Home Física
Category:

Física

Los «sprites»: cómo observar estos esquivos rayos rojos

by Jordi Pereyra

Todos hemos visto alguna vez un rayo, una corriente eléctrica muy intensa que se abre paso a través del aire y lo calienta tanto y tan rápido que provoca que se expanda de manera violenta. La onda de choque que produce esta expansión repentina se propaga a través de la atmósfera a la velocidad del sonido y hace vibrar nuestros tímpanos, produciendo el ruido al que llamamos «trueno».

Pero existe otro tipo de rayos mucho menos frecuentes que tienen un color rojizo y ocurren por encima de las nubes. Estos inusuales fenómenos se llaman sprites.

Varios sprites fotografiados desde los observatorios de cerro Paranal, en Chile. (Fuente)

Uf, esto me suena a patrocinio de una bebida carbonatada.

No, no, voz cursiva, no tiene nada que ver. Estos fenómenos se bautizaron así debido a su carácter escurridizo y a que, en algunas tradiciones europeas, un «sprite» es algo así como un «espíritu del aire».

Pero, bueno, vamos a ver qué son estos curiosos fenómenos y en qué se diferencian de los rayos corrientes.

En mi nuevo libro dedico un capítulo entero a la formación de los rayos y a cómo evitar que te caigan encima, pero, en muy resumidas cuentas, las nubes son capaces de acumular una gran carga electrostática debido a la interacción entre las partículas de hielo que contienen. Dicho de otra manera: la parte baja de las nubes acaba en una situación en la que le sobran electrones (tiene carga eléctrica negativa) y en la parte superior faltan electrones (carga positiva).

Si la carga negativa de la parte inferior de la nube aumenta lo suficiente, todos esos electrones sobrantes se precipitarán en masa al mismo tiempo hacia la superficie terrestre. Y, básicamente, eso es un rayo: un montón de electrones abriéndose paso en tromba a través del aire.

Un montón de electrones cazados mudándose al suelo. (Fuente)

¿Y eso cómo es posible? Pensaba que la electricidad no puede pasar a través del aire porque es un medio aislante.

Y lo es en condiciones normales, voz cursiva. Sin embargo, una estampida de electrones ansiosos por llegar al suelo es capaz de crear un «camino» a través del aire por el que sí que se pueden propagar. Los electrones abren ese camino ionizando el aire con el que entran en contacto, o, lo que es lo mismo, arrancándoles algunos de sus electrones a sus moléculas de gas o «rompiéndolas» en partes más simples que también tienen carga eléctrica. Como resultado, mientras la corriente del rayo avanza hacia el suelo, va creando una vía con una alta conductividad eléctrica que permite el paso de sus electrones.

NOTA: Este diagrama está muy simplificado. La ionización del aire produce muchos más productos que, además, reaccionan rápidamente entre ellos y forman moléculas nuevas.

El caso es que, en 1925, un físico y meteorólogo llamado C.T.R. Wilson sugirió que estas mismas corrientes de electrones también deberían ocurrir entre las nubes y las capas altas de la atmósfera (y no sólo entre las nubes y el suelo, como los rayos corrientes). Y tenía toda la razón del mundo: esos fenómenos que describió son los sprites.

El problema es que los sprites no son muy luminosos, así que, aunque Wilson creyó haber llegado a observar uno de estos eventos en 1956, nunca lo pudo confirmar. De hecho, la existencia de estos rayos que ocurren a gran altitud no se pudo verificar hasta 1989, cuando unos científicos de la Universidad de Minnesota captaron uno por accidente con una cámara (en blanco y negro) muy sensible a la luz.

La primera imagen en color de un sprite, tomada en 1994 desde un avión en un proyecto conjunto de la NASA y la Universidad de Alaska para estudiar estos fenómenos. (Fuente)

Aunque los sprites tienen un color rojizo o anaranjado causado por la excitación de las moléculas de nitrógeno del aire, la parte más baja de sus «tentáculos» puede adoptar una tonalidad violeta o azulada. Además, su geometría es muy distinta a la de un rayo corriente y se suelen dividir en tres tipos, según el objeto arbitrario al que se parezcan: medusas, columnas y zanahorias.

Por otro lado, los sprites ocurren a una altitud de entre 50 y 100 kilómetros (en la mesosfera) y aparecen sobre las nubes al mismo tiempo que los rayos corrientes, más o menos por encima del mismo punto en el que tiene lugar la descarga. Hoy en día incluso se ha conseguido captar los dos fenómenos de manera simultánea, como en esta fotografía:

Un sprite fotografiado desde el espacio durante una tormenta. (Fuente)

Qué curioso… Me encantaría poder observar un sprite y apreciar ese color y esas formas en persona.

