¿Se puede hervir agua en una botella de plástico?

La pregunta de esta semana nos la envía Jessy:

hola jesús!!!!! amo tu blog!!

queria saber por que se puede calentar agua en una botella de plastico o bolsa

por qué esta no se derrite?

y 2do: porque hierve? como es que hay lugar para el vapor?

jessy 

¡Muchas gracias Jessy! Efectivamente, se puede hervir agua en una botella de plástico sin que ésta se derrita. Esto se debe a que el calor que recibe la botella, se transmite al agua, disipándolo. De esta manera se consigue que la temperatura de la botella no suba lo suficiente como para fundirse. Podríamos decir que de cierta manera, el agua enfría la botella, acaparado para sí misma el calor. 

¿Y porqué hierve? Al acaparar el agua el calor, ésta empezará a subir de temperatura, hasta llegar un punto en el que rompa a hervir. "Pero... si el agua hierve, significa que está a 100ºC. ¿No debería la botella derretirse a 100º?" Pues no. Resulta que el punto de fusión de las botellas de plástico que utilizamos en el día a día es de 260ºC. Si colocamos estas botellas encima de una llama, su temperatura subirá de 260º y se fundirá. Pero si las calentamos con agua dentro, y disipamos su calor consiguiendo que no suba de esa temperatura, la botella podrá contener agua hirviendo a 100º sin derretirse.

Por otro lado, estate tranquila que el vapor se hará su hueco. Si la botella está abierta mientras el agua hierve, pues no hay problema. Y si está cerrada, la botella comenzará a hincharse a causa del vapor que se genera al hervir el agua y terminará por estallar. Ocurre lo mismo que cuando ponéis una olla en la cocina con la tapa puesta.   El vapor hace aumentar la presión dentro y llega un punto en que la tapa salta.

Para los que aún no se lo crean (yo no me lo creería...), os dejo un vídeo donde se comprueba cómo la botella, a pesar de ahumarse por fuera, no se derrite y permite que el agua de su interior hierva:

Antes de terminar recordaros que podéis enviar vuestras dudas y preguntas a los.porques@gmail.com, o bien dejarlas en los comentarios.


Imagen de: http://hippitifaldi.blogspot.com.es

CanSat Competition 2012

Hola de nuevo a todos! Antes de nada pediros perdón por mi larga ausencia durante este mes. Podría deciros que no he tenido un segundo este mes, pero no dejaría de ser una excusa.

Hoy vengo a contaros una historia que os anticipaba en uno de mis últimos mensajes en la página de Facebook. Se trata de la competición CanSat que organiza la Agencia Espacial Europea y que ha tenido lugar este fin de semana en Noruega. Esta competición existe a nivel nacional en muchísimos países. Por ejemplo, a nivel hispano la organiza el LEEM en colaboración con la Universidad Politécnica de Madrid.

¿Y que se hace en esta competición? El objetivo de esta competición, enfocada a colegios e institutos, es diseñar un satélite que tenga el tamaño de una lata de refresco ("can" en inglés significa lata). Estos pequeños satélites deberán ser capaces de geoposicionarse y enviar o grabar datos tanto ambientales (presión, temperatura...) como los específicos de cada experimento. Y todo concentrado en una lata!!

Este año, a nivel europeo España contaba con un único representante: DeLaCosa CanSat Team. Se trata de un equipo de alumnos guiados por el profesor José Francisco Romero. Este equipo no es nuevo en esto, ya que el año pasado consiguieron la mención de honor en esta competición europea y este año querían obtener el primer premio.

El equipo español hace un seguimiento de su cohete

El objetivo que fijaron para su CanSat era dibujar un mapa 3D de la zona de aterrizaje. Para ello, tras el lanzamiento, el satélite desplegaría dos brazos, con los que una cámara iría grabando el terreno. Después, junto con los datos obtenidos podrían realizar un mapa detallado de la zona. Este experimento, ha sido quien ha dado  nombre a este equipo, en honor del cartógrafo español Juan de la Cosa. 

José Francisco Romero (a la dcha.) contrasta datos con el equipo italiano ENFoRCE

Finalmente, la ESA ha publicado hoy los resultados de los lanzamientos por parte de los distintos equipos. En concreto, nuestro equipo perdió su CanSat debido al desprendimiento del paracaídas. sin embargo, pudieron usar las imágenes grabadas por el equipo francés para realizar el mapa 3D de la zona, consiguiendo así el objetivo marcado.

