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27 de mayo de 2008

Momento angular o cómo marearse por la ciencia

Una de las cosas más fascinantes de la física es como un concepto que parece muy sencillo, tiene implicaciones mucho más profundas. Uno de esos conceptos es el momento angular, que tiene aplicaciones en muchos campos de la física, aunque aquí sólo veremos lo más cotidiano.

Para explicar todo de forma más clara voy a tener que meter un poco de matemáticas, pero muy poco, lo prometo. El momento angular es un vector. Un vector es cualquier magnitud física que no está completamente definida si sólo decimos su cantidad (llamada en este caso módulo), sino que debemos dar también su dirección y sentido.

Me explicaré mejor con un ejemplo. La fuerza es un vector. Imaginaos que estáis al borde de un acantilado, y os dan un empujón muy fuerte (os aplican una fuerza con un módulo grande). ¿Os caeríais? Desde luego es una fuerza que en una situación normal os tiraría al suelo. Sin embargo, no podéis estar seguros de si caeríais por el acantilado. ¿Os empujan hacia él, os empujan hacia un lado, tiran de vosotros? resumiendo, ¿en qué dirección aplican la fuerza y con qué sentido (tirar o empujar)? Para que la fuerza esté determinada por completo, os tienen que decir su módulo, y también desde donde lo aplican y en qué sentido. Eso es un vector. Otro ejemplo de vector es la velocidad (no es lo mismo ir a 5km/h hacia delante que hacia atrás o a un lado).

Volviendo al momento angular, este aparece cuando hay un cuerpo girando, y depende del radio de giro (que también es un vector), de la masa del objeto y de la velocidad que tiene. La relación en este caso consiste en multiplicar la masa por la velocidad (en forma de vector) y luego hacer el producto vectorial del radio de giro con este otro vector que sale de multiplicar masa y velocidad. No os voy a explicar cómo se hace porque no es necesario. Sólo tenéis que saber que el resultado es el vector momento angular, y que está en el eje de giro.

r es el radio, v la velocidad y L el momento angular. Crédito.

Tranquilos, ya ha pasado la parte aburrida. Hay una ley en la física que dice que, si dejamos un sistema que esté girando a su aire y no intervenimos ni nosotros ni nada en su movimiento, el momento angular se conserva. Como es un vector, se conserva en módulo, dirección y sentido. Esta ley tiene efectos muy curiosos.

Cuando montáis en bici, os dais cuenta de que es mucho más fácil caerse si vais despacio que si vais rápido. La conservación del momento angular es la culpable de esto. Cuanta más velocidad tenéis en la bici, mayor es el momento angular, y más difícil es variarlo. Una de esas variaciones es cambiarlo de dirección, que es lo que pasa cuando os caéis. Cuando vais verticales en la bici, el momento angular "sale" del centro de cada rueda, paralelo al suelo. Si se vuelca la bici hacia un lado, deja de estar paralelo, por lo que lo variáis. El mismo principio actúa sobre una peonza, que sólo se mantiene vertical si está girando.

Los helicópteros tiene que tener esas hélices pequeñas en la cola por culpa de esta ley. Cuando el helicóptero está parado, no hay momento angular. Cuando las hélices grandes empiezan a girar, comienza a aparecer. Para intentar que siga siendo cero, la cabina comienza a girar en sentido contrario, para crear otro momento angular opuesto que cancele al primero. Este giro de la cabina se evita poniendo esas hélices atrás, que generan un empuje que evita girar a la cabina.

La conservación del momento angular también causa que si se varía una de las magnitudes que lo determinan, las otras también variarán de forma que el momento angular se mantenga constante. Esto es algo que se ve en los patinadores sobre hielo. Si alguna vez los habéis visto por la tele girando, os habréis fijado en que empiezan a girar con los brazos abierto y que cuando los van cerrando, giran más rápido. Al cerrar los brazos disminuiría el momento angular, por lo que aumenta la velocidad para contrarrestar esta disminución.

