siempre de tu lado de la pared. Pero si en vez de una bola tuviéramos un átomo, una molécula o un electrón, esto no es necesariamente verdad. Si sabemos a qué velocidad y hacia donde lanzamos la partícula, no sabríamos muy bien a donde se encuentra, y existe una posibilidad de que la partícula esté del otro lado de la pared. Es como si en vez de tener un partícula, estuviéramos hablando de una onda que al incidir sobre la pared se refleja parcialmente y se transmite parcialmente. Estas reflexiones y transmisiones parciales se concocen como efecto túnel y en la mecánica cuántica se interpretan como que existe una cierta probabilidad de que la partícula se encuentre del otro lado de la pared. Suena un poco loco, pero es un hecho de que muchos dispositivos electrónicos modernos funcionan basados en este principio.

El Santa Claus cuántico

Volviendo al asunto de Santa Claus, podríamos imaginarnos que si él fuera del tamaño de un átomo, tendríamos que pensar en él como un objeto cuántico con dualidad onda-partícula. Si sabemos a qué velocidad viaja, digamos algo lo suficientemente rápido pero aún por debajo de la velocidad de la luz y en dirección contraria a la rotación de la Tierra, entonces no sabríamos decir con exactitud a donde se encuentra. En mecánica cuántica esto equivale a que Colacho (como le decimos cariñosamente en Costa Rica) esté al mismo tiempo en lugares diferentes, y así podríamos explicar que logre terminar la repartición de regalos aún cuando no viaje a la velocidad de la luz :). En la mecánica cuántica esto se llama una superposición de estados: la partícula se encuentra simultáneamente en varios estados. El único inconveniente, una vez que la partícula interactúa con otro objeto macroscópico (como un niño que sorprende a Santa) la partícula pierde ese estado de superposición...y en este caso esto significaría que Santa no podría continuar su viaje.

Por supuesto Santa Claus no esta limitado a la opción cuántica, sobre todo dados los avances tecnológicos actuales. Por ejemplo, agujeros de gusano, recubrimientos invisibles que se desvanecen en la Nochebuena entre otros. Sin embargo esto sería tema para otra discusión.

Aclaración: nunca he sido partidaria de Santa Claus, y de ninguna manera estoy intentando defenderlo y menos promocionarlo. Pero el tema me pareció divertido y pedagógico :)

¿Por qué flota un globo lleno de helio?

2010-12-06T14:15:00.007-06:00

Si ponés esta pregunta en internet, la respuesta más común dice que los globos flotan porque el helio es más liviano que el aire, pero resulta que esto no es precisamente correcto.

Más que una cuestión de peso la posibilidad de flotar se debe a un tema de densidad. La densidad es la cantidad de masa que tiene un objeto en un volumen determinado, dicho matemáticamente Densidad= Masa/Volumen.

Es claro que es imposible flotar en un cuerpo sólido, así que en general decimos que la flotación ocurre en los fluidos, para este efecto los físicos no hacemos mayor diferencia entre fluidos líquidos o gaseosos, como por ejemplo agua o aire. Así el hecho de que un cuerpo flote, o no, se puede explicar bajos los mismos principios ya sea en aire o agua.

Para descartar el asunto del peso les pongo un ejemplo que podemos contestar de la experiencia cotidiana: una tablita de madera flota en el agua, ahora, si ponemos a flotar una tonelada de la misma madera… ¿se hundiría? Y, ¿si son 10 toneladas? Pues… no, no importa cuanta pongamos siempre seguirá flotando en el agua, así que la cantidad de masa que tenga el cuerpo no es lo que determina su flotación.

El “Principio de Arquímedes" habla sobre la fuerza que experimenta un cuerpo sumergido en un fluido, de él se desprende que la condición para que un objeto flote es que su densidad sea menor que la del fluido en el que se sumerge y que si su densidad es mayor el objeto se hundirá irremediablemente en el fluido. (Este es un buen momento para caer en cuenta de que nosotros, los seres vivos, existimos inmersos en un fluido gaseoso, el aire, y que nos “hundimos” en él porque nuestro cuerpo, que está hecho principalmente de agua, es más denso que el aire, por eso vivimos en la superficie terrestre). Existe una tercera posibilidad, que un cuerpo ni se hunda ni salga a flote, si no que se mantenga suspendido, para ello la densidad del cuerpo sumergido debe ser igual a la del fluido.

El globo es una membrana elástica de hule o látex, sabemos que esta membrana por si sola no flota lo que nos dice que su densidad es mayor que la del aire, pero el helio, a presión atmosférica, tiene un densidad menor que la del aire, lo suficientemente pequeña como para que al inflar el globo con helio el promedio de la densidad de ambos (helio y globo) sea menor que la del aire, el resultado es el que tanto nos divirtió (y aún nos divierte, espero) cuando éramos niños, un globo que se eleva por los aires.

Esto nos explica también porque (¡oh! ¡desilusión!) un globo inflado con aire de nuestros pulmones no flota si no que más bien cae, nosotros exhalamos dióxido de carbono que es un poco más denso que el oxígeno, principal componente del aire que respiramos, el resultado es que un globo inflado por nosotros mismos tendrá una densidad media mayor que la del aire por lo que se “hundirá” en él.

Entendiendo la condición de la densidad para la flotación en fluidos comprendemos entonces que no cualquier cosa llena de helio va a remontarse al aire, sería muy gracioso ver al vendedor de globos corriendo detrás de su tanque de helio, pero no sucede porque el metal del que esta hecho es muy denso así que la densidad promedio del tanque lleno de helio será siempre mayor que la del aire.

Algunas palabras sobre el grafeno.

2010-10-31T16:42:00.000-06:00

Grafeno, figura tomada de este enlace.

A principios de octubre se anunciaron los Premios Nobel de este año. El de física fue otorgado a Andre Geim y Konstantin Novoselov por sus trabajos sobre grafeno. Este es un material novedoso cuyas propiedades eléctricas y mecánicas (resistencia, flexibilidad etc) lo convierten en un excelente candidato para revolucionar los dispositivos electrónicos. Pero en lo personal, lo que me asombra más del grafeno es su composición: carbono, simplemente carbono, el mismo elemento que abunda en la materia orgánica en nuestro planeta, incluyendo nuestro ADN. Y aún si te estás preguntando que tanto tiene que ver el grafeno con la vida cotidiana, te cuento que el grafito que usamos para escribir, y el diamante, valorado por su dureza y su belleza, son también carbono. Me encanta cuando la Naturaleza nos da una lección como esta: con el mismo átomo es capaz de crear materiales con propiedades muy diferentes unas de otras. El secreto está en la forma en que se acomodan los átomos.

Figura tomada de Wikimedia Commons, hecha por Mstroeck

Hablemos primero del carbono. Es el elemento número 6 de la tabla periódica, es tetravalente, lo que significa que cada átomo de carbono tiene la capacidad de enlazarse a otros 4 átomos de carbono. Su abundancia en el Universo se debe a que se produce en las primeras etapas de vida de una estrella. No en vano Carl Sagan dijo "Somos polvo de estrellas" pues en realidad todos los elementos en el Universo provienen de las reacciones en el interior de estos astros. Se estima que el carbono representa el 0.025% de la corteza terrestre. En la Naturaleza lo encontramos en numerosos compuestos orgánicos. Específicamente el carbón sólido natural existe principalmente tres formas: carbón amorfo, grafito y diamante.

El carbono amorfo es aquel en la que los átomos se agrupan de manera desordenada, como se muestra en la figura a la izquierda. Este tipo de estructura es la que encontramos en la hulla y el carbón. Aunque estrictamente hablando estos compuestos contienen parte de carbono amorfo y parte de carbono cristalino.

Estructura del diamante. Figura tomada de
Wikimedia Commons, disponible aquí.

Por otro lado, en el diamante, los átomos de carbono se organizan en una estructura cúbica que se repite una y otra vez. La estructura se muestra en la figura a la derecha. A este tipo de estructuras periódicas se les conoce como cristales. Esta estructura peculiar solo puede formarse a temperaturas y presiones muy altas: aproximadamente 10 mil veces la presión atmosférica y 1000°C. Estas condiciones se dan solamente en el manto terrestre y entre placas continentales. El resultado es un sólido transparente muy puro, aislante eléctrico y reconocido por su dureza.

Grafito. Figura tomada de Wikimedia
Commons, disponible en este enlace.

En la naturaleza encontramos también el grafito. En este caso los átomos de carbono se organizan en capas, en las cuales los átomos de carbono se acomodan formando vértices de hexágonos. En este caso, las fuerzas de atracción entre los átomos dentro de una misma capa es más fuerte que la atracción entre átomos que se encuentran en capas diferentes. Esto hace que al aplicar presión sobre el grafito, provoquemos un deslizamiento de las capas. Esto es lo que sucede cuando escribimos con un lápiz: presionamos la barra de grafito contra el papel y dibujamos letras dejando capas de grafito sobre la superficie. Por esta propiedad, el grafito se usa también como lubricante en procesos industriales (y a veces en cerrajería también). A diferencia del diamante, el grafito sí es conductor eléctrico.
Si tomamos una sola capa de grafito, obtenemos grafeno. Es decir, ¡es una película de carbono del grosor de un átomo! A esto se le llama monocapa. El grafeno es transparente, es conductor eléctrico, más fuerte que el acero pero sumamente flexible (dos características difíciles de encontrar en un solo material). Estas características lo convierten en un candidato ideal para aplicaciones en óptica y electrónica, tales como pantallas táctiles y páneles solares entre otras, como se muestra en este vídeo A pesar de que su existencia fue predicha teóricamente en 1947 por P.R.Wallace, no fue hasta el 2004 cuando Geim y Novoselov lograron aislar y caracterízar esta monocapa de carbono. Muy interesante el método que los científicos galardonados usaron: simple y barato, nada de supertecnologías. En este enlace podés ver un vídeo que ilustra una de las formas de obtener grafeno. Se toma cinta adhesiva, se pega sobre la superficie de un trozo de grafito y luego se despega. Acto seguido, se coloca una plaquita de silicio sobre la parte de la cinta que estuvo sobre el grafito, se presiona y se despega. Finalmente examinaron la plaquita de silicio en el microscopio para corroborar la presencia de la monocapa de grafito.

Fulereno y nanotubos, ilustración
tomada de este enlace

Esta no es la primera vez que el carbono ha sido tema de premio Nobel. Podemos mencionar en este aspecto el fulereno, que está formado por 60 átomos de carbono acomodados en 20 hexágonos y 12 pentágonos formando la superficie de una esfera (premio Nobel de Química, 1996). Existen también los llamados nanotubos de carbono. Estos son una o varias capas de grafeno enrrolladas en la forma de un tubo cuyas propiedades eléctricas se asemejan un poco a las del grafeno.
Actualmente muchos grupos de investigación trabajan con grafeno. Incluso ya hay proptotipos de pantallas hechas con este material, como la pantalla táctil que se muestra en este vídeo. Sin embargo, todavía es necesario esperar unos años para saber si el grafeno cumple las actuales espectativas.
(NOTA: todas las ilustraciones fueron tomadas del Wikimedia Commons)

Jugando con imanes

2010-10-12T20:52:00.005-06:00

Este trabajo lo hice con dos de mis compañeros del Instituto Tecnológico de Costa Rica y con apoyo de la Escuela de Física de la misma institución.

La idea del proyecto, que consta de este y dos videos más, fue dar ideas de experimentos sencillos y de bajo costo a los profesores de escuela y colegio con el fin de que los hagan con sus alumnos.

¡Espero que les gusten las ideas y que las explicaciones les despejen algunas de las dudas que se les cruzan mientras juega con imanes!

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

2010-09-28T16:22:00.000-06:00

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?)

2010-09-11T07:13:00.018-06:00

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:

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.

De relámpagos y truenos: luz y sonido en el cielo (parte 2)

2010-08-20T16:04:00.000-06:00

(Ilustración tomada de este enlace)

Los fenómenos naturales en general son sin lugar a dudas muestras impresionantes de la fuerza de la naturaleza: desde los más violentos como las erupciones volcánicas y terremotos hasta los más pacíficos como los atardeceres y los eclipses. Uno de ellos que vivimos con bastante frecuencia y común a (yo diría) todas la latitudes es el de las tormentas eléctricas. Y si no, hechemos un vistazo a las mitologías de diferentes culturas, casi todas tienen una deidad asociada a los relámpagos, truenos y lluvias: Tlatloc (azteca), Zeus (griega), Jupiter (romana), Thor (nórdica) para mencionar algunos ejemplos.

La primera parte de esta publicación trató sobre el relámpago. Este es la luz que se produce cuando el aire entre dos puntos con cargas opuestas se ioniza y permite el paso de corriente eléctrica. Este fenómeno es el mismo que se produce en una lámpara de esas que usamos cotidianamente: la corriente para por un filamento, se produce calor y luz debido al movimiento de las cargas eléctricas en el alambre. Pero todavía no hemos hablado de otra característica tanto o más impresionante que el destello luminoso: el sonido asociado a esta descarga eléctrica en la atmósfera. Ese estruendo pavoroso que muchas veces de niñ@s nos hacía terminar escondid@s debajo de la cama con nuestras mascotas...