Diseño del paracaídas del CanSat

Terminar diciendo que, según mi punto de vista, el gran logro conseguido, ha sido el de este profesor.  Ha conseguido que un grupo de chicos se interesen por la investigación, superando todos los obstáculos e imprevistos que seguro les han surgido, y llevándoles hasta la final de una competición europea, lanzando con éxito (cosa que otros equipos no hicieron) su satélite. Estoy seguro que es una experiencia que estos chicos de 17 años no olvidarán en su vida.

¿Por qué los coches hacen "fiummm" al pasar?

Al oir un coche, todos sabemos si se está acercando o alejando. Lo sabemos de forma instintiva por el sonido que escuchamos. Cuando se acerca, el sonido que produce es mucho más agudo (de mayor frecuencia), mientras que cuando se aleja el sonido que escuchamos es mucho más grave (de menor frecuencia). Eso es lo que con mayor o menor acierto he intentado reproducir con la onomatopeya "fiummm". Pero, ¿por qué suena distinto un coche cuando se aleja que cuando se acerca?



Los coches (y cualquier cosa), al moverse generan unas ondas que se propagan por el aire. Estas ondas, se adelantan al coche y van "avisando" al aire de que se prepare, porque viene un coche, y debe moverse para dejarle pasar. Esa perturbación del aire se traduce en sonido, que llega a nuestros oídos con antelación al coche. Muy bien, ya sabemos por qué se produce el sonido. Veamos ahora por qué es agudo cuando el coche se acerca y grave cuando se aleja.

Como alguno imaginará, tendrá que ver con que el coche no está quieto sino en movimiento. En efecto, al moverse, el coche puede comprimir o expandir esas ondas, dependiendo si se acerca o aleja, modificando su frecuencia. Esto se conoce como Efecto Doppler. Para que lo veáis mejor, os dejo este applet con el que podréis jugar con la velocidad del coche (dada como decimal de la velocidad del sonido) y observar cómo varía la forma de las ondas. Cuanto más juntas estén las ondas, mayor será su frecuencia y más agudo será el sonido; y al revés.

Otro ejemplo clásico de este efecto, y donde quizás se vea mejor es en las ambulancias o coches de policía y bomberos. En estos casos, los coches, además de emitir las citadas ondas, emiten un sonido (la sirena) en forma de onda que también sufrirá el efecto Doppler. Por este motivo, las sirenas suenan más agudas cuando se acercan que cuando se alejan.

Para terminar, comentar que el efecto Doppler tiene infinitas aplicaciones. Una muy curiosa son los rádares de velocidad (con los que nos multan!) En este caso, el rádar emite un impulso que rebota en nuestro coche y vuelve al aparato. El dispositivo mide la variación de la frecuencia en el impulso y aplicando el efecto Doppler a la inversa, calcula la velocidad a la que nos movemos. Actualmente se usan otros métodos, pero Doppler es uno de ellos.

Para terminar, animaros a dejar vuestras preguntas en los comentarios o en los.porques@gmail.com.

PARA QUIEN QUIERA SABER MÁS:

En el applet anterior empezad desde una velocidad de 0,8 e id aumentándola lentamente hasta 1,3. Observad qué pasa. Lo que estáis viendo es lo que ocurre en la realidad cuando un avión sobrepasa la velocidad del sonido: rompe la barrera del sonido y se forma el característico cono de Mach (es así como se llama). Aunque lo explicaré en futuras entradas, cuando el avión supera la velocidad del sonido, se mueve más rápido de lo que se propagan las ondas, por lo que se adelanta e impide que el aire se "prepare" a su llegada. Las ondas emitidas van por detrás de él, formando ese cono que véis (véis un triángulo, pero en realidad (3D) es un cono).

¿Por qué el agua caliente se congela antes que la fría?

Así es señores, como están escuchando. El agua caliente se congela antes que la fría. Bueno, para ser ciertos, bajo ciertas condiciones... Pero empecemos por el principio.

En 1963, Erasto B. Mpemba estaba en una clase de cocina de su escuela de secundaria en Tanzania. Preparando helados, observó cómo las mezclas calientes se solidificaban antes que las frías. Anteriormente, personas como Descartes o Aristóteles se habían percatado de este hecho, pero nadie había sido capaz de darle una explicación. Incluso hoy en día no se ponen de acuerdo. A este fenómeno se le conoce como Efecto Mpemba.

