¿Por qué no fluye el Ketchup o la pasta dentífrica?

¿Alguna vez te has preguntado por que la pasta dentífrica y/o el ketchup no fluyen cuando los aplicas sobre una superficie?

Diariamente, o al menos así debería ser, apretamos el tubo de pasta dentífrica y dejamos sobre el cepillo un pequeño hilo de pasta. Esta se queda perfectamente plantada, sin caer ni fluir. 

Igualmente ocurre con algunas salsas que comemos. La mayonesa o el ketchup están diseñadas para que no se salgan de la rebanada de pan, del trozo de carne o de las patatas pero que cuando agitemos el bote o lo apretemos la salsa fluya sin impedimentos. 

El motivo por el cual ocurren estos fenómenos se los debemos a la reología. La reología es una rama de la física que estudia la deformación y fluidez de los materiales. Dentro de la reología existen diferentes tipologías de fluidos clasificados principalmente en función de su comportamiento. 

Así pues tendríamos una primera clasificación entre Newtonianos y no Newtonianos.

Los fluidos newtonianos son aquellos que mantienen constante su viscosidad con el tiempo para un esfuerzo de cizalla (deformación) constante. Así pues un ejemplo claro es el agua.

Consideramos fluidos no Newtonianos a aquellos que no presentan una viscosidad constante, sino que esta varía con la temperatura y el esfuerzo de cizalla (deformación). Un ejemplo típico de fluido no newtoniano es la mezcla almidón-agua. Cuando se aplica una fuerza (golpeo con una cucharilla) el fluido se comporta como un sólido. Por el contrario si se deja en reposo y se vuelca la mezcla fluye como un líquido.

Bien, ya tenemos una primera clasificación de los fluidos en función de su viscosidad pero, y la pasta dentífrica? y el ketchup? que tipo de fluidos son?

Vamos a ello! En primer lugar tenemos ya claro que se tratan de fluidos no Newtonianos, verdad? De lo contrario cuando los aplicáramos chorrearía y no los podríamos utilizar de manera práctica. 

Analicemos concretamente su comportamiento. Este tipo de fluidos se comportan como sólidos en reposo puesto que una vez aplicados se quedan endurecidos. Pero si con una cucharilla los agitamos podemos comprobar que fluyen. 

Así pues este tipo de comportamientos son típicos en fluidos plásticos y pseudoplásticos. En el caso de los plásticos (Pasta dentífrica) presentan lo que se llama un esfuerzo de fluencia, una determinada fuerza necesaria para que el material empiece a fluir.
Por ejemplo, si presionamos el bote de pasta esta fluye con facilidad pero cuando se encuentra en reposo, la pasta dentífrica queda bien fijada.

Si pensamos en la salsa Ketchup tenemos un comportamiento pseudoplástico. En este caso, no es necesario aplicar una fuerza mínima para fluir pero al igual que los plásticos, conforme se aplica un esfuerzo fluye y cuando se deja en reposo se comporta como un sólido.

En resumen, el motivo por el cual la pasta dentífrica o el ketchup no fluyen cuando se aplican se lo debemos a la reología y a Eugen Bingham, padre de la reología.

Figura 1. Eugene Bingham

Según la reología se tratan de fluidos no Newtonianos y más concretamente plásticos (pasta de dientes) y pseudoplásticos (ketchup). 

El efecto Joule y los superconductores

Hoy me quiero centrar en el fenómeno que hay detrás de las tostadoras, secadores, algún tipo de estufas, etc.. Es decir, en el calentamiento de una resistencia.

Si nos fijamos bien en la tostadoras, comprobaremos que lo que hay son un hilos de metal rodeando la zona donde ponemos el pan. Estos hilos, si conectamos la tostadora, se ponen al "rojo vivo" y emiten calor que es el responsable de que el pan se tueste.

Nunca te has preguntado a que se debe este fenómeno? Pues bien, este fenómeno de ponerse al "rojo vivo" es debido al llamado Efecto Joule.

Imaginemos que aplicamos una corriente eléctrica que atraviesa un material. Bien, la corriente eléctrica está compuesta por electrones. El material en cuestión está compuesto por núcleos que facilitaran o dificultarán el paso de los electrones a través de si.

De modo que, decimos que el material es  más o menos conductor en función a la resistencia que ejercen sus núcleos al paso de los electrones de la corriente eléctrica.

Los electrones van chocando y nuevamente circulando, lo que provoca un impedimento a su circulación que se traduce en formación de calor. 

Podemos imaginarnos a nosotros mismos (electrones) abriéndonos paso en un bosque selvático como los exploradores. Con nuestro cuchillo vamos cortando las ramas (núcleos) que nos impiden avanzar. El ejercicio de ir cortando las ramas nos hace sudar (calor). Cuanto mayor sea el número de ramas, mayor será el impedimento y por extensión mayor el calor debido al ejercicio de tener que cortarlas.

Pero volviendo al tema, cuanto menos conductor sea el material (mayor impedimento) más calor se desprende. Pero no nos vale cualquier material, no debemos pensar que si utilizamos un material no conductor el efecto Joule resultante será mayor. Es necesario que el material sea conductor de la corriente eléctrica.

Por tanto, lo que ocurre en los secadores de pelo, tostadoras, calefactores... es el llamado efecto Joule. Cuando aplicamos una corriente eléctrica, el impedimento de los núcleos del material (hilo) al paso de los electrones, provoca calor.

Bien. Vamos a introducir otra palabra que habréis oído alguna vez. Superconductores.

Un superconductor es aquel material que no desprende calor al paso de electrones de una corriente eléctrica. Los núcleos no dificultan el paso de los electrones.