Recordemos que durante la descarga, el aire que se ioniza alcanza altas temperaturas. Y cuando digo altas, me refiero a temperaturas cercanas a los 30 mil grados centígrados. Cuando el aire se calienta su densidad disminuye. Por cierto, esta es la razón por la cual el aire caliente en una habitación tiende a subir, y es por esto que durante un incendio se recomienda tirarse al piso para respirar menos humo y buscar el aire menos caliente. Ese calor se propaga por el aire circundante, y con él el cambio de densidad. ¿Has estado alguna vez en un estadio, para un juego o un concierto, y has sido parte de una "ola"? Bueno, es exactamente igual. En la ola lo que se propaga es el movimiento de los brazos de las personas. En este caso, lo que se propaga es ese cambio de densidad en el aire. Pero el aumento de la densidad en una región implica que en las regiones adyacentes la densidad disminuye. Es como tener un resorte: so comprimimos una parte, las regiones a la par se estiran, como se muestra en la figura a la izquierda (tomada de este enlace). Esta perturbación (cambio de densidad) se propaga en el medio (aire) y justamente son las que producen sonido. Así como las personas en las olas mueven sus brazos para hacer la ola, las moléculas del aire se mueven para poder hacer que los cambios de densidad se propaguen en el aire. Al alcanzar nuestros oídos, el movimiento del aire hace vibrar la membrana del tímpano y nuestro sistema nervioso se encarga de interpretar esa información. Este tipo de perturbación es lo que se conoce como onda longitudinal.

Tenemos entonces dos fenómenos asociados a la descarga eléctrica de la que venimos hablando: el relámpago, que es la luz, y el trueno que es el sonido. Pero aunque estos fenómenos ocurren al mismo tiempo, nosotros generalmente los percibimos con una diferencia de tiempo entre ambos: primero vemos el relámpago y después oímos el trueno. Esto sucede porque la velocidad de la luz es mucho mayor que la velocidad del sonido. De hecho, la luz viaja tan rápido, que prácticamente vemos el relámpago en tiempo real. El sonido es un poco más lento, y por eso no es raro que oigamos el trueno algunos segundos después de haber visto el relámpago. Cuantos segundos depende de la distancia entre el lugar donde ocurrió la descarga y el lugar donde estemos. De hecho mucha gente acostumbra contar los segundos de diferencia entre el relámpago y el trueno, y multiplicar ese tiempo por la velocidad del sonido en el aire: aprox. 343m/s para obtener así la distancia en metros hasta el lugar donde cayó el rayo. Para los más osados: si no tenemos una calculadora cerca, y no deseamos hacer esta multiplicación a mano, podemos usar este truco: 343 m/s = 0.343 km/s que se puede aproximar como 1/3 km/s. Entonces el tiempo lo multiplicamos por 1/3, que es lo mismo que tomar ese tiempo y dividirlo por 3. Esto nos dará la distancia (aproximada) en kilómetros.

Nubes blancas como el algodón

2010-08-08T14:40:00.007-06:00

Cuando hacemos pasar un haz de luz por un prisma se descompone en los colores del arco iris, es decir, la luz blanca contiene todos los colores que podemos ver. Debemos recordar que la luz es una onda y que a cada color le corresponde una longitud de onda determinada.

Cuando vemos algo de color blanco lo que físicamente está sucediendo es que estamos viendo todos los colores al mismo tiempo, si a nuestros ojos llegan al mismo tiempo todas las longitudes de onda nuestro cerebro interpreta esta información como el color blanco. De ahí la definición de blanco (que me molestaba tanto cuando estaba pequeña) como la presencia de todos los colores.

Existe más de una manera de descomponer la luz, el prisma es la primera que se nos viene a la mente, pero también en ciertas ocasiones el agua puede funcionar como prisma, y para ejemplo está el arco iris, y hasta nuestra atmósfera afectan la luz que nos llega del sol. Las diminutas partículas de gas que la forman la atmósfera, principalmente oxígeno y nitrógeno, tienden a dispersar con mayor eficacia las longitudes de onda más cortas (que corresponde a los colores violetas y azules) que las largas, por eso vemos el cielo es azul y el sol amarillo. Este efecto es conocido como dispersión Rayleigh, si desea conocer el detalle puede visitar el artículo ¿Por qué el cielo es azul?

Nube blanca, nube gris.

Las nubes están formadas por vapor de agua y por pequeñísimas gotitas agua que aún no tienen el tamaño suficiente para caer como lluvia. Cuando la luz alcanza a las gotitas estas la esparcen pero a diferencia de las moléculas de oxígeno y nitrógeno, las gotas dispersan por igual y en todas las direcciones la luz de todos los colores, ¡Por eso vemos las nubes blancas!

¿Por qué? Es una cuestión de tamaños, la moléculas del gas atmosférico son de un tamaño menor al de la longitud de onda de la luz de los diferentes colores eso hace que su mecanismo de interacción sea el de la dispersión Rayleigh, en cambio las gotitas de agua son más grandes por lo que no “eligen” unas longitudes de onda sobre otras, si no que dispersan de igual manera todas las ondas visibles.

Cuando la luz interactúa con partículas de tamaños mayores a su longitud de onda entra en acción un mecanismo llamado Difusión de Mie. Esta es también la razón por la que los granos de sal y azúcar son blancos.

Pero… no todas las nubes son blancas como el algodón ¿Cómo se explican entonces las nubes de lluvia?

Una nube de lluvia es mas gruesa y tiene muchas más gotas de agua que además son más grandes. Comparada con una nube blanca la de lluvia es más densa y a la luz le cuesta más atravesarla. Para entenderlo podemos usar un lámpara y servilletas, si desdoblamos una y la ponemos tapando el del bombillo encendido pasará luz a través de la servilleta, si seguimos agregando una capa de servilletas después de otra cada vez pasará menos luz hasta que después de poner muchas ya ninguna luz logrará atravesarlas. El resultado es la atenuación de la luz blanca hacia grises cada vez más oscuros. Esta es la causa de que en los días muy nublados, el cielo aparezca más o menos gris, y cuando la lluvia es inminente casi negro.

De relámpagos y truenos: luz y sonido en el cielo (parte 1)

2010-07-31T14:51:00.000-06:00

(Imagen tomada de este enlace)

Debo confesar que esta semana estaba un poco preocupada por no saber sobre qué iba a escribir en el blog. Como en la mayoría de las ocasiones, la respuesta surgió de algún detalle cotidiano. En Costa Rica es época lluviosa. Esto significa que llueve casi todas las tardes, y en muchas ocasiones hay tormenta con relámpagos y truenos. Así en una de esas tardes lluviosas, interrumpida algunas veces por la falta de electricidad, se me ocurrió investigar de donde vienen los relámpagos y los truenos.

Primero que todo, hagamos la distinción entre las dos palabras: relámpago, que se refiere al destello luminoso y trueno, entendido como el estruendo que oímos.

Hablemos primero del relámpago. Creo que no estoy exagerando al decir que todos hemos oído hablar de alguna forma u otra que los relámpagos son fenómenos eléctricos: ya sea porque hemos oído términos como "tormenta eléctrica" o porque en nuestra mente tenemos la imagen de un señor recibiendo un rayo por medio de una cometa, solo para mencionar dos ejemplos. Efectivamente, los relámpagos se deben a la acumulación de cargas eléctricas. Hablamos en este caso de electricidad estática, que es la acumulación de cargas sobre la superficie de un material sin que haya una corriente o movimiento de estas últimas.
La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia. Existen dos tipos de carga: positiva y negativa. Cargas opuestas se atraen y cargas iguales se repelen. La carga eléctrica tiene su origen en la estructura microscópica de la materia. La materia se compone de átomos, y estos a su vez se componen de un núcleo, con protones y neutrones, y electrones que orbitan alrededor del núcleo. Los protones poseen carga positiva, y los electrones carga negativa. Si la cantidad de protones es igual a la cantidad de electrones, el átomo es eléctricamente neutro. Pero puede suceder que el átomo pierda o gane electrones. En estos casos, el átomo tendría una carga positiva o negativa eléctricamente.

Volviendo a los relámpagos, el primero en demostrar que los relámpagos se producían debido a cargas eléctricas acumuladas en las nubes, fue Benjamín Franklin en 1752. Él uso un cometa, hecho de madera y seda, para acercar el extremo de un alambre de cobre a una nube de tormenta. El otro extremo del alambre sujetaba una llave metálica, la cual a su vez estaba sujeta a la cuerda que Franklin usaba para sostener la cometa, cerca de su mano. Al acercar la cometa a la nube, las cargas acumuladas en la nube fluyeron a través del alambre y Franklin fue capaz de sentir un choque eléctrico al tocar la llave. Por supuesto, sobra decir que este experimento es sumamente peligroso y no recomendamos que lo intenten! (Ilustración tomada de este enlace, no con el fin de hacerle propaganda a la página, pero sí para no atribuirme crédito por la imagen).

El mecanismo mediante el cual se acumulan las cargas en las nubes no está muy bien establecido. Podría deberse por ejemplo a la fricción entre las moléculas cuando el aire en la atmósfera se mueve. Esto es parecido a cuando frotamos un peine en el cabello y ambos se cargan, y podemos mover papelitos usando el peine. Cuando la diferencia de cargas entre la nube y algún otro punto en consideración es grande, como otra nube o el suelo, las cargas de una de las regiones son atraídas hacia la otra región. Sin embargo, como no hay un medio conductor que les permita hacer esto, las cargas deben encontrar la manera de pasar a través del aire. El efecto de esta fuerza de atracción entre las dos regiones con cargas de signo opuesto hace que los electrones y los protones de las moléculas del aire en el medio se reorganicen separándose unas de otras. Es decir, los átomos pierden sus electrones, los cuales quedan libres para transportar carga en el medio. Esa es la diferencia entre un material conductor y uno aislante: el conductor tiene electrones libres y por lo tanto puede haber un movimiento de cargas (corriente eléctrica) a través suyo. Este fenómeno de la separación de los electrones se conoce como ionización y convierte al aire en un conductor permitiendo que las cargas fluyan de un lado a otro. Sin embargo, a pesar de la ionización del aire, la corriente encuentra todavía un grado considerable de resistencia en el medio, por lo que se pierde mucha energía en forma de calor. Esto se conoce como Efecto Joule. Piense por ejemplo en un bombillo incandescente como los que se usan para iluminación doméstica. Estos que tienen un filamento de tungsteno en su interior que se calienta y emite luz cuando lo atraviesa una corriente. La luz que se emite proviene principalmente (*) del hecho de que las cargas en el material, al calentarse, adquieren movilidad. Al moverse, se producen campos eléctricos y magnéticos que se propagan. La luz es un tipo de radiación llamada "radiación electromagnética" pues proviene justamente del movimiento de campos eléctricos y magnéticos. Resumiendo: la luz viene de campos eléctricos y magnéticos, que vienen del movimiento de las cargas en el medio que a su vez viene de la temperatura (a nivel molecular, la temperatura es una medida de cuanta energía las partículas tienen para moverse). La radiación producida de esta manera se conoce como "radiación de cuerpo negro" o "radiación térmica" y explica porqué objetos calientes emiten luz. Esto incluye desde la llama de una vela, hasta las estrellas en el Universo. Curiosamente, el estudio de la radiación de cuerpo negro, primero por Planck en 1901 y después por Einstein en 1905, fue uno de los pilares de la mecánica cuántica. Si los lectores están interesados, podríamos escribir sobre esto en una próxima publicación, eso sí, a manifestarse! Las temperaturas alcanzadas en un relámpago son muy altas, rondan los 30 000 grados centígrados. El valor del voltaje asociado a esta descarga eléctrica varía de relámpago a relámpago, pero en general está entre los 10 y 120 MILLONES de Voltios. El valor de la corriente es también muy alto: entre 1200 y 200 000 Amperios (datos tomados de este enlace). Si tomamos en cuenta que una corriente superior a 0,2 Amperios ya puede causar un paro cardíaco, es simplemente increíble que una persona sobreviva a un choque eléctrico de un relámpago.
En la próxima publicación, hablaré sobre cómo se produce el trueno y algunos otros detalles más.

(*) La radiación de cuerpo negro no es el único fenómeno responsable por la emisión de luz en los relámpagos, pero sí el de mayor contribución.

Los colores en el cielo (Atardeceres rojos y negras noches)

2010-07-22T17:41:00.019-06:00

Esta es una participación en la IX Edición de Carnaval de la Física que este mes el albergado en Experientia docet.
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Siempre me ha fascinado El Principito. Una de las cosas que más gustaba de su planeta chiquito, su asteroide, es que con sólo correr la silla podía ver una y otra vez el atardecer. Hay días en que sería muy bueno poder ver el atardecer 43 veces…

Y es que la caída del sol nos atrae por su belleza, por sus colores, ese sol rojo que se esconde en el horizonte para dejarnos la noche. Inspira desde pasión hasta nostalgia, nos hace pensar… Pero ¿A qué se deben los colores que vemos al atardecer?

Debo iniciar con algo que ya he dicho en otras publicaciones, pero resulta que es muy importante, todas las manifestaciones de color que vemos en el cielo se deben a la manera en que la luz del sol interactúa con la atmósfera. La atmósfera está compuesta por moléculas de diferentes gases, oxígeno y nitrógeno principalmente, pero además tiene partículas de polvo, agua y contaminantes que se encuentran suspendidas flotando en el aire.

Vamos desde el inicio:

La luz es una onda que, al igual que las olas del mar, tienen crestas y valles, la distancia entre dos crestas consecutivas se llama longitud de onda.

La luz que emite el sol contiene todos los colores que el ojo puede ver, esa combinación es lo que los físicos llamamos luz blanca, debido a su apariencia.

Al atravesar un material transparente, cada color contenido en la luz blanca se desviará un ángulo diferente, dando lugar a la separación de la luz donde podemos apreciar los colores del arco iris. Cada color es una onda que tiene una longitud de onda característica que aumenta al ir del violeta al rojo (en el orden de los coleres del arcoiris).

