Archivo de la categoría: Física

¿Cómo se forma un agujero negro? ¿Podría el acelerador de partículas producir uno?

Gonzalo Hernández rescata del baúl de los recuerdos una duda que en su día preocupó a más de uno: ¿Podría producir un agujero negro el LHC, el acelerador de partículas más grande del mundo?

Así que vamos a ver primero en qué condiciones se forman los agujeros negros para ver si podría aparecer uno en el interior de nuestros aparatos más sofisticados.

Los agujeros negros aparecen del colapso final de estrellas que tienen, al menos, 20 veces la masa de nuestro propio sol. Pero, para ver cómo ocurre esto, tenemos que saber primero por qué brillan las estrellas.

El centro de una estrella es una explosión termonuclear constante. En todo momento, parejas de moléculas de hidrógeno se están fusionando entre sí para convertirse en helio, un elemento más pesado. La reacción libera una cantidad tremenda de energía… Bueno, la energía resultada es de tal magnitud que en la Tierra usamos la reacción para construir bombas H, las armas más devastadoras jamás creadas. En el siguiente vídeo, a partir del minuto 1:15, podemos ver un ejemplo.

O sea, que en el núcleo de una estrella se genera de manera constante una onda expansiva termonuclear descomunal.

Eh, eh, entonces, ¿Cómo puede una estrella tener forma de esfera si algo dentro está explotando? ¿No debería salir despedida en todas direcciones?
Seguir leyendo ¿Cómo se forma un agujero negro? ¿Podría el acelerador de partículas producir uno?

Respuestas III: ¿Se puede encender fuego usando sólo hielo?

Mario García Monterde (soltero, 23 años) pregunta si puede hacerse fuego con hielo, dándole forma de lente y usándolo como una lupa. Dice que lo vio en una película sobre osos asesinos.
Descompongamos el problema.
Objetivo: curvar los rayos solares para concentrarlos en un punto.

Problemas: 

Número 1. Debido a impurezas o aire disuelto, el hielo no se congela de manera uniforme. Cualquier imperfección o burbuja de aire en su interior va a desviar la luz en una dirección que no nos conviene.



Número 2. Hay que tener en cuenta que no todos los materiales transparentes desvían la luz en la misma medida. La magnitud que define esta propiedad se llama coeficiente de difracción, y determina el ángulo con el que rebota la luz que entra en la lente. Por ejemplo, el cristal tiene un coeficiente de entre 1.5 y 1.9, el diamante de 2.43, pero el hielo de sólo 1.32. Esto significa que le cuesta mucho desviar la luz, y que una lente de hielo de medidas similares a una de cristal se comportaría más o menos así:


Solución:

En primer lugar, procurar que el hielo tenga las mínimas imperfecciones posibles, lo que no es muy difícil si tienes un congelador, paciencia y una botella de agua.
En segundo lugar, para compensar el bajo coeficiente de difracción del hielo, aumentamos la curvatura de la lente

Vale, pero veo un problema- dijo Mario-, ¿la luz que pasa por la lente no va a fundir el hielo?

Nnnnno.
Cuando te dejas el coche al sol en pleno agosto (febrero, para los lectores del hemisferio sur) y tocas la carrocería de metal, puedes notar que la radiación solar le ha estado transmitiendo energía porque va a estar al rojo vivo. Básicamente, la luz impacta contra tu coche y, como no puede seguir su camino, le transfiere toda su energía en forma de calor. Y esto multiplicado por miles de millones de millones de fotones cada milésima de segundo.
En la misma situación del coche on fire, si te fijas, los cristales apenas están calientes. Al tratarse de un material transparente, la luz  lo atraviesa en lugar de chocar contra él, por lo que no transfiere energía al cristal y sigue su camino hasta llegar a la siguiente superficie opaca, que seguramente será tu volante o el lateral de la puerta donde te da por apoyar el brazo mientras conduces.
Es decir, que el hielo no se fundirá mientras el aire de su alrededor esté suficientemente frío como para mantenerlo congelado.
¿Puedes probar que todo esto es verdad y no te lo estás inventando?
Hay muchos ejemplos en internet de gente que ha probado esto y funciona, desde artículos en páginas de supervivencia  hasta vídeos en los que muestran el proceso y su resultado.
Aunque, de todas maneras, hay un atajo para para vagos: hacer fuego directamente desde el agua aprovechando la reactividad del sodio. Si tenemos por ahí algún trozo de sodio puro, a lo mejor podemos ahorrarnos la aburrida espera mientras el agua se congela.

Este método es rápido y efectivo, siempre y cuando estemos dispuestos a perder un brazo en el intento. Así que, Mario, suelta ese sodio y cómprate un mechero.

