¡Seguimos subiendo la media de publicaciones anual! Estamos que lo tiramos. Gracias, a todos.

Enric nos pregunta:

¿Por qué cuando te subes a una escalera mecánica que NO funciona y sabes que NO funciona, los primeros pasos en ella parece que se mueva y lo mismo al salir? ¿Por qué  hay una especie de tiempo de recuperación al entrar y salir si sabemos de sobra que no funciona?

A lo mejor lo que describo sólo me pasa a mí pero por si acaso y si crees que puedes dar una explicación que sea interesante para los lectores (y sobre todo para mí, porque es una sensación que me trae loco).

Ah, la vieja sensación de las escaleras mecánicas… estoy absolutamente convencido de que no eres el único.  Entrar en una escalera mecánica parada es una sensación muy curiosa. Como dato absolutamente CPI, les contaré que en japonés esa sensación tiene un nombre, que es Iwakan  (sensación de que algo no marcha bien o es extraño).  Vaya por delante, como suelo decir cuando escribo de temas sobre los que no tengo ni idea, que toda ayuda y corrección por parte de gente que sí sepa es bienvenida. ¡Médicosy biólogos de CPI, sentíos libres, por favor, de corregirme y/o ampliarme!

Te diré, Enric, que este asunto en concreto me llamaba la atención desde hace mucho tiempo. Mi hipótesis ha sido siempre que subirse a una escalera mecánica es como montar en bicicleta o caminar, que una vez que lo aprendes lo interiorizas y las siguientes veces no necesitas mantener el equilibrio conscientemente. Curiosamente, y dado que la naturaleza me ha provisto de dos criaturas (ahora tres, pero eso es otra historia y será contada en otro momento) con las que puedo experimentar, te diré que he llevado a cabo experimentos no científicos sobre el asunto, y que puedo dar la siguiente información:

Cuando un niño se sube por primera vez a una escalera mecánica, a pesar de que está viendo que se mueve, se cae hacia atrás (se vence, no llega a caer, por lo menos en mis experimentos) y debe agarrarse al pasamanos para mantener el equilibrio. Toda la maniobra va acompañada de una sonrisa boba adorable y una cara de mareo, con sonidos tipo “¡uau!”, mientras papá, a medio metro por detrás, con las manos extendidas por si acaso, observa la maniobra con mezcla de precaución y regocijo. La segunda, tercera y cuarta veces el mecanismo inconsciente de equilibrio (llamémoslo así) ya ha entrado en funcionamiento y las entradas en la escalera son más estables. La quinta vez que mis hijos subieron a una escalera mecánica del corte  inglés lo hicieron “en automático”, sin necesitad de controlar conscientemente su equilibrio.  Esto lo he visto yo, con dos niños a la vez, y fijándome explícitamente en sus reacciones. Los tiempos entre cada una de las experiencias oscilaban entre una y varias semanas. Por tanto, puedo afirmar que el control motor inconsciente del cerebro tiene muy buena memoria y es muy hábil al acostumbrarnos a este tipo de plataformas móviles.

Pero obviando mis incompletas observaciones personales, he encontrado un artículo estupendo en PLOS ONE (había otros, pero éste es el más completo) en el que un grupo de investigadores se dedicó a medir con siete voluntarios la “extrañeza” que sentían al subir a escalera mecánicas paradas. Como son científicos, hicieron el experimento bien:

 

Fig. 1.- Planteamiento del experimento. A unos voluntarios se les ponen sensores de movimiento en talones y espalda para observar sus posturas y movimientos, y a continuación se les hacer recorrer un circuito que consta de 5 escaleras mecánicas en movimiento seguidas de o bien 2 escaleras "de toda la vida" (de madera y con el primer escalón más bajo para imitar una escalera mecánica), seguidas de una escalera mecánica parada, o bien 3 escaleras mecánicas paradas. A continuación se les pregunta por la sensación de extrañeza que han sentido, mediante una puntuación, a la vez que se compara con sus movimientos corporales.

Los resultados los podemos ver en la gráfica de la Fig. 2: Las tres columnas de la izquierda representan la “extrañeza” cuantificada en tres escaleras mecánicas quietas consecutivas. La primera escalera mecánica parada es la que más extrañeza produce. La segunda vez consecutiva que nos subimos a la escalera aún nos da ese mareíllo, y la tercera también, pero claramente menos. El sistema motor se acostumbra rápidamente.

