Nostalgia

Antigua balsa de riego situada en Cehegín (MURCIA)

Hace como 30 años, quizá alguno más, muchos grupos de niños y niñas nos bañábamos en esta balsa de riego. “La balsa triangular” la llamábamos. El chapuzón venía justo después de pasar un largo rato enviscándonos hasta las cejas en unas balsas de lodo de corte y pulido de mármol de una empresa adyacente. A las “arenas movedizas”, decíamos que íbamos, a ver quien era más valiente (o insensato, según se mire) y se adentraba más en las balsas de lodos de mármol. Después, con bambos y ropa incluida, nos zambullíamos en la “balsa triangular” para intentar limpiar el lodo de nuestro cuerpo y ropa, con la esperanza de que tras el secado al sol no quedase rastro ninguno que revelase a nuestros padres aquel juego, digamos, no muy seguro.

 

Han pasado muchos años. La zona, antes repleta de árboles frutales, es ahora un secarral. Y la balsa en la que nos limpiábamos y refrescábamos, sirve de papelera donde otros jóvenes ahora arrojan latas vacías y demás basura. Caminando hoy por este lugar la nostalgia es inevitable.

 

Es curioso cómo nuestro cerebro procesa ciertos recuerdos. Recuerdos de vivencias que hoy percibimos como únicas, maravillosas e irrepetibles, y que dan lugar a la sensación de que “todo tiempo pasado fue mejor”. Desde luego no creo que esto sea cierto en lineas generales, sino que tendemos a idealizar los buenos momentos del pasado, quedando como recuerdos que provocan un anhelo motivado por el hecho de que sabemos que esas vivencias no podrán volver a ser vividas. Pero el presente tiene sin duda también vivencias únicas, maravillosas e irrepetibles, solo que son presente y aún no pasado. 

¿Por qué la Luna no cae sobre la Tierra?

¿Por qué la Luna no cae sobre la Tierra? Una pregunta que, en principio, puede parecer ingenua. Una pregunta “infantil”, y es que... ¿acaso no te lo has preguntado en tu niñez? Una pregunta, que como muchas de las preguntas ingenuas, esconde mucho más de lo que parece. En esta entrada le daremos respuesta y descubriremos que tiene un poco de trampa… Pero vayamos por partes. 

Seguro que sabes lo que es la acción de la gravedad. Todos la sentimos en nosotros mismos (nuestro peso) y vemos su efecto todos los objetos, en todo lo que nos rodea. Sabes muy bien lo que pasa si sostienes en tu mano un objeto a cualquier altura y lo sueltas. Sin embargo, puedes observar como la Luna cada noche permanece ahí, como "sostenida mágicamente” en el espacio, como si alguna fuerza o especie de "ente" la sostuviese ahí para que todos pudiésemos contemplar su belleza. ¿Por qué no cae sobre la tierra?

Una pregunta similar pudo hacerse Isaac Newton en el siglo XVII.  Con permiso de Einstein, podemos decir que Newton es el científico más grande de todos los tiempos. Estableció las bases de la mecánica clásica, fuerzas, movimiento, la ley de la gravitación universal, desarrolló trabajos sobre la naturaleza de la luz y la óptica, desarrolló el cálculo matemático, la mecánica de fluidos... ¿Alguien da más?

Pues bien,  Newton postuló en su Ley de la Gravitación Universal, que dos cuerpos se atraen entre sí mediante una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de su distancia. Es decir, que cuanto más masivos, más "gordos", son los objetos y más cerca se encuentran, mayor es la atracción entre ellos. La expresión es la siguiente:´

Ley de la Gravitación Universal de Newton. F es la Fuerza de la Gravedad, G una constante (constante gravitatoria), m1 y m2 las masas de los dos cuerpos y r la distancia entre ellos.