Para despedirme, y que veáis que la conservación del momento angular es algo fácil de comprobar, os pongo un vídeo hecho por mí. Si veis El Hormiguero (programa de televisión de Cuatro) a lo mejor lo habéis visto ya, pues lo hicieron un día, pero que conste que yo ya tenía la idea. La bata es porque me da un aspecto mucho más interesante, y porque la tuve que comprar para el laboratorio de química y tengo que sacarle provecho. Que lo disfrutéis.



ACTUALIZACIÓN: Si queréis saber más, leed el comentario 3.
20 de mayo de 2008

"Gravedad cero" y microgravedad

Esta entrada es casi obligada en cualquier blog de ciencia en general y física en concreto.

Muchas veces leemos en los periódicos y oímos en la radio y televisión noticias sobre "gravedad cero" o "ingravidez". La más reciente que me viene a la cabeza es una sobre una operación quirúrgica que se realizó en este estado.

Este término puede inducir a confusión, y pensar que realmente no hay gravedad. Pero vosotros, mis queridos lectores, sabéis ya que la gravedad llega muy lejos, tan lejos que no hay lugar en el que esta no exista. Porque si la gravedad del Sol y la Luna puede afectar por ejemplo a las mareas, como ya sabéis, ¿cómo no va a afectar la gravedad causada por la Tierra a la Estación Espacial Internacional, a los satélites o a un avión en vuelo parabólico, que están mucho más cerca?

Pues claro que afecta, de hecho si no hubiera gravedad, ni la Estación Espacial ni los satélites orbitarían. ¿Entonces por qué flotan los astronautas cuando salen en la tele? Pues porque se están cayendo.

Sí, cayendo. Parece imposible, ¿qué puede haber más diferente a flotar que caerse? Lo que pasa es que no sólo se caen ellos sino que también cae la Estación Espacial hacia la Tierra. Y como caen con la misma aceleración, parece que los astronautas y todos los objetos de su alrededor flotan dentro de la Estación Espacial.



Es la misma situación que unos paracaidistas. Imaginad un paracaidista en caída libre (igual que los astronautas y la ISS). Obviamente no está flotando. El paracaidista, que lleva años en la profesión, y ha saltado muchas veces se aburre, así que para pasar el rato hasta el momento de abrir el paracaídas, decide abrir una bolsa de cacahuetes para pasar el rato comiéndoselos. Para hacerlo más divertido, suelta uno de ellos, que empieza a caer a su lado e intenta metérselo en la boca sin manos.

¿Qué creéis, que cuando cierre la boca alrededor del cacahuete este se va a posar en su lengua tranquilamente? No parece lógico, ¿verdad? No lo es. El cacahuete seguirá cayendo igual con respecto a la Tierra, y la boca del paracaidista también, con lo que el cacahuete parecería flotar dentro. Pues ahora pensad que la boca del paracaidista es la ISS y el cacahuete es unos de los astronautas que hay dentro. Es lo mismo.

Pero podéis estar tranquilos y dejar de mirar al cielo y de cubriros la cabeza, que no os va a caer ningún satélite ni nada encima. es aquí donde está el truco. Todos los objetos en órbita hacen algo más que caer, también se mueven en la dirección perpendicular a la caída a velocidad constante. Como la velocidad de caída va aumentando, y la velocidad en la dirección perpendicular se mantiene constante, el objeto en órbita sigue una trayectoria parabólica (la que sigue cualquier cosa que lancemos hacia delante). Teniendo en cuenta que la Tierra es casi redonda (aunque algunos se empeñen en lo contrario) encontramos la respuesta. Pero lo mejor es usar un dibujo hecho por mí (siento la calidad, se me ha roto el escáner y tengo que hacerle fotos para poder meterlo al ordenador. Clic para ampliar).


