El asno mañoso y la Tercera Ley de Newton

Hubo una vez un burro que en sus ratos de descanso le gustaba estudiar física. Cuando aprobó los temas de mecánica quiso aprovechar sus conocimientos para flojear. Entonces dijo a su dueño: -Es una tontería que me amarre a su carro para tirar de él, ¿acaso no conoce la tercera ley de Newton? Y qué dice la tercera ley de Newton -contestó el dueño-. Y el astuto asno expresó adoptando una actitud de gran conocedor - La tercera ley de Newton es la que nos habla de las fuerzas de acción y reacción, y dice así-:
“A toda acción se opone siempre una reacción igual, es decir, que las acciones mutuas de dos cuerpos son siempre iguales y dirigidas en sentidos contrarios” (Resnick y Halliday,1998).

De tal manera –continuó el mañoso borrico- que si yo tiro del carro con una determinada fuerza, este tirará de mí con una fuerza igual, pero de sentido contrario. Así que para que me esfuerzo, si de todas formas la tercera ley de Newton me impide mover el carro.

El campesino, que de física no sabía nada pero sí de lidiar con pollinos mañosos, avanzó hacia el carro y dio una patada al burro en toda la quijada, que le hizo moverse y olvidarse de malas interpretaciones de las leyes de Newton.

La tercera ley de Newton, que el burro había estudiado y que quiso utilizar como argumento para no mover la carreta, establece que las fuerzas acción-reacción interactúan siempre en direcciones opuestas, y también nunca actúan sobre el mismo cuerpo sino sobre cuerpos diferentes. Es así como la fuerza que aplica el burro la hace sobre el suelo, quien lo empuja hacia adelante con una fuerza de reacción, entonces sobre la carreta actúa una fuerza de acción que se opone a una fuerza de fricción. La carreta se mueve cuando la fuerza de fricción ejercida por el suelo sobre las pezuñas del burro sea mayor que la fuerza de fricción ejercida por el suelo sobre la carreta. Una vez que se mueve la carreta, la fuerza que el burro ejerza sobre el suelo puede ser igual que la fuerza de fricción de la carreta, y así se moverá a velocidad constante. De lo contrario, si se sigue aplicando la misma fuerza, habrá una resultante que acelerará la carreta, es decir, su velocidad aumentará.¹

En la siguiente liga encontrarán una actividad para la enseñanza de la tercera ley de Newton en segundo grado de secundaria.


Referencia Resnick, R. y Halliday, D. (1998) . Física. Volumen 1. México: Ed. Continental.
¹ Segunda ley de Newton 

Qué es la "luz líquida" y por qué se le considera el quinto estado de la materia

En el cuento "La luz es como el agua" Gabriel García Márquez narra las aventuras de Totó y Joel, dos niños que en las noches rompen las bombillas de su casa y navegan entre los caudales de luz que brotan de ellas. 

Izquierda: la luz se topa con un obstáculo antes de ser un superfluido. Derecha: la luz se topa con un obstáculo después de ser convertida en superfluido. 

"Un chorro de luz dorada y fresca como el agua empezó a salir de la bombilla rota, y lo dejaron correr hasta que el nivel llegó a cuatro palmos. Entonces cortaron la corriente, sacaron el bote, y navegaron a placer por entre las islas de la casa", escribe el Nobel.

La escena, por fantástica que parezca, no está muy lejos de la realidad.

Los científicos que estudian fenómenos cuánticos han demostrado que la luz, bajo condiciones especiales, puede comportarse como un líquido que fluye y ondula alrededor de los obstáculos que encuentra, como la corriente de un río entre las piedras.

¿Cómo lo hacen?

La "luz líquida" es una sustancia muy particular. No es sólido ni plasma y tampoco se comporta exactamente como un líquido o un gas.

Los científicos la llaman Condensado de Bose-Einstein (BEC) y la consideran el "quinto estado de la materia".
En este estado, las partículas se sincronizan y se mueven al unísono, formando un "superfluido".

"Se parece a cualquier otro líquido o gas, pero con propiedades especiales, una de las cuales es que todas sus partes están relacionadas", le dice a BBC Mundo Daniele Sanvitto, investigador del Instituto de Nanotecnología de Italia.

Los superfluídos no crean ondas, y no experimentan fricción ni viscosidad.

Tienen un "comportamiento colectivo", dice Sanvitto. "Es como un grupo de bailarines haciendo los mismos movimientos o una ola de gente marchando al mismo compás".