De esta manera, en este momento y continuamente, estás siendo atraído por la Tierra con una fuerza con un valor dado según la expresión de la ley. De esta manera, según podemos deducir de la ley, esa fuerza será menor conforme te encuentres a una mayor altitud, ya que la distancia (r) es mayor. Así es que ya sabes, una buena forma de adelgazar puede ser subir a algún pico de gran altitud ;-) 

Pues bien, al igual que te ocurre a ti, la Luna también se siente atraída por la Tierra. Volvemos a la pregunta título de la entrada, pero entonces ¿Por qué no cae ésta sobre la Tierra? Bueno, la verdad es que, la Luna no deja de caer sobre la Tierra. ¿Cómo? ¿Qué cae continuamente sobre la Tierra? Pero entonces ¿por qué no ha colisionado con la Tierra? Esta última es la pregunta a la que vamos a dar respuesta, ya que como has visto, la primera pregunta tenía trampa. Para buscar la respuesta realizaremos un experimento mental, con la inestimable ayuda de nuestro superhéroe favorito: Superman. Superman siempre está dispuesto a echar una mano.

El experimento es el siguiente: Superman deberá ir haciendo diferentes saltos cada vez cogiendo un mayor impulso inicial, de tal manera que justo después del salto no deberá utilizar sus superpoderes para volar ni hacer nada, simplemente dejará el “cuerpo muerto” a merced de las leyes de universo.

En los primeros saltos, tal y como todos deberíamos esperar, cae a una cierta distancia de donde realiza el salto. ¿Por qué? Bueno, Superman es Superman, pero por muchos poderes que tenga a él también le afecta la acción de la gravedad terrestre. 

Conforme va repitiendo el experimento con mayor impulso inicial, Superman irá cayendo a una mayor distancia en la Tierra... hasta que llega un punto en el ya no colisiona con la tierra!! (y recuerda: no puede utilizar sus poderes para mantenerse ahí). ¿Quiere decir esto que ya no está cayendo? Ni mucho menos, la acción de gravedad sigue ahí, Superman no deja de caer hacia la tierra. ¿Qué es lo que ocurre entonces? Bueno,  si la Tierra fuese plana e infinita, tarde o temprano acabaría cayendo, más tarde o más temprano dependiendo del impulso inicial. La clave está en la forma de Tierra: Superman no para de caer pero debido a la curvatura de la Tierra se va manteniendo a la misma altura. Superman no para de caer, pero la trayectoria que va describiendo tiene la misma curvatura que la de la Tierra. ¡Hemos puesto en órbita a Superman!

Pues esto es precisamente lo que le pasa con la Luna. Ésta no para de caer, pero debido a la esfericidad de la Tierra, se mantiene en órbita alrededor de ella. Y no solo la Luna, por supuesto, sino a todos los objetos en órbita. Los planetas alrededor del sol, los satélites artificiales, la estación espacial internacional, incluidos por supuesto también los astronautas de la misma.

Ahí los ves, tan felices “flotando”. Felices supongo que estarán, pero ya sabes que flotando desde luego no. Y es que no paran de caer hacia la Tierra, tal como no paraba de caer en nuestro experimento Superman. De esta manera los astronautas en la estación internacional no es que se encuentren en ingravidez, no es que no se sientan atraídos hacia la Tierra, no dejan de caer hacia la Tierra, es el principio de equivalencia. Si no sintieses la fricción del aire contra tu cuerpo, lo que experimentarías en un salto de caída libre es exactamente lo que experimentan los astronautas en la estación internacional. Los astronautas no paran de caer, pero debido a la capacidad de adaptación de nuestro cuerpo, al tiempo dejan de sentir esa sensación de caída libre.

La próxima vez que veas la Luna una noche, recuerda que ésta no para de caer hacia la Tierra. Ahora bien, ya sabes que puedes estar tranquilo, pues por mucho que esté en caída libre no hay peligro de colisión con nuestro hogar.

Ya sabemos la respuesta a la pregunta que da título a la entrada. Pero profundicemos un poco más en algunas cuestiones.

Imagina que colocamos, que hacemos aparecer por arte de magia, en un instante  dado, un satélite como la Luna a una cierta distancia de la Tierra. Que lo hacemos aparecer de la nada y lo colocamos ahí, inmóvil respecto de la Tierra. ¿Qué ocurriría entonces? Pues en este caso la colisión sería inevitable... Pasaría lo mismo que pasa cuando dejas caer, por ejemplo, una pelota desde lo alto de un edificio.

¿Pero entonces que pasa con todo lo que hemos hablado hasta ahora? Hay un detalle fundamental que diferencia esta situación de las otras. Y es que tanto la Luna, como los satélites artificiales, como la estación internacional, tienen un componente de velocidad tangencial a la trayectoria circular que hace que se mantenga la órbita.  

