Ciencia Olímpica: La Natación

La natación siempre ha sido uno de los deportes más llamativos y emocionantes en la historia de las olimpiadas. Sin ir más lejos, todos recordamos la sensación que fue Michel Phelps en los juegos de Beijing con sus 8 medallas de oro.

Las competencias de natación fueron históricas en Beijing en parte gracias a la gran cantidad de marcas mundiales y olímpicas que fueron batidas: 21 records mundiales y 30 records olímpicos. Inclusive varios competidores que no ganaron oro, rompieron record. Algo muy impresionante y nunca antes visto, pero ¿a qué se debió este inusual número de records?

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Un líquido que es sólido

Empezaría diciendo que nos han enseñado siempre que los tres estados de la materia son el sólido, el líquido y el gaseoso, pero que existen estados que no se deciden entre dos, pero ya han leído cosas tan padres en este blog, que esto ya no les debe de sorprender. Pero bueno, hoy les quiero hablar de líquidos que se comportan como sólidos, pero siguen siendo líquidos y que se encuentran mucho a nuestro alrededor: se trata de un caso particular de los líquidos sobreenfriados.

Making Glass

Horno donde se calienta el vidrio para después sobreenfriarlo.

Nos han enseñado que si tenemos un líquido y lo enfriamos, a cierta temperatura, éste empieza a solidificarse y pasa a ser un estado sólido. Pero hay líquidos que, si se enfrían con el suficiente cuidado pueden seguir siendo líquidos aunque estén por debajo de dicha temperatura (su temperatura de fusión). A estos se les conoce como líquidos sobreenfriados. En este estado, el más mínimo cambio, como una vibración, podría lograr que algunos de estos líquidos se volvieran sólidos, como pasa con el agua. Pero hay algunos líquidos que se pueden sobreenfriar muy por debajo de su temperatura de fusión. Los líquidos tienen una propiedad llamada viscosidad que es la resistencia a fluir. Así por ejemplo, es más fácil hacer pasar un chorrito de agua por un orificio que un chorrito de miel; la miel tiene mayor viscosidad. Así, pues estos líquidos que se pueden sobreenfriar demasiado conforme disminuye la temperatura, aumentan mucho su viscosidad. Aumentan tanto su viscosidad, que al bajar de una cierta temperatura, llamada temperatura de transición, a simple vista parecen sólidos, pero que si se analizan, aparecen como líquidos. Si esto pasa, decimos que se ha formado un vidrio.

Kalk-Natron-Glas 2D, por 127.0.0.l en Wikimedia Commons. Liberado bajo una licencia CC 3.0 By-Sa.

Estructura en 2-D de las moléculas de vidrio. Se ve que es más desordenado que el sólido cristalino.

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Fotografía de un cristal de nieve, donde se muestra su estructura geométrica hexagonal.

¡¿Qué?! Primera sorpresa de la noche: ¿Cómo que el vidrio es un líquido? Pues así es. El vidrio no es un sólido, es un líquido. Sobreenfriado, pero al fin líquido. Los vidrios que vemos normalmente son hechos de óxidos metálicos, siendo el de silicio el más común y tienen que sobreenfriarse a más de 1 300 °C. ¿Pero cuál es la diferencia entre un líquido sobreenfriado muy viscoso y un líquido solidificado?

Piensen por ejemplo en un hielo (un cristal de agua). Si se fragmenta en trozos cada vez más pequeños, mantendrá una estructura geométrica muy ordenada, de hecho si lo observamos a escalas muy pequeñas, veremos que los cristales tienen forma hexagonal. Por otro lado, el vidrio es un sólido cuyo “orden” desaparece mientras más cerca hacemos el zoom. Es lo que se conoce como un sólido amorfo. Incluso podemos medir el desorden de una sustancia (conocido como entropía) y, efectivamente, al ver un líquido sobreenfriado, arroja que presenta más desorden que un líquido solidificado.

Las moléculas de los vidrios permanecen “congeladas” por la alta viscosidad, y tardan mucho en llegar a su estado cristalino. Algunos vidrios, como los magníficos emplomados de las catedrales góticas, se estima tomarán algunos miles de años en cristalizar. Cuando esto pase, el vidrio será un sólido cirstalino y ¡crack! se romperá sin razón aparente. Este proceso puede acelerarse por agentes externos, como golpes o cambios de temperatura.

York Chapter House

Vidrios de la catedral gótica de York, que eventualmente cristalizarán y se romperán.

Ok, ok. Ya vimos qué pasa cuando se logra sobreenfriar un líquido. ¿Pero qué pasa si a un vidrio se le eleva arriba de su temperatura de transición? Pues que puede ocurrir una cristalización, el vidrio se hace cristal y ocurre la desvitrificación. Aparecen una serie de pequeños cristales dentro del vidrio y el vidrio pierde dureza y se estropea.
Hay diferentes vidrios a nuestro alrededor, desde las ventanas hasta las joyas de cristal cortado, y cada clase depende de su pureza y del proceso seguido para sobreenfriarlos. La humanidad los conoce desde hace más de 4000 años, pero aún hay muchas propiedades que no se han comprendido del todo. Sobre todo, el proceso de formación aún sigue cubierto por una neblina, que cuando se logre disipar, dará aplicaciones tecnológicas, como la creación de vidrios a partir de aleaciones metálicas que funcionen como conductores.

