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Todo lo que nos rodea está plagado de ciencia, todo lo que observamos en nuestro día a día pertenece a un maravilloso mundo que se encuentra esperando a que nosotros descubramos todo lo que tiene que decirnos y contarnos. Hoy os traemos el primer capítulo de una serie titulada La física que no se ve donde intentaremos explicar los grandes procesos físicos del universo de los que somos testigos día a día.

La vista puesta en el cielo.

Supongamos que nuestro querido lector, tras varios días de intenso trabajo o estudio, decide darse un pequeño lujo. El fin de semana decide irse a la playa. Imaginémonos pues que se sienta en la arena, con su hamaca, y observa el extenso horizonte, le sorprende pues el color del cielo, que durante la mayor parte del día lo observa azul. ¿Por qué será?

La respuesta tiene que ver con la naturaleza de la propia luz y de nuestra atmósfera. La luz se compone de una gran cantidad de partículas llamadas fotones. El proceso por el cual observamos azul la bóveda celeste cuando el Sol encara sus rayos de forma más o menos perpendicular a nosotros es debido al fenómeno de la difusión, también se le suele llamar dispersión, aunque hay que tener cuidados con estos términos.

Sin entrar en grandes detalles, lo que ocurre es que los fotones “chocan” contra las partículas y moléculas que contiene la atmósfera, principalmente la de los gases que la componen en su mayoría: nitrógeno, oxígeno, vapor de agua, etc. Y provocan que los fotones salgan despedidos a lo largo y ancho de ella. Para simular este ejemplo, pregúntese por lo que ocurre cuando chocan dos bolas de billar.

En este caso concreto de difusión, donde las partículas que difunden son mucho mayores que la longitud de onda de los fotones, se produce la llamada difusión Rayleigh , que provee que aquellos fotones que más se dispersan son aquellos que tienen una longitud de onda menor, que en nuestro espectro visible (el rango que nuestro ojo es capaz de percibir la luz) está relacionado con el color azul.

Imagen esquemática muy ilustrativa de lo que ocurre en la difusión de Rayleigh.

Un botellín como instrumento musical.

Tengamos ahora en mente a nuestro lector que, tras haber saciado inicialmente su apetito por la curiosidad que le despertaba el cielo azul, le apetece ir al chiringuito de al lado a tomarse un refresco (respetando por supuesto la distancia social y con su respectiva mascarilla). Una vez vertido el refresco en el vaso, le atrapan unas ganas enormes de soplar el botellín del refresco. ¿Quién no lo ha hecho alguna vez? Todos sabemos que se produce un sonido particular y nuestro lector se preguntaría, ¿a qué se debe?

La respuesta vuelve a mostrarnos cuán delicado es el mundo que nos rodea, el sonido se produce debido al choque del aire con el borde del tubo, que produce que se formen vórtices, que consiguen hacer vibrar la columna de aire que contiene dentro el botellín. Es más o menos el fundamento que pueden usar los instrumentos musicales de viento, pero en este caso concreto resulta instructivo ya que es algo que suele hacer todo el mundo.

Como curiosidad final también se indica que la longitud del botellín, en caso de tener varios botellines iguales salvo por su longitud, afectaría al propio sonido que se produce, como ocurre en los órganos que vemos en las catedrales e iglesias.

No derramar la bebida es casi imposible.

Quedándose maravillado nuestro amigo lector por todas las cosas de las que está empezando a ser consciente, decide pasar lo que le queda en el chiringuito pidiéndose un café. Desde luego su esfuerzo bien lo merece. Pero pide que se le traiga un vaso con hielo, porque la temperatura no acompaña a tomarse el café caliente. En el proceso de verterlo, el café se escurre por la superficie de la taza y acaba derramado en la mesa, “¿qué diablos ha sucedido ahora?” se pregunta nuestro querido lector.

La respuesta guarda mayor complejidad de lo que pudiera parecer y se responde debido a la denominada Ley de Bernoulli. Esta nos dice, de una manera simple, que si la velocidad de un fluido aumenta, la presión que este ejerce a la superficie con la que está en contacto disminuye. De hecho, es muy difícil no derramar nada de líquido debido a esto, a no ser que se vierta muy rápido.

Para la parte del café más pegada a la pared de la taza, este tiene una velocidad menor debido al rozamiento con la superficie de la taza, esto provoca que la presión que se ejerce sea elevada y que el café “no se despegue” de la superficie, ya que no da tiempo a que el aire exterior se introduzca entre ambas estructuras. Por supuesto hay que tener en cuenta otras fuerzas que pudieran intervenir en el proceso. La suma de todo esto conduce irrevocablemente a un destino fatal que consiste en mancharse la camiseta o, si tiene usted suerte, solo ensuciar la mesa.

El café se puede derramar por el borde de la taza, de hecho es muy inusual que no lo haga.

Espejito, espejjito…

Pregunta rápida: ¿alguna vez ha estado el lector viajando por una autopista, un día de calor, 30ºC a la sombra, y en una de esas típicas rectas en nuestro país, le ha dado la sensación de ver un charco de agua al fondo de la carretera? La respuesta seguramente sea sí. Pero también habrá comprobado, quizás con decepción, que al llegar al sitio indicado no hay nada. Ni agua ni aceite, al llegar allí solo nos encontramos con asfalto, asfalto y… más asfalto.

