Google

Web El Patíbulo

lunes, diciembre 27, 2004

Sobre tsunamis y la conservación de la energía

Estos días hemos recibido la desgraciada noticia de que un maremoto ha dejado cerca de 20000 muertos en el sudeste asiático. Una vez más, la naturaleza vuelve a azotar para recordarnos que está ahí y que nuestro planeta, es un planeta dinámico.
Una vez más se vuelve a ver el drama humano de la catástrofe.
Desde aquí voy a tratar de dar unas breves pinceladas sobre este fenómeno natural, el de los tsunamis.

LA VELOCIDAD DE LAS OLAS

Aunque el tratamiento de las olas en una determinada zona costera es complicado y supone el empleo de la estadística, es posible una cierta formalización matemática sencilla del fenómeno del oleaje.
Las olas pueden ser tratadas como una onda; como todas las ondas, pueden caracterizarse por una serie de parámetros: longitud de onda, que es la distancia entre dos crestas de la ola; amplitud, que es la altura de la ola; y velocidad de la ola.
Existen ciertas expresiones matemáticas que nos permiten hacer una estimación de la velocidad de una ola si conocemos su amplitud y su longitud de onda.
Se puede demostrar que en lo referente a la velocidad de una ola hay 2 casos:

- En el caso de olas en que se cumpla que la longitud de onda es mucho menor que la profundidad de la columna de agua (lo que se llaman olas cortas), como sucede cuando una ola se desplaza en aguas profundas, la velocidad viene dada por la expresión:

V = [ (g x l )/ 2pi ]exp 1/2, donde g es el valor de la aceleración de la gravedad, l la longitud de onda y pi el número pi.

Lo que interesa de esta expresión es que cuando la ola se desplaza por aguas profundas, su velocidad únicamente depende de su longitud de onda.
- Cuando se trate de olas en las que su longitud de onda es mucho mayor que la profundidad del agua (las llamada olas largas), como las olas que se propagan en aguas someras, próximas a la costa, se cumplirá que:

V = (g x h) exp ½ , donde “h” es la altura de la ola.

Al igual que en el caso anterior, interesa destacar que cuando una ola se desplaza cerca de la costa, su velocidad únicamente depende de la profundidad, de tal forma que cuanto menor sea la profundidad, menor será su velocidad.
NOTA: Para las olas “intermedias”, en que su longitud de onda es del mismo orden de magnitud que la profundidad, la expresión de su velocidad es más complicada y depende tanto de la profundidad como de la longitud de onda.


Esto y otra idea más, nos permiten entender un fenómeno que todos hemos visto: el rompiente.
Esa otra idea es el omnipresente en ciencia, principio de conservación de la energía: que dice que en todo proceso en que no actúen fuerzas externas, la energía se conserva; no se pierde ni se crea, se transforma..

Pues bien, una ola va a tener una determinada energía; esta energía va a ser de dos tipos: la denominada “energía cinética”, asociada y dependiente de su velocidad; y otra llamada “energía potencial”, que depende de la altura de la ola.

Las olas se originan, normalmente, debido al esfuerzo que el viento ejerce sobre la superficie del agua. Se forman normalmente a cierta distancia de la playa.
En ese momento, la ola tendrá una determinada energía cinética, vinculada a su velocidad; a medida que la ola se vaya acercando a la linea de costa, irá sienco cada vez menor la profundidad de la columna de agua que tenga debajo, hasta que llega un momento en que la longitud de onda será mayor que la profundidad. En ese momento, si recordamos lo que dijimos anteriormente, se cumplirá que su velocidad se irá haciendo menor al ir disminuyendo la profundidad. Esto se traducirá en que a medida que la ola se acerca a la playa, irá teniendo menor energía cinética.
Pero hemos dicho que si no actúan fuerzas externas (y en el caso simplificado de oleaje que manejamos se puede asumir, aunque haya cierto rozamiento debido a la fricción del agua superficial con el aire y el fondo), la energía se ha de conservar.
Si disminuye la energía cinética, la única posibilidad para que la energía se conserve, es que esta energía cinética que se está “perdiendo” se convierta en energía potencial. Y hemos dicho que la energía potencial depende de la altura. Por tanto, si está aumentando la energía potencial, eso quiere decir que está aumentando la altura de la ola.
Es decir, cuando una ola está cerca de la línea de playa, a medida que vaya avanzando, como consecuencia del principio de conservación de la energía, irá aumentando su altura. Esto hará que la ola se haga inestable y llegue un momento en que su altura sea mayor que la profundidad: en ese momento la ola “chocará” con el fondo, y romperá.