Os propongo que hagáis un experimento. Coged dos vasos de agua idénticos e introducid una misma cantidad de agua (podéis tomar como medida un vaso más pequeño, como un vaso de chupito por ejemplo). Mientras que en uno echad agua cogida de la nevera, en el otro cogedla caliente del grifo (pero que esté muy muy caliente), eso sí, con cuidado! Ahora metedlos en el congelador. Como no podemos ver cual se congela antes, lo que vamos a hacer es dejarlos 10 minutos y ver cual está más congelado. Tachán!

Habréis comprobado que el vaso caliente se encuentra en un proceso más avanzado de congelación. Para los que sean más perezosos, les dejo un vídeo donde se realiza el experimento en un laboratorio. Lo que hay dentro de los tubos de ensayo parecen ser unas sondas para medir la temperatura.

Veamos por qué ocurre el efecto Mpemba. El tiempo de congelación de un líquido depende de muchos factores: la temperatura, el recipiente, si tiene impurezas disueltas, las imperfecciones del recipiente... (por este motivo os pedí coger dos vasos iguales para hacer el experimento)

El efecto Mpemba dice que dados dos recipientes con agua cuyas temperaturas difieran más de 30º (aprox.), el recipiente con agua caliente se congelará antes que el de agua fría. Esto se debe a muchos factores:

• La evaporación: El agua caliente se evaporará más rápido. De esta manera, la masa de agua resultante que deberá congelarse es menor. Si se taparan los recipientes con un plástico, se comprobaría que aunque sigue produciéndose el efecto Mpemba, la diferencia de tiempos es menor.

• La convección: La convección es una forma de transmitir calor. Durante la congelación, las partes frías de agua bajan hacia la parte baja del recipiente (y al revés), repartiendo la temperatura. En el agua caliente, al tener mayor temperatura, ese movimiento de agua es más activo.

• Gases disueltos: El agua caliente posee puede disolver menos gases, que dificultan la congelación.

• Superenfriamiento: A este efecto le dedicaré una entrada en el futuro. De momento deciros que el agua fría podría entrar en un estado metaestable, permaneciendo a una temperatura menor a 0º sin congelarse.

Debido a la multitud de variables, los científicos se han visto en problemas para diseñar experimentos que analicen cada una por separado, aislando su efecto. A esto, se debe añadir la complejidad de las ecuaciones (diferenciales en derivadas parciales) del sistema y su dificultad de resolución.

Para terminar, os dejo un vídeo, donde se ve mucho mejor el efecto Mpemba. Si alguno vive en alguna zona tan fría que en invierno se alcancen estas temperaturas, le animaría a realizar esta sencilla prueba. De hecho, en el hemisferio sur, seguro que por estas fechas ya se están alcanzando esas temperaturas, por lo que si me enviáis un vídeo, prometo colgarlo.

Para terminar, como siempre, animaros a dejar vuestras preguntas en los comentarios o en: los.porques@gmail.com

¿Por qué se pueden romper las copas cantando?

Una noche, estábamos cenando en mi casa y mi amigo Víctor empezó a hacer sonar una copa de agua, mojando el borde y deslizando su dedo. En esto, comenzó a vibrar ligeramente y le pedí que parara porque la iba a romper. Él me preguntó por qué, a lo cual respondí: "Porque entra en resonancia". En esta entrada voy a explicar qué es la resonancia, por qué ocurre y cómo se puede evitar.

Seguro que muchos habréis visto alguna vez cómo una soprano rompe una copa de cristal sin más que cantar, o cómo la lavadora de tu casa "echa a andar" cuando llega al ciclo de centrifugado. La verdad es que la resonancia está en múltiples facetas de nuestra vida, y los ingenieros, conocedores del gran problema que supone, pasan bastantes horas ideando como evitarla. Pero... ¿qué es la resonancia?

Todas las cosas tienen una frecuencia (o varias), llamada frecuencia propia, natural o característica. Si se hace vibrar cualquier objeto a su frecuencia propia, la vibración se hace tan tan grande que llegaría a romperse. Se dice que ha entrado en resonancia. Esto es lo que ocurre con las copas. Las copas se rompen no tanto porque la soprano cante muy fuerte, sino porque es capaz de cantar a la frecuencia propia de la copa. Al cantar, el sonido que emite son ondas que poseen una frecuencia (cuanto más agudo, más alta). Al llegar el sonido a la copa, transmite esa frecuencia haciendo vibrar la copa. En el siguiente vídeo, se rompe una copa emitendo sonido con un ordenador y mostrando la freceuncia y amplitud de vibración en un osciloscopio.







