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Archivo de la categoría: Física

Estamos sincronizados.

El otro día me llegó un enlace con las mejores películas de animación para adultos, y me sorprendió ver entre ellas, una que vi hace mucho tiempo y que apenas recordaba, titulada “La tumba de las luciérnagas” de Isao Takahata (1988). Si no la habéis visto advertiros que es un dramón,….pero bueno,…el tema es que esto me hizo recordar el tema de la sincronización de las luciérnagas y me propuse escribir algo sobre ello en el blog.

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Lo que se llama sincronizaciones espontáneas se producen en miles de situaciones. Seguro que muchas veces habéis ido a un espectáculo y al aplaudir, te has dado cuenta de que, de manera sorprendente, y a pesar de tener mejor o peor oído para la música, todo el mundo aplaude a la vez de forma “sincronizada”. Si te fijas, lo mismo ocurre con los grillos y sus chirridos o los pulsos de luz que emiten las luciérnagas macho para atraer a las hembras. En otra escala, e incluso involuntariamente o sin tener conciencia de ello, se producen fenómenos similares con las células del corazón, las cuales se ponen de acuerdo para producir los látidos, o incluso, el ciclo menstrual de las mujeres, se pone de acuerdo cuando conviven mucho tiempo juntas, lo que se llama “Regulación Social de la Ovulación”.

Este fenónemo también podemos encontrarlo en la rotación de la Luna sincronizada con su revolución alrededor de la Tierra, lo que hace que siempre veamos la misma “cara” de la Luna y la forma de los anillos de Saturno.

Anillos de Saturno

¿Cómo ocurre todo esto?. El descubrimiento se lo debemos al físico y astrónomo holandés del siglo XVII Christian Huygens, quien en una ocasión estando enfermo de gripe en 1665 y convalecía en su cuarto, se fijó en dos relojes de péndulo que él mismo había construído y que tenía colgados en la pared del dormitorio (por cierto, el reloj de péndulo es un invento suyo), estaban perfectamente sincronizados, lo que llamó poderosamente su atención, ya que con sus conocimientos, sabía que esa circunstancia debida al azar, era muy extraña. Entonces deció pararlos y volverlos a lanzar de manera que su oscilación estuviera desfasada,..pero al poco tiempo, se dió cuenta de que ambos péndulos oscilaban de nuevo al unísono. Pensando, decidió variar el experimento y cómo el único nexo de unión entre ambos relojes era la pared, cambió uno de ellos a otra pared y los volvió a parar y arrancar cada uno a un ritmo. Con el paso del tiempo, los relojes seguían oscilando cada uno a su ritmo, por lo que dedujo que el acoplamiento anterior de los relojes se debía a la pared.

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De este experimento, ya en el siglo XX surge la rama de la Física llamada “Teoría de los Osciladores Acoplados”. Cada uno de los relojes de Huygens es un oscilador. Lo rudimentario de sus mecanismos hacía que cada uno tuviera una frecuencia de oscilación diferentes dependiendo de los parámetros de construcción del péndulo, como su peso, su longitud, etc), realizando el recorrido de ida y vuelta en un tiempo ligeramente diferente. La pared era el elemento que hacía que el acoplamiento entre los relojes estuviera sincronizado. La oscilación de uno de los péndulos provoca una vibración que se transmite por la pared e influye en el movimiento del otro y viceversa. En un tiempo relativamente corto (dependiendo de la rigidez de la pared), ambos osciladores se sincronizarán.

Fenómenos similares ocurren en la naturaleza. Las luciérnagas macho poseen una especie de oscilador natural que les permite “encender y apagar” el proceso bioquímico que genera luza en su abdomen. Al juntarse cientos o miles de estos insectos, todos logran sincronizar sus “osciladores” internos y emitir pulsos de luz al mismo tiempo.

