Bajo la funda invisible

Publicado en Lindeiros de diciembre de 2013

Galicia está… ¡en el espacio!. La Universidad de Vigo ha lanzado un segundo satélite que estará dando vueltas alrededor de la Tierra durante dos años, sobre nuestras cabezas, ayudando a formar a nuevos técnicos e investigadores en las tecnologías espaciales y sus aplicaciones. Pero también desde el suelo Galicia contribuye modestamente al avance de la ciencia. Un gallego, el físico vigués Juan Piñeiro, es el responsable de operaciones de un trío de satélites que ha lanzado la Agencia Espacial Europea (ESA) para medir el campo magnético terrestre. La misión europea SWARM permitirá conocerlo en detalle. Esto es importante para todos nosotros. Nos protege de la radiación proveniente del espacio, que seguramente nos mataría, desviándola hacia los polos terrestres. También nos permite orientarnos con una brújula. Además de  muchas aplicaciones tecnológicas.

Satélites de Swarn (FOTO:ESA)

¿Qué es un campo magnético? Probablemente todos hemos tenido un imán en las manos. Sabemos por experiencia que al acercar dos imanes, en algunos casos nos cuesta aproximarlos y tenemos que hacer fuerza para juntarlos, cada vez mayor según están más cerca. Si le damos la vuelta a uno de ellos, ocurre todo lo contrario, se atraen entre ellos y nos cuesta mantenerlos separados. El campo magnético es la medida de esa fuerza. Nos da información acerca de la cantidad como del sentido en que tenemos que ejercerla. Pero no solo los imanes tienen un campo magnético alrededor. También las corrientes eléctricas lo producen. Por ejemplo, la corriente que circula por un cable genera un campo magnético alrededor de este. Una carga eléctrica, como un electrón o un protón, que pasase cerca del cable notaría una fuerza que le haría cambiar de dirección. Esto es lo que hace el campo magnético terrestre, desviando las partículas cargadas eléctricamente que se acercan a la Tierra desde el espacio exterior, fundamentalmente las que componen el viento solar provenientes de nuestro astro rey.

Campo magnético terrestre (FOTO:ESA)

La Tierra es, por tanto, como un enorme imán, aunque su campo magnético no es muy intenso. A nivel del suelo, varía entre 0.000025 y 0.000065 Teslas (unidad en la que se mide su intensidad en honor al gran inventor Nikola Tesla). En mi casa está alrededor de 0.000057 Teslas. Podemos compararlo con el generado por el pequeño imán que tengo pegado en la nevera: a unos pocos milímetros de distancia ya es 30 veces más intenso que el terráqueo. Así pues, aunque débil, el campo magnético terrestre forma una funda invisible que nos protege y nos ayuda.

¡Por Tutatis!¡Se nos cae el cielo!

Publicado en Lindeiros en Noviembre de 2013

Octubre de 2013 será recordado por la tormenta del espionaje masivo de las comunicaciones por parte de los servicios de información norteamericanos. Los líderes europeos gesticulan su sorpresa y manifiestan una pérdida de confianza en la todavía gran potencia mundial. Si realmente están sorprendidos por ello, es que son bastante ingenuos. Esperemos que el ruido generado por esta tormenta sea tan intenso como un trueno y termine protegiéndonos mejor a los ciudadanos. Por casualidad, este mes también ha tenido sobre nuestras cabezas otro tipo de tormentas, atmosféricas y más reales, con sus rayos y truenos.

El diccionario de la Real Academia Española define el rayo como “chispa eléctrica de gran intensidad producida por descarga entre dos nubes o entre una nube y la tierra”. Efectivamente, un rayo es como una chispa como las que a veces saltan al enchufar un aparato eléctrico o cuando nos sacamos una camiseta. Pero más peligroso y espectacular.