Algo parecido ocurre con las lavadoras. Las actuales, ya han corregido ese problema, pero las antiguas, al llegar el centrifugado, el régimen de giro del tambor pasaba por la frecuencia propia, llegando a moverse. La solución casera era poner más peso encima. ¿Por qué? No se paraban porque pesaran más y les costara más moverse, sino porque al variar su masa se variaba la frecuencia propia sacándola del estado de resonancia.




Otro ejemplo típico que se pone siempre es la catástrofe del puente colgante de Tacoma Narrows, en el que el viento hizo que entrara en un modo de vibración que lo llevó a romperse. Sin embargo, a pesar de lo que se piensa, este puente no se rompió por entrar en resonancia, sino por algo conocido como flameo.



Para terminar un par de anécdotas:

- ¿Sabías que las tropas Nazis, antes de cruzar un punte, tocaban "rompan filas"? Era justamente para evitar que la frecuencia del paso de los soldados coincidiera con la frecuencia propia del puente y se derrumbara.

- Cuando quieres lanzar un satélite, Ariane o la NASA te piden específicamente que tu satélite no vibre a unas determinadas frecuencias. Esto es porque esas frecuencias se corresponden con las frecuencias propias del cohete, y tu satélite podría romperlo!!

Como habéis visto, la resonancia es un problema estructural bastante grave y más común de lo que a priori pudiéramos pensar.

PARA QUIEN QUIERA PROFUNDIZAR:

Todo estructura o aparato, posee una frecuencia (o varias), llamada frecuencia propia o característica (omega_0), que depende de su masa, su estructura, rigidez y distribución. Si se excitase dicha estructura a la citada frecuencia, la amplitud de la vibración crecería, debido a que absorbe la mayor energía posible, llegando a provocar el fallo estructural. Abajo dejo la gráfica correspondiente a un sistema de un grado de libertad excitado sin amortiguamiento (en condiciones ideales). Como se puede observar, cuando la frecuencia de excitación (omega) es igual a la frecuencia propia (omega_0), la respuesta se dispara a través de una asíntota. No he puesto la fórmula por no complicarlo más, pero lo que ocurre es que se anularía el denominador.
El flameo es un fenémeno aerolástico en el cual una estructura absorbe energía del fluido circundante, pudiendo llegar a ser incapaz de disiparla, ocasionando el fallo estructural.

¿Por qué se usan cuchillas para patinar sobre hielo?

Mucha gente cree que los patinadores sobre hielo usan cuchillas porque, al ser muy delgadas, reducen el rozamiento, pudiendo así deslizarse por el hielo. La verdad es que el rozamiento que sufren los patinadores sólo depende de su peso y de un numerito llamado coeficiente de rozamiento, que depende únicamente del hielo y el tipo de metal. Por este motivo daría igual que patinaran sobre una cuchilla o sobre una plancha de metal, el rozamiento sería el mismo.

La explicación que se suele dar está basada en la fórmula de Clausius-Clapeyron. Según esta fórmula, la temperatura a la que el hielo se funde depende de la presión que sufre, de forma que cuanta más presión tenga el hielo, menor es su temperatura de fusión y antes se funde. Y ¿Cómo se conseguiría aumentar la presión? Pues reduciendo el área, sobre la que actúa nuestro peso. De esta manera, apoyándonos sólo sobre la fina hoja de la cuchilla, se aumenta la presión y el hielo se funde. Al fundirse, nos deslizamos sobre agua, no sobre hielo, cosa que es mucho más fácil. Por esta razón es por la que se usan raquetas para andar por la nieve: de modo inverso se aumenta el área para que la presión sea menor y no nos hundamos en ella.

Podéis hacer un pequeño experimento en casa para comprobar este efecto. Coged un hilo, tensadlo y haced fuerza contra un cubito de hielo durante unos segundos. El hielo se fundirá debido a la presión. Después dejadlo posado sobre el cubito, pero sin hacer fuerza. Ahora el agua formada previamente comenzará a solidificarse alrededor del hilo. Tras unos segundos, el hilo quedará insertado en el cubito y lo podréis levantar sujetándolo por el hilo. No he encontrado el vídeo exacto, pero os dejo uno en el que se ve este efecto (no hagáis caso a la explicación final).



Sin embargo Clapeyron, sin dejar de ser cierto, no es suficiente para justificar la fusión y el deslizamiento. Si hacemos números, saldría que para conseguir que se fundiera el hielo debajo de nosotros tendríamos que pesar más de 120kg!! Lo que en realidad ocurre es que el hielo se funde por fricción (por el calor desprendido de la fricción) y no por el efecto de la presión. Además, según he podido saber, el uso de cuchillas está indicado para facilitar los giros (del mismo modo que se usan patines en línea).