LEYES BÁSICAS DE ÓPTICA

La Luz fue uno de los primeros fenómenos que llamó la atención del ser humano. Estudiarla e intentar comprender su naturaleza ocupó las mentes de grandes pensadores como Euclides, Aristóteles, Ptolomeo o Alhajen. Isaac Newton (1642-1727) y Christian Huygens (1629-1695) disputaron sobre su naturaleza corpuscular u ondulatoria y varios siglos después, Louis de Broglie (1892-1987) acabó dejando claro que los dos tenía razón (o tal vez, ninguno...). Entre ambos momentos, muchos científicos participaron en el proceso de ir comprendiendo qué era la luz. Thomas Young (1773-1829), Augustin Fresnel (1788-1827) o James C. Maxwell (1831-1879) son algunos de esos científicos.

La Óptica es una parte de la Física que se encarga de estudiar la luz y los fenómenos luminosos. Muchas de sus leyes son conocidas desde antiguo y pueden ponerse de manifiesto de una forma sencilla con ayuda de un prisma y un láser, por ejemplo.

Un prisma óptico es un dispositivo limitado por dos caras no paralelas

La Reflexión se produce cuando un rayo incide contra una superficie, cambia de dirección y sigue propagándose en el mismo medio.

Reflexión de un láser dentro del prisma

La Refracción es la desviación que experimenta la dirección de propagación de la luz cuando pasa de un medio a otro.

Refracción de un láser al pasar del aire al prisma

En general, para cuerpos transparentes y traslúcidos, los fenómenos de Reflexión y Refracción suelen producirse de forma simultánea en mayor o menor grado.

Reflexión y Refracción simultánea entre dos prismas

Cuando un rayo de luz pasa de un medio a otro con índice de refracción menor, se aleja de la normal. Existe un ángulo de incidencia para el cual el ángulo de refracción es de 90 grados, este ángulo se denomina ángulo límite. Para ángulos de incidencia superiores al ángulo límite, los rayos de luz se reflejan se reflejan en el primer medio y no pasan al segundo. Este fenómeno se denomina Reflexión Total.

Reflexión Total en un prisma con ayuda de un segundo

Podemos jugar con los prisma. Disponiéndolos en los ángulos adecuados, podemos observar de forma simultánea los procesos de Reflexión y Refracción entre dos prismas separados. En la imagen se puede observar como entre la zona de separación de los dos prismas, los rayos no están alineados. Entre ellos existe una clara diferencia debida al cambio de dirección del rayo luminoso producido por la Refracción.

Reflexiones y Refracciones entre dos prismas

Incluso, con la ayuda de un láser, un prisma y las leyes fundamentales de la Óptica podemos realizar algún truco de magia.

LENTE CONVERGENTE COMO SIMULACIÓN DEL CRISTALINO DEL OJO

Decir qué estructura dentro de un organismo vivo es más o menos importante carece un poco de sentido. La interconexión e interdependencia de las distintas estructuras dentro de un organismo hace que el funcionamiento erróneo de una de las partes influya en funcionamiento general del organismo. Sin embargo, el ojo es una de las estructuras biológicas que podría destacar dentro de un organismo al estar asociado al sentido con más peso específico: la visión.

Imagen: www.wikipedia.es

Dentro del ojo, el cristalino es una estructura con forma de lente biconvexa cuyo propósito principal consiste en permitir enfocar objetos situados a diferentes distancias. Este objetivo se consigue mediante un aumento o disminución funcional de su curvatura y de su espesor (Acomodación) mediante los músculos ciliares.

Partiendo de esa simplificación del ojo como lente convergente, podemos tratar de justificar desde un punto de vista físico cómo se forman las imágenes en nuestro ojo.

En general, las lentes se pueden clasificar en dos grandes grupos:

Lentes Convergentes: son más gruesas por el centro que por el borde y concentran (hacen converger) en un punto los rayos de luz que las atraviesan.

Lentes Divergentes: son más gruesas por los bordes que por el centro, hacen diverger (separan) los rayos de luz que pasan por ellas.

En nuestro caso, nos interesan las lentes convergentes que se clasifican en tres grandes grupos. Biconvexa que tiene dos superficies convexas, Plano convexa que tiene una superficie plana y otra convexa y Cóncavo convexa (o menisco convergente) que tienen una superficie ligeramente concava y otra convexa.

Imagen: fisicafacilpe.blogspot.com

Antes de ver cómo se forma la imagen en una lente, es importante conocer los elementos de la misma:

Centros de curvatura (C): son los centros geométricos de las superficies curvas que limitan el medio transparente.

Eje principal: es la línea imaginaria que une los centros de curvatura.

Centro óptico (O): es el punto de intersección de la lente con el eje principal.

Foco (F): es el punto del eje principal por dónde pasan los rayos refractados en la lente, que provienen de rayos paralelos al eje principal.

Distancia focal (f ): es la distancia entre el foco y el centro óptico.

¿Y cómo se forma la imagen?... Para ello, es necesario conocer cómo viajen los rayos de luz. En este sentido, para la construcción de imágenes se siguen las siguientes reglas:

- Todo rayo paralelo al eje principal, se refracta pasando por el foco (rayo 1, violeta).

- Todo rayo que pasa por el centro óptico, no se desvía (rayo 2, verde).
- Todo rayo que pasa por el foco, se refracta paralelo al eje principal (rayo 3, naranja).

Con todas estas ideas, podemos construir la imagen formada por una lente convergente. Las características de esta imagen dependerán del lugar que ocupe el objeto.

El objeto se encuentra más allá del foco. La imagen es real e invertida. Cuánto más cerca del foco se encuentre, mayor será el tamaño de la imagen formada.

El objeto se encuentra en el foco. La imagen está en el infinito.

El objeto se encuentra entre el foco y la lente. La imagen es virtual, derecha y más grande que el objeto.

Con ayuda de las ideas anteriores y de una lupa, que es una lente biconvexa, podemos simular cómo el cristalino es capaz de formar una imagen sobre la retina. La lupa hará las veces de cristalino y la pared las veces de retina. Como en esta simulación no tenemos sustituto para los músculos ciliares, la acomodación no podemos realizarla como lo haría el ojo. En nuestro caso es el objeto el que tiene que ser movido para conseguir una imagen nítida. Además, podemos comprobar cómo la imagen formada es invertida. Nuestro cerebro se encargará posteriormente de dar la vuelta a la imagen.

