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viernes, 28 de febrero de 2014

Efecto Coriolis

Apuesto a que alguna vez has oído aquello de que los huracanes giran en un sentido en el Hemisferio Norte, y en sentido contrario en el Sur. ¿A qué se debe? La respuesta la hallaremos gracias a Gaspard Coriolis, ingeniero y matemático francés del siglo XIX, que describió el llamado EFECTO CORIOLIS.

Como vemos en la imagen, dependiendo de en qué hemisferio te encuentres, los vientos girarán de una u otra manera. Vamos a intentar explicar esto:

Dependiendo del hemisferio, así varía el sentido de rotación


Primero tenemos que saber que la Tierra gira sobre sí misma, con una velocidad de unos 1600 km/h en el ecuador y reduciéndose a medida que aumentamos la latitud. De este modo, al cabo de 24 horas, consigue dar una vuelta completa. La velocidad en el ecuador es mayor que cerca de los polos, porque recorre un ángulo igual en el mismo tiempo, pero con un radio mayor.

La Tierra girando en una animación

Este es el sentido de la rotación terrestre. Amanece primero por Japón...

Si un avión quiere ir en línea recta desde un punto hacia otro, está claro que debido a la rotación, el suelo se estará moviendo debajo suyo, como vemos en esta imagen:


Debido a la rotación terrestre, el avión que intente ir en línea recta (línea negra), acaba curvándose hacia la derecha porque el suelo "se mueve bajo sus pies". La línea azul es el movimiento del avión para un obsrvador desde el espacio, y la línea roja es la curva que una persona desde la superficie terrestre observaría. En esta otra animación, podemos ver que realices el movimiento que realices en cualquier parte del Hemisferio Norte, la desviación siempre será "hacia la derecha" de tu destino:

Desviación hacia la derecha en el hemisferio Norte

Mientras tanto, en el Hemisferio Sur ocurre al contrario: todos los movimientos son desviados "hacia la izquierda", debido a que es lo mismo que mirar las animaciones anteriores boca abajo girando en sentido contrario. 

Hasta aquí ya tenemos que los cuerpos que no estén en la superficie terrestre y se desplacen, tales como corrientes marinas, aire, aviones...quedarán desviados hacia la derecha si están en el Norte y hacia la izquierda si están en el Sur. Este efecto se está frenando, ya que cada vez la Tierra gira más despacio (debido al efecto marea producido por la Luna). La inercia del avión ha de considerarse como una fuerza que frena al Efecto Coriolis, pero no lo anula. Observando esta trayectoria REAL de un avión, observamos el enorme efecto que la rotación terrestre ejerce sobre él, tanto que si no fuese por la precisión de los controladores aéreos, acabarían a cientos de kilómetros de su destino:

Desvío (línea roja) del avión debido al Efecto Coriolis
La línea negra en este caso no es la menor distancia entre Madrid y Nueva York, debido al Efecto Coriolis.

Desvío (línea roja) del avión debido al Efecto Coriolis
El efecto se intensifica a grandes distancias.


Esto mismo ocurre en los huracanes: se producen por una enorme diferencia de presión entre su centro, "el ojo del huracán", y su zona circundante. La zona central es menos densa, por lo que el aire intentará desplazarse hacia ella. En el Hemisferio Norte se curvan hacia la derecha, formando una espiral con giro antihorario; mientras que en el Sur se curvan hacia la izquierda, formando un giro horario:

Foto en la que se entiende perfectamente el porqué de los distintos sentidos de rotación
La línea roja (Norte) se desvía hacia la derecha, mientras que la verde (Sur) lo hace hacia la izquierda.
Mucha gente piensa que el agua en los lavabos gira como los huracanes: en un sentido en cada Hemisferio. Esto no se puede explicar por el Efecto Coriolis, ya que este solo tiene efecto en largas trayectorias, porque es un efecto relativamente débil, y solo visible en movimientos lentos o de más de 5 kilómetros. En numerosas películas atribuyen el desvío de proyectiles militares, tales como balas, a este efecto. Tampoco es correcto por su poca distancia de acción.

Esta fuerza es usada, por ejemplo, a la hora de hacer despegar un trasbordador espacial. Se lanzan desde una latitud muy pequeña (cercanos al ecuador) para aprovechar al máximo esta fuerza debido a que allí la fuerza centrífuga en la superficie es mayor (ya que describen el mismo ángulo que en cualquier otro punto, pero con un radio mayor, lo que aumenta la velocidad lineal). Además salen dirigidos ligeramente hacia el este, para aprovechar el giro terrestre e impulsarse. ¿Por qué te crees que la zona de despegue de la NASA es Cabo Cañaveral, al sur de EEUU? Todo tiene su porqué...

Espero que os haya resultado de interés la entrada de hoy, dejadme comentarios con vuestras impresiones sobre este tema del que tan poco se sabe, al menos científicamente. Comentad sobre qué temas queréis que hable en adelante...

