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Web El Patíbulo

viernes, febrero 11, 2005

La caída de graves, el "Apollo 15" y la velocidad de los ríos

Antes del siglo XVI, antes de que la ciencia moderna naciera de la mano de genios irrepetibles como Galileo o Newton (por decir unos nombres), la ciencia (y la fisica en particular) era una actividad en gran parte reflexiva. La física era una física alejada de la experimentación (ello no quiere decir que anteriormente al siglo XV no hubiera habido grandes observadores o experimentadores; un ejemplo, Arquímedes). Durante la edad Media, el pensamiento imperante era el Aristotélico; era la última palabra del conocimiento.
La física aristotélica (fue Aristóteles quien acuñó el nombre de física) tenía algunas ideas bastante curiosas en relación al movimiento de los astros, y al movimiento de los cuerpos.
Una idea particular era la caída libre de los cuerpos (la caída vertical de un cuerpo desde una altura). Para la física aristotélica, esta caída era más rápida cuanta más masa tuviese un cuerpo. Esta idea era errónea. Pero se asumió, en parte (dejando de lado el peso que tenía aristóteles) por la ausencia de experimentación.
Sin embargo, para fortuna de la humanidad, en el siglo XVI vino el genial Galileo para auxiliarnos, e introdujo de lleno la experimentación en la ciencia.
En realidad, hoy sabemos, gracias a Galileo, que si dejamos caer dos objetos de distinta masa desde la misma altura en un espacio que no hay aire (para evitar el rozamiento con el aire) los dos llegan a la vez al suelo. La caída libre de un cuerpo no depende de su masa.
Se cuenta que para demostrar este hecho, Galileo dejó caer distintos objetos desde la torre inclinada de Pisa. Pero como caían muy rápido, se las ingenió para ralentizar la caída modificando radicalmente el diseño del experimento, y es entonces cuando realizó sus famosas experiencias del plano inclinado.

La física casera del programa “Apollo”

Durante la misión del Apollo 15, el comandante de la misión, Dave R. Scott, aprovechó el casi absoluto vacío de la “atmósfera” lunar para emular a Galileo. Para ello dejó caer desde la misma altura un martillo y una pluma: efectivamente, los dos llegaron a la vez (ésto demustra dos cosas: que Galileo tenía razón, y que los conspiaranoicos se equivocan cuando dicen que el hombre no pisó la luna). Ante las cámaras de la misión, se pudo comprobar una vez más que Galileo tenía razón. Eppur si muove.
Conceptos básicos sobre la energía

¿Qué es la energía? Desde un punto de vista mecánico, la energía se puede definir como una magnitud que cuantifica la capacidad de un cuerpo de desarrollar una fuerza, o de desarrollar un movimiento.
Teniendo esta definición presente, será fácil entender que un cuerpo en movimiento, por el simple hecho de estar moviéndose, va a tener una energía asociada a su estado de movimiento. Efectivamente: ésto es lo que se llama energía cinética. Y esta energía está vinculada a la velocidad del cuerpo.
Sin embargo, ello no quiere decir que un cuerpo en reposo no tenga energía. Si recordamos la definición, dice la “capacidad de un cuerpo de desarrollar un movimiento”. El que un cuerpo esté en reposo, ello no quiere decir que no sea capaz de moverse o de mover a otro cuerpo. ¡Hasta los más fuertes necesitan descansar!
Así, los cuerpos van a tener, a parte de la energía cinética, una energía vinculada a su capacidad de dejar de descansar. A esto es a lo que se llama energía potencial (paradójico, el que estos términos de la física moderna tengan su razón de ser en la diferencia que hacía Aristóteles entre potencia y acto).
Ejemplo de energía potencial: supongamos el martillo que dejó caer el astronauta. En el momento que el martillo está en la mano del astronauta, sin moverse, el martillo tiene una energía potencial, que depende de la distancia que le separa del suelo. En el momento que lo suelta, y cae, llega al suelo con una velocidad: en ese momento solo tiene energía cinética. Toda la energía potencial se convierte en cinética. El cuerpo ha desarrollado un movimiento, y la energía potencia en cierto modo, nos estaba midiendo cuanto movimiento iba a poder efectuar.
Esto nos sirve para introducir otro concepto básico en energía: el principio de conservación de la energía. La energía no se puede ni crear ni destruír. Solo se puede convertir en otras formas de energía. Si seguimos con el ejemplo del martillo: inicialmente el martillo tenía una energía potencial; al llegar al suelo, toda esa energía potencial la había convertido en cinética. Y tras el impacto, toda esta energía cinética se convirtió en calor, la forma más degradada de energía.
Con esto ya podemos pasar al último hilo de este artículo.

¿Dónde es más rápido un río?

Un río representa un sistema natural que se puede considerar dividido en 3 partes:
- El curso alto, su nacimiento. Ahí es donde el río alcanza sus máximas pendientes, donde se nos forman cascadas y rápidos, donde hay turbulencias, donde hay mayor incidencia de la erosión…
- El curso medio: donde hay un equilibrio entre erosión y sedimentación. La pendiente es un menor que en el caso anterior, y ya no hay fenómenos tan violentos como cascadas.
- El curso bajo, la desembocadura. Aquí el río está prácticamente horizontal, y va a haber un predominio de procesos de sedimentación.

Ahora le propongo un acertijo a un eventual lector, en el que no pretendo que gasten mucho tiempo. A la vista de todo lo anterior, de esas 3 partes, ¿dónde irá más rápido el río?

En principio, la observación y la intuición parece indicar que donde el río va más rápido es en el curso alto: ahí hay mayor pendiente; vemos rápidos, hay cascadas,…Y en la desembocadura ha de ir más despacio: el río va horizontal, y además, ahí podemos ver que deposita material.
Sin embargo, todo lo contrario: las mayores velocidades del río se alcanzan en el curso bajo, y en el curso alto las más bajas.
Supongamos una molecula de agua en el nacimiento del río: ahí tendrá una cierta velocidad (y con ello una energía cinética), pero también tendrá una energía potencial asociada a su altura en relación al nivel del mar (que recordemos, nos mide la capacidad que tiene la molécula de caer y moverse hasta el suelo). Cuando esa molécula llega al curso bajo toda la energía potencial que tenía en el curso alto se habrá convertido en cinética; en consecuencia, por definición de energía cinética, el río habrá aumentado de velocidad.

Realmente al hecho de que la velocidad sea mayor en el curso bajo no contribuye solo el tema de la energía (de hecho, realmente no influye, pues el lecho fluvial varía de una zona del río a otra, varía la sección del canal, varía el caudal,…): en el curso alto el agua sigue trayectorias turbulentas, erráticas, y aunque la velocidad de un hilo de agua pueda ser muy alta, los distintos hilos de agua siguen trayectorias distintas, algunas veces, incluso algunos hilos van contracorriente, aguas arriba. En el curso bajo, por el contrario, el flujo es laminar: todos los hilos de agua siguen la misma dirección. En consecuencia, la velocidad media del flujo en el curso bajo será mayor que en el curso alto.
En fín, no todas las ideas en Ciencias de la Tierra son intuitivas.