Rayos y truenos

Nos enseñaban en el colegio que el metal es conductor y el plástico es aislante y se referían tanto al calor como a la electricidad. Comprobamos empíricamente este conocimiento cuando tenemos que retirar una cazuela del fuego. Es preferible que tenga un asa de plástico o madera porque si no la tiene, o bien usamos una manopla o bien nos quemamos. Lo que también es cierto es que si la cazuela está muy muy caliente, aunque tenga asa de plástico, resulta que también el asa está caliente. ¿Por qué si el plástico es aislante? Sencillamente el plástico aisla mejor que el metal pero hay una temperatura a la que el plástico también se calienta y nos puede quemar.

Lo mismo pasa con un rayo y el aire. Dentro de las nubes existen corrientes de aire que agitan las gotas de agua, cristales de hielo y demás particulillas que las componen. Esto origina una seperación de cargas y la base de la nube suele quedarse con las negativas. La tierra actúa como polo positivo y en este punto el rayo está preparado. Si la nube estuviera unida al suelo por un cable de metal la diferencia de cargas viajaría por el cable en forma de corriente eléctrica pero lo cierto es que entre la nube y el suelo solo hay aire. En principio el aire es un aislante muy muy bueno de la electricidad. Es por esto que cuando pasamos cerca de un enchufe los electrones de la red no saltan y nos atacan electrocutándonos, el aire se lo impide. Pero ya sabemos por el mango de la cazuela que no importa lo bueno que sea un aislante, si la electricidad (en términos de potencial eléctrico) almacenada entre la nube y el suelo es muy muy grande, al final el aislante no aisla (en términos electrostáticos “se rompe el dieléctrico”) y es en este momento cuando se produce el rayo.

Los electrones no son tontos y para bajar de la nube al suelo eligen el camino de menor resistencia y, como son muchos los electrones que tienen que bajar y el aire conduce muy muy mal pasa lo mismo que cuando una corriente muy grande pasa por un cable muy pequeño, el cable se calienta. En nuestro caso el cable es la fina columna de aire que los electrones han elegido para bajar y se calienta muy mucho. Hasta tal punto se calienta que su expansión violenta provoca la onda de choque que llamamos trueno.

De momento lo vamos a dejar aquí y puede que hagamos un descanso de este tema de nubes, lluvia y rayos pero id pensando para próximas entradas. Ya sabemos por qué se produce el trueno pero ¿Por que se produce el relámpago?

¡Qué llueva, que llueva!

Retomamos la pregunta de la última entrada. En una cierta región, el aíre está tan húmedo que se satura de vapor de agua. Si en estas condiciones baja un poco la temperatura el aire se hace menos soluble al vapor y éste se empieza a condensar. Muchas veces hemos visto agua condensada sobre el parabrisas de nuestro coche o el espejo del baño y esta experiencia nos dice “para que el agua se condense hace falta algo sobre lo que condensarse”.

El aire no es solo una disolución de gases pura y cristalina. Muchas partículas microscópias (y otras no tanto) flotan en él. El vapor de una nube en formación usa estas partículas para condensarse. Si las condiciones de solubilidad del aire continuan bajando o la concentración de vapor aumenta las microgotas que flotan en el interior de la nube se van haciendo más grandes al aglutinarse en choques o bien porque aumente la condensación. Llega un momento en el que estas gotas son tan grandes que su peso no puede ser soportado por el aire en el que flotan y se precipitan, o sea, llueve.

¿Y qué hay del granizo y la nieve? Ambos están formados por cristales de hielo y la única diferencia es el modo en que se forman. Si el aire tiene una elevada concentración de agua (como en el verano cuando hay mucha evaporación) y se enfría muy rápido (como en el verano cuando cambia mucho la temperatura entre las capas de la atmósfera) los trozos de hielo que se forman chocan con gotas de agua que se incorporan rápidamente al hielo en formación y el resultado es una bola amorfa de granizo. Si además la nube es muy alta, el granizo circula de abajo arriba empujado por corrientes que le permiten permanecer más tiempo en la nube y crecer aún más. La nieve sin embargo se forma lentamente. Dentro de la nube hay poca concentración de agua pero el frío es tan estable (típico del invierno) que toda élla existe en forma de peqeños nucleos de hielo que se unen entre sí formando un cristal de nieve. Estos cristales no son hielo compacto como el granizo y por eso solo los vemos en invierno ya que, aunque se formaran en verano, se derretirían en su viaje hasta el suelo.