Al formarse las negras nubes de tormenta, en su parte inferior se acumula carga eléctrica negativa. Según se mueve la nube, la superficie de la tierra adquiere una carga positiva allá por donde va pasando. Generalmente, el aire intermedio evita que se cree la chispa. Cuando la distancia entre el suelo  y la nube no es suficiente para mantener estas cargas separadas, desde la nube parte de las cargas negativas bajan poco a poco, abriendo un camino zigzagueante (ver la primera foto por la izquierda). El proceso es tan rápido que nosotros no somos capaces de apreciarlo a simple vista, a menos que se utilicen cámaras fotográficas de alta velocidad (en el blog está la secuencia completa ralentizada).  Cuando llegan al suelo (foto 2), el camino que han recorrido es como un cable eléctrico que conecta a este con la nube. Las cargas eléctricas negativas acumuladas en esta inician una rapidísima carrera hacia la tierra, calentando al mismo tiempo el aire por donde van pasando hasta temperaturas de más de 20.000 grados centígrados (varias veces la temperatura de la superficie del Sol). Este calentamiento genera la luz del relámpago que apreciamos. Lo más sorprendente es que su luminosidad va creciendo en sentido opuesto al movimiento de las cargas eléctricas. Es decir, desde la tierra hacia las nubes (fotos 3 y 4), hasta que se dibuja en el cielo el rayo completo (fotos 5 y 6). Además de la luz, el calor generado comprime el aire que está alrededor, creando las potentes ondas sonoras que forman el trueno.  Y como diría Asterix, ¡por Tutatis, qué estruendo!

NOTAS:

Las imágenes anteriores son parte de la secuencia que te muestro aquí abajo, generada por la NOAA. Si sabes inglés, tienen un magnífico web  sobre la ciencia que hay detrás de los rayos.

Imagen del rayo

Volaré aunque no quiera.

Publicado en Lindeiros, número 5 (Septiembre 2013)

Este verano ha tenido a nuestros alcaldes muy ocupados con los aeropuertos. Todos quieren tener el mejor posible en su ciudad, sin pensar en el resto de los gallegos, y con argumentos poco sólidos como la discriminación. Esperemos que alguna vez se den cuenta que lo importante no es si tenemos un aeropuerto o no en nuestra ciudad. Lo importante es cuánto tiempo necesitamos para llegar a nuestro destino final y a dónde podemos viajar sin escalas. De hecho, el avión se ha convertido en un medio de transporte ágil para viajar a lugares lejanos en pocas horas. Muchos consideran magia que pueda volar, pero realmente es solamente física.

Lo primero que necesita un avión para volar es moverse. Al igual que otro vehículo, cuenta con un motor, a reacción o de hélice, que lo impulsa hacia adelante. En esto se distingue de otros artefactos voladores como los globos o los planeadores, que no llevan su propia propulsión.

Una vez en movimiento, lo que hace que pueda volar son sus alas. Más bien, la forma de sus alas (ver la figura). Al moverse, el aire que rodea al avión se tiene que adaptar a ese movimiento. Para comprender lo que pasa, podemos dar la vuelta a la tortilla: en vez de moverse el avión, este está parado y hace viento. El aire que pasa por debajo del ala, no tiene que cambiar su velocidad para pasar, ya que no tiene obstáculos. Sin embargo, el aire que pasa por encima del ala tiene que acelerar, incrementando su velocidad, ya que no se puede detener. Pensemos en una autopista de cuatro carriles en cada sentido, en donde circulan los coches a 60 kilómetros por hora. De repente, los dos carriles de la derecha se estrechan en uno solo. Para que el tráfico no se atasque, los conductores de esos dos carriles, además de ser educados y dejar pasar al vecino, han de acelerar hasta alcanzar los 120 kilómetros por hora al llegar al carril único. Los de la izquierda no han de hacer nada para no embotellarse.

Más velocidad, menor presión

Fuerzas en el ala. Si la sustentación es mayor que el peso, el avión se levantará.

Lo mismo pasa con el aire. Pero además, al incrementar su velocidad, el aire que pasa por encima presiona menos sobre el ala que el que pasa por debajo. Como consecuencia, el avión se ve empujado hacia arriba, con una fuerza que llamamos sustentación. Si esa fuerza es mayor que el peso del avión, este se levantará del suelo, queramos o no. Sin magia. Es solo física. 

