Archivo de la categoría: Física

Fluidos no Newtonianos (explicando el Oobleck)

La viscosidad de un fluido, es una propiedad que está relacionada con su consistencia.
Un fluido poco viscoso (como el agua) se deforma con facilidad y por eso se desparrama sobre una superficie con poco esfuerzo. Uno viscoso (como la mayonesa) no se desparrama sobre una superficie con tanta facilidad como el anterior.
Los fluidos que mantienen su viscosidad sin importar cómo se los trate o manipule, se llaman Newtonianos. Por el contrario, un fluido no Newtoniano (como la miel y la sangre en entre otros), muestra diferencias en su viscosidad según cómo se lo trate.
A éstos se los suele llamar Oobleck por la substancia viscosa que acechaba al reino de Bartholomew Cubbins en el libro Bartholomew y el Oobleck (Dr. Seuss 1949) (https://en.wikipedia.org/wiki/Bartholomew_and_the_Oobleck)

File:Bartholomew and the Oobleck-Dr. Seuss (1949).png

Imagen de Wikipedia. Fuente: Publisher and copyright holder is Random House (see http://www.seussville.com/ )

Los fluidos no Newtonianos se muestran como líquidos cuando se los trata con cuidado; por ejemplo, cuando es movido con suavidad en un recipiente como quien mueve suavemente un fino vino en una copa para apreciar su aroma. Si lo golpeamos o amasamos, lo sentiremos como una goma viscosa. Incluso, podemos frotarlo con movimientos circulares entre las palmas de las manos y haremos una bola de ese fluido. Luego, al dejar de amasar, esa bola se derrama como un líquido entre nuestros dedos.

Video (en español): Cómo hacer fluido no newtoniano – Experimento con maicena (Experimentos Caseros) 

Ese comportamiento se debe a la estructura del fluido.
Este tipo de fluidos están compuestos por partículas de muy pequeño tamaño; micropartículas de centésimas partes del tamaño de un grano de arena, mezcladas con un fluido líquido Newtoniano como el agua.
Cuando se lo trata con cuidado, las micropartículas se mantienen separadas por el fluido líquido habiendo una repulsión entre ellas. Si es comprimido bruscamente, el líquido es rápidamente desplazado, la repulsión es vencida y las partículas llegan a tocarse apareciendo una fricción que resulta en un aumento de la viscosidad. Luego, todo vuelve a ser como antes cuando el esfuerzo ejercido sobre el fluido se termina.

Video (en inglés): The science of cornstarch and water

Referencia:

pdp.

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El disco de Mach en el champán (rompiendo la barrera del sonido)

Cuando un móvil viaja a cierta velocidad en el aire, lo va comprimiendo delante de él.
Eso sucede con los meteoritos. El aire comprimido delante aumenta su temperatura y brilla dejando una estela de materia a su paso. Por eso los meteoritos no llegan al suelo tan calientes como se cree.

Los aviones, pese a ser aerodinámicos, producen lo mismo.
Ese aire comprimido se comporta como un frente de choque que se propaga a la velocidad del sonido; unos 300 mts./seg. A medida que la velocidad aumenta, ese frente se comprime formando lo que se conoce como disco de Mach, en honor al físico Ernst Mach (https://es.wikipedia.org/wiki/Ernst_Mach).
Si la velocidad del sonido es superada por el móvil, ese frente de onda o disco de Mach se “rompe” en una brusca descompresión. Ese evento produce un brusco movimiento de aire en forma de estampido o boom sónico además de la condensación del vapor de agua que pueda haber en el aire.

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Imagen de avión rompiendo la barrera del sonido publicada en Wikipedia, crédito de Ensign John Gay, U.S. Navy

Cuando un gas está contenido en un recipiente una presión 5 veces mayor que el aire del exterior, puede producir un disco de Mach cuando es liberado repentinamente.
Una botella de champán a temperatura ambiente contiene dióxido de carbono (CO2) a una presión 7 veces la exterior o atmosférica. Cuando se descorcha la botella, el gas sale a una velocidad casi el doble de la del sonido en el aire y se produce un disco de Mach que dura unos milisagundos, un boom sónico y la condensación del agua que pueda haber en el gas que se libera.

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Disco de Mach en botella de champán. Crédito: EQUIPE EFFERVESCENCE/CNRS/UNIVERSITÉ DE REIMS – G. LIGER-BELAIR, D. CORDIER AND R. GEORGES/SCIENCE ADVANCES 2019

Referencia:

Fuente:

pdp.

La (asombrosa) máquina π.

Las matemáticas no dejan de ser… mágicas, recordemos la Estrella Pitagórica (La magia de la Estrella Pitagórica | pdp; https://paolera.wordpress.com/2014/10/24/la-magia-de-la-estrella-pitagorica/.)
Ya les había mostrado cómo el horizonte está más cerca de lo pensado (El horizonte, ¿dónde está? | pdp; https://paolera.wordpress.com/2016/07/01/el-horizonte-donde-esta/).