Por cierto, una cámara oscura puede ser un buen ejemplo de primera aproximación para conocer la formación de imágenes con la ayuda de un simple agujero pequeño.

BERNOUILLI EN EL TITANIC

Aunque les separan casi dos siglos de distancia, Daniel Bernouilli y el Titanic guardan una curiosa relación.

Antes de zarpar del puerto de Southampton, cuando el Titanic iba a iniciar su viaje inaugural, se produjo un incidente que podría haber cambiado radicalmente la triste historia que conocemos sobre este famoso barco de lujo de principios del siglo XX.

Imagen del incidente entre el Titanic y el New York
Imagen: www.mgytitanic.wordpress.com

Ese día, el Titanic pasó muy cerca del New York, que estaba atracado en el muelle junto al Oceanic, con las quillas de los dos barcos situadas en paralelo. El paso de Titanic atrajo hacía sí al New York, las sogas de amarre se rompieron y la popa de éste se dirigió hacia el Titanic. Solo la rápida actuación del práctico  del puerto encargado del Titanic, que invirtió la marcha de los motores, hizo posible que éste disminuyera su velocidad y permitiera el paso del New York, evitando así que los dos barcos comisionaran. La colisión no se produjo tan sólo por unos metros de distancia, y el Titanic tuvo que retrasar su salida algo más de una hora.

Es curioso que el capitán del Titanic, E. J. Smith, que vio desde el puente la peligrosa aproximación, fuera el capitán de uno de los hermanos gemelos del Titanic, el Olympic, cuando siete meses antes tuvo lugar un incidente parecido al del New York. En aquella ocasión, la colisión no pudo evitarse y el Hawke y el Olympic chocaron. La proa del Hawke resultó fuertemente dañada y el casco del Olympic sufrió importantes roturas por encima y por debajo de su línea de flotación.

Para entender por qué ocurrió este hecho, tenemos que recurrir a unos los principios más importantes de la Mecánica de Fluidos: el Principio de Bernoulli. Cuando un fluido se mueve por una región en la que su velocidad o su altura sobre la superficie de la Tierra se modifican, la presión en el fluido varía con estos cambios. En 1738, el físico suizo Daniel Bernoulli (1700-1782) obtuvo por primera vez una expresión que relacionaba la presión con la velocidad y la elevación de un fluido.

La ecuación de Bernoulli dice que la suma de la presión (primer término de la ecuación), de la energía cinética por unidad de volumen (segundo término de la ecuación) y de la energía potencial gravitatoria por unidad de volumen (tercer término de la ecuación) permanece constante para todos los puntos que se encuentran en la misma línea de flujo. Por ello, la variación de uno de los términos hace que los otros se modifiquen en la dirección de contrarrestar dicha variación.

Cuando un barco navega por el mar, aparta el agua hacia los lados de su trayectoria, y el agua se mueve alrededor de los costados del barco. Ahora imagina que un barco pasa cerca de otro y que , además, tienen sus quillas paralelas. El agua que se mueve alrededor del costado de uno de los barcos se ve forzada a pasar por un canal muy estrecho situado entre los dos barcos. Como el agua es incompresible, su volumen permanece constante cuando es forzada a pasar por ese canal. La tendencia inicial de este agua comprimida es elevarse hacia el aire situado entre los dos barcos, que ofrece una resistencia pequeña a la compresión. Tan pronto como se eleva el nivel del agua entre los dos barcos, el agua comienza a fluir en dirección paralela a las quillas hacia la zona donde el nivel del agua es menor, es decir, cerca de la proa y la popa de los barcos. Así, el agua situada entre los barcos se mueve a mayor velocidad que el agua en los lados opuestos. Según el principio de Bernoulli, este rápido movimiento del agua ejerce una presión menor en los costados de los barcos que el agua que se está moviendo más despacio alrededor de los lados exteriores. El resultado es una fuerza neta que hace que los barcos se acerquen como sucedió en el pequeño accidente del Titanic a la salida del puerto de Southampton.

Proa hundida del Titanic
Imagen: www.wikipedia.es

Como con muchas otras tragedias, uno no puede dejar de pensar en los ¿qué hubiera pasado?... ¿Qué hubiera pasado si no se hubiese producido el incidente con el New York y el Titanic no hubiera perdido esa hora en su salida del puerto de Southampton?.... ¿Hubiese aparecido el iceberg en su trayectoria?... ¿Qué hubiera pasado si el New York y el Titanic hubiesen chocado?... ¿Se hubiese suspendido el viaje inaugural y el fatídico desenlace no se hubiera producido?...

Por cierto, todos hemos sentido en alguna ocasión como nuestro coche parecía que iba a ser tragado por un camión que nos adelantaba. La razón es la misma que hemos visto con el Titanic y el New York. El aire a alta velocidad ejerce una presión menor en el lado de nuestro coche próximo al camión que en el otro lado. Esto produce la aparición de una fuerza neta que empuja nuestro coche hacia el camión y nosotros nos llevamos el consiguiente susto...

En el siguiente vídeo se muestran algunas aplicaciones de la dinámica de fluidos. Ecuación de Bernoulli, Efecto Venturi, Efecto Coanda,... Tienen una gran importancia para explicar los hechos del Titanic y del New York o la aerodinámica de los coches de Fórmula 1.

ENERGÍA. TRANSFERENCIA Y CONSERVACIÓN

La Energía es uno de los conceptos clave en el estudio físico de la Naturaleza. Al intentar definirla podemos decir que la Energía es la capacidad que tiene un sistema físico de producir cambios, en él o en otros sistema. De una forma más precisa diríamos que la Energía es la capacidad que tiene un sistema físico de producir trabajo. 

Todo el mundo conoce la Ley de la Conservación de la Energía:

"La energía total de Universo es constante. La Energía puede transformarse de una forma en otra o ser transmitida de una región a otra, pero la energía no puede ser creada o destruida."

En una versión más corta: "La Energía ni se crea ni se destruye, únicamente se transforma."

