Energía a partir de materia

Hace unos días hablé con mi primo Javier Civera, que a veces me sorprende y me contaba que había estado pensando, sobre lo que escribí en mi primera entrada de crear energía a partir de la antimateria. Ya que explicaba yo que cuando la materia se junta con la materia se aniquilan mutuamente y sale energía en forma de fotones de luz. Pues bien, esta entrada va dedicada a él y a todo el que se haya preguntado algo así alguna vez.

Lo primero que hice el otro día fue mencionar a mi colega Einstein, y su famosa ecuación, que no es por la que le dieron el premio Nobel en el 1921, fue por el efecto fotoeléctrico, esencial hoy en día por ejemplo en la producción de energía solar fotovoltaica, (de la que algún día hablaré y que hoy en día todavía no es muy rentable).

Albert Einstein, en 1905, con sólo 26 años y recién acabado el doctorado, escribió varios artículos sobre física de cosas muy pequeñas (efecto fotoeléctrico, movimiento browniano) y cosas muy grandes (relatividad). Desarrolla en ese artículo lo que se conoce como la Teoría de la Relatividad Especial. Ya que 10 años más tarde completa la teoría con la Teoría General de la Relatividad.

Bueno, pues en la primera parte, plantea cosas muy sencillitas, pero a la vez bastante difíciles de asimilar totalmente. Simplificando la cosa, una de las cosas que describe es la equivalencia entre la masa y la energía. Es decir, que la materia y la energía no son cosas diferentes, son solo dos formas de ver una misma cosa. Yo más bien considero que todo es "energía" y que la energía cuando se junta, es como si se "solidifica" en forma de materia.

La relación es la famosa ecuación. E = m c^2

E es la energía, m es la masa, y c es la velocidad de la luz, que son 3·10^8 m/s (300.000.000 m/s o 300.000 km/s), y encima al cuadrado! Esto quiere decir que un poquito de masa da muchísma energía.

Veamos que significa esto, porque podríamos pensar que tenemos resuelto el problema de la energía. Fuera petroleo, carbón, nuclear, renovables... nadaa.. lo que nos hace falta es materia! La que sea, que te digo yo.. aire? agua? arena de la playa? todo podría valer no? y tenemos energía hasta el infinito y más allá.

Pues no es tan fácil. A ver, voy a explicar la forma más sencilla (que suele ser la mejor) de producir energía de esta forma.

La solución la tienen las estrellas, y además lo inventaron cuando el universo llevaba vivo entre un segundo y tres minutos. En ese tiempo se ideó ese método de conseguir energía y las estrellas empezaron a nacer y dar luz. Un día explicaré todo lo que pasó en ese segundo después del Big Bang y durante los siguientes días o años, o milenios, ya da igual.. todo esto fue hace unos 13 mil millones de años.

Bueno, por dónde iba?. A sí, que las estrellas ya habían inventado un método muy guay de conseguir energía.

A ver, pregunta: De que están hechas las estrellas?.................
Bueno pues hay diferentes tipos y varía según la edad y el tamaño y más cosas, pero básicamente, de Hidrógeno, y también suelen tener Helio. Que casualidad! Los dos primeros elementos de la tabla periódica. Acordarse, el Hidrógeno arriba a la izquierda y el Helio arriba a la derecha. Si nos acordamos, tienen lo que se llamaba número atómico 1 y 2 respectivamente.

Pues no es ninguna casualidad que sean los dos primeros elementos. A ver pensemos. Si las estrellas he dicho que empezaron a aparecer a partir de unos minutos tras el Big Bang es lógico, que antes, la materia no existiera, por así decirlo. Como he dicho, lo que había antes era energía.. luz..  y entonces Dios dijo: E = mc² !! y se creó la materia. Que es lo primero que creamos, pues lo normal, empezar por el principio: Hidrógeno.

Hidrógeno que al principio, si lo pensamos es super simple. Se trata de un miserable protón suelto. Porque al principio, esta todo tan pegado que ni siquiera hay sitio para que un electrón de vueltas alrededor suya. A veces el protón no está sólo y tiene uno o dos neutrones pegados y se llama entonces deuterio y titrio respectivamente. (Si habéis jugado al oGame os sonará el deuterio, no era un invento del juego).

Bueno, pues eso, lo más básico, lo que había a saco en los primeros minutos y lo que hay muchísimo en el centro de las estrellas es Hidrógeno, mas bien, protones. Entonces que pasa cuando los protones se mueven agitados por el calor que hay en el centro de una estrella y la altísima presión que hace que estén todos casi juntos? Pues que cuando chocan dos átomos de Hidrógeno (dos protones) se pueden quedar juntos y se forma un sencillo átomo del siguiente en la tabla, el Helio. Y también salen rayos gamma, es decir, "luz", energía, calor.. al fin y al cabo son casi igual todas esas cosas.

La pregunta de porqué sale energía? Como no, los físicos siempre preguntándonos "¿Porqué?" Yo pienso que somos adultos que nuestra cabeza se quedó en la época de la infancia que todos los niños preguntan el "porqué" de todo. Lo bueno, o lo malo, es que al final conseguimos respuestas, lo que nos hace preguntarnos más porqués..

La respuesta a esto es de Einstein.

El esquema casi completo es este siguiente. En cada paso, se puede explicar más a fondo y más pequeño que es lo que pasa, pero ya es suficientemente difícil esta imagen que he cogido de la wiki:

Lo rojo son protones y lo gris neutrones. (El positrón es el blanco, y es la antiparticula del electrón...).
El protón suelto es lo que se llama "hidrógeno"... el protón con un neutrón (²H) deuterio. Y después de Helio hay dos tipos. Helio-3 y Helio-4 según tenga 1 o 2 neutrones.

Si queréis, os explico más a fondo esta reacción que se llama cadena protón-protón. O la miráis en la wiki. Pero por privado o por vuestra cuenta. Aquí solo voy a haceros contar que a simple vista, la masa se conserva. Suponiendo que aproximadamente el protón pesa lo mismo que el neutrón y que los positrones y neutrinos y rayos gamma no pesan nada. Tan solo contad bolitas grandes antes y después de las reacciones, y se cumple.