Así, la combinación de estas dos componentes (velocidad tangencial y gravedad), es lo que mantiene la órbita alrededor de la Tierra. Si quitásemos la componente "velocidad tangencial", la Luna caería sobre la Tierra, y si pudiésemos hacer desaparecer la componente de la gravedad, la Luna saldría disparada en la dirección y sentido indicado por la velocidad tangencial.

Es lo que hemos visto en nuestro experimento con Superman. La velocidad tangencial de los satélites artificiales proviene del impulso inicial (de igual manera que el de Superman en nuestro experimento). De esta manera, si ese impulso inicial fuese demasiado grande, si la velocidad inicial fuese muy grande, podríamos hacer que el objeto escapase de la acción de la gravedad terrestre, iniciando un viaje por el sistema solar. A ese valor límite de la velocidad a partir del cual un objeto es capaz de escapar de la acción de la gravedad terrestre se denomina velocidad de escape.



Vale, ¿y la Luna o los planetas girando alrededor del sol? ¿Quién les dio ese impulso inicial? En este caso piensa que los planetas, satélites, etc. no aparecieron de repente de la nada, ya tenían diferentes velocidades relativas entre ellos. Estos objetos se fueron formando a partir del material que giraba ya alrededor del sol y que se fue acumulando hasta la formación de los diferentes planetas, lunas, etc.

De esta manera, la increíble y incesante danza cósmica de los planetas alrededor de una estrella, de asteroides, de satélites, de sistemas estelares y el centro de las galaxias a los que pertenecen, de galaxias entre sí, de cúmulos de galaxias, etc. en definitiva de todos  cuerpos celestes del Universo, se ve gobernada por la increíble acción de la gravedad.

La física detrás de una llama

Fotografía de las Fallas de Valencia aparecida en el periódico El Mundo el 20/03/2012

¿Quién no se ha quedado hipnotizado delante de una chimenea observando un fuego?

Desde que se conoce, el fuego nos ha fascinado. Sin embargo, y a pesar de ser un hecho tan cotidiano y usual, no fue hasta el siglo XX hasta que pudimos comenzar a entenderlo. ¿Te has parado a pensar en qué es realmente el fuego? ¿Por qué nos ilumina? ¿De qué está formado? Piensa por un momento en ello, la cuestión no es tan sencilla como podría parecer en un primer momento… Y es que, como suele suceder con multitud de hechos cotidianos, cuanto más intentas profundizar en ellos, más complicados y sorprendentes resultan.

En esta entrada intentaremos dar respuesta a estas preguntas, intentaremos adentrarnos en la estructura íntima de las llamas de un fuego para entender su realidad más profunda. Vamos allá!

En la antigüedad el fuego se consideraba como uno de los cuatro elementos de los que se creía que estaba formado todo los que nos rodea: agua, tierra, aire y fuego. Se pensaba en el fuego como una parte material contenida en algunas sustancias que se manifestaba en determinadas circunstancias. Por ejemplo, se consideraba que un trozo de madera contenía en su interior fuego, y éste era liberado al hacer arder la madera. Aunque esta idea fue abandonada en el siglo XVIII, tenemos que esperar hasta el siglo XX, cuando se avanzó en el entendimiento de la naturaleza atómica de la materia gracias al nacimiento de la física cuántica, para poder comprender realmente las características del fuego, cómo y por qué se produce.

El fuego se produce en los procesos de combustión, es decir, en reacciones químicas en las que los reactivos: combustible (por ejemplo gas natural) y comburente (normalmente oxígeno), reaccionan entre sí para formar unos productos, (siguiendo el ejemplo, dióxido de carbono y vapor de agua), desprendiendo en el proceso cierta cantidad de energía.

Reacción de combustión del metano: el metano reacciona con el oxígeno para producir dióxido de carbono y vapor de agua, con un desprendimiento de energía.

