LA COMPOSICIÓN DE LA MATERIA (II)

Como ya vimos en el anterior artículo, Ernest Rutherford recupera la idea de Hantaro Nagaoka de modelo planetario y lo desarrolla en su propia teoría, en el conocido modelo atómico de Rutherford.

Este modelo surgió como explicación al experimento de la láminda de oro (también conocido como experimento de Rutherford)  realizado por Hans Geiger y Ernest Marsden en 1909. El resultado fue un modelo con un núcleo atómico, que concentra toda la carga positiva y unas cien mil veces más pequeño que el diámetro atómico, con electrones orbitando a su alrededor. Después de Nagakoa es el modelo atómico más próximo al actual en el que se empiezan a vislumbrar las características que hoy damos por hecho.

Modelo de Borh

Basándose en el modelo atómico de Rutherford, Niels Borh creó el modelo atómico que lleva su nombre. Pero Bohr lo complementaría recogiendo, por un lado las investigaciones de Max Planck y por el otro las de Alber Einstein . De este último no recogio nada sobre las teorías de la relatividad, sino sobre el efecto fotoeléctrico (o efecto Compton) por el que Einstein recibió el premio nobel.

En este modelo los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo, ocupando la órbita de menor energía posible, o la órbita más cercana posible al núcleo. El electromagnetismo clásico predecía que una partícula cargada moviéndose de forma circular emitiría energía por lo que los electrones deberían colapsar sobre el núcleo en breves instantes de tiempo. Para superar este problema Bohr supuso que los electrones solamente se podían mover en órbitas específicas, cada una de las cuales caracterizada por su nivel energético. Cada órbita puede entonces identificarse mediante un número entero n que toma valores desde 1 en adelante. Este número "n" recibe el nombre de Número Cuántico Principal.

Bohr supuso además que el momento angular de cada electrón estaba cuantizado y sólo podía variar en fracciones enteras de la constante de Planck. De acuerdo al número cuántico principal calculó las distancias a las cuales se hallaba del núcleo cada una de las órbitas permitidas en el átomo de hidrógeno. Estos niveles en un principio estaban clasificados por letras que empezaban en la "K" y terminaban en la "Q".Posteriormente los niveles electrónicos se ordenaron por números. Cada órbita tiene electrones con distintos niveles de energía obtenida que después se tiene que liberar y por esa razón el electrón va saltando de una órbita a otra hasta llegar a una que tenga el espacio y nivel adecuado, dependiendo de la energía que posea, para liberarse sin problema y de nuevo volver a su órbita de origen.

Este modelo está basado en tres postulados principales:

1.   Los electrones describen órbitas circulares en torno al núcleo del átomo sin radiar energía.
2.  No toda órbita para electrón está permitida, tan solo se puede encontrar en órbitas cuyo radio cumpla que el momento angular, L, del electrón sea un múltiplo entero de 
   .
3.  El electrón solo emite o absorbe energía en los saltos de una órbita permitida a otra. En dicho cambio emite o absorbe un fotón cuya energía es la diferencia de energía entre ambos niveles. 

 Fuente : Wikipedia .

Modelo de Sommerfeld 

 El modelo atómico de Bohr funcionaba muy bien para el átomo de hidrógeno, sin embargo, en los espectros realizados para átomos de otros elementos se observaba que electrones de un mismo nivel energético tenían distinta energía, mostrando que existía un error en el modelo. Fué Arnold Sommerfeld quien postuló un nuevo modelo en el que concluía que dentro de un mismo nivel energético existían subniveles, es decir, energías ligeramente diferentes.  Sommerfeld estudió la cuestión para electrones relativistas, ya que encontró que una fracción notable de los electrones se movían a velocidades próximas a la velocidad de la luz.

 Para hacer coincidir las frecuencias calculadas con las experimentales, Sommerfeld postuló que el núcleo del átomo no permanece inmóvil, sino que tanto el núcleo como el electrón se mueven alrededor del centro de masas del sistema, que estará situado muy próximo al núcleo al tener este una masa varios miles de veces superior a la masa del electrón.

 Para explicar el desdoblamiento de las líneas espectrales, observando al emplear espectroscopios de mejor calidad, Sommerfeld supone que las órbitas del electrón pueden ser circulares y elípticas. 