A mí también, voz cursiva… Pero no es sencillo.

Como los sprites ocurren por encima de las nubes, la mejor manera de incrementar las probabilidades de ver uno es observar una tormenta lejana por la noche, preferiblemente en un lugar donde no haya contaminación lumínica y en una ocasión en la que la atmósfera esté muy despejada (con una visibilidad de entre 150 y 500 kilómetros).

Sin embargo, también hay que tener en cuenta que los sprites sólo aparecen sobre un 10% de los rayos y que su brillo no sólo es muy débil, sino que, además, estos fenómenos duran unos pocos milisegundos. O sea, que, aunque consigáis ver uno, seguramente será un simple destello rojizo, breve y débil… Que tal vez incluso os decepcione cuando os paréis a pensar en el esfuerzo que habéis invertido para poder observarlo.

Ahora bien, si tenéis una buena cámara de fotos, es posible que podáis inmortalizar un sprite si la apuntáis hacia la tormenta lejana y la programáis para que tome fotos de varios segundos de exposición durante un par de horas. Con un poco de suerte, alguno de los cientos de fotos que saquéis contendrá uno de estos esquivos fenómenos. De hecho, eso es precisamente lo que hace Paul M. Smith, un fotógrafo especializado en captar sprites (aquí os dejo su página web).

Si queréis intentar hacer lo mismo la próxima vez que veáis una tormenta en la lejanía, en este enlace y este otro encontraréis datos más técnicos que dan una idea del tipo de equipamiento y configuración que se necesitan para captar estos rayos rojizos tan infrecuentes.

0 comment

¿En qué punto de la Tierra es más intensa la gravedad? (no es donde piensas)

by Jordi Pereyra

Hace un par de años publiqué una entrada en la que explicaba que nuestro peso varía ligeramente cuando viajamos de un lugar a otro porque el ritmo al que la gravedad nos acelera hacia el suelo no es uniforme por toda la superficie de la Tierra. En este mapa podéis ver dónde la gravedad es más intensa (en rojo) y dónde lo es menos (azul):

(Fuente)

Hablé con más detalle de las causas de estas anomalías gravitatorias en el artículo en cuestión, pero, en resumidas cuentas, existe una diferencia del 0,7% entre los puntos de la superficie terrestre donde la gravedad es más y menos intensa. Dicho de otra manera: si tu báscula marcase que pesas 100 kilos allí donde la gravedad es más intensa, mediría «sólo» 99,3 kilos si viajaras al punto donde la gravedad es menor.

Se me acaba de ocurrir una idea para una dieta milagro que estimulará mucho el turismo en el lugar con la gravedad más débil del mundo.

Bueno, a ver, voz cursiva, que la báscula marque un número distinto en dos lugares diferentes no significa que tu masa haya cambiado de verdad al moverte de un sitio a otro. Lo único que varía es la fuerza que ejerce tu cuerpo sobre el suelo en función de si la aceleración provocada por la gravedad aumenta o disminuye, pero tu masa sigue siendo la misma. O sea, que no vas a adelgazar por el hecho de mudarte a un lugar donde la gravedad es menor.

Vaya… Adiós a mi best-seller. Pero, oye, una diferencia del 0,7% tampoco me parece una cifra especialmente espectacular. ¿No hay ningún lugar del planeta donde la gravedad sea muchísimo más intensa?

Me alegra que lo preguntes, voz cursiva. La buena noticia es que ese lugar existe… Pero la mala es que no puedes llegar en coche, barco o avión, porque sólo se puede acceder a él excavando un agujero muy profundo.

Me explico.

Lo primero que debemos tener en cuenta para entender la cuestión que nos ocupa hoy es que el interior de la Tierra está dividido en dos «partes»: un núcleo metálico muy denso y un manto y una corteza rocosos más ligeros (como expliqué con más detalle en esta otra entrada).

Sabiendo esto, imaginemos que empezamos a excavar un túnel desde la superficie hacia el centro del planeta. ¿Cómo crees que variará la fuerza con la que la gravedad tira de nosotros «hacia abajo» a medida que nos adentramos en las entrañas de la Tierra, voz cursiva? ¿Aumentará o disminuirá?

Tenía entendido que el punto de un planeta donde la gravedad es máxima es su superficie, así que imagino que irá disminuyendo mientras nos acercamos al centro del planeta, ¿no?