Un saludo!
Hasta la próxima!

martes, 25 de febrero de 2014

Física Cuántica y la 'Doble Ranura'

¡Buenas amigos!
Como prometí la semana pasada, hoy os traigo una extensión de mi entrada anterior, la cual os recomiendo leer antes para entender con claridad la de hoy: La Ciencia como nunca: 'La doble ranura'

Una vez entendido todo lo anterior, vamos a ver qué pasa cuando en vez de lanzar canicas o bolitas por las ranuras, lanzamos electrones. Al ser partículas, cabe esperar que se formen dos franjas, ¿no? Pero como ya intuiréis, no va a ser así. Al bombardear con electrones, ¡se forma un patrón de interferencia como en las ondas!

Esto ocurre básicamente porque la materia también puede tener función de onda, inversamente proporcional a su masa. Cuanto más masa posea una partícula, menos se comportará como una onda. Los electrones tienen una masa insignificante, por eso tienen función de onda, aunque pequeña. Nosotros mismos funcionamos también como onda, pero al tener una masa 'infinitamente' mayor, ese comportamiento ondulatorio es insignificante, por no decir 0.

Esta es la pantalla donde se registraron esos electrones cuando pasaban por la doble ranura:

Experimento de la Doble Ranura aplicado a electrones.
Pantalla donde podemos ver el patrón de interferencia formado por los electrones


El experimento ha sido realizado varias veces a lo largo de la historia. Primero creyeron que se trataba de un error: pensaban que los electrones rebotaban entre ellos y por eso parecía que quedaban en forma de interferencia. Repitieron el experimento lanzando electrón a electrón y vieron que seguía ocurriendo lo mismo.

Intentando demostrar esto mediante las matemáticas, llegaron a la conclusión de que el electrón debía pasar por las dos rendijas a la vez, pero ¿cómo es esto posible?

Entonces decidieron poner detectores en las rendijas para comprobar si era verdad esto. Misteriosamente, ahora ¡cada electrón iba por una rendija y no por las dos!, y en la pantalla se formaban dos franjas...increíble, ¿no?

Cuando no miramos a los electrones por donde van, se comportan como ondas. Cuando queremos observarlos para conocer su trayectoria, ocurre algo y dejan de funcionar ondulatoriamente y se comportan como partículas.

La razón cuántica de este fenómeno lo explica el Principio de Superposición. Básicamente nos dice que una partícula, en este caso el electrón, puede poseer para una determinada magnitud (en este caso posición) todas sus posibilidades. Al ser medidos u observados, se dice que la superposición se colapsa, y solo observamos una de todas las posibilidades. Un ejemplo podría ser el siguiente: Al cojer una carta de una baraja y ponerla boca abajo sin mirarla, según el sentido común es una sola carta, ¿no? Pero según este principio, cuando no la miramos se están dando todas las posibilidades: ¡SON LAS 40 CARTAS A LA VEZ! Una vez que miramos la carta, se colapsa la superposición y se eliminan 39 posibilidades. Solo queda la carta que vemos. Erwin Schrödinger propuso una paradoja para entender esta teoría, la cual puedes leer en el siguiente enlace: El Gato de Schrödinger. Una curiosa frase pronunciada por el físico británico S. Hawking fue "Cada vez que escucho hablar de ese gato, empiezo a sacar mi pistola".

Básicamente eso es lo que ocurre en el experimento con los electrones. El electrón pasa por las dos ranuras al mismo tiempo, como ocurría con las ondas. De este modo, se formaría el patrón de interferencia. Para acabar, os recomiendo ver este vídeo que explica muy bien y resume el contenido de esta entrada:

video

Puede parecer que todo esto es mentira porque no encaja dentro de nuestro sentido común, pero hay muchos experimentos reales que se basan en este principio, y que son muy curiosos porque la materia se comporta de modo muy extraño. Es más, absolutamente TODOS los experimentos para poner a prueba la Teoría Cuántica han funcionado.

Este Principio de Superposición tiene mucho que ver con el Efecto Zenón Cuántico, el cual puedes leer en el siguiente enlace: Zenón Cuántico. Básicamente explica que podemos modificar un experimento cuántico con el simple hecho de observarlo. Uno muy curioso fue realizado en 1990 en el Instituto tecnológico de Colorado. Consistía en observar el nivel de energía de los electrones en unos miles de iones de berilio. Desde que los electrones se encontraban en su estado fundamental (mínima energía), hasta su máxima energía, pasaban 256 milisegundos. Mediante microondas excitaban esos electrones, y al cabo de esos 256 milisegundos, el 100% de los iones se encontraban en el nivel superior de energía. Al realizar la medición en la mitad del proceso, y después al final, resultó que solo el 50% de los iones se encontraron excitados. Esto se debe a que el electrón no se puede encontrar entre medias: solo existen dos posibilidades, o arriba o abajo (modelo atómico de orbitales). Si no medimos entre medias, siempre los encontraremos arriba; pero si medimos a medias del experimento, dado que no los podemos ver a mitad de camino, unos irán hacia arriba y otros hacia abajo. Esa es la razón por la cual solo el 50% de los iones se encontraban en ese estado. Este experimento fue otro argumento a favor de la Mecánica Cuántica.