Como resumen, cabría decir que:

- Los electrones se mueven alrededor del núcleo, en órbitas circulares o elípticas.

- A partir del segundo nivel energético existen dos o más subniveles en el mismo nivel.

- El electrón es una corriente eléctrica minúscula.

Fuente: Wikipedia

Relativos:

   - LA COMPOSICIÓN DE LA MATERIA (I)

Referencias:

  - Landau & Lifshitz: Mecánica, Ed. Reverté, Barcelona, 1991. ISBN 84-291-4081-6.

  - Modelo atómico de Borh

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¿Por qué vuela un avión?

Estamos más que acostumbrados a verlos y algunos, como es mi caso, a usarlos. Vas al aeropuerto, te montas, y una mole de metal de decenas de toneladas vuela como un pájaro por el cielo. Pero, ¿como es esto posible?

Respuesta corta: pues porque tenemos atmósfera. Respuesta larga: esto ya es un poco más complicado.

Bernoulli, Venturi y Newton: avión en el aire.

Daniel Bernoulli  comprobó experimentalmente que "la presión interna de un fluido (líquido o gas) decrece en la medida que la velocidad del fluido se incrementa", o dicho de otra forma "en un fluido en movimiento, la suma de la presión y la velocidad en un punto cualquiera permanece constante".

Así mismo, Giovanni Battista Venturi, comprobó experimentalmente que al pasar por un estrechamiento las partículas de un fluido aumentan su velocidad.

3ª Ley del movimiento de Newton: Para cada fuerza de acción hay una fuerza de reacción igual en intensidad pero de sentido contrario.

Uniendo estos tres principios, obtendremos el porqué un avión vuela.

Como podemos apreciar en la imagen, las alas del avión tienen un cierto ángulo con respecto al eje longitudinal del avión. Esto hace que cuando el avión coge velocidad, el aire incida cada vez con más fuerza contra el ala (y el resto del avión), cumpliendo con la tercera ley de Newton, y provocando que el avión se coja un cierto ángulo, llamado ángulo de despegue. Para mejorar esto, los aviones disponen de unos alerones, o flaps, que aumentan la incidencia del aire y que se cerrarán una vez se acabe la maniobra de despegue.

Una vez en el aire, serán los efectos Bernoulli y Venturi los que mantendrán el avión en el aire. Esto se debe a la forma de ala, que obliga al aire a circular a mayor velocidad por la parte superior que por la parte inferior, haciendo así que la presión de la parte inferior sea mayor que la de la parte superior de ala. Esto se ve mejor en la imagen.

Lo que provoca que el propio aire sustente el avión en el aire, siguiendo un esquema tal y como se ve en la figura.

Esto dependerá, siempre, de la densidad y velocidad del propio aire. Si cualquiera de estas dos variables cambia, nos encontraremos con una perdida de sustentación, que dará lugar a los conocidos "baches".

Otra cuestión estudiada es lo que ocurre en la punta del ala. Ahí, como la presión de debajo del ala es mayor que en la parte superior, este tiende a subir, provocando una turbulencia, llamada wingtip vortex.

Por eso vemos, en algunos aviones, vemos que tienen "las puntas de las alas dobladas hacia arriba", o algo similar, para evitar que estas turbulencias y que el avión tenga menos resistencia y consuma menos combustible. Estos elementos son los conocidos como Winglets.

Conclusiones

Como hemos visto, las alas del avión son las responsables directas de mantenerlo en el aire. Por eso no hemos tocado temas como la cola del avión, o los deflectores de frenado, que darían para un nuevo post.

Como un plus os dejo este vídeo en el que se explica, perfectamente, como funciona la aerodinámica de un avión.

Referencias:

•      Manual de vuelo: principios básicos.
•      Manual de vuelo: principios básicos - flaps.
•      Manual de vuelo: principios básicos - aerodinámica.
•      Introducción a la teoría de perfiles: Sustentación aerodinámica.
•      Per ardua ad astra: Vórtices, winglets y demás parafernalia aerodinámica.

Jose E. Carrera

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Mama ... ¿Porque el cielo es azul?

