Física

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.

Hace unas semanas comentábamos la utilidad del Carbono-14 como medidor de la antigüedad de un material. Vimos como el carbono-14, un elemento radiactivo natural, se incorporaba a nuestro cuerpo a través de la alimentación. Por suerte estamos adaptados a ello y podemos protegernos de la incorporación de una cierta cantidad de elementos radiactivos, aunque este isótopo tiene un efecto especialmente dañino.

El carbono-14, como el carbono “normal” forma parte de nuestro ADN ya que el carbono es un material imprescindible dentro de su composición. Cuando se desintegra se transforma en nitrógeno con lo que la molécula queda dañada o destruida. Afortunadamente el daño es reparable y, habitualmente, el organismo puede recuperarse. Cuando la reparación falla el resultado es el cáncer o, en algunos casos, una mutación transmitida a nuestros hijos. El problema surgió cuando la cantidad relativamente estable de carbono-14 en la atmósfera pasó a duplicarse a mediados del siglo XX. Y el origen no fue una catástrofe cósmica sino algo mucho más cercano y peligroso.

Los ensayos nucleares en superficie o en la atmósfera generan grandes cantidades de carbono-14. Esto es debido a que la fisión genera gran cantidad de neutrones que chocan contra los átomos de nitrógeno de la atmósfera dando lugar a este isótopo. Junto con el carbono-14 también aparecen diversas cantidades de otros materiales radiactivos pero sus efectos, aun siendo importantes, son mucho menores. Uno de los que reconocieron este problema fue Linus Carl Pauling. Este importante bioquímico norteamericano fue premio Nobel de química en 1954 y, poco después, inicio una campaña para concienciar a todos los países de la necesidad de prohibir los ensayos nucleares en superficie. En 1957, presento ante las Naciones Unidas una solicitud firmada por más de once mil científicos de 41 países solicitando el fin de las pruebas nucleares. Cinco años después, Linus Pauling recibió el premio Nobel de la Paz por sus esfuerzos, convirtiéndose en la única persona en la historia poseedora de dos premios Nobel concedidos de forma individual. Pero esta militancia política perjudico el resto de su carrera. Años después volvió a ser conocido por su apasionada defensa de la Vitamina C. Fue el primero en proponer su uso terapéutico para evitar los resfriados y en los últimos años de su vida abogo por su ingestión en grandes cantidades para prevenir ciertas enfermedades. Aun hoy, continúa la polémica sobre los auténticos beneficios de la vitamina C.

Pero, volviendo a las pruebas nucleares, la movilización de la opinión pública mundial propiciada por Pauling consiguió que en 1963 se firmase un tratado prohibiendo las explosiones nucleares en la atmósfera y en el mar, reduciendo así la generación del peligroso carbono-14. Desgraciadamente esto no impidió que continuasen los ensayos subterráneos con diversos pretextos. Hasta el día de hoy se han producido algo más 2000 explosiones nucleares.  De ellas unas 500 explosiones fueron anteriores  a la firma del tratado. No he añadido un cero, son algo así como una explosión cada 12 días desde el final de la segunda guerra mundial. Esperemos que hacerlas subterráneas sea suficiente para contener sus efectos.

Lord Louis Mountbatten tenía una importante misión como jefe de operaciones combinadas y mano derecha de Winston Churchill. Era uno de los responsables del desarrollo nuevas armas secretas para hacer frente a los alemanes.  Junto con grandes éxitos como los puertos flotantes usados en el desembarco de Normandia también cosecho importantes fracasos como el portaaviones de hielo.

Desesperados con la constante pérdida de barcos por el acoso de los submarinos, asediados por la escasez del imprescindible acero y sin suficientes portaaviones los británicos buscaron una solución más imaginativa. El proyecto Habbakuk se basaba en la construcción de un gigantesco portaaviones de 600 metros de largo fabricado con una mezcla de hielo y  un 14% de pulpa de madera llamado “pykrete”. Este curioso ejemplo de material compuesto o “composite” presentaba un alta resistencia mecánica y a la compresión. Con  paredes de 15 metros, el portaaviones sería imposible de hundir y un agujero de torpedo podría cerrarse rápidamente con un poco de agua de mar  y frío. Se desarrollo un prototipo a pequeña escala pero el excesivo coste y el lento desarrollo del proyecto impidieron que se desarrollase a tiempo. Por no hablar de sus limitadas aplicaciones. Estupendo para el Norte del Atlántico pero ¿alguien se animaría a patrullar el Mediterráneo en uno de esos?