Os recomiendo los libros 'La Puerta de los Tres Cerrojos' y 'Desayuno con Partículas', ambos de Sonia Fernández Vidal, una importante divulgadora científica especializada en Mecánica Cuántica. En sucesivas entradas hablaré del Efecto Fotoeléctrico, la otra cara de la moneda, la parte corpuscular de las radiaciones electromagnéticas.

Gracias por echar un vistazo a esta entrada,
Un Saludo para todos!
Hasta la Próxima!

sábado, 22 de febrero de 2014

Experimento de la 'Doble Ranura'

Hoy en día, al hablar de la luz, podemos hacer referencia a dos cosas: por una parte la luz (y en general cualquier onda electromagnética) está formada por partículas, los fotones. Estos interactúan con la materia, como bien demostró Einstein con el 'Efecto Fotoeléctrico', por el que obtuvo el Nobel de Física en 1921. Pero también es una onda, que se propaga en todas direcciones incluso en el vacío a una velocidad constante. Estas dos interpretaciones es lo que hoy en día se conoce como la Dualidad onda-corpúsculo de la luz. En la entrada de hoy vamos a interpretar uno de los mayores experimentos en el campo de las ondas,  y más adelante de la Física Cuántica, realizado por Thomas Young en 1801: El experimento de la Doble Rendija.

Ahora debemos empezar a imaginar. Imaginad encontraros en frente de una pared con una rendija y detrás de ella otra pared normal. Junto a vosotros tenéis una pistola de paintball. Si disparáis a toda la pared, la pintura pasará por la rendija, formando en la pared de atrás una banda de pintura, como en la imagen:

Experimento con una sola rendija y elementos de tamaño observable
Una sola rendija con elementos macroscópicos

Ahora añadiremos una segunda rendija a ver qué pasa:

Doble rendija realizado con elementos macroscópicos
Bolas de pintura pasando por una placa con dos rendijas

Espectro de la Doble Rendija con bolas de colores macroscópicas
Así quedaría la pared...
Tanto con una rendija como con dos, las bolas se distribuyen en la pared del fondo formando franjas uniformes: una si se trataba de una rendija; y dos si se trataba de dos rendijas.
¿Hasta aquí de acuerdo? Perfecto...pero, ¿y si lo hacemos con ondas?

Las ondas no se comportan como las bolitas del experimento anterior. Las ondas forman crestas y valles que surjen desde cada una de las rendijas. Si coinciden un valle y una cresta, se anulan; si coinciden dos crestas, se amplifican. Esto se llama conoce como difracción de una onda. Ocurre cuando una onda electromagnética atraviesa objetos con un grosor menor a su longitud de onda. El propio Young encontró la ecuación que relacionaba la longitud de la onda con la distancia entre las rendijas, la distancia a la pantalla...Podemos ver un ejemplo en la siguiente imagen:

Experimento de la doble rendija realizado ahora con una onda
Doble rendija realizada con una onda
Ahora, en la pared se formará algo distinto. Debido a esas ondulaciones, habrá zonas donde veremos que llegan las ondas y zonas donde no. La pared quedaría así:

Así quedaría la placa observable del experiemento al realizarlo con una onda.
Forma en la pared al realizar el experimento con una onda. Patrón de interferencia.
Hasta aquí tenemos dos conclusiones:

1. Si nos encontramos ante partículas, se forman dos franjas paralelas en la placa del fondo.
2. Si nos encontramos ante ondas, se forma el llamado patrón de interferencia en la placa.

En este vídeo explicativo podremos entender mejor todo lo dicho hasta ahora:

video

Representación de las diferentes pantallas dependiendo del uso de ondas o partículas
Comparación de los dos experimentos

Experimento realizado con una onda y con una partícula
Comparación entre ondas y partículas



Ahora bien. Young, lo que hizo en su experimento es probar si la luz se comportaba como onda o como partícula a través de este método. El resultado fue sorprendente. ¡Logró un patrón de interferencia, lo que demuestra el comportamiento ondulatorio de la luz!

Observamos el patrón de interferencia emitido por la luz
La luz comportándose como onda, con el respectivo patrón de interferencia
Esto solo nos dice que la luz se puede comportar como onda, aunque depende de la circunstancia y de la naturaleza del experimento, también lo puede hacer como partícula. Aquí nos centramos en el aspecto ondulatorio, pero en mis próximas entradas trataré el comportamiento corpuscular basándome en el Efecto Fotoeléctrico de Albert Einstein. Volviendo al tema que nos incumbe, gracias al patrón de interferencia nosotros podemos medir la frecuencia y longitud de una onda, así como su energía. 

En este experimento casero se demuestra lo dicho ahora, que al hacer pasar la luz por una doble rendija no forma dos franjas como cabría esperar, si no el patrón de interferencia:


Enlace para ver desde YouTube si desde aquí no te funciona: Doble Rendija Casera.

Hemos llegado al objetivo de la entrada, demostrar el comportamiento ondulatorio de la luz. Pero este experimento puede dar mucho más de sí que todo esto...mucho más...

