En este país europeo la cerveza es más barata que el agua. Sí, leiste bien: la cerveza es más barata que el agua.
El precio de una jarra grande de cerveza no suele superar el euro, o sea su precio es de unos tres soles (moneda de Perú). Por ello en la República Checa cada habitante consume 161 litro de cerveza al año, el mayor consumo de todo el mundo.
Luego de la República Checa, tanto en cantidad de
consumo como en precio barato de cerveza, tenbemos a Alemania, Bélgica e Irlanda.
Hacer algo de ejercicio es mejor que
nada, pero no es lo mismo soltar las piernas o hacer un par de
flexiones a tener conciencia del entrenamiento como un todo, en el que
es tan importante el esfuerzo como las fases previa y posterior al
mismo.
Eso es clave para que una persona disfrute del mayor beneficio que le puede ofrecer una actividad física.
En este sentido da lo mismo si se trata de un trabajo de fuerza o uno de resistencia, la fórmula para que el ejercicio alcance su grado óptimo de eficacia es dedicarle tiempo al calentamiento previo, el entrenamiento en sí y después ser conscientes de la fase de recuperación. Esta última cumple una función crucial ya que es la que permitirá
mantener la regularidad necesaria al reducir los riesgos de lesiones y
reponerse del desgaste que sufre el organismo frente al esfuerzo al que
ha sido sometido. "Si no recuperas, al día siguiente el cuerpo no te responderá
cuando le exijas realizar un trabajo de fuerza o cardiovascular", le
dijo a BBC Mundo Juan Francisco Marco, profesor del centro de ciencia
deportiva, entrenamiento y fitness Alto Rendimiento, en España.
Líquidos y sólidos
Marco
resaltó que "lo primero es volver a hidratar el organismo, sea con agua
o con algún tipo de bebida isotónica que se puede hacer en casa para
recuperar sales minerales y azúcares". También es importante
reponer las reserva de glucógenos, que son las que utiliza el cuerpo
para activar los músculos y llevar a cabo la actividad que se está
practicando. "Lo recomendable es consumir carbohidratos de absorción lenta ya que
lo que se busca es que el organismo los vaya asimilando poco a poco",
agregó el experto en preparación física.
Entre los alimentos más
favorables están los cereales, el arroz ("un carbohidrato ideal ya que
se absorbe muy lentamente"), las legumbres, el pan o la pasta. Junto al carbohidrato hay que incorporar una dosis de proteína, que es vital en el crecimiento y reparación de los tejidos musculares que se desgastan, en especial durante los entrenamientos de fuerza. "Ten
en cuenta que en un ejercicio muscular intenso, sobre todo de pesas, se
van eliminando las proteínas estructurales, que son los ladrillos que
forman el músculo y es necesario recuperarlas nada más haber acabado el
entrenamiento", explicó Marco. "Aquí pueden entrar los huevos, lácteos o batidos, que pueden ser una
muy buena opción, ya que el cuerpo lo que está absorbiendo es la
proteína y no las grasas o los azúcares que portan los lácteos. Además
hace que el músculo la absorba bien y rápido".
Vuelta a la calma
Dependiendo
del tipo de ejercicio, si son pesas o de resistencia, se deberá dar
prioridad a un tipo de alimento (carbohidratos para el trabajo
cardiovascular y proteína para los de fuerza), pero ambos son necesarios
luego de cualquier entrenamiento. Otro aspecto es la vuelta a la
calma del organismo, que consiste en hacer estiramientos en descargas
que son a muy baja intensidad y en posiciones que sean lo más cómodas
posibles. "Esto ayuda a los músculos a relajarse, al sistema respiratorio a normalizarse, a bajar las pulsaciones y que vuelvan todas las funciones corporales a su normalidad", explicó el profesor de Alto Rendimiento. "Se
puede agregar un poco de ejercicio aeróbico muy suave, de unos cinco a
diez minutos, porque eso nos ayuda a eliminar las sustancias tóxicas
como puede haber como el exceso de ácido láctico que se ha acumulado y
es como una forma de drenar la sangre". Una vez recuperado el cuerpo, entonces se podrá volver a empezar. Fuente: BBC Mundo
Al atravesar un túnel frío y húmedo en una zona industrial en el sureste de Londres, encontramos una fábrica de tradicional cerveza británica.
Pero lo que vemos no es, como pudiera esperarse, una colección de antiguos edificios decrépitos que recuerdan el pasado inglés.
La fábrica Kernel tiene poco más de cinco años y la cerveza que se produce en este escondite urbano combina las viejas tradiciones con nuevas ideas y un poco de experimentación.
"En nuestro proceso de fabricación empezamos con una hipótesis, experimentamos y luego vemos el resultado", dice Toby Munn, encargado de la elaboración.
"Podemos hacer cosas diferentes. Es divertido".
Las fábricas grandes de cerveza cuidan todos los detalles químicos del proceso de elaboración de su producto.
Munn muestra los tanques de fermentación, donde la levadura va convirtiendo gradualmente los azúcares en alcohol a lo largo de varios días, y una habitación llena de barriles franceses que antes se utilizaban para hacer vino.
También hay un laboratorio, no mucho más grande que un vestidor. Pero su tamaño no hace justicia a su importancia. Hacer cerveza se percibe a veces como un arte, pero si produces grandes cantidades, la ciencia es vital.
Ya seas una fábrica de moda como la de Munn o una marca multinacional como Guinness o Budweiser, la clave para tener éxito es un buen análisis científico de tu producto y aplicar procesos químicos inteligentes.
Desde principios del siglo XIX, se sabe que se genera una diferencia
de potencial eléctrico cuando un líquido iónico se mueve a través de un
canal fino bajo un gradiente de presión. Se publica en Nature Nanotechnology
que el movimiento de una gota de agua salada (solución iónica) sobre
una tira de grafeno produce una tensión de unos pocos milivoltios. La
diferencia de potencial en este fenómeno electrocinético es proporcional
a la velocidad y al número de gotas, decreciendo cuando crece el número
de capas de grafeno. Más aún, a la inversa, al aplicar una tensión en los extremos de la
tira de grafeno con un gota encima, la gota se mueve. La impulsa un
cambio de su forma debido al movimiento de iones de la parte trasera a
la parte delantera de la gota. En la figura se muestra una gota con una
solución salina 0,6 Molar de NaCl con ángulo en la zona delantera de θA~91,9° y en la trasera de θR~60.2°
(estos ángulos dependen del ión disuelto). El artículo presenta
cálculos teóricos del fenómeno mediante la teoría del funcional densidad
(DFT) que indican que la gota se comporta como un pseudocondensador que
se carga en la parte trasera a través de la interfaz con el grafeno y
se descarga en la parte delantera. El artículo técnico es Jun Yin, Xuemei Li, Jin Yu, Zhuhua Zhang,
Jianxin Zhou, Wanlin Guo, “Generating electricity by moving a droplet of
ionic liquid along graphene,” Nature Nanotechnology, AOP 6 Apr 2014. Lea el artículo completo en: NAUKAS
Tire una piedra al agua y, como la mayoría de los
líquidos, salpicará por todas partes. Pero algunos fluidos, como la
arena movediza, actúan de diferentes maneras dependiendo de la fuerza se
les aplica.
Son conocidos como los fluidos no newtonianos y tienen unas propiedades muy inusuales.
Para que usted mismo lo compruebe, el científico Mark Miodownik le mostró a la BBC un experimento que se puede hacer en casa. Siga estas simples instrucciones paso a paso:
Lo que necesita:
Un tazón grande Una jarra medidora Almidón de maíz (450g/16oz) Agua (475g/16fl oz) Cuchara Una bolsa plástica transparente con cierre Un huevo Guantes de plástico desechables (opcional) ¡Asegúrese de ponerse un delantal para no ensuciarse!
