Física

¿Nunca habéis tenido la impresión de el regreso de vacaciones es más rápido? De que la oficina (o lo que sea) se acerca a toda velocidad, cuando os costo tanto alejaros de ella. Tal vez sea real. Si consultáis un vuelo de vacaciones Madrid – La Habana os encontrareis que el vuelo de ida son 9:25 horas y el de vuelta 8:55 horas. ¿Una conspiración de Iberia para estropear el regreso de vacaciones? Puede que no, porque el vuelo Frankfurt - Miami con Lufthansa dura 9:40 horas para la ida y solo 8:45 horas para el regreso. Aun peor ¿A que se debe esta diferencia?

En unos días se cumplen seis meses desde que comencé con esta bitácora. La verdad es que me ha proporcionado un montón de entretenimiento y bastantes alegrías, así que he decidido celebrarlo con un poco de adelanto porque me estaré de viaje. Y con un tema especial, ciencia mezclada con ficción y algunas especulaciones propias.
El tiempo es una de las variables físicas más complejas y difíciles de comprender. Podemos describir como funciona pero no comprendemos totalmente las causas. Sabemos que es posible variar el “ritmo” del tiempo. Como comentamos en el artículo sobre el G.P.S. el tiempo corre más rápido en órbita al disminuir la gravedad. Y los aceleradores de partículas han demostrado que, cerca de la velocidad de la luz, el tiempo es más lento.

Seguro que conocéis el método para calcular la distancia a una tormenta. Basta con ver el relámpago y contar los segundos hasta que llega a nosotros el sonido del trueno. Conociendo la velocidad del sonido podemos calcular la distancia. Pero, ¿Cómo calcularíamos a que distancia estamos de un punto fijo?

Imaginemos que nuestro reloj esta perfectamente sincronizado con la campana de una iglesia. Si oímos la primera campanada, y nos fijamos en cuantos segundos han pasado de la hora, podríamos calcular la distancia al campanario. Nosotros estaríamos en algún punto del círculo que rodea a ese campanario. Si deseamos saber nuestra posición exacta necesitamos tres referencias, tres círculos de diferentes radios cuya intersección es un punto como podemos ver en el siguiente gráfico de Wikipedia.

En 1958 entró en servicio el F-105, un avión de combate capaz de alcanzar los 2.200 km/h. En 2005, 47 años después, entro en servicio el F-22, el más sofisticado caza norteamericano que apenas alcanza los 2.450 km/h. ¿Dónde están los aviones hipersónicos prometidos hace tanto tiempo?
Después de hablar de los aviones a pedales ahora toca irse al otro extremo, los aviones más rápidos. Tras la Segunda Guerra Mundial, y el comienzo de la guerra fría en los años 50, se inicio una carrera entre norteamericanos y soviéticos para diseñar y fabricar aviones más rápidos que les permitiesen atacar a su contrincante antes de que pudiese reaccionar. El primer objetivo fue superar la barrera del sonido. Esto se logro primero con un avión- cohete, el X-1, y después con aviones de combate más “convencionales” como el F-100 Super Sabre en 1954. Una estupenda explicación sobre la barrera del sonido repleta de fotos y videos espectaculares puede encontrarse en este artículo de CPI.

Estamos en 1971. Una masiva tormenta de polvo oculta casi toda la superficie del planeta Marte. Una primitiva sonda terrestre, la "Mariner 9" la ha vigilado durante semanas mientras oscurecía al sol y la temperatura de Marte descendía dramáticamente. Sus datos cambiarían la política y puede que toda nuestra historia reciente.

No, nada de lámparas mágicas en esta bitácora. El titulo hay que tomarlo de la forma más literal. Yo pensaba en una vieja lámpara de casa. Inicialmente utilizaba seis bombillas incandescentes como estas. Ahora son de bajo consumo pero ¿hasta donde se puede llegar con los 360 watios que consumían?
¿Cuanta energía puede generar un ser humano? No mucha en realidad. Primero hay que descontar la energía que consumimos simplemente para mantenernos vivos. Es el conocido como metabolismo basal. Serian unos 100 W lo que equivale a una bombilla y media.

Todos hemos visto las imágenes de un ariete golpeando las puertas de una fortaleza. El funcionamiento es simple e intuitivo. Se ha retroceder un elemento pesado ganando energía potencial y cinética de forma que al avanzar de nuevo golpee con fuerza. La inercia es suficiente para destrozar cualquier puerta. Tal vez os sorprenda saber que podemos encontrar algo similar en nuestras casas.
A la derecha tenemos la imagen típica de un ariete que he obtenido en Wikipedia. Pero hay que recordar que cualquier masa con velocidad puede provocar el mismo efecto. En particular, una masa equivalente de agua puede golpear con la misma fuerza que un tronco o una barra de acero. ¿donde buscarla?. Simple. En cualquier tubería larga como las que suministran agua a nuestras casas. De ellas surge el agua con una cierta velocidad que, si mantenemos fijo el diámetro, es la misma a lo largo de todo el tubo. Por tanto, si cerramos un grifo bruscamente tenemos muchos metros de agua moviéndose que deben parar de golpe.

Einstein se equivocó. Si, sé que es EL genio de la física del siglo XX. Y que queda mal decirlo cuando acabamos de celebrar el centenario de la teoría de la relatividad. Pero todos han escrito ya sobre eso. Creo que puede aprenderse algo importante recordando no solo los aciertos sino también los errores.

