Pararrayos

Hace ya un tiempo (más de un año) publiqué una entrada sobre rayos y truenos, y en los comentarios Valaingaur me decía que podía haber aprovechado para explicar cómo funcionan los pararrayos. Le dije que en unos días lo haría, pero cómo no, lo he ido dejando.

Si recordáis, el rayo se producía por la diferencia entre la carga de la parte inferior de la nube y la carga del suelo, que producía una diferencia de potencial lo suficientemente grande para que se rompiera el dieléctrico y las cargas se movieran a través del aire. Pues bien, cuanto menos sea la distancia entre la nube y el suelo, es más fácil que caiga un rayo. Es por ello que los rayos suelen caer en los árboles y edificios más altos, y por ello los pararrayos se ponen en lo más alto de los edificios.

Pero el que los pararrayos "atraigan" a los rayos y eviten que caigan en otro punto no se debe sólo a que están más cerca de las nubes que el resto de cosas que hay en los alrededores, hay algo más, el llamado "efecto punta".

La idea es bastante sencilla. Aunque la tierra es neutra, esto no significa que no tenga cargas, sino que hay el mismo número de cargas positivas que negativas. Como en la nube (tal y como vimos), las cargas negativas se van abajo, en tierra lo que pasa es que las cargas negativas se ven atraídas por la nube, y se amontonan en la superficie, y las negativas repelidas, y se van hacia abajo.

Fijémonos en lo que pasa en la superficie con las cargas negativas. Como estas se repelen entre sí, intentan extenderse todo lo que pueden por la superficie, para estar lo más lejos posible unas de otras. Esto es sencillo cuando la superficie es plana, pero cuando estamos en una punta podemos decir que hay cargas que acaban "amontonadas" en ella debido a que es difícil repartirse bien (para Valaingaur, por la pregunta que me hizo: la punta es una superficie muy pequeña, por lo que ante una misma carga, la densidad superficial de carga es muy grande, que es lo que importa para el campo eléctrico en la superficie), atrayendo con más intensidad las cargas de la nube, y por tanto los rayos.

Pero aún hay más. Ese no es el único efecto que se produce en la punta. Debido a esta acumulación de cargas, el aire se ioniza. Es decir: la atracción de las cargas positivas que hay en la punta sobre las negativas del aire (los electrones) es tan fuerte que los electrones son arrancados de los átomos y moléculas que forman los gases existentes en el aire. Esos iones (lo que queda después del electrón, por eso se llama ionizar) están cargados positivamente, por lo que a su vez ionizan otras moléculas y átomos. Esta reacción en cadena da lugar a algo parecido a la guía de la que hablamos en el otro artículo. Un camino de cargas positivas que facilita la descarga del rayo desde la nube.

En ocasiones el relámpago se produce a la inversa, empezando en el suelo y acabando en la nube. Aunque es algo no muy común, por supuesto que hay vídeos:



Y esto es todo. En resumen, los pararrayos lo que hacen es facilitar el camino del rayo, porque se acumulan cargas en él atrayendo con mayor intensidad las cargas de las nubes que los objetos a su alrededor, haciendo así que para el rayo sea más fácil caer allí que en cualquier otro sitio.

P.D.: Si os gustan los vídeos de relámpagos tanto como a mí, os recomiendo el canal de ZT Research en Youtube. Imprescindible.

La ciencia en España no necesita tijeras...

Los presupuestos de I+D+i presentados hace unos días por el Gobierno no han gustado en el ámbito de la ciencia, que considera que reducir el dinero destinado a la investigación es contraproducente para mejorar nuestra situación económica.

La reacción en la red no se ha hecho esperar, y como forma de protesta, desde el blog La Aldea Irreductible (y a través de su Twitter) se ha organizado la iniciativa "La ciencia en España no necesita tijeras", que ha tenido un exito increíble en menos de una semana: más de 680 blogs apuntados, un Hashtag (#TijerasNO) en Twitter con bastante éxito, y un grupo de Facebook con más de 3600 miembros. Todas las personas en contra de estos recortes que tenemos un blog, publicamos una entrada hoy dando una razón (breve, que no queremos que el pobre Irreductible se sienta pequeño ante la magna tarea de leerlas todas y abandone) por la cual no debería recortarse el presupuesto. Porque la ciencia en España no necesita tijeras.