Pero resulta, que si medimos de verdad lo que pesan unas cosas antes y después no se cumple la conservación de la masa.

Me explico. En la primera reacción, la suma de dos masas del protón es un poco mayor que lo que sabemos que pesa (medido experimentalmente) el deuterio. Y así con todas. Y en última instancia, los 4 protones SEPARADOS que usamos al principio suman MÁS que las cuatro bolitas JUNTAS que hay en el HELIO-4.

Que ha pasado con la masa esa que ha desaparecido?¿

E=mc²

Se ha transformado en energía.

La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.

Lo que sobraba de materia, se ha convertido en energía!

Y esto repetido un número de Avogadro veces (6·10²³ , un número con 23 ceros) que son los átomos de hidrógeno que hay en un gramo de hidrógeno. Y una estrella pesa 2·10³⁰ kg (Sol), pues ya me diréis cuanta energía se puede producir.


Con números:

Masa del protón (Mp):          1.67262178 × 10 -27 kg = 1.007 2 76 4 66 uma
Masa del Helio-4 (⁴He):         6.6464764 x 10 -27 kg=    4.002602  u

1.007 2 76 4 66 x 4 =  4.029105864
Helio:                           4.002602

La diferencia es un 0.7% de la masa inicial la que se pierde y se transforma en energía por cada 4 protones iniciales.

Calculando la energía con la E=mc²:

E = 0.04040107 x 10⁻²⁷ Kg * (3·10⁸)^2 (m/s) = = 3.96 x 10⁻¹² J (Julios)
Que no es mucho, pero es que es solo una reacción. En un mol de Hidrógeno (1g) tendremos:
2.4 x 10¹² J , es decir 2.4 billones de julios.. una locura...


Bueno pues ya está. Otro día profundizaré más en estos temas que yo creo que son de los más bonitos de la física, si os parece bien claro está. Comentadme que os parece please!!

Hasta la próxima!

Experimentos con fluidos no-newtonianos

En este post voy a explicar rápidamente algo que me preguntaron el otro día cuándo veníamos de vuelta del Abierto de Cataluña de remo. Estas son las típicas conversaciones que se tienen cuando uno lleva 6 o 7 horas aburrido en un autobús y le quedan otras tantas para llegar a casa.

Esta vez le dedico la explicación a Carmen Torres que fue quien sacó el tema, y a Valeria, Camila y el resto de gente que me pidió que lo explicara allí. Ahora lo explico un poco más completo y pongo algún vídeo interesante.

El tema trataba sobre los fluidos no-newtonianos, aunque más comúnmente lo podéis encontrar como el experimento de la Maicena con el agua, y que se hizo bastante famoso gracias al programa del El Hormiguero.

El experimento, (que yo intenté una vez sin mucho éxito) consiste en mezclar Maicena (Almidón de maíz) que se compra en cualquier supermercado con agua. Creo que el truco está en ir echando la Maicena poco a poco sobre el agua e ir constantemente removiéndola para que nunca queden grumos. Y así hasta que notemos que está "en su punto".

En su punto significa que tenga las propiedades de un fluido No-Newtoniano. ¿Y esto que es?? Pues, me parece que os vais a dar cuenta porque al intentar agitarlo fuerte parece que se pone duro y si lo haces suave parece líquido. O sea, que tenemos algo que no es ni sólido ni líquido.

En física llamamos fluido al estado de la materia que se caracteriza porque es capaz de amoldarse al recipiente que lo contiene. Esto incluye a los Gases y a los Líquidos, que como sabemos tienden a ocupar todo el sitio donde estén, a diferencia de los sólidos.

Un fluido es Newtoniano (Nombre que viene de Sir Isaac Newton) si su VISCOSIDAD  NO VARIA, es siempre la misma. La viscosidad es lo que conocemos por viscosidad, la dificultad de ser removido o de mover un objeto dentro de él. Por ejemplo, la miel es muy viscosa, y el agua es mucho menos viscosa.

Entonces un fluido No-Newtoniano es aquel que su viscosidad si varía según algún parámetro, por ejemplo, la temperatura o la presión. En general, como pasa con casi todo, no existen los fluidos newtonianos prefectos, ya que todos varían su viscosidad un poco por la temperatura por ejemplo.

Un ejemplo para los remeros es que el agua más caliente es menos viscosa, es decir más fluida. Es decir que con calor los barcos deslizan mejor que con frío. Y eso lo saben los remeros, en invierno la pista suele ser más "dura" que en verano. Es muy poco, pero puede notarse, y hay estudios que lo demuestran.

Bueno, pues vamos a nuestro agua con Maicena. Resulta que la mezcla de agua con partículas de maicena (que es almidón, es decir, una molécula de proteína -- ERRATA- mirar al final del articulo-- muy grande y que es poco soluble en agua) crea una disolución que se suele llamar coloide que tiene unas propiedades muy curiosas. Es un fluido no-newtoniano cuya viscosidad depende mucho de la presión que apliquemos. Aplicar presión significa golpearlo, apretarlo..

Lo que ocurre es que si aprieto, se vuelve muy viscoso, se parece más a un sólido, y si lo dejo sin apretar, se hace más líquido otra vez. Y con esto se puede jugar mucho y hacer experimentos muy curiosos como los que hicieron en el Hormiguero de andar sobre una piscina de éste fluido o colocar éste sobre un altavoz y que pase lo que pongo en el vídeo de abajo:

El experimento en El Hormiguero:

Bueno, pues espero que os guste la explicación y que lo intentéis hacer. Y a decirle a Carmen que siga con esa curiosidad por todo que tenemos los científicos.

Saludos, y hasta la próxima!

Fe de erratas:

En mi explicación tengo que corregir algo que he dicho mal, por lo que pido disculpas por no informarme un poco mejor. El Almidón NO es una proteína, claramente se trata de un polisacárido, de la familia de los Glucidos. Formado por muchos grupos como el de la imagen, por lo que se trata de una molécula muy gorda. (En parte por eso no es muy soluble en agua).

