¿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 empañan los cristales del coche?

Todos hemos visto cómo el cristal de nuestro coche se empañaba mientras conducíamos, o cómo al salir del baño nos encontrábamos el espejo del baño completamente empañado. Hoy vamos a explicar por qué ocurre esto y cómo podemos hacer para evitarlo.

Como muchos sabréis, el aire contiene vapor de agua, es lo que conocéis como humedad del aire. De hecho, el aire podrá disolver mayor cantidad de vapor de agua cuanto mayor sea su temperatura. Esto lo vemos continuamente en los climas tropicales cálidos, que pueden contener muchísima humedad, mientras que los polares casi nada. Ocurre que este agua permanecerá en estado de vapor siempre que se encuentre por encima de una cierta temperatura, denominada temperatura de rocío. ¿Y qué ocurre cuando el aire, lleno de vapor de agua, entra en contacto con el cristal frío? Pues simple y llanamente que se enfría y condensa, en forma de unas minúsculas gotitas, empañándolo. Pero, ¿de dónde viene tanta humedad dentro del coche? Pues de nosotros, que al respirar, expulsamos aire "empapado" debido a la humedad que hay en la boca y fosas nasales.

Ya sabemos qué es lo que ocurre, veamos ahora cómo solucionarlo. Lo que típicamente se ha venido haciendo es o bien poner la calefacción o el aire acondicionado, o bien abrir la ventanilla. Analicemos cada caso:

Si abrimos la ventanilla, lo que hacemos es renovar el aire del vehículo. Por lo general, y aunque llueva, el aire del exterior tendrá mucha menos humedad que el del interior de nuestro vehículo. Esto se debe a que al ser un espacio pequeño, hay muy poco aire, y este se humedece con relativa facilidad. Esta suele ser la solución más rápida y cómoda. ¿Cual es el problema? Pues justamente que no hemos resuelto el problema, sino que lo hemos retrasado. El nuevo aire introducido volverá a humedecerse y los cristales volverán a empañarse.

La otra solución es poner el aire acondicionado o la calefacción. Aquí surge el eterno dilema: aire frío o caliente. Pues da igual. La temperatura no interviene, al menos directamente. Me explico. Por internet circula el bulo de que la condensación se debe a que la parte interior del cristal está a una temperatura mayor que la parte exterior... Como habéis visto, lo único que importa es la humedad del aire, ya que el cristal siempre va a tener la temperatura suficientemente baja como para empañarlo. La luneta trasera del coche posee unos filamentos calientes que pueden calentar dicho cristal, desempañándolo, pero en el parabrisas no tenemos este dispositivo. Así que la única solución es secar el aire del interior del coche, introduciendo aire nuevo seco o de la calefacción o del aire acondicionado. Ventaja de la calefacción: que al ser aire caliente podrá disolver mayor vapor de agua, retrasando la condensación. Ventaja del aire acondicionado: al parecer (pues lo desconocía) el sistema del aire acondicionado lleva un dispositivo de secado bastante bueno, por lo que dicho aire saldrá más seco que el de la calefacción. Conclusión, que cada uno elija en función del coche y de cómo le funcione cada sistema, pero sobretodo en función del calor o frío que tenga!!

Para terminar, algunos coches poseen un botón específico para desempañar el cristal. Lo que hace este botón, según tengo entendido (pues el mío no lo tiene) es meter mucho aire nuevo, poniendo la calefacción y aire acondicionado a máxima potencia. A la vez activan una función para renovar (refresh) el aire.

Recordaros que podéis dejar vuestras preguntas o dudas en los comentarios, o enviarme un mail a: los.porques@gmail.com

¿Qué es el pH?

El otro día José Luis me envió la siguiente pregunta:

"Hola Jesús,

Me gustaría hacerte una pregunta. No sé si corresponderá a tu campo de
conocimiento pero como comentas que se te pueden hacer preguntas fuera de la
aeronáutica y el espacio pues te la propongo. ¿Qué es en concreto el pH de un
ácido? ¿Qué significa "porcentaje de hidrógeno"?

Un cordial saludo"



Por ese motivo hoy vamos a dedicar esta entrada a hablar un poquito del pH, ver qué es y cómo se calcula.

