miércoles, 7 de noviembre de 2012

Cavitación: de la ingeniería naval a los centros de belleza

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No deja de sorprender como algunos descubrimientos o estudios, a veces, pasan de meras curiosidades a problemas serios o a formar parte importante de la estructura de nuestra sociedad. Tal pasa con el álgebra de Boole (de la que ya hablaremos en próximos post) o con nuestra protagonista de hoy: la cavitación.

Definición:
La primera pregunta siempre es la obvia: ¿que es la cavitación?.

Para saberlo primero deberemos de conocer el principio de Bernoulli (Wikipedia). Este principio hidrodinámico nos describe el comportamiento de un flujo laminar moviéndose a lo largo de una corriente de agua y nos dice que un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido.

La energía de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes:

  • Cinética: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido.
  • Potencial gravitacional: es la energía debido a la altitud que un fluido posea.
  • Energía de flujo: es la energía que un fluido contiene debido a la presión que posee.

Esto es definido mediante la siguiente ecuación:



donde:
V = velocidad del fluido en la sección considerada.

 = densidad del fluido.

P = presión a lo largo de la línea de corriente.
g = aceleración gravitatoria
z = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia.
Para aplicar la ecuación se deben realizar los siguientes supuestos:

Viscosidad (fricción interna) = 0 Es decir, se considera que la línea de corriente sobre la cual se aplica se encuentra en una zona 'no viscosa' del fluido.  
La ecuación se aplica a lo largo de una línea de corriente o en un flujo irrotacional.
Una vez que tenemos el principio de Bernoulli, podemos definir que es la cavitación:
La cavitación o aspiraciones en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido debido a la conservación de la constante de Bernoulli. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno.

(Fuente: Wikipedia)

Es un porceso fisico que es muy parecido al de la ebullición, la diferencia es que la cavitacion es causada por una caída de la presión local por debajo de la presión de vapor mientras que la ebullicion lo hace por encima de la presion ambiente local.

(Fuente: Mecánica de fluidos)

Ingeniería naval






A la hora de diseñar un barco o un submarino, el fenómeno de la cavitación es tenido muy en cuenta, no como un algo molesto, sino como un elemento crucial que podría acabar en desastre, de no diseñarse correctamente.

En el diseño de barcos, el efecto de la cavitación provoca el desgaste y rotura de hélices y timónes, pudiendo poner en peligro la integridad del pasaje. Y en cualquier caso, acorta la vida útil de estos componentes.

En los submarinos, este efecto es todavía más estudiado, evitado e indeseado, puesto que imposibilita a estos navíos de guerra mantener sus características operativas de silencio e indetectabilidad por las vibraciones y ruidos que la cavitación provoca en el casco y las hélices.

En cualquier caso, el efecto es siempre el mismo. Cuando las burbujas de vapor se implotan se produce una especie de martilleo lo que produce un deterioro en las paredes de la carcasa, de las palas del impulsor, o del material sobre el que se produzca, en el cual el daño esta en función de la proximidad en que se encuentran estas implosiones.

(Fuente: Mecánica de fluidos )




Esto limita a los submarinos y vehículos subacuáticos a velocidades inferiores, siempre, a los 140 km/h.

Actualmente, esta limitación se está resolviendo gracias a la supercavitación, que consiste en rodear el objeto o nave de una nube de gas renovable de forma que el agua casi no esté en contacto con la superficie del objeto, reduciendo así de manera drástica la resistencia al avance que presenta el agua.

“Cuando un fluido se mueve rápidamente alrededor de un objeto, la presión en el flujo disminuye, especialmente en el lado trasero del cuerpo”, explica Marshall P. Tulin, director del Ocean Engineering Laboratory de la Universidad de California, y pionero en la teoría de flujos supercavitacionales.

“Conforme aumenta la velocidad, se llega a un punto en que la presión del flujo iguala la presión de vapor del agua, momento en que el fluido experimenta un cambio de fase y se vuelve gas: vapor de agua”.

 En otras palabras, cuando la presión del agua ya no es suficiente para mantener juntas las moléculas que componen el líquido elemento, éstas se disocian formando un gas.

“Bajo ciertas circunstancias, especialmente en las aristas afiladas, el flujo de agua puede contener cavidades de presión más o menos constante rellenas de vapor de agua y aire en su estela. Es lo que se conoce como cavitación natural,” dice Tulin.

“La cavidad depende de la forma del objeto para que se mantengan las condiciones de presión constante en sus alrededores, pero también depende de la presión interna de la cavidad y de la fuerza de la gravedad,” nos explica.

(fuente: Blogs de Ingenieros industriales de Guipuzcoa)

Estética

Pero esta capacidad corrosiva que tiene la cavitación ha encontrado una vía útil para nosotros, curiosamente, en los centros de estética: la cavitación estética.

Básicamente, en estética, se utilizan máquinas en las que la oscilación provocada por los ultrasonidos de baja frecuencia crea la formación de micro burbujas (o cavidad) que explotan –ó implotan- en el interior de la masa grasa y de los adipocitos, fluidificándola y favoreciendo la salida de los mismos grasos.

Físicamente es el desarrollo de las micro burbujas obtenidas por un empuje ultrasónico a baja frecuencia. Este efecto de micro burbujas va a “trabajar” en el interior del tejido adiposo, golpeando los adipositos, eliminándolos ó reduciéndolos en breve tiempo.

(Fuente: Cavitaciónestetica.com).


Máquina de cavitación Estética

Este método se caracteriza por lograr romper las difíciles estructuras de los depósitos grasos localizados. Estas zonas suelen ser resistentes a las dietas de adelgazamiento, dado su carácter de almacenamiento y no son fáciles de eliminar, tampoco, a través del ejercicio o los masajes. La cavitación consigue actuar sobre estas zonas, liberándolas de la grasa. Es un reafirmante muscular y moldeador del cuerpo que obtiene resultados en pocas sesiones.



Provoca la destrucción de la célula adiposa con la consiguiente transformación de la grasa en una sustancia líquida (diglicérido) que será eliminada a través del sistema linfático y vías urinarias.  Las células grasas se ven expuestas a una sobrepresión, que rompe sus membranas, desencadenando la destrucción de los adipositos. La grasa que contienen ?los triglicéridos- se fragmenta en diglicéridos, pudiendo ser éstos últimos expulsados a través de la orina. A través de una emulsificación de la grasa, se consigue cambiar el estado de los depósitos grasos, pasando de sólido a líquido, convirtiéndolos en una sustancia fácil de eliminar mediante la orina. Se aconseja una dieta hipocalórica y la ingesta de al menos dos litros de agua antes y después de cada tratamiento, dado que es una parte imprescindible para poder eliminar la grasa.

(Fuente: BeautyMarket.es)


Así que la próxima vez que vaya a su centro de estética a eliminar la grasa localizada mediante cavitación, sabrá lo que siente un submarino. ;)

Autor: Jose Enrique Carrera
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viernes, 26 de octubre de 2012

Sarampión, Ignorancia y Vacunas

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El 13 de Octubre de este año (2012) algunos medios digitales se hicieron eco de un informe de la Organización Mundial de la Salud  en diciembre de 2011, que alertaba sobre el incremento de casos de sarampión en Europa provocando un total de 9 muertes, 6 de ellas en Francia y 7288 hospitalizaciones (Fuente: WHO - European countries must take action now to prevent continued measles outbreaks in 2012). Ciertamente poca repercusión mediática tuvo este tema, viendose en diarios como "La Verdad"  en su edición de Murcia y otros medios digitales.

Pero este informe no revela, realmente, nada nuevo. Ya el 25 de Noviembre de 2010 los medios se hacían eco de que en Granada un juez tuvo que ordenar la vacunación forzosa de niños en un colegio por un brote de sarampión (Fuente: EuropaPress). Desde entonces no han dejado de sucederse las noticias, quedando casi como meras anecdotas. Pero este informe de la OMS añade un salto cualitativo que ya se veia venir y que era, sólo, cuestión de tiempo. Muertes. Pero anteriormente nos podíamos jactar de no haber tenido ni un caso de sarampión en España en 11 años. Desde entonces hemos sufrido un avanze del sarampión sin precedentes, y ya en 2011 se habían multiplicado los casos de sarampión por 20. Su auge sigue, aún, imparable.

¿Y cual es la causa de que el sarampión haya tenido semejante auge en los últimos años? Una nueva moda: los antivacunas. Todo empezó cuando Andrew Wakefield se inventó un informe donde aseguraba que había relación directa entre la vacuna triple vírica y el autismo con la que, al parecer, pensaba sacar un suculento beneficio. Pese a que el Consejo General Médico (GMC) de Reino Unido prohibió en mayo de 2011 a Wakefield ejercer en el país por su actitud deshonesta e irresponsable en el trabajo citado, el colectivo antivacunas sigue creyendo sus postulados y amplian el espectro: todas las vacunas son nocivas y lo mejor es que los niños se inmunicen solos, pasando las enfermedades. O al menos en Europa y de una forma más o menos racional. Porque entre los integristas religiosos norteamericanos ya existia tradición al respecto.

Lo curioso de este tema es que esta moda se está dando en personas de alta formación, incluso, con carrera universitaria y que están informados. Pero he aquí el problema, que están muy mal informados y, con su altanería y desprecio por las vacunas, no hacen más que confirmar su ignorancia en cuanto a las vacunas se refiere.

La verdad es que resulta raro, ver a gente cualificada, haciendo preguntas tan básicas y de respuesta totalmente conocida. No resulta extraño ver foros de antivacunas usando una y otra vez las mismas http://www.vacunacionlibre.org/:

¿Cuáles son los ingredientes de cada una de las vacunas?
Si se obliga a vacunar y mi hija enferma o muere a causa de la misma, ¿qué juez o estado se hace responsable de esto?
¿Por qué me he de fiar de las farmacéuticas privadas?
¿Me puede alguien asegurar que los descendientes no tendrán secuelas o imperfecciones a causa de inutilizar nuestro cuerpo a base de vacunas?
¿Aquellos que vacunan indagan en estas cuestiones o, simplemente, lo hacen porque les han dicho que lo deben hacer? Quien es más irresponsable, ¿el que después de leer leer y más leer decide no vacunar o el que vacuna porque todos lo hacen sin cuestionarse nada?
¿Por qué se vacuna por sistema de enfermedades erradicadas?
¿Una persona vacunada no queda inmunizada? Si es así, ¿por qué se teme el contagio? Si no es así, ¿para qué se vacuna?
También hay médicos y enfermeros que no vacunan a sus hijos ¿qué ven en la sanidad para desconfiar?
¿Es necesario enfermar a un bebé sano o tal vez se debería esperar a vacunarlos cuando su sistema inmunológico esté maduro para afrontarlas?


Curiosamente todas estas preguntas suelen tener respuestas muy sencillas (Que Atrevida es la ignorancia  || Cosas que dicen contra las vacunas y no son ciertas) y que en su gran mayoría deberían haber sido respondidas en el colegio. Y aún así, molestandose un poco en buscar en google podran ver informes como este del CDC o este otro en el que se ven claramente los beneficios de las vacunas.
El gran problema no es que sean peligrosos para si mismos, sino que suponen un peligro para la población en general, al romper la inmunidad de grupo y convertirse en un vector de infección. Es así de simple, cada vez que te niegas a vacunar a uno de tus hijos, estás poniendo en peligro la vida de los demás niños que hagan vida diaria con él.

Pero voy a ser positivo. Y creeré en que la ignorancia se combate con conocimiento. Este informe del CDC aclarará conceptos: Some Common Misconceptions about vaccination and how to respond to them. Y ya en español, siempre nos vendrá bien saber como se aprueban los medicamentos.

Pero este artículo solo es una prospección de un problema que deberá ser estudiado con detenimiento (Fuente: Pubmed: Understanding those who do not understand: a brief review of the anti-vaccine movement.).

Autor: Jose Enrique Carrera

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jueves, 25 de octubre de 2012

La Ciencia detras del Gran Salto

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El domingo día 14 de Octubre de 2012 pasará a la historia. La hazaña lograda por Felix Baumgartner , realizando por primera vez un salto desde la estratosfera, ha mantenido al mundo pendiente de las pantallas de telévisión, ordenadores, tablets, móviles. En definitiva, de cualquier dispositivo que siguiera en directo el evento.
Pero este salto no es sólamente un acto casi heroico, sino que ha sido todo un desafio para los ingenieros que han tenido que preparar el evento. Hoy analizaremos este desafío.


¿Desde donde ha saltado?

Uno de los objetivos del ascenso era batir el record de velocidad por un hombre sin la ayuda de aparatos mecánicos. Sólo un traje especial protegía al saltador. Para ello se optó por subir hasta la estratosfera, a 36.000 km de altura aunque, al final, subieron hasta los 39.000 metros para asegurar el resultado. Pero… un momento, ¿sabemos lo que es la estratosfera?
Como bien sabemos o, al menos, deberíamos intuir, la atmósfera está compuesta por diversas capas: La troposfera, la estratosfera, la mesosfera, la termosfera y la exosfera. Todas estas capas están separadas por las “pausas”, a saber: tropopausa, la estratopausa, la mesopausa y la termopausa.

Para nuestro estudio nos centraremos en las que nos atañen, por orden, la troposfera, la tropopausa y la estratosfera.
La Troposfera es la capa atmosférica en la que vivimos. Sus principales características son:
    - Su espesor alcanza desde la superficie terrestre (tanto terrestre como acuática o marina) hasta una altitud variable entre los 6 km en las zonas polares y los 18 o 20 km en la zona intertropical, por las razones indicadas más adelante.
    – Su temperatura disminuye con la altitud. La troposfera es la capa inferior (más próxima a la superficie terrestre) de la atmósfera de la Tierra. A medida que se sube, disminuye la temperatura en la troposfera, salvo algunos casos de inversión térmica que siempre se deben a causas locales o regionalmente determinadas.
      – La latitud del lugar determina el mayor o menor espesor de la troposfera, siendo mucho mayor en la zona intertropical por la fuerza centrífuga del movimiento de rotación terrestre, y mucho menor en las zonas polares por la fuerza centrípeta (achatamiento polar).
En la troposfera suceden los fenómenos que componen lo que llamamos tiempo meteorológico.
La capa inferior de la troposfera se denomina la capa geográfica, que es donde se producen la mayor proporción de fenómenos geográficos, tanto en el campo de la geografía física como en el campo de la geografía humana.
(fuente: Wikipedia).
La tropopausa, es el espacio que separa la Troposfera de la estratosfera, sobre la cual la temperatura se mantiene constante antes de comenzar nuevamente aumentar sobre los 20 km sobre el nivel del mar. Contiene pequeñas cantidades de los gases de la troposfera en densidades decrecientes proporcional a la altura. Incluye también escasas cantidades de ozono (O3) que filtran el 99% de los rayos ultravioleta (UV) provenientes de las radiaciones solares (Miller, 1991). Es esta absorción de UV la que hace ascender la temperatura hasta cerca de los 0 °C. Este perfil de temperaturas permite que la capa sea muy estable y evite turbulencias, algo que caracteriza a la estratosfera.
(fuente: wikipedia).
La estratosfera: Su nombre obedece a que está dispuesta en capas más o menos horizontales (o estratos). Se extiende entre los 9 o 18 km hasta los 50 km de altitud. La estratosfera es la segunda capa de la atmósfera de la Tierra. A medida que se sube, la temperatura en la estratosfera aumenta. Este aumento de la temperatura se debe a que los rayos ultravioleta transforman al oxígeno en ozono, proceso que involucra calor: al ionizarse el aire, se convierte en un buen conductor de la electricidad y, por ende, del calor. Es por ello que a cierta altura existe una relativa abundancia de ozono (ozonosfera) lo que implica también que la temperatura se eleve a unos -3° C o más. Sin embargo, se trata de una atmósfera muy enrarecida, muy tenue.
(fuente: Wikipedia).
Así bien, Felix Baumgartner se encuentra en la estratosfera, área en la que la temperatura ya comienza a ascender. Como vemos, va a atravesar, en total, tres capas atmosféricas diferentes. Esto implica una dificultad añadida porque, como hemos visto, hay variaciones térmicas importantes entre las diferentes capas que atravesará durante el salto. Debido a esto, el traje de Felix está especialmente diseñado, de manera muy semejante a los trajes espaciales.



El traje está concebido para proteger a su ocupante de temperaturas que van desde los 38 a los -32 grados centígrados, y está diseñado para que en su interior haya una presión constante de 1,58 Kg. por pulgada cuadrada (una pulgada cuadrada equivale a 6,5 cm. cuadrados), lo que más o menos es igual a la presión atmosférica que hay a 10.000 metros de altura.
Algo de una gran importancia, si se tiene en cuenta que a partir de los 19.000 metros de altura los líquidos que contiene el cuerpo humano empiezan a gasificarse y a expandirse peligrosamente. El traje, pues, mantiene en todo momento una presión aceptable alrededor del cuerpo del piloto
Otra característica es el propio material del que está hecho el traje, que es capaz al mismo tiempo de retardar la acción del fuego y de proteger al ocupante de las gélidas temperaturas del exterior. Todas las funciones del traje dependen de un “controlador” electrónico, un pequeño disco de pocos cm. de diámetro que mantiene automáticamente la presión interna a diferentes alturas.
Un sistema interno de ventilación permite insuflar aire caliente o frío en el interior del traje. El primero muy útil durante el ascenso y el segundo para eliminar el vaho del visor, lo que dejaría virtualmente ciego al piloto.
(Fuente ABC)

 La Barrera del sonido

El otro punto importante a la hora de valorar el salto, es el objetivo de alcanzar la barrera del sonido. Para lo cual tenemos que tener en cuenta varios aspectos: como se calcula la velocidad del sonido, que es la onda de choque y el concepto de velocidad terminal.
El concepto de velocidad terminal es importante dado que es, precisamente, el que podría dar al traste con el objetivo de sobrepasar la velocidad del sonido.
En fluidodinámica la velocidad límite o velocidad terminal es la velocidad máxima que alcanzaría un cuerpo moviéndose en el seno de un fluido infinito bajo la acción de una fuerza constante. Un ejemplo es el caso de la velocidad límite alcanzada por un paracaidista en caída libre que cae desde suficiente altura. La diferencia con caída libre es que en este caso existe una fuerza de rozamiento del fluido proporcional a la velocidad del cuerpo, con lo cual llegará un punto límite de velocidad en donde el empuje junto con la fuerza de rozamiento se iguale a la fuerza de movimiento del propio cuerpo.
(Fuente: Wikipedia)

Para un cuerpo moviéndose en un flujo turbulento en el que se producen remolinos alrededor del cuerpo en movimiento la fuerza de rozamiento depende de v2 y es proporcional a la resistencia aerodinámica. En ese caso la velocidad límite viene dada por:

Donde:
F es el peso del objeto que cae, para el caso de caída libre F = mg.
Cd es el coeficiente de resistencia aerodinámica,
? es la densidad del fluido a través del cual se mueve el objeto,
A es la sección del objeto en dirección transversal a la de movimiento.
A objeto de evitar problemas con la velocidad terminal, se ha elegido subir a 39.000 metros de altura, dejando mayor sección de estratosfera en la caida libre, aprovechando la menor densidad de la atmósfera en esta capa y, así, asegurar el resultado. De hecho, como bien se puede ver durante el salto, la velocidad máxima se consigue dentro de los primeros 50 segundos, sufriendo después una fuerte desaceleración (en torno al minuto y medio).
Con respecto a la velocidad del sonido y la consecuente onda de compresión, ocurre justo al contrario: cuanto más baja es la temperatura, menor velocidad hace falta para sobrepasar la velocidad del sonido.
En los gases la ecuación de la velocidad del sonido es la siguiente:



Siendo ? el coeficiente de dilatación adiabática,
R la constante universal de los gases,
T la temperatura en kelvin y
M la masa molar del gas.

Los valores típicos para la atmósfera estándar a nivel del mar son los siguientes:
? = 1,4
R = 8,314 J/mol·K = 8,314 kg·m2/mol·K·s2
T = 293,15 K (20 °C)
M = 0,029 kg/mol para el aire
(Fuente: wikipedia)

Para los cálculos, finalente, tanto la presión del aire como su composición casi son despreciables, así que al final el valor diferencial es la temperatura que recordemos que irá descendiendo según avance hacia la troposfera y que empezará a aumentar según atraviese la tropopausa. De tal manera que su velocidad máxima se dará en la tropopausa descendiendo después a medida que entre en la troposfera. En este caso se calculó que esta velocidad en el medio sería de 1130 km/h (frente a los 1230km/h que serían en la superficie terrestre). La velocidad final fué de 1173km/h, con lo que consiguió un meritorio Mach 1,24.
Uno de los problemas del salto es que al alcanzar Mach 1, se produce una onda de choque, que es una onda de presión abrupta producida por un objeto que viaja más rápido que la velocidad del sonido en dicho medio, que a través de diversos fenómenos produce diferencias de presión extremas y aumento de la temperatura, pero que en este caso, debido a la baja densidad del aire, se hizo prácticamente imperceptible.
(Fuente wikipedia)

El resto es historia.

Autor: Jose Enrique Carrera.


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Fractales y Naturaleza

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En 1975, Benoît Mandelbrot puso nombre a una de las curiosidades matemáticas existentes, ya desde principios del siglo 20: los fractales. Estos no son más que objetos geométricos cuya estructura básica, fragmentada o irregular, se repite a diferentes escalas.
El ejemplo básico más clasico es la llamada curva de Koch, descrita por  el matemáticosueco Helge von Koch en 1904 en un artículo titulado “Acerca de una curva continua que no posee tangentes y obtenida por los métodos de la geometría elemental”, y que podemos ver en la siguiente figura:



Resultaría imposible entender los fractales, separados de la teoría del caos, y que comenzó a definir  Edward Lorenz en 1963, a través del “atractor de Lorenz” y del archiconocido “efecto mariposa“. Todo empezó cuando en una determinada ocasión quiso volver a echar un vistazo a una simulación que ya había hecho llevándola más lejos en el tiempo. En vez de comenzar desde el principio y esperar a que el ordenador llegara al intervalo que le interesaba, introdujo por el teclado los valores que ya tenía apuntados en el papel. Dejó la máquina trabajando y se fue a tomar un café.
El clima atmosférico se describe por 3 ecuaciones diferenciales bien definidas. Siendo así, conociendo las condiciones iniciales se podría conocer la predicción del clima en el futuro. Sin embargo, al ser éste un sistema caótico, y no poder conocer nunca con exactitud los parámetros que fijan las condiciones iniciales (en cualquier sistema de medición, por definición, siempre se comete un error, por pequeño que éste sea) hace que aunque se conozca el modelo, éste diverja de la realidad pasado un cierto tiempo (véase Horizonte de predicciones).
(Fuente: Wikipedia).
Pero no es objetivo de este post hacer una larga aproximación matemática a estos conceptos, si bien se puede hacer siguiendo los enlaces mencionados anteriormente. Nuestro objetivo en este artículo es mostrar como lo que aparece inicialmente como una curiosidad matemática es, realmente, una forma de trabajar de la naturaleza, que nos ofrece fractales de múltiples formas.
El ejemplo más conocido lo constituyen los copos de nieve. Son algo así como los fractales por naturaleza.



Pero en la naturaleza tenemos más ejemplos cotidianos, como el de los helechos que pueblan nuestros montes.



Y también algo más exóticos, como el de la curiosa verdura Romanescu.




Como vemos, los fractales forman parte de nuestra vida y de un entorno que gracias a la ciencia conocemos cada día mejor.

¿Conoceis otros ejemplos de fractales que se den en la naturaleza?


Autor: Jose Enrique Carrera
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