¿Qué distingue a una teoría científica de las opiniones personales, la adivinación, la astrología o la pura especulación? Hay varios criterios, aunque uno muy popular es la hipótesis de falsabilidad de Karl Popper, según la cual deben existir experimentos que permitan intentar probar que la teoría es falsa. Pongamos un ejemplo cercano. La teoría de la gravedad dice que dos cuerpos se atraen entre si con una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Y podemos imaginar experimentos que la pongan a prueba. Con bolas de metal o con barcos en el mar, con planetas o con naves espaciales de 500 metros de largo (si existiesen, claro). A la primera excepción, si por cualquier razón dos cuerpos no se atraen hay que revisar la teoría.(1) En cambio, pensemos en la teoría psicoanalítica de Freud. ¿Es posible demostrar que incorrecta? No hablamos de si es práctica, o útil o creíble. No discutimos si mejora los problemas de algunas personas. Simplemente ¿hace alguna predicción que, de ser incorrecta, nos diga que la teoría es falsa? (2)

Pueden golpearnos con una temperatura hasta 28.000 grados centígrados, con un potencial eléctrico de más de 100 millones de voltios y una intensidad de 20.000 amperios. No hay forma de huir cuando pueden perseguirte a 30.000 kilómetros por segundo con trayectorias de más de 15 kilómetros. Pero siempre podemos aprender un poco mas de cómo funciona un rayo y la forma de protegernos.

Ya hablamos hace algunas semanas de las nubes y como se mantenían en el aire las gotas de agua que forman las nubes. El roce constante entre las gotas de agua y los cristales de hielo que suben y bajan provoca la acumulación de cargas electrostáticas en la nube. Los detalles aún no están muy claros y siguen siendo investigados. Pero el resultado final es que las nubes quedan cargadas negativamente en la parte inferior y positivamente en la superior como un gigantesco condensador. Y, como consecuencia, el terreno que sobrevuelan las nubes queda cargado positivamente.

En la comarca del Campoo, en Cantabria podemos encontrar un pico especial. Conocido como “el Pico de los Tres Mares” tiene la peculiaridad de que una gota de lluvia o un copo de nieve que caiga sobre el mismo pueden ser arrastrados y acabar en el Mar Cantábrico, Mediterráneo o el Océano Atlántico. Las matemáticas también permiten descubrir situaciones similares en el espacio y además sacarles un buen provecho para dirigir una nave especial en diversas direcciones con muy poco consumo de combustible.

En efecto, en el Pico de los Tres Mares nacen ríos y afluentes cuya desembocadura puede llevar a nuestra gota viajera en cualquier dirección. Es un buen ejemplo de la teoría del caos y de cómo pequeños cambio en un sistema pueden cambiar totalmente el resultado. Hacia 1772, el matemático italiano Joseph Louis Lagrange, descubrió unos puntos similares en el espacio alrededor de la Tierra. Estos puntos fueron denominador puntos de Lagrange en su honor y aparecen reflejados en el grafico siguiente cortesía de la NASA.



Los puntos de Lagrange son las zonas del espacio donde se equilibran la atracción gravitatorio de dos cuerpos con la fuerza centrípeta necesaria para orbitarlos. Las “curvas de nivel” que aparecen en la grafica representan distintos niveles de potencial similares a las diferencias de presión de un mapa del tiempo. Cuanto más cerca están las curvas mayor diferencia de potencial existe. Para el sistema Sol- Tierra- Luna hay cinco puntos destacados donde se equilibra las fuerzas centrifugas debidas al movimiento y las fuerzas de gravedad del Sol, la Luna y la Tierra. Los puntos L1 y L2 se comportan de una forma parecida a una “silla de montar”. Como se indica con las flechas hay fuerzas que te mantienen en la dirección del movimiento pero puedes “caerte hacia los lados” que son el Sol,la Tierra o una órbita exterior. El L1 es especialmente interesante porque siempre esta expuesto al sol. El observatorio SOHO lleva años vigilando al sol desde ahí y ha sido propuesto como punto idóneo para instalar grandes estaciones productoras de energía solar. Los puntos L4 y L5 representan un punto de equilibrio entre la Tierra y la Luna y se han considerado los ideales para una estación espacial intermedia entre ambas. El punto L3, tras el sol y justo en oposición a la Tierra, estuvo oculto hasta que las primeras sondas interplanetarias salieron de la órbita terrestre. Para decepción de algunos no ocultaba una enorme base de platillos volantes….

Estos puntos se desplazan en el tiempo al ser “arrastrados” por la Tierra y el sol en su movimiento. Asimismo, existen otros muchos puntos, definidos por los pares Sol- Marte, Sol-Júpiter o Sol-Venus. El resultado final es una serie de trayectorias definidas en cuatro dimensiones, tres espaciales más el tiempo, que permiten a una nave desplazarse por el Sistema Solar con muy escaso consumo de energía. Arrastradas, como nuestra gota de agua, por la gravedad y el caos creado por las leyes físicas más simples. Los matemáticos la llaman la Superautopista Interplanetaria y un español, Carles Simó fue de los primeros en aplicarla en las misiones de la Agencia Espacial Europea.