Buen intento, pero no es el caso. Es cierto que la intensidad de la gravedad iría disminuyendo con la profundidad… Pero eso sólo ocurriría si todo el volumen interior de la Tierra tuviera la misma densidad.

Me vuelvo a explicar.

Estamos acostumbrados a pensar en la gravedad como una fuerza que «tira de las cosas hacia abajo y de manera perpendicular al suelo». Pero, en realidad, no es que la gravedad tenga especial predilección por el eje vertical. La gravedad tiende a acelerar nuestros cuerpos hacia el suelo simplemente porque, como vivimos sobre la superficie terrestre, toda la masa de la Tierra permanece siempre bajo nuestros pies y cada uno de los átomos que componen la fracción sólida de nuestro planeta tira de nosotros en la misma dirección. Todos esos tirones combinados resultan en la aceleración de 9,8 metros por segundo cada segundo (m/s2) que experimentamos sobre la superficie terrestre y que nos mantiene pegados al suelo.

Ahora bien, olvidémonos por un momento del núcleo denso y metálico de la Tierra. En su lugar, imaginemos todo el volumen del planeta tuviera la misma densidad y que empezamos a excavar nuestro agujero imaginario desde la superficie hacia el centro de la Tierra. A medida que la construcción del túnel avance, la masa de nuestro planeta dejará de encontrarse exclusivamente bajo nuestros pies. De hecho, la cantidad de material que tendremos por encima de nuestras cabezas irá incrementando a medida que la profundidad del agujero aumente. Como resultado, la gravedad generada por toda esa masa que tendremos encima de nosotros irá tirando de nuestros cuerpos hacia arriba con una fuerza cada vez mayor a medida que nos acerquemos el centro del planeta.

Por tanto, cuanto más cerca estemos del centro del planeta, más débil nos parecerá la fuerza que tira de nosotros «hacia abajo» porque la cantidad de masa que tendremos «encima» será cada vez mayor y su tirón gravitatorio «contrarrestará» cada vez más el de la masa que tenemos bajo nuestros pies. Es más, en cuanto alcancemos el centro del planeta ocurrirá algo muy curioso: como estaremos rodeados de la misma cantidad de masa en todas las direcciones, la gravedad que ejerce sobre nuestro cuerpo cada punto del planeta «anulará» la ejercida por el punto contrario… Y experimentaremos una sensación de ingravidez.

Vale, captado. ¿Y me quieres decir que esto no es lo que ocurriría en la vida real?

No exactamente, voz cursiva. Como he comentado, la densidad de la Tierra no es uniforme por todo su volumen porque nuestro planeta contiene un núcleo metálico que es muchísimo más denso que el manto y la corteza rocosos. Y eso nos descalabra por completo el modelo porque la magnitud de la gravedad que ejerce un objeto sobre nosotros no depende sólo de su masa, sino también de la distancia a la que se encuentra.

Por tanto, si cavamos un agujero en dirección al centro de nuestro planeta en la vida real, la gravedad generada por el material que tenemos sobre nuestras cabezas no bastará para «contrarrestar» el tirón gravitatorio cada vez más intenso que ejercerá sobre nosotros el núcleo metálico y denso de la Tierra a medida que nos acerquemos a él. O sea, que, en la vida real, la fuerza que tirará de nosotros en dirección al centro del planeta se mantendrá más o menos constante e incluso aumentará un poco a medida atravesamos el manto rocoso terrestre (en lugar de disminuir, como ocurría en el escenario del planeta con una densidad uniforme).

¡Ostras! ¿Y cuánto llega a aumentar la gravedad cerca del núcleo de la Tierra? ¿Cien veces más que en la superficie? ¿Un millón de veces más?

Tampoco nos flipemos, voz cursiva. El lugar del planeta donde la gravedad es más intensa es la frontera entre el manto rocoso y el núcleo metálico, a unos 3.000 kilómetros de profundidad. Una vez allí, tu cuerpo se vería acelerado hacia el centro del planeta («hacia abajo») a un ritmo de 10,7 m/s2, en lugar de los 9,8 m/s2 que experimentamos en la superficie. Eso significa que la cifra que marcaría tu báscula sería alrededor de un 9% mayor.

Bueno, reconozco que esperaba una cifra mucho más impactante, pero es una mejora respecto a la diferencia máxima del 0,7% que podemos notar en la superficie. Una última cosa, ¿en la vida real también notarías condiciones de ingravidez en el centro de la Tierra?