Nota: esta entrada se complementa con la que he escrito para Pepino News y que, si no me han engañado, debería salir publicada a la vez que esta. De hecho parten de la misma idea, el futuro, pero desarrollan algo distinto.

Me vais a permitir que en esta entrada no haya ni porcentajes, ni cifras, ni "crisis económica", ni PIBs, ni nada del estilo. No puedo hablar de esos temas sin repetir una y otra vez lo que todo el mundo ya ha dicho y va a decir, ya que no poseo los conocimientos necesarios. Yo quiero llamar la atención al futuro de la propia ciencia, no del país, pues por la ciencia es por lo que yo me he unido a esta iniciativa.

La ciencia es el futuro, y la ciencia necesita científicos que investiguen. Las carreras científicas son algo vocacional. El que entra en ellas por iniciativa propia (y no por su baja nota de corte) no busca la fama o el dinero, sino el conocimiento y el beneficio de la sociedad. Como todo lo vocacional en esta sociedad que vivimos, parece condenado a desaparecer. No hay más que ver los datos sobre matriculaciones universitarias en carreras científicas. El número de alumnos ha caído casi un tercio desde 1997. En concreto, Física ha visto reducidos sus alumnos a la mitad en 20 años.

Dicen que el problema es de los científicos, que no hacen atractiva la ciencia. No digo yo que no sea cierto en parte (algunos hacemos lo que podemos para remediar esto), pero lo más importante es que el futuro del investigador sea un buen futuro. Los videojuegos son divertidos, pero no por ello la gente decide ser jugador profesional, o testeador de videojuegos. No parece un futuro cómodo ni seguro, por tanto muy pocas personas lo siguen. Un porvenir de beca en beca y rezo por que me toque no es apetecible para nadie, y los investigadores se ven sometidos a él o exiliados.

Ante un futuro tan incierto, ni siquiera muchos de los que tienen vocación científica acaban dirigiendo sus pasos hacia carreras científicas. Los "si eso solo sirve para ser profesor", "¿no ganarías más en una ingeniería?", "vete aprendiendo inglés, que te va a tocar irte" o "de eso no hay trabajo" de familiares y amigos destruyen vocaciones e ideales, y quien sabe si incluso premios Nobel.

No hay más que ver lo masificado de las aulas de ingeniería, donde también se enseña ciencia pero de manera, a mi parecer, mucho menos estimulante y atractiva. Estas han ofrecido tradicionalmente un futuro mucho más prometedor que carreras más puras a los científicos en potencia, con promesas de riquezas, y las pruebas de todos los tíos/primos/cuñados forrados de aquellos con los que nuestro embrión de investigador habla; lo que hace que muchos estudiantes renuncien a sus gustos por un hipotético puesto de trabajo cómodo y fijo.

Un recorte en ciencia no afecta solo a la ciencia actual, sino a la del futuro. Nos estamos quedando sin futuros investigadores que sustituyan a los actuales. Sin ciencia no hay futuro, sin científicos no hay ciencia, y sin dinero no hay científicos. Los que están fuera, no vuelven: los que están aquí, se van; y los que tendrían que empezar a estudiarla, no lo hacen.

Ni con el mío

Sí, lo sé, debería darme vergüenza y esas cosas no actualizar. Pero estoy de exámenes y otras cosas mucho mejores que han tenido mi cabeza dando vueltas por climas subtropicales.