Sincronización luciérnagas

El ciclo menstrual de las mujeres se sincroniza con el de sus compañeras si pasan mucho tiempo juntas, producto de estar expuestas a las feromonas del sudor del resto de compañeras. Se debe a que las mujeres pueden influir sobre la hormona luteinizante (LH), máxima encargada de producir la ovulación, retrasando o adelantando su concentración máxima. La hipótesis que se baraja reside en un vestigio evolutivo de la époco prehistórica que, para una reproducción eficiente, era esencial para la supervivencia de la especie humana que todas las mujeres se sincronizaran. http://Martha McClintock (1971)

Lo mismo ocurre con las ondas cerebrales o nuestro corazón, cuyo tejido cardíaco, formado por ciento de miles de células musculares que tienen la capacidad de oscilar. Si cada una oscilase en su propia frecuencia, el resultado sería un músculo cardiaco inmovil (las oscilaciones individuales se cancelarían entre sí). Sin embargo, como ocurre con los relojes de Huygens, el acoplamiento “mecánico” les permite sincronizar sus oscilaciones de manera que podemos escuchar una única oscilación colectiva como un único latido perfectamente definido.

Referencias:

Ciencia Popular
Neoteo: La física de la sincrionización
Biografía de Huygens
Sincronización
Sincronía menstrual y suspensión
Silencio en el Santuario de las Luciérnagas
Descubren por qué se sincronizan los relojes de péndulo cuando están juntos

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Física del Arco Iris

Después de mucho tiempo alejado de la Física (por motivos laborales y a pesar de lo que me gusta), he decidido ponerme a refrescar un poco mis olvidados pocos conocimientos y la mejor forma para empezar a hacerlo, he pensado que era leyendo libros de divulgación sobre los temas más atractivos o controvertidos.

En los últimos días he adquirido unos pocos libros que están ahora “de moda” en las librerías. Entre ellos, uno de los que más me atrajo desde el principio, ha sido uno de un prestigioso profesor de Física del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), cuyas clases de física se han convertido en grandes éxitos en Youtube debido a la pasión que las pone y las demostraciones que hace en sus propias clases. Para el que todavía no sepa quien es,..su nombre es Walter Lewin y el libro al que me refiero es: “Por amor a la Física”.

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En este libro se explican cosas curiosas como por qué medimos más tumbados que de pie, como funciona una pajita de beber o que relación tiene el tamaño del fémur con la masa de un mamífero. Pero, sin duda, el tema que más me ha gustado ha sido el que da título a esta entrada.

UN POCO DE HISTORIA:

El arco iris, en la mitología antigua, eran llamados el arco de los dioses, y se consideraba el puento o camino entre las moradas de los mortales y las de los dioses.

El primero que trató de explicar racionalmente la aparición del Arco iris fue Aristóteles, proponiendo que era una clase especial de reflexión de la luz solar por las nubes. En 1266 Roger Bacon midió por primera vez el ángulo que forman los rayos del arco iris y la luz solar incidente, obteniendo un resultado de 42º. En 1304 el monje alemán Teodorico de Freiberg rechazó la hipótesis aristotélica de que el arco iris resultase de la reflexión colectiva por las gotas de agua con una nube, proponiendo en cambio que cada gota individual era capaz de producir un arco iris, comprobándolo mediantes experimentos realizados con una gota aumentada.

Tres siglos más tardes, Descartes, redescubrió lo que había había dicho Teodorico siguiendo el mismo método. Ambos comprendieron que todos los rasgos fundamentales del arco iris pueden ser explicados examinando la luz que pasa por una gota única.

En 1666 Newton, con sus experimentos sobre prismas, explicó unas de las características más visibles del arco iris: los colores. Dichos experimentos, demostraron, no solamente que la luz blanca es una mezcla de colores, sino también, que el índice de refracción difiere para cada color, efecto llamado dispersión.

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Partiendo de sus mediciones, Newton, en su obra Opticks de 1704 calculó que el ángulo de arco iris es de 137º58′ para la luz roja y de 139º43′ para la luz violeta (hay que darse cuenta, que hoy en día, se acostumbra a medir esos ángulos en la dirección opuesta a la que lo hizo Bacon en 1266, atendiendo al cambio de dirección de los rayos de sol procedentes del Sol.

FÍSICA:

El arco iris en el cielo es una colaboración exitosa entre el Sol, una infinidad de gotas de lluvia y tus ojos observando esas gotas justo desde los ángulos apropiados. Recuerda, que todo lo que voy a contar para una sóla gota de lluvia se aplica a innumerables gotas que componen el arco iris. Por lo tanto, para poder ver un arco iris siempre se deben de cumplir tres condiciones:

1) El Sol debe estar a tu espalda.
2) Tiene que haber gotas de lluvia en el cielo delante de ti (pueden ser kilómetros o centenares de metros)
3) La luz debe llegar a las gotas de lluvia sin obstáculos, es decir, sin nubes.