Ah, sí, no te preocupes. Eso no cambiaría. Aunque el interior de la Tierra no es homogéneo, en el centro del planeta seguirías teniendo más o menos la misma cantidad de masa tirando de ti en todas las direcciones y sentirías esa sensación de ingravidez. Si tienes curiosidad, en el siguiente gráfico aparece representada la intensidad de la gravedad que experimentarías a lo largo del interior de la Tierra:

La línea azul representa cómo varía la gravedad a medida que nos alejamos del centro del planeta (el «0» en el gráfico). En verde, cómo variaría la gravedad si el interior de la Tierra tuviese una densidad uniforme.

5 comments

El hasio: ¿el elemento más denso que existe?

by Jordi Pereyra

Los que seguís mi canal de Youtube sabréis que a menudo cuelgo vídeos en los que hablo sobre mi colección de elementos químicos. Una de mis muestras favoritas (que llevo con frecuencia a mis charlas y talleres de ciencia) es un cubo de wolframio que pesa 2,4 kilos, pese a que mide sólo 5 centímetros de lado. Para que os hagáis una idea de lo absurdamente denso que es este metal, una botella de 1 litro llena de wolframio pesaría 19,3 kilos. En comparación, la misma botella pesaría sólo 1 kg si estuviera llena de agua, 7,87 kg si la llenáramos de hierro y unos 11,34 kg cargada de plomo.

Sé que no se puede transmitir la sensación de sujetar una cosa tan densa mencionando unas cuantas cifras, así que, para daros una idea mejor, os dejo un vídeo en el que enseñaba cómo reacciona la gente por la calle cuando levantaban un cubo tan inesperadamente pesado.

Pues, bien, si más o menos habéis podido asimilar la tremenda densidad de este metal, tengo una noticia que os va a sorprender: el wolframio ni siquiera es el elemento más denso de la tabla periódica. Es más, el oro y el uranio tienen una densidad similar y el platino incluso lo supera, con 21,46 kilos por litro (kg/l).

¿Significa eso que una botella de 1 litro llena de platino pesaría 21,46 kg?

Efectivamente, voz cursiva. Y si esa misma botella estuviera llena osmio, considerado el elemento más denso conocido, pesaría ni más ni menos que 22,59 kg. Ahora bien, aunque el osmio ostenta el título de elemento más denso de la tabla periódica, hay un par de matices que conviene tener en cuenta.

En primer lugar, la densidad de un elemento no es una propiedad fija e inalterable porque depende de las condiciones de temperatura y presión a las que esté sometido. Si un material se calienta, su volumen incrementa y su densidad disminuye. Si se enfría, se contrae y la densidad aumenta. Por otro lado, las cosas se comprimen cuando la presión que actúa sobre ellas incrementa, lo que se traduce en una reducción de su volumen y el correspondiente aumento de su densidad. Algunos elementos se ven afectados por estos cambios más que otros, pero lo que quiero decir con esto es que sólo tiene sentido comparar la densidad de dos elementos si ambos se encuentran en las mismas condiciones de presión y temperatura. Es por eso que, a menos que la fuente lo especifique, los valores de densidad se suelen corresponder a los medidos a 20ºC y presión atmosférica, las llamadas «condiciones normales».

¿Y por qué 20ºC y presión atmosférica es lo «normal»? Porque digo yo que las condiciones que son «normales» dependerán del lugar en el que vivas.

Lo sé, voz cursiva, lo sé, pero se necesita algún tipo de consenso en el mundo científico para que todo el mundo se pueda poner de acuerdo cuando hace sus mediciones. De ahí que se fijaran estos valores.

El caso es que la densidad de los elementos químicos cambian en diferente medida en cuanto nos alejamos de las condiciones normales. Por ejemplo, el iridio (22,56 kg/l) es sólo un poco menos denso que el osmio (22,6 kg/l) a 20ºC y presión atmosférica, pero, si mantenemos la temperatura constante y sometemos a estos dos elementos a presiones 30.000 veces superiores a la de la atmósfera, la densidad de los dos se iguala en 22,75 kg/l. Y, si seguimos incrementando la presión, la densidad del iridio aumentará a un ritmo ligeramente mayor que la del osmio. En estas condiciones que no son nada normales en ningún lugar de la superficie terrestre el iridio le roba al osmio el título del elemento más denso.