Murmullos en la cocina

Publicado en Lindeiros, número 4 (Septiembre 2013)

El melidense Julio Villamor a sus 78 años es todavía un emprendedor de altura que nos quiere hacer la vida más agradable, reduciendo el ruido que hace nuestra extractora de humos de la cocina. Éste es desagradable, molesto e intenso. Estamos tan acostumbrados a nuestro sentido de la audición que habitualmente no nos preguntamos qué es el sonido.

Lo que nosotros sentimos es realmente un cambio en la presión que hace el aire (o el agua, si estamos sumergidos) en los tímpanos de nuestras orejas. Ese cambio de presión se transmite a nuestro oído interno a través de tres pequeños huesecillos (martillo, yunque y estribo, llamados así por la forma que tienen). Allí se transforman en otro tipo de señales, que finalmente se transfieren a nuestro cerebro a través del nervio acústico.

Esos cambios de presión que sentimos, vienen en forma de ondas, como las olas del mar. Imaginemos que tiramos una piedra a un estanque tranquilo. Desde el sitio donde ha caído, se esparcen varias olas en círculo. En el agua las vemos. En el aire ocurre lo mismo, no las vemos, pero las oímos.

La frecuencia, es decir, el número de veces que el valor de la presión es la misma por cada segundo (imaginemos esas olas y contemos cuantas vemos pasar) caracteriza el sonido. Si es baja decimos que el sonido es grave. Si es alta, que es agudo. Los humanos somos sensibles a frecuencias de entre 20 y 20.000 cambios por segundo (o hercios). Pero que seamos sensibles a esas frecuencias, no quiere decir que siempre las escuchemos. Depende de su intensidad, es decir, de lo grande que sea ese cambio de presión. No es lo mismo una ola de un metro que otra de un centímetro. Incluso podemos tener olas que no apreciemos a simple vista. Lo mismo pasa con el sonido. Si los cambios son pequeños, podemos no escucharlos.

Para medir esa diferencia de intensidad se utiliza otra unidad en honor al empresario e inventor escocés Alexander Graham Bell: bel o belio. Como esta unidad es muy grande, se divide habitualmente por diez y que conocemos como decibelio.

En la fotografía se puede ver la diferencia en el ruido de mi cocina con la campana extractora apagada (39 decibelios) y encendida (91). Esa diferencia de 52 decibelios, por la forma en que se mide,  equivale a que la intensidad del sonido es 400 veces mayor. Es como si una ola de un centímetro pasara a tener 4 metros de altura.

¡Gracias Julio por pensar en cómo tener solo murmullos en la cocina!

Newton tenía razón

Publicado en Lindeiros número 3, Agosto 2013

Inevitable. El trágico descarrilamiento del tren Alvia en Santiago de Compostela se ha colado en nuestras vidas, estando presente todavía hoy. Todos intentamos obtener una respuesta a una simple pregunta: ¿por qué?. Desde el punto de vista técnico, será la comisión que investiga los accidentes ferroviarios quien tendrá obtener la explicación. Sin la información necesaria, responderla es pura conjetura inservible. Pero es inevitable que pensemos en los principios básicos de la física como primera aproximación.

Estos son las leyes de Newton. Este eminente pensador nacido en 1643 en una familia de granjeros contribuyó de forma fundamental a la física y las matemáticas, entre otras áreas del saber. A pesar de no ser un alumno brillante durante sus épocas de estudiante en Cambridge, es uno de los sabios más influyentes de los últimos 400 años. La primera de sus leyes (o ley de la inercia) dice: “Todo cuerpo permanece en su estado de reposo, o de movimiento uniforme en una línea recta, a menos que sea forzado a cambiar su estado por fuerzas ejercidas sobre él”. Es decir, si nos estamos moviendo, a menos que haya algo que nos haga cambiar nuestra velocidad o el sentido de la marcha, seguiremos haciéndolo con la misma velocidad siguiendo en línea recta. Por tanto, si estamos en una curva, alguna fuerza nos está influyendo, ya que estamos desviándonos de la recta que tendríamos que seguir.