Para no alargar mucho este post y complicarlo, en mi próxima entrada, que intentaré subir el martes, hablaré de este mismo experimento relacionado con la Física Cuántica. Veremos cómo se comporta la materia ante este experimento, cómo las partículas pasan por las dos rendijas a la vez cuando no miramos y cómo se comportan normal cuando volvemos a mirar...algo que seguro les va a sorprender y les resultará increíble. 

No duden en comentar y compartir esta página.
Un Saludo!!

martes, 18 de febrero de 2014

¡La Luna a 40 pasos!

¿Cuántas veces tenemos que doblar un folio para llegar a la Luna? La respuesta resultará increíble: 42.


Veremos ahora el porqué:
Un taco de 500 folios tiene un grosor de 5 cm aproximadamente. Si dividimos el grosor entre el número de folios, obtenemos que cada folio tiene un grosor de tan solo 0,1 mm.
Si doblamos por la mitad el folio, su grosor será el doble (0,2 mm); la segunda vez ya será 0,4 mm; la siguiente, 0,8 mm...y así sucesivamente, duplicándose el grosor en cada doblez:

Folio original: 0,1 mm
1ª Doblez: 0,1 · 2 mm
2ª Doblez: 0,1 · 2 · 2 mm
3ª Doblez: 0,1 · 2 · 2 · 2 mm
Así, cada vez que doblamos, multiplicamos por dos el grosor. En la doblez 10, el grosor será 2^10 veces mayor. Si observamos la siguiente tabla y su correspondiente gráfica, observamos cómo crece el grosor con respecto al número de veces que doblamos el folio:

Se relaciona el grosor de un folio con el número de pliegues que se le realizan
Tabla de valores
Observamos que la gráfica del doblamiento de un folio es exponencial
Gráfica de la función

Nos encontramos ante un crecimiento exponencial. Aunque al principio el grosor aumente poco, a mediada que seguimos doblando aumenta muchísimo. Cuando lo doblamos x veces, su grosor será 2^x veces mayor.

La distancia media entre la Tierra y la Luna es de 384.400 Km. Ahora intentaremos expresar todo esto de forma matemática, sin olvidar de indicar todo en las mismas unidades. Igualaremos el grosor de la doblez nº X a la distancia entre la Tierra y la Luna, para así despejar la X y saber cuántas veces hay que doblar el papel.

Explicación de la resolución de la ecuación exponencial, uso de logaritmos y sus propiedades.
Aplico el Cambio de Base para poder realizar la operación con mi calculadora.

Es decir, doblando un folio tan solo 42 veces...¡PODEMOS LLEGAR A LA LUNA!

Matemáticamente esto queda muy bonito, pero físicamente dudo que puedas llegar a doblar el folio más de 7 u 8 veces. Si se pudiese hacer, la superficie del folio sería muy inferior, exactamente 2^42 veces más pequeña. Es como si tuviésemos una superficie cuadrada de 1200 átomos de lado (unos pocos nanómetros cuadrados)...algo que a simple vista es imposible contemplar.

Aplicando los mismos pasos, y conociendo la distancia al Sol (149.600.000 Km) tenemos que el número de veces que necesitamos doblar un folio es aproximadamente 50 (50,4 exactamente).
¡Para llegar al Sol, solo tendríamos que doblar el folio 8 veces más!

Y más sorprendente aún, mediante el mismo procedimiento solo tendríamos que doblar un folio 81 veces para llegar al centro de la Galaxia...y solamente dos veces más para llegar de punta a punta de ella...¡INCREÍBLE!

Intentad doblar un folio 42 veces y dejáis en los comentarios qué tal vuestro paseo lunar. Dejad también en los comentarios temas para mi siguiente entrada que intentaré publicar este fin de semana. Tengo pensado preparar algo chulo sobre Relatividad, pero lo dejaré para dentro de una o dos semanas, así que proponed ideas.

Un Saludo Científicos,
HASTA OTRA! 

sábado, 15 de febrero de 2014

Auroras Polares

¡Buenas amigos!
Después de mucho pensar, he decidido hablar hoy sobre las auroras, tanto boreales como australes. Antes de empezar con semejante fenómeno, recordemos algunos conceptos que nos serán de utilidad.

1. Campo magnético terrestre.



Al usar una brújula, podemos saber dónde está el Norte y el Sur. Esto se debe a que la Tierra funciona como un gigantesco imán, pero...¿por qué?
En el interior de nuestro planeta, entre los 3000 y los 5000 km aproximadamente, encontramos el núcleo externo, formado por metales pesados como hierro (Fe) o níquel (Ni). Las altas temperaturas hacen que estos metales se encuentren fundidos. 
Corte de la Tierra en capas y sus profundidades



Además, estos flujos que están en movimiento, crean el llamado Efecto Dinamo (como cuando giramos la manivela de las linternas recargables, generamos energía eléctrica a partir de un campo magnético producido por una dinamo). Ese movimiento es lo que se cree hoy en día que produce el campo magnético terrestre. Sin él, como luego veremos, no habría vida en nuestro planeta. 