Sin embargo, hay hechos en la vida cotidiana que, a primera vista, parecen no cumplir la ley de la conservación de la energía. Pero solo lo parece... ¿Cuándo tomamos un alambre y lo doblamos arriba y abajo, dónde va el trabajo realizado?... ¿Cuándo lanzamos una bola de masilla al suelo, dónde va la energía cinética?... ¿Cuándo arrancamos a correr, cómo adquirimos energía cinética?...

Para aclarar estas preguntas, primero tenemos que ver qué es una Fuerza Conservativa y una no Conservativa. En una Fuerza Conservativa el trabajo total que realiza la fuerza sobre una partícula es cero si la trayectoria es cerrada y vuelve a su punto inicial. De aquí se deduce que este trabajo es independiente de la trayectoria seguida, solo depende del punto inicial y final.

Imagen: www.canalsnowboard.com

Veamos un ejemplo simplificado. Una esquiadora asciende por el telesilla hasta un punto para lanzarse por la pista. El trabajo realizado por la fuerza gravedad para subirle hasta ese punto es -m.g.h (ecuación simplificada de la energía potencial). Cuando la esquiadora se lanza por la pista, el trabajo realizado por la gravedad será +m.g.h. Por lo tanto, el trabajo realizado por la gravedad en subir y bajar a la esquiadora (es decir, volver al punto inicial en una trayectoria cerrada) es nulo. La fuerza de la gravedad será entonces una fuerza conservativa. Una Fuerza no Conservativa no cumple este principio y el trabajo será distinto de cero. Por cierto, ¿cómo pudo el esquiador que estaba el reposo subir hasta arriba?... ¿creó energía?... ¿de dónde la saco?... El telesilla se encargó de aportar esa energía realizando un trabajo de ascensión hasta el punto.

Si de una manera simplificada vemos al conjunto formado por el esquiador y la Tierra como un sistema de dos partículas. Cuando el telesilla, que no forma parte del sistema, sube al esquiador hasta el punto más alto de la pista, está realizando un trabajo (m.g.h) sobre el sistema esquiador-Tierra que se almacena en forma de energía potencial. Al descender, esta energía potencial se transforma en energía cinética asociada al movimiento. Pero, ¿dónde está eso que todos conocemos como rozamiento?... ¿cómo lo colocamos dentro del ejemplo del esquiador?... Volvamos a la idea de Fuerza no Conservativa y esas situaciones que parecen no cumplir la ley de la conservación de la energía

En el mundo macroscópico que vivimos está rodeado de fuerzas no conservativas que disminuyen la energía mecánica del sistema. Estas fuerzas no conservativas son las responsables de esa supuesta no conservación de la energía mecánica. Veamos algunos tipos:

Fuerza de Rozamiento Cinético. Aparecen siempre que se produce el desplazamiento de un cuerpo. Son las responsables de la disminución del la energía mecánica a costa de un incremento en la energía térmica. Todos hemos comprobado cómo se calientan los neumáticos tras un largo recorrido.

Fuerzas de Deformación. Cuando doblamos arriba y abajo el alambre, el trabajo que estamos realizando de deformación se acaba disipando en calor. Solo basta con tocar el alambre. Y lo mismo ocurre con la bola de masilla que dejamos caer al suelo. La bola de masilla se calienta como consecuencia de la deformación sufrida por el impacto.

Deformación de una pelota de golf
Imagen: www.cronicagolf.com

Fuerzas asociadas a las Reacciones Químicas. Cuando trabajamos con reacciones químicas, la suma de energía mecánica y térmica no se conserva. En el caso de una persona que empieza a correr desde el reposo, la energía química interna de sus músculos se transforma en energía cinética de todo el cuerpo y se produce también energía térmica (solo hay que pasar la mano por la frente). Ahora, el trío energía mecánica, energía térmica y energía química es el que se conserva.

Sin embargo, incluyendo las energía térmicas y químicas en el balance total del sistema pueden existir ocasiones que la energía total de mismo parece no conservarse. Esto ocurre cuando la energía del sistema puede cambiar por alguna forma de radiación como son las ondas sonoras o las electromagnéticas. Y así podríamos seguir con otras formas de transformaciones energéticas...

Que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma es cierto pero no es algo tan obvio como nos podría parecer al principio. Hay que fijarse muy bien en lo que está ocurriendo y tener un cierto conocimiento de la Naturaleza y de los procesos que ocurren en ella. Este vídeo puede echarnos una mano:

FARADAY EN MI ENCHUFE

Suponiendo que nuestro electrodoméstico y el enchufe se encuentran en perfecto estado, lo hemos observado en más de una ocasión. Sacamos el enchufe y salta una pequeña chispa. Este es un ejemplo cotidiano de electromagnetismo pero antes de explicarlo, hagamos un poco de historia.

Hans Christian Oersted.
Imagen: thefamouspeople.com

La relación entre electricidad y magnetismo empezó cuando en 1820 el físico danés Hans Christian Oersted (1777-1851)  situó una aguja magnética directamente debajo de un largo hilo conductor eléctrico dispuesto horizontalmente. El hilo tenía una orientación según la línea norte-sur magnética, de modo que la aguja magnética se alineaba paralelamente a él. Al conectarlo  a los terminales de una batería, la aguja imantada se desviaba en la dirección este-oeste, quedando perpendicular al hilo. Es decir, Oersted había puesto de manifiesto que una corriente eléctrica era capaz de producir un campo magnético como demostraba la desviación de la aguja de la brújula.

Michael Faraday.
Imagen: faradayclubaward.ord

Sin embargo, sería necesaria más de una década de investigación para poder observar y explicar lo contrario: un campo magnético es capaz de inducir una corriente eléctrica en un conductor. A principios de la década de 1830, Michael Faraday (1791-1867) en Inglaterra y Joseph Henry (1797-1878) en Norteamérica descubrieron independientemente esta relación (1). Ambos investigadores observaron que la variación temporal del flujo magnético debida a un campo magnético variable que atraviesa la superficie limitada por una espira conductora estacionaria (en reposo), induce en ésta una corriente. Las fuerzas electromotrices (fems) y las corrientes causada por los flujos magnéticos variables se denominan fems inducidas y corrientes inducidas. En sí mismo, el proceso se denomina inducción magnética. Faraday y Henry también descubrieron que en un campo magnético estático, variando el flujo que atraviesa una superficie encerrada por una espira en movimiento induce una fem en ésta. Una fem producida cuando un conductor se mueve en una región en la que existe campo magnético se denomina fem de movimiento.