Cristales de osmio (izquierda) e iridio (derecha). Fuentes (1, 2)

Por tanto, el concepto «elemento más denso» depende de las condiciones de presión y temperatura que tomes como referencia. Pero, además, hay un segundo matiz un poco más complejo que quería mencionar: es probable que existan elementos que son muchísimo más densos que el osmio o el iridio, pero no se suelen mencionar cuando se trata este tema.

Me explico.

La tabla periódica no se limita a enumerar todos los elementos conocidos, sino que, además, los ordena según sus propiedades. Por ejemplo, los elementos que se encuentran en la misma columna tienen un comportamiento químico similar. Esto significa que nos podemos hacer una idea de cuáles serían las propiedades de elementos que aún no se han descubierto en base a cuál sería su posición en la tabla periódica. De hecho, algunos elementos se descubrieron después de que se predijera su existencia a partir de «huecos» en la tabla periódica.

Una de esas propiedades que varía de manera predecible a lo largo de la tabla periódica es la densidad: los elementos más densos de cada fila están concentrados en la parte central de la región ocupada por los metales y, además, la densidad de los elementos de las filas inferiores es mayor que la de los de las filas superiores. Como una imagen vale más que mil palabras, he representado esta tendencia de manera aproximada en la siguiente tabla periódica:

(Fuente de la imagen que he usado como plantilla)

Como veis, todos los elementos extremadamente densos que he mencionado hasta ahora (el wolframio (W), el iridio (Ir) y el platino (Pt)) están en la parte central de la fila 6. Y, al ser el más denso de todos, el osmio (Os) se encuentra en el centro de este grupo. Pero, ojo, porque también os habréis fijado en que existe una séptima fila debajo de la que ocupan estos elementos. Siguiendo el patrón que he mencionado, los elementos que ocupan el centro de la fila 7 (como el bohrio (Bh), el hasio (Hs) y el meitnerio (Mt)) deberían ser aún más densos que el osmio.

¡Cierto! ¿Y por qué ninguno de ellos ostenta el título de elemento más denso conocido? ¿Quién los intenta ocultar? ¿Es que existe algún tipo de complot entre los gobiernos del mundo para mantener en secreto unos materiales que…?

Para el carro, voz cursiva, que no van por ahí los tiros. Estos elementos no se suelen tener en consideración porque, al ser muy radiactivos, son extremadamente escasos. Tan escasos, de hecho, que ni siquiera se ha conseguido obtener una muestra de ellos lo bastante grande como para que se pueda observar a simple vista.

De nuevo, será mejor que me explique.

He hablado con más detalle sobre los elementos radiactivos en otras entradas, pero, en resumidas cuentas, se trata de elementos que tienen una cantidad de protones y neutrones en su núcleo que no es estable a largo plazo. Para intentar ganar algo de estabilidad, los átomos de estos elementos tienden a expulsar algunos de sus protones del núcleo o a convertir uno de sus neutrones en un protón (o viceversa), emitiendo un electrón (o un positrón) durante el proceso. Estas partículas que salen disparadas de los núcleos atómicos radiactivos son lo que llamamos radiación nuclear.

El siguiente dato importante que debemos tener en cuenta es que el número de protones que contiene un átomo determina a qué elemento pertenece. Por ejemplo, el oro es oro porque sus átomos tienen 79 protones en el núcleo, mientras que el hierro tiene sus características propias porque sus átomos poseen 26 protones.

Espera, ¿significa eso que se puede convertir un elemento en otro simplemente cambiando el número de protones que contiene?

Efectivamente, aunque el proceso no es tan «simple» como parece: si quieres convertir átomos de un elemento en otro, tendrás que bombardear un mazacote del elemento en cuestión con átomos de elementos más ligeros con la ayuda de un acelerador de partículas. Con un poco de suerte, algunos de esos átomos ligeros chocarán con los átomos de tu elemento a una velocidad lo bastante alta como para que los dos núcleos se combinen, produciendo un núcleo más grande con muchos más protones que los dos originales… O un núcleo de un elemento distinto, que es lo mismo.

Pues, bien, como he comentado, los átomos de los elementos radiactivos ganan estabilidad modificando el número de protones que contienen en el núcleo. Pero, claro, cuando el número de protones que contiene un átomo varía, se convierte en otro elemento. Por tanto, en cuanto un átomo de un elemento radiactivo emite alguna partícula de su núcleo y el número de protones que contiene cambia, se convierte automáticamente en un átomo de otro elemento. Por ejemplo, el carbono-14 es un isótopo radiactivo del carbono que posee 6 protones y 8 neutrones en su núcleo. Como esta combinación no es estable, estos átomos tienden a convertir uno de sus neutrones en un protón, emitiendo un electrón durante el proceso. Cuando termina la transformación, el núcleo del átomo pasa a tener 7 protones y 7 neutrones. Como el elemento que tiene 7 protones en el núcleo es el nitrógeno, ese átomo de carbono-14 se habrá convertido en uno de nitrógeno-14.