La Magnetosfera actúa como escudo ante los rayos cósmicos dañinos que proceden del Sol. Tiene un grosor de 60.000 Km en la dirección Tierra-Sol, y de 300.000 Km en sentido contrario, como vemos en la imagen inferior:

Representación de la magnetosfera como escudo ante la radiación solar

Sin la presencia de esta capa de protección, los rayos cósmicos más energéticos destruirían la atmósfera y con ella toda la vida en la Tierra. La vida en la Tierra se debe a la Magnetosfera, sin ella la vida tal y como la conocemos no sería posible.

2. Ionización y plasma.

Cuando excitamos a un átomo con una determinada energía, los electrones de su corteza "suben de nivel". Este proceso necesita energía. En cambio, cuando un electrón baja de nivel, desprende energía. La energía absorbida o desprendida es la diferencia de energías entre las capas inicial y final. Se desprende y absorbe en forma de onda electromagnética (infrarrojos, microondas, ultravioleta, rayos X, gamma...). En esta entrada nos centraremos en la parte del espectro de la luz visible, lo que provoca las auroras. Volviendo al tema de la llamada ionización de un átomo, esta se consigue al suministrar energía para que sus electrones consigan arrancarse del núcleo, como vemos en esta representación:

El electrón absorve un fotón y asciende de orbital
Electrón absorbe fotón: el átomo se ioniza (positivamente).
Pero hay un problema: el átomo tiende a estar en su estado de mínima energía, es decir, no ionizado. Si dejamos de suministrar energía, el átomo vuelve a su estado fundamental desprendiendo la energía que habíamos suministrado para ionizarlo. Es por eso por lo que es necesario el aporte continuo de energía para poder conseguir ese cuarto estado de la materia: el plasma. El plasma no es más que aquel estado de agregación posterior al gas, donde los electrones se separan de los núcleos por el aporte continuo de energía. Cuando este cesa, el plasma se disgrega. 

En la imagen vemos el desprendimiento de energía al descender de órbita el electrón:

El electrón disminuye de Ep y libera un fotón
Se emite un fotón, igual al de la foto anterior.
Este proceso lo estamos viendo constantemente. Un claro ejemplo es un mechero: el fuego no es más que plasma. Los átomos del aire absorben la energía que desprende la reacción de combustión del gas del mechero, ionizándose. Al volver a su estado fundamental, emiten esa diferencia de energía en forma de luz visible, y esa es la razón por la que existe el fuego. También en las luces de Neón ocurre algo similar, donde la ionización se realiza mediante una corriente eléctrica. Por si aún hay dudas, en este breve vídeo se explica bastante bien el concepto:


En la entrada sobre la expansión del Universo también hablábamos de cómo se relacionan las emisiones de cada elemento con el Efecto Doppler y como Hubble descubrió que el universo se expandía.

3. Auroras

Bien, con todo lo que ya sabemos ha llegado el momento de explicar cómo ocurren las auroras. Partículas cargadas procedentes del Sol son atrapadas por nuestra ionosfera. Al reaccionar con los rayos ionizantes también procedentes del Sol, estas partículas se ionizan, y como hemos visto antes, emiten luz. Así son las auroras, son emisiones de luz de un plasma formado por partículas provenientes del Sol o de nuestra propia atmósfera, que pierden electrones y al ganarlos emiten esos bellos colores. 
Por ejemplo, el oxígeno emite el color verde, el nitrógeno el azul o rojo...(hablamos de las emisiones de ondas de la franja visible. A parte de colores, emiten ondas que no somos capaces de ver con nuestros ojos).

Radiación electromagnética del plasma de la magnetosfera en el polo norte
Aurora boreal
Radiación electromagnética procedente del plasma de la magnetosfera en el polo sur
Aurora austral
Ya sabemos cómo se producen las auroras, ¿no? Pero aún falta algo más...

¿Por qué solo hay en los polos?

Para responder a esta pregunta, observemos cómo se comportan las ralladuras de hierro frente a un imán:

Ralladuras de hierro frente a un imán y su distribución en líneas de campo.
Ralladuras de hierro con un imán
Podemos observar las líneas de campo que se forman, y vemos que estas son más densas cerca de los polos, y a medida que nos alejamos de ellos hay menos virutas de hierro. 
Supongamos ahora que las virutas de hierro son ahora las partículas cargadas de las que hablamos antes. Estas se concentrarán en los polos norte y sur magnético de la Tierra. Esta es la explicación de por qué las auroras se localizan en los polos. Llamamos auroras boreales a las del polo Norte (Sur magnético) y auroras australes a las del polo Sur (Norte magnético). Os dejo un pequeño vídeo sobre una preciosa aurora boreal en Noruega: 



Espero sinceramente que os haya parecido interesante esta entrada. Compartidla para difundir algo de saber sobre un tema como tal, y comentad con dudas, sugerencias...

Un saludo,
¡HASTA OTRA! :D

jueves, 13 de febrero de 2014

Próximas entradas

¡Hola amigos!
Mañana por la noche tengo pensado publicar una nueva entrada. Tengo muchos y muy diversos temas entre manos sobre los que hablar. Muchos me habéis pedido que comente sobre Mecánica Cuántica, pero he decidido esperar a acabarme un libro que trata sobre ella para saber más de lo que voy a hablar. 

