Toc, toc. ¿Queda alguien en la sala? ¿Si? Me alegro Volvamos poco a poco a la normalidad.

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]

Dani nos pregunta:

Hola, me gusta mucho vuestro blog, con vuestro permiso lo he enlazado al mío, quería preguntar sobre las consecuencias sobre las personas del vacío, nuestra fuente de información sobre este tema son las pinículas sci-fi, pero claro, cada una da una versión distinta del tema. Por ejemplo en Atmósfera Cero a la gente le explota la cabeza, ¿por qué? ¿no deberían explotarles los pulmones?, en Desafío Total también les sucede algo extraño en la cabeza aunque no recuerdo si les llega a estallar o no y se les salen los ojos, finalmente en Horizonte Final uno de los astronautas también sale al espacio y sufre secuelas menos aparatosas aunque bastante graves, esta ultima casi parece la mas realista, pero no estoy seguro.

Creo que adquirir este conocimiento cumple perfectamente con el titulo de vuestra página, aunque quien sabe, quizás consiga terminar el rayo de vacío que estoy construyendo .

Saludos

En efecto, Dani, no es recomendable en absoluto salir en pelotas al Espacio (a no ser que se haga para tirarse un pedo y darnos un artículo )

Añadiendo a tu lista de películas, en una de James Bond meten a un tipo en una cámara de vacío y hacen bajar la presión hasta que el pobre estalla. En el otro lado del marcador de errores, Isaac Asimov, el gran Isaac Asimov, contaba en una de sus novelas de Lucky Starr, el Ranger del Espacio (gran serie de novelas) cómo era posible quitarse el casco de astronauta en Marte, durante unos segundos. Creo que una vez más gana Asimov.

Los peligros en el Espacio no son demasiados, pero son suficientes para no intentarlo en casa :

A)La exposición a la radiación. Si el astronauta sale y le está dando el sol de lleno, recibirá una buena dosis de rayos ultravioleta, X y gamma, a cual más dañino. En unos pocos segundos es difícil que sufra daños permanentes, sin embargo. La radiación es uno de los problemas gordos para las misiones tripuladas a Marte, en las que como mínimo los astronautas estarán un par de años sufriendo protonazos solares.

B) El frío. El Espacio está frío, y mucho. Si consiguiéramos estar perfectamente aislados del Sol y otras estrellas, la temperatura estará muy cerca de los 3 Kelvin, es decir, unos 270 grados centígrados bajo cero. Eso es mucho frío. Sin embargo, para un astronauta no significa la congelación inmediata, porque lo que te mata por congelación no es el frío que hace fuera sino el calor que tú pierdes. Y en el Espacio sólo hay una manera de perder calor: por radiación. Todo cuerpo a una temperatura por encima del cero absoluto emite fotones. Los fotones los asociamos a la luz, pero si un fotón tiene menos energía dejaremos de verlo. Los fotones que emitimos por radiación están en la banda del infrarrojo. El caso es que en la Tierra, si sales desnudo a la calle en un día invernal estarás perdiendo calor de tres formas distintas: por radiación, por conducción (el aire frío te quita calor “por contacto) (véase comentario de Omalaled) y por convección (el aire que calientas se va hacia arriba y llega aire frío a sustituirlo, que te enfría más). En el Espacio sólo uno de esos mecanismos está en funcionamiento. Además, el vacío es un gran aislante térmico, como bien saben los fabricantes de termos y de ventanas dobles con rotura del puente térmico. Es obvio que tarde o temprano (más tarde que temprano) la temperatura del astronauta bajará por debajo del umbral de la vida, pero antes de que eso ocurra se habrá muerto de otras cosas.

C) La ausencia de presión. Aquí llega lo duro. Si nos bajan la presión a cero, moriremos rápidamente. Rápidamente son un par de minutos, y la causa de la muerte será, sorprendentemente, la asfixia. Al bajar la presión a cero pasan varias cosas:

1.- El aire que tengamos en los pulmones saldrá disparado por nuestra boca. Si cometemos el error de contener la respiración nos causaremos daños en los delicadísimos tejidos pulmonares. Aunque no lleguen a explotar, los pulmones sufrirán desgarros. Todo buceador sabe que no debe contener la respiración mientras sube hacia la superficie. Pues esto es lo mismo, pero menos grave. La sobrepresión del aire en nuestros pulmones comparada con la del vacío (que es de una atmósfera) es la misma que la que tiene un buceador a diez metros de profundidad comparado con la superficie. Un buceador que ascienda desde doce metros (nada poco habitual, creo yo) conteniendo la respiración sufrirá más daños pulmonares que un astronauta lanzado al Espacio, si ninguno de los dos expulsa el aire de sus pulmones. No prueben ninguna de las dos, estimados lectores.