Ahora les presento la máquina Pi (máquina π).
Consta de dos masas; M y m donde M es mayor a m, y una pared de masa infinita comparada con ambas. El cuerpo de masa m está en reposo entre la pared y M, y ambas sobre una superficie plana, horizontal que no ofrece rozamiento ni resistencia al movimiento.
M se acerca a m con velocidad constante. Cuando la choca, m va contra la pared, donde rebota y choca a M. Cuando m choca con la pared, rebota con la misma velocidad porque la masa de la pared es infinita frente a m. Pero cuando lo hace con M, disminuye su velocidad porque entregó parte de su energía en trabajo para frenar a M ya que sus masas son comparables.
La pregunta es: ¿cuántas veces rebota m antes de detenerse por choques con M, o no alcanzar a M (porque cambió de sentido su movimiento y m va muy despacio para llegar a ella) ?
Veamos el video: La respuesta más inesperada de un juego de colisiones.

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Publicado el 13 ene. 2019

No interesa la velocidad inicial de M, ya que sólo se logra que los rebotes sean más rápidos pero no en mayor cantidad.
Sucede que para una relación de masas M/m que sea potencia de 10, los rebotes son las cifras de π.
O sea que para relaciones de 1; 10; 100; 1000; 10000; … se obtienen 3; 31; 314; 3141, 31415;…
De ahí el nombre de esta “máquina”.
Pero si aparece π, en alguna parte debe haber una circunferencia.
Pues bien; el espacio de las fases es el “espacio matemático” en el que se relacionan las posiciones y velocidades de los cuerpos. En este caso, si llamamos X a la velocidad de una de las masas, e Y a la de la otra, para este problema, en el espacio de las fases se encuentra que X2 + Y2 = k2, con k constante. Eso es la ecuación de una circunferencia de radio k.

Referencia:

Fuente:

pdp.

Breve explicación del Enlazamiento cuántico, Computación Cuántica y… ¿Astronomía Cuántica?

Es bueno explicar algunos conceptos recurriendo a ciertas semejanzas.
Veamos el caso de la acción “fantasmal” a distancia o enlazamiento cuántico.
Según la Física Cuántica, las partículas no pueden tener cualquier valor (o configuración) de energía, sino valores determinados. O sea que están cuantificadas.
Un ejemplo sería el caso de un dado.
Un dado no puede mostrar cualquier valor, sólo puede mostrar valores enteros del 1 al 6; así, sus valores posibles están cuantificados.
Luego, una partícula puede tener cualquiera de los valores permitidos para su estado o energía, pero al momento de la observación converge al valor más probable de ellos y ese valor es el que observamos; Aquí es donde aparece la Paradoja del Gato de Schrödinger (La Paradoja del Gato de Schrödinger | P. Della Paolera, https://paolera.wordpress.com/2013/12/29/la-paradoja-del-gato-de-schrodinger/).
En el caso del dado, si bien todas sus caras tienen la misma probabilidad de mostrarse, al momento de observarlo converge al valor más probable según las condiciones de cómo haya sido arrojado.

El enlazamiento cuántico establece que cuando una partícula adopta una configuración, su amiga enlazada a la distancia adopta el mismo valor por la acción fantasmal involucrada en el enlazamiento. Eso se ha probado con fotones o haces de luz.
Se hizo pasar un haz de luz por una rendija y al proyectarse son sobre una pantalla mostró la forma de la rendija. Otro haz de fotones enlazados a los anteriores mostró la misma forma al ser proyectado sin pasar por la rendija (Imagen creada por entrelazado cuántico de fotones | P. Della Paolera, https://paolera.wordpress.com/2014/12/04/imagen-creada-por-entrelazado-cuantico-de-fotones/ ).

Sería como tener dos dados cuánticamente enlazados. Cada uno está tapado por un cubilete.

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Crédito de la imagen: Nova Education (ver enlace a las referencias al pie de esta nota.)

Al sacudir uno de ellos sin tocar el otro, el dado en el interior comenzará a moverse. Si destapamos ambos cubiletes, ambos dados mostrarán el mismo valor. Debido a la acción fantasmal a distancia, el dado en el cubilete que fue sacudido le transfirió su valor al otro dado enlazado cuánticamente a él. De esta manera podríamos saber qué le pasa a una partícula lejana observando a su amiga enlazada cerca nuestro. Podría aparecer la Astronomía Cuántica, donde observando partículas cercanas podríamos saber qué está pasando del otro lado de la Galaxia, o… más allá.