Imagen: learning-out.com

A veces, al extraer la clavija del enchufe de un circuito eléctrico observamos la producción de una pequeña chispa. Antes de la desconexión, el cordón eléctrico transporta una corriente, que como sabemos genera un campo magnético alrededor de la misma. Al desconectar, la corriente cesa bruscamente y el campo magnético que la rodea se colapsa. El campo magnético variable produce una fem que tiende a mantener la corriente original que estaba circulando engendrando así una chispa a través del enchufe. Visto desde otro punto de vista, podemos seguir el razonamiento del físico germano Henrich Lenz (1804-1865). En su estudio de los fenómenos electromagnéticos enuncio la ley que lleva su nombre:

"El sentido de las corrientes o fuerza electromotriz inducida es tal que se opone siempre a la causa que la produce, o sea, a la variación del flujo".

Por lo tanto, al desconectar el enchufe se produce una variación del flujo magnético y para evitar esta variación del flujo se genera un campo magnético que la contrarreste. Como resultado de este nuevo campo magnético se produce una corriente eléctrica que es la responsable del chispazo que observamos. Una vez que el campo magnético se ha anulado y, por lo tanto, deja de ser variable, la fem inducida es cero.

Resumiendo: cada vez que vemos saltar es pequeña chispa, estamos observando el principio de conservación de la energía en acción aplicado al campo electromagnético.

Algunos vídeos relacionados con el electromagnetismo:

Un tren electromagnético

Ley de Faraday-Lenz

Motor sencillo: Ley de Faraday

Experiencia de Oersted

(1) Aunque ambos investigadores llegaron a la misma condición y Henry lo observó un año antes que Faraday, la prioridad del descubrimiento se le asigna a Faraday por dos motivos:

- Publicó sus resultados primero.

- Su estudio de la relación es mucho más profundo que el realizado por Henry.

Algo muy parecido ocurrió con Dimitri Mendeleiev y Lothar Meyer en el desarrollo de la Tabla Periódica de los Elementos Químicos.

FÍSICA Y QUÍMICA DE LA VISIÓN

En el estudio de la visión desde un punto de vista físico y químico hay que tener en cuenta dos elementos:

1. La visión desde el punto de vista físico podemos simplificarlo a una cámara oscura.

2. La visión desde el punto de vista química podemos simplificarlo hablando de dobles enlaces de carbono.

Física de la Visión

Posiblemente nunca se sabrá con precisión quién y cuándo descubrió la cámara oscura pero su presencia a lo largo de la historia de la humanidad es constante.

Fue en la antigua Grecia donde surgió la preocupación por encontrar una explicación del fenómeno lumínico. Esto condujo a los filósofos a observar los efectos de la luz en todas sus manifestaciones. Aristóteles sostuvo que los elementos que constituían la luz se trasladaban de los objetos al ojo del observador con un movimiento ondulatorio. Para comprobar su teoría, construyó la primera cámara oscura de la que se tiene noticia en la Historia, describiéndola de la siguiente manera: "Se hace pasar la luz a través de un pequeño agujero hecho en un cuarto cerrado por todos sus lados. En la pared opuesta al agujero, se formará la imagen de lo que se encuentre enfrente".

En la segunda mitad del siglo XV, se volvió a tener noticia de la cámara oscura a través de Leonardo da Vinci (1452-1519), quien redescubrió su funcionamiento y le adjudicó una utilidad práctica por lo que se le ha otorgado el crédito de su descubrimiento. El italiano Leonardo da Vinci y el alemán Alberto Durero (1471-1528) emplearon la cámara oscura para dibujar objetos que en ella se reflejaban. A partir de ese momento se utilizó como herramienta auxiliar del dibujo y la pintura, extendiéndose rápidamente en Europa.

En el siglo XVI un físico napolitano, Giovanni Battista Della Porta (1535-1615), antepuso al orificio una lente biconvexa (lupa) y con ella obtuvo mayor nitidez y luminosidad en la imagen. A partir de este avance varios científicos se dedicaron a perfeccionarla.

Finalmente, se le asigna a Johannes Kepler (1571-1630) el ser el primero en acuñar el término Cámara Oscura. 

Pero, ¿cómo "funciona" la cámara oscura?... Para explicarlo, partamos de la imagen inferior:

La luz que llega a un objeto, en este caso un árbol, se refleja y algunos de los haces de luz logran entrar a la cámara a través del pequeño orificio y llegar hasta el fondo que es la pantalla sobre la que se forma la imagen. La imagen se forma invertida debido a que la luz viaja en línea recta (también se invierten izquierda y derecha por la misma razón). Al observar la figura queda claro entonces la razón de la inversión de la imagen, y por tanto, también nos sirve para comprobar experimentalmente que la luz viaja en línea recta.

El agujero de la cámara debe de ser lo más pequeño posible para permitir la entrada pequeñito de unos pocos haces de luz, cuanto más grande sea el orificio más difusa será la imagen formada.

El ojo humano funciona como una cámara oscura también, probablemente hemos oído que las imágenes que vemos se forman invertidas en la retina. En el caso del ojo además del pequeño orificio, que es la pupila, existen otros elementos orgánicos como el cristalino y la córnea, cuya función es enfocar cualquier objeto, este cerca o lejos, en la retina.

En el siguiente vídeo podemos observar cómo funciona una cámara oscura:

Química de la Visión

Los átomos pueden unirse entre sí mediante enlaces sencillos, dobles o triples. La existencia de dobles enlaces entre átomos de carbono y su rigidez hace posible que leas esta entrada de blog. El proceso de la visión es muy complejo pero vamos a intentar simplificarlo al máximo.

Podemos decir, de una manera muy simplificada, que el ojo humano es una esfera con una abertura en la parte frontal. Por esta apertura penetra la luz hasta el fondo del ojo que está recubierto por unas células en forma de conos y bastoncillos. Cada ojo tiene 7 millones de conos que se encargan de detectar los colores y 120 millones de bastoncillos que se encargan de detectar la luz blanca. Las moléculas de la visión se encuentran en la superficie de conos y bastoncillos, siendo la rodopsina la que tiene un papel fundamental.