El camarón pistola o “Mantis Shrimp”

¿Quién pega los puñetazos más fuertes del mundo? ¿Mike Tyson? ¿Ronnie Coleman? ¿Jackie Chan? Pues no, los reparte esta gamba.

“Thu EnViidiiah alim3ntah m3 fOrtalezz4

¿Qué me estás contando? ¿Con qué puños? Bueno, proporcionalmente, claro. El camarón pistola es un crustáceo que pertenece a la familia de los estomatopodos (literalmente, “patas en el estómago”) que habita la gran barrea de coral, en Australia. Los buceadores los llaman algo por el estilo de “los rompepulgares” porque, además de ser muy agresivos y estar como cabras, la naturaleza los ha dotado de una fuerza desproporcionada.

El camarón pistola es capaz de romper desde caparazones de moluscos a cristales de pecera en la que estén contenidos. ¿Pero de dónde saca una gamba esa fuerza? El camarón aprovecha un fenómeno llamado cavitación, algo que en el mundo de la ingeniería naval intenta evitarse a toda costa. Consiste en lo siguiente Cuando algo se mueve muy rápido por el agua genera zonas de presión cambiante muy dispares que, técnicamente, forman miles de “burbujas” que implosionan sobre la superficie que está aplicando la fuerza sobre el agua. Exposiciones prolongadas a este fenómeno pueden tener consecuencias poco deseables…

Hélice de barco con desgaste por cavitación. Crédito: Eric Axdahl.

… MUY poco deseables.

Bomba centrífuga desgastada por cavitación. Crédito: Jean-Jacques Milan.

El arma secreta del camarón pistola, capaz de producir un efecto similar a pequeña escala, se encuentra en su abdomen: un brazo retráctil que actúa como un martillo y que carga como si fuera un muelle para acumular energía.

Crédito: jet.biologists.org.

La rodilla del apéndice de este animal, que en el dibujo corresponde a las “piezas” c y v, pliega con fuerza el mazo y lo deja en posición flexionada. Cuando al camarón se le va la olla y considera necesario agredir algo, desplaza la pieza v como si fuera un gatillo y libera la tensión acumulada, soltando su mazo con una aceleración de hasta 10.400 g.

¿Cómo que “g”? ¿Gramos?

No.

Un g (leído tal cual, “ge”) equivale a la fuerza con la que la gravedad de la Tierra tira de un objeto cualquiera, que son casi 10 metros por segundo cada segundo. En un coche acelera de 0 a 100 en tres o cuatro segundos, por ejemplo, el conductor experimenta una fuerza que le tira hacia atrás de 4 g o, lo que es lo mismo: cuatro veces su peso empujándole en dirección contraria. Los pilotos de caza soportan unos 9 g, lo que a la mayoría del resto de humanos nos dejaría inconscientes.

La muerte se produce, de media, a unos 25 g, aunque en 1945 un tal John Stapp demostró que, con el entrenamiento progresivo adecuado, puede superarse ese límite, llegando hasta los 46.2 g. Pero nuestro récord como especie no se acerca ni de lejos a los 10.400 g que produce el camarón mantis.

Con esa fuerza, moviendo el apéndice a 23 m/s, la fuerza del impacto es tan grande que genera burbujas de cavitación sobre la superficie de su presa, lo que amplifica el efecto del golpe. Si a todo esto le sumamos que el animal está realmente loco, obtenemos una máquina de matar a la que tanto le da atacar a peces globo, como romper caparazones de almeja o matar pulpos inocentes. Para rematarlo, sus globos oculares son tan sensibles que pueden ver en la franja infrarroja y ultravioleta. Además, las garras retráctiles le permiten esconderse en agujeros y atrapar peces que pasan cerca desprevenidos.

Ah, y cada ojo tiene tres pupilas.

Fuente: el bucle infinito de “tumblrs” imposible de seguir. Que alguien cierre tumblr ya.

¿Son peligrosas las tormentas solares?

Según la NASA, últimamente el sol está haciendo cosas que no se esperaban. Pero no compremos aún el kit de supervivencia. Calma.Se habla mucho de llamaradas solares que podrían desatar una tormenta geomagnética que devolvería a nuestra sociedad al siglo XVIII pero, ¿alguien se digna a decirnos qué son y si deberíamos preocuparnos?

Estos titulares no venden.