Veamos el proceso de combustión de nuestro ejemplo desde un punto de vista energético: todo en el Universo tiende a estar en su mínimo de energía, pues bien, en la reacción de combustión los reactivos (en el ejemplo anterior metano y oxígeno) se encuentran en un cierto nivel de energía, nivel éste con un valor más alto que el nivel al que se encuentran los productos (dióxido de carbono y agua). Por tanto, al producirse la reacción el sistema ha pasado de un nivel de energía mayor a otro menor. Como la energía no puede crearse ni destruirse, esta diferencia de energía en el sistema es la que se desprende en la reacción. Por otro lado, todos sabemos que si tenemos gas metano, en condiciones habituales no comienza su combustión. Necesitamos aplicar un cierto valor de energía para que el proceso comience: es la energía de activación (ésta podría ser por ejemplo una chispa, para el ejemplo que estamos viendo). Eso sí, una vez la combustión comienza, la energía producida "retroalimenta" a la misma produciéndose la reacción en cadena. 

Así pues, en las reacciones de combustión se desprende una cantidad de energía, que recordamos, es una magnitud física capaz de producir un trabajo. Podríamos hacernos la siguiente composición mental del proceso de combustión: moléculas de reactivos chocan con la velocidad suficiente para romper sus enlaces, quedando los átomos "libres" y produciéndose una recombinación entre los mismos formando de esta manera nuevas moléculas. Como el nivel energético de los nuevas moléculas es menor que el de los reactivos, se desprende una gran cantidad de energía.

La siguiente pregunta que debemos plantearnos ahora es: ¿Y a dónde va a parar esa energía? Bien, pues básicamente la energía desprendida es absorbida por las sustancias presentes en el medio, y esta absorción de energía es la responsable de la aparición de llamas en un fuego, son la causa de que se produzcan las mismas. Vamos ya a adentrarnos en los fenómenos físicos que provocan las llamas.

La energía que se va desprendiendo en la reacción de combustión es absorbida por las especies presentes en el medio provocando los dos fenómenos responsables de la llama: la incandescencia y la luminiscencia.

Por un lado, el aumento de energía de las especies presentes en el medio de reacción de combustión no puede producirse indefinidamente, es decir, la energía no puede aumentar hasta el infinito. La energía que van adquiriendo las sustancias, por otro lado es devuelta al medio en forma de radiación térmica. Explicaremos esto mejor. Piensa en el siguiente ejemplo: imagina un objeto que colocamos al sol durante una semana. Cuando el objeto va absorbiendo ondas que le llegan del sol, se produce un aumento de su energía y con esta, de su temperatura. Pero resulta obvio que la temperatura no aumenta indefinidamente día tras día, por lo que la energía que va adquiriendo por otra parte debe ser devuelta al medio, y es devuelta en forma de radiación térmica. Esto quiere decir que todo cuerpo que se encuentra por encima del cero absoluto de temperatura emite una radiación electromagnética, una radiación que depende de la temperatura a la que se encuentre. Todo cuerpo con temperatura emite radiación térmica. Todo lo que nos rodea está emitiendo radiación, porque está a cierta temperatura, pero normalmente emite una radiación que no corresponde con las ondas del espectro visible visible, por lo que no podemos verla. Sin embargo, si la temperatura alcanza valores lo suficientemente altos, esa radiación comienza a corresponder con el espectro visible. Todos lo hemos visto cuando se calienta un metal "al rojo", o por ejemplo en los filamentos de wolframio de las antiguas bombillas: es el fenómeno de la incandescencia.

Vaya, pues esto se parece bastante al fuego… Y tanto que se parece! La incandescencia es el principal fenómeno físico que hace que las llamas de un fuego "brillen". 

En los procesos de combustión hay partículas que no completan el proceso de combustión: son los inquemados. Pues en concreto, estas pequeñas partículas inquemadas presentes en el medio, y que formarán las cenizas o el humo del fuego, se encuentran a altas temperaturas en suspensión en el interior de las llamas, produciendo el  típico color amarillo y naranja de las llamas por ejemplo de una hoguera. 

De esta manera, dependiendo de la temperatura a la que se encuentran esas partículas incandescentes, la radiación emitida es de un color diferente.

Color de la radiación emitida por el fenómeno de incandescencia en función de la temperatura medida en grados Kelvin.