Ya hemos acabado con la lluvia y el granizo pero ¿Por qué en las nubes se producen rayos?

Ha nacido una nube

Si aún intentáis responder a la pregunta de la semana pasada os voy a dar una pista. Las nubes no son vapor de agua. Y el motivo ya quedó explicado en la entrada anterior. El vapor de agua es transparente y no podemos verlo, las nubes sí podemos verlas, ergo las nubes no son vapor de agua. Pues entonces ¿Qué son?

A veces oímos decir “la humedad relativa en Madrid será hoy del 20%”. Esto nos indica cuánta cantidad de vapor de agua hay disuelto en el aire. Y digo disuelto porque así es, el aire es una disolución de varios gases y se comporta como un vaso de agua al que echamos azucar. Podemos seguir echando azucar y al remover se disuelve desapareciendo a nuestros ojos pero todos sabemos que llega un momento en que ya no “cabe” más azucar disuelta en el vaso de agua. Se dice entonces que la disolución está saturada y si echamos más azucar (o cambian las condiciones de solubilidad) se queda en el fondo del vaso y se dice que “precipita“.

Cuando la humedad del aíre es del 100% ocurre que el aíre está saturado de vapor de agua y ya no cabe más de modo que el agua se condensa en forma de microgotitas (como el azucar en el fondo del vaso) que sí que son visibles (igual que nuestro aliento en el frío o el agua en ebullición) y de esto están formadas las nubes. ¿Significa esto que sólo puede haber nubes con más de un 100% de humedad en el ambiente? Sí pero no. Es necesario que ocurra esto localmente en las cercanías de la nube pero eso no implica que la humedad general del ambiente sea tan elevada. Por eso las nubes suelen formarse en las alturas ya que el aire frío se satura antes que el cálido.

Muchos factores intervienen en la formación de nubes como son la presión y la temperatura del aire y más factores aún intervienen cuando en estas nubes se forman precipitaciones (lluvia, nieve, granizo). Ya sabemos que en la nube hay microgotitas parecidas a las que salen de un spray limpiacristales pero ¿cómo se transforman estas gotitas en las gotas de lluvia? Es decir ¿por qué llueve?.

Invisible aliento

Cuando éramos niños siempre aprovechávamos esas frías mañanas de invierno en que nuestro aliento parecía humo para “hacer que fumábamos”. Quizá alguna vez preguntamos a nuestra madre por qué este fenómeno ocurre solo a bajas temperaturas pero es seguro que su respuesta no nos convencía mucho. La explicación es muy sencilla y seguramente muchos la conocéis pero es que esta semana andaba corto de ideas para el blog. 

La pregunta clave es ¿De qué se compone nuestro aliento? Sabemos que el aire que respiramos esta compuesto de nitrógeno, oxígeno y en menor media argón, helio, CO2 y vapor de agua (dependiendo de la humedad existente). Al respirar nos interesa el oxígeno pero no el resto, de modo que el aire espirado se parecerá mucho al inspirado pero con una concentración menor en oxígeno (que nos hemos quedado nosotros) y mayor del resto de gases. En particular la concentración de vapor de agua es bastante mayor ya que el interior de nuestros pulmones es un medio húmedo y el aire que sale lleva disuelta una buena porción de agua en forma de vapor. De todas formas, si lo que espiramos es tan parecido a lo que inspiramos ¿Qué cambia dentro de nuestro cuerpo para que el aliento se vea al salir pero no al entrar? 

Cambia la temperatura. Hablábamos la semana pasada de la temperatura de nuestro aliento y acordamos que debía rondar los 36º de la temperatura corporal. Cuando la temperatura exterior es similar no pasa nada pero cuando la diferencia es muy grande pueden pasar cosas. Desde luego no le va a pasar nada al nitrógeno ni al oxígeno que son gases ligeros pero el vapor de agua tiende a condensarse a bajas temperaturas.

Muchos estaréis pensando “lo que yo decía, lo que vemos es vapor de agua”, pues no señor. El vapor de agua no se puede ver porque es transparente (como el resto de gases que componen el aire). En caso de duda  “si puedo verlo, entonces no es vapor de agua”. El aliento como humo que vemos en invierno se compone de microscópicas minigotitas de agua que se condensan cuando espiramos y flotan durante unos segundos antes de evaporarse de nuevo. Y ahora que sabéis esto ¿De que están hechas las nubes?