La rodopsina está formada por dos partes:

- Una proteína, denominada opsina.

- Un aldehido, denominado retinal.

La molécula de retinal puede adoptar dos formas isómeras denominadas cis y trans. Como isómeros que son, tienen la misma fórmula molecular y solo se diferencian en la distribución espacial de los sustituyentes del doble enlace situado en el carbono número 11. Cuando la rodopsina absorbe luz, el retinal se isomeriza a su forma trans, que tiene la propiedad de separarse de la opsina.

Cuando las dos partes de la rodopsina se separan, el color rojo púrpura de la rodopsina desaparece y esto hace que la célula a la que estaba unida la rodopsina excite a otras células que mandan un mensaje al cerebro. En condiciones normales es necesario que se exciten unas cinco células para provocar la sensación de visión. Por tanto, se necesitan 5 fotones para estimular el ojo.

Todo este proceso vuelve a su posición inicial a través de otro conjunto de reacciones. Pero el proceso inverso es algo más lento, y por ello, la imagen formada en la retina perdura una décima de segundo (aproximadamente). Esta persistencia de la imágenes es la que nos hace percibir en movimiento las imágenes del cine cuando en realidad no son más que una secuencia de fotografías estáticas tomas a intervalos de tiempo de un treintavo de segundo.

Durante la regeneración de la opsina se pierde parte de retinal que necesita ser reemplazado por vitamina A de la corriente sanguínea, que hace de ésta una sustancia clave de la salud visual.

CAYENDO RAYOS

Los rayos son uno de los fenómenos de la naturaleza más espectaculares que podemos observar con cierta facilidad y regularidad. Aunque en general solemos considerar que un rayo es una descarga eléctrica que se produce entre una nube y el suelo, la verdad es que puede producirse en cualquier situación en la que una gran carga eléctrica sobrepase el potencial de ruptura del aire. Estas situaciones pueden ser erupciones de un volcán y tormentas de arena o nieve (muy poco frecuentes pero que ocurren). Por otro lado, si nos fijamos en la típica tormenta con nubes, los rayos pueden producirse por descargas en varias situaciones: nube-nube, interior de una nube (las más comunes de todas), nube-aire o nube suelo.

Erupción en 2015 del volcán Calbuco en Chile (Fuente BBC Mundo)

Pero fijémonos en aquella situación que observamos de manera más frecuente: rayos producidos por descargas entre las nubes y el suelo.

La producción de un rayo tiene una duración muy corta. Por ello, lo que a nuestros ojos aparece como un único proceso es la combinación en realidad de varios procesos (descargas) que duran unas decenas de milisegundos. En general, estas descargas iniciales suelen ser tres o cuatro aunque en algunas tormentas se han llegado a medir hasta 26 descargas. La pregunta siguiente parece obvia, ¿cómo se produce cada una de esas descargas?...

Representación de la Descarga Guía

Una de estas descargas se produce cuando se alcanza el potencia de ruptura del aire cerca de una nube. Esto produce que una columna de carga negativa, denominada Descarga Guía, se mueva hacia el suelo una velocidad ligeramente superior a los 100 m/s. Esta primera descarga tiene forma de escalera porque el movimiento se produce a saltos discretos de 50 m aproximadamente y con un intervalo de tiempo de unos 50 ms entre salto y salto. ¿Por qué este proceso es discontinuo?... La culpa la tiene la variación de la densidad atmosférica que se produce por los electrones libres presentes en el aire. Esta descarga guía tiene una anchura de unos cuantos metros y su luminosidad es muy limitada (no es el rayo que nosotros estamos acostumbrados a ver).

Cuando el extremo de la descarga guía se acerca al suelo, puede provocar un segundo potencial de ruptura en el aire cerca del suelo (esto suele ocurrir en el extremos de un objeto con punta como mástiles, antenas o pararrayos). El resultado es que una columna con carga positiva se desplaza hacia arriba produciendo lo que se conoce como Descarga de Retorno. Las descargas guía y de retorno al encontrarse (entre 20 y 200 m del suelo) producen un cortocircuito y los electrones se desplazan entre la nube y el suelo con el extremo de transferencia de electrones moviéndose hacia arriba a velocidades próximas a la mitad de la velocidad del sonido (aproximadamente, la velocidad del sonido es 340 m/s). Este hecho provoca que una gran corriente de electrones se mueva en una región de unos pocos centímetros. Esta corriente eleva la temperatura del aire muy rápidamente y se ionizan los átomos presentes en la atmósfera (fundamentalmente nitrógeno y oxígeno). Como consecuencia se produce el resplandor que todos estamos acostumbrados a ver.

Producida la descarga, el canal abierto mantiene su conductividad durante unos milisegundos. Si la nube presenta más carga negativa puede producirse una nueva descarga, y con ella, un nuevo rayo. Como el canal está abierto, no se produce descarga guía. Muy al contrario, se mueve de forma rápida y continúa y recibe el nombre de Descarga Rápida. Con la descarga rápida vuelve a producirse todo el proceso descrito anteriormente.

Rayo producido en una tormenta (Fuente National Geographic en Español)

¿Y el trueno?... Cuando la corriente atraviesa el canal abierto, el aire se transforma en plasma (con temperaturas medias de 30000 K). Esto hace que aumente la presión de forma repentina y el plasma se expande también rápidamente. Esta expansión produce una onda de choque en el aire que lo rodea y ya tenemos el trueno que llega a nuestros oídos.

La Tierra, en general, es un buen conductor eléctrico. Si no existen fenómenos tormentosos y las condiciones meteorológicas son buenas y estables, podemos aproximar el valor del Campo Eléctrico sobre la superficie de la Tierra a unos 100 N/C. Este campo eléctrico está dirigido hacia abajo porque la carga en la superficie terrestre es negativa. La gran concentración de carga en la nube tormentosa es la responsable del intenso campo eléctrico que se genera entre la nube y el suelo y que lleva a la producción de los rayos. Este campo eléctrico puede alcanzar valores de hasta 25000 N/C durante la tormenta.

En la siguiente imagen se muestra la distribución de carga en una nube tormentosa.