Seguro que todos tenéis en mente qué es un ácido. Por lo tanto sabréis que existen ácidos más fuertes que otros: no es lo mismo que te caiga vinagre encima de la piel que ácido sulfúrico. Pero, ¿cómo medimos si un ácido es más fuerte que otro? Para ello se creó la escala de pH. Dicha escala va de 0 (que serían los compuestos más ácidos) a 14 (que serían los compuestos más alcalinos). La alcalinidad podría decirse que es lo contrario a la acidez. Cuanto más alcalino es un compuesto, menos ácido es, y al revés. De esta manera podemos decir que el ácido clorhídrico tiene un pH cercano a 1, mientras que la sosa cáustica un pH próximo a 14. Una sustancia neutra tendría un pH igual a 7 (el punto medio de la escala).

Por ejemplo, cuando en los anuncios dicen que un jabón tiene un pH neutro 5.5, se están expresando mal. Un pH neutro por definición es de 7. A lo que se refieren es que el jabón tiene el mismo pH que la piel, y por lo tanto no será abrasivo. Pero, ¿qué es exactamente el pH?

pH viene de sus siglas en latín ("pondus Hydrogenii") que significa peso del Hidrógeno, por lo que, como apuntaba José Luis, tiene algo que ver con dicho elemento. En concreto, el pH mide la concentración de iones H+ que posee una disolución (como ya me conocéis, sabéis que no voy a poner ninguna fórmula). De modo que cuanto mayor sea la concentración de dichos iones, más ácida será la disolución y menor será su pH. Por ejemplo, una concentración de 0.01 M (la "M" significa Molar y es usada para medir concentraciones) equivaldría a un pH igual a 2, y por lo tanto a una sustancia bastante ácida. Un sustancia con una concentración de 0.0001 M (menor cantidad de iones), equivaldría a pH 4, con lo que se comprueba que se corresponde a una sustancia más alcalina. ¿Y cómo lo medimos?


Existen muchos métodos, unos más exactos que otros. El más sencillo, clásico e inexacto es utilizar el papel Tornasol. Dicho papel, al mojarlo con nuestra disolución cambiaría de color. Sin más que contrastar dicho color con una escala proporcionada nos indicaría el pH. Otro método consistiría en usar indicadores que al agregarse a la disolución la cambiarían de color al llegar a un pH determinado. Para ser exactos, el papel Tornasol no es más que papel impregnado de dichos indicadores. Finalmente encontramos el pH-metro. Este instrumento electrónico es mucho más preciso, ya que basa su medición en diferencias de potencial, en vez de cosas tan relativas como colores y comparaciones.


Espero haberos aclarado algunas dudas y si no, al menos haberos contado algo nuevo y siempre interesante.

No olvidéis que podéis enviar vuestras dudas a: los.porques@gmail.com


PARA QUIEN QUIERA SABER MÁS:

Se debería distinguir entre pH y p[H]. Concretamente el pH mide la concentración de la actividad de iones Hidrógeno, es decir, su tendencia a interactuar con otras especies de la disolución. Mientras que, p[H] contemplaría unicamente la concentración pura y dura de los iones Hidrógeno.

¿Qué es el Fuego de San Telmo?

A muchos de vosotros quizás ni os suene, pues casi ninguno lo hemos visto (yo al menos). Sin embargo, no deja de ser un hecho curioso de la ciencia y por eso he decidido crearle una entrada, a petición de Manuel.

El Fuego de San Telmo son unas descargas eléctricas que aparecen a veces en los mástiles de los barcos y el morro de los aviones, cuando atraviesan una tormenta eléctrica. Por lo que tengo entendido también pueden aparecer sobre picos de montaña, o incluso en las astas de las reses. A simple vista parece como si cayera un rayo (aunque la descarga es de bastante menor intensidad) de color blanco azulado. Este fenómeno no es nada nuevo, los marineros lo conocen desde la antigüedad, y fueron quienes le dieron ese nombre (San Telmo es el patrón de los marineros), ya que veían cómo sus mástiles parecían arder sin llegar a consumirse. Os pongo un fragmento de Moby Dick:

–¡Mire arriba! –dijo Starbuck de pronto–. ¡El fuego de San Telmo en lo alto del palo mayor!
En efecto, los brazos de las vergas estaban rodeados de un fuego lívido, y las triples agujas de los pararrayos lucían con tres lenguas de fuego. Los mástiles enteros parecían arder.

–¡Fuego de San Telmo, ten piedad de nosotros! –gritó Stubb.