Pero actualmente esto se aplica a la Computación Cuántica.
El bit es la unidad de información y equivale a 0 o 1, es decir Verdadero o Falso. Así podemos manejar información. Por ejemplo, necesitamos un bit pasa saber si mi vecino tiene un hermano.
Si tenemos un byte de 8 bits, tendremos 28 combinaciones de estados posibles. Pero si tenemos un bit cuántico o q-bit, tendremos más estados posibles. Si nuestro q-bit está representado por nuestro dado, tendremos entonces 6 estados posibles. Un q-byte de 8 q-bits, en este caso tendría 68 combinaciones, lo que nos permitiría manejar mayores volúmenes de datos. Si al alterar un q-bit, se altera casi instantáneamente su q-bit enlazado, estaríamos transfiriendo datos a gran velocidad y, algún día, hasta a grandes distancias.

Referencia:

pdp.

Simulando agujeros negros.

Muchas veces hacemos simulaciones para observar lo que sucede o sucedería un sistema.
Así, por ejemplo, hacemos una simulación para observar qué sucede durante una colisión de galaxias, ya que no disponemos del tiempo de espera necesario.
También, para estudiar las características de un sistema y verificar la teoría que lo describe, por ejemplo, el caso de un agujero negro.

Podemos emular un agujero negro con el vórtice de succión de un desagüe.

Simulación de agujero neegro en un tanque de agua

Crédito M. Richartz

En las vecindades del desagüe aparece un sutil remolino provocado por el Efecto Coriolis (pdp, El Efecto Coriolis y la conservación del Momento Angular, https://paolera.wordpress.com/2015/07/22/el-efecto-coriolis-y-la-conservacion-del-momento-angular/).
Ese remolino, bien emula el disco de acreción de materia que cae sobre el agujero negro arremolinándose, autofriccionando y recalentándose; lo que genera emisión de energía desde las vecindades del agujero negro.
Si se producen ondas perturbando de alguna manera la superficie del agua, veremos un comportamiento similar a lo que sucede con las ondas de radiación (luz).
Lejos del vórtice, las ondas viajan sin problema. En las vecindades, sienten la velocidad del flujo de agua, del remolino, y son atraídas hacia el vórtice. Eso muestra la radiación absorbida por el agujero negro. Más lejos, las ondas siguen su viaje ya que no sienten la velocidad del flujo de agua.
Pero a distancias intermedias, y más bien hacia el vórtice, las ondas sienten la velocidad del flujo de agua de manera que tienden a desviarse hacia un punto adelante del vértice, dejándolo entre ese punto y el origen de la perturbación. Eso bien emula la desviación de las ondas por el agujero negro, lo que origina las conocidas lentes gravitacionales.
Las ecuaciones de movimiento de las ondas en este caso, coinciden con las que se plantean en las vecindades de un agujero negro.
Incluso, los objetos que floten en el agua, deberán tener cada vez más velocidad para escapar del vórtice a medida que estén más cerca.

Pero hay una simulación más compleja. La que nos permite estimar la temperatura de un agujero negro.
Como todo objeto con energía, el agüero negro debe tener cierta temperatura que obviamente depende de su masa.
Aquí es donde aparece el agujero negro sónico.
Se produjo un flujo de átomos de Rubidio en un estado conocido como condensado de Bose-Einstein. Ese flujo de materia absorbe las ondas de sonido como el agujero negro absorbe las de radiación. Bajo esas condiciones se observó la creación de partículas y antipartículas, las que luego se aniquilaban. Pero en el agujero negro, una queda en el agujero negro y la otra fuera de él. Esta última se aleja dando lugar a la conocida Radiación Hawking.
También se midió la temperatura de ese agujero negro sónico, y su valor estuvo de acuerdo con lo que predice la teoría de Hawking.

Referencias:

Fuente:

pdp

La energía obscura y la vida en el Universo.

En el Universo se dieron condiciones favorables para la vida tal como la conocemos.
La energía obscura es la encargada de expandir aceleradamente el Universo en el que nacimos. Aunque su naturaleza aún se discute, tuvo un papel importante en la aparición de la vida (pdp, 05/ago./2018, Sobre el origen de la enegía obscura, https://paolera.wordpress.com/2018/08/05/sobre-el-origen-de-la-energia-obscura/).

De haber sido menor, el Universo hubiese recolapsado. De haber sido mayor, la expansión no hubiese permitido la formación de átomos estables.
Su valor, permite la expansión a gran escala, y a escalas pequeñas, permitió la formación de átomos, luego de moléculas y de complejos gaseosos donde nacieron estrellas. Las masivas retornaron material enriquecido al Espacio de donde nacieron estrellas de segunda generación (como el Sol). A su alrededor se generaron planetas y al menos en el Nuestro, se dio la vida.