Es un error muy torpe por mi parte, ya que la bioquímica cuando la estudié por encima en 1º de Bachillerato me gustó bastante y la tenía controlada. Debo agraceder a Clara Palacio, estudiante de Biotecnología por advertirme del fallo.

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Ergómetro: relación entre parcial y watios

Cómo he puesto en el título que además de físico soy remero, pues voy a escribir algo sobre mi deporte esta vez. Es algo que llevaba tiempo queriendo hacer, y hoy en un momento me he puesto y lo he sacado.

Se trata de qué relación existe entre los famosos watios, y el parcial. A ver, dicho un poco más físicamente, los watios son las unidades en que se mide la potencia (P) y el parcial (/500m), es el tiempo en que se tarda en hacer 500m, es decir, una especie de inversa de la velocidad.


Explico cada una en un momento.

La potencia es una medida al mismo tiempo de fuerza (F) y velcidad (v). Es decir, $P=F\cdot v$. Es decir, que a más fuerte tiremos del palo, más potencia, y si lo hacemos en menos tiempo (más velocidad) mejor. Esto pasa igual en el ergómetro que en el agua.

El parcial da cuenta de lo rápido que avanza el bote o el ergómetro, aunque en este caso no se mueva nada, solo los numeros de la pantalla. El parcial se mide en tiempo (min:seg) que tardamos en hacer 500m. Por tanto, como decía antes es algo al revés que la velocidad, ya que sabemos que la velocidad es $\frac{espacio}{tiempo}$, y el parcial es $\frac{tiempo}{espacio}$. Por tanto estas dos cantidades están relacionadas muy facilmente. Podemos calcular la velocidad simplemente dividiendo 500 entre el parcial de 500 en segundos, para que salga velocidad en m/s, y multiplicando por 3.6 si queremos podemos pasarla a km/h.

Un ejemplo, alguien que haga 6:30 en 2000m. Sacamos su parcial: $\frac{6:30}{4}=1:37.5$. Y ahora dividimos 500 entre 60s+37.5s = 97.5s y nos da 5.13 m/s, que es algo normal. Imaginemos que va a 30 paladas/min, por lo que cada palada dura 2s, tiempo en el que el bote avanza unos 5.13m · 2 unos 10 metros. Que es lo normal que se suele andar en cada palada, fijarse cuando esteis en un campo de regatas, las boyas están cada 10m, y mas o menos es lo que viene a durar cada palada.

Bueno, vamos con los resultados de lo que he pensado.

Cuando me daba a mi por representar los datos de los watios frente a los parciales, me daba una curiosa curva en la que estaban todos los puntos bien alineaditos, lo que me dio que pensar en cual sería la ecuación de esa curva, y así tener perfectamente relacionados los watios con los parciales, con lo que los entrenadores no tendrían porque tomar los dos datos, ya que con uno de ellos el otro se calcula con la formula (que al fin y al cabo es lo que hace la pantalla del Concept).

Primero, por la forma pensé que sería una exponencial. Pero buscando en Internet encontré por ahí que la relación entre la velocidad máxima de una moto y su potencia es de tipo cúbica. Es decir que la potencia va como la velocidad elevada al cubo. Entonces probé esa formula y el resultado es que los datos se ajustaban perfectamente. Los datos los tomé en un amplio rango entre los alevines más pequeños que van mas o menos a 2:45 de parcial y los más rápidos test de 100m que ha hecho la española este año, que salen parciales de 1:14. La diferencia de watios ahí es inmensa, entre menos de 100W y algo más de 800 el test de Javi García.

Dibujo la curva y el ajuste por la ecuación cúbica:

La curva de mejor ajuste como he dicho es una función cúbica, y tiene la forma de $P= A v^3$, dónde A es un número que el programa me ha obtenido para que la curva se ajuste bien. Este número resulta ser: $A = 2.8000 \pm 0.0006$ es decir, un error muy pequeño, por lo que estoy casi seguro que es exáctamente 2.8. No por nada, sino porque como dije, seguramente el ordenador interno del Concept calcule los watios a partir de esta formula y use un valor exacto.

Por tanto, entrenadores, ya no hace falta que toméis los dos datos a cada deportista que haga un test, lo que es un buen ahorro en tiempo. Basta con tomar por ejemplo el parcial (o el tiempo total y calcular el parcial) y luego, con una hoja excel sacar la velocidad, elevarla al cubo y multiplicarla por 2.8 para obtener los watios. Si no os lo creeis, probarlo con vuestro último test y veréis que es cierto.

¿Opaco o transparente?

Llevo un tiempo sin escribir nada porque el segundo cuatrimestre ha empezado ya más en serio con sus prácticas y problemas y debería ponerme a hacer las cosas ya, que es lo típico que se dice de que "ésta vez no lo dejo todo para el final" y al final pasa lo de siempre. Pero no. Esta vez quiero hacerlo bien porque ya es el último cuatrimestre de la carrera y hay que terminarlo bien.

Aún así siempre se pueden encontrar huecos para ir escribiendo cosas. Lo que quiero contar en éste artículo es algo que no sé si alguien se ha preguntado alguna vez. Yo de pequeño por lo menos si lo hacía jeje. Y es el porqué existen cosas que llamamos opacas y otras que llamamos transparentes.

Para empezar debemos saber que esta propiedad hace referencia a la capacidad que tiene un material de dejar pasar o no la luz. Realmente hay toda una gama intermedia, los hay que dejan pasar parte de la luz sólo, como las gafas de sol o las cortinas por ejemplo. En el fondo tampoco hay nada totalmente transparente (salvo el vacío); todas las cosas absorben parte de la luz. Piensa en el agua. Decimos que es transparente, pero los buceadores saben que más abajo hay menos luz; y en el fondo de las fosas más profundas está totalmente oscuro.