(Fuente: Física. Serway-Jewett)

La nube tormentosa se aproxima a un tripolo. La carga positiva de la zona superior y la carga negativa de la zona central son aproximadamente iguales pero la carga positiva en la zona baja de la nube suele ser ligeramente inferior. ¿Y cómo se carga la nube?... Actualmente no se conoce bien el mecanismo que produce la carga de una nube y es un campo de investigación abierto y en continuo desarrollo.

Vista la distribución de carga existente entre la superficie de la Tierra (negativa) y la atmósfera (positiva), ¿podríamos hablar de un condensador planetario?... En una aproximación sencilla, podríamos responder afirmativamente a esta respuesta. La superficie de la Tierra sería una de las placas y el aire sería la otra. Dado que la carga en la atmósfera no se sitúa toda a la misma altura debemos hacer otra simplificación. En general, los modelos de la atmósfera toman una altura para esta placa atmosférica de 5 km sobre la superficie terrestre.

¿Y que capacidad tiene este macrocondensador terráqueo?... Como siempre, haciendo aproximaciones para simplificar los cálculos, podemos considerar que nuestro condensador terráqueo es de casi 1 Faradio. Puede parecer poco pero los condensadores utilizados en los circuitos eléctricos empleados en nuestros dispositivos más comunes tienen una capacidad que está en el orden de los microfaradios y los picofaradios.

En el siguiente vídeo podemos ver cómo simular rayos con la ayuda de una bola de plasma:

¿EXISTE O NO LA FUERZA CENTRÍFUGA?...

La Fuerza Centrífuga... Bonito jaleo. Tal vez es uno de esas confusiones que campan a sus anchas con un aroma a concepción aristotélica de la Naturaleza. O tal vez, no la explicamos bien en las aulas...

Cualquier persona con un conocimiento de Física nos dirá que la Fuerza Centrífuga NO existe. Luego, te montas en el coche y al tomar una curva a una cierta velocidad sientes como tu cuerpo se desplaza hacia el exterior de la curva... ¿La Fuerza Centrífuga?...

En los libros de texto ya no suele aparecer la Fuerza Centrífuga, y cuando aparece, lo hace como ejemplo de las llamadas Fuerzas Ficticias.

¿Por qué, al tomar la curva, mi cuerpo parece violar la Segunda Ley de Newton al acelerarse en una dirección en la que no existe una fuerza aplicada?... La respuesta es que el coche no es un sistema de referencia inercial y la Segunda Ley de Newton solo se cumple en sistemas de referencia inerciales.

La Fuerza Centrífuga es un ejemplo de Fuerza Ficticia. Una Fuerza Ficticia, Pseudofuerza o Inercial es una fuerza que requiere el espectador en un sistema de referencia no inercial con el fin de que la Segunda ley de Newton parezca válida en dicho sistema. Es decir, la Fuerza Centrífuga es algo que nos inventamos para cuadrar las cosas.

Según la Tercera Ley de Newton, todas las fuerzas actúan por parejas (Acción-Reacción). Un indicio de que una fuerza es ficticia es que su pareja no puede ser identificada. Un Fuerza Ficticia no es el resultado de la interacción entre dos cuerpos. En consecuencia, el miembro perdido de la pareja no existe.

Esta es una explicación formal de la Fuerza Centrífuga y su no existencia. Muy bien pero, ¿por qué siento que me desplazo hacia fuera cuando tomo una curva?... Otra forma de explicarlo.

Cuando vamos en un coche y  describimos una curva, se modifica la dirección del vector velocidad, y por tanto, aparece una aceleración asociada al cambio en el vector velocidad. Aunque tomemos la curva con velocidad constante, como cambia la dirección del vector velocidad aparecerá una aceleración. Esta aceleración recibe el nombre de Aceleración Centrípeta y su valor es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad e inversamente proporcional al radio de giro (la curva en nuestro caso). Si hay una Aceleración Centrípeta tiene que haber una Fuerza Centrípeta asociada a ella. Entonces, cuando montamos en un coche y se describe una curva, sobre nosotros actúa una Fuerza Centrípeta que es la que hace que sigamos la trayectoria curva y está dirigida hacia el centro de la misma.  

Y entonces, ¿a qué se llama Fuerza Centrífuga?... La llamada Fuerza Centrífuga es el efecto inercial de la Aceleración Centrípeta donde la inercia es la tendencia de los cuerpos a mantener su estado de reposo o movimiento uniforme.

Resumiendo: Al describir una curva montados en un coche, nos oponemos a que nuestra velocidad cambie, y eso es la llamada Fuerza Centrífuga. Pero NO es una fuerza, es la sensación a nuestra oposición al cambio.

NOTA: En mecánica newtoniana un sistema de referencia es no inercial cuando en él no se cumplen las leyes del movimiento descritas por Isaac Newton (1642-1727). Por ejemplo, dado un sistema de referencia inercial, un segundo sistema de referencia será no inercial cuando describa un movimiento acelerado respecto al primero. 

MATERIA Y ENERGÍA OSCURA

Fijémonos en este gráfico de la NASA para el Universo:

Si echamos una cuenta rápida, resulta que solo el 5% del Universo es observable. ¿Qué ocurre con el otro 95%?... Se lo reparten entre la Materia Oscura y la Energía Oscura. Parece que lo que nosotros consideramos como "normal" es no tan común en el Universo... Solo es el 5%. ¿Qué es eso que llamamos Materia Oscura y Energía Oscura?...

La Materia Oscura es uno de los grandes retos a los que se enfrenta la Ciencia. En general, se denomina Materia Oscura a la hipotética materia presente en el Universo y que no emite suficiente radiación electromagnética para ser detectada con los medios técnicos actuales. Entonces, ¿cómo podemos saber que "está ahí"?... Como en muchos otros estudios científicos, la presencia de la Materia Oscura se deduce de una manera indirecta: medimos los efectos gravitatorios que causa en la materia visible, tales como las estrellas o las galaxias, y que sí podemos medir.

Sección de la imagen de Hype Suprime-Cam, con líneas de contorno que muestran la distribución de la materia oscura

En general, como hemos indicado, todas las investigaciones coinciden en que la Materia Oscura altera el espacio y la interacción gravitatoria. Así, podemos observar sus efectos al mirar cuerpos celestes lejanos, como galaxias y eventos de elevada energía, gracias a las Lentes Gravitacionales. Una Lente Gravitacional se forma cuando la luz procedente de objetos distantes y brillantes como, por ejemplo un quasar, se curva alrededor de un objeto masivo situado entre el objeto emisor de la radiación y el receptor de la misma. La Materia Oscura, por ejemplo, forma estas lentes gravitacionales que nos permiten ponerla de manifiesto. 

