8 de marzo de 2011

La Jaula de Faraday

Hace unas semanas, surgió en clase de Bachillerato el fenómeno conocido como la Jaula de Faraday. Apenas lo comentamos por encima y prometí a mis alumnos escribir una entrada en el blog para tratar de explicar en qué consiste, cuál es su base científica, y qué posibles aplicaciones prácticas tiene este fenómeno.

El efecto Jaula de Faraday (llamado así por el científico inglés Michael Faraday, que construyó la primera de ellas en 1836) provoca que el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio sea nulo, anulando el efecto de los campos externos. Esto se debe a que, cuando el conductor está sujeto a un campo electromagnético externo, se polariza, de manera que queda cargado positivamente en la dirección en que va el campo electromagnético, y cargado negativamente en el sentido contrario. Puesto que el conductor se ha polarizado, éste genera un campo eléctrico igual en magnitud pero opuesto en sentido al campo electromagnético, luego la suma de ambos campos dentro del conductor será igual a 0.

Se pone de manifiesto en numerosas situaciones cotidianas, por ejemplo, el mal funcionamiento de los teléfonos móviles en el interior de ascensores o edificios con estructura de rejilla de acero.

Vemos a continuación un breve vídeo para poner de manifiesto el efecto de la Jaula de Faraday:


Fundamento físico

El funcionamiento de la Jaula de Faraday se basa en las propiedades de un conductor en equilibrio electrostático. Cuando la caja metálica se coloca en presencia de un campo eléctrico externo, las cargas positivas se quedan en las posiciones de la red; los electrones, sin embargo, que en un metal son libres, empiezan a moverse puesto que sobre ellos actúa una fuerza dada por:


Donde e es la carga del electrón. Como la carga del electrón es negativa, los electrones se mueven en sentido contrario al campo eléctrico y, aunque la carga total del conductor es cero, uno de los lados de la caja (en el que se acumulan los electrones) se queda con un exceso de carga negativa, mientras que el otro lado queda con un defecto de electrones (carga positiva). Este desplazamiento de las cargas hace que en el interior de la caja se cree un campo eléctrico (representado en rojo en la siguiente animación) de sentido contrario al campo externo, representado en azul.

El campo eléctrico resultante en el interior del conductor es por tanto nulo.

Como en el interior de la caja no hay campo, ninguna carga puede atravesarla; por ello se emplea para proteger dispositivos de cargas eléctricas. El fenómeno se denomina apantallamiento eléctrico.

Comprobación

Una manera de comprobarlo es con una radio sintonizada en una emisora de Onda Media. Al rodearla con un periódico, el sonido se escucha correctamente. Sin embargo, si se sustituye el periódico con un papel de aluminio la radio deja de emitir sonidos: el aluminio es un conductor eléctrico y provoca el efecto jaula de Faraday.

Muchos dispositivos que empleamos en nuestra vida cotidiana están provistos de una jaula de Faraday: los microondas, escáneres, cables, etc. Otros dispositivos, sin estar provistos de una jaula de Faraday actúan como tal: los ascensores, los coches, los aviones, etc. Por esta razón se recomienda permanecer en el interior del coche durante una tormenta eléctrica: su carrocería metálica actúa como una jaula de Faraday.

Quizá viendo esta pequeña animación, tomada durante el despegue de un B747 en Osaka (Japón), perdamos un poco el miedo a volar durante una tormenta eléctrica:



27 de febrero de 2011

Arquímedes y el problema de la corona de oro del rey Hierón

En el siglo III a.C., el rey Hierón II gobernaba Siracusa. Siendo un rey ostentoso, pidió a un orfebre que le crease una hermosa corona de oro, para lo que le dio un lingote de oro puro. Una vez el orfebre hubo terminado, le entregó al rey su deseada corona. Entonces las dudas comenzaron a asaltarle. La corona pesaba lo mismo que un lingote de oro, pero ¿y si el orfebre había sustituido parte del oro de la corona por plata para engañarle?