Así pues, en un fuego en una chimenea donde quemamos madera por ejemplo, la llamas están formadas por miles de pequeñas partículas que se van formando en la reacción pero no terminan de completar la combustión y que debido a la temperatura emiten luz principalmente en el amarillo y naranja. Estas pequeñas partículas, van ascendiendo en la masa de gas caliente, disminuyendo su temperatura en el ascenso, hasta un valor en el que ya no produce emisión de radiación térmica en el espectro visible y cesa el fenómeno de luminiscencia, conformando de esta manera los límites de las llamas.

Así pues, las llamas de un fuego son principalmente la manifestación del conjunto de partículas incandescentes en movimiento caótico en el seno del mismo, emitiendo luz en el espectro visible. Los límites de la llama se conforman cuando las partículas dejan de estar a la temperatura suficiente como para emitir luz en el visible. Por tanto, en una llama habitualmente el tiempo durante el cual una partícula se encuentra en estado incandescente suele ser corto, sin embargo, el proceso de combustión va generando nuevas partículas incandescentes lo que hace que la llama se mantenga "viva". Es decir, la llama no está formada por un mismo conjunto de partículas que permanecen ahí, sino que está formada por el flujo continuo de nuevas partículas incandescentes.

Hasta aquí con la incandescencia, pero además de este fenómeno, hay otro que también puede producirse en la combustión, y que al igual que anterior también produce la emisión de luz: la luminiscencia.

Seguro que has observado alguna vez fuegos de diversos colores, sin ir mas lejos todos lo hemos visto en los fuegos artificiales. 

Pues estos colores son producidos por el fenómeno de luminiscencia, y para poder entenderlo tenemos que adentrarnos en la estructura electrónica de los átomos:

Los electrones de un átomo se organizan situándose en diferentes regiones del espacio en lo que denominamos orbitales atómicos (regiones del espacio donde hay una mayor probabilidad de encontrar a los electrones). A cada orbital le corresponde un nivel de energía diferente, mayor cuanto más alejado se encuentra del núcleo atómico. Pues bien, si un electrón situado en un orbital recibe una cierta cantidad de energía, puede producirse un "salto cuántico" del electrón a un orbital superior, de energía mayor. Pero claro, hemos dicho que todo en el Universo tiende a estar en su estado de mínima energía, por lo que el electrón vuelve a caer al orbital original, de menor energía, emitiendo ahora una onda electromagnética con una energía que correspondiente a la diferencia de energía entre los dos orbitales. Esta onda se emite en forma de luz con un color específico que depende precisamente del valor de esa diferencia de energía. Como la distribución de electrones, la configuración electrónica, es diferente para cada elemento de la tabla periódica, diferentes elementos darán lugar a diferentes ondas absorbidas y emitidas, es decir, luz de diferente energía que se traduce en distintos colores. 

Los espectros atómicos son las diferentes ondas electromagnéticas que pueden ser absorbidas y emitidas por un átomo de un elemento en estado gaseoso. Estas diferentes ondas se corresponden con sus correspondientes colores

Espectro visible. Los diferentes colores corresponden con diferentes longitudes de onda, que están relacionadas con la energía de las ondas electromagnéticas.

De esta manera, si añadimos diferentes elementos químicos a una llama, parte de la energía producida en la combustión es absorbida por los átomos produciendo estos saltos cuánticos y dando lugar a la emisión de diferentes radiaciones electromagnéticas, diferente luz de diferentes colores, en función del elemento añadido.

Y éstas, la incandescencia y luminiscencia, son las responsables de la emisión de luz de una llama. Así pues, ya hemos visto de lo que está formada una llama, cómo se produce y por qué emite luz. 

La próxima vez que estés delante de una chimenea observando un fuego piensa en su estructura más íntima. Piensa en los incontables saltos cuánticos de electrones entre orbitales, en la ingente cantidad de fotones que estos saltos producen y cómo al llegar a tus ojos tu cerebro los interpreta como diferentes colores. Piensa también en el incesante baile caótico de millones de partículas incandescentes que ascienden y conforman la llama, como éstas van perdiendo temperatura y con ella su poder luminoso, y sin embargo como la llama se va manteniendo viva gracias a la incorporación de nuevas partículas incandescentes. La próxima vez que estés delante de una chimenea observando un fuego piensa en todas estas cosas y entenderás por qué no puedes apartar la mirada del mismo.