Lentes Gravitacionales fuertes (curvatura) observadas por el telescopio Hubble en Abell 1689 por la presencia de materia oscura

¿Y la Energía Oscura?... ¿qué es?... Energía Oscura es otro de los grandes retos. Parece ser que es la responsable de que el Universo entero se expanda cada vez más deprisa. La energía oscura causa la expansión del Universo pues ejerce una presión negativa. La presión positiva se produce cuando un cuerpo empuja la pared del recipiente que lo contiene (es el caso de los fluidos que conocemos formados por materia "normal"). La presión negativa tendrá el efecto contrario: una sustancia con presión negativa provoca una presión hacia el interior del recipiente que lo contiene. La Relatividad General establece que la presión negativa de un cuerpo contribuye a su atracción gravitatoria sobre otros objetos de igual forma que lo hace su masa. Aunque nadie sabe aún prácticamente nada sobre ella, lo cierto es que hay algunas ideas muy asentadas en la comunidad científica:

1. No interacciona con nada, con ninguna fuerza fundamental ni con la materia, excepto con la gravedad.
2. Está presente en todo el universo de una forma muy homogénea.

Partiendo de la idea de que en realidad no sabemos qué es la Energía Oscura hay dos grandes supuestos sobre su evolución en el Universo:

1. Si sigue acelerando el universo podría llegar un punto en el que la aceleración creciera de tal manera que sobrepasara la fuerza de atracción gravitatoria y cualquier otra fuerza fundamental. Eso provocaría la aniquilación de los átomos y la destrucción del universo en un gran desgarro o Big Rip (dentro de unos 20.000 millones de años).

2. Existe la posibilidad de que se disipe o, incluso, se vuelva atractiva. En tal caso, al final de la historia del universo se produciría una superconcentración, un Big Crunch, en el que materia, espacio, tiempo, energía, se condensarían, permitiendo que todo, absolutamente todo, volviera a comenzar.

Como el profesor de la Universidad de Granada, don Antonio Bueno, comentó una vez, si el 95% del Universo no se conoce, ahí hay mucho trabajo para los estudiantes de Ciencias Físicas...

Imágenes:

www.observatori.valencia.edu

www.esa.int

EL BIG BANG Y LAS PARTÍCULAS FUNDAMENTALES

Radiación de fondo del Universo obtenida con el satélite Planck

El término Big Bang se queda corto para explicar qué ocurrió en el inicio del Universo. Como ya sabemos, el Big Bang fue ese singular suceso que inició la expansión del Universo y que se considera como una explosión de dimensiones inimaginables. Y es cierto el término inimaginable. 

Al principio, las cuatro fuerzas presentes en la Naturaleza (fuerte, electromagnética, débil y gravitatoria) estaban unidas en una única fuerza. La Ciencia ha ido consiguiendo desarrollar teorías que unifican las tres de las primeras fuerzas. Sin embargo, la teoría cuántica de la gravedad se resiste a la unificación y el problema es que es absolutamente necesaria para comprender las elevadas densidades de ese período inicial con una única fuerza presente. ¿En qué se traduce todo esto?... En que hasta unos 10^-43 s después del Big Bang, cuando la temperatura era todavía de 10³² K, no es posible describir lo que estaba pasando. Exacto, no sabemos qué ocurrió en ese breve lapso de tiempo. Se piensa que, en ese momento, la energía media de las partículas creadas sería de unos 10¹⁹ GeV. El Universo continuó enfriándose y las tres fuerzas distintas de la gravedad permanecieron unidas (como describen las Teorías de la Gran Unificación). Los quarks y los leptones eran indiscernibles y los números cuánticos de las partículas no se conservaban. Durante este momento se piensa que es cuando se produjo un exceso de quarks sobre los antiquarks, aproximadamente 1 por cada 10⁹, y así resultó el predominio de la materia sobre la antimateria que ahora observamos en el Universo. ¿Esa pequeña diferencia es la responsable de la existencia de materia en el Universo?... Pues parece que sí.

A los 10^-35 s, el Universo se había expandido lo suficiente para que la temperatura fuese de 10²⁷ K, en cuyo momento tuvo lugar otra transición de fase y la Fuerza Fuerte se separó del resto. Ahora, solo las Fuerza Débil y Electromagnética se encontraban unificadas en la llamada Fuerza Electrodébil. En este período, los quarks que estaban libres en una densa mezcla comenzaron a combinarse en hadrones y sus antipartículas, incluyendo los nucleones. A los 10^-6 s el Universo se había enfriado hasta 10¹³ K y los hadrones habían desaparecido en su mayor parte. Esta temperatura corresponde a la energía mínima necesaria para crear nucleones y antinucleones a partir de los fotones según las reacciones:

γ →  p+   +    p-                        γ →  n+   +   n- 

Llegados a este punto es importante darse cuenta de los tiempos y temperaturas que estamos manejando... Todavía no ha transcurrido ni un segundo desde el Big Bang y la temperatura es de un 1 seguido por 13 ceros... Pero sigamos... 

Los pares partícula-antipartícula se aniquilaron y no hubo nueva producción que los reemplazara. Solo el ligero exceso previo de quarks sobre antiquarks dio lugar a un ligero exceso de protones y neutrones sobre sus antipartículas. Las aniquilaciones dieron lugar a fotones y leptones y, después de un tiempo de 0,0001 s, estas partículas en números aproximadamente iguales dominaron el universo. Fue la Era de los Leptones.

Cuando el tiempo transcurrido fue de 10 s tras la explosión, la temperatura había descendido hasta los 10¹⁰ K. La expansión y el enfriamiento posterior hicieron que la energía media de los fotones fuera inferior a la necesaria para formar un par electrón-positrón. La aniquilación eliminó todos los positrones, como había ocurrido anteriormente con los antiprotones y antineutrones, dejando solo el pequeño exceso de electrones resultante de la conservación de la carga, y comenzó la Era de la Radiación. ¿Cuáles eran las partículas dominantes ahora?... Fotones y Neutrinos. 

