Nacho nos pregunta:

Buenas, hoy jugando al fútbol me ha venido una duda que me carcome en estos instantes:

¿Por qué cuando chutamos un balón de fútbol alcanza muchas más velocidad si este nos viene en sentido contrario, que si éste está quieto?

Sin pensarlo en profundidad la idea es que si te viene en sentido contrario tienes además que contrarrestar esa fuerza para mandarlo en sentido opuesto, y por tanto ocurriría al revés, pero en la práctica no es así.

Gracias y larga vida a CPI ^^

En efecto, Nacho ,es un efecto que supongo bien conocido entre amantes de deportes de pelota varios, entre los que también está el tenis: la respuesta a un mandoble del oponente suele salir de nuestra raqueta mucho más “fuerte” (a más velocidad) que un golpe dado con la pelota quieta con respecto a nosotros.

Responderé a tu pregunta con otra pregunta, Nacho: ¿Por qué un balón que rebota contra una pared llega más lejos cuando viene contra ella muy rápido, si lo comparamos con otro balón que llega “llorando”? La pared no es sospechosa de participar dando efecto al balón o nada parecido, ni siquiera una humilde patadita. La respuesta está en tres palabras: energía potencial elástica.

Antes de meternos en harina, hay que demostrar un postulado básico para nuestra tesis. Llamemos a un invitado que nunca nos ha fallado en esta página y al que pocos esperaban ver en una entrada como ésta. Invoquemos a Albert Einstein. Einstein, en su Relatividad Especial o restringida (la primera, la de 1905, la de E=mc²), afirmó que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz en el vacío. Una de las consecuencias de esta afirmación es que no existen los cuerpos incompresibles. En efecto, todo cuerpo que choque con otro sufrirá algún grado de deformación, ya sea temporal (cuerpos elásticos) o permanente (cuerpos inelásticos o plásticos). Veamos por qué:

Imaginemos una pelota que choca contra una pared. Imaginemos que la pelota está hecha del material más duro del Universo, un material cuyos átomos están tan fuertemente ligados entre ellos que no hay fuerza humana que consiga separarlos. Lancemos esa pelota contra una pared. La velocidad da igual.

La parte delantera de la pelota, cuando entra en contacto con la pared, sufre una fuerza que la frena. Es posible que la pared se rompa, es posible que no, pero lo que nos importa es que la pared contra la que choca la pelota la está frenando. Los primeros en notar el frenazo son los átomos “de delante” de la pelota. Esos átomos notan la fuerza de la pared, se desaceleran e interaccionan con los átomos de la pelota que vienen detrás, frenándolos a su vez…

El caso es que la velocidad a la que se van desplazando estas interacciones entre los átomos de la pelota nunca podrán superar la velocidad de la luz (si pudieran superarla, podríamos fabricarnos un telégrafo morse que transmitiera impulsos vibratorios a velocidad superlumínica, cosa imposible según las leyes conocidas de la física), por lo que los átomos del final de la pelota seguirán moviéndose hasta que la onda de compresión les alcance. ¿Y qué pasa cuando a un sólido se le van frenando los átomos de delante mientras los de detrás siguen moviéndose a la velocidad inicial? Que se deforma, por compresión. Vámonos al bar, que en una servilleta queda todo más pulcro:

Servilleta 1: La pelota siempre se deforma. La pared, por dura que sea, también se deforma (efecto no mostrado aquí).

Así pues, hemos empezado demostrando que al pegarle un neque a un cuerpo, éste se deforma. Ahora nos acercamos al proceso de pegarle una patada a un balón:

1.- En un primer momento, el pie, que suele tener una velocidad de entre 15 y 20 m/s, entra en contacto con la pelota. Se produce la primera deformación a medida que el pie sigue avanzando y la pelota no se mueve muy rápido todavía.

2.- En una segunda parte, la deformación alcanza su máximo, la pelota va cada vez más rápido y alcanza la velocidad del pie.

3.- En una última etapa, la pelota llega a moverse más rápido que el pie y sale disparada ayudada por la energía elástica que ha almacenado al deformarse, que la propulsa, apoyándose en el pie, para abandonar el contacto con éste a una velocidad mayor que la del propio pie (hasta 38 m/s, unos 140 km/h, si uno es Roberto Carlos).

4.- El Robocop

Una gráfica, sacada de un estudio más serio (pero no por ello menos entretenido) sobre los disparos en el fútbol (véase la sección de bibliografía al final del artículo), lo resume:

Gráficas de la fuerza ejercida sobre el balón (en rojo) y la velocidad del mismo comparada con la velocidad del pie que lo impulsa (en azul). Nótese que el balón alcanza la velocidad del pie antes de que éste deje de golpearlo, y comienza entonces la expansión que propulsará al balón aún a mayor velocidad.