Esto es importante sobretodo en cableado de la red eléctrica. Actualmente se utiliza el cobre que es un buen conductor y la cantidad de calor que se desprende es baja. Aun así, una parte de la energía que va desde las centrales a nuestros hogares se disipa en forma de calor debido al efecto Joule. 

En el caso de superconductores, conseguiríamos que la energía se transfiriese en su totalidad de un punto a otro, sin pérdidas en forma de calor. 

Actualmente se trabaja con materiales a muy baja temperatura para obtener transferencia de electricidad sin pérdida por calor pero todavía no se ha logrado un material que a temperatura ambiente. 

Un material que actualmente esta en estudio por sus excelentes propiedades conductoras es el grafeno. 

Figura 1. Estructura del Grafeno

El grafeno es un material formado de carbono de estructura hexagonal. Esta formado por finas láminas de un solo átomo de espesor. Entre sus propiedades se encuentra la citada conductividad eléctrica además de una gran dureza, flexibilidad y baja densidad.

Un ejemplo fue el reciente anuncio de la obtención del grafeno como fase superconductora. Nuevamente, es necesario trabajar a temperaturas muy bajas para lograrlo pero ya se abre otra vía de trabajo de este excelente material.

De este modo, ahora que se acerca el frío y veáis los filamentos al rojo vivo de vuestros calefactores, hornos o tostadoras podréis saber que está ocurriendo en el interior del material.

Terapias de belleza, La cavitación

Dando un paseo con la familia por la zona centro descubrimos un nuevo negocio. Se trataba de un centro de belleza con terapias y productos naturales. Sobre el uso adecuado o no de terapias alternativas/naturales os invito a visitar el blog del profesor José Miguel Mulet (@jmmulet). Mi postura al respecto ya os la describí en este post de Diciembre del 2012.

Pero yendo al lío del que me gustaría hablaros hoy... 

En el escaparate había una oferta especial que decía lo siguiente, "10 sesiones de cavitación por 190 euros". Todo un chollo! pensarán los que entienden de esta terapia. A mi parecer, bastante caro.

Lo importante, es que cuando leí el cartel pensé "cavitación? A mi eso me suena a los ultrasonidos del laboratorio..."

¿Qué es la cavitación?

Se entiende por cavitación al fenómeno de formación de cavidades en el seno de los fluidos. Tiene lugar en el flujo de un líquido cuando en algún punto la velocidad llega a ser tan grande que la presión se aproxima a cero. De modo que, se produce un cambio de estado de líquido a gaseoso y nuevamente a líquido. 

Antes decía que me recordaba a los ultrasonidos (US) del laboratorio. Si tenemos un liquido en reposo en la cubeta de los US y los activamos, se forman microburbujas (transición líquido-gas) debido al rápido incremento de la velocidad de las ondas producidas por los US.  

Un ejemplo muy ilustrativo son las turbinas de los barcos. Cuando se accionan las turbinas y la hélice empieza a girar rápidamente, deja tras de si una estela de burbujas.

Figura 1. Cavitación provocada por una hélice

La cavitación tiene lugar por incumplimiento del teorema de Bernouilli,

Figura 2. Ecuación de Bernouilli

Cómo puede observarse, para que la parte derecha de la ecuación se mantenga constante, si aumentamos mucho la velocidad (V), la presión (P) debe reducirse hasta llegar a ser mínima. La presión mínima de un líquido es la llamada presión de vapor saturante. De modo que el líquido pasa a un estado gaseoso. 

Seguidamente, conforme la velocidad va descendiendo, para que se mantenga la constante en la parte derecha de la ecuación, la presión aumentará. Pasando el estado gaseoso a estado líquido nuevamente.

Descrito el fenómeno de cavitación desde un punto de vista meramente físico, ¿Cómo puede aplicarse a un tratamiento de belleza?

Lo que plantea el método es aplicar US directamente en la zona a tratar. Al aplicar los US lo que estamos provocando es el fenómeno de cavitación en el interior del tejido que retiene líquido y que está en contacto con depósitos de grasa. Las microburbujas de elevada energía rompen las paredes de las células grasas, que  liberan los ácidos grasos que pasan al torrente sanguíneo para distribuirse por todo el cuerpo y ser más fácilmente eliminables.

Como he dicho con anterioridad, este post no pretende dar luz sobre si el método es fiable o no. Si se puede adelgazar o no. Sólo tiene como fin el explicar que es el fenómeno de la cavitación.

Les invito a abrir un debate al respecto de la eficacia del método y si es menester poder escribir un segundo post, dando mi opinión sobre este método.

¿Cómo funciona un material impermeable?

El otro día, en el trabajo, el cielo hacía presagiar tormenta. El fuerte viento y las nubes negras anunciaban la inminente lluvia. Me puse el chubasquero y salí del laboratorio en dirección a una de las plantas productivas.

A mitad camino, efectivamente, se puso a llover. Me coloqué la capucha, oculté los documentos en el interior de la prenda y continué mi marcha. Mientras me dirigía a la nave, me fije en como las gotas, salpicaban mis gafas, mi cara y mi brazo. Cada gota que caía en el brazo resbalaba sin mojar la prenda. Y me pregunté...

¿Cómo funciona un material impermeable?

He de decir que lo primero que me llamó la atención al realizar una búsqueda en libros y webs es que, por lo menos yo, aunque pensemos que los chubasqueros se fabrican de un material impermeable. Lo cierto es que no es así en la mayoría de los casos sino que se trata de sustancias que se aplican sobre el tejido.