Al llegar a la atmósfera, los rayos de luz solar interaccionan con las moléculas de gas que la forman (podemos pensar que “chocan” con las moléculas) y así van variando su trayectoria en zigzag a través de la atmósfera hasta que por fin llegan a nuestros ojos. A este proceso se llama dispersión de Rayleigh en honor al físico inglés Lord Rayleigh (1842-1919).

Esta interacción luz-moléculas se debe a la relación que hay entre el tamaño de las partículas atmosféricas y de la longitud de onda asociada a cada color y es mayor cuanto más pequeña es la longitud de onda, es decir los rojos y anaranjados casi no se ven afectados y al irnos corriendo hacia el azul cada color sufre más dispersión. Los lectores más fieles recordarán que esta también es la razón por la que el cielo es azul .

El atardecer

Como se puede ver de la figura superior, el camino que la luz solar recorre dentro de la atmósfera es más largo al atardecer que durante el resto del día, al recorrer más distancia los rebotes sucesivos en unas partículas y otras hacen que la luz de longitud de onda más corta (del azul al amarillo) sea dispersada y solo los rayos rojos (los de longitud de onda más larga), siguen un camino casi rectilíneo por lo que llegan en un camino casi directo a nuestros ojos. De ahí el color rojo del sol poniente.

Los colores que luce el cielo en los atardeceres, se originan también por la intervención de las moléculas y partículas que la atmósfera tiene en suspensión pues dispersan la luz solar de diferentes modos. Cuando existe una cantidad anormalmente elevada de contaminación, por ejemplo partículas en el aire debidas a quemas o humo de carros y fábricas, la luz del amanecer y del atardecer es especialmente roja e inclusive violeta.

La noche
Asociamos la oscuridad de la noche con el color negro y con las estrellas en el firmamento.

El color negro de la noche se debe a que a la atmósfera que rodea a quien la observa apenas llega luz y por tanto no se da suficiente dispersión.

Si la tierra no tuviera atmósfera (evitando pensar que es imposible la existencia humana sin atmósferaJ), la luz solar alcanzaría nuestros ojos sin desviación de ninguno de sus colores, no recibiríamos luz dispersada ni difundida y el cielo aparecería tan negro como por la noche ( desde el espacio los astronautas pueden observar durante el día las estrellas, la luna y los planetas debido a que están fuera de la atmósfera).

Palomitas de maíz y física

2010-07-15T12:54:00.004-06:00

Conocidas a lo largo de América Latina por diferentes nombres: rosetas, maíz pira, canchita, cangulles, pochoclos, cotufas, poporopos entre otros, las palomitas de maíz, aquellas que compramos cuando vamos al cine o que hacemos en casa para ver una peli, han estado presente en nuestra vida cotidiana tal vez más tiempo del que creemos. Diferentes hallazgos arqueológicos demuestran que el maíz tostado era conocido por diversos grupos que poblaron la América Pre-Colombina, tanto en el Norte como en el Sur del Continente. Se habla por ejemplo de palomitas de maíz encontradas en cavernas en Nuevo México datadas en el año 3600 a.C, restos de maíz reventado en el Antiguo Perú con más de mil años de antigüedad para mencionar algunos de ellos (lea más aquí). Las rosetas obtenidas al exponer los granos de maíz al calor se usaban no solo como alimento, sino como decoración y para crear amuletos. En este enlace puede leer un poco más sobre la historia de las palomitas de maíz.

Sin embargo, no son todas las variedades de maíz las que se pueden usar para estos fines. La que se acostumbra usar es la Zea mays everata Sturt, conocida como maíz reventón. Incluso usando el maíz adecuado, como muchas veces lo habrás notado, no todos los granos logran convertirse en rosetas, por más calor que le pongamos!

Veamos primero las características de los granos de maíz usados para las palomitas. En la figura de la izquierda (tomada de este enlace) vemos un esquema de sus partes: el pericarpio o piel, el germen (permite que germine, contiene la información genética) y el endosperma. Este último está hecho de almidón, como el que se usa para cocinar. No olvidemos tampoco que un buen porcentaje del grano de maíz está constituido por agua. Al calentar el grano, el agua en su interior se evapora. Como el pericarpio es resistente al agua, el gas no puede salir. El vapor de agua se mezcla con el almidón, produciendo un gel que tiende a expandirse. Sin embargo, el pericarpio en estas variedades es también muy resistente, y la mezcla vapor - almidón no puede expandirse. La presión y la temperatura dentro del grano pueden llegar a alcanzar valores de 9 veces la presión atmosférica y aproximadamente 175°C. Este es el mismo principio que usan las ollas de presión. En este punto, el pericarpio no resiste más y se revienta. El gel de almidón sale en forma de burbujas que se enfrían y solidifican rápidamente, dando origen a la forma de la palomita de maíz. Ahora sí estamos list@s para entender porqué algunos granos no revientan: si el grano no contiene suficiente agua, la presión del vapor en el interior de la misma no llega a ser la necesaria para reventar el grano a menos que se eleve mucho más la temperatura. Es decir, el grano se quema antes de explotar. Valores óptimos de contenido de agua oscilan entre el 11% y el 14 % de la masa del grano. Otra hipótesis al respecto sería considerar la posibilidad de que el pericarpio tuviera un agujero, y por este motivo no se podría elevar la presión en su exterior.

Pero la física no acaba ahí. Hay también mucha física en la manera de preparar las palomitas de maíz. El método tradicional implica colocar los granos en una sartén u olla con aceite. El aceite actúa como medio conductor de calor y el calentamiento se da por contacto directo de los granos con la superficie caliente. Este proceso se llama conducción. En las ollas especiales para hacer palomitas de maíz, la transferencia de calor se da por medio de la circulación de aire caliente. Este proceso se conoce como convección y es característico de fluidos (gases y líquidos). Por último, y probablemente el más popular hoy en día, es usar el horno de microondas. Como expliqué en una publicación anterior, al usar microondas estamos incitando el movimiento de las moléculas de agua dentro de los alimentos, y como consecuencia se eleva la temperatura. En principio no es necesario nada muy sofisticado para lograr hacer palomitas de maíz en el microondas. Sin embargo, los paquetes que disponibles comercialmente tienen la peculiaridad de poseer una fina capa de metal en su envoltura. Ayuda a mantener una temperatura uniforme dentro de la bolsa y facilita su calentamiento (NOTA: en general, introducir metales dentro del microondas es PELIGROSO por la forma en que estos interactuan con las ondas, NO LO HAGA en casa; estas envolturas están especialmente diseñadas para no causar daños).

¡Y todavía hay más física! Quienes se dedican a comercializar palomitas de maíz se benefician de factores como el tamaño de la roseta: entre más grande, mayor volumen ocupa, lo que significa que se necesitan menos granos para llenar por ejemplo del cubo que compramos al ir al cine. Y justamente el problema de como obtener optimizar la producción de palomitas de maíz ha mantenido ocupados a algunos científicos, quienes proponen métodos que van desde encontrar la mezcla ideal de aceite, mantequilla y sal hasta implementar sistemas de vacío en los hornos. Este último tópico es abordado por P. Quinn, D. Hong, y. J.A. Both . Ellos utilizaron la termodinámica, que es la rama física que se encarga de estudiar procesos relacionados a transferencia de energía, e hicieron un modelo simplificado de como el interior de la palomita se expande, rápidamente. Obtuvieron un resultado que podemos entender intuitivamente sin saber de los detalles de su modelo: el tamaño final de la palomita va a depender de que tan rápido puede expandirse antes de enfriarse y solidificarse, y esto a su vez depende de la diferencia de presiones entre el interior del grano y su exterior. De esta manera, al aumentar esta diferencia de presión el gel de almidón logra expandirse más rápidamente antes de enfriarse. Para aquellas personas interesadas en más detalles, pueden leer el trabajo completo aquí (en inglés) ¡Al implementar un sistema de vacío en los hornos que se usan para reventar granos de maíz para disminuir la presión dentro de los mismos, se puede lograr duplicar el tamaño de las palomitas!
En lo personal, la próxima vez que disfrute de este bocadillo ¡pensaré en algo más que su sabor!

El tiro libre de Roberto Carlos

2010-07-07T11:05:00.002-06:00

El mundial llega a su etapa final, poco a poco, para asombro y desilusión de muchos (bue… al menos mía), vimos irse a los latinoamericanos, al mismo tiempo otros equipos han dado cátedra de organización y de efectividad, y claro, en algún momento se le debe hacer honor a la justicia, un juego en equipo, debe premiar la capacidad del grupo sobre las individualidades.

Es así como los Messis, Critianos Ronaldos y demás figuras de las que esperaba todo quedaron en el camino, fue evidente que cuando la exigencia subió sus equipos se quedaron cortos, pero para ser sincera, tampoco dieron jugadas de fantasía, de las que pasan una y otra vez en los resúmenes deportivos porque sólo los grandes jugadores las pueden lograr.

Para alguien como yo, que disfruta el fútbol por estas jugadas más que por los 90 minutos en que rueda la bola entre intervenciones normales de los jugadores, este mundial ha sido desilusionante.

Después de escribir “La física de los tiros libres” y revivir la jugada de Roberto Carlos en el partido Brasil-Francia decidí que merecía un artículo especial, yo sé que sucedió hace más de 10 años, pero aún pasado este tiempo sigue siendo sorprendente y yo sigo esperando que en un mundial podamos ver una jugada que nos hechice así.

Para el análisis físico del gol me permito hacer una traducción libre del artículo “The physics of football” (para complementarlo pueden leer la anterior publicación “La física de los tiros libres”):

Partido Brasil versus Francia, 3 de junio de 1997, minuto 21 del encuentro. Estaban empatados 0-0 cuando se pita un tiro libre a favor de Brasil, podría ser extraña la decisión de quien lo cobraría, Roberto Carlos, primero porque era un defensa, no es lo usual, segundo porque además es uno de los jugares mas pequeños del equipo, no llega al 1.70 m, tenía que rebasar una barrera de altos franceses y vencer al portero Fabien Barthez que en aquel momento estaba en la lista de los mejores.

El tiro debía hacerse a unos 23 m del marco, Roberto Carlos toma impulso, corre y golpea la bola con la parte externa del pie izquierdo, de manera que la impulsa hacia el lado derecho (desde el punto de vista de Roberto Carlos) ¡¡con una velocidad de casi 100km/h!! y además la hizo rotar en dirección opuesta a las manecillas del reloj. Las condiciones climáticas del día juegan un papel importante, entre más húmedo el día menos rotación se le imprime a la bola al patearla. El 3 de junio de 1997 fue un día seco, así que la patada de Roberto Carlos hizo girar la bola aproximadamente 10 veces por segundo.

La barrera defensiva que no hace más que verla pasar de lado, no muy preocupados por cierto, y si ven el video en detalle notan que en el fondo hay un recoge bolas que hace el amago de protegerse, porque cree que la bola va en su dirección. Pero ahí no se acabó todo.

El fuertísimo zurdazo que le dio Roberto Carlos a la bola y el repentino avance de esta hizo que el aire a su alrededor se desordenara, en jerga física diríamos que la bola avanza en un fluido turbulento (porque para los físicos los fluidos son líquidos o gases indistintamente), el fluido turbulento le ofrece poca resistencia de avance a la bola, por lo que en realidad la defensa francesa apenas y la vio pasar, pero conforme la bola avanzaba en el aire, aun con la poca resistencia que le opone el aire, se va frenando y recién pasada la barrera de los franceses (a unos 10 m del marco) la velocidad de bola baja tanto que ya no genera desorden en el aire, viaja en un régimen laminar que opone más resistencia al movimiento de la bola y que permite a la fuerza de Magnus (fuerza lateral debida a la rotación de la bola) tener un efecto mayor.

Así conforme la bola se va frenando su trayectoria se va curvando hacia la izquierda cada vez más dejando a Fabien Barthez con cara de asombro y sin posibilidad alguna de reacción…. No sé, se me ocurre, si les dieran unas clasecitas de física tal vez hubieran podido anticipar la reacción de la bola y tirarse a bloquearla, por lo menos para la foto.

:-p

Si quieren intentar hacer un tiro como este deben tomar en cuenta:

La humedad del día, es una variable imposible de controlar, pero entonces hay que saber como manejarla, el movimiento de la bola en el aire está asociada a la viscosidad del aire, que a su vez depende de la humedad presente en él, para un mismo golpe una bola rotará más en día seco que en uno húmedo, en resumen, aquí en el trópico hay que darle un patadón a la bola para lograr que su trayectoria se curve bastante ya que el valor de la fuerza de Magnus, a la que se debe la trayectoria curva de la bola, dependerá de la humedad relativa que exista en el ambiente.
La patada, aunque debe ser fuerte tiene que tener técnica, debe ser con la parte lateral del pie para que además de impulsar la bola la haga rotar lo más posible, para esto es importante también que tanto la bola como el taco de fútbol estén bien secos, para transferir la máxima rotación con el golpe del pie.
La bola debe ser golpeada en su mitad inferior para que logre levantarse suficiente desde el suelo
La fuerza de la patada inicial que determina la velocidad inicial de la bola es fundamental, debe estar calculada para que la curva máxima de la bola (el instante en que se da la transición de fluido turbulento a laminar) se de en el momento justo, si es muy pronto el portero podrá adivinar su dirección y bloquearla y si se tarda mucho caerá detrás del marco y no habrá gol. (Está claro que para igualar la velocidad del 100 km/h de Roberto Carlos se requiere además mucho ejercicio de piernas)

Jugadores como Beckham o Roberto Carlos ensayan hasta el cansancio estos tiros libres para poder considerar todas estas cosas y en un tiempo muy corto decidir cual es la manera correcta de anotar el gol que pone en ventaja a su equipo y los pone en la memoria de todos.