Así, un líquido común, al toparse con una pared rebotaría, pero un superfluido, como la luz líquida, circularía a lo largo de la pared.

" Si enviaras un chorro de estos contra una pared, la escalará en cualquier dirección y eventualmente se volverá a conectar después del obstáculo", explica Sanvitto.

¿Para qué sirve la luz líquida?

Hasta hace unos años, los superfluídos solo podían lograrse en temperaturas cercanas al cero absoluto (−273°C), pero en 2017 Sanvitto y sus colegas lograron producir luz líquida a temperatura ambiente.

Esto lo lograron usando mezclas de luz y materia, llamadas polaritones.

"Este es el primer paso para tener aplicaciones de este líquido en la vida diaria", dice Sanvitto.
Hasta el momento, los experimentos con BEC se han logrado solo a pequeña escala en los laboratorios, pero los investigadores le ven un gran potencial para transmitir información y energía sin desperdicio.

Un ejemplo sería la creación de computadores ópticos, que puedan aprovechar la interacción de las partículas de luz sin el problema de la disipación o el calentamiento de los computadores comunes. Esto hará que sean mucho más rápidos y consuman menos energía.

Esta tecnología también podría revolucionar el manejo de los láseres y los paneles solares. Incluso, como lo menciona el científico Michio Kaku en una entrevista con This Week in Science, hay quienes piensan que en un futuro los BEC podrían sentar las bases para teletransportar objetos.

Por ahora eso solo es posible en la imaginación, como alguna vez lo fue en el cuento de García Márquez…

Tomado de: BBC Mundo 

La fricción negativa sorprende a los investigadores

Si aprietas ligeramente con tu dedo en una mesa y lo deslizas sobre la superficie, verás que se mueve con bastante facilidad. Si aprietas más fuerte es más difícil deslizarlo ya que un contacto más firme genera más fricción. Pero ahora, investigadores de Estados Unidos y China han demostrado que si realizas el mismo experimento con la punta de un microscopio de fuerza atómica (AFM) sobre una superficie de grafito, puedes ver el efecto completamente opuesto – se reduce la fricción cuanto más aprietas.

Simulación de punta de diamante sobre grafito © Crédito: Smolyanitsky/NIST, Li/Tsinghua University

Para objetos grandes como dedos y mesas, la fricción entre dos superficies es el resultado de la rugosidad de la superficie, las impurezas, las capas de óxido y otros efectos diversos. A escala nanométrica, sin embargo, las interacciones entre átomos individuales se vuelven relevantes. Como resultado, las leyes de la nanotribología – el estudio de la fricción a nanoescala – pueden ser muy distintas de la fricción que experimentamos en el mundo macroscópico. Por ejemplo, la fricción puede variar, a veces, periódicamente con la red atómica cuando la aguja de un microscopio de fuerza atómica se mueve sobre la superficie. La nanotribología está convirtiéndose en un área cada vez más importante conforme científicos e ingenieros desarrollan minúsculas micromáquinas para una variedad de aplicaciones potenciales desde el ensamblaje de circuitos a la aplicación de medicamentos dirigidos.

El coeficiente de fricción mide cambios como una función de la carga. Puede ser muy variable en la nanoescala, con una fricción que aumenta de forma no lineal con la misma. Sin embargo, nunca se ha observado que fuese negativa – es decir, que la fricción aumente cuando se retira un objeto de la superficie.

Medidas rutinarias

Pero esto es exactamente lo que han encontrado Rachel Cannara, Zhao Deng y sus colegas del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Maryland y la Universidad Tsinghua en Pekín. Deng realizó el inesperado descubrimiento cuando medía la fricción entre la punta de diamante de un microscopio y una superficie de grafito como una función de la carga de la punta – una medida rutinaria realizada los nanotribólogos novatos que están aprendiendo los trucos del campo. “Estábamos observando distintos comportamientos que se sabe que aparecen, y repetíamos lo que ya se ha demostrado en la literatura”, explica Cannara.

Cuando Deng aumentó la carga de la aguja, encontró que, como se esperaba, la fricción aumentaba. Cuando redujo la carga de nuevo, sin embargo, apareció la sorpresa. En lugar de volver a su valor original, la fricción seguía aumentando. Esto sería similar a encontrar que cuanto menos aprietas la mesa, más difícil te resulta deslizar tu dedo sobre ella. Esto desafiaba todas las predicciones teóricas y es el primer ejemplo registrado de un material que muestra un coeficiente de fricción negativa. El aumento en la fricción siguió cuando se redujo la carga, hasta que la aguja se retiro por completo de la superficie.