¿Pero qué clase de brujería es esto? Esta fue la primera reacción que tuvimos allá por 2011, cuando vimos por primera vez en acción a NeverWet,
el recubrimiento superhidrofóbico del laboratorio de Ross
Nanotechnology. Ahora, con el producto refinado, han sacado un video con
nuevas pruebas del líquido que repele al agua y mantiene tu ropa y superficies libres de manchas de todo tipo. Acaba de lanzarse al mercado a 20 dólares y no hace falta decir que queremos esto en nuestra ferretería favorita. Y ya, que estoy por pintar la casa.
La impermeabilidad actual se puede ver en práctica en revestimientos y
en algunas vestimentas especiales, pero su efectividad tiene un margen
de error que todavía sigue provocando viajes directos al lavarropas y
llamados a fontaneros y albañiles. La versión futurística de la
impermeabilidad está a pruebas desde 2011
(en realidad desde antes, pero este fue el año en el que vimos pruebas
verdaderamente convincentes), con un desarrollo sostenido en una
investigación que incluye nanotecnología de punta. Hace dos años, el
laboratorio Ross nanotechnology se había presentado con
13 patentes a cuestas y en formato de aerosol, con el cual rociábamos
al objeto y obteníamos una repelencia al agua digna de la ciencia ficción. Para el lanzamiento realizaron estas nuevas pruebas para convencernos de lo bien que funciona.
Recordemos que NeverWet tenía cierta predisposición
por proteger a las estructuras de acero de la humedad y la oxidación. La
intención estaba orientada a proteger costosas máquinas de su
exposición a la humedad y a diferentes sustancias propias de la labor
industrial. Para esto existían varios tipos de pinturas y aceites en el
mercado, pero Ross Technology Corp. optó por construir un modo más
práctico y eficiente de proteger a los productos de acero que ellos
mismos fabricaban como primer modelo de negocio.
En un artículo anterior publicado en Neoteo explicábamos el funcionamiento de esta manera: Según
parece, cuando un líquido se deposita sobre un sólido hidrófilo las
gotas se extienden completamente, con un ángulo de contacto muy cercano a
cero grados. Cuando el material es menos hidrófilo este ángulo aumenta
hasta unos 30 o 40 grados. Cuando el ángulo es mayor de 90 grados, la
superficie es hidrófoba. Y en el caso del NeverWet, los ángulos alcanzan
valore superiores a los 150 grados, evitando que la superficie se moje.
Seguramente veremos este producto en las tiendas dentro de no mucho
tiempo.
Ideal para cuando vas a... bueno, para todo.
En el vídeo se ve que se puede utilizar en varias superficies, pero los
desarrolladores recomiendan que no se use en vidrios y transparencias,
pues cuando el contenido del aerosol se seca deja un aspecto de
“congelamiento”. Sin embargo, un representante de NeverWet
dijo que hay una versión de secado rápido e invisible que está
desarrollándose en estos momentos. También aclaró que si bien lo
muestran en el vídeo como una posibilidad, se recomienda no pulverizar NeverWet
sobre artículos electrónicos, pues no siempre se puede ser tan
cuidadoso con el rociado y se podría dejar algún lugar sin tratamiento.
Sin lugar a dudas, un producto que podría hacer historia. Tomado de: NeoTeo
En el anterior capítulo del bloque
hablamos sobre las diferencias entre los tres tipos de fluidos
–líquidos, gases y plasmas–. También pusimos de manifiesto algo en lo
que los esos tres estados se parecen: en el hecho de que, dado que
pueden fluir, la interacción con ellos no se produce como si fueran un
todo, sino sólo con la parte del fluido en contacto con cualquier otra
cosa. Esa característica hace muy útil una magnitud fundamental en
mecánica de fluidos, a la que nos dedicaremos hoy: la presión.
Sin embargo, como siempre, antes de entrar en faena detengámonos un
momento para hablar sobre la respuesta al desafío planteado al final del
anterior artículo.
Respuesta al Desafío 1 – Densidad Cálculos aparte, recuerda que lo esencial es comparar los valores
obtenidos con los que tienes más o menos asimilados –agua y aire, por
ejemplo– para ver si tienen sentido y qué significan las densidades
calculadas. La bola de goma era fácil: un 80% de la densidad del agua, que es 1000 kg/m3, no es más que 800 kg/m3. El anillo de oro requería simplemente buscar la densidad del oro –ya
que no importa si es un anillo, un martillo o un bloque del tamaño de tu
casa, la densidad del oro es la que es–: unos 19 300 kg/m3. Dicho de otro modo, casi veinte veces la densidad del agua –el oro es un metal muy pesado–.
En el caso del tornillo hacía falta emplear la fórmula que define la
densidad: masa entre volumen. Además, era necesario utilizar unidades
del Sistema Internacional para poder comparar con el resto –kilogramos y
metros cúbicos–. El tornillo tenía una masa de 10 gramos, es decir, 10-2 kg, y un volumen de 10-6 m3. Dividiendo uno por el otro obtenemos su densidad, 10 000 kg/m3, diez veces la densidad del agua.
Finalmente, el trozo de madera tenía las unidades ya en el Sistema
Internacional, de modo que no hacía falta más que dividir su masa –0,5
kg– entre su volumen –0,8 m3–: 0,625 kg/m3. Pero,
¡ah!, qué madera más curiosa, ¿no? Tiene menos densidad que el aire, lo
cual es imposible. No olvides nunca que esto no son matemáticas, sino
física — imagina resultados comparándolos con realidades que conoces
para ver si la cosa encaja o no encaja.
Así, la ordenación que se nos pedía debería ser: madera imposible, bola de goma, tornillo y anillo.
De sólidos perfectos a otros menos sólidos
Como dijimos en la entrada anterior, la interacción con un fluido es,
por su propia naturaleza, sólo con parte de él. De ahí que magnitudes
muy útiles en otros campos de la mecánica, como la fuerza, no lo sean
tanto aquí. Aunque parezca extraño, creo que la manera más fácil de
verlo no es precisamente con fluidos sino con un sólido que no se
comporte como uno ideal — de modo que hagamos el tránsito desde un
sólido rígido de verdad a uno que no lo sea.
Imagina que tienes frente a ti un bloque de un sólido perfecto, cuyas
partículas están unidas por fuerzas tan enormes que es imposible
deformarlo ni tampoco destruirlo. Todas y cada una de las partículas que
forman el sólido se mueven como un todo. La única manera de
interaccionar con este cuerpo es, por tanto, con todas las partículas a
la vez. Si ejerces una fuerza sobre él, por ejemplo, tal vez puedas
moverlo y tal vez no, pero no podemos ir más allá de eso; de hecho, el
comportamiento de este bloque es muy simple comparado con el de un
fluido.
Pero imagina ahora que el cuerpo se “reblandece” hasta convertirse en
una especie de escayola. Ahora la fuerza que puedas ejercer sobre él es
importante, pero puedes lograr otras cosas además de empujarlo. Por
ejemplo, si concentras una gran fuerza en la punta de un clavo, tal vez
puedas perforar el bloque. La clave, claro está, es que ahora es posible mover unas partículas respecto a otras.
Así, si pones la punta de un clavo sobre la superficie del bloque y
luego le das un golpe a la cabeza del clavo, es irrelevante lo que haya
lejos del clavo: la interacción que nos importa es fundamentalmente la
que hay entre la punta del clavo y las partículas del bloque en contacto
con ella. ¿Ves como esto se va pareciendo a un fluido?