En las tres columnas de la derecha, el circuito pasaba por dos escaleras de madera y una escalera mecánica parada al final. El cerebro identifica correctamente las escaleras como “estáticas” y las dos primeras apenas suscitan extrañeza. A pesar de eso, la tercera sí lo hace, porque el cerebro, tozudo él, espera de nuevo que se mueva, a pesar de estar viéndola parada. Fíjense, aunque no sea altamente significativo, que el grado de extrañeza al encontrarse una escalera mecánica parada tras subir por dos escaleras de madera (columna 6) es casi el mismo que el de encontrarse la escalera mecánica parada de primeras dadas (columna 1).

 

Fig. 2.- Resultados del experimento, dos grupos de respuestas puntuando la sensación de extrañeza según cuál de los circuitos siguieran los sujetos experimentales.

Tras el experimento, los investigadores llegaron a las siguientes e interesantes conclusiones:

1.- La sensación de extrañeza no aparece cuando se sube uno a unas escaleras de madera, aunque tengan exactamente la misma forma que las escaleras mecánicas paradas, con el primer escalón apenas levantado, el siguiente un poco más levantado y los demás del mismo tamaño. NUestro cerebro identifica visualmente la escalera y dice “ésta no es mecánica”, por lo que la reacción automática no se produce.

2.- El cerebro consciente ve que la escalera está parada y ajusta el paso para posar el pie sobre una superficie que está quieta. Los pies entraban a la misma velocidad y apoyaban de la misma manera en una escalera mecánica parada y en una escalera de madera de las mismas dimensiones. La sensación extraña se produce después de haber entrado en la escalera. Es decir, que la maniobra de aproximación la hacemos con los ojos y la coordinación consciente, y la hacemos bien, y es solo al dar los siguientes pasos en la escalera cuando entra el piloto automático del cerebelo y “nos comunica” que algo diferente está pasando.

3: Los pies actúan de la misma manera (o casi) tanto en las escaleras normales como en las escaleras mecánicas paradas. Es el tronco el que se inclina demasiado al entrar en una escalera mecánica parada, esperando quizás el pequeño tirón que lo devuelva a su posición original, tirón que nunca llega y que puede ocasionar la extraña sensación de desequilibrio.

La hipótesis que lanzan los investigadores, y que cuadra bien con lo observado, es que los movimientos de las extremidades (colocar el pie en el escalón, colocar la mano en el pasamanos…) son controlados conscientemente, aunque con una componente inconsciente, mientras que la postura es controlada de manera inconsciente, siendo principalmente la posición de la espalda la que cambia esperando el movimiento y la que causa los mensajes internos de extrañeza cuando no se produce la pequeña aceleración inicial que esperamos inconscientemente al entrar en una escalera mecánica.

Para terminar, una viñeta que me ha encantado y que traduzco con permiso de sus autores, del estupendo blog Sci-ence . Clic para ampliar:

Referencias: 

1.- Odd Sensation Induced by Moving-Phantom which Triggers Subconscious Motor Program , el artículo original.
2.- Phantom of the escalator , que cita al artículo original.
3.- Your Inner Robot , que cita al artículo original one more time.

¡¡¡Buenos días, estimados lectores!!! Qué gusto da decir algunas cosas. Y qué bonitos son los lunes para publicar.

Decíamos ayer… que qué mejor manera de retomar el asunto que con una entrada que lo tenga todo: física a raudales, mujeres ligeras de ropa y una respuesta a dos consultas, dos.  ¡Vamos allá!

Una imagen vale más que mil palabras… O no.
Hace mucho, mucho tiempo, en un Universo paralelo en el que Remo no era padre de familia numerosa, Hugo, uno de nuestros libreros favoritos, nos preguntaba:

Buenos días Remo. Tengo una pregunta que a mi parecer cumple con todas las condiciones necesarias para ser considerada CPI. La pregunta en cuestión es ¿Por qué las cosas se ven más oscuras cuando se mojan? Quizá suena sencillo pero sea complejo o quizá sea realmente sencillo pero no lo veo. Espero ansioso la respuesta. Adios.

Alberto, otro lector, en perfecto tándem con Hugo, hacía “la misma” pregunta de otra manera:

Buenas, siempre me ha llamado la atención que cuando un papel se mancha de aceite o de cualquier grasa se vuelve transparente. ¿Por qué se da este fenómeno?