Bueno, pues a ver, para comprender esto debemos saber lo primero que es la luz. La luz es una ONDA (también se puede decir que está compuesta por partículas, fotones; y en realidad es lo mismo, pero eso ya lo explicaré en su día. Se llama dualidad onda-corpúsculo). Vale, entonces voy a decir que la luz es una onda. Una onda electromagnética. Es decir, que lo que oscila es un campo eléctrico y uno magnético. Me explico. En la cuerda de una comba por ejemplo puedo formar una onda o en el río puedo formar también ondas. Y lo que oscila ahí es la altura del agua o la posición de la cuerda, ¿verdad? Pues lo mismo puedo formar una onda en el vacío o en el aire o dónde sea en la que lo que oscile es el valor del campo eléctrico y magnético. No os compliquéis mucho, el campo eléctrico es el que crea la corriente eléctrica de casa y el magnético es el que crean los imanes entre otros. Bueno, tampoco nos importa tanto como son exactamente las ondas electromagnéticas, lo importante para explicar esto es que son ONDAS, es decir, una oscilación que se mueve hacia una dirección.

Estas ondas electromagnéticas tienen una característica que es fundamental. Y es su FRECUENCIA, es decir, lo rápido que oscilan. A ver, pensad en un reloj de péndulo o en un columpio. Si lo empujas y lo dejas, se mueve de un lado para otro con una cierta frecuencia, que en principio no cambia, salvo porque se va frenando hasta que se para.

Volviendo a nuestras ondas. En la naturaleza puede haber ondas de muchos tipos de frecuencias diferentes. La frecuencia se mide en Hz (Hercios) y significa "oscilaciones por segundo". En informatica estamos hartos de ver que venden procesadores de tantos Gigahercios (GHz). Pues las ondas electromagnéticas existen con frecuencias desde algunos hercios hasta los quintillones o sixtillones, osea, un 1 con unos 20 ceros detrás.

En esta figura están ordenados los distintos tipos de ondas electromagnéticas por orden de frecuencias crecientes. Como vemos, cada fracuencia nos da un tipo de onda que es completamente diferente del resto, y aún así son de la misma naturaleza.

• A frecuencia cero, tendríamos lo que se llama corriente continua (DC). O sea, que no varía, esto es el límite para dejar de llamarse onda. Un poco por encima está la corriente alterna (AC), en España de 50Hz. Es la corriente que hay en los enchufes. Cambia de valor 50 veces por segundo.

• Las siguientes que tenemos a frecuencias relativamente bajas son las ondas de radio y televisión. Cuando sintonizamos la radio o buscamos los canales del TDT estamos variando en frecuencia y cada canal tiene una un poco diferente, por eso no se superponen y se pueden ver por separado (por la antena entran todos los canales a la vez). Estamos en el rango de los kilohercios (1000Hz = KHz) y los megahercios 1 000 000 Hz (MHz).

• Si seguimos aumentando hasta los gigahercios (GHz) 1000 millones de oscilaciones por segundo, llegamos a lo que se llaman Microondas. Si, las que todos conocemos que calientan la leche del ColaCao. También sirven para enviar información mediante satétile (ya que pueden atravesar la ionosfera) y también son las que usan los móviles, GPS, Wifi, Bluetooth...

• Seguimos subiendo y llegamos a la radiación Infrarroja. Esta es carácterística porque es la que emiten las cosas que estan calientes. Así funcionan las llamadas cámaras termográficas, en las que vemos coloreadas las cosas en función de su temperatura. También hay lámparas de luz infrarroja que dan calor para dolores de espalda por ejemplo. Y también existía el famoso "pásamelo por infrarrojos" de los moviles, que poniendolos cerca enviabas una foto o vídeo de uno a otro. (Ahora si acaso es Bluetooth o simplemente Whatsapp, pero al fin y al cabo es por Wifi, o red movil, es decir, ondas electromagnéticas).

• Por fin si subimos un poco llegamos a la que nos es más común aunque puede parecer que no tiene nada que ver con las anteriores: la Luz Visible. Se trata de una estrecha franja que lo único importante que tiene es que es detectable por el ojo humano. Igual que las antenas de radio "ven" sus ondas de radio, nosotros vemos la luz visible. Dentro de la luz visible podemos distinguir varias frecuencias, cada una representa un Color. Esto lo tenemos en el Arco Iris. En realidad no son 7 colores, es un continuo entre todas las gamas de colores.

• Seguimos aumentando la frecuencia y llegamos a la luz ultravioleta, también abreviados rayos UV. También los conoceréis por que siempre insisten en que son nocivos para la piel. Los más cercanos a la luz visible si atraviesan la atmósfera en gran parte y son los que nos ponen morenos y causan quemaduras. Los más lejanos son más peligrosos, pero los retiene casi por completo las capas altas de la atmósfera y la famosa capa de Ozono. La luz ultravioleta cercana también se llama a veces luz negra, y es la que ponen en discotecas y hace que las cosas blancas parezca que brillen como con luz propia.

• Más arriba nos encontramos con los Rayos X. También son conocidos por las radiografías de los médicos. También son peligrosos para los tejidos vivos; como todo a partir de la luz visible.

• Y por último llegamos lo más energético (de más alta frecuencia), los Rayos Gamma. Quizás no tan conocidos, es la radiación que emiten los núcleos de los átomos cuando se rompen o se perturban en general. Esta, junto con los rayos X es lo que entra dentro de lo que podemos llamar Radioactividad. Lo emiten cosas como el Uranio o Plutonio, o como una práctica que hice el otro día el Cobalto 60 y el Cesio 137 jeje. Y las muestras las cogíamos con la mano (dentro de un plástico) y la colocabamos en un sitio dónde medíamos cuantas partículas emitía. Quiero decir, que hay radiación totalmente inócua, radiación algo peligrosa a la larga y radiación muy peligrosa. Existe una radiación ambiental permanente en todas partes que es inofensiva, (o estamos adaptados a ella). Ya expliqué una vez en mi Facebook que el plátano tiene Potasio 40 que es radiactivo pero no es un problema.