Ante la duda, el rey Hierón hizo llamar a Arquímedes, que vivía en aquel entonces en Siracusa. Arquímedes era uno de los más famosos sabios y matemáticos de la época, así que Herón creyó que sería la persona adecuada para abordar su problema.

Arquímedes desde el primer momento supo que tenía que calcular la densidad de la corona para averiguar así si se trataba de oro puro, o además contenía algo de plata. La corona pesaba lo mismo que un lingote de oro, así sólo le quedaba conocer el volumen, lo más complicado. El rey Hierón II estaba contento con la corona, y no quería fundirla si no había evidencia de que el orfebre le había engañado, por lo que Arquímedes no podía moldearlo de forma que facilitara el cálculo de su volumen.

Un día, mientras tomaba un baño en una tina, Arquímedes se percató de que el agua subía cuando él se sumergía. En seguida comenzó a asociar conceptos: él al sumergirse estaba desplazando una cantidad de agua que equivaldría a su volumen. Consecuentemente, si sumergía la corona del rey en agua, y medía la cantidad de agua desplazado, podría conocer su volumen.


Sin ni siquiera pensar en vestirse, Arquímedes salió corriendo desnudo por las calles emocionado por su descubrimiento, y sin parar de gritar "¡Eureka!, ¡Eureka!", lo que traducido al español significa “¡Lo he encontrado!”. Sabiendo el volumen y el peso, Arquímedes podría determinar la densidad del material que componía la corona. Si esta densidad era menor que la del oro, se habrían añadido materiales de peor calidad (menos densos que el oro), por lo que el orfebre habría intentado engañar al rey.

Así tomó una pieza de plata del mismo peso que la corona, y otra de oro del mismo peso que la corona. Llenó una vasija de agua hasta el tope, introdujo la pieza de plata y midió la cantidad de agua derramada. Después hizo lo mismo con la pieza de oro. De este modo, determinó qué volumen equivalía a la plata y qué volumen equivalía el oro.

Repitió la misma operación, pero esta vez con la corona hecha por el orfebre. El volumen de agua que desplazó la corona se situó entre medias del volumen de la plata y del oro. Ajustó los cálculos y determinó de forma exacta la cantidad de plata y oro que tenía la corona, demostrando así ante el rey Hierón II que el orfebre le había intentado engañar.


Toda esta historia no aparece en ninguno de los libros que han llegado a nuestros días de Arquímedes, sino que aparece por primera vez en “De architectura”, un libro de Vitruvio escrito dos siglos después de la muerte de Arquímedes. Esto durante años ha hecho sospechar de la veracidad de los hechos, tomándose generalmente más como una leyenda popular que como un hecho histórico.

De hecho, si asumimos que la corona pesaba un kilo, con 700 gramos de oro y 300 gramos de plata, la diferencia de volumen desplazado por la pieza de oro y la corona habría sido únicamente 13 centímetros cúbicos. Este volumen es visible, pero no fácilmente medible dadas las circunstancias. Suponiendo que lo que se medía era la elevación del nivel del agua en la tinaja con una superficie de unos 300 centímetros cuadrados (suficientemente generosa), la diferencia del nivel del agua entre la pieza de oro puro y la corona sería de menos de medio milímetro, algo difícilmente medible con los instrumentos de la época.

En cualquier caso, aunque esta no fuera la historia real, Arquímedes dejó documentos escritos en los que describía a la perfección el principio que lleva su nombre.

Fuente: Este artículo forma parte de la segunda edición del Carnaval de Química, esta vez celebrado en casa de El busto de Palas.

23 de febrero de 2011

La Luna no está tan cerca

Para ilustrar esta entrada, nada mejor que ver un pequeño vídeo, que aunque está en inglés, podéis seguir el diálogo al haber sido subtitulado por los amigos de Amazing.es. El entrevistador lleva un balón de baloncesto (que representa la Tierra) y una pelota de tenis (que representa la Luna). Este hombre pide a unos cuantos viandantes que les represente con ambas pelotas, en escala, la distancia a la que se encuentra la Luna de la Tierra. Sorprendentemente, ninguno de los viandantes es capaz de acercarse a lo que sería la respuesta correcta.