Noten, estimados lectores, que las dos preguntas no son iguales. Sin embargo, son dos caras de la misma cuestión. Hablaremos indistintamente de cosas que se oscurecen y que se hacen transparentes, y en algún momento veremos por qué en realidad son la misma cosa. El artículo de hoy va a ser largo. Abróchense los cinturones, que allá vamos.

El asunto de la transparencia de algunas cosas cuando se mojan es conocido desde hace mucho. No porque ya hubiera concursos de corsés mojados durante la Ilustración, que habría estado bien, sino porque en la época colonial norteamericana del centro, por poner un ejemplo, las primeras ventanas no tenían cristales sino papel mojado en aceite.

Para entender por qué las cosas se oscurecen al mojarse, primero hay que entender por qué no se oscurecen cuando están secas Empecemos por el principio y preguntémonos por qué somos capaces de ver algo, una cosa, cualquier cosa. Sea una camiseta de ejemplo. La luz llega a la camiseta y se difunde o dispersa. Aquí no hay que entender la dispersión como un espaciamiento, sino como un término óptico que significa que cambia su dirección en todas direcciones, aunque no de manera caótica sino siguiendo unas pautas que dependen de la forma del objeto, de su composición… Decimos coloquialmente que estamos viendo un objeto cuando la luz que de él rebota alcanza nuestros ojos. Cuanta más “cantidad de luz” rebote con respecto a la “cantidad de luz” incidente, más claro parecerá el objeto. Claro en el sentido de luminoso o brillante, no en el sentido de nítido. Si, en cambio, nos colocamos entre la camiseta entre nosotros y la fuente de luz, entonces veremos la luz que ha conseguido atravesar la camiseta. Cuanto más tenue sea el material que compone la camiseta, más luz la atravesará y nos parecerá más transparente.

Cuado un rayo de luz le pega a una superficie, tiene tres posibles destinos:

1.- Rebota. Es decir, se refleja. Los físicos, que tenemos la mala costumbre de intentar cuantificarlo todo, tenemos una magnitud que mide esto: La reflectancia.
2.- Es absorbido por el material y reemitido luego en forma de calor. Pero ya no cuenta como la luz original. Y para medir esto se inventó la absorbancia.
3.- Atraviesa la superficie. Se transmite a través del objeto. Y por supuesto, lo mide la transmitancia.

Las tres magnitudes anteriores van de cero a uno:

Transmitancia cero: no pasa ni un rayo; por ejemplo, una lámina de plomo de 30 km de ancho (un suponer) tiene transmitancia cero para la luz visible (no así para los neutrinos, famosísimos neutrinos, pero eso es otra historia y será contada en otro momento).
Transmitancia uno: Todo lo que entra sale. Por ejemplo, el vacío, que deja pasar todos los rayos de luz que uno quiera.
Reflectancia cero, también el vacío, que no refleja nada de lo que recibe.
Reflectancia uno: todo rayo que alcance el objeto saldrá rebotado, sin atravesarlo ni ser absorbido. Por ejemplo, un espejo perfecto (no existen en el mundo real, pero nos valen aquí).
Absorbancia cero: el vacío, que no se queda ni con un mísero rayín de luz de los que lo atraviesan.
Absorbancia uno: un cuerpo negro.

Aunque las definiciones pueden ser a veces un poco técnicas (se define la reflectancia total hemisférica como la integral de ángulo sólido en todas las longitudes de onda de las reflectividades espectraZZZzzzZZZzzzZZZzzzZZZzzzZZZ), lo que debe quedarnos claro es que cuando un rayo de luz llega a una superficie sólo puede o bien rebotar, o bien ser absorbido, o bien ser transmitido al otro lado. Y además, la suma de las tres posibilidades siempre dará uno; decir esto es lo mismo que decir que la energía se conserva: cuando un rayo alcanza una superficie, la suma de lo que se absorbe más lo que se transmite más lo que se refleja no puede dar ni más ni menos energía que la que traía el rayo original. La energía no aparece de la nada ni desaparece (ni se crea ni se destruye, solo se transforma).

Una vez que hemos aclarado el destino posible de nuestros rayos de luz centrémonos en una camiseta blanca o una hoja de papel. Sabemos, y esto es muy importante, que todos los componentes de los objetos que vamos a estudiar, tanto las fibras de algodón (90% celulosa) y poliéster de las camisetas como los granitos de sílice de la arena de playa y las fibras de celulosa de las hojas de papel, son transparentes cuando se las mira de una en una, y se hallan repartidas muy juntitas pero con abundantes burbujillas de aire entre ellos. Y aquí está el intríngulis, estimados lectores.