¿QUÉ PASA CON UN TSUNAMI?

Un tsunami o maremoto, es una ola o tren de olas, que se producen en una masa de agua cuando es desplazada violentamente por una fuerza de gran magnitud, como pueda ser un terremoto submarino, un colpaso volcánico, un derrumbe o ( se espcula con ello) la caída de un meteorito.
No ha de confundirse tsunami con las fuertes marejadas o el el llamado mar confuso, generado por tempestades, fuertes vientos o huracanes, pues aquellos se generan superficialmente por movimientos horizontales del agua provocados por el viento, rara vez se propagan más allá de 100 metros de la línea de costa y su energía decrece desde la zona donde se generan. Los tsunamis, por el contrario, se originan mar adentro por movimientos verticales, y conservan su energía desde el principio hasta el final

Como hemos visto, los tsunamis se originan por cualquier causa que haga que la masa de agua oceánica se desplace bruscamente en sentido vertical, lo que produce que el agua sea alejada de su equilibrio normal. En ese momento, el agua tratará de recuperar su posición de equilibrio y se originará la ola o tren de olas de características peculiares que llamamos tsunami.
Hoy he oído decir por televisión que este proceso es análogo a un latigazo, y realmente es un ejemplo muy bueno, pues el movimiento que hace la superficie del agua es muy similar al de un látigo.
Los tsunamis van a ser olas con una longitud de onda de magnitud igual al radio del océano donde se generan; por eso, esta lonitud de onda nunca va a ser menor de 100-200 km. Su altura, en el punto en mar abierto en que se generan, es solo de medio metro a un metro, aproximadamente.
Si tenemos en cuenta que la profundidad del océano tiene como media unos 5 km, esto implica que la longitud de onda de la ola es mucho mayor que la profundidad de la columna de agua.
Si recordamos lo que vimos en el apartado anterior, ésta es la característica de las olas que se llaman olas largas. Y en estas olas, la velocidad es proporcional a la profundidad.Por este motivo, aguas adentro, los tsunamis tienen velocidades enormes, del orden de 700-800 km/h. Estas altas velocidades, junto con su pequeña altura mar adentro, son las responsables de que los barcos que se encuentran navegando a altas distancias de la costa no se percaten de la ola. Estas dos características determinan que estas olas apenas afecten mar abierto.
El problema se plantea cuando los tsunamis se acercan a la costa. En este caso sucede algo similar al fenómeno de rompiente que describimos más arriba.
Al acercarse a la plataforma y al medio litoral, la profundidad va siendo menor. En consecuencia, la velocidad se reduce (recordemos que en los tsunamis la velocidad depende de la profundidad), lo que determina que la energía cinética se reduzca. Como el principio de conservación de la energía “impone” que la energía se conserve, la energía cinética que se está perdiendo se estará convirtiendo en energía potencial. La energía potencial depende de la altura, lo que implica que al aumentar la energía potencial aumenta la altura de la ola.
Este aumento de la altura de la ola cerca de la costa -unido al hecho de que al ser la velocidad menor,hace que las olas que se van acercando a costa se vayan apilando- determina que una gran masa de agua se precipite tierra adentro, llegando en ocasiones a afectar a varios kilómetros de distancia (aprovechando en ocasiones ríos y estuarios para penetrar).
A esto hay que añadir dos agravantes: en algunas costas, particularmente costas resguardadas, se dan fenómenos de resonancia (el movimiento libre propio del agua se combina con el del tsunami) lo que amplifica la ola y sus efectos destructivos; y el tsunami arrastra debido a sus efectos erosivos, rocas, fragmentos, restos de construcciones derruidas,… que aumentan sus efectos negativos.

Para los tsunamis, en 1949 Inamura, propuso una escala de destructividad, análoga a la escala de Richter de terremotos o la de Saffir de huracanes.

Es asombroso que con una idea, con un principio tan abstracto y arbitrario como el principio de conservación de la energía, la ciencia logre explicar un fenómeno tan real y complicado como los tsunamis.
Una bella demostración de la eficacia de la matematización de la ciencia. Sirva pues de buena replica para aquellos que dicen que la matematización de la ciencia la ha alejado de la realidad y de la explicación de fenómenos naturales.