2.- La sangre NO hierve. Sí, todo líquido lanzado al Espacio hierve, pero la sangre está metida dentro de las arterias y venas y a una presión que oscila entre los 75 y los 120 mmHg (milímetros de mercurio: una atmósfera son 760 mmHg) por encima de la presión normal de una atmósfera (véase comentario de Ñita). A esa presión, la temperatura de ebullición del agua está en 46ºC, muy por encima de la que pueda alcanzar nuestro cuerpo (unos 37ºC), por lo que no habrá ebullición. Sí que herviría, por ejemplo, la saliva que tuviésemos en nuestra lengua o la lágrima que recubre nuestras córneas. Pero herviría a 37ºC, que es la temperatura a la que estaban. No nos quemarían al hervir.

3.- Los oídos nos harán ¡pop!. Si tenemos las trompas de Eustaquio taponadas podemos sufrir un desgarro del tímpano (desgarro que sería hacia fuera, no hacia dentro).

4.- El cuerpo NO explota. Sí es cierto que los gases internos se expanden y los líquidos perfunden los tejidos (edemas), pero nuestra piel es muy resistente a la tensión. Nos inflaríamos, pero no reventaríamos. Durante un vuelo en globo aerostático hasta las capas superiores de la atmósfera para batir el récord mundial de salto en paracaídas, a Joe Kittinger se le estropeó el sistema de presurización de su guante derecho. La mano se le hinchó hasta alcanzar más o menos el doble de su volumen (a 31000 metros la presión es una minúscula fracción de la que hay a nivel de tierra, y podríamos decir que sufrió una exposición de su mano al vacío), pero no reventó. Un par de horas después de su aterrizaje, la mano estaba perfecta de nuevo. En el centro espacial Johnson, en 1965, mientras se probaba la resistencia de los trajes al vacío, un empleado de la NASA se quedó encerrado en la cámara de vacío. La presión llegó a bajar hasta 1 psi (libra por pulgada cuadrada, más o menos seis centésimas de atmósfera). El accidentado perdió el conocimiento en unos 15 segundos, y recuerda que lo último que notó fue cómo la saliva hervía en su boca. A los 20 segundos se comenzó a subir de nuevo la presión de la cámara y el accidentado recuperó espontáneamente la consciencia. No le quedaron secuelas.

Salto desde 31.300 metros. Ahí es nada

El salto pueden verlo en este vídeo musical que nos apunta TheOm3ga (¡gracias!). Impresionante:

5.- Al bajar la presión, los gases disueltos en la sangre dejarán de estarlo, pues la solubilidad de un gas en un líquido aumenta con la presión. Esos gases formarán burbujas que pueden causarnos una trombosis, y también causarán mucho dolor en las articulaciones. Los buceadores también conocen a fondo este efecto. Sin embargo, tarda algo más en ocurrir de lo que tardaríamos en perder el conocimiento por falta de oxígeno.

Así que si lanzas un astronauta desnudo al Espacio y lo recuperas antes de un minuto, muy probablemente no le pasará nada irreversible. El principal problema al que se enfrenta es la falta de oxígeno en el cerebro (anoxia).

Como siempre que me interno por terra incognita, ruego ayuda para correcciones/ampliaciones de nuestros amigos buceadores y médicos. Gracias por adelantado.

Nota: Justo antes de darle al botón de publicar encuentro que Sergio ya ha tratado este mismo tema de forma magistral en su estupendo blog. Además, las fuentes de información que hemos usado son parecidas. Dígolo por si les interesa ver otro enfoque del mismo tema.

Nota 2: Como bien me recuerdan en los comentarios, también se habló del tema en el Foro CPI.

Nota 3: ¡Menea esta entrada si te apetece!

Para saber más:

1.- Temperatura en el Espacio , de la NASA.

2.- Perdiendo calor en el Espacio y Transmisión de calor, del imprescindible Malaciencia.

3.- Vacío exterior, en la Wikipedia.

4.- Exploding body in vacuum .

5.- A human body in a vacuum , de la NASA, con las historias sobre las despresurizaciones.

6.- Human exposure to vacuum .

Nos escribe Serpentina en un comentario preguntando lo siguiente:

[...] acabo de leer que el nuevo traje espacial chino lleva una hélice para desplazarse por el Espacio. No se mucho del tema pero me parece que no tiene ningún sentido, si están fuera de la atmósfera no creo que la hélice les sirva de mucho. Quizá sea otra expresión de surrealismo de elmundo.es, como cuando dijeron que hay más terremotos por culpa del cambio climático.

En efecto, Serpentina. Una hélice en el Espacio tiene poca utilidad. Como mucho, serviría para rotar al astronauta: si la hélice gira a derechas el astronauta giraría a izquierdas, para conservar el momento angular. Se puede comprobar esto de manera simple con una minipimer. Tómenla en la mano, con precaución, y enciéndanla. Notarán que la batidora intenta girar en su mano, en sentido contrario al que giran las cuchillas. Pero entonces no sería una hélice sino un giróscopo.

La hélices son como alas. Al girar la pala, impulsa aire o agua hacia atrás, gracias a su forma. Por conservación del momento lineal, el avión, barco o submarino se impulsa hacia delante. Por supuesto, hay mucha más chicha física en una hélice, pero nos quedamos con el principio básico.