¿Porque el cielo es azul durante el día y rojizo durante el amanecer y el atardecer?¿Porque las nubes son blancas y tienden al negro según van teniendo más carga de agua? Estas preguntas tienen, como respuesta, dos nombres propios: John William Strutt, tercer Barón de Rayleigh y Gustav Mie.

Pero para comprender bien el porqué de estos fenomenos, primero deberíamos responder dos preguntas previas. Por un lado ¿que es la luz?, y por el otro ¿que es el color?.

¿Que es la luz?

La luz es una radiación electromagnética, que es posible ser percibida por el ojo humano. Esta radiación electromagnética está producida por unas partículas subatómicas denominadas fotones, que son las responsables de todas las radiaciones electromagnéticas  incluyendo los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio.

Como todas las partículas subatómicas tiene una naturaleza corpusculo-ondulatoria, es decir, que por un lado se comporta como un objeto físico (corpusculo) y por otro, tiene un comportamiento de una onda. El primer comportamiento es fácil de entender: el fotón es una partícula física que se encuentra en un espacio determinado. 

El segundo comportamiento (ondulatorio) viene dado porque los fotones viajan en "grupos" o "paquetes", a los que denominamos "cuanto" (de estos paquetitos, viene el nombre de cuántico, que procede del latín  "quantus" -cuanto-). La distancia entre estos paquetitos, nos da lo que conocemos como longitud de onda.

Ahora ya estamos en disposición de contestar a la segunda cuestión...

¿Que es el color?

Podríamos decir que los colores son el conjunto de las diferentes longitudes de onda de radiación electromagnética que puede percibir el ojo humano. En el gráfico podemos ver las diferentes longitudes de onda y a que tipo de onda que corresponden. A las ondas que se pueden percibir por nuestros ojos, las llamamos "espectro del visible". Dentro del espectro del visible, los paquetitos que viajan más separados entre si (mayor longitud de onda), corresponden con el color rojo, que va poco a poco tendiendo hacia el violeta, según va haciéndose menor esa longitud de onda (los paquetitos viajan más cerca unos de otros). Las ondas que tienen una longitud de onda tan alta que se salen del espectro del visible se denominan "infrarrojas" y las que tienen una longitud de onda tan corta que tampoco las podemos ver, se denominan "ultra violeta".

Hay que poner atención el que el color no es una propiedad de los objetos o de la onda electromagnética, sino que es un fenómeno profundamente psicológico. El hecho de que veamos los objetos de nuestro alrededor de un determinado color, se debe a que nuestro cerebro interpreta así la señal recibida desde los ojos. Es necesario que exista una persona (o animal con visión cromática) para que exista el color. Esto explica enfermedades como el daltonismo o la acromatopsia, por no hablar trastornos como la micropsia, también conocida como "Sindrome de Alicia en el país de las maravillas" .

Y ahora ya si que si, estamos en disposición de responder a la pregunta que da título a nuestro post de hoy...

Dispersión de Rayleigh y Mie

La dispersión de Rayleigh (en honor a Lord Rayleigh) es la dispersión de la luz visible o cualquier otra radiación electromagnética por partículas cuyo tamaño es mucho menor que la longitud de onda de los fotones dispersados. 

El sol, nos envía radiación electromagnética en multitud e longitudes de onda, que al llegar a nuestra atmósfera choca con las diferentes partículas del aire. Parte de la energía que transmiten los fotones se transfiere a estas partículas que vibran y emiten luz en todas las direcciones. Las ondas cortas (como hemos visto antes, las azules y las violetas) son las que tienen una mayor carga energética y, por tanto, mayor difusión. Como la luz blanca contiene más de azul que de violeta y, a lo demás, nuestros ojos son más perceptivos al azul, el color que percibimos de forma genérica en el cielo, es el azul.

En el amanecer y el atardecer, la luz solar no da de forma perpendicular, sino que tiene un mayor ángulo. Esto hace que la luz tenga que recorrer mucha más distancia a través de la atmósfera, lo cual hace que se pierdan las longitudes de onda cortas y permanezcan las largas. Por ese motivo prevalecen los colores rojizos. En este efecto también influye la cantidad de polvo que haya en la atmósfera.