En primer lugar, el sol es una explosión termonuclear constante de un millón y medio de kilómetros de diámetro que representa el 99.86% de la masa de todo el sistema solar. No debería extrañarnos que, de tanto en tanto, haga cosas raras. De hecho, lleva haciendo cosas raras desde hace millones de años, con una media de un suceso perjudicial para nuestros sistemas eléctricos cada 500 años, según se puede deducir de los registros dejados por las tormentas geomagnéticas en las capas más profundas del hielo antártico. Pero, claro, de eso no teníamos que preocuparnos hasta hace poco.
Seguir leyendo ¿Son peligrosas las tormentas solares?

Especial Física (I)

Después de los especiales sobre química I y II, toca cambiar de campo. Los más tiquismiquis (los fisicos) argumentarán que desde el principio he titulado mal las entradas, porque la química no es más que física a nivel subatómico, pero me da igual porque su disciplina es matemáticas aplicadas.
Así que, LETS GO.
En primer lugar, ¿qué pasa cuando dejamos caer un muelle completamente estirado desde una altura cualquiera? El siguiente gif nos lo muestra, pasándolo a cámara lenta para verlo mejor.
Fuente: 1veritasium.
A efectos prácticos, podríamos decir que esto es magia y olvidarnos del tema.
Pero estamos aquí para explicar las cosas, y eso es una putada.

Todo muelle tiene una constante elástica, que no es más que la “fuerza” con la que es capaz de contraerse una vez estirado. Para hacernos una idea de esta constante, si sujetamos el muelle en el aire, éste se alargará más o menos por su propio peso, dependiendo de la capacidad que tenga de recuperar su forma inicial. Un muelle muy fuerte, como el de la suspensión de un coche, ni siquiera se alargará por su propio peso.
En el caso del gif, en el que usan uno de esos juguetes que bajaban por la escalera, el muelle se alarga hasta una posición de equilibrio, y es ahí donde empieza el percal.

Muelle sujeto por un sistema de hilos, porque dibujar 
una mano en una posición compleja con el Paint es exasperante.

En el estado 1, la vida es perfecta. Estamos aguantando el muelle y el peso, transmitido hasta la base, está compensado por la fuerza elástica que tira de la masa hacia arriba.
Pero, al soltar el muelle, en el estado 2, el extremo que teníamos sujeto se vuelve loco porque, de repente, ya no hay una mano que compense la tensión que estaba experimentando. Sin manera de contrarrestar esta fuerza hacia abajo, el extremo superior del muelle empieza a caer.
A la base del muelle todo esto se la trae floja (estado 3). Sigue notando una tensión que le tira de arriba, igual al peso que la intenta arrastrar hacia abajo, así que ni se inmuta. 
Cuando, al fin, en el estado 4, el extremo que está comprimiéndose alcanza la base, todo el tinglado se viene abajo. Pero no cae a causa del impacto o por la velocidad que ha alcanzado la sección contraída, si no porque, una vez comprimido, el muelle ya no es capaz de ejercer fuerza. Como no hay ninguna tensión vertical hacia arriba que compense el peso, la gravedad toma el control de todo el sistema y lo arrastra hacia abajo.
OTRO.
En el siguiente gif podemos ver una bala desmenuzándose contra un muro de hormigón, casi comportándose como un líquido más que como un sólido. La imagen está grabada a 1.000.000 de fotogramas por segundo.

Crédito: Werner Mehl. www.kurzzeit.com

Lo primero en lo que deberíamos fijarnos es cómo la bala va rotando sobre su eje a medida que se acerca al muro. Los cañones de las armas de fuego tienen unos pequeños surcos en su interior que fuerzan la rotación de la bala, porque eso le da mucha más estabilidad a la trayectoria.

Pero eso ya lo sabías gracias a las películas de 
James Bond, ¿O no? Sí, representa la perspectiva desde
el interior de un cañón.

Y, luego, lo obvio, que una bala a altas velocidades se comporta como un trozo de mantequilla al chocar contra algo más duro que ella.
Tampoco es algo muy difícil, teniendo en cuenta lo blando que es el material del que están hechas, el plomo, en comparación con otros metales. 
Los materiales duros, al impactar contra alguna cosa o romperse, tienden a resquebrajarse por las zonas más débiles y separarse en trozos mayores que salen o no volando, dependiendo de la fuerza aplicada, y ahí termina la historia. 
Un material tan blando como el plomo se comporta más como plastelina: en vez de fragmentarse, se deforma indefinidamente hasta que queda irreconocible.
El curioso que, pese a que la bala se “pela” hacia afuera a medida que choca contra la pared de hormigón, la parte trasera impacta sin apenas deformarse. Esto pasa por tres cosas:
1- La deformación del resto de la bala ha absorbido parte de la energía del impacto, por lo que no pega tan fuerte.
2- Mientras que la punta impacta directamente contra el muro, la parte trasera golpea los restos que aún no se han apartado de la trayectoria, más blandos, de la bala que sigue desintegrándose.