Una pelota de fútbol que llega a nosotros a gran velocidad posee, si despreciamos su rotación, una cierta cantidad de energía cinética, que depende tanto de la masa como de la velocidad de la pelota. Cuando esa pelota choca contra un obstáculo, o sea, nuestro pie, que avanza hacia ella, la energía cinética que poseía el balón se convierte en energía potencial elástica, sumándose a la energía que le proporciona nuestro pie y provocando una compresión mayor del balón. Al liberar mayor energía en la compresión, el balón es equivalente a un muelle más comprimido, que saltará más lejos cuando lo liberemos que un muelle poco comprimido.

¡Ojo! ¡Nuestro pie también se comprime! Los tejidos y huesos de nuestro pie que entran en contacto con el balón sufren una compresión también. El grado de compresión depende de las masas relativas y la velocidad del choque. Por eso no es lo mismo golpear un balón de fútbol que un bolardo

En este vídeo [.wmv, 225 KB], que no pongo por cuestiones de copyright, se puede apreciar la deformación de la pelota

La energía potencial elástica también ayuda a explicar por qué se suele llegar más lejos al chutar dándole un punterazo al balón. La puntera del pie, al ser de menor superficie que el empeine, provoca mayor presión, lo cual deforma más el balón, que adquiere algo más de energía elástica que si le damos con todo el pie. Los buenos futbolistas le dan con el empeine para controlar la dirección y el efecto, pero con un punterazo se puede alcanzar mayor distancia.

Y eso es todo, Nacho. Resumiendo, cuando un balón llega a toda velocidad hacia ti ya trae una energía (cinética). Al chutarlo, el balón se comprime más que si estuviera quieto, por lo que almacena mayor cantidad de energía potencial elástica, que libera de nuevo al rebotar, alcanzando una mayor distancia.

Para leer más:

1.- Kick-off. The Physics of kicking a soccer ball [.pdf, 453 kB]

[En realidad este libro lo acabé de leer en 2007, pero como ya publiqué la lista, pues lo meto en 2008]. Como no podía ser de otra manera, estimados lectores, durante el embarazo de los pequeñajos cayeron en mis manos algunos libros sobre “cómo prepararse para ser papás”. Prometo no darles la barrila comentando todos los que leí. Sólo escojo el que a mi juicio es el mejor, con diferencia. Aprovecho para darle mil gracias a Petisuis, que fue quien me recomendó (y me prestó) el libro. Gracias, guapa

Pocas cosas me vienen a la cabeza cuando se trata de comentar un libro “de autoayuda”, o cual sea la categoría en la que caen este tipo de libros. Lo único que puedo decirles es que cuando a Maite “le dolía aquí”, el libro tenía la respuesta, genialmente explicada, de manera muy comprensible y relacionándola con otras cuestiones que también acabaron surgiendo. Pocas veces he consultado un libro con la seguridad de que encontraría lo que necesitaba, y que lo comprendería del todo (tal vez la Wikipedia podría aproximarse, pero al ser ésta una cuestión tan personal, lo pongo por encima en mi ránking de “sitios chachis donde buscar información”).

No hay mucho más que decir. La información está ordenada por la cronología del embarazo (semanas, trimestres y esos extraños sistemas no internacionales que todos empezamos a usar durante el embarazo) y habla de tooodas las posibles afecciones, molestias, consejos, trucos y demás sucesos que acaecen normalmente durante un embarazo. Hay un capítulo especial de embarazos múltiples, cosa que agradecí muchísimo.

Si se han quedado embarazados, estimados lectores (los hombres también cuentan, por supuesto, como embarazados consortes), este libro les va a ser de gran ayuda. A mí me lo fue. Mi nota: Imprescindible si está usted embarazada o cree que pudiera estarlo

Buenos días Remo

Me encanta el blog por esa forma sencilla y amena de acercar la ciencia a gente curiosa como nosotros… No sé si lo que viene será una consulta CPIera pero ahí va…

Leyendo la entrada sobre retrovisores me dio por preguntarme el porqué algunos cristales se ven verdes en el canto tal y como se ve en la foto que te adjunto, pero luego de frente son transparentes.

Por lo que comprobé, no se debe al reflejo del entorno, no me explico cómo sucede esto.

Un abrazo.

Luis: Respondiendo a tu pregunta acabaremos hablando de los atardeceres. Lo bonito de la ciencia es que muchas veces el mismo mecanismo sirve para explicar fenómenos muy dispares.