Cómo hemos dicho anteriormente, cuando un rayo de luz penetra en una gota de agua, al igual que lo hace en un prisma, se refracta, es decir, se separa o desvía en todos los colores que componen la luz. Por orden del que menos se refracta al que más sería:

Colores

1) Rojo: de 625 a 740 nm
2) Naranja: de 590 a 625 nm
3) Amarillo: de 565 a 590 nm
4) Verde: de 520 a 565 nm
5) Azul: de 450 a 500 nm
6) Añil: de 430 a 450 nm
7) Violeta: de 380 a 430 nm

Admitiendo que las gotas de lluvía sean esféricas, todos estos rayos de colores continúan su camino por el interior de la gota de lluvía. Parte de la luz sale de la gota de lluvia, pero otra parte se refleja (rebota). De hecho, parte de la luz, se refleja más de una vez. Cuando la luz sale por la parte anterior de la gota, parte de ella se refracta de nuevo, separándose aún más en los diferentes rayos de colores.

Una vez que estos rayos de luz se refractan, se reflejan y vuelven a refractarse cuando salen de la gota de lluvia, llevan, prácticamente, la dirección opuesta a la inicial.

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Para que veamos el arco iris, el ángulo que forma la luz roja al salir de la gota nunca supere los 42º respecto a la dirección original de la luz que entra en ella.

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Todo esto sucederá para todas las gotas, ya que, para efectos prácticos, el Sol se encuentra a una distancia infinita.

Por otro lado, como se ha visto en el gráfico anterior, algunos de los rayos que penetran en la gota, se reflejan una sola vez, pero, sin embargo, hay otros que lo hacen dos veces antes de salir. Esto es lo que se llama arco iris doble. Realmente, casi siempre hay dos arco iris en el cielo: el llamado arco primario y el arco secundario.

Este arco iris secundario es mucho más tenue que el primario y si has podido verlo y te fijas, el orden de los colores de este arco secundario están invertidos respecto al primario, debido al rebote adicional dentro de la gota.

Ya para finalizar, os muestro unas imágenes de un arco iris tomada desde la ventana de mi casa. Sé que las hay mejores, más bonitas y más nítidas, pero estas las he hecho yo con mi cámara y me apetecía ponerlas :-P. En la segunda, se puede apreciar el arco iris secundario.

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Os dejo también un vídeo de la clase del citado profesor Walter Lewin en la que explica todo esto del arco iris y más(eso sí,..está en inglés 😦 ).

Hasta pronto!!.

BIBLIOGRAFÍA:

* “Por amor a la física”, Walter Lewing con Warren Goldstein.

* Dispersión de la Luz

* Teoría del Arco Iris

* Video clase de Walter Lewin sobre el Arco Iris (en inglés)

* érase una vez Niels H. Abel y Evariste Galois

 

El mayor espectáculo del mundo: Las Auroras Boreales.

Desde pequeño, mi gran ilusión, ha sido siempre viajar a los Fiordos Noruegos para poder presenciar en directo, lo que para mí, es el mayor espectáculo del mundo: Las Auroras Boreales.

A día de hoy, sigo asombrándome con sus preciosas imágenes y cada día tengo más ganas de verlas. Ahora, sólo me falta, “engañar” a alguien para que me acompañe, pasando un poco de frío (unos -25º más o menos),..y ahorrar un poco para poder ir (que el viaje a esas tierras sale bastante carillo).

Hoy han llegado hasta mí, otras impresionantes imágenes de la Aurora Boreal de la revista Abadía digital. Esta vez, se trata de unas imágenes en formato time-lapse del fotógrafo Terje Sorgjerd en el pequeño pueblo noruego de Kirkenes.

The Aurora de Terje Sorgjerd en Vimeo.

Las auroras boreales o luces del norte,  se forman cuando el viento solar, que recorre todo el Sistema Solar, reforzado con partículas subatómicas, choca contra el campo geomagnético, la magnetosfera (región del espacio donde queda confinado el campo magnético terrestre y que actúa como escudo protector ante buena parte de las partículas cargadas de la radiación cósmica) y la ionosfera. El Sol emite constantemente y en todas las direcciónes un flujo de partículas cargadas que tarda 4 o 5 días en llegar a la Tierra. Estas partículas: protones y electrones que se llaman plasma, colisionan con las moléculas de gas de las atmósfera, excitándola, desexcitandola después y produciendo luminiscencia.  La aurora se produce en la ionosfera (90 a 110 km de altura).