Al cabo de unos pocos minutos, la temperatura disminuyó lo suficiente para que protones y neutrones formasen núcleos que no se fotodesintegraran inmediatamente. En este período de nucleosíntesisis se formaron los núcleos ligeros de deuterio, helio y litio, pero la expansión rápida hizo que la temperatura fuese ya demasiado baja para que la fusión continuase. La formación de elementos más pesados tendría que esperar al nacimiento de las estrellas.

Cuando la temperatura descendió a unos 3000 K y el tamaño del Universo era aproximadamente 1/1000 del actual, la energía disminuyó por debajo de los valores típicos de la ionización atómica y se formaron los átomos. Por entonces, la radiación había desplazado hacia el rojo el campo de radiación, de modo que la energía de radiación total era aproximadamente igual a la energía representada por la masa restante. La expansión y el enfriamiento continuaron y la energía de la radiación siguió desplazándose uniformemente hacia el rojo hasta producirse el dominio de la materia en el Universo. Ese "dominio" de la masa en el Universo hace referencia únicamente al 5% del mismo. El otro 95% del mismo hace referencia a la Materia Oscura (20%) y a la Energía Oscura (75%).

FÍSICA DE PARTÍCULAS

En la Teoría Atómica de la Materia propuesta por John Dalton en un lejano 1808, el átomo era la partícula elemental. En 1897, J. J. Thomson descubre el electrón. En 1913, llegó la Teoria de Bohr para el átomo nuclear. En 1932, se descubre el neutrón. Todo esto empezó a dejar claro que había mucho más de lo que pensaba John Dalton en la estructura del átomo. En 1932 se descubría el positrón y el antielectrón y poco después se predecían y descubrían más partículas: el Muón, el Pión,... El frasco de las partículas estaba abierto.

A partir de 1950, se dispara la inversión en investigación de Física de Partículas y los resultados no tardan en llegar. Más y más partículas nuevas son detectadas. ¿Son todas fundamentales?... La Ciencia no lo cree. Surgen nuevas Teorías y más experimentos. Los resultados siguen llegando. Además de las propiedades más comunes como la masa, la carga o el espín, se han descubierto nuevas propiedades con nombres tan caprichosos (¿o frikis?) como extrañeza, encanto, color, fondo,... Todo esto y muchísimo más es la Física de Partículas. Muchas de las personas que trabajan en este campo se plantean una nueva cuestión: ¿Tiene sentido que existan tantas partículas elementales en la Naturaleza?... ¿Será cuestión de "mirar" empleando más energía?...

¿Qué es eso que llamamos Física de Partículas?... La Física de las Partículas Elementales estudia las propiedades de los constituyentes básicos del Universo y de las fuerzas e interacciones que los rigen.

Detección del Bosón de Higgs en el CERN

Las partículas fundamentales se dividen en dos grandes grupos: Bosones y Fermiones.

Los Bosones son partículas de espín entero (0, 1, 2...), que son las responsables de transmitir las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Los Bosones no cumplen el Principio de Exclusión de Pauli, por lo que dos partículas pueden ocupar el mismo estado cuántico. Los Bosones son cuatro: Fotón (responsable de la interacción electromagnética) , Bosón Z (responsable de la interacción débil), Bosón W (responsable de la interacción débil) y Gluón (responsable de la interacción fuerte).

¿Y el famoso Bosón de Higgs?... Como es un Bosón, tiene espín entero (cero en su caso), no posee carga eléctrica y no interacciona con el Fotón ni con el Gluón. Sin embargo interacciona con todas las partículas que poseen masa: Quarks, Leptones cargados y los Bosones W y Z de la interacción débil.

Los Fermiones son partículas con espín fraccionario (1/2, 3/2,...) y que sí están sujetos al Principio de Exclusión de Pauli, es decir, que dos partículas no pueden estar en un mismo estado cuántico en el mismo momento. Los Fermiones, a diferencia de los Bosones, no son todos partículas elementales. Por ejemplo, los protones y neutrones son Fermiones pero están compuestos de Quarks (que sí se consideran elementales). Los Fermiones se dividen en Quarks y Leptones. Los Leptones pueden existir aislados mientras que los Quarks se encuentran siempre con otros Quarks. 

En el siguiente cuadro se muestra un resumen de las Partículas Fundamentales:

Dentro del estudio de la Física de Partículas, otra familia importante son los Hadrones. Estas `partículas están compuestas de partículas elementales (Quark, antiQuark y Gluón). En estas partículas predomina la Interacción Fuerte aunque también se encuentran presentes la Interacción Débil y Electromagnética. Los Hadrones se dividen en Bariones y Mesones. 

Los Bariones contienen tres Quarks, Gluones y antiQuarks. Los Bariones más conocidos son los Nucleones (Protones y Neutrones).

Los Mesones contienen un Quark, un antiQuark y el Gluón que los une. Todos los Mesones son inestables. Algún ejemplos son el Pión y el Kaón.

Por último, es importante indicar que  todas estas partículas tienen su correspondiente antipartícula. También hay que destacar que una antipartícula no se identifica solamente sobre la base de la carga opuesta. Incluso las partículas neutras tienen antipartícula, la cual se define en función de otras propiedades, tales como el espín.

¿Hay conexión entre la Física de Partículas y el Universo?... Por un lado, la Física de Partículas se encarga de lo extremadamente pequeño, y por otro, la Cosmología se encarga la historia cósmica intentando acercarse cada vez más al primer instante del Big Bang. Y ese primer instante es el elemento de conexión: Comprender qué ocurre cuando dos partículas colisionan en un acelerador nos dará la clave para entender qué ocurrió de los primeros instantes de nuestra historia cósmica.

NOTAS:

Principio de Exclusión de Pauli: No puede haber dos fermiones con todos sus números cuánticos idénticos (el mismo estado cuántico de partícula individual) en el mismo sistema cuántico ligado.

Estado Cuántico: estado físico que en un momento dado tiene un sistema físico en el marco de la Mecánica Cuántica.

Información:

http://home.cern/

"Física para la Ciencia y la Tecnología". Tipler - Mosca. Editorial Reverté. Volumen 2.

Imágenes:

http://www.unr.edu.ar