Si bien las condiciones se dieron físicamente en forma aleatoria, se investigó entre qué valores la energía obscura resultó favorable a la aparición de la vida.
Según los modelos actuales y datos observados, tales como la masa total y constates físicas Universales, la energía obscura es muchísimo menor a la esperada (unas 10-120 veces, o sea 120 órdenes de magnitud inferior).
Coincidentemente, la masa de neutrinos en el Universo es menor a la esperada – ¿hay relación? – para algunos, sí, la hay
Las simulaciones mostraron que si se aumenta la energía obscura a valores muy altos, por ejemplo más del valor esperado, igualmente se tendrían estrellas, en menor cantidad, pero sólo un 15% menos.

Video: Could a Multiverse be hospitable to life?

Publicado el 14 may. 2018

Luego hay un rango muy amplio en el que la energía obscura es favorable a las condiciones de aparición de la vida. Así las cosas, la energía obscura no tuvo mayor influencia en Nuestra aparición en el Universo.

Si existen otros Universos y en ellos hay energía obscura como en el Nuestro, y si suponemos que el valor de éstas es aleaorio, entonces, teniendo en cuenta el amplio rango de valores favorables para aparición de vida, en ellos es altamente probable la aparición o existencia de la vida; eso si la naturaleza de esos Universos no es diferente a la del Nuestro.

Referencia:

Fuentes:

pdp.

Explicando el efecto Mpemba.

Artículo retocado el 22/ene/2019 a las 19:30 Hora Oficial Argentina.
El agua es un compuesto que sorprende por sus propiedades.
Cuando congela, a diferencia de otras substancias, aumenta su volumen. Ante la misma masa o cantidad de agua, esto resulta en una disminución de la densidad. De esta manera, y por el principio de Arquímedes, el hielo de agua flota en agua líquida.
En los lugares donde el hielo siente mayor presión, el punto de congelamiento disminuye (necesita más frío para congelar) y se licua nuevamente. Si ponemos una aguja sobre un cubo de hielo e introducimos todo en el congelador, luego de un tiempo notaremos que la aguja se hundió en el hielo quedando incrustada en él. El peso de la aguja aumentó la presión donde estaba apoyada; en ese lugar bajó el punto de congelamiento y el frío no alcanzó para mantener el hielo. Así, en esa parte del hielo, el agua permitió que la aguja se hunda. Luego que ésta pasó por ese lugar, las condiciones volvieron a ser las anteriores y el frío volvió a congelar ese agua.
Esto hace que en lagos y lagunas sólo se congele la superficie. Debajo de ella, el agua se mantiene líquida por la presión que hace que deba hacer menor temperatura para que se congele. Gracias a esto, puede haber vida bajo la superficie helada.

Pero hay más.
Aristóteles, Francis Bacon y René Descartes hallaron otro comportamiento curioso del agua. En los años ‘60, un estudiante en una escuela de Tanzania, en la clase de cocina observa esto mismo y nació el efecto (o paradoja) Mpemba, llamado así en su honor (Erasto B. Mpemba) por notar que el helado caliente congelaba antes que el frío (https://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Mpemba). Eso se debe al comportamiento del agua en él.
Luego: el agua caliente, bajo ciertas condiciones, congela antes que la fría.

Recordemos que el calentamiento implica acumulación de energía y el enfriamiento implica lo contrario.

Una idea proponía que el envase caliente, era más eficiente entregando energía el refrigerador.
Otra idea proponía que el agua caliente evaporaba con facilidad, lo que absorbía calor o sea energía (proceso endotérmico), y eso favorecía en enfriamiento.
Pero ahora hay otra explicación, más relacionada con la intimidad de la molécula de agua.
Para entender ésto, recordemos que el agua está formada por moléculas de dos átomos de Hidrógeno (H) y uno de oxígeno (O), o sea H2O.

Molécula de agua. Oxígeno - rojo, el hidrógeno - blanco Foto de archivo - 35894175

Ilustración de molécula de agua crédito de D. Guzhanin

Cuando el agua disminuye su temperatura, sus moléculas tienden a agruparse llegando incluso a estar en contacto. En ese proceso, la repulsión natural “estira” los enlaces O-H haciendo que se almacene energía como cuando se estira un resorte. Esta absorción de energía atenta contra el enfriamiento.
El agua caliente tiene sus moléculas más separadas por lo que los enlaces están más “relajados” y retornan energía, como un resorte que retoma su longitud normal, y eso favorece el enfriamiento.

Posiblemente este efecto se deba a una de estas ideas o a la combinación de ellas.

Referencia:

Fuente:

  • O:H-O Bond Anomalous Relaxation Resolving Mpemba Paradox, Xi Zhang et al., (Submitted on 24 Oct 2013 (v1), last revised 10 Nov 2013 (this version, v2).
    https://arxiv.org/abs/1310.6514

pdp.