La difusión de Mie es la dispersión de la luz visible o cualquier otra radiación electromagnética por partículas cuyo tamaño es mayuor que la longitud de onda de los fotones dispersados. 

Este fenómeno se aplica, de forma tradicional, a las nubes. Las partículas absorben una parte de la luz y reflejan el resto, como pequeños espejos. Aquí el color depende de la composición de la partícula. En el caso de las nubes, si son poco densas, tienden a reflejar todas las longitudes de onda. Pero si están muy cargadas de agua, este efecto se acentúa y favorece la aparición de colores grises. 

El que haya una gran cantidad de aerosoles en la atmósfera también provoca un acentuamiento de esta dispersión. La dispersión de Mie produce una mayor difusión de la partículas hacia delante o hacia el frente de ella. Conforme aumenta el tamaño de la partícula, la dispersión hacia enfrente también aumenta (el tamaño de la partícula directamente proporcional con la dispersión). Esta característica genera amaneceres más rojos que lo que serían solo por el efecto de la Dispersión de Rayleigh.

El efecto Mie domina la atmósfera de Marte. Su cielo no es azul sino de un plomizo rojo y amarillo. Carl Sagan describe la decepción de la prensa cuando mostraron las primeras fotos del cielo de Marte. Nada comparable a nuestro hermoso cielo azul.

Pd: Parte de la información aquí mostrada, ha sido modificada a partir del gran artículo sobre el Efecto Rayleigh y efecto Mie, publicado en Astromia.com, a quienes es de justicia darles las gracias.

Fdo.: Jose Enrique Carrera Portillo

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LA COMPOSICIÓN DE LA MATERIA (I)

Aire, agua, tierra y fuego han sido los materiales que, desde la edad de piedra, el ser humano a reconocido y utilizado. No fue hasta el inicio de la ciencia moderna, con la escuela Jónica, en la antigua Grecia, que el ser humano no se planteó cual era la composición básica de todo lo que lo rodeaba.

Fue Leucipo de Mileto⁽¹⁾, maestro de Demócrito, quien en el siglo V e.a.⁽²⁾ fundó la escuela atomista, la cual afirmaba que la realidad estaba formada por partículas infinitas, indivisibles, de formas variadas y siempre en movimiento llamadas átomos, que significa “indivisible” («ἄτομον» - «sin partes»). Afirmaban que la materia estaba formada por partículas materiales indestructibles, desprovistas de cualidades y que no se distinguen las unas de las otras más que por la forma y dimensión⁽³⁾.

Siempre su asocia la idea de la primera teoría atómica a John Dalton ⁽⁴⁾ y, no sin razón. Pero a decir verdad fué Mijail Vasílievich Lomonósov quien, en unos artículos escritos entre 1743 y 1744 ( “Sobre las partículas físicas intangibles que constituyen las sustancias naturales” y “Sobre la adhesión de los corpúsculos”) recupera este concepto de átomo y lo plasma de forma evidente en un tercer artículo donde utiliza en término mónada (acuñado por Leibniz), con el título “Sobre la adhesión y la posición de las mónadas físicas”.

John Dalton ⁽⁴⁾, alimentandose de las ideas de Leucipo de Mileto y, conocedor de los trabajos de Lomonósov, propone de nuevo una teoría atómica pero, esta vez, con bases científicas. Esta ley fué formulada para explicar porqué ciertas reacciones químicas se daban solamente, en proporciones constantes (la denominada Ley de las proporciones constantes⁽⁵⁾ ). Dalton explicó su teoría en base a seis enunciados simples:

1. La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos, que son indivisibles y no se pueden destruir.
2. Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, tienen su propio peso y cualidades propias. Los átomos de diferentes elementos tienen pesos diferentes. Comparando los pesos de los elementos con los del hidrógeno tomado como la unidad propuso el concepto de peso atómico relativo .
3. Los átomos permanecen sin división, aún cuando se combinen en las reacciones químicas.
4. Los átomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones simples.
5. Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar más de un compuesto.
6. Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más elementos distintos.