Anímense y practiquen también ¡Espero que nos cuenten como van sus tiros libres ahora que conocen sus secretos!

Jabulani: el terror en Sudáfrica 2010

2010-06-25T15:31:00.001-06:00

Continuando con el tema de la Copa del Mundo, es casi imposible dejar de notar los comentarios de descontento con respecto al balón de la Adidas, el Jabulani. Estos comentarios provienen especialmente de los guardametas ¿Cuál podrá ser la razón de su descontento, si después de todo se supone que el Jabulani fue diseñado científicamente para ser el " balón perfecto"?

Repasemos primero algunas de sus características. A pedido de la famosa fabricante de artículos deportivos, Jabulani fue diseñada en la universidad británica de Loughborough donde el equipo de investigación trabajó durante 3 años para producir el balón más perfecto posible. Su nombre significa " celebración" en zulú. Una de las principales diferencias con respecto a los balones tradicionales, es que la Jabulani es una bola formada por 8 paneles 3 dimendionales que fueron unidos entre sí en caliente. Esto permite que cuando la bola se llena de aire para inflarla, haya la menor deformación posible y el balón tenga una forma esférica perfecta. En la bola tradicional, las 32 piezas que conforman su superficie son planas y se cosen entre sí. Al inflar el balón, las piezas se estiran no necesariamente todas de la misma manera, pues esto depende de las costuras en sí, que no son completamente idénticas. El resultado es una esfera menos perfecta. Para diseños aerodimámicos, la forma del objeto es de gran importancia para determinar la resistencia al movimiento a través del aire. Un segundo factor también importante en la aerodinámica es la superficie del objeto. Jabulani posee surcos y una superficie rugosa (como las bolas de golf) que le permiten avanzar a través del aire sin perder estabilidad. De hecho, la Jabulani ha demostrado alcanzar velocidades 5% mayores que la Teamgeist de la Copa del Mundo del 2006.
Entonces, si el Jabulani es un balón en apariencia tan perfecto (por lo menos desde el punto de vista aerodinámico), porqué hay tantas quejas? Justamente, el balón fue diseñado para adquirir altas velocidades facilmente, y esto sin duda puede desconcertar a jugadores y en especial a los porteros, quienes podrían no tener tiempo de reaccionar.

El ingeniero Takeshi Asai, de la Universidad de Tsukuba en Japón, tuvo la oportunidad de estudiar la Jabulani. Mediante pruebas hechas en túneles de viento, se ha determinado que el problema está precisamente cuando la bola no se encuentra viajando a velocidades tan altas. Como Natalia discutió en la publicación anterior, a altas velocidades el flujo de aire alrededor de la bola es lo que se llama un flujo turbulento, lo que implica un cierto "desorden" en las líneas de corriente. (inciso (b) de la figura a la izquierda) Esto ocurre principalmente al inicio de su movimiento (o sea inmediatamente después de la patada). Es aquí donde las ranuras y la superficie de la bola entran en acción: su función es propiciar turbulencia para disminuir la resistencia de avance de la bola a través del aire. Pero a velocidades bajas, el flujo se vuelve laminar o ordenado (de hecho se puede describir como capas paralelas de aire en movimiento alrededor del objeto, como el de la figura (a) a la izquierda). En este tipo de flujo la resistencia al avance se vuelve mayor, el balón se frena y su comportamiento se vuelve es impredecible . En ese caso las bolas tradicionales llevan ventaja, pues sus bordes ayudan a crear turbulencias adicionales que disminuyen su resistencia al movimiento a través del aire ¡ Tal vez sea por esto que el arquero Julio César dijo que las bolas que se compran en el supermercado son mejores que la Jabulani! (figura ilustrativa sobre los flujos laminares y turbulentos tomada de este enlace)

Según Derek Leinweber, profesor de física de la Universidad de Adelaida (Australia) hay un detalle más que debemos considerar: las ciudades donde se jugarán los partidos en general se encuentran a más de 1000m sobre el nivel del mar. Esto hace que la densidad del aire sea más baja que en otras ciudades donde se ha jugado con el Jabulani, y por esto el balón sea más rápido. Ud. puede escuchar un podcast de la conferencia del profesor Leinweber en este enlace (en inglés).
Hay un punto en común entre científicos y fabricantes de la Jabulani: las quejas se acabarán cuando los jugadores se acostumbren a jugar con ella, ¡o por lo menos eso esperamos todos los que queremos ver más acción en las canchas de esta Copa del Mundo!

En estos enlaces puede leer más sobre este tema:
http://news.suite101.net/article.cfm/jabulani-el-balon-estrella-del-mundial-de-sudfrica-a19251
http://www.foxnews.com/scitech/2010/06/09/world-cup-ball-soccer-jabulani/
http://veja.abril.com.br/230610/popup_jabulani.html

La física de los tiros libres

2010-06-18T09:40:00.011-06:00

Un buen tiro libre es absolutamente emocionante y queda en la memoria de todos, por más o menos futboleros que seamos. Si lo dudan empiecen por ver este, tirado por el hábil (entre otros atributos) David Beckham en el partido de Inglaterra contra Grecia para la clasificación al mundial Corea-Japón.

Lo primero que debemos considerar para entender la curva que hace la bola es algo que obviamos debido a la costumbre, vivimos inmersos en un mar de aire, los efectos que hace una bola, no sólo de fútbol, si no de cualquier deporte se deben a que avanza en el aire.

Los que juegan futbol saben que cuando se lanza un tiro libre la bola no se patea de frente con la punta de pie sino más bien de lado con la parte lateral del pie para que mientras que el balón avanza, a la vez, vaya rotando.

El movimiento de rotación de la pelota provoca que se desvíe su trayectoria hacia un lado u otro mientras está en el aire debido a un fenómeno conocido como fuerza de Magnus. Esta fuerza está causada por el hecho de que en el lado de una pelota en la que el aire y el movimiento de rotación van en la misma dirección, la velocidad de circulación del aire se incrementa y disminuye la presión; en el lado opuesto, disminuye la velocidad del aire y aumenta la presión.(Esto se explica por medio del principio de Bernoulli)

La fuerza y la presión están directamente relacionadas, es decir si aumenta la presión lo hace la fuerza y viceversa, así la fuerza resultante (la flecha verde en la ilustración de arriba) será en dirección de la presión mayor a la menor. La dirección de desvío de la bola será la de la fuerza de Magnus y estará relacionada con la dirección en que esta rote.

Entonces debido a este efecto es que es que la bola hace una curva cuando se lanza el tiro libre ¡el secreto está en la rotación del balón!

PERO… (¿Por qué siempre tiene que haber un pero?). Si la Fuerza de Magnus fuera la única necesaria para explicar la trayectoria del balón tendríamos una curva muy pareja y a final de cuentas predecible para bloquear y evitar el gol, bien sabemos que la curva se vuelve mucho más pronunciada a en la cercanía del marco dejando al portero en muchos casos sin posibilidad de reacción y al público celebrando eufórico…¡Nada mejor que lo inesperado!

Resulta que la fuerza de Magnus actúa en combinación con otra que no hemos tomado en cuenta, la de la resistencia del aire al paso de la bola. Podríamos pensar que es insignificante pero es responsable de lo que podríamos llamar “comportamiento caprichoso” de la bola. La resistencia del aire está relacionada con la forma y velocidad de la bola y además de características propias como su viscosidad.

Describir exactamente que sucede con la bola durante los aproximadamente 1,5 segundos que dura el vuelo del tiro libre es extremadamente difícil pero los científicos han hecho muchísimas pruebas de laboratorio como para arriesgarse a dar explicaciones satisfactorias de su trayectoria. En estos experimentos se pone la bola en túneles de viento, que, como su nombre lo dice es un túnel por el que se hace pasar un flujo controlado de aire, simulando el vuelo de la bola.

De estas investigaciones se han determinado varias cosas interesantes:

Cuando se patea la bola se genera mucho desorden en el aire que la rodea, por lo tanto la bola inicia su recorrido moviéndose en aire que está turbulento y que opone una baja resistencia al movimiento de la bola, en algún punto pasada la línea de la defensa esta resistencia al paso de la bola la logra frenar suficiente como para que el aire que la rodea se vuelva muy ordenado (fluido laminar, lo llamamos los físicos) y que opone una mayor resistencia al movimiento. Esta mayor resistencia hace que la bola se mueva cada vez más lento, por eso nos da la impresión de que esta última parte del tiro libre sucede en cámara lenta.

Sabemos que en este punto es cuando la bola hace una curva más pronunciada, esto se debe a otro descubrimiento hecho en los túneles de viento: entre más grande sea la rotación de la bola mayor será el efecto de la fuerza de Magnus, pero una bola que va avanza lento tendrá una mayor fuerza de Magnus que una que avance muy rápido y que tenga la misma rotación.

Lo que esto quiere decir es que en la última parte del recorrido donde ocurre la transición de fluido turbulento a laminar aumentando la resistencia del aire la velocidad de la bola disminuye pero continua rotando entonces la fuerza de Magnus toma un mayor valor, y por lo tanto se desvía más que en la parte anterior del recorrido. Es muy difícil para portero adivinar adonde irá a parar.

Como plato final les dejo uno de los tiros libres más famosos de la historia. Roberto Carlos, en un partido Brasil-Francia poco antes del Mundial de 1998. (Copa Confederaciones, 1997)

De más está decir que mucha de está investigación está dirigida por las compañías deportivas con el fin de crear la “bola perfecta” y cobrar mucho por ella, claro. Con el tiempo han llegado a desarrollar mejores materiales y diseños no solo para la bola, si no también para los tacos, apoyados en los estudios científicos que hacen físicos e ingenieros.

Nota: A los que les interese ahondar más en las explicaciones de la fuerza de Magnus y de la resistencia del aire al paso de la bola en flujos turbulentos y laminares (y tener acceso a ecuaciones, gráficos y demás) pueden pedírmelas por el blog o por facebook.

Física en la cocina: las microondas

2010-06-09T14:37:00.000-06:00

(ilustración tomada de este enlace)

¿ Te has preguntado alguna vez porqué el horno de microondas, elemento casi indispensable en las cocinas modernas, es tan eficiente calentando nuestra comida?

Las microondas

Las microondas, así como la luz visible, los rayos ultravioleta, rayos x, ondas de radio y ondas infrarrojas son ondas electromagnéticas. Este tipo de ondas transversales, como las descritas en la publicación anterior Los colores en el cielo ¿Por qué el cielo es azul?, transportan energía (no materia). A diferencia del sonido, no necesitan de un medio para propagarse, y se producen a partir de campos magnéticos cuya intensidad cambia en función del tiempo.

Recordemos que para una onda de este tipo, la distancia entre dos crestas o dos valles consecutivos se denomina longitud de onda y caracteriza a la onda. Los colores, por ejemplo, son ondas con diferentes longitudes de onda. Algunas veces, en vez de hablar de la longitud de la onda se habla de su frecuencia. Para un observador en un punto fijo, el tiempo transcurrido entre la observación de dos crestas o dos valles consecutivos de la onda es el periodo. El inverso del periodo (1 dividido por el periodo) es la frecuencia, que se mide en Hertz. Para onda electromagnéticas, la frecuencia nos da una idea de que tan rápido cambian los campos eléctricos y magnéticos. A mayor frecuencia, más rápido cambian los campos. La frecuencia y la longitud de onda no son independientes una de otra, sino que se relacionan por medio de la velocidad de la onda.

Las microondas tienen una frecuencia de 2.45 mil millones de Hz, y su longitud de onda es de 12.2 cm. Como las microondas son ondas electromagnéticas, viajan a la velocidad de la luz, aproximadamente 0.3 mil millones de km por segundo o 18 mil millones de km por hora.

Efecto sobre la molécula de agua

La mayoría de nuestra comida proviene de materia orgánica, la cual, así como nosotros mismos, está compuesta en un alto porcentaje por agua. La molécula de agua está formada por un átomo oxígeno y dos de hidrógeno y es una molécula dipolar. Esto significa que los átomos no comparten los electrones por igual. El átomo de oxígeno atrae más los electrones que los átomos de hidrógeno, por lo que podemos pensar que se forma una región cargada negativamente a su alrededor y una carga positiva en la regiónc ercana a los hidrógenos (figura tomada de este enlace).

Pensemos ahora en una molécula de agua en un campo eléctrico. Los campos eléctricos son la manera en que las cargas eléctricas se relacionan con su entorno. Por ejemplo, son los responsables por el hecho de que las cargas de igual signo se repelan mientras que las de signos opuestos se atraigan. En el caso del agua, la molécula buscará una orientación que minimice su interacción con el campo. Los campos eléctricos ejercen una fuerza sobre el dipolo de la molécula de agua, la molécula gira hasta alcanzar una posición en la cual el campo no ejerce más fuerza sobre ella. Vea una animación en este enlace. Si cambiamos la dirección del campo eléctrico, la molécula rotará para ajustarse a la nueva dirección. Que tan rápido la molécula puede reaccionar a los cambios en del campo va a depender de factores tales como su tamaño y la libertad de movimiento que tenga. Para agua líquida, el tiempo requerido para la rotación de moléculas corresponde al periodo de las microondas. Por este motivo, el efecto de las microondas es específicamente sobre las moléculas de agua en los alimentos.

El calentamiento
Teniendo esta información en cuenta, ¿cómo es que las microondas calientan nuestra comida?