La funcionalidad de dichas sustancias es la de modificar la tensión superficial de los líquidos. Cuando hablamos de modificar la tensión superficial nos referimos a que el ángulo de contacto que se forma entre el sólido (chubasquero) y el líquido (agua de lluvia) aumenta hasta llegar a 90 grados.

De tal modo que cuando la prenda se humedece con la lluvia, el agua modifica su tensión superficial, resultando el ángulo de contacto entre la gota y la superficie sólida de 90 grados.

Figura 1. Sistema sólido-líquido. Tensión superficial

Cuando una gota penetra en el sólido, se moja en nuestro caso, el ángulo que forma la gota con el tejido es de 0 grados.
Por el contrario cuando se trata de un ángulo de 90 grados, el líquido prácticamente no tiene contacto por lo que "cae" sin penetrar en el sólido.

¿Qué tipo de materiales tienen esta propiedad de aumentar la tensión superficial?

Un ejemplo de sustancia/material que se adhiere a los tejidos para hacerlos impermeables es el PVC (policloruro de vinilo).

El PVC es un polímero, el monómero a partir del cual se forman las cadenas es el cloruro de vinilo,

Figura 2. Plicloruro de vinilo

Dicho polímero se presenta en dos formas, rígida y flexible. La que nos interesa es la flexible.

Su carácter flexible y resistencia le permiten actuar como recubrimiento de tejidos para su uso como  impermeable.

Además de como recubrimiento, el PVC, también se utiliza en los famosos ponchos que estamos acostumbrados a ver en los estadios de fútbol o en las atracciones acuáticas de los parques de atracciones,

Figura 3. Los ponchos sin lugar a dudas, una prenda de lo más elegante.

Por tanto, la tensión superficial es la responsable de que los materiales impermeables sean tan efectivos. Hay que añadir que los líquidos presentan diferentes valores de tensión superficial en función de su naturaleza química, por lo que es probable que un chubasquero que nos va tan bien con el agua no sea práctico cuando nos "mojamos" con otro líquido, como por ejemplo con el aceite. Si nos manchamos de un aceite comprobaremos que la gota no resbala con tanta facilidad y se queda el material impregnado. Esto es debido a que su tensión superficial es mucho más baja que la del agua y el chubasquero no es apropiado.

El hielo del mar, ¿Es dulce o salado?

Estamos acostumbrados a ver fotografías de los casquetes polares. En ellas se puede ver extensiones de hielo, glaciales y acantilados blancos que se desprenden cayendo al mar y generando pequeños icebergs.

Estas imágenes pueden suscitar una pregunta sencilla pero muy interesante. El hielo que se forma en el mar, es dulce o salado?

Lo primero que pensamos es que el agua del mar se congela debido a las bajas temperaturas de los casquetes. De modo que parece lógico afirmar que el hielo es salado.

Sin embargo no es así! El hielo de agua mar es dulce.

Cuando el agua del mar, que contiene sal (sólido cristalino), se congela esta lo hace por debajo del punto eutéctico. 

El punto eutéctico es aquel que para una temperatura y concentración concreta, determina la separación de un soluto del líquido.

En este caso al encontrarse por debajo se separa la sal del agua. De modo que el hielo resultante es dulce.

Si reproducimos este fenómeno de congelación en el laboratorio, comprobaríamos que conforme congelemos grandes cantidades de agua de mar, el proceso de formarse hielo dulce se repetiría hasta cierto punto. Al aumentar la concentración de sal en el agua (salada) se produce una mezcla eutéctica. 

Dicha mezcla eutéctica ya no admite más sal proveniente del hielo, por lo que el punto de fusión (descongelación) ya no puede bajar más. De este modo, si continuamos congelando, se empezarían a formar cristales de la mezcla de agua de mar congelada y sal.

Entonces, traslado una pregunta. Si el calentamiento global provoca el deshielo, según lo explicado, ¿Cómo puede afectar que el hielo sea dulce?

el agua, la sal y unas cervezas

Un barril, agua, hielo, sal y botes de cerveza...y chas! ¡¡¡La cerveza se mantiene durante más tiempo fría!!!

¿Qué ha ocurrido?

Durante el verano, muchos y muchas de nosotros hemos realizado comidas con amigos donde la nevera no podía albergar toda la bebida que íbamos a consumir o simplemente no disponíamos de una. Una solución es mantener la bebida fría dejándola en un barril lleno de hielo.

La ciencia y más concretamente nuestra amiga la Termodinámica nos ofrece una opción para mantener la bebida durante más tiempo fría. Se trata de preparar disoluciones binarias!!!

La receta es muy sencilla. Agua, Sal y hielo. 

1- En un barril, llenar un tercio de agua. 

2- Añadir un par de vasos de sal.

3- Rellenar con cubos de hielo.

4- Finalmente, colocar los botes de cerveza y dejar reposar.

¿De qué sirve lo que hemos hecho?

Al añadir tanta cantidad de sal hemos provocado que el agua no pueda disolver toda la sal (disolución saturada). El sistema creado entre el exceso de sal y el agua tenderá a "buscar" agua para poder disolver el exceso de sal. La única agua presente, está en los cubos de hielo pero...Oh! se encuentra en forma sólida!!! El sistema necesita calor para fundir el hielo.

El sistema entra en crisis y se pregunta, ¿Dónde puedo encontrar calor? Se pone a buscar por el barril y encuentra los botes de cerveza. Bingo! Rápidamente "roba" calor de los botes para utilizarlo en la fusión del hielo.