Bueno, seguimos con lo nuestro, que me desvío del tema. Otro día escribiré algo sobre la Radiactividad y la Energía Nuclear.

Bien, como hemos visto la radiación electromagnética es de lo más variada. Y estamos rodeados siempre por casi todos los tipos. Visible si vemos algo, existe. Radio, televisión, móvil, GPS, Wifi, si tenemos cobertura, también existe. Infrarroja siempre, porque todo tiene una temperatura. Y las otras normalmente no mucho, pero podemos por ejemplo hacernos una radiografía.

Entonces, que significa opacidad y transparencia.

• Opacidad es la propiedad que tiene un material de no dejar pasar la (luz) onda. Cotidianamente se dice sólo para el caso de la luz visible, pero hemos visto que hay muchas más.

• Transparencia es lo contrario, que la deja pasar.

En general los materiales no son opacos siempre ni transparentes siempre. Mas bien nunca son siempre del mismo tipo. Imaginemos. Las paredes de casa son opacas no? no dejan pasar la luz solar. Pero en cambio si que tenemos cobertura con el movil ¿no? (normalmente...) O el Wifi, que llega de unos pisos a otros.

Otro ejemplo. Y es la explicación de porqué se usan los Rayos X. Los huesos son más duros que los músculos y el resto del cuerpo. Los huesos son opacos a los rayos X y el resto es mas o menos transparente. Por eso, si "miramos" con Rayos X, vemos el cuerpo como si le quitaramos la carne, vemos sólo lo opaco, los huesos.

Con todo esto vemos que según "como miremos" vemos de una forma u otra. El ser humano natural sólo es sensible a la luz visible con los ojos, y a la luz infrarroja, por la piel, lo que notamos como calor. Pero como el ser humano siempre ha sido científico, simpre ha buscado como ver más allá, y "mirar" con otros ojos y se han diseñado aparatos para que actualmente podamos emitir y recibir luz de casi cualquier tipo de todo el espectro electromagnético.

Ahora, como siempre, si queréis quedarse, hago una pequeña ampliación de cómo y porque la materia es opaca o transparente, para eso, como casi siempre, nos iremos a ver como está hecha la materia microscópicamente.

Profundizando un poco. Interacción radiación-materia.

Para comprender un poco mejor porque realmente unos medios son opacos y otros transparentes debemos saber como interactúa la luz (llamo luz a cualquier onda electromagnética) con la materia.

Como he explicado, las ondas son oscilaciones de algo que viajan por el espacio a lo largo del tiempo. Podemos imaginarnos la onda que podemos formar en una cuerda. Si yo le doy un meneo en un extremo, y está colgada sostenida por otra persona en el otro extremo, la perturbación se propagará por la cuerda y llegará al compañero en un cierto tiempo. ¿Que pasa cuando llega a él? Si la otra persona tuviera los ojos cerrados y solo sostiene la cuerda quieta, ¿le podemos pedir que cuando le llegue la onda a él nos lo diga? Claro. Cuando le llegue, el sentirá como la cuerda le hace una cierta fuerza. Por lo tanto podemos ver que una onda transmite una información, una energía, que es capaz de provocar cambios en el receptor.

Hablemos ahora de nuestras ondas EM (para abreviar). Como su nombre indica, estas ondas son la composición de dos ondas acopladas, una eléctrica y una magnética. El que más nos interesa para lo que voy a explicar es el eléctrico. Si nos acordamos de algo de Física de Bachillerato, los campos eléctricos hace que las cargas (positivas y negativas) se aceleren en una dirección. Ahora recordamos que la materia está formada por átomos, y que estos están rodeados de una capa de electrones, que son cargas negativas.

¿Que pasa si yo "ilumino" un material con una onda EM? Pues, como estoy haciendo llegar un campo eléctrico oscilante, éste hace que las capas más externas de todos los átomos del material se empiecen a mover al ritmo de la oscilación del campo que les llega.

Pero ahora ocurre algo bastante curioso:

Resonancia

La resonancia es un suceso muy habitual en la física que trata de como responde algo que puede oscilar cuando lo obligamos a oscilar con una fuerza externa.

Pongo un ejemplo que siempre uso para explicar esto. El columpio. El columpio, en física es lo que llamamos un péndulo. Vamos, péndulos hay muchos más y todos seguro que conocemos algunos ejemplos más. Pero es que para los físicos, el péndulo es algo muy recurrente para explicar muchas cosas.

Un péndulo es lo que se llama un oscilador, es decir, algo que se puede mover pero siempre en torno a una posición de equilibrio. En el caso del columpio es cuando está quieto totalmente vertical. Si nosotros lo empujamos empieza a oscilar y al cabo del tiempo (por el rozamiento) se para en el centro otra vez.

Bueno, pues se puede demostrar que la frecuencia de oscilación de un columpio o péndulo es siempre la misma. Solo depende del largo del péndulo. Por eso se usan los péndulos en los relojes, porque siempre oscilan una vez cada segundo o lo que sea, pero siempre igual.

Entonces, ¿Que tenemos que hacer para columpiar a nuestro primo pequeño que se ha subido al columpio? Pues empujarle, muy lógico; y todos sabemos hacerlo. Pero no es tan sencillo. Si queremos que siga moviéndose y cada vez más alto, no podemos empujar de cualquier forma. Si lo piensas, si empujas mientras viene hacia ti  lo que haces es frenarlo. Y si empujas cada demasiado poco tiempo tampoco funciona. Ésto también se ve más claro si eres tú el que sentado intentas columpiarte.

¿Que significa ésto físicamente? Lo que estás haciendo es acoplarte a la frecuencia propia del péndulo  Ya que no puedes cambiarla, te tienes que amoldar a ella. Tienes que entrar en RESONANCIA con la frecuencia propia del péndulo (que la llamamos frecuencia de resonancia).

Todos los osciladores del mundo tienen frecuencias de resonancias. Los péndulos y las cosas simples sólo una, pero en general tienen varias o muchas.