El efecto de calentamiento por microondas se produce por la fricción entre las moléculas que rotan y el medio. La temperatura es una manifestación del movimiento aleatorio (al azar) de moléculas o partículas. El movimiento de las moléculas de agua transmite energía cinética (o energía de movimiento) a otras moléculas que empiezan a moverse aleatoriamente. Entre más energía se transfiera de las moléculas de agua al resto de las moléculas, más se mueven estas últimas y mas aumenta la temperatura.

Lo anterior explica también porque descongelar alimentos es más difícil que calentarlos: en su estado sólido (hielo) las moléculas de agua no pueden moverse tan fácilmente, por que el efecto de las microondas es menor.

Esta interacción entre las microondas y las moléculas de agua contenida en los alimentos explica también el hecho de que en el horno de microondas se calienta simultaneamente todo el volumen alimento, mientras que en los hornos convencionales se calientan primero las superficies y ese calor se transmite al resto del cuerpo.

Los colores en el cielo (¿Por qué el cielo es azul?)

2010-06-02T15:57:00.014-06:00

Los colores que vemos en el cielo se deben a la manera en que interactúan la luz y la atmósfera, la cual esta formada por diferentes gases y partículas de polvo, agua, ceniza, y diferentes contaminantes. Estos componentes son suficientes para generar diferentes manifestaciones de color en el cielo.

La luz blanca

Las ondas de luz, igual que las olas del mar, tienen crestas y valles, la distancia entre dos crestas consecutivas se llama longitud de onda.

La luz blanca es la combinación de todos colores que ojo puede ver.

Rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta a cada uno de los cuales asociamos una onda característica. La longitud de onda de cada uno de estos colores aumenta al ir del violeta al rojo.

El cielo azul

La luz que emite el sol es luz blanca que viaja por el espacio hasta llegar a la atmósfera terrestre.

En la atmósfera, los rayos de luz interaccionan con las millones de moléculas de gas que hay en el aire, podemos pensar que “chocan” con estas y así van variando su trayectoria en zigzag a través de la atmósfera hasta que por fin llegan a nuestros ojos. Esta interacción se debe a la relación que hay entre el tamaño de las partículas atmosféricas y la longitud de onda asociada a cada color y es mayor cuanto más pequeña es la longitud de onda, por eso los rayos azules y violetas se ven más afectados que los de los otros colores.

A este proceso se llama dispersión de Rayleigh en honor al físico inglés Lord Rayleigh (1842-1919).

El es cielo azul, el sol amarillo

Cuando vemos hacia arriba la luz azul no parece venir directamente del sol, si no que vienen de todas partes del cielo. De ahí que el cielo nos parezca azul y el sol amarillo, pues los rayos amarillos y rojos son poco desviados y van casi directamente en línea recta desde el sol hasta nuestros ojos.

Vemos, que nuestro cielo azul y nuestro sol amarillo, a los que estamos tan acostumbrados, son el resultado de la dispersión de Rayleigh, pues desde el espacio, donde no hay atmósfera, el Sol se ve blanco y el cielo absolutamente negro.

En resumen:

El color azul del cielo se debe por tanto a la mayor difusión de las ondas cortas. El color del sol es amarillo-rojizo y no blanco, porque si a la luz blanca procedente del Sol -que es suma de todos los colores- se le quita el color azul, se obtiene una luz de color amarillo-roja

El color del cielo, debería ser violeta por ser ésta la longitud de onda más corta, pero no lo es, por dos razones fundamentalmente: porque la luz solar contiene más luz azul que violeta y porque el ojo humano es más sensible a la luz azul que a la violeta.

La dispersión producida por los gases es muy débil, y por eso no la notamos normalmente si por ejemplo prendemos un foco o una luz, sin embargo, cuando el espesor de gas es muy grande, como sucede en la atmósfera, fácilmente se puede observar la luz dispersada.

Sentido del humor científico en televisión: el efecto Doppler

2010-05-25T09:57:00.000-06:00

(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.

Los días de lluvia y los jeans mojados

2010-05-19T07:09:00.004-06:00

¿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

Por qué los líquidos forman gotas?

2010-05-09T13:55:00.001-06:00

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.

Imitando a la Naturaleza -La fantasía de caminar por las paredes

2010-04-25T09:59:00.004-06:00

Alguna vez has visto una lagartija subiendo por una pared o caminando por el cielo raso de una habitación? Seguro te habrás preguntado cual es el secreto de su agilidad y de donde viene la habilidad de adherirse tan bien a casi cualquier tipo de superficie. Incluso, más de un@, tal vez de pequeños (o ni tanto en algunos casos...), habrás fantaseado con poder subir por las paredes y caminar por el techo...

El estudio e imitación de los métodos, diseños y procesos de la la Naturaleza se conoce como biomimética. Este es un concepto amplio que abarca desde el arte, como por ejemplo algunos los trabajos de Leonardo da Vinci, hasta la ciencia y tecnología. En el caso de las ciencias, los trabajos en biomimetismo pueden clasificarse generalmente en dos grupos: biomecánica y ciencia de materiales.Sin embargo, el ejemplo de la lagartija gecko es un caso especial que corresponde a ambas áreas.

Los gecko son un tipo de lagartijas nocturnas de las cuales existen alrededor de 850 especies. Existen en América desde el Sur hasta el norte de California, en el Sur de Europa y Asia Central. La especie más estudiada es el Tokay Gecko, que habita en Asia.

A simple vista las patas del gecko no parecen muy especiales. Lo único que podemos observar son franjas transversales. Sin embargo, al mirarlas con un aumento de mil veces o más, se descubre la estructura responsable por sus propiedades adhesivas. Ella consiste del alrededor de 500 mil cerdas en cada pata que a su vez se dividen entre 100 y 1000 puntas cada una. El extremo de cada punta tiene una forma de estpátula. Es decir, estamos hablando de alrededor de 1 billón de posibles puntos de contacto entre la superficie y la piel del gecko. Pero, cómo es que esta estructura tan fina logra sostener a la lagartija? En este caso la Naturaleza nos dice "divide y vencerás" . Las pequeñas espátulas mencionadas anteriormente son tan pequeñas interactuan con la superficie a nivel molecular. En este rango de distancias interviene una fuerza llamada "fuerza de Van der Waals". Para que esta fuerza tenga una magnitud considerable, es necesario que las moléculas tengan una separación de menos de 2 nm (tome en cuenta que un nanómetro es un millon de veces mas pequeño que 1 milímetro). Por sí sola, esta fuerza no resultaría suficiente para sostener la lagartija. Pero si tomamos en cuenta el gran número de puntos de contacto entre la superficie y la piel de la lagartija, resulta suficiente para sostener su peso. Incluso, si todas las espátulas estuvieran en contacto con la superficie simultáneamente, la lagartija sería capaz de sostener a una persona de al menos 120 kg!

Por algún tiempo no se creyó posible imitar esta estructura tan detallada y fina. Pero hoy en día, gracias a las técnicas disponible es posible recrear materiales que si bien no son idénticos presentan propiedades muy similares. Incluso, alfrombras de cerdas de nanotubos de carbono constituyen un material que es incluso más adhesivo que las patas del gecko. (ver este link)

Cabe destacar también la interdisciplinariedad de esto temas en bioinspiración. Para lograr un completo balance entre observación, caracterización y reproducción es necesaria la participación de físicos, biólogos, químicos e ingenieros.

Datos tomados del libro "The Gecko's Foot: Bio-inspiration: Engineering New Materials from Nature, de Peter Forbes"Imagen tomada de http://www.newscientist.com/articleimages/dn16340/1-nanotechnologys-biggest-stories-of-2008.html

Para las tardes de bochorno II... (por que se congela tan rápido el helado)

2010-04-21T17:35:00.006-06:00

En una publicación les sugerí un escape para el aburrimiento de las tardes lluviosas de nuestro trópico y les enseñé como hacer helado en 10 minutos

¿¿cómo logramos hacer un helado tan rápido??

La hielera es hecha de un material aislante, o sea, un material que no permite que el calor pase a través de él, así que todo lo que se encuentre dentro se comportará como un sistema termodinámico aislado, es decir no hay intercambio de calor entre lo que está dentro de la hielera y el entorno que la rodea.

La temperatura de congelación del agua es 0 °C. Al agregar sal al hielo logramos bajarla a una temperatura menor, es decir estará muy frío.

Al poner la bolsita con la mezcla de helado, que está a temperatura ambiente, dentro de la hielera ponemos en contacto dos cuerpos con temperaturas diferentes; entonces habrá un flujo de calor, que siempre viaja del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura, o sea, el calor va a pasar de la mezcla de helado al hielo, hasta que alcanzan el equilibrio térmico. Al ceder calor, es decir energía, la mezcla de helado disminuye su temperatura y dado que hay bastante hielo es posible absorber mucha de la energía de la mezcla de helado y disminuir su temperatura hasta congelarla.

Al mover la hielera se mueve también la mezcla de helado logrando que todos los puntos de la mezcla se pongan en contacto con el hielo, así aceleramos el proceso de transferencia de calor y por lo tanto la congelación de la mezcla para helado se vuelve muy rápida.

Este es el principio utilizado para hacer los helados de sorbetera.

la foto es tomada del sitio:

http://recetasdecostarica.blogspot.com/2008/05/helados-de-sorbetera.html

Para las tardes de bochorno...

2010-04-10T15:33:00.005-06:00

Sí, yo se que ya se están viniendo las primeras lluvias, pero los que habitamos en tiquicia sabemos que los días de calor todavía se quedan con nosotros una temporada más.

Imagínense una de esas tardes bochornosas, en las que además esta lloviendo y no abundan las ganas de salir pero uno está absolutamente aburrido, inventado que hacer... Les propongo una opción: ¡hagan helados! y cómanselos de una vez, ¿cómo? ¡si cuando hacía helados con mi abuelita tardaban horas congelándose!

ok... aquí está el secreto

Necesitan:

la mezcla que van a congelar, háganla del sabor que quieran, chocolate, o frutas, puede ser en agua solamente o con leche, recuerden que pueden agregar cosas como vainilla, miel y canela, dense un gusto inventado, que será parte de gastar la tarde lluviosa

un bolsita pequeña, como de sándwich (las tipo ziplock funcionan perfecto)

una hielera, no tiene que ser de las grandes necesariamente

una bolsa de hielo, de esas que son como de 2 kg

un paquete de sal (de aproximadamente 500 g)

dos tazas de agua

un cucharón grande para revolver

¡Manos al helado!

Pongan parte del hielo en la hielera, viertan las dos tazas de agua y la mitad del paquete de sal, con el cucharón revuelvan un poco, lo suficiente para que la sal llegue a todos lo puntos del recipiente, después pongan el hielo y la sal restantes, revuelvan todo otra vez.

Tomen la mezcla que van a congelar y vacíenla en la bolsa de sándwich, sellen bien la bolsa, este paso es importante, si no está bien cerrada se le meterá agua con sal, con resultado desastroso para nuestro heladito. ¡De más está decir que esta bolsita debe estar limpia! ya que será el contenedor en que se congelará el helado que nos vamos a comer.

Una vez sellada la bolsa, fabríquele un "nido" en la hielera haciendo un hueco en me dio de los cubos de hielo, esto es para que la mezcle tenga el máximo contacto con los cubos de hielo, el agua y la sal.

Cierren la hielera y agítenla vigorosamente durante poco más de 10 minutos, este puede ser un trabajo ligeramente cansado, pueden turnarse entre los comensales. Si son muy curiosos cada tanto (3 o 4 minutos) pueden sacar la bolsita y ver como poco a poco se va congelando la mezcla y haciéndose sabroso helado.

Una vez pasado el tiempo de agitación de la hielera sacarán una mezcla completamente congelada, ¡listo, ya tienen su helado!

Ahora siéntese cerca de una ventana y cómanlo viendo llover, ojala que lo disfruten mucho, que les ayude a pasar un rato divertido y a espantar el húmedo bochorno de la tarde

Mmm... pero ¿como logramos hacer helado tan pronto? Si lo piensa, el proceso de congelación toma menos de 15 minutos, piénsenlo un rato, tal vez mientras se lo comen :-p

Se los explico en los próximo días, mientras tanto, propongan teorías, cuéntenos como les salieron los helados, y si conocen una receta buenísima para la mezcla de helado, o si descubren alguna ¡nos la pasan también!

Ahora estamos en facebook

2010-04-04T17:26:00.002-06:00

Todas las entradas de este blog estarán también en facebook, para poder verlas sólo tenés que hacerte fan de la página "Física, arroz y frijoles".
El objetivo es tener una mayor interacción con nuestros lectores que sean notificados de nuevas publicaciones y dejen sus opiniones, sugerencias y dudas para en general tener una comunicación más fluida.
Les recuerdo que el blog como tal seguirá existiendo, así que si no tienen facebook nos pueden seguir leyendo desde acá.

Es un gusto escribir para ustedes! Esperamos poder complacerlos y por eso es que estamos abriendo nuevos canales de comunicación
Nos vemos por la red!

"Un elefante se balanceaba sobre la tela de una araña....

2010-03-29T08:53:00.000-06:00

...y como vieron que soportaba fueron a llamar a un camarada..."