Ante todo, una precisión: En física y química, un cristal es un material con una estructura atómica ordenada, que se repite regularmente. La sal de mesa, NaCl (cloruro de sodio) es un ejemplo de cristal. Nuestras ventanas no son cristales, puesto que sus moléculas están ordenadas al tuntún. Son vidrios.

El vidrio es un sólido amorfo (sin estructura atómica ordenada, como acabamos de ver) compuesto en su mayor parte por sílice, que es óxido de silicio (SiO₂). Básicamente, arena de playa fundida, para que nos entendamos, y enfriada muy rápidamente para que no se ordenen su moléculas mientras se enfría. El vidrio, además de la sílice, lleva en su interior óxidos metálicos que son responsables en gran parte tanto de su comportamiento ante la luz (qué colores deja pasar y cuáles no) como de sus propiedades mecánicas (resistencia al calor y a los impactos). Estos óxidos metálicos se añaden en parte para conseguir propiedades deseadas en el vidrio y en parte para abaratar y simplificar el proceso de manufacturación. El cuarzo fundido (sílice) es bastante fastidiado de manipular, hay que calentarlo un montón para fundirlo y es bastante caro. Al vidrio común se le añaden bastantes de estos compuestos:

Hay muchos tipos de vidrios. Un montón. Desde el vidrio común de ventana, llamado “vidrio sódico cálcico” por ser los óxidos sódico y cálcico sus principales aditivos, pasando por el Pyrex, que tiene borosilicatos (sompuestos de silicio y boro) en su interior que hacen que resista mejor los cambios de temperatura, hasta el cristal antibalas, que no es en realidad un vidrio al uso sino que está hecho de policarbonato.

Nos vamos acercando a nuestro destino. Los responsables del color verdoso de los bordes del vidrio son los óxidos de hierro, que absorben algunos colores (los azules y rojos) y dejan pasar más los que están cerca del verde. Así, la luz del sol, que podemos suponer que es blanca para nuestro uso (no lo es, y de hecho el pico de emisión está en el amarillo-verde, pero de momento lo aparcamos), al atravesar el vidrio, pierde parte de sus componentes azul y roja y queda un poco “enverdecida”. El efecto es tenue, pero medible. En un espectro de transmisión (en la gráfica de la izquierda) del vidrio común podemos apreciar que por poquito la longitud de onda que más se transmite es la de 550 nanómetros (nm), que es precisamente nuestro color verde:

“¿Estás diciendo que la luz que atraviesa una ventana queda verde? Pues yo no lo noto”, podrás decir. “Y además aún no has hablado de los bordes”. A ello vamos. La luz que atraviesa un vidrio común queda enverdecida, pero muy poquito, porque ha atravesado sólo medio centímetro de vidrio, que es un grosor estándar. Sin embargo, cuando ves la luz que viene del borde del vidrio, estás viendo luz que ha entrado por el otro borde, por lo que ha atravesado mucha más longitud de vidrio y ha ido perdiendo mucho más sus componentes azul y roja. Ésta es la explicación básica.

Y para comprobarlo, podríamos poner muchas láminas de vidrio juntas y comprobar que cuanto más vidrio atraviesa la luz, más verde se vuelve. A ello me puse, apilando unas cuantas láminas de vidrio en escalera con la ayuda de Juanjo y Miguel, compañeros del laboratorio (¡gracias!). Los resultados saltan a la vista, nunca mejor dicho; a medida que la luz va a travesando más cantidad de vidrio, más verde se va poniendo. La pared blanca tras el primer vidrio sigue pareciendo blanca, aunque podemos ir observando el cambio con claridad (clic para ampliar):

¿Y por qué la luz que sale por un borde tiene que haber entrado por el otro? Pues porque el vidrio, al ser un medio poco dispersivo, más o menos mantiene la luz en su trayectoria sin esparcirla por el interior. Si un rayo de luz entra por una cara, saldrá por la otra sin que una cantidad apreciable de luz rebote por el interior. Y si entra por un borde, seguirá hasta salir por el otro sin que una cantidad apreciable salga por las caras principales.

Por último, hablemos de los atardeceres. Hace poco enlacé a Malaciencia y su explicación del color del cielo. La luz del sol es blanca, o así la consideramos para nuestros propósitos. El aire dispersa la luz en todas direcciones, pero dispersa más la luz de alta frecuencia (azules y violetas) que la de baja frecuencia (naranjas y rojos). Cuanzo la luz del sol pasa por el cielo por encima de nuestras cabezas, el azul es más dispersado en todas direcciones y por eso vemos el cielo azul. Si miramos al sol, lo veremos menos azulado de lo que realmente es, pues el aire nos ha ido quitando la luz azul. A mediodía, cuando el sol está alto, no es sin embargo fácil de apreciar. Se ve mucho mejor cuando el Sol está bajo en el horizonte y hay mucha más capa de atmósfera entre él y nosotros. Ahí se ve que ha ido perdiendo los azules y quedan los rojos.