Entre otros temas tengo las auroras boreales, donde explicaré lo que son, cómo se producen...También otro tema es el de por qué el cielo es azul, cuál es el experimento más lento de la historia, el Efecto Doppler, la teoría de la inflación de Alan Guth, el Big Bang, Relatividad, el Efecto Fotoeléctrico o incluso el efecto Coriolis (la razón por la que los huracanes giran en distinto sentido en cada hemisferio).

Después tenía pensado entradas más ligeras, sobre descubrimientos actuales, planetas posiblemente habitables, acertijos o pequeñas curiosidades y paradojas matemáticas. Todos ellos intercalados entre temas más complejos como los citados en el párrafo anterior. 

Me gustaría que me dejaseis en los comentarios sugerencias y opiniones. ¿De qué os gustaría que hablase mañana por la noche? Borraré esta 'entrada' mañana, y elegiré el tema más votado.

Un saludo a todos, HASTA MAÑANA :D

martes, 11 de febrero de 2014

¿A cuánto está el horizonte?

Cuando estamos en la orilla del mar y miramos a lo lejos, observamos la línea que separa mar y cielo: es lo que llamamos horizonte. ¿Alguna vez te has preguntado a qué distancia está realmente?

Usando el Teorema de Pitágoras, podemos hallarlo. Veamos cómo:

Representación de una persona mirando al horizonte y la forma geométrica que se genera

Podemos suponer que el horizonte es el punto de corte de una recta tangente a la Tierra que parte de nuestros ojos, como se muestra en el dibujo. Sabemos que el radio de la Tierra es de 6.371 Km, y que éste es perpendicular a la recta tangente como se puede observar en el dibujo, y por tanto forma un ángulo de 90º con él. Así tenemos:

Medidas del triángulo que se forma durante la observación del horizonte

Llamaremos h a la altura de la visual del observador, d a la distancia al horizonte, y r al radio terrestre en ese punto del globo.

En este hipotético triángulo rectángulo, la hipotenusa mide r + h. Los otros dos catetos miden d y r. Por tanto, usando el Teorema de Pitágoras, tenemos que:


A partir de esta fórmula, y conociendo la estatura del observador, así como el radio de la Tierra, podremos saber la distancia al horizonte.

Para r = 6371000 m y para h = 1,80 m, tenemos que d = 4,79 Km aproximadamente.

¡ENTONCES EL HORIZONTE ESTÁ A UNOS 5 KM DE NOSOTROS!

Eso sí, la Tierra no es completamente redonda: está achatada por los polos. Entonces, ese radio será variable, aumentando en el ecuador y disminuyendo al aumentar la latitud.

La próxima vez que estés contemplando una hermosa puesta de Sol en la playa, lo primero: disfrútala. Luego ya si eso acuérdate de esta entrada y compártela. 

Comentad y compartid ¡Un saludo y hasta otra!

domingo, 9 de febrero de 2014

¿Qué es el Efecto Casimir?

Es probable que nunca hayas oído hablar de tal efecto, pero no por eso pierde su encanto. ¡Veamos en qué consiste!

A comienzos del siglo XX, Max Planck inaguró la Teoría Cuántica. Más tarde, en la década de 1930, el físico alemán Heissenberg propuso el 'Principio de Incertidumbre', pero ¿en qué consiste? 

Básicamente dice que no podemos saber con plena exactitud la posición y la velocidad de una partícula: si sabemos con precisión su velocidad, no podremos decir con exactitud dónde se encuentra, y viceversa.  En realidad la formulación original dice que no podemos conocer con total precisión la posición y el momento lineal (que es proporcional a la velocidad). El propio Heissenberg estableció el límite entre el producto de ambas incertidumbres. Para "observar" esa partícula, necesitamos de ondas con poca longitud, tales como rayos gamma o X. Al usar esos fotones con tanta energía, modificamos y desviamos a la partícula. Simplemente con el hecho de observarla, modificamos su velocidad. Esto es proporcional a la masa de la propia partícula. Como consecuencia, no podemos conocer exactamente ambos parámetros.

Ahora bien, imaginémonos en el espacio. Si estuviese realmente vacío, conoceríamos la velocidad de todas las partículas (0) y su posición (0). ¡Básicamente lo sabríamos porque no están! Esto niega el Principio de Incertidumbre, entonces tiene que haber algo...¿pero qué?

La respuesta es el 'Falso Vacío': pares de partículas y antipartículas que se generan espontáneamente, y que se autodestruyen al instante. Al destruírse, se emite energía (la misma que se necesitó para que surgiesen). ¿Os acordáis de la película Ángeles y Demonios de Tom Hanks? Pues la bomba que buscan está hecha de antimateria, por eso al juntarse con materia explota. Es una comparación con lo que pasa a pequeña escala en el espacio.

Se observa como se destruyen materia y antimateria liberando fotones
Al juntarse materia y antimateria, se autodestruyen liberando energía

Podemos decir que eso está ocurriendo continuamente en el espacio, conque este está repleto de esas ondas. Ahora 'colocaremos' dos placas de metal muy juntas. ¿Qué ocurrirá?