A la mayoría de nosotr@s la imagen mental que nos evoca esta canción infantil nos hace reír...después de todo la idea de un grupo de elefantes meciéndose en una tela de araña que no es rompe es absurda...una tela de araña no aguantaría el peso ni de medio elefante, ¿o sí? .
Hay un detalle que tal vez hayamos pasado por alto: si cabían varios elefantes en la tela de araña, ¿de que tamaño era esta última? En este caso estamos hablando de o de una tela de araña amplificada o de elefantes miniatura....
La seda producida por arácnidos es sin duda una de las maravillas de la naturaleza. Compuesta por proteínas en estado líquido cristalino (intermedio entre sólido y líquido) la fibra resultante tiene propiedades mecánicas sorprendentes. Existen alrededor de siete tipos de seda producida por arañas, cada una con un uso específico. Por ejemplo, la seda que se utiliza para construir los bordes de la tela de araña tiene propiedades comparables a la del Kevlar que es mucho más resistente que el acero (ver este enlace para más información). En el artículo Michael B. Hinman, Justin A. Jones and Randolph V. Lewis, Synthetic Trends in biotechnology 18, 9:374-379 (2000) se encuentra un resumen sobre los tipos de seda, sus usos y sus propiedades elásticas.
Ocupándonos del problema de los elefantes, simpliquemos un poco la situación; supongamos que un elefante de unas 10 ton de masa se encuentra suspendido verticalmente de una cuerda hecha de hilos de seda de araña. El peso del elefante es una fuerza de aproximadamente 100 kN responsable por el estiramiento de la cuerda. El límite al cual se puede estirar la cuerda antes de romperse depende del diámetro original y de las propiedades elásticas del material. Para el tipo de seda usada para construir el borde de las telas de araña y las líneas radiales valores típicos del módulo de elasticidad rondan los 4,0 GN/m^2 con una elasticidad del 35%. Suponiendo que nuestra cuerda se estire un 30% y usando la Ley de Hooke (ver cálculo en este enlace) obtenemos que la cuerda debe tener un diámetro aproximado de 1 cm. O sea, ¡sí sería posible bajo estas condiciones suspender un elefante de una cuerda hecha de telas de araña!
La pregunta es ahora, ¿cuántas arañas se necesitan para tejer esa cuerda? Por ejemplo, según la información proporcionada en esta referencia, se necesitan aproximadamente 60825 arañas de la especie Araneus diadematus para producir 1 kg de seda. Esta araña produce un hilo de seda de aproximadamente 0.5 um (leáse micro metros) de diámetro¡ Esto significa que necesitaríamos 10 millones de hilos para construir una cuerda con las dimensiones deseadas! Por otro lado, si la seda tiene una densidad de 1300kg/m^3 y consideramos una cuerda de 2m, se necesitarían cerca de 50 mil arañas para producir la cantidad necesaria de seda.
En conclusión, la pregunta correcta no es si es posible que una tela de araña soporte un elefante, si no más bien, si es posible construir tal tela de araña.

(imagen tomada de http://www.flickr.com/photos/30895698@N05/3063311872/)

Los frenos ABS

2009-11-15T07:41:00.008-06:00

Los frenos ABS son un complemento del sistema de frenado normal del carro, si no tenés claro como es que funcionan los frenos de un carro podés revisar la pubicación del 1° de noviembre, te vendrá bien para aprovechar mejor esta.

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Quien ha frenado en raya sabe que es fácil perder el control del carro y que cuando el carro “patina” la dirección no responde, es una situación muy angustiante… ¿Qué está pasando?

Cuando una llanta rueda solo un punto de esta se encuentra en contacto con la carretera, la fuerza que actúa entre la carretera y la llanta se llama fuerza de fricción estática, si por el contrario se bloquea la llanta al frenar violentamente entonces tenemos un solo punto de la llanta deslizándose sobre la carretera, se dice que la llanta pierde tracción, en este caso la fuerza que actúa entre la llanta y la carretera es la fuerza de fricción cinética. El valor de fricción cinética es menor que el de la fricción estática y por eso si una o más llantas del carro se bloquean al frenar se pierde el control. Es como resbalarse en piso enjabonado la fuerza (de fricción cinética) entre el suelo y nuestro zapato es tan pequeña que no hay manera de decidir hacia donde vamos, el impulso mismo nos lleva. A esto se debe sumar que al frenar no necesariamente las cuatro llantas del carro van a la misma velocidad, las que van más rápido avanzan más que las otras y por eso es que el carro tiende a hacer trompos… Por cierto, si sienten que el carro va a “entrompar” suelten el freno, así recuperarán el control de la dirección del carro.

Los frenos ABS (Anti-lock braking system) evitan que al frenar las llantas lleguen al punto en que se detienen totalmente (y se bloquean), esto nos dará don ventajas: la distancia de frenado es menor debido a la mayor tracción y es posible seguir dirigiendo el carro mientras se frena.

Su funcionamiento de manera básica es el siguiente:

Cada llanta cuenta con un sensor que mide la velocidad de la llanta y la compara con la del carro, si la llanta va muy lento y el carro se sigue moviendo detecta que la llanta está a punto de bloquearse.

Cuando los sensores detectan que la llanta esta a punto de bloquearse accionan unas válvulas que están conectadas a las mangueras de frenos, estas válvulas disminuyen la presión en el freno de cada una de las ruedas según sea necesario, una bomba se encarga de recuperar la presión si se continua presionando el pedal del freno. Al liberar la presión la llanta empieza a rodar y al recuperarla vuelve a detenerse, un sistema electrónico se encarga de repetir este proceso de pérdida y ganancia de presión sobre los frenos varias veces por segundo (unas 15 veces) y a eso se debe el golpeteo que se siente en el pedal al activarse el ABS.

El resultado de esta operación es que el vehiculo se detenga en una menor distancia maximizando el poder de frenado ya que la llanta no llega a detenerse y patinar, así la fuerza entre la llanta y el suelo es siempre la fuerza de fricción estática, esto da la posibilidad de tener control sobre la dirección en que viajará el carro.
Cuando no existía el ABS los manuales de manejo decían que al llegar a superficies resbaladizas, como una calle mojada, se debe frenar pisando y soltando el pedal, ya ahora sabemos por que. Ahora, quien tiene ABS puede frenar sin preocuparse de estar soltando el pedal ya que este sistema realiza este proceso de forma automática haciendo el frenado más seguro.

En la figura (a) tenemos un carro con ABS: 1. frena en raya (violentamente), la llanta empieza a girar más lento pero el carro sigue en movimiento, se activa el sistema ABS, 2. las llantas siguen rotando entonces es posible maniobrar el carro que responde al giro en el volante, 3. se logra esquivar el obstáculo que se tenía en frente

El la figura (b) un carro sin ABS: 1. se frena en raya, las llantas se bloquean y el carro patina, 2. se intenta maniobrar el carro pero patinando no responde al cambio de dirección del volante, sigue avanzando de manera descontrolada en la dirección inicial y termina por impactar el obstáculo que tenía de frente.

Visto así, pues sí vale la pena tener ABS, pero está claro que el precio de un carro que tiene este sistema es bastante mayor que uno que no lo tiene, lo más importante para evitar accidentes es conocer y entender el funcionamiento del carro que manejamos y sus limitaciones para saber como responde en situaciones extremas, como lo es el frenado en raya, y no sobrepasar sus capacidades.

(Las figuras fueron tomadas de:

http://www.drivingfast.net/technology/abs.htm, http://imperialclub.org/~imperialclub/Yr/1973/Data/49.htm )

De gatos, galaxias y átomos

2009-11-10T17:09:00.000-06:00

Según la sabiduría popular, los gatos siempre caen de pie. La experiencia nos enseña que esto es cierto la mayoría de las veces, lo suficiente como aceptar esta afirmación como cierta.Veamos que tiene la física que decir al respecto.

Una vez que el gato está cayendo, despreciando la resistencia al aire, y considerando a la Tierra como parte del sistema, no hay fuerzas externas actuando sobre el sistema. Esto implica que deber existir conservación del momentum angular. Supongamos que nuestro gato car inicialmente de espaldas al suelo. Para volverse y poder caer de pie debe efectuar un giro de 180 grados sobre su propio eje (entiendase como eje la línea que pasa por su centro de masa y es pararalela a su espina dorsal). Como su velocidad angular inicial es cero, el gato estaría violando la ley de conservación del momentum al rotar simultaneamente todas las partes de su cuerpo.

En la figura de la izquierda se muestra una secuencia de imágenes de un gato volviéndose hacia el suelo mientras cae. Como se aprecia en las imágenes la estregia gatuna consiste justamente en aprovechar la ley de conservación de momentum y la relación entre inercia de rotación y velocidad angular. En este punto es útil recordar que el moemtnum angluar de un cuerpo sólido es igual al producto de su inercia de rotación y su velocidad angular. Al caer, el gato estira sus extremidades posteriores y recoge las delanteras. De esta manera aumenta la inercia de rotación de la parte posterior de su cuerpo mientras que disminuye la inercia de la parte superior. Esto le permite rotar rápidamente sus patas delanteras un poco más de 180 grados hacia el suelo. Para conservar el momentum total de su cuerpo, la parte posterior gira lentamente en sentido contrario. Una vez concluida esta maniobra, el gato realiza el proceso contrario: estira sus patas delanteras y recoge las posteriores, de manera que aumenta la inercia de rotación del segmento delantero de su cuerpo y disminuye la del posterior. Esto le permite ahora girar rápidamente sus patas posteriores hacia el suelo. Mientras, la parte delantera de su cuerpo gira en sentido contrario para conservar la cantidad de movimiento angular inicial. Sin embargo la velocidad es lo suficientemente baja como para que sus patas se encuentren justamente en posición de aterrizaje.

Este es apenas un ejemplo de que como el momentum angular, en este caso su conservación, rige muchos fenómenos en la naturaleza: desde formación estelar , de galaxias, y planetaria, hasta las leyes de la mecánica cuántica. Por ejemplo en el caso de galaxias, la conservación del momentum angular determina su forma y su velocidad de rotación en función de los cambios en el tamaño de la misma. En el caso de la mecánica cuántica, las partículas tienen un momentum angular intrínseco llamado espín que determina su estado energético así como la interacción con otras partículas.

Los frenos de tu carro

2009-11-01T15:52:00.019-06:00

Cuando alguien habla más específicamente de los frenos de un carro se dice que son frenos hidráulicos, que son los más comunes, antes también se usaban los frenos de aire pero esos se han dejado de utilizar ya que son mucho más duros que los hidráulicos.

De manera simplificada ambos sistemas de frenos se conectan entre el pedal del freno y la llanta por medio de mangueras (mangueras de frenos), en un caso llenas de aire y en el otro de algún líquido. En las mangueras llenas de líquido o fluido este debe cumplir con la característica de no ser compresible, es decir, por más que se haga fuerza sobre él no lo podemos comprimir ni un poco, es precisamente esta característica que lo hace deseable para el frenado, le aplicamos una fuerza por medio del pedal generando una presión sobre el fluido que se lleva a través de la manguera hasta las llantas. En el caso de los frenos de aire, que es un fluido compresible, hay que aplicar mucha más presión para lograr el mismo frenado que con los hidráulicos, por eso da la sensación de ser más duro.

El funcionamiento de los frenos hidráulicos se basa en el Principio de Pascal:

“la presión ejercida en la superficie de un fluido se propaga en la misma medida por todo el fluido y hacia las paredes del recipiente que lo contiene”

Los frenos hidráulicos usan el principio de pascal no solo para transmitir presión del pedal del freno a las llantas, también utiliza este principio para generar un dispositivo multiplicador de fuerza. ¿Qué?... A ver, explico:

¿Has pensado como hacés para frenar un carro con la fuerza de tus pies? Si intentamos hacerlo, al mejor estilo de los Picapiedra, nuestros pies terminarían destruidos sin lograr frenar de manera apreciable el carro, el principio de pascal permite hacer una fuerza pequeña sobre el pedal del freno y la presión que se genera dentro de las mangueras aplica una fuerza mucho mayor sobre la llanta. A esto se le llama prensa hidráulica y se utiliza en muchas aplicaciones además de los frenos, se hacen elevadores, y la silla del peluquero y el dentista funcionan así también.

En los carros existen dos tipos de frenos, de tambor y de disco. Para accionar los de tambor dos piezas llamadas zapatas hacen fuerza contra la parte interna del aro en que se encuentra la llanta, el en caso de los frenos de disco, la llanta tiene incorporado un disco de metal que gira con ella para frenar dos pequeñas palancas (las pastillas) hacen presión sobre los bordes del disco. En ambos casos el frenado se logra por fricción pero en los frenos de disco se logra rozar una menor superficie que en los de tambor por lo que la fricción genera un menor calentamiento y los hace más eficientes. Algunos discos que deben tener un muy alto rendimiento, como en los carros de carreras, son ventilados, no son un disco sólido sino que tiene huecos en su superficie, estos son más difíciles de construir, y como se imaginarán más caros.

¿Y el ABS?

En el último tiempo es normal que como una extra te vendan frenos ABS, ¿que se gana con ese sistema? ¿Es más seguro tenerlos y pagar la diferencia en un carro que sí los tenga?

Lo analizaremos en una siguiente publicación.

Stephen Hawking y la Cátedra Lucasiana de Matemáticas de la Universidad de Cambridge

2009-10-27T16:58:00.002-06:00

El reconocido astrofísico Stephen Hawking, autor de libros como "Una breve historia del tiempo" y "De agujeros negros y universos bebés", dejó el pasado 30 de setiembre su posición en la Cátedra Lucasiana de Matemáticas de la Universidad de Cambridge. Ver noticia aquí.

La Cátedra Lucasiana de Matemáticas de la Universidad de Cambridge fue creada en 1664 debido a una donación deHenry Lucas, M.P. quien al morir heredó su biblioteca de 4000 volumenes a la universidad con el propósito de que se fundase una cátedra. El profesor encargado de la cátedra debería dar por lo menos una clase de matemática por semana y estar disponible 2 horas por semana para atender dudas de los estudiantes. Este es el enlace de la página oficial de la cátedra.