Imaginemos que estamos de pie en un tiovivo. Nuestra sensación es que algo nos empuja hacia el exterior del mismo, como si tratáramos de fugarnos de él. Sin embargo, lo que realmente está ocurriendo es lo contrario: algo nos está forzando a cambiar nuestra dirección de movimiento, atrayéndonos hacia el interior del tiovivo. Es lo que en física se llama fuerza centrípeta, es decir, fuerza hacia el centro.

¿De dónde sale esta fuerza que nos atrapa? Pues del rozamiento entre las ruedas y la vías en el caso del tren, entre los neumáticos del coche y la carretera, o entre nuestros zapatos y el suelo del tiovivo. Las ruedas cuando giran ejercen una fuerza sobre la superficie. Y ésta sobre las ruedas, empujando el vehículo. Es la tercera ley de Newton: “A toda acción siempre se opone una reacción igual”. Pero si vamos demasiado rápido, el rozamiento no será suficiente para hacernos girar. La primera ley de Newton será inevitable y nos saldremos por la tangente.

Hogueras de San Juan

Publicado en Lindeiros número 2 (Julio 2013)

La Noche de San Juan ha llenado de hogueras los pueblos y ciudades de Galicia. Hogueras que han quemado ramas, troncos o apuntes de un curso ya superado, tirados al fuego por estudiantes ya en vacaciones. Gracias a ellas, nos hemos calentado en una noche muy fría de verano.

Las hogueras, como cualquier otro fuego, no son más que reacciones químicas. Eso sí, muy especiales. Lo que se quema, o combustible, reacciona con el oxígeno existente en el aire. El resultado es otro elemento, como el agua, el dióxido de carbono (combinación de un átomo de carbono con dos de oxígeno) o el temido monóxido de carbono (solo un átomo de oxígeno por cada carbono), este último venenoso para nosotros y que cada invierno desgraciadamente causa alguna muerte cuando el quemador que se utiliza no funciona correctamente, ya sea el calentador de agua o una estufa a gas. El monóxido de carbono se produce en estos aparatos cuando la cantidad de oxígeno en el aire es insuficiente, por ejemplo, por una mala ventilación. Uno de las señales que nos puede avisar es el cambio en el color de la llama. El color de la misma depende de la temperatura y del combustible. Así, cuando un gas butano o propano se quema, la llama tendría que ser de un color azulado. Un color amarillento o rojizo indica que la combustión es mala y nos tiene que poner alerta. Pero, ¿por qué tienen ese color las llamas?

Responder a esta sencilla pregunta requiere la ayuda del espectro. No, no es el fantasma de Canterville ni ningún otro espíritu. Se refiere a como es la luz que emiten los materiales que participan en esas reacciones químicas que dan lugar a las llamas. Al igual que la luz solar, que se descompone para formar el arcoíris en un día con lluvia y sol, la combinación de colores e intensidad es característica de cada tipo de molécula.  A eso es lo que llamamos espectro.

Así, en la llama de una vela, la zona baja es de color azul. Es donde el oxígeno del aire reacciona con los gases de la cera. La luz que emiten los materiales que se forman ahí es mayoritariamente azul y por eso la vemos de ese color. Un poco más arriba hay un área obscura, más pobre en oxígeno, en donde se crean pequeñas partículas de carbón. Éstas siguen ascendiendo y calentándose con el calor generado, emitiendo rayos de todos los colores. Pero en este caso, el amarillo es el dominante. Y para los que tienen ojo avizor, alrededor de la llama hay una estrecha franja azulada, en donde la temperatura puede alcanzar los 1400 grados centígrados.

Pero además de la luz que vemos, en las llamas también se emite otra que no vemos pero que sentimos. Es la radiación infrarroja que penetra ligeramente en nuestro cuerpo y nos calienta. Ella nos ha ayudado a superar esta fría noche de San Juan.

Sumando entre dinosaurios

Publicado en Lindeiros Junio 2013.