Vale, captado, los átomos radiactivos se transforman en otros elementos cuando emiten la radiación que les corresponde. ¿Y eso que tiene que ver con esos elementos tan densos de los que nadie habla?

Casi hemos llegado ahí, voz cursiva. Sólo nos falta tratar un concepto más: el periodo de semidesintegración.

Hablé sobre el periodo de semidesintegración con más detalle en esta otra entrada, pero, en resumidas cuentas, se trata de una medida que refleja el ritmo al que los átomos de un elemento radiactivo se transforman en otros. Por ejemplo, el carbono-14 tiene un periodo de semidesintegración de 5.730 años. Esta cifra nos dice que la mitad de los átomos de una masa de carbono-14 se habrán convertido en nitrógeno-14 al cabo 5.730 años. Si esperamos 5.730 años más, la mitad de esa mitad habrá llevado a cabo la transformación. De esta manera, la cantidad de carbono-14 seguirá reduciéndose a la mitad cada 5.730 años hasta que toda la masa se haya convertido en nitrógeno-14.

Exceptuando algunos isótopos muy concretos como el carbono-14, los elementos que tienen menos de 83 protones en su núcleo suelen ser bastante estables. A partir de esa cifra, los átomos poseen tantas partículas en su núcleo que no existe ninguna combinación de protones y neutrones que los pueda mantener estables a largo plazo. Por tanto, los átomos que tienen más de 83 protones en su núcleo acaban deshaciéndose de algunos de sus protones tarde o temprano y convirtiéndose en otros elementos. En la siguiente tabla periódica he resaltado todos esos elementos inestables que irremediablemente se acaban transformando en otros.

Por regla general, cuantas más partículas tienen estos elementos pesados en su núcleo, más corto es su periodo de semidesintegración. Por ejemplo, el uranio-238 tiene un periodo de semidesintegración de unos 4.500 millones de años, mientras que el del isótopo más estable del oganesón es de sólo 181 milisegundos.

Y aquí llega el dato importante: estos elementos tan inestables que se encuentran hacia el final de la tabla periódica son muy escasos en la naturaleza. El motivo es que, como muchos tienen periodos de semidesintegración inferiores a pocos segundos, todos sus átomos se han convertido en otros elementos a lo largo de los 4.600 millones de años que lleva existiendo nuestro planeta, por lo que hoy en día ya no queda ni rastro de estos elementos en nuestro entorno.

Espera, ahora que lo dices, veo que en la tabla anterior de elementos inestables y escasos has resaltado los de la fila 7, esos que deberían ser más densos que el osmio.

Muy buena observación, voz cursiva. Así es: esos elementos extremadamente densos tienen periodos de semidesintegración del orden de pocos segundos, así que desaparecieron de nuestro planeta hace muchísimo tiempo.

¿Y cómo se estudian las propiedades de estos elementos tan densos, si no hay manera de encontrar muestras a nuestro alrededor?

Pues no queda más remedio que sintetizarlos de manera artificial mediante aceleradores de partículas, como he comentado antes, pero, por desgracia, se trata de un proceso lentísimo con el que sólo es posible producir unos cuantos átomos al mismo tiempo. Y, para rematar el asunto, esos elementos súper densos tienen muchísimos protones y neutrones en su núcleo, así que son tan inestables que los pocos átomos que se consiguen sintetizar se convierten en otros elementos en pocos segundos.

Pero, aunque no exista una manera de reunir una cantidad lo bastante grande de estos elementos como para fabricar un trozo macizo al que podamos medir su densidad de manera directa, las leyes de la física nos permiten predecir cuál sería la densidad aproximada de estos elementos aún más densos que el osmio… Y los resultados son realmente increíbles: el dubnio debería tener una densidad de 29 kg/l, el seaborgio rondaría los 35 kg/l y el bohrio y el meitnerio llegarían a los 37,1 kg/l y 37,4 kg/l, respectivamente.

Aun así, el título de elemento más denso conocido se lo llevaría el que está justo debajo del osmio en la tabla periódica: el hasio, con 41 kg/l. Intentad imaginar por un momento que intentáis levantar una botella de 1 litro con una mano y, de repente, notáis que pesa 41 kg. Así de denso es el hasio.