Esta entrada es únicamente para reseñar algo que he visto a través de Menéame en Por La Boca Muere El Pez. Javier Armentia, astrofísico, director del planetario de Pamplona, autor del blog, colaborador del periódico Diario de Noticias y muy crítico con Jiménez, tiene unas palabras para su periódico, que han sido publicadas en su columna de hoy. Resulta que Diario ha decidido vender los libros y CDs del programa de humor, digo de investigación seria y profunda, Cuarto Milenio, presentado por Íker Jiménez, lo cual a Armentia, lógicamente, no le parece correcto:

No con mi silencio

Imaginen que mañana el periódico abriera la portada con una exclusiva con pruebas de que un gobierno mintió deliberadamente al público, ocultando algo que podría ser fundamental para el futuro de toda la humanidad. Imaginen que al día siguiente se demostrara que toda esa noticia era falsa y que simplemente en el periódico no se habían enterado de la realidad porque no habían mirado en Google, y desde luego estaba claro que no habían consultado fuentes autorizadas. Imaginen que al día siguiente el periódico no sólo no pidiera perdón ni diera explicación alguna, sino que esta vez el titular sorprendente incluyera una foto que revelaba un oculto secreto que se había hurtado al conocimiento público, y que el artículo implicara a las autoridades competentes de actuar, cuando menos, con desidia.

Pero piensen en que se destapara luego que esa foto era un montaje manipulado aunque el periódico, en sus trece, tampoco reconociera ningún error. Imaginen así una vez tras otra, que se demostraran investigaciones deficientes, manipulación de los datos y de las declaraciones, y muchas otras conductas de un tipo de periodismo que no es precisamente el que uno puede defender como periodismo veraz, responsable y comprometido.

Si eso pasara, no sería con mi silencio, nunca, aunque ello supusiera escribir la columna más triste de las que he hecho siempre con entera libertad y cariño en este DIARIO DE NOTICIAS. Pues bien, este periódico incluye desde hoy una colección de libros en los que se coloca ese tipo de práctica exagerada, desinformada y poco ética como poco, bajo el marchamo de periodismo de investigación, con unos misterios sin resolver que son puras ficciones interesadas. Y tengo que avisar de que es un error enorme, una afrenta al periodismo de verdad, algo que no debería venir con un diario que afirma que sus lectores somos los relevantes. Así de triste, esa colección llena de basura. ¿Somos lo que leemos? Espero que no.

Esta es la columna que aparece en el periódico, pero en su blog podemos leerla ampliada con un comentario (os la recomiendo antes que la columna tal y como aparece en el periódico).

No es la primera vez que un periódico decide vender humo y mentiras, El País ya lo hizo hace unos meses. Por supuesto, hubo quejas al Defensor del Lector, que escurrió el bulto diciendo que él sólo se encarga de lo que sale en las páginas del periódico, no de lo que se puede comprar con él. Realmente yo lo entendí como "nos estamos forrando, así que callaos".

Para que entendáis por qué Armentia dice eso (y yo lo suscribo) os recomiendo que os paséis por El Retorno de los Charlatanes o Magonia, que tienen una cantidad muy importante de entradas sobre el periodista y su "Nave del Misterio".

Nota importante: la licencia general del blog sólo es aplicable a los textos que yo escribo. En este caso, el texto citado escrito por Javier Armentia se publica bajo una licencia Reconocimiento-No comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.1 España, tal y como se indica en su blog.

El yoyó y la conservación de la energía mecánica

Hace mucho tiempo diego me hizo una pregunta que aún no le había respondido, cómo funciona un yoyó. Todo el mundo sabe lo que es un yoyó, pero por si hubiera algún despistado en la sala, es ese juguete que consiste en un disco con una ranura en el borde donde se enrolla una cuerda. Al agarrar la cuerda y soltar el disco, este va bajando poco a poco a la vez que gira, hasta que se desenrolla del todo la cuerda y vuelve a subir. Eso es lo básico, luego uno puede hacer todo tipo de malabares con ello.