3- La superficie de contacto de la parte posterior es mayor, con lo que la fuerza del impacto se distribuye.

Y, nada, ya vamos por el último.

Haciendo pasar corriente eléctrica altera a través de una bobina de cobre, podemos generar un campo magnético. Y es entonces cuando podemos meter algún trozo de metal para ver cosas interesantes, como esta.

El efecto producido por la bobina es similar al de los imanes: el campo magnético generado alinea y retiene los átomos del metal en una dirección, más o menos siguiendo el patrón que muestra esta figura.

Fuente: hamradioschool.com
Al colocar en medio el cilindro metálico, el campo magnético actúa como una especie de flujo ascendente que empuja todas las partículas del objeto hacia arriba, contrarrestando el efecto de la gravedad, que tira hacia abajo.
Ya, pero si para levitar tengo que prenderme fuego, creo que paso.

Un objeto no tiene por qué calentarse al meterlo en un campo magnético. De hecho, la Tierra está generando un campo magnético a tu alrededor y tu pelo no está en llamas. También es verdad que el campo magnético terrestre es relativamente débil.
De todas maneras, lo que ocurre aquí es que los campos magnéticos, además de tener la capacidad de  calentar cosas, también pueden generar electricidad en el interior del objeto que está sometido a ellos
Los electrones de los átomos que componen el material empezarán a moverse, intentando seguir la dirección del campo magnético. Como vimos en la entrada sobre rayos, “electrones moviéndose” es un sinónimo de “corriente eléctrica”, y las corrientes eléctricas tienden a generar mucho calor a medida que pierden energía al moverse a través de un material que no sea muy buen conductor de la electricidad. 
Sometido a un campo magnético suficientemente potente, como el del gif, los electrones del metal se mueven de manera suficientemente caótica y rápida como para generar una fuerte corriente eléctrica, que a su vez calienta muchísimo el material. Además, el material caliente es aún peor conductor de la electricidad, por lo que se genera incluso una mayor cantidad de calor hasta que al señor al cargo del experimento le da por apagar el aparato y, sin nada que lo sostenga en el aire, el cilindro cae y se chafa contra la mesa, enfriándose rápidamente en forma de diarrea metálica.
Y esto es todo por hoy.
Por cierto, después de que algunos visitantes regulares de la página me comentaran que no podían dejar comentarios en las entradas sin hacerse una cuenta de Blogger, he trasteado con la configuración y ahora todo el mundo puede comentar anónimamente. Así que, venga, todo el mundo a decir barbaridades desde la sombras.

La señal “Wow!”

El 15 de agosto de 1977, el corazón de Jerry R. Ehman dio un vuelco al recibir este aterrador mensaje:

Ehman trabajaba para el proyecto SETI, una red de antenas dedicada a rastrear el cielo en busca de posibles señales de radio emitidas por alguna civilización extraterrestre. Ese día en concreto, estaba trabajando con el radiotelescopio “Big Ear” cuando de la impresora salió la siguiente tira de papel.

Incapaz de contener la emoción, Jerry cogió su boli rojo, rodeó con pasión aquellas letras y escribió “Wow!” junto a ellas, bautizando el momento sin querer.

Ya, todo esto está muy bien, pero ¿Y qué pasa con 6EQUJ5? 

Ante nada, hay que tener en cuenta que 6EQUJ5 no significa literalmente 6EQUJ5.
Seguir leyendo La señal “Wow!”

¿De qué color es un espejo?

Todos nos hemos preguntado alguna vez de qué color es un espejo. Tiene pinta de ser plateado, ¿no? Pero algo nos dice que ahí no acaba la historia. ¿Podríamos ver el color real con la luz apagada? No, las cosas no funcionan así.

Ante nada, vamos a aclarar una cosa: un espejo perfecto no tendría color, ya que reflejaría toda la luz incide sobre él, por lo que su color sería simplemente el del objeto reflejado.

Pero no vivimos en el mundo de las cosas perfectas, como nos intentan hacer creer los problemas de física del instituto. Ni siquiera el mejor espejo que podamos fabricar reflejará el 100% que incide sobre él y siempre habrá una pequeña cantidad que será absorbida por el material reflectante. Es una fracción tan pequeña que a efectos prácticos ni se nota, aunque puede manifestarse en algunas condiciones.

Empecemos por lo más básico: ¿Qué es color?

Seguir leyendo ¿De qué color es un espejo?

¿Qué es el agua pesada?