Entonces, ¿qué está pasando? Investigaciones anteriores han demostrado que materiales como el grafito, que tienen una estructura atómica en capas, generan más fricción con la aguja que un AFM cuando solo tienen unos átomos de espesor. Esto se cree que se debe a que los materiales más finos son más flexibles. Cuando un material atómicamente fino toca la punta de un AFM, por tanto, se deforma más que su homólogo más grueso, incrementando de este modo el área de contacto y generando más fricción.

¿Superficie pegajosa?

El grupo de Cannara estaba trabajando con una masa de grafito, pero los investigadores sospechan que cuando se presionaba la aguja contra la superficie del material, la atracción intramolecular de las primeras capas atómicas sobre la punta de diamante era suficiente para que, cuando se reducía la carga, estas capas se elevasen ligeramente de la masa, pegándose a la punta y generando la fricción. Solo cuando se despegaba por completo la punta, el grafito volvía a su estado inicial. Dos simulaciones por ordenador diferentes demostraron que la hipótesis era plausible, aunque aún tienen que resolverse diferencias técnicas entre los resultados, señala Cannara.

Robert Carpick, cuyo laboratorio en la Universidad de Pennsylvania en Filadelfia fue parte del equipo que descubrió originalmente el aumento en la fricción del grosor atómico, está impresionado por los hallazgos del grupo de Cannara. “Creo que el artículo es bastante sólido”, dice. “Demuestra que el resultado es robusto y lo asocian de manera convincente a la adhesividad de la superficie”. El artículo original de Carpick revisó cuatro materiales distintos, todos con la misma estructura en capas y otros radicalmente distintos, encontrando que existía relación entre el grosor y la fricción en todos ellos.

A Carpick le gustaría ver ahora si los análisis de Cannara se aplican a otros materiales, tales como el sulfuro de molibdeno, con la misma estructura en capas. “Apostaría a que funciona igual”, señala. “Nuestro grupo, y otros, han visto estas finas capas exfoliantes bidimensionales compartir un comportamiento bastante común, aunque está claro que están hechos de átomos distintos y, por tanto, las energías químicas de interacción con la punta serán distintas”.

La investigación se publica en la revista Nature Materials.

Tomado de:

Ciencia Kanija

¿A qué profundidad se frena una bala?

Todos lo hemos visto en muchas películas: el héroe de turno se zambulle en el agua y los malos malosos se dedican a dispararle desde la orilla. El héroe bucea rodeado de una lluvia de balas.

¿Peligroso? Ciertamente, per no tanto como a primera vista parece.

Las armas de fuego han sido diseñadas para dispararse al aire libre y no bajo el agua. En el medio acuático funcionan mal principalmente por tres razones:

-el agua es mucho más densa y ofrece mayor resistencia al movimiento.
-los cañones de las armas de fuego dotan de giro al proyectil y este giro aumenta el rozamiento y facilita el frenado.
-el diseño de las balas está determinado por el medio aéreo.

Una vez puntualizado esto… ¿a qué profundidad debe bucear nuestro héroe para que las balas no sean letales?

Para conocer este dato se ha de considerar el calibre del proyectil, la densidad del agua y el coeficiente de frenado, pero de manera general se puede decir que una bala común disparada con un arma ligera (una 9mm por ejemplo) deja de ser letal a una profundidad entre 2,5 y 3 metros.

Esto teniendo en cuenta que la bala penetrara en el agua según una trayectoria perpendicular a la superficie. Pero cuando los malos disparan desde un muelle o un embarcadero, la trayectoria no es perpendicular, sino que forma un ángulo de unos 20º, o puede que 30º.

Es decir, que entrando en diagonal y para llegar a la misma profundidad, el camino a recorrer por el proyectil es mucho mayor. Un cálculo trigonométrico concluye que zambulléndose a un metro de profundidad, las balas dejan de amenazar la vida de nuestro héroe.

Así que… ¡menos lobos!

Nota sabionda: Los rusos inventaron una pistola submarina que no usa balas ordinarias sino un híbrido entre una bala y un arpón, con forma de cuello de botella y sin giro sobre su eje. Están fabricadas en un acero blando que permite la deformación sin que la bala estalle y su radio de efectividad se amplía a los 17 metros.

Fuente:

Saber Curioso