Mayo ha unido a miles de jóvenes (y no tan jóvenes) aficionados a la informática en Xuventude Galicia Net. Los ordenadores y las conexiones rápidas a Internet actúan como pegamento entre ellos para sacarle el mejor partido posible a estos tres días de actividad frenética. Algo similar ocurre en la ciencia, que aprovecha la capacidad conjunta de cientos o miles de ordenadores para avanzar en el conocimiento, considerándose actualmente como el tercer pilar de la ciencia (junto con la teoría y la experimentación). Los ordenadores se utilizan para analizar la información que se obtiene de los instrumentos de laboratorio o de las grandes infraestructuras como  telescopios o aceleradores de partículas (como el famoso LHC que nos ha traído evidencias experimentales de la tan perseguida “partículade Higgs”). Pero también para computar, es decir, para calcular por números la solución de un problema descrito utilizando matemáticas. Muchos de los problemas científicos de hoy en día necesitan hacerlo de esta forma para poder encontrar una solución. En ese caso, a los ordenadores también se les llama computadores o, cuando son muy grandes, supercomputadores. Pero ¿qué quiere decir que un computador es muy grande?

Dos veces al año, los grandes computadores o supercomputadores se clasifican en una lista llamada top500, en la que se incluyen los 500 computadores más potentes del mundo, de ahí su nombre. Para clasificarlos se utiliza una medida (flops,  del inglés Floating Point Operations per Second)  que indica el número de operaciones aritméticas básicas (suma o multiplicación) que puede hacer en cada segundo. El último top500 está encabezada por un supercomputador americano llamado Titán que es capaz de juntar 560.649 procesadores (cantidad asombrosa, pero que se queda corta frente al segundo de la lista, con 1.572.864).  Trabajando conjuntamente, estos centenares de miles de procesadores son capaces de calcular más de 17 mil billones de operaciones por segundo (en concreto, 17.590.000.000.000.000). ¡Asombrosa cantidad! Los humanos también sumamos o multiplicamos fácilmente, pero quizá no tanto. Por ejemplo, si queremos sumar dos más dos, gracias a las tablas que memorizamos de niños, obtendremos rápidamente la solución de cuatro. Pero ¿y si los números no son tan sencillos? Por ejemplo, queremos sumar el precio de dos artículos de nuestra lista de la compra: 3,84 Euros de un aceite de oliva más 1,23 de una bolsa de cacahuetes. Probablemente nos llevará algo más de un segundo. ¿Y si le añadimos más cifras a los números que queremos sumar? Lo que nos ocurre es que necesitaremos todavía más tiempo.

La magia de los computadores es que les da igual sumar dos más dos que 3,84 y 1,23. Para ello, en vez de representar los números con cifras entre 0 y 9, cada posición solo puede tener dos valores (0 ó 1). Lo que llamamos bit. El número 4 se escribe como 100, 5 como 101, y así sucesivamente. Internamente, los computadores utilizan frecuentemente 64 bits para almacenar los números con decimales, aunque de una forma algo más compleja: de los 64 bits, uno se dedica a saber si el número es mayor o menor que cero y el resto se divide entre la mantisa (la cifras significativas del número, en el caso de la botella de aceite 384, ó 110000000) y el exponente (que indica donde se ha de poner la coma). Utilizando esta sencilla representación, los computadores son capaces de hacer las operaciones aritméticas básicas de forma eficaz y a una velocidad constante. Pero nada es gratis. Así, Titán consume 8,3 Megavatios de electricidad, tanto como una ciudad pequeña con más de 2.400 viviendas.

 ¿Podemos llegar a comprender lo rápido que es Titán cuando suma? Supongamos que nosotros pudiéramos hacer una suma cada dos segundos (¡Qué ya es rapidez!). Para hacer las 17.590 billones de operaciones aritméticas que Titán realiza en un segundo, nosotros necesitaríamos ¡63 millones de años!. Un poco más, y tendríamos que empezar a sumar caminando entre dinosaurios.

P.E.: Ayer día 17 de junio de 2013 se publicó una nueva lista en el top500. El ganador es ahora un supercomputador chino (Tianhe-2, es decir, Vía Láctea-2) que proporciona casi el doble de operaciones por segundo: 33,86 petaflop/s (frente a los 17,59 de Titán). Cada seis meses hay una nueva lista. Visítala en junio y noviembre si quieres estar al día.
P.E.: Nadie está libre de error y menos cuando se utiliza mal la calculadora. Realmente, para hacer las operaciones que hace Titán en un segundo en 63 millones de años, tendríamos que hacer 8,8 operaciones por segundo. 