La resonancia es la clave para los sintonizadores de radio, para los instrumentos de música o las famosas resonancias magnéticas que hacen los médicos (algo parecido a las radiografías de rayos X pero para partes blandas)

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Bueno, volviendo a nuestros átomos rodeados de electrones. El caso es que los electrones forman como un péndulo que se puede mover en torno al centro del átomo, que sería su posición de equilibrio.
Cuando el campo eléctrico oscilante llega al átomo mueve los electrones con la misma frecuencia que la onda incidente. Pero la amplitud con que los mueve depende de si la frecuencia de la onda está cerca o no de alguna de las frecuencias de resonancia del átomo.

Imaginemos que la frecuencia exactamente coincide con una resonancia. Entonces la onda mueve mucho los electrones y digamos que "gasta" su energía en moverlos. Lo que pasa es que la intensidad de la onda se va reduciendo mucho en cada átomo que obliga a moverse, por lo que al cabo de una cierta distancia la onda se ha reducido tanto que no queda nada. ¿Que pasa? Que la luz no sale por el el otro lado del objeto, y tenemos un objeto OPACO, (para esa frecuencia).

Si cambiamos la frecuencia de la onda que llega al mismo objeto, puede que no estemos en una región de resonancia y entonces lo que pasa es que los electrones "ni se enteran" de que les ha llegado una onda. Y la onda prácticamente no pierde su energía y atraviesa el material casi perfectamente. Tenemos que este material es TRANSPARENTE para esa frecuencia.

Como los átomos cada uno tiene sus propias frecuencias de resonancias, podemos tener materiales que por ejemplo para el visible son bastante transparentes (como el vidrio, el agua, el aire), opacos (madera, hierro, tierra...) o absorbentes en mayor o menor medida.

Por otro lado, un mismo material, como la madera, puede ser opaco para las frecuencias de la luz visible pero a la vez transparente para las ondas de radio o las microondas del Wi-Fi, ya que aunque cerremos la puerta, tenemos cobertura. Y lo mismo con mil ejemplos que se os ocurran, (Rayos X y radiografías; rayos ultravioleta con la capa de ozono).

Vale, pues eso es todo, que me he enrollado un poco más de la cuenta. Espero que hayas disfrutado tanto como yo escribiéndolo y que hayas entendido lo que quería explicar. Gracias por leerme. Hasta pronto.

Los colores del cielo

Un día de éstos me desperté, miré por la ventana y vi un amanecer de estos con colores naranjas, rojos, amarillos muy bonito; así que rápidamente le hice una foto. Aquí está:

Amanecer desde mi habitación. (En Flickr)

Entonces se me ocurrió responder en el blog a la pregunta de porqué el cielo tiene esos colores; ya que normalmente vemos el cielo como azul, pero en los atardeceres y amaneceres lo podemos ver naranja, rojizo, o rosado o morado incluso; además unas veces es más exagerado que otras.

La respuesta, por supuesto, la tiene la física. Voy a hacer una explicación sencilla para empezar y luego profundizo un poco más en el tema por si tenéis curiosidad, ya que me han dicho que en el anterior artículo podría haber explicado algo más. Pero es bastante complicado no complicar demasiado las cosas para unos y no quedarse corto para otros al mismo tiempo. Bueno, vamos allá.


Primero y lo básico. ¿Porqué vemos el cielo? En principio todos sabemos que el universo es oscuro, negro (acordarse de las imágenes de los astronautas). Entonces, ¿cómo vemos iluminado el cielo si no estamos mirando directamente hacia el Sol?. La clave está en que tenemos atmósfera, que es una capa de aire, (oxígeno y nitrógeno básicamente con algo de vapor de agua y dióxido de carbono). Simplemente voy a decir por ahora que la luz del sol ilumina este aire y nosotros lo vemos. Es decir, que nos llega luz desde todo el cielo, y no sólo del Sol como sería obvio.

Ahora, segunda pregunta. ¿Porqué el cielo es azul si la luz del Sol es blanca? Espera, ¿el Sol es blanco?, porque a veces parece amarillo o rojo... Eso es la tercerea pregunta, paciencia... Sí, el Sol es blanco. Por lo menos la luz que viene desde el Sol antes de entrar en la atmósfera. Si esta luz atraviesa poco grosor de aire (a medio día con el Sol en lo más alto) no cambia mucho su color y si iluminamos una hoja blanca la vemos blanca. Y diréis, claro, la vemos blanca porque el papel es blanco... Falso! Porque ¿a que es verdad que si la iluminamos con un foco rojo, el papel se ve rojo? Ésto pasa porque llamamos "blanco" al color que tiene la propiedad de reflejar TODA la luz que le llega, tanto si es azul como amarilla y por supuesto el blanco. Que por cierto, el blanco se hace superponiendo luces de todos los colores en igual cantidad.


Recordemos que esto es lo que pasa si descomponemos la luz blanca en todos sus colores, por eso se forma el arco-iris cuando la luz atraviesa las gotas de agua

Entonces, contesto a la pregunta. El cielo es azul porque resulta que el aire dispersa más los tonos azules que los rojos y naranjas. Es decir que dispersa más los colores de abajo del dibujo este del prisma.

Pero, ¿que significa dispersar? Bueno, creo que es lógico. Es hacer cambiar de dirección los rayos que van todos en una cierta dirección. O sea, que estoy diciendo que los rayos de color azul cambian su dirección más que los rojos. Por lo tanto, durante el rayo blanco viaje por la atmósfera perderá su color azul porque se dispersa y se quedarán sobre todo los rojos. Con ésto se explica a la vez la pregunta de porqué el Sol se ve rojo cuando atraviesa la atmósfera y de porque el cielo es azul. Mirad el esquema que he dibujado.

Arriba vemos la luz banca sin atravesar la atmósfera. Abajo vemos que pasa cuando atraviesa la atmósfera. El color azul se dispersa y se queda el rojo anaranjado que veríamos si miramos al Sol directamente. Sobre todo, a más cantidad de atmósfera atraviese (en los atardeceres y amaneceres) más azul perderá y más rojo quedará.

Por otro lado vemos que si miramos desde donde está el observador en la Tierra se ven sólo los rayos azules dispersados, por lo que el cielo se vería azul. Este fenómeno de dispersión de los azules en la atmósfera se le conoce como Dispersión Rayleigh.

Pues hasta aquí la explicación sencilla. Ahora si queréis os quedáis un rato más y completo el artículo explicando un poco cómo se dispersa realmente la luz y porque lo hacen más lo azules. Como veis  en Física siempre nos estamos preguntando el ¿por qué? de todo. Y cuando lo comprendemos seguro que encontramos otro ¿por qué?. Yo digo que los físicos somos como los niños chicos en esas edades que les entra la curiosidad por todo y sólo saben preguntar ¿por qué?

Profundizando un poco

Bueno, pues para explicar un poco de cómo se dispersa la luz tenemos que volver a recordar cómo está hecha la materia, en este caso el aire de la atmósfera. Veamos, el aire está compuesto de nitrógeno (N2) y oxígeno (O2) gaseosos básicamente, además de como dijimos un poco de dióxido de carbono (CO2) y vapor de agua (H2O).

Aquí he dibujado diferentes moléculas de estos compuestos. Se ve que es un gas simplemente por la distancia entre unas y otras, dejando sitio para moverse libremente (lo que se llama Gas Ideal). Si fuera un líquido estarían mucho más juntas y si fuera sólido, además de juntas estarían fijas unas respecto a otras.

Cada una de las moléculas está compuesta de átomos, representados aquí como las bolas de colores diferentes indicados a la derecha. Pues para explicar cómo se dispersa la luz cuando atraviesa esto, debemos meternos un poco más en cómo es el átomo. Que sepáis que todo esto se llama Física Cuántica! que no es algo tan complicado, sólo es la física de las cosas pequeñitas.

Veamos, el átomo, cómo expliqué por encima en el artículo anterior de la antimateria, está formado por un núcleo y a su alrededor electrones dando vueltas en diferentes órbitas. El núcleo está formado por protones y neutrones, pero eso ahora no nos importa mucho. Para este caso lo importante son los electrones y sus órbitas.

A ver si lo explico. Un átomo, en su estado más normalito tiene los mismos electrones que protones, o sea, Z, lo que se llama número atómico, el numerito más importante de los elementos químicos y por el que están ordenados en la tabla periódica.
Por tanto los elementos que nos interesan ahora tienen:

• Hidrógeno. 1 electrón.
• Carbono. 6 electrones.
• Nitrógeno. 7 electrones.
• Oxígeno. 8 electrones.

Estos electrones dan vueltas en torno al núcleo en distintas órbitas digamos que "a diferentes alturas". En el primer nivel sólo caben 2 electrones, y en el segundo 8 por lo que ya tenemos sitio para todos.
Estos electrones estarían dando vueltas en su órbita eternamente a no ser que alguien "de fuera" les dé energía para pasar a una órbita más alta. Lo más normal que ese "alguien" sea un fotón, una partícula de luz. Entonces, si tenemos átomos en una zona que le llega luz, de vez en cuando un fotón choca contra el electrón, el fotón desaparece y el electrón coge la energía del fotón y salta a una órbita más alta.

Por ésto es por lo que se pierde intensidad de luz siempre que un rayo luminoso atraviesa materia. Volvemos, al electrón en la órbita alta. En física decimos que ese electrón esta exitado. Pues este no se queda en la órbita excitada eternamente, sino que al rato (algunas millonésimas de segundo más o menos) "se cansa" de estar exitado y cae a su órbita inicial (llamada fundamental). Y la energía de más que tenía antes se vuelve a convertir en otro fotón de la misma energía (color) y sale del átomo, pero lo hace en cualquier otra dirección, sin tener nada que ver con la que llegó. Y ésto es lo que dijimos antes de la dispersión Rayleigh, el hecho de que salga en cualquier otra dirección.

La razón de porque se produce más dispersión en los fotones azules es más complicada. Eso viene expresado por una ecuación que nos dice que ángulo se dispersa un fotón en función de su longitud de onda (o frecuencia) que es lo mismo que el color al fin y al cabo.

Para terminar voy a poner un gráfico de cómo es realmente la luz que viene desde el Sol antes y después de pasar por la atmósfera.

Aquí lo primero que vemos es que lo que nos llega del Sol es mucho más que la parte que vemos solamente. Hay gran parte de radiación en el infrarrojo, y otra parte en el ultravioleta (UV). Es interesante ver que es parte de ultravioleta la reduce bastante la banda de absorción del Ozono (O3), por eso la importancia de conservar la capa de Ozono que parece ser que estamos destruyendo con la contaminación, aunque he leído cosas sobre que puede haber otras causas externas. Es importante esta absorción del ultravioleta, porque estos rayos son los que más energía tienen de los que nos llegan del Sol y los que más quemaduras producen en los tejidos vivos.

La curva esa tan suave que aparece llamada como espectro del cuerpo negro a 5250ºC es la que tendría un cuerpo negro a esa temperatura. Un cuerpo negro es algo que sólo emite luz debido a la temperatura a la que está, es decir, que no refleja NADA de lo que le llega, toda la luz la produce él. Eso es algo totalmente ideal. El Sol casi es un cuerpo negro, no por su color, sino porque podemos decir que el Sol no lo vemos iluminado por la luz que le llega de otras estrellas. Cosa que si pasa en la Luna por ejemplo, que la vemos no por su luz propia sino por la que nos refleja del Sol.

Bueno, pues lo voy a dar por finalizado este artículo. Si hay algo que no quede muy claro o queréis que explique más alguna cosa o simplemente os gusta decidmelo en los comentarios. Ah y si queréis que hable sobre algún tema o que os resuelva alguna duda física que tengáis de hace tiempo y nadie os sabe responder comentadme a ver que puedo hacer. Muchas gracias por aguantarme todo este tocho.