Cálido aliento, gélido soplo.

Si tenemos frío en las manos las calentamos con el aliento pero si la sopa está caliente soplamos para que se enfríe ¿Qué mágica propiedad tiene el aire de nuestros pulmones para modificar su temperatura?

Si dejamos salir el aliento sin más, su temperatura será aproximadamente la del cuerpo humano, es decir, unos 36º y por tanto lo notaremos caliente, esta es la parte fácil. En cambio, cuando soplamos hacemos que el aíre que está en nuestra boca pase por la estrecha abertura de nuestros labios y eso hace que se enfríe ¿por qué? La culpa la tienen cuatro señores: Venturi, Bernoulli, Joule y Thomson.

Primero, sabemos que los labios al soplar representan un estrechamiento. Pues bien, un señor llamado Giovanni Battista Venturi demostró en 1797 que si un gas va por un tubo y, de repente, este tubo se hace más estrecho, esto aumenta la velocidad del gas. Cualquiera que haya puesto su mano en el chorro de aíre de un secador con y sin difusor (que no hace otra cosa que estrechar el tubo) podrá dar fe de este fenómeno. 

Por tanto, ahora tenemos un aumento de velocidad. En un gas en movimiento, mayor velocidad implica menor presión (y viceversa) como demostró el señor Daniel Bernoulli en 1739. Este es el mismo principio que permite volar a los aviones o hacer subir el humo en las chimeneas.

Ahora sabemos que el aire del soplido lleva menor presión. En 1852 James Prescott Joule y William Thomson, primer Barón Kelvin (el de los grados) demostraron que presión y temperatura son directamente proporcionales en un gas. Si acercamos un globo a un mechero, el globo explotará porque el aumento de temperatura hace que suba la presión del gas contra las paredes. De igual modo un descenso de la presión como el producido en el aíre de un soplido al pasar por nuestro labios se traduce en una disminución de la temperatura y por tanto el aire del soplido es más frío. Voilà.

La estrella más luminosa

La semana pasada nos quedó claro que Sirio es la estrella que más brilla en los cielos terrestres y que no es lo mismo el brillo aparente que la luminosidad intrínseca. Entonces ¿Cuál es la estrella más luminosa conocida?

Hace unos años la respuesta habría sido S-Doradus. Esta fue la primera estrella de su clase descubierta y a menudo aún se llama a este tipo de estrellas “Variables S Doradus” aunque más comunmente se les llama variables azules luminosas (LBV en inglés). Se trata de estrellas hipergigantes azules muy masivas. Para hacernos una idea, S-Doradus (que ni siquiera está en nuestra galaxia sino en la Nube Grande de Magallanes) pesa como 60 soles y es igual de luminosa que un millón de ellos.

Claro que S-Doradus es ligera como una pluma y tenue como una cerilla comparada con Eta Carinae. Ésta sí que está en nuestra galaxia y, dependiendo de las fuentes, se le calcula una masa de 120 soles y una luminosidad de 6 millones de soles(!). A pesar de estar a unos 7.500 años luz de la tierra, en abril de 1843 se convirtió en la segunda estrella más brillante del firmamento después de Sirio debido a una cataclísmica erupción que arrojó al espacio una masa equivalente a tres soles y cuya descomunal nebulosa puede apreciarse aún hoy en las fotografías.

Los científicos están convencidos de que el fin de esta estrella está próximo y será violento. Una explosión hipernova que destruirá cualquier cosa que tenga cerca y que desde la tierra (a 71.000 trillones de kilómetros) podrá verse incluso en pleno día brillando con mayor fuerza que la luna llena. Después de eso, solo quedará un agujero negro para recordarla.

Sin embargo tampoco es Eta Carinae la estrella más luminosa conocida. El Hubble descubrió en los 90 Pistol Star, una estrella 10 millones(!!) de veces más brillante que el sol que está hacia el centro de nuestra galaxia a 25.000 años luz. Esta vez el cetro le duró a la nueva reina unos pocos años. En 2004 se descubría la verdadera magnitud de la estrella LBV 1806-20 (vale, el nombre no mola tanto) que es hasta la fecha la estrella más luminosa conocida. El motivo por el que no fue descubierta antes es que se encuentra al otro lado de la galaxia a 45.000 años luz, pero tomando las estimaciones más optimistas se cree que es 40 millones(!!!) de veces más luminosa que el sol.