El típico “charco” que vemos al final de la carretera.
Si nos fijamos en él, podemos observar el talud reflejado.

Bien, entonces ¿por qué ocurre esto? Esto es conocido como espejismo (sí, como los falsos oasis de un desierto), y es debido a un fenómeno que hace que la luz no siempre viaje en línea recta, la refracción.

La refracción ocurre cuando los rayos de luz pasan de un medio transparente con un índice de refracción (n1, un coeficiente) a otro medio transparente con otro índice de refracción distinto (n2), en nuestro caso, las capas de aire a mayor temperatura conforme nos acercamos al asfalto; consecuencia de esto: la luz cambia su dirección.

Como consecuencia del cambio de dirección, la luz que nos llega a nuestros ojos cuando vamos por esa soleada carretera y miramos a lo lejos, no es la luz reflejada por la carretera, si no que es luz refractada; dicho de otro modo vemos el reflejo del cielo.

¡Rayos y truenos!

Rayos, truenos, relámpagos… todos utilizamos estas palabras cuando nos encontramos presenciando ese (maravilloso, en mi opinión) luminoso espectáculo que nos brinda tan frecuentemente la madre naturaleza. Su origen es incierto aún a día de hoy. Aún así, hoy hablaremos de las principales hipótesis que tratan de explicar su formación. ¡Comencemos!

La idea de la formación de las descargas eléctricas es simple; potencial negativo en nube y potencial positivo en tierra, esta es la receta para un perfecto relámpago.

Pero como se origina este potencial negativo en la nube, es el misterio que nos toca resolver. Algunas hipótesis apuntan a que el potencial negativo se crea al formarse corrientes de aire caliente procedentes de las capas bajas de la atmósfera, estas arrastran partículas de agua evaporada que, al colisionar contra los microscópicos trozos de hielo existentes en los cumulonimbus (esas gigantescas nubes verticales), pierden sus electrones en un fenómeno conocido como disociación. De esta manera la parte más baja de la nube quedaría cargada negativamente; como consecuencia de esto, la superficie terrestre quedaría cargada positivamente, y cuando las partículas de agua hubiesen perdido suficientes cargas negativas, se produciría la imponente carrera de electrones.

Otras hipótesis aluden a que la caída de las partículas de agua y hielo a través del campo electromagnético natural de la tierra es la causa de la polarización de la nube, pero seguimos sin conocer plenamente el por qué de este maravilloso fenómeno.

Para los matemáticos curiosos.

Finalmente nuestro lector quedaría estremecido por conocer el mecanismo por el que se rigen muchas de las cosas cotidianas que observa todos los días, pero sin duda le interesaría también ver cuáles son las leyes matemáticas explícitas que explican estos fenómenos. A modo de simple visualización, nosotros, los redactores de QS, se las exponemos en este artículo (que espero haya disfrutado) para que sea consciente de cuán aún más complejo es plasmar estos conceptos en fórmulas matemáticas y, con suerte, despertarle curiosidad por este maravilloso mundo de la ciencia.

Ecuación de la intensidad en la dispersión de Rayleigh:

I=I_{0}{\frac  {(1+\cos ^{2}\theta )}{2R^{2}}}\left({\frac  {2\pi }{\lambda }}\right)^{4}\left({\frac  {n^{2}-1}{n^{2}+2}}\right)^{2}\left({\frac  {d}{2}}\right)^{6}
Esta es la intensidad que se observa visto el proceso en su conjunto, R es la distancia a la partícula, θ es el ángulo de dispersión, n es el índice de refracción de la partícula y d es el diámetro de la partícula. λ es la longitud de onda de los fotones incidentes.

Ecuación en la ley de Bernoulli:

{\displaystyle {\frac {V^{2}\rho }{2}}+{P}+{\rho gz}={\text{constante}}}
Para que la energía se mantenga constante en un fluido (una hipótesis ideal, pero que en ciertos experimentos se ajusta bien), la suma de estos tres términos debe ser cte. V es la velocidad del fluido, P la presión ejercida sobre la superficie que lo envuelve, \rho  es su densidad, g el valor cte del campo gravitatorio terrestre en la superficie y z la altura a la que se encuentre el fluido.

Ecuación de la ley de Snell

La ley de Snell relaciona el ángulo del rayo de luz incidente
con el ángulo refractado.

La importancia del por qué.

Junto a mi compañero Miguel, hemos abordado temas de carácter cotidiano, temas en los que a todos nos ha surgido alguna duda. Hemos tratado de explicar el por qué de estos sucesos lo mas breve y correctamente posible, para que la persona que nos leyera obtenga una respuesta comprensible, a la vez que buena. Lo que buscamos es llevar la ciencia cotidiana a toda la gente que tenga interés en entenderla. Buscamos explicar esos por qué, que parecen tan lejanos, pero en realidad están al alcance de cualquiera. Buscamos el por qué de las cosas, ya que eso precisamente es lo que nos ha hecho evolucionar como especie. Todo empieza con un por qué. ¿Cuál es el tuyo?

Bibliografía

Miguel Jiménez Ortega y Marcos Pardeiro Álvarez.

Comunidad de Quantum Society (QS).

Marcos Pardeiro Alvarez
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