Pero ahora la fuerza ya no es lo único que importa:
no es lo mismo que hagas una fuerza determinada sobre una punta de clavo
muy afilada que sobre otra que no lo sea. Por lo tanto, a diferencia
del caso del bloque sólido perfecto, la fuerza no es tan útil como antes
para predecir el comportamiento del bloque. Otros ejemplos en los que
esto sucede con sólidos no perfectos son la nieve, el barro, una pared
de yeso, etc. Cuanto menos “sólido” sea el cuerpo, menos importante será
la fuerza como magnitud única, ya que menos interaccionamos con el
cuerpo en su conjunto y más con las partes de él que tocamos.
Resulta entonces muy útil introducir un concepto nuevo que describe
justo lo que necesitamos: no la fuerza total ejercida sobre algo, sino
algo así como la fuerza que corresponde a cada partícula del cuerpo,
ya que las interacciones que nos interesan no son entre cuerpos
completos, sino entre partes en contacto. Y ese concepto es precisamente
el de presión.
Concepto de presión
Como solemos hacer, permite primero que te dé la definición estricta
de presión para luego hablar sobre lo que significa realmente.
La presión es la fuerza ejercida por unidad de superficie.
Hagamos entonces algo también muy común en estos bloques: una
analogía absurda. Imagina, paciente y estimado lector, que en una
habitación hay un grupo de gente. Se trata de cien personas cuyos lazos
de unión son intensísimos: tanto que nunca jamás hacen algo por su
cuenta, sino que actúan todos a la vez o no actúan en absoluto. Se
trataría de algo análogo al sólido perfecto de antes.
Si quieres modificar el comportamiento de este grupo de gente, por lo
tanto, no tienes más remedio que hacerlo en grupo. Supongamos que
deseas, por ejemplo, que trabajen para ti haciendo algo. El problema
estaría entonces en que no puedes modificar el comportamiento de uno
solo, sino únicamente de todos a la vez; así, si cada uno está dispuesto
a trabajar por 100€, te costaría nada menos que 10 000€ hacer que
trabajaran, pues debes compensar a los cien para que actúen.
Como puedes ver, para predecir el comportamiento de este grupo la
única magnitud relevante sobre lo que haces es el dinero total que
empleas: en el caso del sólido perfecto, la fuerza con la que empujas el bloque rígido. Pero supongamos que la situación es distinta.
Hay un segundo grupo de personas menos ligadas unas a otras: cada una
hace un poco lo que le da la gana. El comportamiento del grupo ya no es
común. Puedes, por ejemplo, emplear una cantidad de dinero pero no para
todo el grupo, sino sólo para unos cuantos — de modo que algunos actúen
de una manera y otros de otra. Por ejemplo, puedes emplear 500€ para
intentar que trabajen para ti.
Pero ¿basta con saber la cantidad de dinero que empleas? No.
Cuando el comportamiento de un grupo –o de un cuerpo– no es tan simple
como antes, hace falta más información. Ahora no tienes por qué
interaccionar con todo el grupo, sino sólo con parte, y eso determina lo
que sucederá en el futuro. Lo importante no es el dinero total que
empleas –la fuerza con la que empujas– sino otra cosa que merece su
propio párrafo.
Lo importante es el dinero que corresponde a cada miembro del grupo. En términos físicos, lo importante es la fuerza por unidad de superficie, es decir, la presión.
Por ejemplo, podrías emplear esos 500€ para convencer a cincuenta
miembros del grupo de que trabajasen, pero naturalmente se negarían, ya
que a cada uno –y recordemos que estos tipos son individualistas y lo
que les importa es lo que les toca a ellos– le corresponderían 10€. Sin
embargo, si ofreces ese dinero sólo a cuatro de ellos cada uno recibiría
125€, con lo que trabajarán gustosos.
La primera magnitud –el dinero que empleas– es el análogo a la fuerza.
Por ejemplo, al intentar clavar un clavo en una pared de yeso, se trata
de la fuerza con la que golpeas el clavo. Naturalmente, a más fuerza en
el golpe mayor probabilidad de conseguir clavar el clavo, pero hace falta saber algo más.
La segunda magnitud –el número de miembros del grupo a los que ofreces ese dinero– es el análogo a la superficie en la que repartes esa fuerza.
En el caso del clavo, la interacción es clavo-pared, luego se trataría
del área de contacto entre la punta del clavo y la pared. Evidentemente,
a menor número de miembros del grupo a los que ofrezcas el dinero –a
menor superficie de contacto– más le toca a cada uno. Y lo que importa
es el dinero por persona, es decir, la fuerza por unidad de superficie:
la presión.
En este ejemplo nuestro propósito era modificar el comportamiento,
clavar el clavo, pero a veces queremos justo lo contrario. Por ejemplo,
si tienes que caminar sobre una superficie cubierta de una espesa capa
de barro, no quieres hundirte en ella. Por lo tanto, lo que deseas es minimizar la presión:
ejercer una fuerza lo más pequeña posible por una parte y repartirla
sobre una superficie lo más grande posible por otra. Tal vez puedas
controlar ambas magnitudes, tal vez sólo una –por ejemplo, si quieres
caminar sobre la nieve y no estás dispuesto a adelgazar–, pero
conociendo el efecto de la relación entre ambas puedes adaptarte mejor
al mundo que te rodea.
Unidad de presión – El pascal
Dado que la presión es la fuerza por unidad de superficie y ambas magnitudes tienen sus propias unidades, las de la presión son unidades derivadas:
vienen dadas al dividir las unidades de fuerza y las de área. La fuerza
se mide en newtons (N) en honor al ínclito Sir Isaac Newton, y la
superficie se mide en metros cuadrados (m2), con lo que la presión se mide en newtons por cada metro cuadrado (N/m2).
Sin embargo, esto es más soso que yo –que ya es decir–, con lo que en
1971 le dimos un nombre propio a esta unidad. Dado que uno de los
padres de la mecánica de fluidos en general y de la presión de fluidos
en particular es el francés Blaise Pascal, el N/m2 recibió precisamente su nombre:
Un pascal (Pa) es la presión correspondiente a una fuerza de un newton repartida sobre una superficie de un metro cuadrado.
De modo que lo mismo da decir quinientos pascales (500 Pa) que quinientos newtons por cada metro cuadrado (500 N/m2).
Pero ¿eso es mucho o poco? Como siempre, nos hace falta comparar estos
números con otros que podamos hacer asimilables a nuestro sentido común.
Para ello tendrás que creerme, ya que no vamos a estudiar aquí en
profundidad las unidades de fuerza (eso lo hicimos en un bloque diferente que no es necesario para entender éste).
El peso de un objeto de 100 gramos de masa es más o menos de 1
newton. Si repartimos esa fuerza sobre una superficie cuadrada de 1
metro de lado, la presión resultante sería justo de un pascal: un newton
sobre un metro cuadrado. Sin embargo, eso puede no decirte nada, de
modo que utilicemos un ejemplo diferente pero equivalente a éste.
Si en vez de 1 N y 1 m2 utilizásemos 0,5 N y 0,5 m2,
el resultado sería exactamente igual que antes: medio newton sobre
medio metro cuadrado es la misma presión que un newton sobre un metro
cuadrado. De modo que podemos tomar algo como un billete (cuyo peso es
alrededor de 0,01 N) y depositarlo sobre una mesa. El peso del billete
se reparte sobre la superficie del propio billete, que es alrededor de
0,01 m2, con lo que la presión vuelve a ser la misma: 0,01 N sobre 0,01 m2, es decir, 1 Pa.