¿Qué líquido es exactamente igual que el agua, pero pesa un 11% más y probablemente te matará si bebes suficiente? (pista: no es ningún veneno transparente rebuscado)

Empecemos por lo básico.

La fórmula química del agua es H2O  lo que significa que una molécula está compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, formando más o menos una estructura de este estilo.

Hasta ahí bien.

Pero, a nivel atómico, no todo es tan sencillo. Cada átomo está compuesto de tres tipos de partículas: protones, neutrones y electrones. El número de ellos y la proporción de cada uno respecto a los demás, es lo que determina cómo será un elemento químico.

Los protones tienen carga positiva y los electrones negativa, mientras que los neutrones no tienen carga, o es neutra (propuesta para llamarles suizones denegada), tanto da.

Para que un átomo esté en equilibrio, tiene que tener el mismo número de cargas positivas que negativas, es decir, la misma cantidad de protones que de electrones. Lo único que diferencia un elemento de otro, de hecho, es el número de protones que contiene su núcleo.

A primera vista puede parecer que los neutrones carecen de utilidad. Tal vez no deberían existir. Tal vez deberíamos juntarlos todos y prenderles fuego, pero tampoco daría tiempo porque un neutrón aislado apenas dura 15 minutos antes de descomponerse en otras partículas más pequeñas. Pero, bueno, esto no viene el caso.

El agua, con todos sus componentes primarios y siguiendo el esquema de antes, quedaría así (me niego a hacer más círculos con el Paint, así que usaré gatos).

Además de ser necesarios para mantener los núcleos atómicos estables, los neutrones son la causa por la que se forman isótopos de todos los elementos.

Como ya hemos dicho, un elemento químico se caracteriza por el número de protones contiene en el núcleo, eso es inmutable. Pero sí podemos añadir o quitar neutrones de un átomo y seguirá siendo el mismo elemento, aunque sus propiedades cambiarán ligeramente. Es entonces cuando hablamos de isótopos.

Todos hemos oído hablar, por ejemplo, del carbono-14. El carbono tiene 6 protones, y esto es, ha sido y será así para cualquier átomo de carbono en cualquier parte del universo. El “14” que le sigue no es más que el número de partículas que contiene su núcleo (6 protones y 8 neutrones). De la misma manera, existen el carbono 12 y el 13, con seis y siete neutrones. En este caso, decimos que el carbono tiene 3 isótopos estables (porque en realidad existen desde el carbono-8 hasta el carbono-22, pero ninguno de ellos dura demasiado antes de desintegrarse).

Volviendo al agua, los átomos del hidrógeno de los que está constituida son los más simples y abundantes en el universo y se componen de un protón y un electrón. A esta configuración se le llama también protio.

Pero, pese a que esta configuración sea la más común (el 99,98% de la masa total de hidrógeno corresponde a protio), el hidrógeno tiene dos isótopos más: el deuterio y el tritio.

El deuterio tiene en su núcleo un protón y un neutrón, mientras que el tritio tiene un protón y dos neutrones. El tritio nos va a dar bastante igual, ya que es radiactivo y se usa sólo en la industria del armamento nuclear.

Volviendo al deuterio.

Pese a tener una partícula compañera en su núcleo, sus propiedades no varían mucho respecto al hidrógeno normal. La diferencia más notable es que pesa el doble que el hidrógeno corriente, ya que el centro ya no está ocupado por una sola partícula, sino por dos.

El deuterio no tiene ningún problema en enlazarse con oxígeno para formar moléculas de D2O  igual que el hidrógeno común forma H2O  El D2tiene el mismo aspecto que el agua corriente, pero una masa un 11% mayor que ésta. De ahí que nos refiramos a ello como agua pesada.

Un efecto curioso que produce este hecho, es que el hielo de agua pesada se hunde en agua normal en estado líquido, como aparece en este vídeo a partir del minuto 6:02.

El color anaranjado (o rosáceo, o lo que cada uno vea) del hielo se debe a que han mezclado una pequeña cantidad de tinte con el agua pesada para poder distinguir bien el experimento.

Luego, ocurre algo curioso: a medida que se funde, el hielo de agua pesada empieza a flotar. El señor del pelo afro canoso dice que esto es porque el hielo pesado se funde a una temperatura ligeramente menor que el agua corriente, así que ésta se vuelve a congelar sobre la superficie del hielo, bajando su densidad total. Pero hay algo que no menciona (y varios comentarios de Youtube parecen concordar conmigo): también contribuye a este fenómeno el hecho de que, al fundirse el hielo, el agua pesada se mezcla con el agua corriente y aumenta la densidad de la mezcla.

Pero bueno, sigamos con el tema que nos concierne a todos.