Los americanos desconfiaban del proyecto y preferían seguir sus ensayos con una flotilla de buques de carga con el casco de hormigón.  Lentos y más pesados tenían la ventaja de ser baratos, fáciles y muy rápidos de fabricar (uno por mes). Se construyeron 24 de estos barcos durante la Segunda Guerra Mundial. Pero una vez acabada esta, el bajo precio de acero provocó la vuelta a los materiales tradicionales. Aunque no hay nada en las leyes físicas que se oponga al hormigón como elemento de construcción marino. Con una densidad que es la mitad que la del acero es fácil construir un armazón de hormigón que flote. Como este modelo de casa flotante, bastante más espaciosa que mi pisito. O las embarcaciones que, desde los años 70, participan en esta carrera para canoas de hormigón. Hay que recordar que el hormigón es excelente resistiendo la compresión y muy bueno para impedir  las filtraciones de agua como podemos ver en cualquier presa.

Pero todavía se puede dar una vuelta de tuerca más a la historia. Hace unos años se propuso el desarrollo de submarinos de hormigón. Serían lentos y relativamente baratos y añadirían algunas ventajas muy interesantes. Indetectables con un magnetometro, cualquier sonar que los localizase en el fondo los confundiría con una roca. Así podrían esperar pacientemente el paso de otros buques y atacarlos con torpedos lanzados verticalmente. Lástima, usar tanta imaginación siempre para los mismos fines.

Los seres humanos nos acostumbramos pronto. Sabemos que, en ocasiones, nos sobrevuelan millones de toneladas y continuamos nuestras vidas confiados sin preguntarnos ¿Por qué no caen? Bueno, en ocasiones caen de forma rápida y violenta ocasionando enormes daños. No, no estoy hablando de los aviones. ¿Nunca os habéis preguntado porque flotan las nubes?

El vapor de agua es un gas, y como tal, se mezcla con los gases que están presentes en el aire. De hecho, siempre existe una cierta cantidad de vapor de agua presente en el ambiente, es lo que conocemos como humedad ambiental. Pero las nubes no están formadas por vapor de agua. Las nubes se forman cuando el vapor de agua se condensa en gotas de agua o en cristales de hielo.  Y como todos sabemos una gota de agua o un cristal de hielo son materiales pesados que no deberían flotan en el aire.

Lo cierto es que no flotan, sino que suben y bajan de forma constante. Su tendencia natural sería caer aunque intervienen otros efectos para contrarrestar esa tendencia. Una gota de agua típica suele medir décimas o centésimas de milímetro y cae a 1 o 2 centímetros por segundo dentro de su nube . Eso permite que actúen sobre ellas distintos efectos que ralentizan o impiden la caída.

En primer lugar, las nubes están en movimiento arrastradas por corrientes de aire. Así una corriente ascendente puede hacer que las gotas se mantengan en equilibrio, floten o incluso asciendan. También es necesario tener en cuenta la orografía del terreno, una corriente de aire que choca con una montaña se eleva y arrastra cualquier objeto con ella.

En segundo lugar, tenemos los efectos térmicos. Esa misma corriente de aire se enfría al ascender y eso puede provocar la condensación del vapor en gotas. Pero esa condensación genera calor, y el aire caliente provoca que la nube siga ascendiendo. En general, los efectos esta muy interrelacionados y son muy difíciles de analizar.  

En último  lugar esta la cuestión del tamaño de las gotas. El agua forma núcleos de condensación que van creciendo en tamaño. Cuanto mayor sea el tamaño, más difícil será que las gotas consigan mantenerse en el aire. Un caso extremo sería la formación del granizo. Las gotas se condensan y caen  pero fuertes corrientes de aire vuelven a elevarlas aumentando de tamaño en el proceso. Si este proceso se repite suficientes veces la pequeña gota de agua ira aumentando de tamaño hasta formar bloques  de hielo del tamaño de una pelota de tenis. Mejor estar protegido cuando el cielo, finalmente, se nos caiga encima en forma de granizo.