Por si alguno se lo pregunta, ninguna de estas estrellas es visible a simple vista y aunque hablamos de ellas en presente, teniendo en cuenta la distancia que nos separa, podrían haber explotado hace miles de años y aún no lo sabríamos. Qué curioso ¿verdad?

La estrella más brillante

Le preguntamos a nuestro amigo friki amante de la astronomía qué estrella brilla más en el cielo. La primera pega que nos pone es que el brillo, o magnitud aparente, que tiene una estrella vista desde la tierra es distinto a su luminosidad intrínseca, o magnitud absoluta, y esto se debe a que vemos más brillante un objeto cuanto más cerca esté. ”Existen estrellas – nos dice – muy luminosas que no pueden verse desde la tierra porque están muy lejos y otras parecen brillar mucho porque están muy cerca pero son de luminosidad baja”. Le decimos que vale, que bueno, que lo que queremos saber es cuál brilla más vista desde la tierra y que se deje de zarandajas.

Entonces objeta que en cada estación del año el cielo cambia y en cada latitud no se ven las mismas estrellas de modo que tenemos que repetirle que queremos saber cuál es la estrella más brillante desde cualquier latitud y en cualquier mes del año. Aún le queda una objeción por hacer, “en los cielos nocturnos se ven planetas además de estrellas. Venus y Marte, por ejemplo, son mas brillantes cuando salen que cualquier otra estrella”. “Pero te estamos preguntando por estrellas, merluzo” le respondemos.

Entonces nuestro amigo friki esboza media sonrisa complaciente porque esta respuesta ya se la sabe. “La estrella más brillante es Sirio” nos responde antes de añadir con fatuidad “técnicamente Sirio A ya que su gemela Sirio B es una enana blanca, jejejee”.

Pues ya está la respuesta. Sirio, en la constelación de Can Mayor y visible particularmente en invierno es la estrella más brillante de nuestro cielo pero es una estrella tramposa. En realidad Sirio no es una estrella muy luminosa pero está tan (relativamente) cerca (a sólo 8 años luz) que tiene más brillo aparente que sus compañeras. Por poner un ejemplo, la estrella Deneb que forma el Triángulo de Verano junto a Vega y Altair es una de las estrellas más brillantes del cielo a pesar de estar a unos 3000 (los científicos no se ponen de acuerdo) años luz. Podría tener una luminosidad 250000 veces mayor que el sol y quemar en un día la misma energía que el sol en 140 años.

Arriba y abajo a través del Espejo

Existe la creencia popular de que los espejos invierten las imágenes. Y no sólo es eso, esta inversión es caprichosa y se materializa unicamente entre la izquierda y la derecha pero no de arriba a abajo. Lo explico, si me pongo ante el espejo y saludo con mi mano iquierda, el señor que hay dentro hace el mismo movimiento con su derecha. Sin embargo mi cabeza esta sobre mis pies tanto en la realidad como en el espejo. ¿Por qué? 

Hay una explicación corta que a todo el mundo le parecera absurda y una larga que es tan enrebesada y subjetiva que nadie está de acuerdo con ella. Yo me limitaré a poner una foto y luego me decís lo que opináis. 

Lo que yo opinio es que en esta foto lo que estaba arriba en la realidad está abajo en el espejo y por tanto sí hay una inversión arriba-abajo pero para encontrarla tenemos que poner el espejo en el plano horizontal. 

La explicación larga nos viene a decir que realmente no hay ninguna inversión y que es nuestra percepción de lo que vemos en el espejo quien nos obliga a “girar” ese objeto 180º para comprenderlo y en este giro es donde confundimos izquierda con derecha y arriba con abajo. Seguro que no estáis de acuerdo con ella como ya predije al principio así que os pregunto ¿se invierten las letras en el espejo? Ahí va otra foto.

Como veis, las letras no se invierten por culpa del espejo sino por culpa del giro que damos al papel para “mostrarlo” al espejo. Si escribimos algo en un papel transparente veremos que tanto el reflejo como lo que vemos “a traves” del papel es lo mismo. ¿Comentarios?

De altavoces y teléfonos móviles

Ya sabéis de qué hablo ¿no? Tenemos nuestro móvil cerca de un altavoz o una radio y antes de recibir una llamada o SMS oímos un zumbido característico. ¿De donde viene ese zumbido?