Volviendo a lo que nos ocupa, este invento, aunque no lo parezca, tiene bastante física detrás. Es un buen ejemplo de la ley de conservación de energía (otra ley de conservación de la física de las muchas que hay, si recordáis, ya hablamos de la ley de conservación del momento angular). El yoyó tiene lo que se llama energía potencial por estar en un sitio con gravedad (por eso es en concreto energía potencial gravitatoria). Cuando tenemos un cuerpo en el aire, tiene una energía potencial gravitatoria que depende de la altura a la que esté. Mientras cae, esa energía potencial gravitatoria se va convirtiendo en energía cinética, que es la que tienen los cuerpos por moverse a una determinada velocidad. Cuanto menor es su altura, menor es su energía potencial, y va aumentando la velocidad porque su energía cinética aumenta para que la suma de las dos sea la energía total que tenía al principio, pues como hemos dicho la energía se conserva.

El yoyó es básicamente eso. Cuando tiene la cuerda enrollada está quieto y tiene una energía potencial gravitatoria. Cuando lo soltamos empieza a bajar, y pierde energía potencial, que se va convirtiendo en energía cinética y hace que baje cada vez más rápido. Es obvio que el yoyó baja mucho más despacio que lo pudiera bajar un objeto cualquiera con la misma masa que soltáramos desde la misma altura que el yoyó. ¿Esto significa que en el yoyó la energía no se conserva? Porque claro, si tienen la misma masa y están a la misma altura, el yoyó y el otro objeto tendrían que que tener la misma energía potencial, y tendrían que bajar a la misma velocidad para que su energía cinética también fuera igual y todo se conservara. ¿Qué le pasa al yoyó?

Pues algo muy sencillo, que su movimiento no es sólo de bajada. La energía cinética es la que tiene un cuerpo por el hecho de moverse. El yoyó se mueve de dos formas. Una de las formas es que se traslada, es decir, cambia de posición, igual que el otro objeto, pero también hay otra forma. El yoyó también rota, es decir, gira alrededor de un eje que está en su centro.

Esta rotación se debe a que se ejerce lo que se llama un momento de fuerza, torque o par, como queráis llamarlo, en el yoyó. Son dos fuerzas aplicadas en dos puntos distintos del yoyó y de sentido contrario que hace que este gire (coged un boli y empujadlo a la vez con los dedos cerca de los dos extremos, con un dedo en cada lado, veréis como el boli gira). En el yoyó esas dos fuerzas son la tensión de la cuerda (la cuerda tira del yoyó hacia arriba) en un extremo, y el peso del yoyó, en su centro de masas, el centro del disco.

Bueno, ya sabemos por qué el yoyó baja, y por qué lo hace como lo hace. ¿Qué pasa cuando llega abajo?

Al llegar abajo entra en juego otra energía potencial, la elástica. La cuerda se estira imperceptiblemente, acumulando energía potencial elástica que se le resta a la energía cinética de traslación, por eso se frena, y cuando lo hace, la cuerda deja de estirarse, y empieza a volver a su tamaño original, perdiendo energía elástica, que vuelve a transmitir al disco, que adquiere velocidad y empieza a subir. Cuando la cuerda ya no está estirada, el disco sigue subiendo, y como está girando a la vez, la cuerda empieza a enrollarse. Ahí empieza a producirse lo contrario que en la primera fase. Cuanto más alto está, mayor energía potencial gravitatoria tiene, así que va perdiendo energía cinética, subiendo y girando cada vez más despacio, hasta que llega al mismo punto en el que habíamos empezado, quieto y toda su energía como energía potencial gravitatoria. Y ahí volveríamos a empezar.

Para acabar, y que os quedéis embobados viendo lo que se puede hacer con un yoyó, y así se os olvide todo lo que habéis leído, os dejo este vídeo.



Para más información, la Rueda de Maxwell (con fórmulas), que es básicamente lo mismo que un yoyó, pero con dos cuerdas.

Las leyes de la dinámica

Esta entrada no va a tratar de un tema en concreto, sino de algo básico de la Física que seguramente referiré en otros post, así que creo que es recomendable tratarlo por separado, para dejarlo todo claro.

Isaac Newton fue un gran científico, de hecho es considerado por muchos como el mayor científico de la Historia. Si bien la mayor parte de sus escritos tratan de religión y alquimia, su contribución en las Matemáticas y la Física es enorme. Sentó las bases de una rama matemática, el Cálculo, y publicó la que se considera una de las obra científica más importantes de la historia, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Principios matemáticos aplicados a la Filosofía natural, se suele denominar los Principia).