Para haber sido capaz de responder a esta pregunta correctamente, no habría bastado con conocer la distancia media de la órbita lunar, ya que lo que realmente necesitamos saber es la relatividad existente entre el tamaño de la Tierra y el radio medio de la órbita lunar.

Los problemas empiezan cuando nos dejamos guiar por las imágenes que tenemos almacenadas de haber visto en varias ocasiones. Las ilustraciones de la Luna orbitando en torno a la Tierra suelen mostrar la Luna a una distancia irreal, tal y como muestra esta imagen a continuación.

La órbita lunar según Cosmopedia

Pero la realidad es muy distinta a la mayoría (por no decir todas) de las ilustraciones existentes. La luna orbita a una distancia media de 384.400 Km, y el radio medio de la Tierra es de 6.371 Km. Con estos dos datos sobre la mesa, para representar correctamente la distancia entre la Luna y la Tierra, tenemos que situar la Luna a una distancia aproximada de 30 diámetros de Tierra.

Explicado de un modo más visual, aquí está una ilustración de la distancia real.

Distancia real entre la Tierra y la Luna

El problema de la distancia entre la Luna y la Tierra, si bien se aproxima a una circunferencia para facilitar su entendimiento, es bastante más complejo. Al igual que la Tierra orbitando alrededor del Sol, la Luna describe una órbita elíptica de baja excentricidad. En su punto de apogeo la Luna se llega a situar a 406.000 Km de distancia de la Tierra, mientras que en su punto de perigeo la Luna se acerca hasta 363.000 Km de la Tierra.

A su vez, la descripción de la órbita lunar como una elipse, es otra aproximación más. A causa de la influencia del Sol y su fuerza gravitatoria sobre la Luna, que es más del doble de la que ejerce la Tierra sobre la Luna, así como la influencia de otros planetas cercanos, la descripción de la órbita lunar real es un problema muy complejo. Su resolución requiere la medición del tiempo que tardan los pulsos de láser orientados hacia la Luna en volver tras reflejarse en los espejos situados en la Luna por las misiones Apolo.

La Luna llena entre los árboles

Todo esto, que pueden parecer hechos totalmente ajenos a nuestra percepción de la Luna, suponen grandes diferencias en su observación desde la superficie terrestre. Una Luna llena observada desde la Tierra, dependiendo de si está en el apogeo o el perigeo, su tamaño aparente varía hasta un 11% y su brillo hasta un 30%.


20 de febrero de 2011

Lo que pasa cuando le leemos un cuento a un feto humano

A pesar de que ya se ha demostrado que determinados estímulos intelectuales no tienen efecto alguno en los bebés, ni mucho menos cuando el bebé todavía permanece en el útero materno (quizá el ejemplo paradigmático sea la creencia de que pueda servir de algo poner música de Mozart a un feto), sí existen algunos estudios que sugieren que la literatura podría tener algún efecto. Incluso antes de que nazcamos.

Y es que los bebés pueden aprender incluso estando en el interior del útero, y por tanto no es necesario esperar a que el bebé nazca para explicarle cuentos antes de irse a dormir.

Los psicólogos Anthony DeCasper y Melanie Spence solicitaron a futuras madres que, durante el último trimestre de embarazo, leyesen diariamente en voz alta durante tres minutos un pasaje de The Cat in the Hat, del doctor Seuss, o The King, the Mice, and the Cheese, de Nancy y Eric Gurney.

"Examinados sólo un día o dos después de nacer, los bebés que habían estado expuestos a Seuss en el útero preferían a Seuss, y los que habían oído The King preferían The King, incluso cuando era otra persona quien leía las historias. Esto no equivale a decir que en el último trimestre los niños “entendieran” realmente el cuento del Gato, pero al parecer sí percibieron su ritmo característico."

Es decir, que nuestros futuros hijos no serán más inteligentes si les leemos historias. Pero sí podemos influir ya en sus gustos literarios, al menos en los primeros estadios de su vida.