Esta cátedra es una de las más prestigiosas del mundo y desde su creación ha sido ocupada por 17 profesores que han hecho contribuciones valiosas a la ciencia. Entre estas personas se destacan Sir Isaac Newton entre 1669 y 1702 (razón por la cual a veces se refiere a esta cátedra como la cátedra de Newton) y Paul Dirac entre 1932 y 1969.
La Cátedra Lucasiana se considera el pilar de fundación de la ciencia y la ingeniería modernas. Su fama es tan grande, que abarca la también la ciencia ficción: en el último episodio de la serie Viaje a las Estrellas: la Nueva Generación, el androide Data, es Profesor Lucasiano. Incluso en un episodio anterior sobre viajes en el tiempo, Data aparece jugando poker con Stephen Hawking, Sir Isaac Newton y Albert Einstein.
Y es que no es la primera vez que Stephen Hawking aparece en televisión. En la popular serie animada Los Simpsons, hay un episidio titulado "Ellos salvaron el cerebro de Lisa" (9 de Mayo de 1999), en el cual Hawking es el invitado protagonista. En la escena final de este capítulo, Hawking y Homero discuten sobre la topología del universo:

Hawking: Your theory of a donut-shaped universe is

intriguing, Homer. I may have to steal it.

Homer: Wow, I can't believe someone I never heard of is

hanging out with a guy like me.

(diálogo tomado de http://www.snpp.com/episodes/AABF18 )

Según la tradición, los profesores deben dejar la cátedra al cumplir 67 años, edad ya alcanzada por Hawking. El renombrado astrofísico continuará trabajando como director de investigación del departamento de Matemática Aplicada y Física Teórica de Cambridge. Su suscesor en la Cátedra Lucasiana, quien ocupará el cargo a partir del 1 de noviembre, es el físico británico Michael Green, pionero de la teoría de supercuerdas.

Los colores de las burbujas de jabón

2009-10-18T23:05:00.028-06:00

Las burbujas existen debido a la tensión superficial del agua, la misma propiedad que permite a los zancudos caminar sobre ella, la tensión superficial causa que una capa delgada de agua se comporte como si fuera elástica, aunque, la experiencia nos dice que una burbuja hecha de agua pura se revienta muy rápidamente.

Lo que pasa es que la tensión superficial del agua es muy fuerte y la burbuja no se puede mantener, otro problema del agua pura es que se evapora muy rápido por lo que la superficie de la burbuja se vuelve muy delgada y la bomba se revienta.

¿Por qué existen las burbujas?
Para hacer que la burbuja dure más tiempo le agregamos jabón lo que la estabiliza disminuyendo la tensión superficial del agua (aproximadamente a un tercio de su valor original) haciendo que la elasticidad de la capa de agua aumente. La fina capa de jabón también evita que el agua de la burbuja se evapore y así dure más tiempo.

y... ¿Por qué los colores?

Para entender el porque de los colores en las burbujas es necesario primero aclarar algunas cosas sobre la luz y la manera en que actúa sobre la burbuja:
La luz es una onda, y como las olas del mar, tienen crestas y valles, la distancia entre dos crestas consecutivas se llama longitud de onda. La longitud de onda caracteriza el color de la luz: rojo, naranja, amarillo, etc…

Si se combinan dos (o mas ondas) se tendrá una onda resultante. A esta propiedad se le llama interferencia.

Si al combinarse las crestas de dos o más ondas coinciden en posición (como las ondas amarillo y magenta en la parte superior de la figura) se obtendrá como resultado una onda mas grande, es decir con un efecto mas intenso (onda roja). A este efecto se le llama “interferencia constructiva”.

Si por el contrario, la cresta de una coincide con el valle de la otra (ondas magenta y amarilla en la parte inferior de la figura) se cancelan entre ellas, el resultado cuando dos ondas de luz se cancelan es completa oscuridad, este es el caso de la “interferencia destructiva”.

Si vemos la burbuja, haciéndole un gran aumento, de manera que se pueda apreciar la capa de agua y jabón que la forma es posible ver que de la luz que llega a la burbuja una parte se refleja en la superficie exterior y de la que logra penetrar otra parte se refleja en la superficie interior.

Cuando las dos ondas reflejadas se combinan al salir generan interferencia, constructiva para algunos colores, destructiva para otros, dependiendo del grosor de la capa de agua y jabón que forma la burbuja.

La luz blanca está hecha de todos los colores (de todas las longitudes de onda). Si se sustrae uno de estos colores, por interferencia destructiva por ejemplo, se vería los colores que generan interferencia constructiva.

Esto es lo que sucede en la burbuja, la luz del sol llega a a sus "paredes" y vemos a lucir los colores por la inteferncia.

Se debe tomar en cuenta que el grosor de la pared cambia continuamente porque la gravedad atrae al líquido hacia la parte baja, de manera que normalmente lo que se observan son bandas de color que se mueven hacia abajo.

Al inicio la burbuja tiene las paredes más gruesas que cancelan longitudes de onda roja (más largas), causando una reflexión azul-verde. Conforme pasa el tiempo las paredes se vuelven más finas cancelando el amarillo (dejando luz azul), luego el verde (dejando magenta) y luego el azul (dejando el amarillo).

Finalmente, cuando la pared de la burbuja se hace mucho más fina que la longitud de onda de la luz visible, todas las ondas de la región visible se cancelan unas a otras y vemos la burbuja completamente transparente.

Cuando se observa este estado, la pared es más fina que unos 25 nanómetros, y la burbuja está a punto de estallar.

Seudo-fuerzas y la leyenda de los remolinos de agua (efecto Coriolis)

2009-10-13T11:44:00.000-06:00

(imagen tomada de http://www.sugarshock.net/zeo/card_blanks/clip_backs/coriolis.jpg)
La validad de las Leyes de Newton se restringen a marcos de referencia inerciales. Es decir a marcos de referencia no acelerados. Estrictamente hablando, la Tierra no constituye un marco de referencial inercial, pues posse una aceleración asociada a su órbita alrededor del Sol y a la rotación sobre su propio eje. Sin embargo, para muchas de las situaciones cotidianas esta aceleración puede considerarse despreciable.
Observadores en marcos de referencia no inerciales, atribuyen fenómenos físicos a fuerzas que solo existen en esos marcos de referencia.Por este motivo esas fuerzas se denominan seudo-fuerzas. Ejemplo de una seudo-fuerza es la fuerza centrífuga. Consideremos un objeto cualquiera en movimiento uniforme circular. Para un observador en el sistema laboratorio, la única fuerza existente es la fuerza centrípeta, radialmente hacia el centro de la trayectoria. Un observador en un marco de referencia que se mueve junto con el objeto, este se encuentra en reposo. Por ejemplo, un observador a bordo de un carrusel sostiene con su mano una pelota sobre el carrusel. Sin la fuerza ejercida por la mano, la pelota se moverá radialmente hacia afuera. Por lo tanto debe existir una fuerza en esta dirección, a la que se denomina fuerza centrífuga. Para el observador en el carrusel, la pelota se encuentra en reposo, por lo tanto la aceleración es cero. Para el observador inercial, esta pelota no está en reposo pues posee aceleración centrípeta y no es necesario introducir una fuerz centrífuga. Es importante resaltar que el término seudo-fuerzas no implica que la fuerza no sea real. De hecho, la fuerza centrífuga tiene usos que van desde actividades domésticas (secar la ropa en la lavadora), científicos (centrifugación para separación de productos químicos) hasta industriales.

Otro ejemplo de una seudo-fuerza es la fuerza de Coriolis. Para entenderla supongamos la siguiente situación. Imagínese un carrusel (de aquellos que son comunes en parques para niños. Dos personas colocadas diametralmente opuestas sobre el carrusel juegan a lanzarse una pelota mientras el carrusel gira. Alguien que observa el juego desde fuera del carrusel, observará como la pelota sique una trayectoria parabólica definida por su velocidad inicial a partir del punto en que fue lanzada. Este observador observará como al llegar al otro lado del carrusel, el receptor ya no se encuentra ahí debido al movimiento giratorio de este mientras la pelota estaba en el aire. Pero las personas sobre el carrusel perciben el fenómeno de una forma diferente por estar en reposo con respecto al carrusel. Ellos observan como la pelota es desviada de su dirección original (la dirección del desvío depende de la dirección del giro del carrusel). Vea un video ilustrativo en este enlace. Desde este punto de vista, la única manera de explicar este desvío es si existe una fuerza que lo produzca. Esta es la fuerza de Coriolis, cuyo efecto fue descrito en 1835 por el científico francés Gaspard-Gustave Coriolis . Podemos extrapolar del carrusel hacia el movimiento de rotación de la Tierra. Para los habitantes del hemisferio Norte (Sur) el "carrusel" gira en sentido antihorario (horario) , lo que produce desvíos hacia la derecha (izquierda). Este efecto es tomado en cuenta a la hora de trazar rutas para vuelos aéreos y es también responsable por la diferencia en el sentido de giro de los huracanes y tormentas tropicales según el hemisferio en el que se formen. Lo que no es cierto necesariamente, es la conocida leyenda de que los remolinos de desagues presentan este mismo comportamiento en función del hemisferio. En general, para observar el efecto Coriolis en masas de agua es necesario tener ciertas condiciones, como grandes volúmenes. Las populares demostraciones hechas en las proximidades de la línea del Ecuador como la mostrada en este enlace, pueden explicarse en función de las microcorrientes persistentes bajo la superficie aparentemente tranquila del agua. La acción de vaciar el agua en el contenedor puede hacerse de manera que estas microcorrientes favorezcan determinada orientación del remolino que se forma al quitar el tapón del desague. Otros factores como la geometría del contenedor también pueden influenciar el sentido de giro del remolino. Esto no quiere decir que no sea posible observar este efecto en remolinos que se forman en lavatorios, pero sí es seguro que se necesitan condiciones experimentales más controladas. Mas información puede encontrarse en este enlace.
(foto de la tormenta tomada de http://eltamiz.com/2007/06/23/falacias-el-agua-gira-en-los-desagues-por-la-fuerza-de-coriolis/)

Helado horneado, Física en la cocina

2009-10-05T08:24:00.015-06:00

Cuando vivía con mis papás creía que odiaba la cocina... ¡¡que equivocada que estaba!!

En cuanto me vi obligada a cocinar descubrí que la cocina tenía el encanto de la experimentacion, puede sonar "nerd", pero, ¿que otro nombre tendría cambiar los condimentos de una receta y ver que tal queda? o mejor aún... inventarla

La cocina es un laboratorio divertidísimo (sí, laboratorio de física y química), sólo que si el experimento sale mal no será comestible... :-)

Para probar lo que digo les dejo este video que tomé en mi cocina, inicialmente lo grabé para la clase termodinámica de mi grupo de física III pero este es buen para compartirlo con los lectores del blog.

¡Ojalá que les guste! ¡Pónganlo en práctica y sorprendan a su familia, amig@s y novi@s con esta receta! Porque aunque no lo crean, la física puede servir para ligar...

¿Que les pareció? Pues les explico... pero ¡no hagan trampa! vean primero el experimento

La ilusión de flotar en el aire (parte II)

2009-09-25T17:03:00.000-06:00

En días pasados discutimos sobre la ilusión que se produce al cuando durante un salto un bailarín o bailarina parece flotar en el aire. Dijimos que el cuerpo describe una trayectoria parabólica en la cual se pasa la mayor parte del tiempo de vuelo en la porción del salto cercana a la altura máxima.
Sin embargo, hemos pasado por encima de un detalle sutilmente importante: en esta discusión hemos igualado el movimiento del cuerpo humano al movimiento de una partícula. Bajo los conceptos de las leyes físicas esta aproximación tiene validez si ese punto es el centro de masa, o sea, el punto en el cual se puede considerar que está concentrada la masa de un cuerpo y cuyo movimiento describe el movimiento del cuerpo. Según esta definición, la posición del centro de masa para cualquier cuerpo o conjunto de objetos depende de la distribución de masa del sistema.
El caso en particular que nos interesa en este análisis es la ubicación del centro de masa del cuerpo humano. Por supuesto que esto varía de persona a persona según su altura, contextura física, densidad ósea, proporción de la longitud de extremidades, posición de las partes de su cuerpo entre otros factores. Pero podemos afirmar que el centro de masa de una persona de pie y con los brazos extendidos a lo largo del cuerpo se encuentra cercano a la región baja del abdomen. Al cambiar de posición, por ejemplo, al flexionar la espalda hacia al frente, la distribución de masa del cuerpo cambia debido a la nueva configuración geométrica de este. Como se muestra en la figura, en un caso como este el centro de masa estaría en algun punto en la región comprendida entre el abdomen y la cabeza (este punto ni siquiera tiene porqué encontrarse en el cuepo). Si el centro de masa no se encuentra alineado con la base que soporta al cuerpo (los pies por ejemplo) entonces se produce una aceleración angular (que puede signicar una caída). Por ejemplo, intente ud. ponerse de pie con sus talones, piernas y espalda contra la pared. Ahora, sin flexionar las piernas, incline su espalda como si fuera a tocar el suelo ¿Entiende ahora lo que queremos decir con acelración angular?
Volviendo al caso del salto, una vez que el o la ejecutante pierde el contacto con el suelo, la única fuerza actuando sobre su cuerpo es la gravedad, lo que determina su trayectoria parabólica. En otras palabras, esta trayectoria no puede ser cambiada a no ser que exista alguna otra fuerza involucrada. Lo único que la persona puede hacer en ese momento para cambiar su movimiento es cambiar la posición de su centro de masa relativa a su cuerpo. Esto se logra al levantar los brazos al mismo momento que se abren las piernas. Esta acción logra que el centro de masa se desplaze hacia regiones superiores del abdomen. Pero como su trayectoria parabólica definida por las condiciones iniciales del salto debe conservarse, el cuerpo compensa está súbita elevación del centro de masa minimizando la elevación del torso superior. En otras palabras, la de la cabeza trayectoria es un poco más achatada que la trayectoria del centro de masa, y tiende hacia el movimiento horizontal cerca del máximo del salto. Y esto contribuye a la ilusión de flotar en el aire.
Personalmente, me gustaría enfatizar que la belleza de este efecto se logra en la limpieza de ejecución: el o la ejecutante debe saber el momento exacto del salto en el cual debe levantar su centro de masa para lograr este efecto en plenitud. Y esto en la jerga de la danza y el ballet, se conoce como "balloon" .
Más información sobre la física del ballet puede encontrarse esta página, de donde se ha tomado la primera figura que acompaña este post. La segunda figura se tomó de esta página.
(referencia de la figura 1 y la figura 2)

El pajarito que toma agua (juguetes de la física I) (física en los Simpson I)

2009-09-18T19:25:00.007-06:00

Este juguete se volvió objeto de culto para los fans de los Simpsons, dentro de los que me cuento, de hecho sabemos que Homero sufrió un encantamiento a primera vista con él, que sirvió de inspiración al hermano perdido de Homero y exmillonario Herb Powell para generar una idea exitosa y volver a tener dinero o que fue “responsable” de que Sprinfield casi desapareciera por un desastre nuclear, para los verdaderos “fiebres” el pajarito sale en tres capítulos “Brother, Can You Spare Two Dimes”, “King-Size Homer” y “Das Bus”, este último además con una memorable aparición de Bill Gates.