La culpa de todo la tiene la frecuencia. El ser humano puede oír sonidos cuya frecuencia oscile entre los 20Hz y los 20.000Hz y los altavoces están diseñados para reproducir ondas sonoras de esas frecuencias. Al altavoz le llega por el cablecillo una señal eléctrica y él se encarga de convertirla en una señal igualita pero sonora. Ahora bien, si por este cablecillo se cuela una indeseable señal “pirata” y además su frecuencia es la adecuada, el altavoz reproducirá con profesionalidad esta señal. ¿Y cómo es posible que mi teléfono móvil introduzca una señal pirata por el cable del altavoz? Muy sencillo, de igual modo que una antena de TV introduce en el cable de la tele una señal que venía por el aíre. Cuando nuestro móvil se comunica con la estación receptora lo hace emitiendo señales electromagnéticas que se propagan por el aire y al pasar cerca del cable del altavoz inducen en éste señales eléctricas (lo que se dice una antena, vamos). Y con esto ya tenemos la solución del enigma. El cable del altavoz funciona como una antena de las señales que envía el teléfono.

La explicación no está mal pero algún listillo podría argumentar “un colega mío que es teleko me ha dicho que los móviles GSM usan la banda de 900 MHz”. Si esto es cierto, una interferencia de 900 MHz (900000000 Hz) jamas podría oírse en un altavoz que no supera los 20 KHz. Lo que pasa es que, como hay muchos teléfonos, cada uno sólo puede ocupar el canal de comunicaciones unos pocos milisegundos y luego debe cederlo a otro. A esto se llama acceso múltiple por división en el tiempo o TDMA. El resultado es que la señal que al final envía el teléfono esta compuesta de pequeños pulsos con datos y largos ratos de silencio mientras son otros teléfonos los que ocupan el canal. De este modo, la frecuencia final de esta señal baja de los 900 MHz a poco más de 200 Hz (por culpa de los largos ratos de silencio) y es perfectamente audible en el atavoz.

Dos curiosidades más. Los móviles 3G no sufren de estas interferencias porque utilizan CDMA en vez de TDMA en su comunicación con la estación receptora. Si queremos aislar nuestros altavoces basta con recubrir el cable con un anillo de ferrita (un iman, vamos)  como el que llevan los cables USB.

El coche y la mosca

Es una pregunta recurrente que la gente suele hacerse. Cuando uno además ha cursado una carrera técnica, muchos te lo consultan sin importarles que tus estudios versaran sobre propagación de ondas, circuitos electrónicos y programación informática en vez de física y dinámica de fluídos. Me estoy refiriendo a: cuando voy en mi coche a 120 kmph y entra una mosca por la ventanilla ¿Se estampa contra la luna trasera?

Nuestra expriencia nos dice que al dar un acelerón en el coche nuestro cuerpo se incrusta contra el asiento a consecuencia de la inercia. Entonces, una triste mosca que volaba a 1 kmph por el campo también debería sufrir esta inercia y quedar hecha un cromo contra el cristal trasero ¿no? Vaya por delante que la explicación siguiente es una conjetura de un servidor y no está demostrada en absoluto. Para eso está la sección de comentarios más abajo, para que cada uno me confirme o me desmienta.

Yo creo que si la situación se diera en el vacío la mosca se estamparía sin duda alguna contra el cristal (claro que si estuviera en el vacío la mosca no podría volar y la situación sería imposible) pero como el interior del coche está lleno de aire, éste amortigua a la mosca en su fatídico recorrido hacia la muerte en la luna trasera. Al fin y al cabo el aire, igual que el agua, es un fluído que produce rozamiento cuando es atravesado por un cuerpo y se opone al movimiento de este. Como la mosca es muy ligera, el rozamiento con el aire la frena impidiendo su merecida muerte. Nosotros también podemos zambullirnos en una piscina y si la profundidad del agua es suficiente no nos descalabraremos contra el fondo. De un modo similar, una hormiga arrojada desde lo alto de un rascacielos puede sobrevivir a la caída gracias al colchon de aire mientras que usted y yo sufriríamos el quebranto de nuestros huesos contra el suelo. El aire frena menos que el agua pero si el cuerpo en cuestión es ligero puede salvar la vida gracias a él.

 Conclusión, si una mosca entra en tu coche en marcha es muy probable que sobreviva pero si lo que entra es un buitre de Rupell o un águila real, es casi seguro que tendrás que cambiar la luna trasera.