Antimateria. Ahh lo de la peli esa?

Ahí va mi primer artículo. Trata sobre la antimateria!! Esa cosa sobre la que seguramente todos hayáis oído algo, sobre todo por la película de ayer noche de Ángeles y Demonios, basada en el libro de Dan Brown.

Fotograma de Ángeles y Demonios

Pues bien, os preguntaréis si es cierto que explota o si realmente existe algo así. El nombre ya mola, parece un simple invento de los locos de los físicos. Bueno, puede ser que sí. Os voy a contar lo que decimos los físicos que es la antimateria.

La antimateria es lo mismo que la materia (o sea, de lo que está hecho TODO lo que conocéis) pero justo al revés. Me explico, si recordáis algo de química del colegio, sabréis que la materia esta hecha de átomos; cosas muy pequeñas que tienen un núcleo con protones y neutrones y luego electrones dando vueltas alrededor. Vale? pues de eso está hecho todo. Los átomos son diferentes entre sí porque tienen distinto número de protones (y de neutrones y electrones) en su núcleo. Y entonces pues tenemos cualquier tipo de átomo, lo que llamamos elementos, por ejemplo, el Hidrógeno, Helio, Oxígeno, Hierro, Oro, Uranio... (son 100 y pico, los de la famosa tabla periódica).

Bueno pues al grano. La antimateria, está formada también por átomos pero que en vez de protones, neutrones y electrones tienen anti-protones, anti-neutrones y anti-electrones (que se llaman positrones). Ahh y tu dices, pues muy guay! Vaya tontería! Pues bueno, es así. La cosa de la antimateria es que tiene todas las propiedades con el signo cambiado. Osea que es como la misma materia pero mirada en un espejo. Por ejemplo una propiedad de las partículas es la carga eléctrica. Para los protones es positiva (+1) y para los electrones negativa (-1). Por eso los electrones dan vueltas alrededor de los protones del núcleo, porque quieren juntarse con ellos. Acordarse, como los imanes! Positivo con negativo se atraen, y del mismo signo se repelen. Pues eso, entonces la antimateria tiene los signos cambiados: el antiprotón es negativo y el positrón es positivo. Bueno, sobre los neutrones (que no tienen carga, por eso lo de neutro), hay que decir que sus antipartículas lo que tienen opuestas son otras propiedades de las varias que tienen las partículas.

Pero vayamos a lo práctico. ¿La antimateria existe? ¿dónde está? ¿hay que crearla? ¿es peligrosa?

La antimateria existe en este universo igual que la propia materia, aunque parece ser que hay menos, por lo menos por aquí cerca. Todo lo que nosotros tocamos y vemos es materia. Entonces, para tener antimateria, ¿tenemos que crearla?. Pues no, porque la antimateria se puede crear espontáneamente en algunas reacciones. Por ejemplo con los rayos de luz que llegan desde el Sol, en las capas altas de la atmósfera  pueden crearse algunas partículas de antimateria (normalmente antiprotones).

En el libro de Dan Brown cuentan que en el laboratorio del CERN, que existe, está en Ginebra (Suiza), han creado antimateria y la tienen almacenada en los tres botes esos como los de la foto de arriba. La novela dice que han creado no sé si un gramo o por ahí. Actualmente ES CIERTO que se ha creado antimateria en el CERN. La verdad es que es bastante "fácil" conseguir antimateria  Lo difícil es crear tantísima cantidad y mantenerla. Pero por eso es una novela; tampoco es malo soñar, estoy seguro que algún día se conseguirá algo así.

Entonces, la pregunta: ¿es peligrosa? Pues si. ¿Dicen que explota? Si. Explota. Por eso dicen que tiene que estar metida en ese contenedor y con batería. ¿Porqué tiene que estar metida ahí? Porque NO PUEDE JUNTARSE CON LA MATERIA, porque si eso ocurre, BUUUMMMM!! Una partícula cuando colisiona con su anti-partícula se aniquilan mutuamente y lo que queda son unos cuantos fotones -no os liéis- "partículas de luz", calor, energía, más o menos es todo lo mismo. Osea, que si cogemos 1g de antimateria y lo juntamos con otro gramo de antimateria, las 100000000000000000000000 (un uno y 23 ceros) de partículas que mas o menos puede haber ahí chocan contra las otras tantas antipartículas, y de ahí salen dos o tres fotones por cada una de las colisiones. O sea, no nos podemos imaginar el número de fotones que salen de ahí, la cantidad de luz y calor que eso suelta. Claramente podemos reventar cualquier cosa, la Ciudad del Vaticano por ejemplo.

Pues vale. Hasta aquí mi explicación sobre la antimateria. Quedarían muuuchas cosas que no he dicho, pero bueno, es suficiente para empezar esto. Ahora si queréis podéis echar un ojo a la Wikipedia, o preguntarme si no os ha quedado algo claro o queréis que os lo explique (si puedo).

Gracias por llegar hasta aquí leyendo mi primer artículo. Hasta la próxima!

Bienvenida

Bienvenidos a mi blog, el primero que hago, o que quiero hacer, a ver luego cuanto me duran las ganas.

Aquí voy a contar cosas sobre física, pero no os asustéis. Va dedicado a todas esas personas que tienen un cierto interés por conocer las cosas que pasan en el universo, (y universo es todo, desde las supernovas más lejanas al tubo fluorescente que tienes en tu cuarto, pasando por las olas de la playa o las ondas que te permiten llamar con el móvil).

Va dedicado a todos aquellos que alguna vez le he explicado algo sobre física y lo han entendido y me han dicho que la física cuando se comprende mola.

Y va dedicado también a todos los que piensan que la física sólo son ecuaciones, tiros parabólicos, planos inclinados y vectores, para que vean que la física tiene muchísimo más y está en todas partes.

Así que ya está. Intentaré escribir pronto el primer artículo, e intentaré que sea entretenido y breve, porque os entiendo que si veis un tocho, y encima de física vais a pasar del tema na mas verlo (yo también lo haría).