En los Principia, Newton define gran cantidad de conceptos claves en Física, como materia o fuerza y también enuncia las tres leyes de la dinámica, aunque él lo hace como principios. Estas leyes son la base de la mecánica newtoniana (hay distintas mecánicas, según los métodos que se usen en ellas, aunque, obviamente, aplicadas a los mismos problemas todas dan los mismos resultados), y son realmente intuitivas, aunque tal vez esta opinión no sea muy objetiva.

La primera ley, o ley de la inercia, viene a decir que si dejamos las cosas tranquilas, no habrá ningún cambio en como se mueven, es decir, si están quietas, no empezarán a moverse, y si se mueven en línea recta a una velocidad determinada seguirán igual, sin cambio en la velocidad. Recordad que la velocidad es lo que se llama vector, es decir, que si cambia la dirección en la que se mueve la cosa, aunque recorra las mismas distancias en el mismo tiempo, es un cambio de velocidad. No dejar las cosas tranquilas es aplicarles fuerzas.

Dicha más formalmente "ante ausencia de fuerzas resultantes externas, un cuerpo continúa con su estado de movimiento". Es importante el detalle de las fuerzas resultantes. Se le puede aplicar una fuerza a un cuerpo sin que cambie su estado de movimiento, si hay otra fuerza que contrarreste esa. La fuerza resultante es cero, pues es la suma de las fuerzas. Por ejemplo, pensemos en el juego ese en el que se hacen dos equipos que tiran de una cuerda para conseguir que el equipo contrario cruce una línea o, en las versiones más divertidas, tirarlo al barro. Obviamente los dos equipos ejercen fuerza, pues tiran de la cuerda, pero si ejercen ambos la misma, al tirar cada equipo en sentido contrario, se contrarrestan, y nadie se mueve.

La segunda, o ley de la fuerza explica cómo varían las propiedades del cuerpo al aplicarle fuerzas. Visto de otro modo, puede decirse que es la definición de fuerza. Existe una magnitud física que se llama momento, que es el producto de la masa del cuerpo por su velocidad. La variación en el tiempo del momento es la fuerza. Si suponemos que la masa no varía (lo normal para nosotros), esta variación respecto al tiempo es únicamente de la velocidad, y la variación de la velocidad respecto al tiempo es la aceleración. Es por ello que en lugar de "la fuerza es la variación del momento respecto al tiempo", se dice que la fuerza es el producto de la masa por la aceleración.

La tercera y última, o ley de acción y reacción es muy fácil de entender. es la culpable de que cuanto más fuerte te des con algo, más duela. Al aplicar una fuerza a un cuerpo, el cuerpo aplica también una fuerza de igual magnitud en nosotros. Por ejemplo: al apoyarnos en el suelo, nosotros aplicamos una fuerza, nuestro a peso, a este que a su vez aplica una fuerza igual de intensa pero sentido opuesto (recordemos que la fuerza es un vector) en nosotros. Si esa fuerza (que se suele llamar normal) no existiera, o no fuera igual de intensa que nuestro peso, saldríamos volando o nos hundiríamos en el suelo.

Como muestra de la primera ley, os traigo este vídeo, que vi hace bastante tiempo y que hace pocos días en Ciencia en el XXI volvieron a publicar.



Eso es lo que pasa cuando no se tiene en cuenta la primera ley. Cuando el camión acelera para irse, a los carros no se les aplica ninguna fuerza, así que su estado de movimiento permanece igual, y ese estado de movimiento no es otro que estar quietos. Es decir, el camión se va, pero los carritos quedan en su sitio.

Actualización: una compañera tiquismiquis (con cariño) me ha echado la bronca por no decir que he despreciado el rozamiento para la explicación de los carritos y el camión. Ya sabéis que este blog es "forcista" (que no racista) y desprecia las fuerzas de rozamiento.