En la parte a) vemos lo que pasa cuando alguien tira una piedra con poca velocidad. En la parte b) tenemos lo que pasa cuando aumenta la velocidad. Se empieza a notar la curvatura de la Tierra, la piedra tarda más en llegar al suelo. Y final mente en c) tenemos lo que pasa cuando la piedra se lanza a la suficiente velocidad. Recorre tanta distancia antes de bajar lo suficiente para tocar el suelo que cuando lo hace, ¡el suelo ya no está! La Tierra se ha curvado tanto que no lo toca. Es entonces cuando empieza a orbitar (siempre y cuando nada lo frene). Es el mismo procedimiento que siguen la ISS, los satélites, e incluso la Luna (sí, la Luna se cae hacia la Tierra).

Los aviones en vuelo parabólico no orbitan alrededor de la Tierra, sino que suben a gran altura, y se dejan caer, usando los motores sólo para contrarrestar la fricción del aire. Así que no hagáis caso cuando los de El País dicen que los aviones estos van a los confines de la atmósfera, donde desaparece la fuerza gravitatoria de la Tierra, la gravedad nunca desaparece y los aviones no hacen eso.

Este estado se llama microgravedad, que es el término que debe usarse en lugar de gravedad cero o ingravidez. En él, la única fuerza que actúa sobre nosotros es la gravedad, lo que hace que no se note. Cuando estamos de pie en la Tierra, hay dos fuerzas, nuestro peso, y el empuje del suelo, que es exactamente igual de instensa que el peso. Si el suelo no hiciera fuerza hacia arriba, nos hundiríamos en él. Es el estado en el que están los astronautas de la ISS o los pasajeros de un avión de vuelo parabólico.

Así que ya sabéis, cuando leáis u oigáis algo relacionado con gravedad cero o ingravidez en estos temas, realmente se refieren a la microgravedad.
15 de mayo de 2008

El supernotición que te cagas de la NASA

Tras recordar a Gomaespuma (al menos en su etapa en M80) en el título, voy a comentaros la última noticia de la NASA. Si es que alguien lee el blog regularmente, recordará que hace pocos días mencioné que ayer, 14 de mayo, la NASA iba a hacer público un descubrimiento que se llevaba buscando desde hace 50 años (si necesitáis refrescar la memoria, releed lo poco que puse en la entrada).

Pues la noticia de la NASA ha sido el descubrimiento de la supernova más joven encontrada hasta la fecha. Seguramente no os suene impresionante. Bien, es que no lo es. La verdad es que ha sido un poco decepcionante. No quiero quitar mérito al hecho en sí, pero toda la expectación que han creado alrededor del asunto me parece excesiva.

El brillo de una supernova puede superar al de la galaxia donde se encuentra. (Recreación artística. Crédito)

Yo estas cosas aún no las he estudiado, y no os puedo decir sobre lo que es una supernova más que lo que viene en su artículo de la Wikipedia y probablemente tenga errores en esta tontería. Según la masa que tenga una estrella, al agotar el "combustible" que tiene en su núcleo le puede pasar varias cosas. Una de esas cosas es convertirse en una supernova. Esto sucede, como ya digo, al agotarse el núcleo, donde están constantemente sucediendo reacciones de fusión nuclear (que no fisión, un día haré un artículo sobre la diferencia, que he visto que mucha gente se confunde; normal teniendo en cuenta que ya he visto a muchos periódicos diciéndolo mal). Esto provoca una "presión" desde el interior, que equilibra la fuerza de gravedad consiguiendo que la estrella mantenga su forma y no colapse. Pero cuando deja de haber fusión en el núcleo, ya no hay fuerza que contrarreste la gravedad, y si la masa de la estrella es muy grande, esta colapsa, disminuyendo su tamaño. En el proceso, emite una gran cantidad de energía, y brilla intensamente. También lanza al espacio parte del material que forma su corteza. Tras la explosión, se crea una enana blanca (para masas pequeñas, caso de nuestro Sol), una estrella de neutrones (masa media) o un agujero negro (masas grandes).

Por supuesto, esto no es todo. Hay distintos tipos de supernovas que actúan de distinta forma según ciertas características (además de la masa, si había otras estrellas cerca de las que coger masa y demás).