¿Por qué imaginarlo? ¡Recaudemos fondos para construir un acelerador de partículas más grande que pueda fabricar suficiente hasio para llenar una botella! ¡Hagamos nuestros sueños realidad!

Me da que eso no sería una buena idea, voz cursiva. En primer lugar, el hasio tiene un periodo de semidesintegración de sólo unos segundos, así que es muy, muy radiactivo. Pero, más importante aún, las partículas que salen disparadas constantemente del mazacote de hasio a gran velocidad tienden a calentar la materia que las rodea. De hecho, si mi aproximación patatera no anda demasiado desencaminada* y consiguiéramos producir mágicamente un  mazacote de hasio de 41 kilos, durante los primeros 16 segundos de su existencia produciría una cantidad de energía casi 100 veces superior a la que liberó el volcán Krakatoa al entrar en erupción en 1883. Por tanto, si ese trozo de hasio existiera, intentaría mantenerme tan alejado de él como fuera posible.

Pero, bueno, viendo todos estos datos, es normal que estos elementos tan inestables no se tengan en consideración cuando se habla de los elementos más densos conocidos. Por un lado, son tan escasos que su densidad ni siquiera se ha podido verificar de manera experimental y, por otro, los pocos átomos que se consiguen sintetizar apenas duran unos segundos. Y, por si eso fuera poco, encima, si consiguiéramos suficiente material como para poder manipularlo, sería un desastroso. Teniendo esto en cuenta, me parece estupendo que el osmio ostente el título de elemento más denso conocido.

 

*Los 41 kilos de hasio contienen 155,3 moles de este elemento. He asumido que sólo hay átomos del isótopo más longevo (16 segundos) y que cada uno emite una partícula alfa con una energía de 9 MeV.

*Por cierto, mi intención sigue siendo colgar un artículo propio del blog el primer y el tercer domingo de cada mes, además de seguir publicando artículos en la sección de ciencia de La Razón los lunes y jueves.

Imagen de portada del artículo: Alchemist-hp/Wikimedia (https://www.pse-mendelejew.de/en)

5 comments

¿Por qué se nos taponan los oídos cuando un tren entra en un túnel?

by Jordi Pereyra

Sé que ya lo he dicho mil veces y al final siempre me sale algún imprevisto que me lo impide, pero esta vez sí: a partir de ahora voy a intentar publicar entradas «clásicas» del Ciencia de Sofá con más frecuencia. De hecho, me he propuesto colgar un artículo el primer y el tercer domingo de cada mes.

Ya, bueno, a ver cuánto te dura.

Menos chascarrillos, voz cursiva, que lo hago precisamente porque la gente te echa de menos y no te puedo incluir en los dos artículos de ciencia semanales que escribo para La Razón.

Ahora que lo dices… No me desagradaría ostentar el título de la «voz de la razón».

Ni pensarlo, no quiero ni imaginar cuánto se te subiría a la cabeza. Pero, bueno, vayamos al grano.

En enero estuve por Madrid y Barcelona promocionando mi nuevo libro y viajé entre las dos ciudades en AVE. Para los que no conocéis este medio de transporte, AVE son las siglas de Alta Velocidad Española y se trata unos trenes que alcanzan velocidades de 300 km/h. Sé que a muchos no os parecerá una experiencia digna de mención, pero sólo he ido en AVE 3 o 4 veces en mi vida porque vivo en una isla pequeña y durante el trayecto experimenté un fenómeno que me pareció muy curioso: cada vez que el tren entraba a toda castaña en un túnel, los oídos se me taponaban inmediatamente.

En su momento la experiencia me dejó un poco descolocado porque esto suele ser algo que notas cuando vas en avión y de una manera mucho menos brusca. Pero, en realidad, la causa de este incómodo fenómeno auditivo es la misma en los dos casos: la disminución de la presión del aire que nos rodea.

Me explico.

En uno de los capítulos de mi nuevo libro hablo con detalle sobre lo que es el sonido y cómo lo percibimos, pero, en resumidas cuentas, lo que interpretamos como ruido no son más que sucesiones de frentes de alta y baja presión que se propagan por el aire. Por si esto os suena a chino, pero no sois chinos, un frente de alta presión es un volumen de gas en el que las moléculas se encuentran más cerca unas de otras porque están sometidas a una mayor fuerza compresiva. Y, por supuesto, las moléculas están más separadas en una región de presión baja.