Aunque el mecanismo por el cual un vidrio “enverdece” la luz que lo atraviesa es la absorción y el mecanismo mediante el que el aire enrojece la luz que lo atraviesa es la dispersión (algo de absorción hay, pero menos), el resultado final es el mismo: la luz que atraviesa ambos medios sufre cambios en su color, y estos cambios son más acusados y perceptibles cuanto mayor sea el grosor de material que atraviese.

Para leer más:

1.- Wikipedia: vidrio
2.- Foro CPI: vidrio
3.- Foro CPI: ¿Por qué las botellas de vino son verdes?

¡Muy buenas!,

En primer lugar quería felicitaros por vuestro blog, uno de mis favoritos y en el que explicáis muy bien las cosas a la gente que es curiosa pero no de ciencias.

Mi pregunta me surgió hace tiempo, y tiempo que llevo con ella apuntada en la cabeza para planteárosla:

Imaginemos que vamos en un avión capacitado para alcanzar mucha mas altura de lo normal, a tal altura que la presión baje tanto que el agua pueda hervir a los 40 grados centígrados. Pues una vez ahí, nos da por cocinar unos macarrones. La pregunta es: ¿Necesitaría llegar a X temperatura la pasta para que se cocine o simplemente con el hecho de estar el agua hirviendo a pesar de estar “templada” es suficiente para cocinarla? O al revés, ¿ bajo mucha presión y con agua muy caliente (mas de 100 grados) pero sin hervir se cocinarían unos macarrones, o la clave es la ebullición?

Espero que os resulte interesante la pregunta, me muero por saber.

Muchas gracias, un saludo,

Luis:

El hecho de que un líquido hierva sólo significa que su presión de vapor (de la que ya hablamos en CPI: Evaporación) se ha igualado con la presión del aire exterior. La pasta no “sabe” que el líquido a su alrededor está hirviendo. Sólo “sabe” que hay agua y a qué temperatura está. Así que en realidad nos da igual cocer pasta con agua a 80 grados sin que llegue a hervir en Alicante que con agua a 80º hirviendo en las faldas del Everest.

Para lo que sigue ruego la ayuda de lectores versados en ciencia de los alimentos, por si meto la pata. Cito de mi referencia 2:

La pasta normalmente se hace de harina, huevos, sal y agua. La mayoría de la pasta se hace de semolina o de sémola de trigo duro, un tipo de harina de trigo, pero también se pueden utilizar otros cereales como maíz, arroz, quínoa, espelta, y trigo poulard o australiano. Estos cereales alternativos rinden pastas más blandas y pegajosas, pero que son una buena alternativa para la gente con alergias/intolerancias al trigo (celiaquía).

Otros tipos de pasta se hacen con el cereal de trigo integral, lo que hace que la pasta sea más oscura y más nutritiva, o de trigo con otras harinas, incluyendo harinas no procedentes de cereales, como la de soja.

Los huevos se utilizan para mejorar la calidad tecnológica de la pasta. El huevo no solamente enriquece a la pasta desde el punto de vista nutricional y organoléptico, sino que también tiene una función tecnológica, ya que el huevo hace que la masa sea elástica, blanda y resistente.

El agua se utiliza normalmente para la masa y hacer posible el moldeado. Durante la etapa de secado es cuando la mayor parte del agua se elimina. La sal se le añade por el sabor.

Cuando echamos esta pasta al agua, siempre se acabará haciendo ablandando. Da igual que el agua hierva o no, da igual su temperatura. La pasta de trigo acabará absorbiendo el agua y haciéndose ablandándose. Cuando andaba dándole vueltas a tu pregunta, se me ocurrió hacer pasta con agua que no llegar a hervir, pero directamente me fui al extremo: echar pasta en un vaso de agua del grifo y ver si se quedaba dura o absorbía el agua. El resultado después de una noche en un vaso de agua a temperatura ambiente está en el siguiente vídeo. El vídeo es un poco aburrido, pero ya que me había tomado la molestia de hacerlo pensé que por qué no compartirlo. La pasta se ablanda:

La pasta estaba demasiado blandosa como para disfrutarla, pero estaba claramente comestible [Actualización: Está blanda y comestible pero sigue estando cruda. Ver comentario 2]. O sea, que se puede “hacer” pasta sin agua hirviendo. Por tanto, estimado Luis, ni son los 100 ºC ni es el hervor. Es el agua. Obviamente, cuanto más caliente esté el agua, más rápidamente se hará la pasta (la absorción y la solubilidad suelen aumentar con la temperatura). Por eso se recomienda hervir. Y supongo que también por el asunto de la amilosa, del que hablamos ahora mismo.