Dados los conocimientos actuales, el modelo atómico de Dalton puede parecernos insuficiente e, incluso, un poco infantil, pero constituyó el primer intento basado en evidencias y pruebas científicas de explicar como y porqué estaba constituida la materia. Eso sin contar que serviría de base para todos los modelos posteriores que, sin duda, han resultado cruciales en el avance científico y técnico de la actualidad.

Varios átomos y moléculas representados en A New System of Chemical Philosophy (1808 de John Dalton )

A finales del siglo XIX hay dos descubrimientos clave en el avance de nuestro conocimiento de la composición de la materia. Por un lado, en 1896, Henri Becquerel⁽⁶⁾ descubriría la radiactividad trabajando con sales de uranio. Descubrió que al colocar sales de uranio sobre una placa fotográfica en una zona oscura, esta se ennegrecía, debido a que la radiación emitida por el uranio atravesaba elementos opacos a la luz ordinaria.

Al año siguiente, Joseph John Thomson⁽⁸⁾, descubriría el electrón. Determinó que la materia estaba constituida por una parte positiva y otra negativa. Y en 1898⁽⁷⁾, el matrimonio Curie descubrirá el Polonio y el Radio.

Con toda esta serie de eventos, el propio Joseph John Thomson, en 1903, propondrá su propio modelo atómico, en el que se incluyen por primera vez la polaridad de cargas, existiendo una carga positiva y otra carga negativa. Su modelo es popularmente conocido como el “modelo del puding de pasas” ya que propone que el átomo es una esfera de carga positiva, con los electrónes “incrustados” por toda su superficie, de forma uniforme, de forma similar a como veríamos las pasas en un punding.

Modelo atómico de Thomson

Pero este modelo, que aunaba las virtudes del modelo de Dalton, con los resultados obtenidos con los tubos de rayos catódicos (la existencia de una carga negativa), chocaba frontalmente con la teoría de la dispersión de Rutherford⁽⁹⁾ (también conocida como dispersión de Couloumb - 1909). Esta teoría explicaba la dispersión de partículas eléctricamente cargadas, al acercarse a un centro de dispersión que también estaba cargado eléctricamente (experimento de Rutherford⁽¹⁰⁾). Con este experimento se llegó a la conclusión de que la carga positiva y la mayor parte de la masa del átomo debía estar concentrada en un pequeño espacio en el centro del átomo.

Un año después de que Joseph John Thomson desarrollara su teoría atómica, en 1904, Hantaro Nagaoka⁽¹¹⁾ desarrolló un modelo planetario, en el que consideraba que existia un centro cargado positivamente, muy masivo, mientras que los electrónes lo rodeaban orbitando a una distancia y unidos a él por fuerzas electrostáticas, de forma similar a como veríamos los anillos con Saturno.

El propio Nagaoka desecharía su propia teoría en 1908, pese a que el antes mencionado experimento de Rutherford diera confirmación experimental a su teoría. Nagaoka consideró que los anillos se repelerían entre sí, dando lugar a un modelo inestable.

El propio Rutherford, en el artículo que escribió, proponiendo la existencia de un núcleo atómico, cita a Nagaoka, como base de su teoría. Como veremos más adelante, esta es la base del modelo de Bohr (también conocido como modelo atómico) y que resultaría fundamental para los siguientes modelos actuales.

(Continuará...)

Relacionados:

   - LA COMPOSICIÓN DE LA MATERIA (II) 

Referencias:

1. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/Leucipo_de_Mileto
2. - Acrónimo que significa “Era Común” (en inglés se encontrará como c.a. - Common Age). Es el sustitutivo de lo que anteriormente se denominaba d.c. (después de Cristo).
3. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/Atomismo
4. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/John_Dalton
5. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_las_proporciones_constantes.
6. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/Henri_Becquerel
7. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/Marie_Curie y http://es.wikipedia.org/wiki/Pierre_Curie
8. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_at%C3%B3mico_de_Thomson
9. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/Dispersi%C3%B3n_de_Rutherford
10. - Ver ref. http://es.wikipedia.org/wiki/Experimento_de_Rutherford
11. - Ver ref. http://en.wikipedia.org/wiki/Hantaro_Nagaoka

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Cavitación: de la ingeniería naval a los centros de belleza

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).

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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La Ciencia detras del Gran Salto

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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