Cuando un rayo de luz que proviene del aire se topa con un reguero de fibras transparentes entrecruzadas, comienza a atravesarlas siguiendo una trayectoria caótica, sufriendo constantes refracciones y reflexiones (scattering). Algo que influye bastante en cuánto se desvía el rayo de luz cada vez que se mete en una de las fibras y sale de ella es la diferencia de índice de refracción entre la fibra y el medio desde el que llega el rayo de luz (en este caso, el aire). Recordemos brevemente que el índice de refracción, entre otras muuuuchas cosas, nos ayuda a predecir cuánto se doblará un rayo de luz al pasar de un medio (aire, por ejemlpo) a otro (celulosa, por ejemplo) cuando llega con cierto ángulo. El índice de refracción de la celulosa es más o menos de 1.47, mientras que el del aire es más o menos 1. Aunque parezca que esta diferencia es poca, en realidad no lo es. Se pueden considerar índices muy distintos. El rayo de luz dará mil giros y revueltas entrando y saliendo de las fibras. El resultado final es que un haz de rayos de luz, a pesar de ser la celulosa un material transparente, acaba siendo mayormente reflejado por el conjunto de fibras de celulosa. No imaginen “reflejado” como en un espejo, estimados lectores, sino como “rebotado hacia atrás en direcciones diversas” (técnicamente, reflexión difusa).

Cuando un rayo de luz entra en un entramado de fibras de celulosa con aire entre ellas, tiene muchas posibilidades de salir por donde ha entrado. Olvídense del ángulo y de la d, lo importante es ver cómo tras sucesivas desviaciones el rayo sale por donde entró.

Imagínense que entran conduciendo por el centro de uno de los lados de una explanada de 100 metros de largo por 100 de ancho y que cada 10 metros les hacen girar 90º en una dirección aleatoria. Ya de entrada, la mitad de los coches que entren saldrán por donde han salido al tocarles dos giros a derecha o dos giros a izquierda (dan media vuelta y cuando les tocaba hacer el siguiente giro ya han llegado de nuevo al borde de la explanada). El resto de los coches tienen pocas posibilidades de llegar al final del aparcamiento. Estamos ante un material que es poco transparente a pesar de estar formado, recordemos, por fibras que sí son transparentes.

Ahora ya entendemos por qué las camisetas de algodón (o los folios de papel blanco) no son transparentes cuando están secas, echemos agua y disfrutemos de la magia.

Al echar agua en la camiseta de una estupenda moza (o un estupendo mozo), lo que hacemos es, además de aumentar la diversión del experimento en un factor 10, rellenar todos los huecos del aire entre fibras con agua. El agua tiene un índice de refracción de más o menos 1,33. Esto significa que cuando un rayo, en vez de pasar del aire a la celulosa pasa del agua a la celulosa, se desviará mucho menos porque los índices de refracción son muy parecidos.

Volvamos a nuestro ejemplo de la explanada. Entran por un lado con el coche y cada 10 metros deben girar 10º a izquierda o derecha, aleatoriamente. La mayoría de los coches conseguirán llegar al otro lado, porque cada 10 metros se desvían muy poco. Por eso al mojar una camiseta o un folio, de repente lo atraviesa más luz.

He encontrado muchos vídeos en los que se ve este efecto en vivo. El que sigue es uno de mis favoritos:

En un vaso hay agua y se mete una vara de vidrio (Pyrex, o vidrio borosilicatado). Como el agua y el vidrio tienen índices relativamente diferentes (1,33 y 1,474), parte de los rayos incidentes que llegan al vidrio desde el agua rebotan hacia atrás, permitiéndonos ver la vara de vidrio en el agua. Pero en aceite vegetal, con un índice de 1.47, prácticamente ningún rayo rebota, pues los índices de refracción son casi iguales. Resultado: el vidrio se torna prácticamente invisible, pues no hay rayos de luz que reboten en él y vuelvan a nuestro ojos. Casi toda la luz ha atravesado el vidrio sin volver la vista atrás. A este efecto se le llama en inglés index matching, y es vital en las comunicaciones por fibra óptica para evitar pérdidas.