jueves, diciembre 23, 2004

Planeta Azul


Foto tomada por Bill Anders astronauta del "Apollo 8" Posted by Hello

He querido que la primera foto que colgase en mi blog(lo que me ha costado averiguar cómo hacerlo) fuera ésta. Por varios motivos. Porque me encantan todas las hazañas e historias que sucedieron durante la carrera espacial. Porque me emociona todo lo que representó el programa Apollo. Porque de todas las misiones que hubo, las que más me han gustado fueron el Apollo 8 y el Apollo 17. Porque soy un apasionado de las geociencias. Porque me encanta esta foto, y sobre todo, porque me encanta la Tierra.
Y además, porque estos días se cumple el aniversario de algo muy especial.
Estos días se cumplen 36 años de un suceso histórico. Se cumplen 36 años de la misión lunar Apollo 8, la legendaria misión que llevó a 3 hombres a circumvalar por vez primera nuestro único satélite natural.
Una fecha como hoy, hace 36 años, los 3 tripulantes del Apollo 8, Frank Borman, Bill Anders y Jim Lovell, se encontraban camino de la Luna. Un 21 de diciembre de 1968, se ponían en marcha los motores del cohete Saturno V, y con él, también arrancaba la misión Apollo 8. Se fraguó entonces uno de los momentos más grandiosos de todo el programa Apollo, de toda la carrera espacial y, por extensión, uno de los momentos más gloriosos de la historia de la humanidad.
El objetivo principal de la misión, era realizar la circunvalación a la Luna, lo que se consideraba como paso previo para poder hacer un alunizaje. Gran parte de los logros de todo el programa Apollo residieron, precisamente, en esta misión. Realmente, estos 3 astronautas fueron los autenticos pioneros.
Tras un viaje de 70 horas, el 24 de diciembre (bonita fecha para llegar) entraban en órbita lunar y daban 10 vueltas a la Luna. Con esta misión, la NASA pudo comprobar que efectivamente era posible ir a la Luna, pudieron comprobar la misión de reentrada con una nave procedente de la Luna, y se abrió definitivamente la puerta para que algún humano llegase a posarse sobre la superficie lunar.
En contra de lo que pudiera parecer, el aspecto que contemplaron de la Luna estos 3 astronautas no les maravilló. Les pareció tremendamente yermo y desolador, llegando a calificarlo con sus propias palabras como un paraje tremendamente desolado. Sin embargo, en su primera órbita lunar hubo algo que les conmovió. Cuando pasaron por el trayecto de orbita correspondiente a la cara oculta se sobresaltaron al comprobar que la luna desaparecia y adquiria el aspecto de un enorme “agujero negro”. Pero cuando comenzaron a entrar en la parte correspondiente a la cara visible se toparon con un espectáculo imponente y que, hasta el momento, muy pocos han podido contemplar: pudieron ver una “salida” de la Tierra. Al empezar a entrar en la cara visible, a causa de estar orbitando, pudieron ver como el globo terrestre comenzaba a despuntar en la lejanía; algo así como un amanecer terrestre. Y vieron como nuestro planeta destacaba por su intenso color azul. Es entonces cuando Frank Bormann califica a nuestro planeta como “el planeta azul”, una expresión que seguramente todos hemos oído. Tal fue la admiración y el sentimiento de belleza que despertó este panorama en los 3 astronautas, que, en contra de lo programado, Bill Anders cogió la cámara de la misión y le sacó una fotografía a nuestro planeta. En mi opinión, la fotografía más bonita y emotiva que se haya realizado jamás.
La hazaña de estos 3 hombres y de todo el equipo de cientificos e ingenieros que hicieron esto posible, está a la altura de la acometida por Magallanes y Elcano cuando circunnavegaron por primera vez el globo terrestre.
Cuando se habla de la llegada a la Luna, muchas veces se habla de el Apollo 11, y se olvida o pasa por alto sobre el resto de misiones. Sin embargo, hubo misiones antes y misiones después. Y todas han quedado unidas con la historia.
Para terminar, una frase que recuerdo haber oido decir a Bill Anders en una entrevista con motivo del aniversario de la llegada a la Luna. No son palabras textuales, pero decía algo así como que lo que sintió cuando entró en órbita lunar fue un “sentimiento de que habíamos viajado miles de kilómetros y llegado tan lejos, para que lo más importante que contempláramos fuera nuestro propio planeta, la Tierra”. Paradójico; tener que ir tan lejos para maravillarnos por lo que tenemos tan cerca. No se hubiese podido expresar mejor.