También se habló en CPI hace un tiempo de por qué las galletas se ablandaban antes en leche caliente que en leche fría: Galletas que se reblandecen.

Como datos CPI adicionales, puede verse en la siguiente imagen cómo la pasta se queda con un color blanquecino que no es habitual cuando se hierve:

Este color blancuzco se debe a que de los muchísimos componentes de la semolina, hay uno, la amilosa, que se disuelve en agua hirviendo pero no en agua a temperatura ambiente. Es la responsable de ese tono blancuzco de la pasta cuando no hierve el agua y es la responsable de la leve turbidez del agua hervida cuando sacamos de ella la pasta.

En la misma imagen se aprecian las burbujas de oxígeno que desprende el agua cuando se la deja toda la noche al fresco, burbujas de las que ya hablamos en CPI: Más burbujas.

Para leer más:

1.- Semolina, en la Wikipedia
2.- Ingredientes de la pasta
3.- Ask a Scientist: Pasta

Actualización 2: Gracias a los lectores por ponerme sobre la pista. Investigando llego a una página que cuenta lo que vienen ustedes diciendo en los comentarios: hace falta una temperatura mínima para que se desnaturalice la amilosa y la pasta “se cocine”.

Los dos componentes principales de la fécula de la pasta son la amilosa, de la que ya hemos hablado, y la amilopectina.

La amilosa tiene la siguiente composición:

Y se organiza en espirales:

La amilopectina, que es la que da consistencia a la pasta y entre cuyas moléculas querda atrapada el aguaa bsorbida, tiene esta composición:

Y se organiza en estructuras ramificadas:

La fécula se encuentra tanto en el trigo como en el maíz y las patatas. Los porcentajes entre amilopectina y amilosa varían entre las diferentes variedades. El aspecto de la fécula de maíz es el siguiente:

Antes de la desnaturalización, los gránulos de fécula tienen este aspecto:

Tras la desnaturalización, la amilosa sale del gránulo, como ya sabíamos, que queda con este aspecto:

Y los diferentes gránulos forman un gel con agua en su interior:

La temperatura mínima para que esto ocurra ronda los 62º-70º, tal y como habían aventurado nuestros lectores. Son ustedes unos hachas.

Fuente: Starch , de CatLab.

Otro estupendo libro a cuyo espíritu se apuntó CPI. Un montón de lectores mandan preguntas a la revista Scientific American (en español, Investigación y Ciencia), donde cada pregunta es respondida por un especialista en la materia (a veces, incluso, por el premio Nobel cuya investigación respondió a la pregunta formulada).

Hay unas cuantas preguntas, muchas, que son realmente interesantes: ¿Cómo se mide el peso de un planeta? ¿Cómo sobreviven los delfines y las ballenas si se pasan el día bebiendo agua salada? ¿Por qué muchos perros y gatos aparecen con los ojos azules o verdes en las fotos con flash, en vez de rojos? ¿Cómo conseguía levantarse el T. Rex con esas patitas delanteras tan pequeñas? ¿Cómo se produce una resaca? ¿Por qué marea leer en el coche? ¿Por qué no hay cáncer de corazón? ¿Por qué en ocasiones el arco iris se ve más grande que en otras?

Es un libro muy cortito pero muy aprovechable. El único defecto que le veo es que a veces las respuestas son demasiado cortas, dejándonos con ganas de más o, en un par de ocasiones, simplificando demasiado. Ejemplo: El cielo es azul porque absorbe más el rojo, igual que el agua del mar. Uf. En Malaciencia Alf lo hizo mucho mejor al explicarlo: El color del cielo en Malaciencia.

En cualquier caso, cualquier libro que comparta el espíritu CPI me parece bueno, aquí reconozco que no soy imparcial. El hecho de que muchas preguntas dispares tengan respuestas basadas en lo que la humanidad ha ido observando a lo largo de la historia me parece increíble. Einstein ya lo dijo mejor:

Lo más incomprensible del Universo es que sea comprensible.

Albert Einstein

Aunque en mi opinión son mejores los dos tomos del NewScientist, ¿Hay algo que coma avispas? y Why don’t penguins’ feet freeze, este libro me sigue pareciendo imprescindible.