¡Ojo! Hemos dicho que la suma de la energía transmitida, reflejada y absorbida era igual a la energía incidente. Cuando de repente más luz atraviesa un cuerpo, si suponemos que la cantidad de luz absorbida no varía, por fuerza (o más bien por conservación de la energía) la cantidad de luz reflejada debe ser menor. Por eso cuando un cuerpo se hace más transparente, al mismo tiempo se hace más oscuro cuando nos fijamos en la luz que en él rebota. Más luz que lo atraviesa=menos luz que rebota. ¡Dos caras de la misma moneda!

En el siguiente vídeo (lo siento, en inglés y con publicidad) lo podemos ver de manera muy clara, aunque no expliquen el porqué:

Dark Wet Spot por RobertKrampf

¿Y la ropa de otros colores?
La ropa de otros colores tiene un factor muy importante: La absorbancia es muy grande. Una camiseta de color azul marino absorbe gran parte de la luz que recibe, por lo que los cambios que hay entre transmitancia y reflectancia al mojarla no son lo suficientemente grandes como para suponer un porcentaje importante con respecto a la absorbancia (he conseguido meter las tres en una sola frase, jejeje). Por eso un concurso de camisetas mojadas con camisetas negras tendría bastante poco atractivo. Con camisetas amarillas todavía podría disfrutarse en condiciones

¿Y por qué al separar la camiseta mojada del cuerpo deja de transparentar?
Cuando separamos la tela mojada del cuerpo, aparece de nuevo el aire. La luz, que viene rebotada desde la sabrosa carne, entra a un conjunto de agua+fibras de celulosa desde el aire, lo cual hace, como ya sabemos, que se desvíe mucho al principio por culpa de la diferencia de índices de refracción entre agua-celulosa y aire. Una vez que ha entrado en la tela, se desvía menos, pues hay agua y celulosa, por lo que la luz total que atraviesa la camiseta sigue siendo mayor que cuando estaba seca, pero es lo suficientemente difusa (debido a la refracción inicial al venir desde el aire) como para no distinguir perfectamente las formas de lo que hay debajo.
Si aplicamos nuestro ejemplo de la explanada one more time, en este caso nos desviaríamos sólo 10º cada 10 metros pero entraríamos en la explanada torcidos 45º a izquierda o derecha, aleatoriamente.  Los coches avanzan bastante rectos pero no salen tantos por el otro lado porque entran ya torcidos.

¿Entonces también es por esta razón por la que la arena de la playa se ve más oscura cuando está mojada?
En efecto.  Al aumentar la transmitancia, la luz atraviesa más la arena, pero claro, no hay un “otro lado” por el que salir, por lo que lo que sucede finalmente es que la luz es absorbida a mayor profundidad en vez de salir reflejada. La reflectancia sigue disminuyendo y por eso la arena se ve más oscura. Y por eso cuando la pisas expulsas el agua de entre los granos de arena y se vueve a ver más clarita durante unos segundos, mientras regresa el agua.

Que no se diga que hubo una sola persona que no disfrutara visualmente de esta entrada. Nótese, si es que le apetece leer esto teniendo al Timberlake ahí encima todo húmedo, que en las zonas donde la camiseta se separa del cuerpo se intuye el color de la piel pero se ve sin detalles, a causa de la refracción inicial de la luz desde el aire del interior de la camiseta que provoca que la luz que sale salga difusa (desenfocada, como si dijéramos).

Edito para decir que si les apetece, estimados lectores, pueden menear esta entrada.

Edito de nuevo para recomendarles esta estupenda entrada sobre el mismo tema, que no ví cuando me puse a escribir.

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]

Disculpen la aliteración en el título, pero es que venía al pelo. David nos pregunta:

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:

Intervalos de composición frecuentes en los vidrios comunes

Componente	Desde … %	… hasta %
SiO2 (Óxido de silicio)	68,0	74,0
Al2O3 (Óxido de aluminio)	0,0	4,0
Fe2O3 (Óxido férrico)	0,0	0,45
CaO (Óxido de calcio)	9,0	14,0
MgO (Óxido de magnesio)	0,0	4,0
Na2O (Óxido de sodio)	10,0	16,0
K2O (Óxido de potasio)	0,0	4,0
SO3 (Óxido sulfúrico)	0,0	0,3

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?

Luis nos pregunta:

¡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.