sábado, diciembre 18, 2004

El sutil arte de detectar camelos

George Cuvier (1769-1832) fue una de las mayores autoridades académicas de su época.
Proveniente de una familia aristocrática, se mostró atraído por la historia natural, y un trabajo suyo sobre anatomía de los moluscos, llamó la atención de otro de los grandes naturalistas del momento, Geoffroy de Saint-Hilaire. Por invitación de éste, Cuvier ingresó como profesor en el Museo de Historia Natural de Paris, y su talento y sagacidad, le hicieron prosperar rápidamente, hasta el punto de convertirse en una de las personalidades cientificas más reputadas e influyentes del siglo XIX. En su momento decir Cuvier era un argumento de autoridad suficiente para apoyar una idea.
Una de las mayores aportaciones de Cuvier a la historia de la ciencia fue su principio de correlación orgánica, según el cual las diferentes partes y órganos de los organismos se hayan relacionadas como un todo, de tal manera que la estructura de uno depende de la del resto. Es decir, la forma de un órgano está relacionada con la del organismo y el resto de partes (Le ruego al lector que retenga un tiempo en la mente ésta idea de la correlación orgánica, pues servirá para comprender mejor la anécdota que se relatará más adelante). Basándose en ese principio, logró reconstruír infinidad de restos de organismos fóiles en base tan solo a restos sueltos. Este principio fue resumido por él mismo con gran soberbia con la frase “Dadme un hueso y os reconstruiré el animal”. Reconstrucciones que hicieron de él una figura legendaria.
Estableció también una clasificación de los animales en 4 tipos fundamentales: Vertebrados, Articulados, Moluscos y Radiados.
Cuvier le dio carácter cientifico a la, ya entonces vieja, idea de las catástrofes introduciendo el concepto de extinción. Cuvier interpretaba la historia de la Tierra de un modo muy particular: para él, la Tierra a lo largo de su historia había pasado por períodos donde sucedieron procesos muy intensos, a los que llamaba Revoluciones (omitió el empleo del término catástrofe, pues tenía fuertes connotaciones sobrenaturales), que habrían acabado con las formas de vida de cada etapa; tras cada revolución, tendría lugar una nueva creación de vida, con lo que se originarian nuevas formas. Es lo que se ha dado en llamar Teoría Catastrofista.
Se opuso a la idea de evolución, y mantuvo un enfrentamiento público con Saint-Hilaire a este respecto. Las ideas de ambos sobre la historia natural se fueron distanciando con el tiempo.
En contra de lo que se dice muchas veces, Cuvier no le dio a su teoría catastrofista ningún significado religioso ni trascendente.

Pese a que sus ideas sobre la evolución se han mostrado erróneas, sin duda fue un gran científico. Introdujo el concepto de extinción y de revolución, que, en cierto modo, aún sigue vigente en geología en la idea de evento estratigráfico. Se considera el padre de la paleontologia como ciencia y de la anatomía comparada y, sin duda, fue uno de los grandes anatomistas de la historia. Extendió la biología al estudio de las formas fósiles y puso de relieve la relación entre los fósiles y las rocas a las que aparecían asociados. Y aunque se opuso al concepto de evolución, estableció una serie de ideas que constituyeron una parte importante de la idea de evolución, como son: la idea de migración y dispersión de los organismos; la idea de que la función determina la forma del órgano y el carácter aleatorio de la variación.

Tras ésta introducción a la figura de Cuvier, quisiera contar una anécdota que circula sobre él. Resulta que al parecer, a Cuvier le sucedía algo que es usual en los profesores: no levantaba la simpatía de sus alumnos (y seguramente, como sucede con casi todos los profesores, probablemente este sentimiento de repulsa estaba bien merecido).
En cierta ocasión, sus alumnos decidieron vengarse del odiado profesor. Para ello planearon una broma que consistía en que uno de ellos se colase en su dormitorio disfrazado del demonio(con rabo y cuernos, y todo eso), mientras el resto, escondidos en la oscuridad, esperarían para reírse de la desgraciada eminencia.
Le pido ahora a quien esté leyendo esto, que se haga una pregunta. Pónganse en la piel de un hombre de comienzos del siglo XIX. Supongan que tienen unas firmes convicciones. Que están en su habitación, durmiendo plácidamente y que de repente se depiertan bruscamente, y de la oscuridad destaca la silueta del Demonio, que además está haciendo movimientos y sonidos amenazantes, y se dirige a ustedes diciendo: “Soy Satanás y voy a comerte.” Ahora pregúntense, ¿cuál sería su reacción con todos estos antecedentes?
Me imagino, que como mínimo, sobresaltarse.
Sin embargo, la reacción del inefable Cuvier fue bien distinta, y bastante más elogiable; tras observar al “demonio” exclamó: “no puedes devorarme; tienes pezuñas y cuernos. El principio de correlación orgánica me dice que eres herbívoro”. La reacción de todos los alumnos fue la de aplaudir a su maestro.