Yo en este momento iré a tomar agua en un recipiente líquido, mientras veo a través de mi ventana líquida.

Una esfera tensa

Por Yasab Ruiz Hernández

De chiquitos en un parque, perseguíamos un líquido con alta tensión superficial que ocupaba la menor superficie posible. Si me dicen: “¡no manches! Yo nunca he hecho tal cosa”, me están diciendo que nunca les llamó la atención las burbujas de jabón.

Kids Chasing Bubbles. Liberado bajo una Licencia Creative Commons By 2.0.

Perseguir burbujas: un gran placer de todo niño.

La tensión superficial es lo que hace posible que se formen las burbujas de jabón. Este fenómeno se genera cuando un fluido (como un gas o un líquido) se pone en contacto con otro material. En el lugar donde hacen contacto se genera una superficie de contacto, donde cada parte del fluido en cuestión jala hacia sí mismo al resto y al otro material. Esto genera una fuerza en la superficie del fluido, que es la fuerza de tensión superficial.

Esto lo podemos ver cuando, en una alberca, si alguien se deja caer horizontalmente sobre el agua, es muy probable que dé el famoso panzazo, pero si “perfora” la superficie del agua con un clavado, logrará introducirse en ella. Y lo vemos aún más claro cuando doblamos un alambre en forma circular y le amarramos un hilo de extremo a extremo del círculo. Si lo sumergimos en jabón y rompemos una parte de la pelicula de jabón, observaremos que se tensa el hilo.

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Animación del efecto de la tensión superficial sobre un hilo.

Si tenemos una capa delgada de algún fluido contenida en algún recipiente, al aplicar una fuerza sobre ella podemos lograr que la película se desprenda del recipiente y empiece a flotar en el medio. Suena complicado, pero es lo que hacemos cuando soplamos a través de un alambre con jabón para obtener una burbuja. La burbuja surge cuando hay un aumento de presión de un lado de la película (lo que logramos al soplar) y se mantiene si llega a ciertas condiciones de equilibrio.

Este equilibrio se logra cuando las fuerzas que actúan sobre la superficie de la burbuja se anulan. Se puede considerar que hay dos tipos de fuerzas que actúan: la que se debe a que hay más presión adentro que afuera de la burbuja y la que se debe a la tensión superficial. Y estas se anulan cuando son iguales.

Después de meter un poquito de matemáticas, (alguien ya lo ha hecho, no se hará ahora), llegamos a una ecuación simpática, que nos dice que:

Presión dentro de la burbuja-Presión fuera de la burbuja = 4γ/r

Donde γ (gamma) indica qué tanta tensión superficial tiene el fluido y r es el radio de la burbuja.

Si lo comparamos con un globo, γ (gamma) sería qué tan tenso sentimos el globo al picarlo con el dedo.

En fin, lo que nos importa en este momento es que con las burbujas pasan y se explican cosas muy bonitas, que cualquier persona puede ver. Sólo necesita… ¡burbujas!

  • Por ejemplo, cuando soplamos burbujas y logramos que salga más de una es muy dfícil que las burbujas salgan del mismo tamaño. Esto sucede porque la superficie del jabón puede mantener las fuerzas equilibradas con diferentes tamaños de burbujas (diferentes radios).
  • Si logramos soplar una burbuja al aire, y que empiece a flotar sin que toque el suelo ni nada puntiagudo, eventualmente se romperá. El jabón empieza a resbalar por las paredes de la burbuja y, por la gravedad, se va a la parte de abajo de la burbuja. Esto hace que la burbuja se empiece a adelgazar. Llega un punto en el que la superficie de la burbuja no puede aguantar las fuerzas de presión y explota. Incluso de vez en cuando podemos ver como, al explotar, cae una gota de jabón desde abajo de la burbuja, que es el jabón que resbaló del resto de la burbuja (10 puntos si me dicen por qué la burbuja explota al tocar objetos puntiagudos.).

    Life and death. Imagen liberada bajo una Licencia Creative Commons By 2.0

    Una burbuja cuando vive y cuando muere.

  • Si soplamos demasiado fuerte, causamos que la presión dentro de las burbujas sea muy grande, y la superficie del jabón no aguante dicha presión, y por lo tanto explote.
  • Si hay mucha presión en el exterior, al formarse la burbuja, ésta colapsará (implotará).
  • Parece muy obvio, pero si no soplamos, no hay burbujas. Esto ocurre porque no existe una diferencia de presión.
  • Entre otras cosas que se pueden observar…

A mí lo que más me sorprendió es que se pueden generar burbujas en el vacío. Es decir, que aunque no haya nada de aire en el que puedan flotar las burbujas, se pueden hacer burbujas. Sólo se necesita un fluido que aguante la presión que esté dentro de la burbuja. Esto me llevó a pensar en los tubos de Atrapa-Burbujas que estuvieron de moda a principios de esta década, que eran unas burbujas que duraban mucho, fabricadas con algún líquido muy denso (y muy tenso, superficialmente hablando).