La supernova en cuestión se sitúa a 25.000 años-luz de aquí, muy cerca del centro de la galaxia. Los indicios de la explosión llegaron a nosotros hace 140 años, pero no habíamos podido verlos debido a la nube de gas y polvo que rodeaba la supernova (la materia expulsada). Se trata por tanto de la supernova más joven hasta ahora encontrada. El descubrimiento ha servido para calcular que en nuestra galaxia se producen cada siglo tres supernovas aproximadamente.

Comunicado oficial (inglés).
11 de mayo de 2008

Enlaces interesantes

Como ya habéis visto, lo de esta semana se ha retrasado mucho. He decidido que lo mejor es hacerlo muy de vez en cuando (una o dos veces al mes) y completarlo un poco más. Lo llamaré "enlaces interesantes", que no estoy inspirado.

Comenzamos con la noticia que ha dado hoy la NASA. Han informado en un comunicado (inglés) que el día 14 de este mes anunciarán el descubrimiento de una objeto en nuestra galaxia que los astrónomos llevan buscando 50 años. Lo único que dicen, a parte de esto, es que han hallado el objeto combinando observaciones con datos del observatorio de rayos X Chandra. Hagan sus apuestas.

En el País nos cuenta que parece que la cura milagro para el problema del petróleo en los transportes que eran los biocarburantes no es tan buena como en un principio se pensó. El problema de escasez de alimentos y el aumento de los precios ha hecho que los altos mandatarios se replanteen la idea y admitan el error. Luego tenemos voces críticas sobre la parte ecológica del asunto, que opinan que si tenemos en cuenta el tratamiento de los biocarburantes y la deforestación de muchas zonas para cultivar las plantasadecuadas, provocan un aumento del nivel de CO2.

El Tamiz informa de que está desarrollando un diseño para construir una sonda de la NASA, que se llamará Solar Probe (Sonda Solar, originales que son), y que se acercará al Sol 6,6 veces más que la sonda Messenger, lanzada en 2004 para observar Mercurio.

En Historias de la Ciencia podemos leer una entrada a raíz de la muerte de Edward Lorenz el pasado 16 de Abril que trata sobre la teoría que le hizo famoso, la Teoría del Caos. Además de hablar sobre su elaboración, nos cuenta de donde viene la idea metafórica (que no cierta) de que el aleteo de una mariposa puede provocar tornados enotro lugar del mundo.

En Ciencia Kanija han traducido un artículo que trata sobre la consideración de la NASA (creo que hoy he escrito más veces NASA que en el resto de mi vida) de enviar una misión tripulada a un asteroide para montar un puesto avanzado y hacer pruebas para una posible misión a Marte.

Bueno, creo que tenéis lectura para un rato. Que la disfrutéis.
8 de mayo de 2008

Producción de energía eléctrica

Llevo un tiempo sin publicar entradas no tanto por falta de ideas, sino porque las que se me ocurren no me parecen lo suficientemente interesantes para publicarlas o hay algún aspecto que no controlo lo suficientemenete bien como para explicarlo claramente sin recurrir a términos técnicos (como dijo Einstein, "no entiendes realmente algo a menos que seas capaz de explicárselo a tu abuela"), pero he llegado a una conclusión sobre el primer tipo de ideas que es que tal vez si haya alguien a quien le interesen, así que las publicaré poco a poco.

Hoy voy a hablaros de eso que está tan de moda que es la producción de energía eléctrica. No voy a hablaros de energía renovables, centrales térmicas, nucleares ni nada de eso, lo dejo para próximas entradas, sino del principio básico de la generación de electricidad, la inducción electromagnética.