No se sabe mucho sobre los efectos nocivos sobre la salud del agua pesada.

Teniendo en cuenta que, de manera natural, uno de cada 7.000 átomos de hidrógeno es deuterio, y que el cuerpo humano cuenta con un 75% de agua, lo más probable es que ya tengas de 6 a 8 gramos de agua pesada corriendo por tus venas.

En esas cantidades no debe ser peligroso, porque entonces estaríamos todos muertos.

Lo que sí sabemos es que los enlaces que se forman entre el deuterio y el oxígeno en el D2O son un poco más fuertes que los del H2O.

También sabemos que muchos procesos químicos que nos mantienen vivos requieren de la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno. Al necesitar más energía para romper las moléculas de D2O, estos procesos podrían ralentizarse o detenerse por completo, matándonos de alguna manera.

Oye, pero no me ha quedado una cosa clara del todo… Si el deuterio pesa el doble que el hidrógeno, ¿Cómo es que el agua pesada sólo pesa un 11% más que el agua normal? ¿No debería pesar también el doble?

El hidrógeno es sólo uno de los componentes del agua. Una molécula de H2O consiste en dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, mucho más pesado. Como protones y neutrones tienen masas muy parecidas, y los electrones pesan tan poco que se pueden despreciar, tomemos la masa de una partícula como 1.

El oxígeno tiene en su núcleo 8 protones y 8 neutrones, lo que le da una masa de 16 que, sumada a la masa de los dos átomos de hidrógeno, nos da una masa total de 18 para la molécula de agua.

En el caso del deuterio, el número total de partículas en la molécula ascendería a 20 al haber dos neutrones nuevos en el sistema. Podemos compararlo (más o menos) aquí.

Por tanto el agua pesada (con 20 partículas) será un 11.11% más masiva que el agua corriente (con 18 partículas). Locos del 11:11, manifestaos.

Y ahora, un breve mensaje publicitario.

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“, donde hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro “viejo” (“El universo en una taza de café“) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂

¿Cómo se forman los rayos?

Todos hemos sido testigos de alguna descarga eléctrica de millones de voltios azotando la tierra. Algunos incluso hemos sido lo suficientemente afortunados para verlas prender fuego a cosas. Pero, si ya cuesta un rato cargar una interna manual que funciona con una cantidad ridícula de electricidad, ¿De dónde sale toda esa corriente que cae del cielo?
La ciencia que estudia los rayos se llama fulminología, que a nuestro parecer ostenta el récord al mejor nombre para una disciplina científica.
Para entender por qué se producen los rayos, veamos primero cómo funciona una corriente de agua.
¿Pero qué esta basura? ¿Me estás tomando el pelo?

No, aún no. La electricidad se comporta de manera parecida a un sistema fluvial. 

Por un lado, tenemos una reserva de agua que, por el mero hecho de estar por encima del nivel del mar, acumula un tipo de energía llamada energía potencial. Todo lo que se encuentra a cierta altura tiene energía potencial, ya sea una masa de agua o una persona en la terraza de un segundo piso, pero ésta no se manifestará hasta que se abra una vía de escape por donde disiparla: saltando por el balcón, en el caso de la terraza, o abriendo un agujero por dónde pueda salir el agua, en el caso de un lago. Será entonces cuando el sistema evolucione hasta alcanzar un estado de equilibrio.
“Estoy muy contento de haber 
quedado en equilibrio con la acera”
De la misma manera, para que fluya electricidad por un sistema necesitamos un bloque de un material que tenga muchísimos electrones y otro al que le falten. Los electrones tienden siempre a colocarse en el estado en el que menos energía ocupen, es decir, allá donde haya un hueco vacío donde meterse. Si tenemos dos materiales, uno al que le sobran electrones y otro al que le faltan, se dice entonces que, entre los dos materiales, hay cierto potencial eléctrico.
Pero, igual que la energía potencial no puede manifestarse hasta que le abrimos una vía de escape, este potencial eléctrico no tendrá ningún efecto hasta que unamos los dos bloques con un material por el que los electrones sean capaces de desplazarse con más o menos facilidad. Una vez unidos, éstos sacarán su lado humano y automáticamente huirán del bloque donde están todos aglomerados, buscando espacio libre para escapar de la multitud.
Los electrones son como nosotros en este aspecto y, cuando todo el mundo está cómodo en su sitio, nadie quiere volver a moverse. O sea, que lo que conocemos como corriente eléctrica no son más que carreras de electrones a través de un material conductor y, cuando los electrones dejan de pasar por el cable, se nos acaba el chollo.
En el siguiente dibujo, vemos lo que pasa en realidad cuando se nos acababan las pilas de la Game Boy: realmente no se “acaba” nada, sólo que las pilas han llegado al equilibrio.