Una presión aproximada de un pascal.
Así, para asimilar la magnitud del pascal puedes imaginar lo siguiente: un pascal es la presión que ejerce un billete sobre una mesa.
Como puedes comprender, se trata de una unidad minúscula — pero
recuerda que no la hemos elegido, debe necesariamente valer lo que vale
para que el Sistema Internacional sea coherente, ya que es una unidad
derivada de otras.
¡Ojo! Peso ≠ Presión El ejemplo del billete tiene un peligro: que al mirarlo pienses que
la razón de que su presión sobre la mesa sea muy pequeña es que el
billete pesa muy poco. Recuerda siempre que la presión depende de dos
cosas diferentes: fuerza (en este caso, el peso del billete) y
superficie (en este caso, la del propio billete ya que es donde presiona
contra la mesa).
Las buenas noticias son que es muy fácil librarse de esa falsa idea
pensando en lo siguiente: como vimos antes, 0,01 N sobre 0,01 m2 es exactamente la misma presión que 1 N sobre 1 m2. Así, en vez de imaginar un billete sobre la mesa, imagina cien billetes
idénticos sobre la mesa, uno al lado del otro. El peso total es de 1 N,
la superficie total es la de cien billetes, es decir, 1 m2.
La presión sigue siendo de 1 Pa, exactamente la misma que la que ejercía un solo billete.
La clave de la cuestión, claro, es que si usamos más de un billete
aumentamos el peso, pero también aumentamos la superficie de manera
proporcional, con lo que realmente no cambia nada respecto a la presión
sobre la mesa. Y entender eso es básicamente entender el concepto de
presión: podríamos poner cien millones de billetes uno al lado del otro y
la presión sería la misma que la que hace un solo billete.
Sí, soy pesado y no me importa serlo: la presión es la relación entre
fuerza y superficie, de modo que un objeto muy pesado puede ejercer
una presión muy pequeña o viceversa. Peso y presión no son lo mismo.
Sin embargo, la consecuencia inmediata del pequeño tamaño de 1 Pa es
que muy a menudo utilizamos múltiplos de esta unidad. Un kilopascal es
el equivalente a mil pascales (1 kPa = 1 000 Pa), un megapascal el
equivalente a un millón de pascales (1 MPa = 1 000 000 Pa), etcétera.
Desgraciadamente, dependiendo de dónde y cuándo a veces se utilizan
también otras unidades que no son del SI como las atmósferas y los
milibares, pero de ellos hablaremos en su momento.
Presión en líquidos
La manera más fácil de comprender el concepto de presión, en mi
opinión, es hacerlo utilizando sólidos apoyados sobre algo, como
acabamos de hacer. Sin embargo, como hemos visto en el capítulo
anterior, los sólidos y los fluidos no se comportan igual debido a la
capacidad de fluir de unos y la ausencia de esa capacidad en los otros.
Como siempre, un ejemplo tonto es la mejor manera de ver esta
diferencia. Imagina un objeto con un peso de 100 N (que, con la gravedad
terrestre, es el peso aproximado de un objeto de 10 kg), apoyado sobre
una mesa. ¿Qué presión ejercerá?
A estas alturas estoy seguro de que estás levantando una ceja: hombre, depende, responderás. ¿Cómo de grande es la superficie en la que se apoya ese peso?
Y tendrías razón, por supuesto. Si el objeto es un martillo, no sería
lo mismo depositarlo sobre la mesa apoyado horizontalmente, de modo que
el mango repose sobre la mesa a lo largo, que hacerlo de manera que la
cabeza del martillo sea el único contacto con la mesa. En el primer caso
la superficie es mayor que en el segundo, luego la presión será menor.
Pero ¿y si el objeto no fuera sólido, sino un fluido? Entonces no
sería tan fácil controlar esa superficie de contacto. Si no encerrásemos
el fluido en un recipiente, se desparramaría por toda la mesa –y, si
fuera un gas, por toda la habitación–. El comportamiento de los fluidos,
una vez más, es más complejo que el de los sólidos.
Un líquido, si tiene suficiente espacio para fluir y desparramarse
tanto como sea necesario, siempre terminará formando una película
infinitamente fina (con un límite tan extremo que, en lo que respecta a
este bloque, podemos considerar cero). El propio peso del líquido tiende
a llevarlo hacia el suelo y, dado que las partículas no ocupan
posiciones fijas, todas ellas terminarán contra el suelo. Puedes
imaginarlo así: si viertes agua sobre el suelo con una jarra, el agua
forma un charco sobre el suelo. Si el agua fuera un fluido perfecto, ese
charco sería infinitamente fino y extenso.
Por tanto, en esas condiciones ideales –un fluido perfecto y una
superficie tan grande como sea necesaria– la presión que ejerce el
líquido al final será cero, independientemente de la cantidad de
líquido, ya que se habrá esparcido infinitamente. Podríamos decir
–horrible afirmación, pero si te ayuda bienvenida sea– que cada parte
del líquido tienden a ocupar el lugar más bajo posible, de modo que el
grosor final sea cero y la presión también lo sea.
Si evitamos que esto suceda, por ejemplo, encerrando el líquido en un
recipiente, entonces el líquido seguirá este comportamiento hasta donde
puede: ocupará primero la base del recipiente como en el caso anterior
pero, cuando ya no quede sitio en el fondo, irá rellenando el resto del
recipiente hasta que todo el volumen de líquido esté “apoyado” o bien
sobre el fondo o bien sobre el resto de líquido y las paredes.
Como consecuencia, casi toda la presión que los líquidos ejercen se
debe a su propio peso, y casi toda esa presión se debe a que “forzamos”
al líquido a ocupar el recipiente en vez de desparramarse infinitamente,
que es lo que tiende a hacer por la combinación de su propio peso y la
capacidad de sus partículas de fluir unas sobre otras. Desde luego, si
el líquido se mueve a gran velocidad (por ejemplo, saliendo de la boca
de una manguera) puede ejercer presión que no tiene nada que ver con su
peso, y de ello hablaremos en su momento. Sobre cuánto vale esa presión dependiendo de cuánto líquido hay, cómo
es el recipiente y cuál es la naturaleza del líquido hablaremos en el
siguiente capítulo, ya que es algo con la suficiente miga como para
merecer una explicación cuidadosa. Pero ¿y los gases? ¿forman también charcos en el suelo?
Presión en gases y plasmas
Como vimos al hablar de los distintos tipos de fluidos,
los gases y plasmas se diferencian de los líquidos en que no mantienen
un volumen constante, ya que las partículas que los forman no sufren
interacciones tan intensas como aquéllos. Esta “libertad” supone un
comportamiento diferente respecto a la presión. Hay algo en lo que gases y plasmas sí se parecen a los líquidos: como
ellos, su propio peso tiende a hacerlos fluir hacia abajo y llegar al
suelo. Así, en casi todos los casos el comportamiento en este sentido es
parecido al de los líquidos, tanto más cuanto más denso sea el gas.
Cuando se trata de un gas suficientemente denso se comportará casi igual
que un líquido, como sucede con el hexafluoruro de azufre.
Sin embargo, por un lado los gases suelen ser –aunque no siempre lo
sean, ni tenga esto que ver con la definición de gas– menos densos que
los líquidos, con lo que el efecto de la gravedad se nota menos sobre
ellos. Por otro, la libertad de movimiento molecular es tan grande que
la velocidad de cada molécula es muy grande. Como consecuencia hay gases
lo suficientemente ligeros como para que la gravedad terrestre, por
ejemplo, no sea suficiente para retenerlos, como es el caso del helio. En estos casos la presión debida al peso es casi inapreciable.
¿Por eso los globos flotan? No –aunque sí tenga que ver con el hecho de que el helio es muy poco
denso–. El responsable principal es el aire que rodea al globo, que lo
empuja hacia arriba de acuerdo con el principio de Arquímedes.
Pero, dado que en este mismo bloque dedicaremos un capítulo entero a
hablar de ese principio, permite que aquí simplemente te diga que no,
los globos no flotan porque el helio sea capaz de escapar de la gravedad
de la Tierra.
Como ejemplo, el aire caliente de los globos aerostáticos,
dependiendo de su temperatura, puede seguir siendo suficientemente denso
como para no poder escapar de la gravedad terrestre pero sí ser lo
bastante ligero como para que el aire de alrededor lo sustente. Lo que
hace que un globo flote es precisamente el hecho de que sea menos denso
que el aire que lo rodea — el helio es, además, tan ligero que podría
escapar incluso sin aire alrededor.
Podrías pensar entonces que los gases apenas ejercen presión, sobre
todo si son ligeros, pero la propia libertad de movimiento de sus
partículas hace que ejerzan un tipo de presión que los líquidos apenas
ejercen: la debida a los choques de esas moléculas con cualquier cosa
que se encuentre cerca.
Un líquido es algo así como un conjunto de bolas bastante pesadas que
siempre se mantienen juntas y apenas pueden moverse: si estás bajo
ellas notarás la presión, pero si estás por ejemplo a un lado no notarás
nada. Un gas o un plasma, por el contrario, consta de bolitas mucho más
ligeras pero que se mueven caóticamente, chocando unas con otras y
saliendo disparadas en todas direcciones con mucha facilidad. Así, si
estás debajo apenas notarás el peso de esas bolitas, pero si estáś a un
lado –o debajo, o encima– notarás los golpecillos constantes de todas
las bolitas.
Dado que esta agitación de las bolitas –una agitación molecular a
nivel microscópico, aunque aquí tratemos a los fluidos como continuos–
depende de la temperatura del gas, aquí tienes otra gran diferencia en
la presión de líquidos y gases/plasmas. Al calentar un líquido apenas se
nota diferencia en la presión que ejerce, ya que aunque cambie la
temperatura, el movimiento molecular sigue siendo muy leve ya que las
moléculas mantienen sus distancias más o menos fijas. Sin embargo, los
gases y plasmas que se calientan, al moverse sus partículas más deprisa,
golpean todo lo que los rodea más violentamente, con lo que su presión
aumenta proporcionalmente con la temperatura. Puedes leer más sobre este
efecto –que en este bloque no trataremos más– en el dedicado a la termodinámica.
Pero claro, imagina que tienes sobre ti una cantidad ingente de gas:
entonces, aunque cada bolita sea muy ligera, una acumulación gigantesca
de bolitas sobre tu cabeza sí ejercerá una presión considerable. Como
siempre, es difícil poner etiquetas a las cosas que no simplifiquen
demasiado el asunto: dependiendo del sistema físico concreto que estemos
estudiando podremos despreciar algunos efectos y no otros. Si estudias
la presión ejercida por el helio dentro de un pequeño globo, por
ejemplo, la presión debida al peso del helio es muy pequeña. Si estudias
la presión ejercida por todo el hidrógeno del Sol sobre su núcleo, la
presión debida al peso es tan grande que te trituraría como una
cucaracha, con lo que sería una estupidez despreciarla.
Lo bueno es que la presión es la que es independientemente de sus
causas: puede deberse fundamentalmente al peso del propio fluido, como
suele suceder en los líquidos, o al movimiento de sus partículas en
gases o plasmas, pero su descripción y sus consecuencias son idénticas.
Ideas clave
Para seguir el bloque con garantías debes haber asimilado los siguientes conceptos fundamentales:
La presión es la fuerza ejercida por unidad de superficie.
La unidad de presión es el pascal (Pa). Un pascal equivale a una fuerza de 1 newton repartida sobre una superficie de 1 m2.
La presión en los líquidos suele deberse a que los encerramos en
un recipiente sobre cuyas paredes y fondo se apoyan, de modo que el peso del propio líquido es la causa de la presión.
La presión en los gases y plasmas suele deberse al movimiento de las partículas que los forman, aunque si hay suficiente cantidad pueden ejercer presión debida al peso como los líquidos.
Tanto en un caso como en otro, si el fluido se mueve en una determinada dirección puede aparecer una presión adicional que no tiene que ver ni con el peso ni con la agitación molecular.
Hasta la próxima…
Imagino que ya sospechas de qué va a ir el desafío de este capítulo:
de calcular presiones. Dado que hemos explicado el concepto básico
utilizando sólidos, con ellos seguiremos; en la siguiente entrega
nos dedicaremos específicamente al cálculo de la presión en fluidos.
Recuerda, como siempre, comparar lo que obtienes con resultados que
tengas asimilados, para ver si tienen sentido o has metido la pata.
Desafío 2 – Presión El desafío de hoy tiene dos partes, y te aviso de que hay que hacer algunas operaciones matemáticas. ¡Qué se le va a hacer!
Imagina, pacientísimo lector, que has decidido hacer un picnic
sobre un campo nevado. La nieve puede soportar una presión máxima de 5
kPa, y sobre ella has puesto una mesa de 20 kg (recuerda que, en la
gravedad terrestre, el peso de algo en newtons es diez veces su masa en
kg). La mesa se apoya sobre cuatro patas de base cuadrada y 20 cm de
lado cada una.
La primera pregunta es, ¿se hundirá la mesa en la nieve? La respuesta, por cierto, es que no –o esto no tendría gracia– pero el objetivo es, naturalmente, que consigas demostrarlo.
La segunda pregunta es, si empiezas a poner bocadillos de 250 gramos cada uno sobre la mesa, ¿cuántos bocadillos podrás poner sobre ella antes de que se hunda en la nieve?
Como siempre, os pido que no contestéis a estas preguntas en
comentarios, ya que el objetivo es que cada uno piense por su cuenta y
si respondes aquí fastidias al resto. En la siguiente entrega, como
siempre, hablaremos sobre la respuesta a este desafío.
En la introducción a la mecánica de fluidos hablamos sobre la diferencia fundamental entre sólidos y fluidos: la capacidad de cambiar de forma, es decir, de fluir.
Sin embargo, aunque todos los fluidos tengan esta característica en
común, existen otras diferencias en su comportamiento que merecen un
capítulo aparte. Aprovecharemos, además, para adquirir una idea general
sobre cómo y por qué fluyen este tipo de medios, y para definir un
concepto que nos será utilísimo más adelante: la densidad.
¿Preparado?
La mejor manera de entender las diferencias entre los distintos
estados de agregación es empezar con uno y luego ir modificando las
propiedades poco a poco. En mi opinión, una de las formas más intuitivas
de hacerlo es empezar con los sólidos para luego caer por la “escalera
del caos” hacia estados menos ordenados.
Sí, este bloque no está dedicado a los sólidos, pero como verás más
adelante los usaremos como referencia varias veces, de modo que permite
que nos detengamos un momento en ellos antes de zambullirnos –qué chispa tengo, ¿eh?– en líquidos y otros fluidos aún más interesantes.
Sólidos
Es imposible comprender las causas del distinto comportamiento de
sólidos, líquidos, gases y plasmas sin entender cuál es su estructura
microscópica, ya que ésa es la razón de que se comporten de diferente
manera. Desde luego, aquí no vamos a dar un tratado sobre fuerzas
intermoleculares y vamos a simplificar bastante las cosas, pero es
necesario conocer el modelo básico de cada estado.
Como seguro que sabes, toda la materia a nuestro alrededor está
formada por partículas microscópicas: pueden ser moléculas, átomos o
incluso protones, neutrones y electrones sueltos, pero ahora mismo eso
nos da igual. Lo esencial es la naturaleza discreta de
la materia, a pesar de que nos sea imposible discernir esa naturaleza
discreta y podamos considerar, en nuestras ecuaciones, que muchos
objetos son continuos, como ya vimos en la introducción al bloque.
Lo que distingue unos medios de otros es, fundamentalmente, cómo están asociadas esas partículas.
Puedes imaginar cada una de ellas como una minúscula canica de un metal
enormemente denso, y cada objeto como un conjunto de billones de esas
minúsculas canicas.
Para imaginar un sólido y su comportamiento, intenta visualizar la
siguiente escena: la miríada de pequeñas canicas están unidas unas a
otras mediante pequeñas barras metálicas, finísimas pero increíblemente
resistentes. Cada canica está soldada a las barras que la rodean, que a
su vez están soldadas a más canicas. El resultado es una gran red
formada por infinidad de canicas unidas unas a otras mediante esas
barras metálicas.
Desde luego, en la realidad no hay “barras”: lo que mantiene las
partículas que forman el sólido en esas posiciones son fuerzas
eléctricas entre ellas, pero es más sencillo imaginarlos así para
nuestro propósito en este bloque, que es estudiar cómo se mueven unas
partes del objeto respecto a otras. En el caso de un sólido nada se
mueve por su lado: es posible mover el objeto como un todo, pero las
posiciones y distancias relativas de las partículas que lo constituyen
no cambian jamás.
¿Y la temperatura?
Si sabes algo de termodinámica tal vez estés arqueando la ceja ante ese jamás tan categórico… y sí, tienes razón.
Dado que la temperatura de un cuerpo está relacionada con la
velocidad con la que se mueven sus partículas, estrictamente hablando el
único cuerpo en el que las distancias entre “canicas” no cambian nunca
sería uno a la temperatura más baja posible, el cero absoluto. En un
sólido real las partículas vibran alrededor de sus posiciones de
equilibrio tanto más rápido cuanto más caliente está el cuerpo.
Sin embargo, dado que en este bloque nos preocuparemos por el
movimiento macroscópico de las cosas, esos movimientos microscópicos tan
nimios no son importantes. Si quieres profundizar un poco más en esa
parte del comportamiento de los cuerpos es mejor que leas el bloque
dedicado a ese asunto, Termodinámica I.
En lo que a nosotros respecta al estudiar la mecánica de los cuerpos, lo esencial de un sólido ideal es que se mueve como un todo.
Permíteme que ponga un ejemplo un poco tonto para luego modificarlo al
hablar de los otros estados. Imagina un cubo sólido de 1000 kg de masa y
un metro de lado; imagina ahora, paciente y estimado lector, que pongo
ese cubo de 1 m3 sobre tu cabeza. El desenlace sería bastante
desagradable para ti, y creo que no hace falta que entre en más
detalles –lo haré cuando modifiquemos el ejemplo al hablar de líquidos y
gases–.
En nuestro modelo de “canicas y barras”, lo que distingue a unos
sólidos de otros en su interacción con los fluidos es básicamente la masa de las canicas y la longitud de las barras:
es posible, por ejemplo, que las distancias intermoleculares –si las
partículas que forman el objeto son moléculas– sean muy grandes, de modo
que las canicas estén muy separadas unas de otras, o que por el
contrario estén muy cerca; es posible que cada canica tenga una gran
masa, si se trata de un elemento muy pesado, o que cada canica sea muy
ligera si es un elemento ligero.
Pero, independientemente de la causa, es posible cuantificar esta
propiedad de un modo bastante sencillo, definiendo una magnitud que nos
diga cuánta masa hay en un volumen determinado del sólido, ya sea por la
distancia entre partículas, por la masa de cada partícula o una
combinación de ambos factores. Y esta magnitud, que utilizaremos mucho a
lo largo del bloque, no es otra que la densidad.
Densidad
El origen de la densidad como concepto es muy antiguo, y la base del
concepto es la necesidad de comparar lo pesados que son los distintos
materiales.
La clave de la cuestión es precisamente ésa: comparar materiales,
no cuerpos concretos. No vale tomar un trozo de acero de 1 kg y un
trozo de madera de 500 kg y deducir, por tanto, que la madera en general
es más pesada que el acero en general: eso no tendría ningún sentido.
Tampoco lo tiene comparar 1 kg de plomo con 1 kg de paja y concluir que
la paja pesa, como material, lo mismo que el plomo. Por un lado no
queremos comparar objetos concretos sino los materiales en sí,
independientemente del objeto; pero por otro lado no podemos pesar
“plomo en general” y “madera en general”, sólo podemos pesar objetos
concretos.
La solución es simplemente tomar objetos del mismo volumen. Así, si comparamos dos objetos de 5 m3,
uno de acero y otro de corcho, el de acero pesará muchísimo más que el
de corcho. Pero si tomamos objetos de los mismos materiales y de 10 m3
sucederá lo mismo, e igual si comparamos cualquier par de objetos del
mismo volumen, uno de acero y otro de corcho. De hecho, la relación
numérica entre las masas de ambos objetos –siempre que los dos tengan el
mismo volumen, claro– se mantendrá constante para cualquier volumen: si
un trozo de corcho pesa 1 kg y el trozo de acero del mismo tamaño pesa
20 kg, entonces si tomamos un trozo de corcho de 1 tonelada el trozo de
acero del mismo tamaño que él pesará 20 toneladas.
Puesto que da igual qué volumen se tome siempre que sea el mismo para
todos los objetos, tiene todo el sentido del mundo emplear como
“volumen de referencia” la unidad de volumen, es decir, el metro cúbico. Así, la densidad de un material se define del siguiente modo:
La densidad es la masa por unidad de volumen.
Por lo tanto, para conocer la densidad de un material basta con obtener un objeto de 1 m3 de ese material, pesarlo y listo. Naturalmente, también es posible obtener un objeto de 10 m3, pesarlo y luego dividir la masa por diez para conocer la masa por cada metro cúbico, o pesar un objeto de tan sólo 0,1 m3
y luego multiplicar su masa por diez. Lo esencial es siempre utilizar
como referencia final el metro cúbico, de modo que el tamaño del objeto
que estemos estudiando no influya en el resultado.
Unidad de la densidad – El kilogramo por metro cúbico
Puesto que la densidad es la masa por unidad de volumen, sus unidades
son precisamente ésas: las de masa entre las de volumen. A pesar de que
es una magnitud muy utilizada, no ha recibido un “nombre propio”, como
sucede con otras unidades que veremos en este mismo bloque. Esto hace
que su definición sea un tanto perogrullesca:
Un kg/m3 es la densidad de un objeto de masa 1 kg que ocupa un volumen de 1 m3.
Sin embargo, ¿cuánto es eso? ¿mucho, poco o regular? Si vas a
aprovechar este bloque debes tener, al menos, una idea aproximada de
qué significa una densidad concreta, ya que como veremos es una magnitud
esencial para conocer lo que le sucede a las cosas inmersas en un
fluido.
En este caso es posible estimarlo sin demasiados problemas: 1 kg es la masa de un paquete de arroz típico, y 1 m3
es un cubo de un metro de ancho, un metro de largo y otro de alto. Si
repartes el arroz en todo ese volumen, la densidad resultante es 1 kg/m3.
En resumen, la unidad de densidad es muy pequeña, y la mayor parte de
los objetos a nuestro alrededor tienen densidades bastante mayores.
Como siempre, la mejor manera de visualizar unidades es precisamente
con ejemplos de la vida real. La densidad del hierro es de unos 7 000
kg/m3, la del hormigón de unos 2 400 kg/m3 y la del cartón unos 700 kg/m3.
Más importante aún es conocer la densidad aproximada de los dos fluidos
más importantes en nuestra vida –tan importante es que son las únicas
dos densidades que exijo memorizar a mis alumnos–: el agua y el aire.
Pero hablaremos de ellas al hacerlo de cada uno de esos dos tipos de
fluido.
¡Ojo! Los sólidos no son más densos que los fluidos
Es muy común caer en el error de pensar que un sólido, por el hecho
de serlo, es más denso que un líquido, y que los líquidos son a su vez
más densos que los gases. Esto es, sin embargo, una mentira como un
piano de cola.
La razón de que tengamos esta idea en la cabeza es que,
efectivamente, en los objetos a nuestro alrededor sucede muy a menudo:
un clavo es más denso que el agua, y el agua es más densa que el aire.
Sin embargo, la densidad del mercurio líquido a temperatura ambiente es
de unos 13 500 kg/m3, de modo que es unas cinco veces más denso que el hormigón.
No: lo que distingue a unos de otros no es lo densos que son o dejan
de ser, sino la movilidad de sus partículas unas respecto a otras. Es
posible tener partículas en posiciones fijas pero bastante alejadas o
viceversa.
Líquidos
Ya hemos visto qué tienen en común los estados fluidos de la materia:
la carencia de forma propia. En todos ellos, las partículas que forman
el medio no se encuentran en posiciones fijas, como sucedería en un
sólido, sino que pueden deslizarse y moverse unas respecto a otras. En
términos de nuestras canicas y barras, aquí no hay barras, sino canicas
que no tienen posiciones fijas.
Ahora bien, ¿en qué se diferencian los tres estados fluidos?
Tener clara esta diferencia hará mucho más fácil atacar problemas
teóricos más adelante; por eso, aunque sea algo razonablemente sencillo,
quiero dejarlo bien asentado antes de seguir con el bloque. No hace
falta que diga que un fluido real no se adecúa perfectamente a las
características de ninguno de los tres estados ideales que son,
precisamente, “moldes teóricos” de comportamiento.
De los tres estados, el líquido es el más parecido a un sólido. Puede fluir, desde luego, pero la distancia entre moléculas apenas cambia.
Es algo parecido a harina extremadamente fina: los granos siempre están
tocándose, pero pueden deslizarse unos sobre otros de modo que la
harina tome una forma u otra.
En términos de las canicas, es algo así como un montón de pequeñas bolas imantadas:
pueden moverse y adaptarse a la forma del recipiente que las contenga,
pero no se alejarán unas de otras, sino que permanecerán en contacto
–orientándose además según los polos magnéticos de cada una, pero eso
nos da igual ahora mismo–. Como puedes ver, es un paso hacia el caos y
la flexibilidad respecto a los sólidos: en aquéllos no cambia ni forma
ni volumen, pero aquí puede cambiar la forma (por eso es un fluido),
aunque todavía no el volumen (por eso es un líquido y no otro fluido).
Dicho de otra manera, un líquido ideal tiene siempre el mismo volumen, es decir, es incompresible (no incomprensible,
por cierto, salvo que sea un fluido que se explica muy mal). Por mucho
que intentes expandirlo o comprimirlo no podrás, ya que hacer eso
significaría alterar la distancia entre moléculas: apretar unas contra
otras o alejar unas de otras. Y eso no puede suceder por la propia
definición del líquido. La razón de que los líquidos se comporten así,
por cierto, es que las fuerzas intermoleculares son lo suficientemente
intensas como para mantener ese statu quo de distancia.
Puedes pensar en ello así, aunque sea una simplificación: en un
líquido, las moléculas están lo más cerca que pueden estar, “tocándose”.
Por tanto, no pueden acercarse más. Además, esas moléculas sienten la
suficiente atracción unas por otras como para no alejarse, con lo que la
consecuencia conjunta de ambas cosas es que la distancia siempre
permanezca igual.
Gota de agua (Fir0002/Flagstaffotos/Gnu Free Documentation License 1.2). Si volvemos al ejemplo del objeto de 1 000 kg de masa y 1 m3
de volumen que yo ponía sobre tu cabeza, imaginemos ahora que no es un
sólido, sino un líquido. De hecho imaginemos que es el líquido más
importante para nosotros, el agua, ya que ésa es precisamente la
densidad del agua: 1 000 kg/m3. Ya sé que puede parecer un
número muy grande, pero recuerda que la unidad de densidad es muy
pequeña, y que un metro cúbico de agua –es decir, mil litros– es mucha agua. ¿Qué te sucedería si pusiera ese cubo de agua sobre tu cabeza –sin
paredes ni recipiente, claro–? Pues muy poco. El agua se deslizaría
sobre ti, caería al suelo y te mojaría, pero poco más: algo muy
diferente del caso anterior en el que poníamos un bloque sólido sobre tu
testa. Sé que esto puede parecer una obviedad, pero para afrontar el
siguiente bloque, piensa en ello así: tu cabeza no ha interaccionado con toda el agua ni ha recibido el peso de todo el bloque de agua, sino sólo parte de él. En el caso del sólido, aunque sólo algunas moléculas tocaban tu
cabeza, la fuerza que hacía el bloque sobre ella era mucho mayor, porque
unas moléculas “tiraban” de otras, al tener posiciones fijas, obligando
al bloque a comportarse como un todo empujando, cayendo y moviéndose.
Pero ahora la cosa no es igual: unas moléculas del agua pueden empujar
tu cabeza, otras pueden caer deslizándose… la libertad de movimiento de
las moléculas en el líquido cambia completamente su comportamiento, y de
eso hablaremos en el siguiente capítulo del bloque.
Gases
Un gas supone un paso más hacia el caos: ahora ni siquiera la
distancia entre partículas es constante. En términos de nuestras canicas
es algo así como tener las bolas moviéndose a gran velocidad, al azar,
rebotando en las paredes de una habitación. Por lo tanto, un gas es un
fluido compresible: es posible forzar las partículas a acercarse unas a otras o alejarse unas de otras. La primera consecuencia de esto es que la densidad de un gas puede
variar con gran facilidad, a diferencia de sólidos y líquidos. Un
ejemplo muy fácil es un globo: si aprietas las paredes, el gas dentro se
comprime. Por eso es más difícil hablar de la densidad de un gas en
general — siempre hace falta especificar a qué presión y a qué
temperatura. Para ahorrar palabras, es común hablar de la densidad de un
gas en condiciones normales, con lo que nos referimos a la presión atmosférica normal y una temperatura de 0 °C. El gas más importante para nosotros, sin duda, es el aire.
Químicamente es, desde luego, una mezcla de cosas, fundamentalmente
nitrógeno molecular y oxígeno molecular, pero ahora mismo eso nos da
igual, ya que lo que nos interesa es su comportamiento mecánico. La
densidad del aire que te rodea ahora mismo, salvo que estés en un sitio
un poco raro, seguramente es de unos 1,2 kg/m3, es decir, tan
sólo un poco superior a la unidad de densidad, y unas ochocientas veces
menos denso que el agua. Pero, como he dicho antes, no es difícil
variar esta densidad si cambia la temperatura o la presión.
Pero… ¡si el aire no pesa! Ésta es una idea que muchos tenemos en la cabeza: que el aire no
pesa. En algunas ocasiones la idea se refiere a otros gases distintos
del aire, como el helio: el helio sube, luego no pesa. Esto es, desde
luego, más falso que Barrabás. Cualquier cosa con masa sufre la acción de la gravedad y, por tanto,
tiene peso. A consecuencia de ello, es atraído hacia el centro de la
Tierra con una fuerza que depende de su masa –una fuerza que se llama,
no por casualidad, peso–. Por lo tanto, todo lo que tiene masa tiene peso. Si el aire, por ejemplo, no pesara, no habría nada que lo retuviese
sobre la superficie de la Tierra, escaparía al espacio a lo largo del
tiempo y todos estaríamos muertos. Puesto que tanto tú como yo estamos
vivos y respirando, el aire pesa y por eso sigue aquí, apretado contra
la superficie de la Tierra y proporcionándonos oxígeno. Respecto al helio y otros gases más ligeros, puesto que tienen masa, también pesan: de la razón de que parezca que no pesan hablaremos al hacerlo de la flotabilidad. Por si tienes curiosidad, la densidad del helio es de unos 0,18 kg/m3, casi siete veces más ligero que el aire.
Si soltásemos un objeto gaseoso de 1 000 kg de masa y 1 m3
de volumen sobre tu cabeza –y para conseguir algo así tendríamos que
comprimirlo mucho– la situación no sería muy distinta de la del líquido
anterior: puesto que el gas fluye, no interaccionarías con todo el cubo
de gas, sino sólo con la parte que toca tu cabeza. Además, la libertad
absoluta de movimiento de las partículas del gas seguramente haría que
muchas salieran disparadas en todas direcciones, de modo que ni siquiera
se acercarían demasiado a ti. Las partículas que forman los gases suelen moverse a tal velocidad y
con tal libertad que tienden a ocupar todo el espacio disponible para
ellas –salvo que pasen ciertas cosas, pero de eso hablaremos más
adelante–. Los gases son, por lo tanto, bastante más difíciles de
retener y mantener bajo control que los líquidos: enseguida se escapan
de los recipientes que los contienen. Es posible, por ejemplo, tener un
líquido en un recipiente y verterlo sobre otro, pero hacer lo mismo con
un gas es mucho más complicado, salvo que sea un gas más denso que el
aire. Hace bastante tiempo hicimos aquí mismo un experimento en el que
se ponía de manifiesto precisamente eso en el caso del dióxido de carbono.
Plasmas
Aunque en este bloque nos dedicaremos principalmente a los fluidos
más comunes a nuestro alrededor –líquidos y gases–, no está de más tener
una idea del comportamiento del tercer tipo de fluidos, los plasmas. En
muchas cosas se parecen a los gases, pero en otras son completamente
distintos de cualquier otro estado de la materia. Las cosas que nos rodean están formadas por moléculas o átomos
sueltos. Tanto unas como otros, a su vez, están compuestos de partículas
más pequeñas –electrones, protones y neutrones–, algunas de las cuales
tienen carga eléctrica. Pero, en cualquier sólido, líquido o gas normal,
las cargas eléctricas están compensadas en cada molécula o átomo. Por
poner un ejemplo concreto: el átomo de hidrógeno más simple que existe
está formado por un protón (con carga positiva) y un electrón (con carga
negativa). Por lo tanto, cada átomo de hidrógeno no tiene carga neta,
ya que ambas se compensan. Si tienes un montón de hidrógeno formado por billones de átomos, la
cosa no cambia: sigue habiendo billones de protones unidos a billones de
electrones, con lo que la carga neta de cada átomo es nula. Pero ¿qué pasaría si consiguieras separar los protones de los electrones?
Haría falta calentar mucho el gas, o bien someterlo a campos
electromagnéticos muy intensos, pero es posible hacerlo (de hecho, lo
hacemos todo el tiempo en varios de nuestros aparatos tecnológicos).
¿Qué tendríamos entonces? Lo que tendríamos sería el mismo número de protones y electrones de
antes pero, en vez de unidos en parejas protón-electrón sin carga
eléctrica, estarían todos sueltos, protones y electrones libres
moviéndose cada uno a su albedrío. En palabras más técnicas, tendrías un
gas ionizado –puesto que las partículas con carga eléctrica no nula se llaman iones–, es decir, un plasma. En otras palabras, un plasma es algo así como una sopa de cargas eléctricas.
Es un paso más hacia el caos; puede parecer que es básicamente lo mismo
que antes, pero no es así. Hay multitud de cosas que pueden sucederle a
las cargas eléctricas “sueltas” cuando se las somete a campos
eléctricos y magnéticos que las cargas “compensadas” no notan. Si se
somete un plasma a un campo electromagnético más o menos intenso, en él
pueden formarse corrientes eléctricas, remolinos y muchos otros
fenómenos bastante complicados. Por esa razón es bastante más complicado estudiar los plasmas que los
gases, aunque se parezcan en otras cosas. De hecho, es muy difícil
estudiar plasmas empleando únicamente la mecánica, ya que el
electromagnetismo es fundamental para entender su comportamiento, al ser
tan sensibles a él. Ésa es la segunda razón de que en este bloque no
hablemos mucho de los plasmas: hace falta combinar mecánica con otras
partes de la Física para entenderlos, pero éste es un bloque
introductorio. ¡Algún día! Al principio he dicho que los fluidos más comunes a nuestro alrededor
son líquidos y gases, y esto es cierto. Sin embargo, si abrimos la
mirada al Universo entero, la cosa cambia mucho: casi todo lo que existe
es un plasma. De hecho, podríamos decir que el Universo es un plasma de hidrógeno con impurezas.
Y nosotros, claro, somos una de esas impurezas. La razón es que las
estrellas son básicamente hidrógeno en forma de plasma, y gran parte de
la materia interestelar e intergaláctica está también ionizada.
El Sol, alias “inmensa bola de plasma” (NASA).
Ideas clave
Para afrontar el resto del bloque deben haberte quedado meridianamente claras las siguientes ideas:
En un sólido no cambian nunca ni las posiciones ni las distancias entre las partículas que forman el cuerpo.
Un líquido es un fluido incompresible, por lo que cambian las posiciones pero no las distancias de las partículas.
Un gas es un fluido compresible en el que pueden cambiar tanto posiciones como distancias de partículas que componen el cuerpo.
Un plasma es un gas ionizado en el que las
cargas están sueltas, con lo que su comportamiento viene determinado en
gran parte por el electromagnetismo.
La densidad de un medio es su masa por unidad de volumen.
La unidad de densidad es el kilogramo por cada metro cúbico (kg/m3).
Hasta la próxima…
En la próxima entrega
haremos énfasis en algo que hemos mencionado hoy: el hecho de que no
interaccionas con un fluido en su totalidad, sino sólo con parte de él.
Nos dedicaremos, por tanto, a hablar de la presión. Mientras tanto, ya que volveremos a ello en un par de capítulos, practicaremos un poco con la densidad.
Desafío 1 – Densidad
Aunque en este tipo de bloques no hagamos demasiados cálculos, es
importante asimilar el concepto de densidad con números, sobre todo al
comparar densidades con las del agua (recuerda, 1 000 kg/m3) y el aire (1,2 kg/m3). De manera que hagamos exactamente eso… El objetivo de este pequeño desafío es que ordenes los siguientes objetos del menos denso al más denso: 1. Una bola de goma cuya densidad es el 80% de la del agua. 2. Un anillo de oro (búscate la vida). 3. Un tornillo de 10 gramos y 10-6 m3. 4. Un trozo de madera de 0,5 kg y un volumen de 0,8 m3.