Foto de Adam Paine para no dejar esta entrada huérfana de fotos

Por lo que acabamos de ver, si una hélice gira en el vacío del Espacio no producirá empuje, pues no hay aire o agua que impulsar hacia atrás. Y yastá. Las hélices no sirven en el Espacio y si un periodista dice que un traje de astronauta lleva una hélice para moverse es que se perdió una clase en el curso de “periodismo científico”, que supongo que es obligatorio en todas las facultades.

Pero la culpa no es enteramente de El Mundo. Ni siquiera de Efe, que es la que origina la noticia en castellano. Como tantas otras veces es de un traductor descuidado y/o que no sabe física y de los periodistas descuidados y/o que no saben física.

Ante todo, la captura de la noticia la tienen aquí, por si los de El Mundo corrigen (ojalá). El Mundo da tal cual una noticia de Efe, que cita al diario “Beijing Science and Technology Daily”. Tal diario no tiene versión en línea, o no la tiene en inglés. Sin embargo, otros medios chinos dan la noticia, tanto en inglés como en español. Probablemente la noticia original sale en chino. Como servidor no lee chino, nos quedaremos con la duda acerca de si el error original está ahí.

Alguien, probablemente una agencia de noticias o el propio diario, traduce al inglés la noticia. Y aquí viene el fallo. Hablan de un traje espacial con un “propeller“. Un propeller es una hélice. Pero, probablemente, lo que quieren decir no es un propeller, sino un propellent, un propulsor. El traje irá equipado con un dispositivo que permitirá lanzar gases hacia atrás para que el astronauta se impulse hacia delante. Esta sutil diferencia entre propeller y propellent es, creo yo, la madre del cordero.

La agencia de noticias china Xinhua da bien la noticia en español: habla de un propulsor. Sin embargo, su versión inglesa habla de una hélice (propeller). Y de aquí tradujo Efe, en mi opinión.

Otros medios, tanto en español como en portugués , también han puesto tal cual la nota de Efe.

Así que esto sería un caso de Malatraducción, más que de MalaCiencia. En cualquier caso, Malaprensa. Y, por supuesto, será CPL. (¿Se nota a quiénes admiro? )

Título: The meaning of it all
Autor: Richard P. Feynman
Tema: Divulgación científica, Ensayo
Editorial: Perseus
Páginas: 133
ISBN: 0-7382-0166-9
Idioma: Inglés
Hay traducción al castellano.

De nuevo Feynman, en su salsa. Este libro está basado, como muchos otros suyos, incluyendo las magnas “Conferencias de Física”, en las transcripciones de una serie de conferencias –tres– que dio Feynman acerca de la ciencia, y su relación (o ausencia de ella) con, por ejemplo, la política, la ética y la religión. Feynman empieza reconociendo que no es experto en ninguna de las materias, salvo quizás la física, y que las opiniones que va a dar son las de “un ciudadano científico” (o un científico ciudadano).

El estilo de hablar de Feynman es muy fluido, lleno de paraditas para comprobar si lo que está diciendo se entiende, repitiendo los conceptos y con alguna muletilla que llega a repetir ocho veces seguidas en un párrafo (and so on, para los curiosos). Pero se nota que está sintiendo lo que dice en cada momento, que está íntimamente convencido de las cosas que cuenta. Además, a veces suelta alguna fresca y uno se lo imagina sonriendo con media boca, enseñando el colmillo, con ojillos divertidos mientras el auditorio se parte de risa.

Feynman habla de experimentos de telepatía (fallidos, claro), de experimentos con ratones en los que el experimentador no sabe de estadística y obtiene conclusiones erróneas, de las encuestas que suelen hacer las revistas para saber, por ejemplo, si basándose en veinte respuestas usted será feliz con su pareja, de cómo la religión y la ciencia son compatibles según él, siempre que una no se inmiscuya en el ámbito de la otra. Habla de la época acientífica que le había tocado vivir (en la segunda conferencia explica por qué al s. XX, en el que la ciencia nos trajo la Relatividad y la Mecánica Cuántica, él lo llama “época acientífica”).

Como dato gracioso, Feynman comienza la tercera conferencia diciendo algo parecido a esto: “Me había preparado esta serie de conferencias para tener todas mis ideas estructuradas y ordenadas, para tener un esquema y unos contenidos desarrollados y pulidos que ir desbrozando paso a paso. Me puse a la tarea con esmero, y lo conseguí. Conseguí ordenar todos mis pensamientos y definir las ideas y los desarrollos en tan sólo dos conferencias. Así que esta última pienso improvisarla”.

El libro está estupendo, se lee fácilmente y es un alegato a favor del pensamiento racional. Como el último Sagan, más o menos, pero con un poco más de informalidad y salero. Mi nota: Muy recomendable.

Si la Torre Eiffel representara la edad del mundo, la capa de pintura en el botón del remache de su cúspide representaría la parte que al hombre le corresponde de tal edad; y cualquiera se daría cuenta que la capa de pintura del remache es la razón por la cual se construyó la Torre.

Mark Twain, criticando el Creacionismo.

Vista en el siempre imprescindible Historias de la Ciencia.