Herman Melville, Moby Dick

Pero, ¿qué es lo que realmente ocurre?

Centrémonos en el caso de los aviones, por ejemplo. Al atravesar una tormenta, el avión está inmerso en medio de un campo eléctrico. Tanto las nubes, como el avión, tienen distinta carga, por lo que existirá entre ellos una diferencia de potencial. Cuando esa diferencia es muy alta, se produce la descarga sobre el morro del aparato, representada por el Fuego de San Telmo. Para que lo veáis con vuestros propios ojos, os dejo un vídeo de los mucho que hay por internet:



Así que ya sabéis, si alguna vez estáis en un vuelo y véis rayos azules cayendo sobre el aparato, no os asustéis y recordad a San Telmo!

PARA QUIEN QUIERA SABER MÁS:

Cuando el avión está en una tormenta, el aparato está inmerso en medio de un campo eléctrico. La diferencia de potencial entre la tormenta y el avión empieza a crecer. Para adoptar una postura de menor energía, la tormenta "querría" liberar la carga acumulada sobre el avión, pero el aire (no conductor) se lo impide. Sin embargo, llega un momento en que dicha diferencia de potencial alcanza la ruptura dieléctrica del aire, ionizándose. En la ionización, las moléculas del aire se separan de sus electrones creándose un estado parecido al plasma. Este plasma es conductor por lo que la tormenta por fin puede descargar su energía sobre el avión, en forma de descarga eléctrica (Fuego de San Telmo). A continuación, empezaría el proceso nuevamente...

¿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 titilan las estrellas?

Esta entrada responde a una pregunta planteada por Plopinto:

"Una pregunta para un posible artículo.

¿Por qué cuando vemos las luces de una ciudad, de noche, desde lejos, se las nota tililar? Es decir ¿por qué no se ven fijas sino q parece q oscila el brillo? "

En vez de centrarme en las luces de una ciudad, vamos a ampliarlo a algo un poco más bonito como puede ser el titilar de las estrellas.

Si miramos por la noche al cielo estrellado (algo muy difícil desde las grandes ciudades hoy en día), observaremos cómo, de todos los puntitos blancos que plagan el cielo, muchos de elllos parecen temblar, como si tiritasen. Sin embargo otros, permanecen fijos... Normalmente, son las estrellas las que titilan, mientras que los planetas (del Sistema Solar) permanecen quietos, sin inmutarse. Y eso, ¿por qué?

Echemos un vistazo a las distancias de cada cuerpo. Mientras el planeta más cercano (Venus) se encuentra en su punto más próximo a "tan sólo" 39 millones de km, la estrella más cerca (Alfa centauri) está a 40 billones de kilómetros (un millón de veces más lejos!!). ¿Eso qué implica? La principal consecuencia es que el haz de luz de las estrellas es muy muy débil. Tan débil que termina siendo un diminuto puntito, un rayito de luz. Por el contrario, los planetas, mucho más cercanos, poseen un haz de luz de mayor grosor, llegando a verse como un círculo.

Al llegar a la Tierra, ese débil rayito debe atravesar las diversas capas de la atmósfera. Sin embargo, debido a las variaciones de temperatura, corrientes de aire y movimiento de las distintas masas de aire que componen la atmósfera, varía el coeficiente de refracciónde la misma. Por eso, ese rayito, es dispersado provocando que no llegue a nosotros de manera contínua, sino que parece como si parpadeara. Por el contrario, los planetas, como su haz es mucho mayor, no se ve alterado tanto y lo percibimos de manera contínua.

La verdad es que la atmósfera causa verdaderos problemas a los astrónomos, por eso, ellos prefieren realizar las observaciones desde el espacio, por medio de los telescopios espaciales (como el Hubble, por ejemplo). ¿Eso significa que desde el espacio las estrellas no titilan? ¡Exacto! Tanto los astronautas, como los telescopios espaciales, al estar fuera de la atmósfera, ven las estrellas como puntos fijos, sin temblar.

Con las luces de las ciudades, ocurre algo parecido. Al estar alejados y ser ellas tan débiles (en su mayoría provienen de farolas, coches, ...) parecen parpadear, cuando en realidad no lo están.

Espero haber aclarado tu duda con esta entrada. Agradecer a Plopinto haber propuesto esta interesante pregunta y animar al resto a pregunta sin miedo, que así aprendemos todos algo!