No me presiones, ¡energízame!

12 marzo 2014

Este post es una colaboración mía, como integrante de Naukas, con la Cátedra de Cultura Científica de la UPV/EHU. Siendo publicado con anterioridad en el Cuaderno de Cultura Científica Aprovecho para agradecer a Javier Peláez (@Irreductible) y a César Tomé (@EDocet) su amabilidad y trabajo.

Hay unas cuantas palabras que usamos con mucha frecuencia en el lenguaje cotidiano, pero que también tienen un significado científico específico, lo cual da lugar a malos entendidos, a mal uso por desconocimiento y, en ocasiones, por mala fe. A estas cosas de las que vamos a hablar las denominamos magnitudes físicas, lo que quiere decir que son susceptibles de ser medidas.

FUERZA

Tengo fuerza, dame fuerza, estás fuerte… pero, ¿qué es la fuerza científicamente?

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Imagen Wikicommons

Fuerza sería aquello capaz de deformar objetos o cambiar su estado de movimiento (acelerarlo, frenarlo…)

Decimos que es una magnitud vectorial porque no solamente necesitamos saber lo intensa que es, sino en qué dirección y sentido está “empujando”, por lo que tenemos que representarla con un vector, una flecha. Como verás, científicamente no “tenemos fuerza”, aunque sí podemos ejercerla o aplicarla. Se puede medir en distintas unidades, pero la del sistema internacional de unidades (SI) es el newton (N)

MASA

Es la cantidad de materia, la “chicha” vaya, esas lorzas que nos adornan… eso es masa.

jfp2Se mide en kg (en el SI)

PESO

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Imagen de P. Fraundorf (Creative Commons)

El peso no es la masa, ni se mide en kg… “Pues yo le pido dos kilos de naranjas al frutero y me entiende” Ya, y yo al del bar le silbo y le digo “jefe, jefe” y me pone una Fanta… pero la expresión no es correcta científicamente. El peso es una fuerza. Es la fuerza con la que te atrae la Tierra o el lugar del Universo en el que estés: la Luna, Marte, o flotando en medio del espacio.

Como tal fuerza se mide en newtons (N)

Si te fijas, cuando tú dices que quieres perder peso no es correcto… porque probablemente lo que quieras hacer es desprenderte de las “asas del amor”… y eso es ¡masa! Lo que tú quieres es perder masa.

Para perder peso hay formas más sencillas_ – Puedes viajar a la Luna, allí pesas unas seis veces menos, ya que al ser más pequeña que la Tierra te atrae menos. – Ve a la estación espacial. Allí, estarás en ingravidez, así que pesarás cero. – También puedes lanzarte de un quinto, durante la caída también estás en ingravidez… de hecho estar en órbita es como estar cayendo sin llegar a tocar la superficie.

Para calcular el peso hay una fórmula aproximada muy sencilla. P = m.g siendo g la aceleración de la gravedad, aquí en la Tierra, aproximadamente 9,8 m/s^2.

De esta forma, 1kg resulta atraído con una fuerza de 1 · 9,8 = 9,8 N.

Aproximadamente 10 N por cada kilo. Esa es la fuerza que aplicas sobre el suelo o tu silla.

PRESIÓN

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Presión | Imagen wikicommons

A veces mis alumnos me hablan de la fuerza de una presión… cuando quieren decir lo intensa que es una presión, puede parecer un detalle insignificante, pero es incorrecto. La presión es la fuerza dividida por la superficie en la que se aplica.

Mira, sígueme.

Una persona tiene 75 kg de masa, eso quiere decir que su peso es de 750 N aproximadamente. Esa es la fuerza que aplica al suelo, pero no es lo mismo que se ponga zapatos de tacón, botas de fútbol o se suba en una tabla de snowboard.Digamos que “aprieta” menos el suelo en un caso que en otro, la fuerza está más o menos “concentrada”. A eso le llamamos presión.

Se mide en newton por metro cuadrado (N/m^2) a lo que llamamos pascales (Pa)

Así, haremos más presión cuanto más fuerza hagamos o cuanto más pequeña sea la superficie sobre la que la hagamos.

Si afilas la punta de un objeto, consigues que atraviese más fácilmente un material aunque hagas la misma fuerza… porque la presión es mayor.

Uno de los ejemplos más curiosos y divertidos es la cama de clavos. Parece más temible cuantos más clavos lleva, pero en realidad es mucho menos peligrosa… cuantos más clavos tengamos, menos presión hará nuestro cuerpo. Nuestro cuerpo siempre hace la misma fuerza (la de nuestro peso), pero la presión es menor, al estar aplicada esta fuerza en una superficie mayor (más puntas de clavos).

TRABAJO

En física el trabajo podría decirse que es el efecto que produce una fuerza (perdón para los puristas)

Homenaje a la mujer trabajadora | wikicommons
Homenaje a la mujer trabajadora | wikicommons

Si yo aplico una fuerza y no hay desplazamiento, aunque yo me canse, esa fuerza no ha conseguido nada… así que decimos que esa fuerza no ha hecho trabajo. Si yo aplico una fuerza en sentido contrario al del desplazamiento, diríamos que mi fuerza no ha ayudado a ese desplazamiento, de hecho lo ha dificultado… así que decimos que esa fuerza hace trabajo negativo.

Si la fuerza y el desplazamiento son perpendiculares… si yo tiro hacia arriba y el objeto se mueve horizontalmente, desde luego, no puedo decir que sea debido a mi fuerza, así que también en ese caso decimos que la fuerza no hace trabajo.

Finalmente, si la fuerza y el desplazamiento no van perfectamente alineados, pensamos en la fuerza en dos componentes, la parte perpendicular no hace trabajo y la paralela sí. La cantidad de trabajo se calcula multiplicando la fuerza por el desplazamiento, así que newtons multiplicados por metros, a lo que llamamos julios (J) Así que el trabajo no se tiene (qué gran verdad en estos días), se hace al sistema al que le aplicas fuerza o se recibe del que te la aplica a ti.

ENERGÍA

La energía es la capacidad de hacer un trabajo, digamos de producir un “efecto”.

Lightning Slow motion | wikicommons
Lightning Slow motion | wikicommons

Fíjate que es la capacidad de hacer el trabajo, no que se haya hecho ya o que se esté haciendo. Cuando cuelgas un piano de un quinto, ese objeto, en esa situación, tiene la capacidad de convertirte en otro instrumento musical si te lo dejan caer encima (un acordéon…). Aún no lo ha hecho y quizá no lo haga, pero puede hacerlo, tiene energía. La energía se mide en las mismas unidades que el trabajo, en julios.

Hay muchos tipos de energía: cinética (la que tiene un objeto por estar moviéndose), potencial (la que tiene un objeto por su posición, como el piano), térmica (debida a la agitación de sus átomos), etc.

Sabemos convertir unas formas de energía en otras de muchas maneras, y particularmente se nos da muy bien con la energía eléctrica. Con un motor la convertimos en energía cinética, con un calentador en energía térmica, con una bombilla en energía luminosa, etc.

CALOR

Oímos con frecuencia “Tengo calor”… pero el calor no se tiene, científicamente hablando, lo que se tiene es energía térmica. Aún así, ni siquiera en los laboratorios, oiréis decir “Tengo energía térmica”.

Calor es el nombre que le damos a la energía térmica cuando se intercambia, cuando pasa de un sistema a otro.

Calor | Imagen wikicommons
Calor | Imagen wikicommons

Digamos que un sistema tiene más temperatura que otro, de forma que si los ponemos en contacto, pasará energía del primero al segundo. Bueno, pues a esa energía que pasa, mientras pasa, es lo que llamamos calor.

Como es energía, el calor se mide en julios.

Igual con dinero lo explico mejor: El saldo de tu cuenta bancaria sería “dinero”, energía. Tú me lo puedes pasar de muchas maneras: por transferencia, en efectivo, con un cheque. Todos esos “intermediarios” existen sólo mientras pasa el “dinero” de tu cuenta a la mía, donde incrementa mi saldo y se convierte de nuevo en “dinero”, energía. Así que los sistemas tienen energía, y se intercambian calor.

Usando el trabajo que definíamos antes también podemos “meter o sacar” energía de un sistema, pero de nuevo hablaremos de trabajo mientras se está pasando la energía (mientras dure la aplicación de la fuerza) y después hablaremos de energía en el nuevo sistema.

POTENCIA

La potencia no es lo mismo que la energía. La potencia sería la velocidad con la que la energía se está intercambiando en un proceso, o si quieres la velocidad con la que se hace un trabajo o se intercambia calor. Por lo tanto se medirá en julios por segundo, a lo que llamamos vatio (W).

Imagen wikicommons
Imagen wikicommons

Si tú y yo subimos cada uno un saco de cemento a un quinto, habremos hecho el mismo trabajo, pero será una “máquina” más potente quien lo haya hecho en menos tiempo. O, visto de otra manera, si nos dejan actuar durante el mismo tiempo, la máquina más potente hará más trabajo.

Dos calefactores que pongan una habitación a 21ºC habrán hecho el mismo trabajo, pero uno de 2000 W la calentará antes que uno de 1000W.

Espero que ahora veas un poco más claras las cosas que os contamos a veces los que hacemos divulgación… y si os apetece, decidme otros conceptos básicos que queráis que aclaremos.

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Experimento: Los rayos infrarrojos y Herschel

1 abril 2009

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Empecemos por aclarar que el tipo de frías nalgas no es Herschel… Pero era una bonita foto de infrarrojos con licencia copyleft.

Al grano, leyendo un interesantísimo artículo sobre el Sol del blog Historias de la Ciencia (artículo) -cuya lectura os recomiendo- se mencionaba a un simpático ciudadano, William Herschel, cuya biografía (artículo) podéis leer en este otro post, también estupendo.

Para los amantes de la astronomía diremos que es el descubridor de Urano, pero hoy nos centraremos en que también es el descubridor de los infrarrojos.

El experimento que hizo fue separar la luz con un prisma y poner termómetros en diferentes partes del “arco iris” (el espectro) que salía.

Había dejado un termómetro al lado del rojo, pero fuera de la luz, para controlar la temperatura ambiente. Pero resultó que ese termómetro empezó a subir de temperatura.

En esa zona estaban incidiendo los rayos infrarrojos (más allá del rojo, literalmente) y por lo tanto también producían calor.

Un enorme choque para nuestras cabecitas que no creen en lo que no ven, ignorando que nuestra percepción es limitadísima.

Mucho del ingenio en el diseño de experimentos consiste en que esas cosas “invisibles” nos revelen su existencia con algún efecto que podamos “sentir” (medir). En este caso, el calor.

Aquí tenéis un enlace donde explica cómo hacer el experimento

http://www.spitzer.caltech.edu/espanol/edu/herschel/experiment.shtml

Aquí una descripción con un montón de fotos de lo que sale… pero está en inglés y las temperaturas en farenheit. Echadle un vistazo de todas formas, anda, que las fotos os encantarán.

http://www.ipac.caltech.edu/Outreach/Edu/Herschel/backyard.html

Y si alguien quiere convertir unidades o casi cualquier cosa, le recomendamos la página de Rogelio Triviño, un gran amigo y un genial informático freelance para quien lo necesite.

http://www.convertassist.com/


Experimento: Meter la mano en agua hirviendo…

22 enero 2009

Hey… Tranquilos, esperad que me explique.

Hay una sustancia bien conocida por todos: el agua líquida.

Bien, os han dicho que a 100ºC se convierte en gas, precisemos.

¿Qué pasa con la evaporación? ¿La ropa tendida se seca a 100ºC?

Veamos. Para que una molécula de agua salga del líquido y pase al aire tiene que superar la atracción de sus compañeras y vencer la presión del aire que tiene encima.

Este proceso se da también a temperatura ambiente, algunas listillas se escapan… esto es evaporarse.

Lo que llamamos ebullir es lo que ocurre en ciertas condiciones en el que masivamente las moléculas abandonan la fase líquida y pasan a la fase gaseosa… término técnico: “chup chup”.

Como dijimos había dos barreras a superar para abandonar la fase líquida:

1. La atracción de las moléculas compañeras. Esto lo conseguimos aumentando la vibración de las moléculas, subiendo la temperatura)

2. La presión atmosférica. Si bajamos la presión atmosférica el agua ebullirá con mayor facilidad.

Normalmente lo que hacemos es mantener la presión atmosférica constante y calentar… con lo que llegamos al punto de ebullición cerca de los 100ºC

Hay otra manera de hacer ebullir el agua. Baja la presión y listo.

En el video ponen agua coloreada en una bomba de vacío. Al final veréis que puede meter la mano en el agua hirviendo sin quemarse, porque su temperatura es bastante menor de 100ºC.

Cuando la presión baja lo suficiente, la vibración de las moléculas a la temperatura ambiente resulta suficiente para escaparse del líquido, y … ¡chup, chup!

Esto explica por qué el agua en la cima de las montañas hierve a menos temperatura quel nivel del mar (donde hay más presión atmosférica). Por esto no te sale igual el arroz a ti en tu casa usando los mismos tiempos que a tu tía la de la casa dela playa.

También explica por qué en las ollas a presión la comida se cocina antes. En una olla abierta, el agua se calienta hasta alcanzar los 100ºC y ahí se queda. En una olla a presión, el agua se calienta pero al llegar a 100ºC no ebulle por la elevada presión, así que seguirá subiendo la temperatura hasta alcanzar el nuevo punto de ebullición. De esta forma, al estar a una temperatura mayor, la comida se cocina antes.


Experimento: Hervir agua en una olla de… PAPEL!

21 enero 2009

El agua…

Una sustancia fascinante de la que nos ocuparemos muchas veces en el futuro…

Hoy nos toca hablar de su calor específico: El agua tiene un alto calor específico.

Para explicarlo sencillito diremos que una sustancia de alto calor específico necesita absorber mucha energía para aumentar su temperatura.

O desde otro punto de vista, que cuando se enfríe liberará mucha energía por cada grado que baje su temperatura.

Esto explica por qué el clima en la costa es más suave. El mar absorbe mucho calor sin calentarse demasiado durante el día y, cuando llega la noche, libera ese calor haciéndolo más suave.

Pero lo que a nosotros nos gusta… ¿qué maldad podemos hacer en casa para creernos que esto es cierto?

¿Por qué hacer sólo una? Hagamos varias…

Para evitar demandas… Como los experimentos son con fuego: menores acompañados de adultos responsables y… adultos irresponsables acompañados también de adultos responsables, por favor.

Llena un globo de aire y ponlo sobre una vela… explotará. Esto era fácil

Ahora, llena un globo de agua y ponlo sobre una vela… ¡no explotará!


La explicación es sencilla, el agua absorbe el calor de la vela y no permite que la temperatura suba lo suficiente para romper la goma del globo.

Hazlo en la bañera, porque si pones la llama por la parte que no hay agua, o estás demasiado rato… bueno, ya te imaginas.

Siguiente maldad:

Hazte un pequeño recipiente de papel, llénalo de agua y ponlo sobre una llama. Si lo dejas un ratito verás el agua burbujear… se puede cocer agua.

A los americanos les mola hacerlo con vasos de papel. Aquí tenéis un video de unos campistas que lo hacen en unas brasas.

Aquí el de un chaval majete que hierve agua en casa con una vela. Teniendo además el detalle de tener uno ya preparado para que la veamos hervir… todo un Arguiñano.

La idea siempre la misma, el agua absorbe el calor con facilidad manteniendo la temperatura suficientemente baja para que no arda el papel.


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