Para los que son más “grandecitos” y gozan de buena memoria esta no fue la primera fábula en que apareció, ya las célebres Merry Melodies lo habían retratado junto con Tweety en 1951 en Putty Tat Trouble. (entre el minuto 2:57 y el 3:53, la fábula está completa, pero por asuntos de derechos de autor le quitaron el sonido, igual, disfruté mucho de verla)

Ha salido, sin tanto protagonismo, en algunas otras fábulas, en videojuegos e inclusive en películas como la primer “Alien”.

Todas estas referencias nos sirven para darnos cuenta de cómo el pajarito ha llamado la atención de mucha gente a lo largo del tiempo y de que Herb Powell tenía razón de llamarlo invento ingenioso ya que su aparente simpleza resulta encantadora.

Y digo aparente simpleza no porque su funcionamiento sea complicado, si no por los muchos principios físicos que pueden ser explicados al jugar con el pajarito que toma agua. (Los que no lo han visto funcionando pueden entrar a este link).

Lo primero que hay que saber es que el líquido que tiene adentro no es agua si no cloruro de metileno coloreado, y es sellado al vacío de manera que adentro no hay aire, y el espacio que nos parece desocupado tiene vapor de cloruro de metileno. El material que cubre la cabeza es un tipo de fieltro. Todo el pajarito se encuentra equilibrado (pivotado, decimos los físicos) en un punto a lo largo del tubo que forma su cuello.

Lo que hay que hacer para iniciar su movimiento es mojar la cabeza del pajarito, es suficiente con sumergir su pico en el agua subirá por el fieltro por capilaridad. Después se suelta.

El agua que está en el fieltro se empieza a evaporar (esto ejemplifica la distribución de Maxwell-Boltzmann), la evaporación es un proceso endotérmico, lo que significa que el agua toma energía de su entorno por lo que disminuye la temperatura en la cabeza del pajarito, esta baja en la temperatura hace que el vapor de cloruro de metileno que está allí se condense, esto hace que disminuya la presión en la cabeza del pajarito (Ley de los Gases Ideales), así, la mayor presión de gas que hay en la parte de abajo, el abdomen, empuja el líquido y la hace subir por el cuello.

El líquido que sube llega hasta la cabeza del pajarito lo que genera una nueva distribución de masa, ahora la cabeza, llena de líquido se hace más pesada por lo que se inclina hacia delante y vuelve a sumergir el pico en el agua.

Cuando, al inclinarse, su posición se vuelve horizontal la parte de abajo del tubo que forma el cuello ya no está sumergida en el cloruro de metileno por lo que sube una burbuja que drena el líquido de la cabeza desplazado por el vapor.

El líquido vuelve al abdomen del pajarito haciendo la parte de abajo pesada por lo que se vuelve a levantar y así se inicia el ciclo nuevamente que se repetirá siempre que su cabeza se mantenga mojada.

Mucha gente lo confunde con una máquina de movimiento perpetuo pero no lo es, necesita de una diferencia de temperatura entre sus extremos para funcionar por lo que se le llama “motor de calor”.

Situación curiosa y Física

2009-09-08T09:58:00.003-06:00

Me encanta la contribución de Marcela.

Me gustaría hacer mi aporte al blog mediante una adivinanza/situación curiosa. Todo el mundo sabe que es más fácil correr a nivel del mar que en la montaña (el equipo de futbol de Cuzco es prácticamente invencible). Sin embargo, es un hecho que un corredor de 100 metros planos o de salto en largo tendrá sus peores marcas a nivel del mar. ¿Cómo es esto posible?

La ilusión de flotar en el aire (parte I)

2009-09-04T17:18:00.004-06:00

(Mikhail Baryshnikov, foto tomada de la página http://www.thecolorsofdance.com/bio_mikhail_baryshnikov.html)

¿Recuerda ud. la escena final de la película “Billy Elliot”? Puede recordarla en en este LINK. Son muchas las ocasiones en las cuales bailarine(a)s, acróbatas y/o atletas nos asombran con movimientos que aparentan desafiar las leyes de gravedad. Este es el caso del salto llamado “grand jeté” en el ballet clásico. En este paso la persona se impulsa para salar en el aire con sus dos piernas extendidas, una hacia al frente del cuerpo y otra hacia atrás. Por unos instantes, en el punto más alto de su trayectoria, la persona que ejecuta el paso parece flotar en el aire y avanzar horizontalmente.

Paradójicamente, este aparente desafío de la ley de la gravedad, es explicado por las mismas leyes de física.

En la mecánica clásica, el movimiento de un cuerpo está determinado por la suma de fuerzas actuando sobre él. En el caso de un salto, una vez que el cuerpo abandona el suelo (ambas piernas en el aire) la trayectoria del cuerpo está determinada por las condiciones iniciales del salto (velocidad y dirección) y la única fuerza que actúa sobre el cuerpo : la gravedad. En este caso el cuerpo describe un movimiento parabólico o de proyectil. Recordemos que este es una combinación de dos movimientos. Horizontalmente el cuerpo avanza con una rapidez constante. Verticalmente, el cuerpo se eleva sobre el punto inicial experimentando una desaceleración hasta llegar a una rapidez nula. Seguidamente desciende aumentando la magnitud de su velocidad hasta volver al punto inicial. Y es justamente en la naturaleza de este movimiento que recae la ilusión de flotar en el aire. Cerca del punto más alto del salto, la velocidad vertical del cuerpo se aproxima a cero. En esta región el cuerpo de mueve más lentamente que al inicio o al final de la trayectoria y por lo tanto, el cuerpo pasa más tiempo en esta región cercana al punto máximo Esta característica del movimiento contribuye a la ilusión de que el ejecutante “ vuela” horizontalmente por unos instantes. Valores típicos para un salto de este tipo son 2.0m de alcance horizontal, 55cm para el desplazamiento vertical máximo es de aproximadamente 55 cm y 0.7 s de tiempo de vuelo. Usando las ecuaciones de cinemática, es posible calcular que el cuerpo pasará mitad del tiempo de vuelo en la porción del salto que corresponde a los 14 cm próximos a la altura máxima (aproximadamente cuarta parte de la altura máxima) (ver figura).

En esta discusión en realidad hemos estado hablando en realidad del movimiento del centro de masa de la persona ejecutante, cuya trayectoria queda totalmente definida en el momento en que ese pierde el contacto con el suelo. Sin embargo, una vez en el aire, el(la) bailarín (a) puede manipular la posición del centro de masa dentro de su cuerpo. Este tema en específico se discutirá en un segunda parte de este post.

En algunas ocasiones, puede parecer que la descripción de movimientos y ejecuciones artísticas pierden su magia a la luz del análisis basado en leyes físicas. Pero es la opinión de la autora de esta contribución que justamente este tipo de estudios simplemente revelan y realzan aún más la belleza y complejidad de tales ejecuciones.

Física: Local o Universal

2009-08-31T11:18:00.007-06:00

La necesidad de cambio es lo que nos hace trascender, ver más allá de modelos pre-establecidos y sobre todo obsoletos.

En pleno siglo 21 una escuela o departamento de Física (o cualquier otra rama del saber) en una Universidad (es decir una universitas magistrorum et scholarium) no puede apegarse a un sistema de Departamentos Retrictivamente Específicos (DRE).
La Editorial de la revista Nature en su volumen 446 plantea interesantes cuestionamientos en la problemática dicotómica DRE-Interdisciplinaridad. El sistema DRE es de naturaleza altamente inercial, burocrática, mientras que las necesidades del mundo actual son de académicos y profesionales con formación en uno o más campos del saber, acorde con las nuevas corrientes interdisciplinarias de investigación (biología computacional, ciencia de materiales, estudios culturales de la ciencia, etc) .
La Física del Futuro debe procurarse por crear y desarrollar habilidades que permitan a físicos y físicas creare puentes entre disciplinas afines a ella y no simplemente por el estudio microscópico, macroscópico y mesoscópico de la materia.

(Crédito de imagen: The Interdisciplinary Graduate Academy (IGA), Arizona State University)

los arco iris (o la visión del mundo de una física)

2009-08-22T15:33:00.008-06:00

Tres arco iris en el cielo, tres arco iris en el agua...

Aunque es muy raro verlos esta imagen es real, ¿no es hipnotizante?

El arco iris más intenso (primario) es como el que vemos normalmente, se debe a que las gotitas de agua descomponen la luz del sol en sus colores componentes cuando viaja a través de ellas .
De hecho cuando la luz solar atraviesa las gotas ocurren múltiples reflexiones internas dentro de ellas que pueden crear un segundo arco iris que se ve en el cielo con los colores invertidos respecto al primario y que además es mucho más tenue.

El tercer arco iris, el que está en medio del primario y el secundario, es más raro de ver, ya que no se debe a la iluminación directa del sol si no a la luz que se refleja desde la superficie del lago para despues alcanzar las gotitas de agua, por eso este arco iris no tiene la misma orientación que los otros dos, la luz que lo genera viene de otra dirección.

A su vez estos arco iris se reflejan en el agua calma del lago.

Mucha gente diría que conocer lo que sucede roba la magia pero, para mi, lograr comprender todo lo que debe suceder para que existan los arco iris los hace parecer más hechizantes cada vez que se dibujan el cielo.

No es cierto que conocer científicamente la razón de las cosas las haga frías, no es cierto que vea ecuaciones cuando disfruto de un atardecer o de las olas del mar que llegan a la orilla, aunque ,si quiero, puedo hacer matemática para explicar científicamente estas situaciones, al comprenderlas me gustan más y me da más placer sentarme a contemplarlas.

( Crédito de la foto: NASA, http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap070912.html, www.meteored.com/ram)

Físico(a)s versus biólogo(a)s

2009-08-21T11:42:00.007-06:00

Los físicos y las físicas tenemos nuestra propia forma idiosincrática de ver el mundo.

Nos encanta la unidad y la unificación. Nos enorgullecemos de haber unificado la electricidad, el magnetismo y la óptica en una sola disciplina: el electromagnetismo.

Andamos buscando cómo unificarlo todo. La teoría de cuerdas, por ejemplo, es un intento de tratar de unificar la gravedad con las demás fuerzas de la naturaleza.

Los físicos y físicas aborrecemos la diversidad. La existencia de muchas partículas nos pone nerviosas. Por eso, siempre andamos buscando cómo reducir esta diversidad a uno o dos principios subyacentes.

Las biólogas aman la diversidad. Yo nunca he escuchado a un biólogo quejarse de la diversidad natural. Si los biólogos hicieran física, no tendrían la unificación en su agenda.

De esta forma, el gremio de los físicos tiene su humana forma de pensar. Según Gerald Holton y otros autores, esta obsesión con la unidad tiene raíces en el pensamiento cultural alemán del siglo XIX y comienzos del XX.

(Imagen de arriba: teoría de los cubiertos, según un físico)

Humanos vrs. Simios

2009-08-20T16:13:00.004-06:00

Al comparar el ADN de simios y humanos, se encuentra que en algunos casos la diferencia es del menos del 2%. En este documental de la National Geographic se exploran las diferencias contenidas dentro de ese 2% que nos diferencian de nuestros parientes. En este extracto del documental , a partir del minuto 4:48, se expone una de esas diferencias: la percepción de como los objetos se mueven e interactúan entre sí, conceptos físicos.
¿Podremos entonces decir que la física es, de alguna manera, inherente al ser humano?

Física con amor...

2009-08-20T16:05:00.003-06:00

Física con amor es una frase acuñada por Manuel Ortega con la idea de enfatizar cuanto un(a) físico(a) disfruta de su trabajo...¡y como esperamos esto se extienda a l@s estudiantes de física y áreas afines en sus cursos de carrera!