El caso es que estas secuencias de perturbaciones (lo que llamamos ondas de sonido) son capaces de propagarse a través del aire que contienen nuestros canales auditivos y, cuando llegan al final, los frentes de presión alta empujan el tímpano hacia adentro y lo deforman en dirección a nuestro cerebro. Pero, claro, el frente de baja presión que alcanza el tímpano justo después permite que esta membrana vuelva a su posición original… Y, entonces, el siguiente frente de alta presión lo vuelve a empujar hacia dentro. De esta manera, las variaciones de la presión del aire producen un movimiento oscilatorio en el tímpano que nuestro cerebro interpreta como sonido.

He mencionado el ejemplo del sonido porque la presión del aire y su efecto sobre el tímpano son conceptos cruciales para entender el tema que nos ocupa hoy. En este caso, si la presión del aire que contienen las cavidades de nuestro cráneo es mayor que la presión de la atmósfera que nos rodea, ese aire interno empujará el tímpano hacia afuera y lo mantendrá «hinchado», impidiendo que vibre correctamente. Este abombamiento del tímpano es lo que nos da la sensación de «tener los oídos taponados».

Teniendo esto en cuenta, es fácil entender por qué se nos taponan los oídos en un avión: en cuanto la aeronave despega, la presión atmosférica de nuestro entorno disminuye medida que ganamos altura, pero el aire que hay dentro de nuestras cabezas sigue encontrándose a la presión más alta que había a la altitud menor del lugar del despegue. Esta diferencia de presión que aparece con la altura permite que el aire presurizado que hay dentro del cráneo empuje los tímpanos hacia afuera y produzca la sensación de taponamiento.

Vale, estupendo… ¿Y qué tienen que ver los aviones con el tema de hoy? Que yo sepa, esos trenes no se llaman AVE porque levanten el vuelo durante el trayecto.

Buena pregunta. Hemos visto que los oídos se taponan cuando existe una diferencia de presión entre el interior de nuestra cabeza y el exterior. Pero esas diferencias de presión no sólo se aparecen con la altitud.

Si un tren está en movimiento al aire libre, las moléculas de gas de la atmósfera se deslizan por su superficie frontal de manera más o menos suave y ordenada. El paso de los vagones a través de esa región donde el aire ha sido perturbado produce a su alrededor una corriente que se vuelve cada vez más turbulenta hasta que, en la parte trasera, se forman vórtices más caóticos.

Ahora bien, las cosas cambian cuando un tren entra en un túnel porque el aire que lo rodea tiene un espacio muy limitado para moverse y ya no se puede apartar de su camino con la misma facilidad. Como resultado, las moléculas de gas se empiezan a apilar y comprimir sobre la superficie frontal del tren, formando una región de alta presión. Al mismo tiempo, como el aire no tiene libertad para circular alrededor de los vagones y hacia la parte trasera del vehículo, a lo largo del tren aparecen zonas donde la cantidad de moléculas de aire disminuye…Y, por tanto, la presión baja.

Gráfico adaptado de este estudio.

Y ese es el detalle importante: los vagones del AVE no están sellados herméticamente, así que la disminución de la presión exterior succiona parte del aire del vagón rápidamente y la presión en su interior baja de golpe. En cuando esto ocurre, la presión del aire que hay dentro las cavidades craneales de los pasajeros pasa a ser más alta que la de su entorno, el gas presurizado empuja sus tímpanos hacia afuera… Y los oídos se taponan.

Para terminar, he podido encontrar un curioso documento dedicado a los efectos aerodinámicos de los trenes sobre sus pasajeros en el que aparecen algunas cifras comparativas. Para que os hagáis una idea de la magnitud de este fenómeno, la presión del aire en la cabina de un avión pasa de los 100.000 Pascales (Pa) ambientales al nivel del mar hasta entre 70.000 y 80.000 Pa durante el ascenso, lo que representa una disminución de 20.000 o 30.000 Pa a lo largo de unos 20 o 30 minutos. La diferencia de presión que se experimenta en el interior de un tren cuando entra en un túnel es de sólo unos 3.400 Pa pero, como es un cambio mucho más brusco, es muchísimo más molesto.

Por supuesto, la magnitud exacta del cambio de presión dependerá de la velocidad del tren, de su geometría y del diámetro del túnel. En cualquier caso, la gente que se dedica a diseñar túneles tiene este fenómeno en mente antes de que se construyan y los planifican de manera que los trenes que entran en ellos no puedan generar cambios de presión en su entorno superiores a los 10.000 Pa, que es el límite considerado seguro para no producir lesiones en los tímpanos.

 

2 comments