¿Y también ocurre con la música? Al parecer, sí. Aunque el tema musical pudiera ser un poco más peliagudo, tal y como explica el psicólogo Gary Marcus:

"Otro estudio reveló que los fetos del tercer trimestre podían captar la melodía de Mary Had a Little Lamb, y en otro se comprobó que eran capaces de reconocer el tema musical de un culebrón británico. (De todos modos, no estoy sugiriendo al lector que lo intente en casa. No es seguro que la exposición prenatal no tenga alguna consecuencia perdurable a largo plazo; algunos expertos creen que esta exposición deliberada podría ser realmente perjudicial para el sistema auditivo en desarrollo así como para los ciclos naturales de sueño-vigilia del niño.)"

Fuente: Xataka Ciencia

4 de febrero de 2011

50 años del primer chimpancé en el espacio

Hace 50 años, Ham se convirtió en el primer chimpancé en viajar al espacio, a bordo de la nave 'Mercury Redstone'. El viaje duró 16 minutos y medio y se adelantó al del primer humano, el ruso Yuri Gagarin.

El 31 de enero de 1961 la NASA dio un puñetazo sobre la mesa en la carrera espacial: el chimpancé conquistaba el espacio 10 semanas antes de que lo lograse el astronauta ruso Yuri Gagarin. En aquel momento, Ham colocaba su nombre junto al de la perrita Laika como uno de los animales más famosos que han viajado al espacio.

El nombre de Ham es el acrónimo del laboratorio donde recibió el entrenamiento necesario antes de embarcar en la nave, el Hollomans'Aero-Medical. El chimpancé había nacido en Camerún julio de 1957, desde donde le trasladaron a la base de la fuerza área de Holloman en Nuevo México (EEUU) en 1959.

El viaje del chimpancé

En principio, estaba previsto que el vuelo de la nave 'Mercury Redstone' en la que viajaba Ham alcanzase una altitud de 185 km con una velocidad de unos 7.081 km/h. No obstante, debido a problemas técnicos, la nave que transportaba al chimpancé se elevó 253 km con una velocidad de 9.426 km/h aproximadamente.

Ham experimentó 6,6 minutos de ingravidez durante los 16 minutos y medio que duró su viaje. De regreso, el chimpancé amerizó en el Océano Atlántico a más de 95 km del barco que le recogería. Un examen médico posterior dictaminó que, aunque Ham estaba cansado y deshidratado, su estado de salud general era bueno.

La misión de Ham abrió la veda para el futuro viaje del primer americano en el espacio, Alan Shepard Jr., el 5 de mayo de 1961. El primer humano que lo consiguió fue el ruso Yuri Gagarin el 12 de abril de 1961, a bordo de la nave 'Vostok 1'. Este año también se cumplirán 50 años de la hazaña de Gagarin.

Retiro en el zoo

Tras su periplo espacial y concienzudos estudios médicos, en 1963 Ham fue a vivir al Zoo de Washington, donde permaneció hasta septiembre de 1980 cuando se trasladó al Parque Zoologico de Carolina del Norte en Asheboro, lugar en que falleció en enero de 1983.

El Instituto de Patología de las Fuerzas Armadas de EEUU se quedó con el esqueleto del chimpancé para someterlo a nuevos estudios y en la actualidad, sus huesos forman parte de la colección del Museo Nacional de la Salud y Medicina, en Washington DC (EEUU). Los demás restos mortales de Ham se encuentran en el Paseo Espacial Internacional de la Fama, en Alamogordo (Nuevo México, EEUU).

Animales en el espacio

El primer animal que participó en una misión espacial fue el mono Albert I el 11 de junio de 1948. Desde entonces, otros monos, chimpancés, ratones o conejos sirvieron a los científicos de EEUU y la URSS en sus investigaciones para conseguir que el hombre pudiera viajar al espacio.

En 1957, el año en el que nació Ham, el Sputnik 2 ruso partía con la perra Laika a bordo. El animal viajó en un habitáculo de metal y falleció a las pocas horas del despegue debido al estrés y altas temperaturas.

Fuente: El Mundo


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