Las ondas de fuera ejercen más 'presión' que las de dentro, por eso las placas se juntan
Efecto Casimir
Tal y como vemos en la imagen inferior, la energía que existe dentro y fuera de las placas puede interpretarse como fotones con diferentes longitudes de onda:


Pero dentro no caben todas las longitudes de onda que caben fuera, ya que solo serán posibles aquellas cuya longitud de onda sea divisor de la distancia entre las dos placas (más correctamente, la mitad de la longitud de onda). De esta forma, se crea una presión mayor fuera que dentro, lo que origina una fuerza atractiva entre las placas. Este efecto fue predicho en 1948 por Hendrik Casimir y Dirk Polder.

Como dato curioso, si la distancia entre las placas es de 10 nanómetros (la cienmilésima parte de 1 milímetro), la presión entre las placas sería aproximadamente igual a una atmósfera de presión.

Esto queda muy bonito teóricamente, pero en la práctica también se puede comprobar. Veamos ejemplos:


En el vídeo, a partir del minuto 2:20 aproximadamente, podemos observar un ejemplo de el Efecto Casimir en el agua.

Se cree que esta fuerza es la que pudo ocasionar la rápida expansión inicial del Big Bang. El científico estadounidense Alan Guth dijo: "...por eso, el Universo pudo surgir de la nada, porque es, básicamente, nada". En esta frase, lo que quiere decir es que la suma de todas las energías en el Universo es 0 (porque se considera la gravedad como negativa y la masa y energía positiva, y la suma debe dar 0), por tanto la idea del 'Falso Vacío' puede explicar el origen de nuestro Universo. Las diferencias en la distribución de la materia en el universo originan diferencias en la distribución de este falso vacío. Si fuera de las placas la energía es 0, y dentro es menor, en su interior debe ser negativa, ¿no? Esta energía negativa funcionaría al revés que la materia o la energía convencionales. Como la energía se atrae mutuamente por acción gravitatoria, la energía de vacío tendría carácter antigravitatorio, expandiendo el universo.

¿Por qué se expande nuestro Universo? Aunque esta pregunta necesitaría muchas entradas para ser explicada, nos limitaremos a decir que hay algo que lo expande. Unos lo llaman falso vacío, otros energía oscura, y Einstein llegó a decir que fue la constante cosmológica de sus ecuaciones, lo que creyó que fue el mayor error de su vida. Hasta los genios a veces se equivocan...

Esta energía puede tener aplicaciones increíbles, como la posibilidad de crear atajos en el espacio-tiempo para comunicarnos con otro punto del Universo o con otra época. La NASA está investigando un tipo de motor que funciona con esta energía, motor tipo WARP. Si quieres leer sobre cómo funcionan estos motores, te recomiendo leer esta entrada: Motores WARP

Una última cosa: la energía positiva (luz, materia...) curva el espacio-tiempo hacia "abajo", mientras que esta energía lo curva hacia "arriba". Este sería un escenario ideal para la creación de un agujero de gusano, una especie de atajo espaciotemporal que nos permite viajar a otra coordenada del espaciotiempo. ¿Qué quiere decir esto? Que los viajes en el tiempo a escalas subatómicas están un pasito más cerca...

Los agujeros de gusano fueron teorizados por Albert Einstein y Nathan Rosen, y fueron bautizados como los puentes de Einstein-Rosen. En un reciente artículo, se cree que en unos años seremos capaces de enviar pulsos de luz gracias a puentes estrechos, cuya vida media es muy pequeña. Puedes leer la noticia desde los siguientes enlaces: Enlace 1, Enlace 2 y Enlace 3.

Dibujo de un hipotético motor WARP que curva negativamente el espacio-tiempo
Representación de un motor WARP. Curvan el espacio-tiempo
hacia arriba, de manera que "viajan más rápido que la luz"
Espero que os haya gustado esta entrada, comentad, compartid y muchas gracias. ¿Queréis que hable de los agujeros de gusano relacionándolo con este tema? Si es así, dejadlo en los comentarios.
¡Hasta otra!

Aceleradores de Partículas

Un acelerador de Partículas es una máquina capaz de hacer mover partículas a velocidades cercanas a la de la luz. Esto se consigue de diversas maneras, pero la más usual es mediante atracción y repulsión electrostática. Hay diversos tipos de aceleradores: los hay circulares, como el del CERN en Ginebra; y los hay lineales, como el que visité el verano pasado y dónde pasé una semana, del que voy a hablar.

¿Dónde se encuentra?

El acelerador se encuentra en Madrid, en la Universidad Autónoma. Pertenece al Centro de Microanálisis de Materiales. Se halla en un enorme edificio, con muros de hormigón de más de 1m de espesor, protegiendo la zona de cualquier peligro. Aquí podéis conocer más sobre este acelerador: Acelerador de Iones del CMAM.

Centro de Microanálisis de Materiales de la Universidad Autónoma de Madrid


¿Para qué sirve?