Y si se han preguntado por qué las burbujas tienden a tener la forma de una esfera, la respuesta es porque la naturaleza siempre tiende a utilizar las formas en donde utilice la menor cantidad de energía. Hablando de burbujas flotando en el aire, la menor cantidad de energía se logra cuando la superficie es la menor. La forma que logra esta superficie mínima es la de una esfera.

Ahora bien, estamos acostumbrados a tener primero el jabón y luego aumentar la presión (soplar) para formar la burbujas. Pero ¿qué responden si les digo que podemos tener primero el lugar donde esté aumentando la presión y después aplicamos la película de jabón? Simplemente necesitamos que se forme una superficie lo suficientemente lisa. Si no me creen, vean el siguiente video:

En el video se tiene un recipiente con hielo seco (dióxido de carbono). Se tiene una tela sumergida en una solución jabonosa y con ella se frotan, primero los bordes y después se recorre todo el recipiente, obteniendo una burbuja.

Si quieren divertirse con burbujas (en caso de que alguien los cuestione, contesten que están observando los efectos de la tensión superficial), pueden usar un poco de shampoo ligeramente disuelto en agua. Si quieren burbujas más duraderas, pueden una solución especial. Para prepararla:

  1. Disuelven en100 ml de agua, 10 gramos (un puño) de raspaduras de jabón.
  2. En 900 ml de agua, disuelven 400 gramos (2 tazas al ras) de azúcar.
  3. Mezclan las dos soluciones y ¡listo! Como se puede echar a perder, se recomienda meterlo al refrigerador y agregar unas gotas de alcohol.

Para crear las burbujas pueden usar un popote, un alambre doblado o un limpiapipas.

Fluidos simpaticos (no newtonianos)

Por Yasab Ruiz Hernández

Casi todos los fluidos en el mundo real presentan viscosidad. La viscosidad es la resistencia que presenta un fluido a ser deformado por algún esfuerzo que se le aplique. El esfuerzo se define, a grandes rasgos, como la fuerza sobre unidad de área que se le aplica a un objeto. Hablamos de fluidos newtonianos si se cumple que:

  1. Al no aplicar esfuerzo dicho fluido no se deforma.
  2. La deformación del fluido es directamente proporcional al esfuerzo que se aplica. La viscosidad es la razón entre el esfuerzo y la deformación.

Como ejemplo de ello tenemos el agua, que mientras mayor esfuerzo se aplique, p. ej. empujarla con la mano cada vez más fuerte,  presenta mayor resistencia, pero se sigue comportando como agua.

Sin embargo, existen otros fluidos con propiedades diferentes (en algunos casos simpáticas) y estos son los llamados fluidos no newtonianos. ¿Cómo podemos observar ese comportamiento diferente?

En las películas vemos muchas veces cuando un personaje le es más difícil salir de las arenas movedizas si se mueve bruscamente; se trata de un fluído dilatante, en donde su viscosidad aumenta con el esfuerzo aplicado.

Por otro lado, al pintar observamos que la pintura se desplaza fácilmente al moverla con la brocha, pero se deja de mover al quitar el esfuerzo; se trata de un pseudoplástico.

Para sacar la catsup o pasta de dientes del envase, es necesario aplicar cierto esfuerzo para que el fluido salga. Con un pequeño esfuerzo no logramos desplazamiento. Este tipo de fluidos se llaman fluidos de Bingham.

Debido a las propiedades de los fluidos no newtonianos, tienen diversas aplicaciones en las que se necesita que el desplazamiento del fluido cambie con el esfuerzo o con el tiempo.

Incluso se pueden hacer divertidos experimentos, como caminar sobre una alberca llena de fluido dilatante sin hundirse.

Puedes hacer tu propio fluido no-newtoniano en la comodidad de tu casa, sólo necesitas agua, fécula de maíz (maicena) y si así lo deseas unas cuantas gotas de colorante vegetal.

Para prepararlo, en un recipiente colocas 1 taza de agua [y el colorante], incorporando y mezclando poco a poco la fécula, hasta llegar a 1 1/2 taza. La consistencia debe de ser un líquido que al golpearlo o moverlo muy rápido se sienta sólido. De sentirse muy aguado, se le agrega más almidón y si se vuelve muy duro, se le agrega un poco más de agua.

Y listo: ya tienes un fluido no-newtoniano para divertirte. Puedes, por ejemplo: tomarlo con la mano y sentir como escurre, sumergir los dedos y sacarlos bruscamente, ponerlo en una bolsa de plástico y golpearlo o agitarlo bruscamente, o ponerlo sobre una bocina que toque frecuencias bajas (sonidos graves) a un volumen alto.