¿Entonces qué tenía que ver todo esto con el ejemplo del puñetero río`?
Al hablar de electricidad, es inevitable que todos hayamos escuchado los términos voltaje, intensidad o resistencia. Si os pasa como a nosotros, los encontraréis conceptos difíciles de visualizar porque no tenemos ninguna referencia física para imaginarlos.
El siguiente ejemplo, ayuda bastante.
Al fin y al cabo, una corriente eléctrica y una de agua tienen el mismo fundamento: son un montón de partículas fluyendo por un tubo. En realidad, en el caso del agua son moléculas y en el de la electricidad, electrones, pero ambas siguen siendo puntos microscópicos en movimiento que no podemos ver a simple vista. 
Explicamos cada parte del dibujo.
1. Un flujo de agua circula por un tubo. Está claro que, cuanto más ancho sea el tubo, más agua podrá pasar al mismo tiempo. De la misma manera, la intensidad es la magnitud eléctrica que determina la cantidad de electrones que están pasando por la sección de un cable o, lo que es lo mismo, el equivalente al caudal de un río.
2. Luego está la llamada altura de columna, que viene a expresar la fuerza con la que el chorro de agua está siendo a empujado. Suponiendo un tubo situado en la base de un depósito, hay que tener en cuenta que toda la masa de agua que esté por encima del tubo estará presionando hacia abajo por efecto de la gravedad. Cuanto más alto sea el depósito, más masa habrá por encima de la salida empujando hacia abajo, por lo que el chorro de agua saldrá a más velocidad. Esto, cambiando moléculas de agua por electrones, sería el equivalente al voltaje.
3. La resistencia no es una propiedad propia de la corriente eléctrica, si no del material por el que está circulando. Básicamente, define la facilidad con la que pueden desplazarse los electrones por su interior. El cobre, por ejemplo, es muy buen conductor de la electricidad, por lo que ofrece poca resistencia al paso de corriente eléctrica. En términos hidráulicos, esto equivaldría a la rugosidad del tubo por el que pasa el agua: a más rugosidad, más energía perderá el flujo de agua al chocar contra las imperfecciones que cubren las superficie interior del tubo y más le costará desplazarse.
TOTAL.
Ahora que ya tenemos las bases necesarias, volvamos a los rayos. 
Cuando muchas nubes se acumulan en una zona, las partículas de agua que las componen, en conjunto, tienden a adoptar una carga negativa. No se sabe con certeza a qué se debe esto, unos dicen que por la polarización de pequeños cristales de hielo por efecto del campo magnético terrestre, otros argumentan que tiene que ver con la formación de aguanieve de densidades dispares en las diferentes capas de la nube. Para el caso que nos ocupa, a nosotros nos va a dar completamente igual.
La cuestión es que las nubes empiezan a cargarse negativamente (pierden electrones). Por suerte o por desgracia, el suelo tiene carga positiva. No estamos seguros de por qué, y no hemos conseguido encontrar una explicación por internet, pero probablemente tiene que ver con que el suelo está lleno de metales, a los que suelen sobrarles electrones por todos lados.
Llegados a este punto, lo único que separa a los electrones de su felicidad es todo el aire que hay entre  las nubes y el suelo
Pero el aire es un pésimo conductor de la electricidad… ¿No?
Que una cosa sea mala conductora de la electricidad no quiere decir que no conduzca la electricidad en absoluto. Sólo significa que una corriente que pretenda atravesarla tendrá que tener una tensión y una intensidad tremendas para compensar toda la energía que perderá durante el camino.
O sea que, hasta que la nube está muy cargada negativamente (le faltan muchísimos electrones), los electrones del suelo no acumulan la rabia suficiente para correr a rellenar todo ese montón de huecos en los que alojarse, formando lo que llamamos un rayo.  
El flujo eléctrico resultante suele tener un voltaje de 10 a 120 millones de voltios y una intensidad unos 30.000 amperios. En comparación, 10 miliamperios (0.0001 amperios)  pueden ser suficientes para detener un corazón humano. El voltaje no influye tanto a la hora de matar a una persona ya que, al fin y al cabo, esta magnitud tan sólo determina la velocidad con la que la corriente eléctrica se desplaza por el cuerpo. Lo realmente peligroso es la cantidad de electrones que nos atraviesan
Demasiados párrafos sin contenido visual. Procedo a incluir un poco para hacerlo más interesante.
Justo en el momento anterior a que los electrones empiecen a ascender del suelo hacia la nube, el aire se ioniza. Esto quiere decir que las moléculas de gas se separan en iones positivos y electrones, de manera que estos electrones libres ahora pueden moverse como les dé la gana y son capaces de abrir un “camino” desde la nube hasta el suelo. En el principio de este vídeo puede observarse que es un fenómeno más complejo de lo que podría parecer a primera vista.