El agua y la sal forman una mezcla binaria. ¿Qué significa esto? Pues que las mezclas binarias tienen un punto de fusión y ebullición diferente al de las sustancias puras. Concretamente para el agua, tiene un punto de ebullición superior a 100ºC y un punto de congelación inferior a 0ºC. 

¿Entonces? Pues que el sistema que está "robando" calor a los botes, va a necesitar más calor del que creía para fundir el hielo. ¿Resultado? Los botes de cerveza pierden mucho más calor y en consecuencia se enfrían más.

Si no tuviésemos sal, el agua se encontraría con el hielo y el sistema hielo-agua empezaría a buscar un equilibrio de temperatura. El agua "robaría" calor también a los botes para fundir el hielo pero claro, al ser agua pura, la temperatura de fusión es superior de modo que necesitaría menos calor y los botes se enfriarían menos.

Conclusión. Cuando queráis enfriar bebida añadid sal. Y no os contengáis! que es barata.

Oye Paco. ¿Y qué se enfría mejor, el vidrio o el metal?

Claramente el metal. Es mejor conductor que el vidrio y además la capa de material es mucho más fina que en el vidrio por lo que el líquido ámbar se enfría antes.

¿De donde viene la arena del mar?

El pasado fin de semana estuvimos en la playa disfrutando del recién estrenado Verano. La playa a la que solemos ir es de arena y precisamente mientras dábamos un paseo por la orilla y al hundir los pies me pregunté... Toda esta arena, de donde viene?

Tal vez una pregunta previa a la procedencia de la arena pueda ser, de que está hecha la arena?

La arena de la playa está formada por minúsculos granos de tamaño milimétrico de distintos y diversos materiales. En su mayor parte la arena está compuesta de cuarzo o sílice. 

La sílice es uno de los minerales más abundantes en la corteza terrestre.

Además de la sílice de aspecto vidrioso tenemos también feldespatos, calcita, o incluso óxidos de hierro que confieren a la arena una tonalidad rojiza.

¿De dónde proviene entonces toda esa cantidad de material?

Bueno, realmente la arena no es más que el proceso de erosión de la roca en contacto continuo con el oleaje del mar. Los restos erosionados son transportados por las corrientes hasta la orilla del mar donde se va depositando.

Como observación de dicho fenómeno, os invito a que los días posteriores a una marejada o fuerte oleaje os acerquéis a la playa. Observareis la cantidad de restos de arena, algas, piedra, etc. Que el mar deposita en la orilla. No es más que el resultado de la fuerte corriente.

¿Por qué unas playas son de arena y en cambio otras son de piedra?

Como he indicado antes, el mar tiene la capacidad de arrastrar sedimentos. Dependiendo de la fuerza de esta, variarán la naturaleza de los mismos. En playas donde la fuerza de la marejada es fuerte la cantidad de piedras que puedan llegar será mayor que en playas con débil marejada. 

Un hecho relevante es que en muchas playas de fina arena una vez entramos en el agua observamos que prácticamente no cubre. 

Es necesario adentrarnos mucho para que nos cubra. En el caso de playas de piedra, el hecho es justo al contrario. Ya desde que entramos en el agua, el agua nos cubre. Siendo además, en la mayoría de los casos, el lecho marino de piedra.

Otra curiosidad es la geometría de las piedras. Si nos fijamos tienen forma de óvalos. Es decir, presenta forma alargada y cantos rodados. Esto es debido a la erosión del mar. 

Si durante un tiempo prolongado dejásemos expuesta una roca a la acción de la erosión del mar, llegaría un momento que ésta sería completamente redondeada.

Para terminar indicar que el hecho de que la arena se quede pegada a nuestra piel, algo muy molesto, es debido al tamaño de partícula. La arena fina posee una elevada superficie específica por lo que la superficie que se queda en contacto con nuestra piel es más grande quela que estaría en caso de que el grano de arena tuviese un mayor tamaño.

Para saber más curiosidades sobre el mar, podéis leer la entrada que ya publiqué en su día sobre los efectos ópticos que se producían en la arena de la playa: 

http://cormelius.blogspot.com.es/2011/07/arena-de-la-platja-amb-distint-color.html

Fuentes:
 - www.Quo.es

¿Podemos predecir si lloverá o hará calor?

Este Viernes volvía del trabajo y observé la chimenea de una empresa. El humo blanco, vapor de agua, no "subía". No formaba la típica columna de humo a la que estamos acostumbrados. Me extrañé un poco y me pregunté. ¿Por qué no sube el vapor?

Casi al mismo tiempo, en la radio del coche el experto en meteorología de la emisora anunciaba un fin de semana cálido, con temperaturas agradables. ¿Tendría algo que ver?

La respuesta es si. Y la encontramos en algo que estamos hartos de oír en la televisión y más concretamente en el tiempo.

Hablo de las bajas y altas presiones. 

Imaginemos que estamos en un desierto, ahora imaginemos que tenemos encima nuestra una columna de aire que se apoya en nuestra cabeza y que sube hasta donde la vista no logra alcanzar.  Cuando hablamos de altas presiones, esa columna que reposa sobre nosotros es más pesada. Mientras que si nos referimos a bajas presiones, la columna pesa poco.

Si aplicamos este ejemplo a las nubes debemos imaginar una masa de aire caliente. El aire caliente es menos pesado y por tanto tiende a subir (un ejemplo ilustrativo son los globos aerostáticos, calentamos aire para que suban). Al subir el aire, el peso que puede ejercer sobre el suelo y nosotros mismos es menor, produciendo una baja presión.

Pero, al tener una baja presión. El aire frío tiende a ocupar el espacio dejado por el caliente. Por lo que hay riesgo de que se produzcan lluvias.

Vamos al ejemplo de altas presiones. Conforme el aire frío va ocupando el espacio, se genera una corriente y viento. La presión va aumentando. Dicho aire, pasado un tiempo empieza a templarse, la presión es alta ya que el aire frio ha ocupado el espacio pero las temperaturas vuelven a ser agradables. 

A las bajas presiones también las conoceremos con Borrascas. Y a las altas presiones como anticiclones. 

Imagen 1. Flujo de aire en alta y baja presión.

¿Cómo podemos predecir si lloverá? 

De lo leído anteriormente, sabemos que conforme la presión disminuya, un frente de aire frío puede entrar con una alta probabilidad de que nos llueva. Así pues, si al fijarme en la chimenea hubiese detectado que la columna de vapor era alta y recta, hubiese sabido que en un futuro próximo se acercarían bajas temperaturas y lluvia.

Por el contrario, al observar la columna de vapor baja, incluso plana (conforme sale el vapor se mueve en horizontal) hubiese sabido que tenemos una alta presión por lo tanto, en las fechas que estamos con el Sol incidiendo con fuerza, el aire que se encuentra alrededor tenderá a calentarse y tendremos unos días agradables sin lluvia.

El tiempo se basa en esto, presiones que provocan que el aire circule. Por lo que todo aquello que os pueda ayudar a detectar y comprobar la presión os dará pistas del tiempo que hará...

Para leer más entradas sobre clima:

- Gota freda: http://cormelius.blogspot.com.es/search/label/clima

100 años del modelo atómico de Bohr

Corre 1913 y un físico Danés de 28 años postula un modelo atómico que revolucionaría la teoría atómica conocida hasta el momento...

100 años han pasado desde que Niehls Bohr publicase sus postulados sobre el modelo atómico basado en las investigaciones del átomo de hidrógeno.

Para los menos versados en Física y Química decir que, un modelo atómico no es más que el diseño estructural de un átomo. No se trata de un simple dibujo, el modelo atómico trata de explicar las propiedades y comportamiento de los átomos.

A lo largo de la historia  y ya desde tiempos de Demócritro (Grecia clásica) existió la teoría atomista, la materia esta formada por pequeñas partículas invisibles e indivisibles. Pero lo que en un principio fue una mera hipótesis filosófica con el tiempo fue cogiendo peso y los diferentes descubrimientos experimentales no hacían sino confirmar y demostrar los razonamientos clásicos.

Hacia el S.XIX John Dalton basándose en sus propias experiencias con la Ley de las proporciones múltiples y también con la conservación de la masa de Lavoisier postula un modelo atómico.

En el, Dalton postula que el átomo es una minúscula partícula indivisible, esférica e inmutable y  que para cada elemento todas las partículas son iguales. De modo, que la combinación de partículas de un elemento con las partículas de otro, en proporciones conocidas, dará como resultado un compuesto.

Ley de las proporciones múltiples

  A finales del 1800, con el descubrimiento del electrón por parte de Thomson se re-formuló el modelo atómico y se introdujeron las cargas.
  Ahora la partícula esférica e indivisibles pasaba a tener carga positiva y en su superficie habían partículas cargadas negativamente de nombre electrones.
  Thomson fue capaz de explicar hechos tan comunes como la electrización por frotamiento y la emisión de luz de los átomos

  Rutherford a principios del 1900 se dedicó a bombardear con electrones láminas de metales. Él esperaba que la mayoría de los rayos pasasen, siguiendo las teorías de Thomson. Cuál fue su sorpresa al comprobar que algunos rayos se desviaban y unos pocos incluso rebotaban!

  Entonces? Qué demonios pasaba ahí dentro?
  Rutherford postuló que debía existir un inmenso vació entre el núcleo y los electrones. De esta manera los rayos pueden pasar sin problemas.
  En el momento que un rayo pasase cerca de la órbita de un electrón se desviaría. Y si por un casual el rayo da de pleno en el electrón, rebotaría.
 

  Así nacía el famoso modelo atómico de Rutherford que todos vemos en la serie, Big Bang Theory.

Modelo atómico de Rutherford

  Y por fin llegamos al modelo del científico que nos atañe. El modelo de Bohr.

  Por desgracia el modelo de Rutherford no era completo ya que no podía explicar un hecho, los espectros. No entendamos por espectros los fantasmas que se lamentan en psicofonias y aterran a familias en películas americanas.

  Un espectro es la radiación (energía) que absorbe o emite una sustancia. Así pues para elementos tales como los de la tabla periódica sería la huella ya que cada elemento tiene un espectro único. 

Los espectros al igual que los de las películas se pueden "retratar" dejando una serie de líneas sobre una pantalla fotográfica.

Ejemplos de espectros

  Estas marcas en el fondo negro corresponderían a saltos que van dando los electrones entre los diferentes niveles. Es decir, imaginemos que tenemos una bola que queremos que suba por un andamio. Al principio, la bola se encuentra a ras de suelo que es el estado fundamental o 0. Si nosotros queremos dejar la bola en el primer nivel del andamio deberemos lanzarla, según Planck, con una fuerza exacta. Si queremos lanzarla al segundo aplicaremos otra fuerza exacta.

  Max Planck decía que la energía tenia valores discretos (cuantificada) y que por tanto es necesaria una energía conocida para que los electrones se exciten y pasen de unos niveles a otros.

  Con todo esto Bohr planteó que el átomo esta compuesto por un núcleo de partículas positivas y neutras y alrededor de él orbitan electrones que, a diferencia de Rutherford, pueden girar en radios determinados. Los electrones están girando y no emiten energía.
  En el caso de que los electrones se exciten y pasen a otros niveles (órbitas) se producirá una emisión que es precisamente lo que se registra en el espectro.

  Bohr postuló estas observaciones en base al átomo de hidrógeno que posee un único electrón orbitando alrededor del núcleo.

  Aunque la contribución de Bohr fue magnífica no supuso un modelo atómico absoluto ya que, por desgracia, no era capaz de explicar los espectros más complejos. Es decir, aquellos que poseían más de un electrón. 

  Fue necesario introducir nuevos datos experimentales, en este caso la mecánica cuántica, para poder dar una mejor aproximación al modelo atómico.

  Hoy en día, seguimos evolucionando en el modelo atómico. Ya sabemos que los átomos SI son divisibles, conocemos partículas sub-atómicas como los quarks, se sigue investigando en partículas que componen el modelo atómico como el famoso Bosón de Higgs que ya expliqué en esta entrada.

  Para finalizar este repaso por la historia de los modelos atómicos me gustaría hacer una pequeña reflexión. Cada uno de los científicos que aquí se han enunciado, aportaron un grano de arena al modelo atómico. Sus postulados no fueron absolutos sino que se basaron en las evidencias experimentales de las que disponían en ese momento.

Mejoras en la investigación que permitieron a otros mejorar y ampliar el modelo. Y así seguimos...

  Es por ello que no podemos temer al concepto "error". Vivimos en una sociedad donde el error esta mal visto. Nos aterra errar cuando, por el contrario, debemos comprender que errar significa que podemos mejora al saber por donde no debemos ir.

  La mejora continua solo nos puede llevar a la excelencia si somos capaces de asumir el error como algo natural y necesario.
 Ya lo dijo Niels Bohr:  "Un experto es una persona que ha cometido todos los errores que se pueden cometer en un determinado campo."

Fracking o fractura hidráulica

  

  Vivo en Castellón y de un tiempo hacia aquí oigo en multitud de canales (prensa, radio, TV) sobre el "Fracking" o fracturación hidráulica para la obtención de gas. Sobretodo leo y escucho opiniones en contra. Decidi formarme un poco sobre el proceso y de esta manera explicaros en qué consiste y cuál es su problemática actual.

  El gas procede de la extracción en yacimientos subterráneos que pueden ser de petróleo, de gas propiamente dicho o de una combinación de ambos. En función del tipo de yacimiento el gas se puede clasificar en:

- Yacimiento de petróleo-gas. Recibe el nombre de gas asociado.

- Yacimiento únicamente de gas. Gas no asociado.

  Su extracción se realiza mediante conductos, perforando el subsuelo. Normalmente la sobrepresión presente en la cámara o yacimiento es suficiente para que el gas emerja sin problemas. 

Imaginemos que no existiesen dichas cámaras repletas del fluido. Imaginemos que dichas cámaras fuesen minúsculos intersticios presentes en una roca porosa. Puede servir como un ejemplo claro y visual un queso gruyere. Si fuésemos capaces de agrupar todos esos pequeños agujeros en un único probablemente tendríamos una cámara grande repleta de gas.

Por desgracia los grandes yacimientos no abundan en el planeta tierra por lo que es necesario buscar alternativas para la obtencion de gas. 

  El "fracking" o fractura hidráulica es precisamente un proceso para la obtención de gas en rocas porosas. El gas, que se encuentra en los huecos de la roca, puede obtenerse aplicando una presión a la roca hasta su fractura. Al romperse la roca, el éter emerge hacia la superficie.

Figura 1. Comparativa entre extracción "Fracking" (izquierda) y convencional (derecha).

  Para lograrlo se procede a inyectar una composición de agua, arena y aditivos. El 98% del total de la mezcla es agua. La arena se utiliza para mantener abiertas las fisuras generadas y la presencia de aditivos es debido a que son facilitadores de la fractura de la roca, incluso pudiendo llegar al punto de disolver parte de la estructura sólida.

  Imaginemos que tenemos una botella de gaseosa, si abrimos un poco el tapón notaremos como parte del gas sale al exterior por el simple hecho de que la presión en el interior de la botella es mayor que en el exterior. Como el gas tiende a ocupar todo el volumen hasta que las presiones se igualen este sale.

Ahora imaginemos que tenemos varios días la botella medio abierta. Como sabemos, ha perdido gran parte del gas y ya nadie se la quiere beber. Si abrimos un poco el tapón no notaremos que salga ningún gas a pesar de que en su interior quede líquido. Bien, agitemos durante un corto espacio de tiempo la botella y seguidamente volvamos a abrir la botella. Escucharemos como una pequeña fracción de gas ha salido. 

  En este caso hemos provocado un aumento de presión al agitar la botella de manera que el poco gas que hay en el interior sale.

  En el caso del "Fracking" el concepto es este. Aplicar una presión, provocar la fractura de la roca y facilitar la salida del gas que hay en su interior.

  La fractura hidráulica genera controversia en la sociedad. Podríamos separar en dos los motivos a "grosso" modo.

  Por un lado tenemos el hecho de que, por ejemplo, en la zona en la que yo vivo (Mediterráneo) la geología de nuestra región es de piedras calcáreas. Son rocas porosas que tienen huecos en su estructura. Dichos huecos favorecen la filtración de las aguas de lluvia y generar acuíferos. Siendo estos la principal fuente de agua en el mediterráneo El "fracking" al ser una técnica destructiva puede afectar a la orografía y acuíferos destruyéndolos. Además puede generar inestabilidad en el terreno.

  Por otro lado estaría el uso de aditivos que favorecen la fractura. Dichos aditivos pueden ser perjudiciales para la salud por lo que si filtran y pasan a formar parte de los acuíferos pueden finalmente llegar al consumo humano o de ganado. Navegando por la red he encontrado algunos informes de organizaciones que se oponen a dicha técnica que enuncian sustancias orgánicas dañinas para la salud humana. Por desgracia no he encontrado citas sobre las concentraciones ni cómo afecta dicha concentración a la salud humana.

  Es una técnica novedosa en nuestras tierras por lo que muchas de estas desventajas se encuentran actualmente en estudio. Invito a mis lectores a que realicen una búsqueda de los pros y contras de la técnica para que puedan tener una opinión mejor formada alrededor del "Fracking".

La física de la sang

El @FECYT_ciencia (Fundación Española para la Ciencia Y la Tecnología) diu en un recent estudi que el 25% de la població espanyola no està interessada en la ciència perque no la entén.

Per tant, mans a la pipeta que cal difondre !

  M'agradaria fer un breu apunt molt interessant sobre preguntes que queden sense resposta en el nostre dia a dia i que ens afecten molt.

Mai t'has preguntat... Per què si el cor bombeja de forma intermitent el flux de sang, en canvi, és continu?

  La resposta és senzilla, els conductes sanguinis (venes, artèries, capil.lars...) no són rígids, sinó elàstics, el que significa que produeixen una acció reguladora, unflant-se en els moviments de sístole (moviment de contracció del cor) y desunflant-se en els moviments de diàstole (relaxació del cor).

Per quina raó es pren el pols en les arteries i no en les venes?

  La circulació de la sang en les venes no es verifica a impulsos, com a les arteries, coincidents amb els batecs dels cor, ja que la sang a passat prèviament per la xarxa de capil.lars on la perdut tota la sobrepressió que poguera originar-se en les contraccions del cor. Per això el flux en les venes es realitza de forma contínua, es a dir, sense batecs.

I per a finalitzar una de història i sang...

Per què diem que la noblesa és de sang blava?

  Al voltant d'aquesta afirmació hi han nombroses explicacions i molt probablement totes certes. A mi una que em va agradar molt va ser la de que a la edat mitjana, a diferència d'avui en dia, la gent de la noblesa rebutjava tindre la pell morena. En aquella època tindre la pell morena significava que es treballava al sol. A feines del camp o la ramaderia. Mala època per a Julio Iglesias.

Figura 1. Julio Iglesias, tot un camperol!

  La noblesa per a evitar que el sol pigmentara la pell es tapaven amb elegants vestits, anaven coberts amb barrets i fins i tot mocadors al voltant del rostre.

  La seva pell era clara, pàl·lida, el que provocava que fora relativament fàcil veure les venes. Si ens fixem en les nostres monyiques observarem que les venes no són roges sinó que tenen una tonalitat blava.

  Per tant no es molt difícil dir que la noblesa tenia la sang blava ja que sols havien de mostrar el braç per a donar fe. En canvi els camperols de pell més fosca i amb un pam i mig de brutedat (no cal parlar de les condicions de l'època) doncs era prou més difícil.

  I fins ací un breu comentari sobre la sang i la seva física! Bé en aquest cas la explicació ha sigut gràcies a la dinàmica de fluids !!!!

Fonts consultades:

 - La física tiene la respuesta. Dels professors F. Senent i J. Aguilar. De edicions Saber. Valencia, 1968.

La bomba atòmica i el mercuri roig

  

  La ciència és un camí de recerca, un viatge tan llarg que tal volta mai s'assolisca la comprensió del objectiu de l'estudi. Però la riquesa que s'obté en forma de coneixements demostrarà que a valgut la pena.

  Malauradament no sempre els descobriments que es fan durant el viatge són beneficiosos per a la humanitat. Hi ha voltes que l'ús de la ciència té com a objectiu la destrucció i per molt rebutjable que és, no per això, hi ha que obviar la seva explicació.

  En aquest cas parle de com la física de partícules va derivar en estudis per al desenvolupament d'un arma destructiva que basava el seu fonament en la fissió (trencament) de nuclis. La bomba atòmica.

  Es important abans de tot dir que els científics que formaren part de l'anomenat Projecte Manhattan foren veritables eminències que van contribuir de manera excel.lent al progrés. Científics com ara Enrico Fermi, J.R. Oppenheimer (els estudiants de Física-Química sofreixen la aproximació de Born-Oppenheimer) o Niels Bohr pare del model atòmic de l'hidrògen.

  Etiquetar a aquests científics com a pares de la bomba atòmica i eludir la seva magna i extensa investigació seria una temerària i ignorant afirmació que cal rebutjar. No es pot obviar la seva responsabilitat, però cal ser rigurós amb la història i estar a la altura dels comentaris que es poden fer.

  Durant la segona guerra mundial entra en joc un arma que va deixar atònita a la societat, la seva capacitat destructora era abismal i de forma immediata va provocar la rendició d'una potencia com és el Japó.

  Les bombes atòmiques convencionals, com la que es llançà sobre Hiroshima i Nagasaki, segueixen un mecanisme de reacció en cadena descontrolada. El procediment consisteix en la fissió d'un nucli pesat en nuclis més lleugers i subproductes. Sent una reacció molt energètica.

Els nuclis emprats per a les bombes atòmiques solen ser d'Urani (les primeres) o Plutoni (més recents).

  Per a que tinga lloc el inici de la reacció de desintegració de nuclis cal energia. Per als artefactes nuclears s'empren generadors de neutrons que tenen com a missió la col.lisió en el material radioactiu provocant la reacció en cadena.

 

Figura 1. Reacció de fisió del Urani.

Figura 2. Exemple de reacció en cadena.

  Com es veu al esquema, un neutró col.lisiona amb el nucli d'Urani provocant la seva fissió en dos nuclis, un de Xenó i un altre d'Estronci, i neutrons que col.lisionarán amb altres partícules d'Urani. Durant aquesta reacció, a més, hi ha com a altres productes la emissió de radiació gamma que són els causants de l'anomenat "terror radiactiu". Un tipus de radiació molt energètica que causa greus problemes de salut.

  Actualment hi han un altre tipus de bombes que també fan ús de la teoria de la física de partícules. Les anomenades bombes H o de fusió.

  Aquests artefactes no segueixen un mecanisme de fissió (trencament) sinó de fusió (unió). La unió de dos nuclis també genera una elevada quantitat d'energia. Concretament un nucli de deuteri i un altre de triti (tots dos isòtops del hidrògen) que generen un nucli d'Heli. 

En aquest cas per a que la reacció s'inicie es necessària una elevada quantitat d'energia. El iniciador sol ser una bomba atòmica! Ja podeu imaginar la capacitat devastadora d'aquests explosius !!!! Finalment els propis neutrins que s'obtenen de la reacció de fusió també provocaran la desintegració del Urani emprat com a iniciador per lo que al final es provocarà un altra desintegració.

En resum, les bombes H podem dir que segueixen un mecanisme de fusió/fisió/fusió.

  Com a anècdota indicar que durant la guerra freda, en la URS es realitzaren investigacions per a trobar un material capaç d'actuar com a iniciador de la bomba H.
Un inconvenient que presenta la bomba H és  que s'utilitza com a iniciador una bomba atòmica de fissió de gran volum que dificulta la mobilitat i logística.

Centrant-se en aquest inconvenient investigaren al voltant d'un material anomenat, mercuri roig.

  El mercuri roig és un doble òxid de mercuri i antimoni que tindria com a propietat principal el seu alt valor energètic, capaç de iniciar la reacció en cadena descontrolada amb una xicoteta quantitat.

  La seva existència és un mite, no s'ha demostrat. Però persones com ara Radovan Karadzic va pagar una fortuna per uns pocs grams del misteriós material que va resultar ser una substància gelatinosa inocula

  Per finalitzar és important dir que la ciència busca el progrés, té com a finalitat la millora de les condicions de la humanitat mitjançant les eines de les que disposa. Tot el coneixement aglutinat està a l'abast del conjunt de la societat i el ús que d'aquest es vulga fer es responsabilitat de cadascú. No podem limitar la investigació del coneixement per por a una mala pràctica, cal educar-nos i formar-nos en un pensament crític que ens permeta ser conscients de allò que significa progrés del que significa destrucció.

Aurora polar

  Que la terra es comporta com gegant magneto (imant) està clar. Tots sabem que existeix un pol nord i un sud. Es sap que les aus es traslladen en llargues distàncies migratòries, de Nord a Sud i viceversa, guiats pel magnetisme. Però per si tot açò no queda prou clar existeix un fenomen que acaba de demostrar-ho d'una manera espectacularment visual. Les aurores polars.

  Quan parlem d'aurores enseguida pensem en l'Antàrtida (sud) o L'Àrtic (nord) i es que són les zones on es donen amb major freqüència i de manera més clara.

  Una aurora és un fenomen de luminescència i té lloc quan partícules carregades com ara el protó i/o el electró, provinents del vent solar, col.lisionen amb l'atmosfera que es rica en oxigen, nitrogen i gasos nobles entre d'altres. Aquesta energètica col.lisió provoca que els electrons dels àtoms dels elements de la atmosfera s'exciten i passen a un nivell superior, quan tornen al nivell inicial la energia la alliberen en forma de llum, i depenent del tipus de element la llum pren unes tonalitats o altres.

  Es coneix el vent solar com la emissió de partícules per part del Sol. Aquestes partícules viatgen a elevades velocitats que quan arriben a la Terra són desviats pel camp magnètic o magnetosfera i queden atrapades.

Imatge 1. Vent solar i actuació sobre la Terra.

  El comportament de les aurores no és aleatori es solen estendre de est a oest i augmenta la intensitat durant la nit. Es poden observar línies verticals, ones o rissos. El color depèn, com he comentat abans, dels àtoms excitats. El oxigen deixa tonalitats grogues/verdes, el nitrogen tonalitats blaves, el heli tonalitats morades i el neó colors rosats.

Aquests àtoms, que presenten coloracions es degut a que les transicions (pas entre nivells) es realitzen en unes determinades longitud d'ona del espectre visible. El nostre ull, pot recollir una ampli espectre de longituds que va des del morat fins el roig.

Imatge 2. Espectre Visible.

  Per finalitzar indicar que quan parlem d'aurores boreals ens referim a les que tenen lloc al pol nord, mentre que les que tenen lloc al pol sud s'anomenen aurores australs.

Vos deixe a un preciós vídeo editat per dos amics, companys d'observació, que aquest estiu van marxar a Groenlàndia a "caça" d'aurores boreals!

 

Vos deixe també un interessant enllaç a una pàgina web sobre aurores on es recullen fotografies, vídeos i informació especialitzada: http://www.geo.mtu.edu/weather/aurora/

fonts consultades:

- Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/Aurora_polar
- The aurora page: http://www.geo.mtu.edu/weather/aurora/
- Quantum.rd: www.quantum-rd.com/2009/06/la-tierra-absorve-mas-viento-solar-por.html