Una aurora boreal comienza con un brillo fosforescente en el horizonte. Este brillo disminuye, pero vuelve a intensificarse. Es entonces cuando aparece un arco iluminado, que a veces se cierra en forma de círculo (corona boreal) muy brillante, con centro en el meridiano magnético; que se eleva en el cielo. A continuación, nuevos arcos iluminados aparecen y siguen al primero. Pequeñas ondas y rizos se mueven a todo lo largo de estos arcos.

En cuestión de unos pocos minutos, se observa un gran cambio en el cielo. Un bombardeo de partículas golpea a la atmósfera superior, fenómeno que recibe el nombre de subtormenta auroral (en Inglés, auroral sub-storm.) Rayos de luz caen del espacio, formando cortinas que se expanden en el cielo, cuyos bordes superior e inferior están coloreados de violeta y rojo. Sus colores también pueden mezclarse, o entretejerse unos con otros.

Las cortinas desaparecen y vuelven a formarse a partir de nuevos rayos de luz. Un observador puede mirar directamente sobre su cabeza y observar entonces rayos dirigiéndose en todas direcciones, formando lo que se llama corona auroral.

Luego de 10 o 20 minutos, el bombardeo termina y la actividad decrece. Las bandas de luz dejan de propagarse y se desintegran en una luz difusa que se extiende por todo el cielo.

Las que se presentan en las inmediaciones del Círculo Polar Ártico se llaman auroras boreales, y las del Antártico, auroras australes. Las auroras son más frecuentes en primavera y en otoño.

Os dejo alguna página por si queréis más información o para ver más imágenes.

El rincón de la ciencia

Los 10 mejores sitios para ver la Aurora Boreal

Zona Gratuita

Ciencia Popular

Volando junto a la aurora

 
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Publicado por en 29/03/2011 en Ciencia, Física, Lugares, Meteorología, Naturaleza

 

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Física de la bicicleta (II)

Una vez hecha la introducción,..vamos al “tema del apotema”.

Empezamos por un poco de historia. Ya en el S. XV, el genial Leonardo Da Vinci se adelantó 400 años y en su obra “Codex Atlanticus” podemos ver los primeros dibujos que recuerdan a lo que  es la bicicleta actualmente. No será, sin embargo hasta 1880 cuando aparece la primera bicicleta (de ruedas bajas), que tuvo su predecesor en el llamado celerífero de 1790.  Llegando a popularizarse en la Exposición de París de 1889 (la de la Torre Eiffel) donde fue definida como: “el hada mecánica que multiplica los poderes del hombre”.

Boceto de la bicicleta de Leonardo Da Vinci

Boceto de la bicicleta de Leonardo Da Vinci

En el campo de la física y la Ingeniería, la bicicleta tienes mucha cosa que enseñarnos también.  Cada uno de los elementos que tiene (cuadro, marchas, cadena de transmisión, frenos, piñones, ruedas, neumáticos, dinámo,…), pese a su simple apariencia, encierran un montón de geniales ideas de diseño, física, ingeniería e innovación de materiales que convierten a la bicicleta en el vehículo de locomoción más ecológico, sencillo y saludable que conocemos hoy en día.

Intervienen varias fuerzas, como se puede ver en este blog:

  • La fuerza de la gravedad: El peso del ciclista y de la bicicleta es una fuerza que ejerce la Tierra sobre ambos y que actuan verticalmente y hacia abajo produciendo una acción sobre el suelo. P = mg, donde m es la masa en kg y g es la intensidad de la gravedad, aproximadamente 10 Newton/kg. Por ejemplo a un ciclista que con su bicicleta tuviera una masa de 100 kg le corresponderá un peso de 1000 N.
  • Las fuerzas de reacción: El suelo recibe el peso de todo el sistema y a la vez ejerce fuerzas de reacción sobre las dos ruedas de la bicicleta verticalmente y hacia arriba que equilibran al peso. R1+R2 = P.
  • Las fuerzas de trasmisión: Cuando el ciclista empuja el pedal, la fuerza se transmite mediante la biela al eje del plato. La cadena se tensa y transmite el movimiento y la fuerza sobre el piñon y este transmite la acción al eje de la rueda trasera.
  • La fuerza de rozamiento y la fuerza impulsora: La rueda trasera, al girar en sentido horario empuja al suelo hacia atras mediante el rozamiento. La reacción del suelo es la que impulsa a la bicicleta hacia adelante. Como cuando remamos en una barca. Empujamos al agua hacia atrás y está por efecto de reacción nos ayuda a avanzar.
  • Fuerzas de rozamiento del aire y de los rodamientos: El rozamiento de la rueda con el suelo ayuda a avanzar. A la vez el contacto entre dos objetos en movimiento relativo produce un rozamiento que actua en contra del movimiento. Para un ciclista la fuerza de rozamiento de mayor importancia que debe evitar es el rozamiento con el aire.
  • Fuerzas de una bicicleta

    Fuerzas sobre una bicicleta

    Además de la anteriores, también hay que indicar otras fuerzas:

  • Momento Angular: Nos permite mantener el equilibrio mientras se está rodando. Aparecen cuando sobre un objeto que gira se realiza una fuerza externa. Las ruedas, al girar, poseen un momento angular L, que es un vector cuayo módulo es el producto del momento de inercia de la ruda respecto de su centro I, por la velocidad angular de fitro w. La dirección del momento angular es perpendicular al plano de la rueda.
    Momento Angular

    Momento Angular

  • Fuerzas giroscópicas: facilitan la labor a la hora de tomar una curva. Al aplicar una fuerza externa a un cuerpo que gira,  aparece un momento T:

    Ecuación fundamental de la dinámica de rotación

    L permanece constante si no existe un momento externo. El cambio del momento angular tiene la dirección del momento de la fuerza externa. Esta ley hace que el vector L vaya siempre buscando el vector t. Es el llamado movimiento giroscópico (como cuando gira una peonza):

    Movimiento giroscópico

    Movimiento giroscópico

  • Fuerza  centrífuga: Al realizar un giro, debemos inclinar la bicicleta en el sentido del giro, si no queremos que la fuerza centrífuga nos tumbe al lado contrario del giro.
    Fuerzas sobre la bicicleta de Einstein

    Fuerzas al girar una bicicleta

  • Avance: Es la cualidad de la bicicleta que la ayuda a dirigirse por si sola, facilitando los giros. Se llama “avance” a la distancia entre el punto de apoyo de la rueda delantera con el suelo y el punto donde la prolongación del eje de la dirección corta al suelo.

Si hablamos de leyes físicas, también hay un montón de ellas que intervienen en su funcionamiento:

1) Primera Ley de Newton o Ley de la Inercia: Responsable de que la bicicleta siga rodando cuando dejamos de dar pedales, aunque debido al rozamiento y la fricción irá disminuyendo la velocidad.

2) Segunda Ley de Newton o principio fundamental de la dinámica:  Para una misma fuerza, la aceleración será mayor cuanto menor sea la masa del tándem bicicleta-ciclista. De aquí la búsqueda de materiales ligeros y la disminución del peso de los ciclistas.

3) Tercera Ley de Newton o Principio de Acción-Reacción:  Al pedalear, la fuerza llega a la rueda trasera, que a su vez ejerce sobre el suelo una fuerza de acción. La reacción del suelo es devolver una fuerza sobre la rueda trasera, de igual dirección pero de sentido opuesto. Es decir, siempre hacia delante.

4) Ley de Hooke:

La bicicleta sólo tiene dos puntos de apoyo (los contactos de las dos ruedas con el suelo), que no permite que la bicicleta se tenga en pie por si misma, y hace necesario el tercer punto (pata de cabra) que delimitarán el triángulo y en cuya superficie caerá el vector que representa el peso de la bicicleta

En conclusión,..que la bicicleta, como la mayoría de los objetos, encierran un montón de física y ciencia en su funcionamiento, que daría para escribir muchas páginas.

Os dejo algunos link interesantes con el estudio de estos temas en más profundidad o aplicaciones curiosas:

  • Animación flash de Educared
  • Revista online Autodidacta
  • El ciclótropo: Animacion artesana
  • Revista digital Alhadra
  • Blog Rondandomx
     
  • 10 comentarios

    Publicado por en 25/03/2011 en Ciencia, Física

     

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