Carneval de física-Física general

(contribución a IX CARNAVAL DE FÍSICA de EXPERIENTIA DOCET)


Como un insulso joven fanático de la comprensión y ésta la ciencia más básica, es realmente poco lo que puedo ofrecer; mas mantengo la esperanza de que le sirva de algo a alguien, aun que sea para que aumente el desorden del universo.
Desde el punto de vista positivista, ésta bella ciencia trata solo de modelar mediante la matemática y de la manera más precisa  posible los fenómenos que observamos en la naturaleza. Es el poder de predecir cuantitativa mente; no es magia, es física.
Mencionaré un par fenómenos triviales, cotidianos y de los que la gran mayoría de nosotros somos testigos sin siquiera imaginar la belleza que existe en la explicación que nos ofrece la física.

1.- De abanicos y el calor. El calor, como muchos saben, es la energía cinética de las partículas que componen la materia, en éste caso, el aire que nos rodea.¿A quíen el calor no le ha hecho vociferar palabras antisonantes? y ha recurrido a soplarse con un abanico o a un ventilador; lo hacen porque su sentido de temperatura les dice que ello causa un estado menos desagradable de temperatura corporal, pero, ¿Cómo funciona eso? Quizá en algún momento de esos se les haya atravesado la duda ¿Porqué si el aire que me arroja el abanico es el mismo que me rodea, lo siento menos caliente? y más aun ¿Si el calor del aire es la energía cinética de las moléculas del aire, el aire acelerado (con mayor energía cinética) del abanico lo siento menos caliente? Comenzaré con eso de la transmisión del calor. Imagina que metes a tu refrigerador un martillo de esos clásicos de cabeza metálica y mango de madera, lo dejas ahí un par de horas, lo sacas, cuando lo tomas ¿Qué está menos caliente, el mango de madera o la cabeza?...Ninguno, ambos están a la misma temperatura. todos sentimos menos caliente el mango, pero esto es solo porque el contacto madera-piél es un peor conductor de calor que el contacto metál-piél, esto se refleja en que cuando tomamos el martillo de la cabeza, éste nos arrebata el calor mucho más rápido que cuando lo tomamos del mango. Todo esto nos deja como lección que lo que sentimos no es precisamente la temperatura. Ahora el aire, todos los fluidos, en general obedecen el principio de Bernoulli y una de sus consecuencias es que la velocidad de éste tiene efectos en su presión, además, la ley general de los gases relaciona directamente a la presión con la temperatura; por simple lógica deducimos: la velocidad del aire afecta a su temperatura. Ok, pero porque?  primero, cuando la velocidad del fluido es paralelo a la superficie en cuestión, la presión se ve disminuida; y lo análogo sucede cuando es perpendicular, porque la inercia de cada partícula la fuerza a empujar (transmitir un impulso) a la superficie. Cuando un gas está sometido a una presión, sus partículas están limitadas en movimiento, están confinadas a un cierto volumen, cuando aumenta la presión, éste volumen se reduce, haciendo que las partículas gasten energía cinética al transmitir mucho mas impulso contra la superficie que le reduce el volumen, reduciendo así su calor. Pues sabiendo ya todo esto, es muy fácil imaginarse como es que el abanico logra su objetivo. Acelera las partículas haciéndolas chocar contra ti, aumenta su presión, reducen su temperatura, y ocurre lo inevitable: el calor fluye del cuerpo con mayor temperatura al de menor temperatura.
            

2.- De peonzas, motocicletas y la Tierra. Seguro has jugado con un trompo en tu vida o te has montado en una motocicleta ¿Te has preguntado porque no caen?¿Cuál es el secreto de su misteriosa estabilidad? El secreto se llama efecto giroscópico, y es el responsable de la estabilidad de todos los cuerpos con masa que giran incluyendo a la Tierra misma; limitando (dependiendo que tan rápido gire) la desviación de la orientación de su eje de giro en el espacio. ¿Como es que el estado de rotación le impide o limita a un cuerpo que cambie la orientación de su eje de giro? Realmente no lo elimina ni lo limita, solo lo acota, lo confina a un movimiento cíclico de tal suerte que el movimiento del eje de giro traza un cono (a veces doble) en el espacio, este movimiento se llama precesión, de hecho el cono que traza no tiene un radio fijo, y esto es muy fácil de notarlo en los trompos, presenta otro movimiento cíclico llamado nutación. Hasta aquí ya tenemos nombres y descripciones, vayamos a la explicación de como funciona. Recurramos de nuevo a nuestra imaginación: imagina un aro girando, como una rueda de bicicleta, ahora enfócate en  una pequeña sección de la rueda, digamos que la pintas de otro color solo para que no la pierdas de vista; imagina que esta girando libremente en el espacio sin campos gravitacionales ni ninguna perturbación, en este momento no hay nutación ni precesión; puedes visualizar fácilmente una flecha (el vector velocidad) junto al segmento, perpendicular al radio y apuntando en dirección del movimiento, como es una masa con una velocidad podemos transformar ese vector velocidad en uno de momento (M=v*m); hasta ahora todo felíz y tranquilo, de repente, saliendo de la oscuridad una roca espacial golpea la rueda justo en el segmento que estamos vigilando y en la misma orientación del eje de giro, esta roca transmite un impulso llamado P (P=F*t) al segmento en cuestión y Newton nos dice que el impuso es equivalente al momento, así que esa entrometida roca cambió el estado del momento de nuestro segmento de rueda, este nuevo momento se obtiene sumando vectorialmente ambos vectores (P y M) dando como resultado un momento mas grande y desviado apuntando ligeramente hacia la dirección en que
se movía la roca; pero este incidente no afecta solo al segmento, sino a toda la rueda tratando de desviar en la misma dirección también al eje de giro y es aquí cuando interviene el efecto giroscópico salvándonos del pánico: digamos que la rueda esta girando en el sentido de las manecillas, que esta posicionado de modo que podría estar descansando sobre tu pantalla y que la roca espacial vino desde atrás de la pantalla en dirección perpendicular a la rueda, entonces el nuevo momento del trosillo de rueda ya no estaría paralelo o cooplanar a tu pantalla sino que saltaria un poco apuntando hacia el espacio de tras tuyo. Digamos que en el instante del impacto el segmento pintado estaba en el lugar del 3 del reloj, el cambio de momento entonces arrastraria a toda la estructura rigida de la rueda a inclinarse haciendo que el eje que antes apuntaba hacia ti ahora apunta un poco hacia arriba pero recuerda que la roca quiso desviarlo hacia el 9 y que sigue girando y no menos importante, que la rueda esta constituida por la masa inercial de todos los demás segmentos sin pintar también, todos los momentos entonces fuerzan al eje de giro a desviarse hacia una dirección perpendicular al radio que los une provocando un eterno cambio de orientación de éste que genera el movimiento de precesión que no le permite seguir la dirección a la que la roca espacial le habia implusado inicialmente a seguir, logrando así la estabilidad.