¡BENDITA AGUA!

Publicado en Lindeiros Mayo 2013, número 0.

Los aficionados a la ciencia ficción probablemente recuerden a Jodie Foster en la película “Contact” citar el principio de la Navaja de Occam. Este método permite seleccionar entre dos explicaciones del mismo hecho, escogiendo aquélla que sea más sencilla o simple. Se atribuye su formulación al fraile franciscano y filósofo del medioevo  Guillermo de Occam (en inglés William of Ockham), aunque realmente no fue él quien lo enunció. Lo que realmente hizo fue aplicar este método medieval en su trabajo filosófico, aplicando la navaja para afeitar de las teorías existentes aquello que era superfluo o innecesario.  Desde esta columna queremos hacer que la ciencia sea cercana y sin complejidades o vocablos técnicos que escondan su belleza. Sencilla, sin añadidos innecesarios, como si fuera a través de la voz de Guillermo de Occam.

Dado su origen británico (nació en Surrey, Inglaterra) probablemente estaba acostumbrado a la lluvia como estamos nosotros en Galicia. Aunque este marzo de 2013 se nos ha hecho algo cansino, con casi 360 litros caídos por metro cuadrado en Santiago de Compostela, donde solo hubo cuatro días sin lluvia. Tanto ha llovido que seguro que muchos hemos dicho ¡maldita agua! ¡Ya podría parar de llover! Pero estamos en abril, y aunque llueve menos, las nubes siguen entrando por nuestra costa. Desde jóvenes hemos aprendido el ciclo del agua, que se evapora, asciende por el aire hasta llegar a zonas más frías donde se condensa, formando pequeñas gotas que vemos como nubes. Cuando las gotas son suficientemente grandes, caen en forma de lluvia, escurriéndose por la tierra hasta formar ríos que desembocan en el mar para volver a iniciar el ciclo. Menos conocido es que se necesitan otras partículas (sales, ácido nítrico, cenizas, polvo, polen, etc) para arrancar la formación de estas gotas. Es decir, el agua de lluvia no es completamente pura, sino que contiene pequeños restos de otros materiales, en una proporción, eso sí, minúscula.

Esta proporción es muchísimo mayor en el agua de los ríos o en el mar, al contener otras sustancias disueltas como es la sal marina. Muchas veces se afirma erróneamente que el agua es un disolvente universal, es decir, que puede deshacer y mezclarse con cualquier compuesto.  Realmente, puede hacerlo con muchas de las sustancias, pero no con todas. Esta capacidad es debida a que la molécula de agua, formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno tiene una cierta polaridad eléctrica. Los tres átomos se unen a través de un enlace covalente en donde comparten los electrones. Pero estos tienden a estar más cerca del oxígeno que de los dos hidrógenos, creando una pequeña zona de carga negativa en el lado del oxígeno y, por lo tanto, positiva en las posiciones de los átomos de hidrógeno. Como resultado, la molécula de agua se podría visualizar como nuestras piernas formando un ángulo de 104 grados, donde nuestro tronco fuera el oxígeno y cada uno de nuestros pies un átomo de hidrógeno.  Gracias a esa polaridad, las moléculas de agua se juntan. La zona con carga positiva de una molécula es atraída por la negativa de otra (o viceversa). Es decir,  es como si uno de  uno de nuestros pies se apoyase en los hombros de otra persona. 

El agua también es imprescindible para la vida tal y como la conocemos. De hecho, nosotros somos en una gran proporción agua, del 60 al 80 por ciento de nuestro peso. Casi todas las moléculas necesarias en los procesos biológicos adquieren la forma que les proporciona su función disueltas en agua. Y en agua se producen las reacciones químicas que mantienen vivas a nuestras células y, por tanto, a nosotros. En fin, que aunque probablemente estemos cansados de tanta lluvia, deberíamos pensar: ¡Bendita agua!