Su finalidad es el análisis de obras de arte, síntesis de nuevos materiales e investigación científica. En el caso de los circulares, su uso fundamental es el de colisionar partículas para conocer de qué está hecho todo. Gracias a ellos, en 2013 se demostró empíricamente la existencia del Campo de Higgs, postulado por Peter Higgs 50 años atrás. Otras veces para observar cómo fue el Universo en sus inicios. En posteriores entradas hablaré de este tema. En el de Madrid, el objetivo es bombardear con una haz de iones un material. Los iones se aceleran y dirigen hacia la muestra, y dependiendo de la intensidad de rebote, estaremos tratando con unos elementos u otros. Esta técnica, llamada RBS, es la más común.

Funcionamiento

Esquema del funcionamiento de un acelerador lineal electrostático
Esquema de un acelerador lineal tipo tándem

El proceso comienza en la parte de la izquierda. Podemos observar dos fuentes de partículas, una para gases y otra para sólidos. Mediante distintas técnicas, arrancamos esas partículas y las ionizamos, es decir, las cargamos positiva o negativamente para poder atraerlas hacia la muestra.
Una vez ionizadas (normalmente se usa Cesio), mediante el uso de campos magnéticos, atraemos el haz de iones hacia la parte azul del dibujo. Aquí se ven atraídas por un voltaje de 5 millones de voltios hacia el centro del tanque. Una vez allí, mediante el uso de Nitrógeno, las cargamos positivamente, por lo que la fuerza que antes las atrajo, ahora las repele. De esta manera conseguimos acelerar nuestro haz a una velocidad de, aproximadamente, 10.000 km/s. Una vez que el haz sale de la zona pintada de rojo, lo desviamos mediante electroimanes de 4 polos y concentramos todas las partículas en un haz de una superficie como la de una moneda de 1 céntimo. Dirigimos el haz a la muestra, y mediante detectores conseguimos saber la relación en masas de las partículas que rebotan y las de la muestra. Así podemos saber de qué está hecho aquello que hemos bombardeado.

Aquí se aceleran los iones a velocidades cercanas a las de la luz
Tanque del acelerador

Vía para análisis de materiales estándar. Entre otras estaba la nuclear.
Una de las vías donde se depositan muestras para su análisis

En el interior del acelerador hay anillos, donde se aplica el voltaje deseado. Debido a esa gran cantidad de energía, es necesario ocupar el espacio entre esos anillos con un gas muy denso, a una presión de 7 atmósferas para evitar descargas eléctricas. El coste de mantener el acelerador funcionando 1 día es de más de 2000 €.


Análisis

Todos estos datos son llevados a un potente ordenador, aquí se grafican las energías de todos esos choques y rebotes. Son los llamados espectros. 
Pero aquí no acaba todo, ya que ahora viene la parte más difícil de todas: mediante distintos programas informáticos, hacemos una gráfica 'teórica' del espectro. En ese programa introducimos las sustancias que hemos usado de muestra, con sus porcentajes en masa de cada elemento. El programa simula lo que debería haber salido experimentalmente:

Diagrama de los rebotes y las energías de estos
Construcción de un espectro

Espectro correspondiente al Aluminio
Los puntitos negros son los rebotes experimentales. La línea roja, lo que teóricamente debería haber salido.

El proceso de análisis de gráficas pude llevar horas y horas. Pude ser que algún elemento se haya oxidado, y salgan líneas en la gráfica que no deberían estar. 
Finalmente, cuando la línea teórica coincide con la real, podemos afirmar que hemos acabado nuestro trabajo.

Conclusión

El trabajo en un acelerador es muy variado. En el ejemplo de los lineales, se analizan muestras haciendo rebotar partículas en ellas. Con esos rebotes construimos una gráfica. Si la teórica coincide con la experimental, ya sabemos de qué está hacha nuestra muestra. Si no coincide, debemos modificar valores para ajustarla, ya que pueden haber reaccionado elementos, puede haber impurezas...

Durante esa semana que estuve en el acelerador, te acabas dando cuenta que ser científico no es estar en un laboratorio mezclando cosas, sino que es un trabajo laborioso, metódico y difícil. Trabajar como científico es duro, pero cuando consigues algo te das cuenta de que ese duro trabajo ha merecido la pena

Si te ha interesado el tema, en este enlace podrás ver un esquema del funcionamiento del acelerador, hecho por unos amigos y yo en el siguiente enlace: Prezi.

¿Qué pasaría si metemos la mano en un acelerador de partículas? 

La respuesta la encontrarás aquí: Peligros de un acelerador de partículas.

Cualquier duda, por favor, deja un comentario. La semana que viene volveré con un nuevo tema.
¡HASTA LA SEMANA QUE VIENE!

Presentación

Bienvenidos a este nuevo Blog sobre Ciencia, en particular sobre Física, Matemáticas, Biogenética, Tecnología, Astronomía, Informática y todo lo que te pueda interesar al respecto. Soy nuevo en esto de hacer blogs, así que intentaré hacerlo lo mejor posible aceptando sugerencias y consejos. Mi pasión es la Ciencia en general, y la Física, las Matemáticas y la Cosmología en particular. Cada semana hablaré de un tema diferente, de actualidad o no, pero siempre interesante. Espero que esto pueda ser productivo para vosotros que leéis, y para mí que escribo. Un saludo, y aquí empieza esta aventura. ¿Listos para aprender?