Pero antes recordemos qué es lo que llamamos electricidad. Como muchos recordaréis, la materia está compuesta por átomos. El átomo podríamos decir que es la parte más pequeña de un elemento químico que se puede tener pudiendo asegurar que eso que tenemos es ese elemento químico y no otra cosa. Los átomos a su vez están formados de varías partículas: los protones (carga eléctrica positiva) y neutrones (carga eléctrica neutra) que forman el núcleo, y los electrones (carga eléctrica negativa) que dan vueltas alrededor del núcleo. La corriente eléctrica es el movimiento de estos electrones debido a una difrencia de potencial, que podríamos decir que es lo que "empuja" a los electrones a moverse.

En una central eléctrica lo que se hace es crear una diferencia de potencial (también llamado tensión o voltaje) de forma que esto causa una corriente eléctrica. Y el fenómeno que causa esa diferencia de potencial es la inducción electromagnética.

Pero necesitamos otro ingrediente antes, el magnetismo (por algo se le llama inducción electromagnética). El magnetismo es ni más ni menos que eso que hace que los imanes se peguen a la nevera. Es un fenómeno por el cual unos materiales atraen (o repulsan) a otros. Imaginaos que cuando se acercan dos imanes, salieran de ellos algo parecido a brazos que se agarran unos a otros para juntarse. A esos brazos lo vamos a llamar, porque nos apetece, líneas de campo (podemos decir que el campo es la zona del espacio donde se nota el efecto de los imanes).

Como sabréis, aunque pongamos algo entre dos imanes, esto no afecta a su atracción (y si no lo sabéis, id ahora mismo a la nevera a coger dos imanes y poned un folio entre ellos, veréis como siguen pegados), ya que las líneas de campo pueden atravesar los materiales. Pues a la cantidad de líneas de campo que atraviesan una superficie, es el flujo magnético.

Ahora vamos a quid de la cuestión, la inducción eléctromagnética. Si nosotros ponemos una espira (un aro, para que nos entendamos) de material conductor (un material conductor es aquel que permite el movimiento de los electrones; el cobre del que están hechos los cables es un material conductor, el plástico no) entre dos imanes y variamos el flujo magnético que pasa a través de ella, se induce en la espira una diferencia de potencial que genera una corriente. Luego nosotros llevamos esa corriente a través de cables a donde queramos.

Para variar el flujo podemos hacer dos cosas: variar la intensidad del campo magnético, o variar el tamaño de la superficie que atraviesan las líneas de campo. Lo que se hace es lo segundo de forma ingeniosa. No es que se haga más grande o más pequeña la espira, sino que se le da vueltas. Si no entendéis como es, coged una hoja de papel y ponedla delante de vosotros, ahora giradla para ver la otra cara. Mientras la estáis girando parece que se va estrechando hasta que se convierte en una línea (cuando está paralela al suelo) y luego se va ensanchando hasta que termináis de girarla.

Al principio atraviesan la espira el máximo de líneas de campo posible. Según va girando, atraviesan menos, hasta que llega un punto (que sería cuando el papel está paralelo al suelo) que no atraviesa ninguna, tras lo cual, al seguir girando, aumenta el número de líneas, y vuelta a empezar. Así se varía el flujo, la cantidad de líneas de campo que atraviesan la espira, y se induce la diferencia de potencial que genera la corriente.

Este es el método con el que se genera casi toda la corriente eléctrica que llega a nuestras casa y que tan fácil hace todo. Digo casi toda porque los paneles fotovoltaicos funcionan de una manera muy distinta (como los de calculadoras o relojes; sería muy difícil meter espiras ahí dentro). Luego además tenemos las pilas, en las que se genera la corriente mediante procesos químicos.

Por supuesto, la inducción electromagnética tiene otros muchos usos, como en las cocinas. Las placas de inducción se llaman así precisamente porque consisten en un campo magnético al que varían la intensidad generando corrientes eléctricas en la sartén que calientan la comida. E incluso los frenos de los camiones se basan en otro efecto relacionado con esto.

Como podéis imaginar, el problema de la generación de energía eléctrica no está en la inducción, sino en la forma en que se hacen girar las espiras que hay en las centrales eléctricas. Pero eso sería asunto de una entrada futura.