La sagacidad y la astucia que mostró Cuvier son, como poco, encomiables.
Alguien que manifieste ese espíritu crítico y esa manera de razonar, revela que es alguien que no solo ejerce la ciencia, sino que la ha asumida y la concibe como una forma de entender el mundo.
Quizás la anécdota sea pura leyenda, pero pone de relieve algo que todo ciudadano interesado en ciencia debería tener: la capacidad de razonar criticamente y de saber dudar. Sustituyamos la broma y el demonio, por un relato de OVNIS, de manchas de humedad en la pared de una casa, de apariciones marianas,…o incluso, las noticias cientificas que muchas veces nos plantean en prensa (donde muchas veces nos venden con titulares rimbombantes experiencias cientificas que no son tanto, o que están hechas con el mínimo rigor).
Es muy importante en tales casos saber usar la capacidad de dudar. Saber razonar, y saber distinguir una argumentación consistente de otra inconsistente. No ya solo si se quiere ser un buen profesional en ciencia, sino también si se quiere ser una persona difícil de engañar (como lo era el barón Cuvier).
De esta anécdota podemos sacar una lección valiosa que nos servirá si queremos ser artistas en el sutil arte de detectar camelos.

viernes, diciembre 10, 2004

¿Qué es un hombre?

¿Qué es un hombre?
Una pregunta fácil, pero de difícil respuesta. Alguién con conocimientos de biología quizás me diga algo como “un hombre es el individuo masculino de una especie de primates, llamada Homo sapiens que se caracteriza por…”. Un filósofo quizás me respondiese algo así como que “un hombre es un ser libre y pensante, que reflexiona sobre su propia existencia y sobre el mundo”. Alguien con firmes convicciones religiosas no dudaría en responder “el hombre es la cumbre de la creación de Dios”. Un físico diría que “un hombre es un sistema termodinámico extremadamente complejo en un estado de alejamiento del equilibrio tan grande que se autoorganiza adquiriendo una configuración compleja que cambia en cada momento”.
Sin embargo, la pregunta la planteé con trampa. No pretendia hacer nada más alla que un chiste. La broma consiste en que después de hacer romperse la cabeza a los interlocutores buscando una respuesta, decir con aire tranquilo y con una risa sardónica, que “un hombre es el instrumento de un espermatozoide para producir más espermatozoides”. (El chiste podía haber sido hecho con “¿Qué es una mujer?...”, pero como hubiese sonado machista, opté por la opción masculina. Por lo de evitar problemas innecesarios).

Sin embargo, el supuesto chiste es tremendamente desesperanzador. Cualquiera de las respuestas anteriores (la del filósofo, la del biólogo, la del fisico o la del religioso), quizás hubiesen sido menos descriptivas, pero hubiesen transmitido sensaciones más positivas. Pues en ellas hay cabida para la confianza en la libertad humana, en el libre albedrío, en que cada persona tiene objetivos de vida más allá que la simple reproducción,…. En cambio, afirmar que un hombre no es más que una herramienta de un espermatozoide, un instrumento de unos genes (al parecer egoístas), viene a ser equivalente a decir que el objetivo que mueve las vidas de todos es reproducirnos. Que 80 años (para el que tenga suerte) de vida, de sufrimientos, de esfuerzos, de trabajo, de estudios,… se reducen a una cópula exitosa. Que un ser que solo tiene cabeza y un largo flagelo es quien nos controla. Y lo triste es que puede que sea así. Por lo menos yo no confió en nada trascendente.

Y toda esta reflexión barata, mala y sinsentido viene a cuento de que un amigo me planteó la pregunta “¿Qué es una gallina?”; y su respuesta fue “el instrumento de un huevo para crear otro huevo”. La verdad que como chiste tiene gracia, y como frase, es ingeniosa, pero realmente es una definición que le da la vuelta a la tortilla (nunca mejor dicho, hablando de huevos): en principio, sería más logico decir que el huevo es el instrumento de una gallina para producir otra gallina. Pero realmente, es posible que la cosa sea al revés de como pensamos, pues lo que sobreviven son los genes, no las gallinas. En fín, que ésto es como discutir del sexo de los ángeles (por cierto, ¿Qué es un angel? El instrumento de…¿qué?). Hablando de las gallinas: al parecer estos días ha salido la noticia de que han descifrado el genoma del pollo. Y por un equipo español(es lo que me resulta más curioso de la noticia, teniendo en cuenta el estado de la ciencia hispana).
Tras esta estúpida broma seudofilosófica me despido. No sin antes dejar otro acertijo ¿Cuál es el animal más parecido al hombre?
No, no es el chimpancé. Es la mujer.