El primer “tentáculo” en llegar al suelo marca el camino
que seguirá el rayo.

Lo curioso, en este caso, es que el aire empieza a ionizarse en todas direcciones, ramificándose en pequeños destellos que van abriéndose camino por donde les sale de las narices, buscando la carga positiva más cercana. Cuando una de estas ramas alcanza una carga positiva (en este caso, el suelo), conecta la nube con el suelo mediante la autopista eléctrica, y es entonces cuando todos los electrones encuentran vía libre para ascender a sus ansiados huecos libres en el cielo a unos 440.000 m/s.
Y, al fin, hemos entendido cómo funciona, más o menos, un rayo.
¡Eh, sinvergüenza, aquí no has dicho de dónde vienen los truenos que acompañan a los rayos!

Tienes razón. Por suerte, es rápido de explicar.

Como hemos dicho, el aire es muy mal conductor de la electricidad. Eso significa que cualquier corriente eléctrica que intente atravesar una masa de aire va a perder muchísima energía por el camino, y esta energía se disipará en forma de calor.
La potentísima corriente eléctrica de un rayo genera tanto calor a medida que atraviesan el aire, que éste se calienta muchísimo en un espacio muy corto de tiempo. Hablamos de temperaturas que pueden alcanzar los 28.000ºC, casi cinco veces la temperatura de la superficie del sol. Al calentarse, el aire tiende a expandirse por lo que, por la regla de tres, al calentarse a 28.000 grados, se expandirá a velocidades inimaginables. 
Esa expansión repentina del aire es que llega a nuestros oídos y nuestro cerebro interpreta como un sonido atronador
Vale, GRACIAS.

Y, a todo esto, caen como 50 rayos por segundo en la superficie de la tierra. Que cayera uno en el Vaticano el otro día tras la dimisión del Papa, no es más que una curiosidad estadística. Así que BASTA YA.

Hidrofobia

Además de ser una excusa barata para la gente a la que no le gusta demasiado ducharse (es broma, en realidad es un síntoma mortal que padecen los individuos afectados por la rabia), una sustancia hidrófoba es aquella que repele el agua o que no es capaz de mezclarse con ella.
Hoy en día, el uso de la nanotecnología ha permitido llevar el fenómeno al extremo, con resultados que desafían nuestra percepción de la realidad.



El compuesto puede aplicarse también directamente sobre la piel, para conseguir el siguiente efecto.

Pero este fenómeno no se limita a sprays aplicables sobre otras superficies. Existen sustancias sólidas que manifiestan hidrofobia al ser cubiertas por una capa de pequeñas partículas de sílice y sometidas a un baño de vapor de trimetilsilano. El resultado es esta arena hidrófoba, por ejemplo.

Cuando entra en contacto con el agua, el recubrimiento de cada grano tiende a adherirse con el de sus vecinos más cercanos, sellando cualquier hueco por donde pueda colarse el líquido. Pero, ¿Por qué forma churros? Responderemos a eso con un churro de dibujo.

Al depositar la arena sobre una masa de agua, los granos de la capa que entra en contacto directo con la superficie líquida se pegan entre sí, impidiendo la difusión del líquido a capas superiores. De esta manera, el montón de arena quedará flotando sobre una especie de balsa compacta.
Como el centro de nuestro montículo de arena pesa más que el exterior, por el mero hecho de tener una pila más alta de material, la estructura tenderá a hundirse por en medio. Pero, como todo el tinglado está sustentado por una capa compacta e impermeable, la arena no puede atravesarla y hundirse en el agua. En lugar de eso, deforma la balsa impermeable, dándole forma de cúpula inversa.
Si, llegados a este punto, continuamos añadiendo masa (en el gif se deja caer un flujo constante de arena), el peso en el centro del montículo no dejará de aumentar,  por lo que la deformación inicial seguirá acentuándose. La presión del agua, que comprime la masa bajo el agua desde todas las direcciones con la misma fuerza, obliga a la protuberancia a tomar la forma que minimice en mayor grado la superficie de contacto: un cilindro.
Total, que al sacar la arena del agua los granos de arena se separan y, como el agua no había podido colarse en su interior, aparece totalmente seca, en contra de toda intuición.
Ahora sólo falta esperar impacientes el momento en que algún loco resuelva, dejando pruebas documentales, la siguiente ecuación: