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Energía, eterno encantoEnergía, eterno encanto

Fascículo 5SABÍAS QUE... Los tornados seproducen cuando se unen dos masasde aire, una fría en la parte superior yla otra caliente en la inferior. Entonces,el aire caliente tiende a subir y el frío abajar. Estas masas no se mezclan sinoque comienzan a rodearse dandovueltas, ocasionando un torbellino deaire que puede ser muy peligroso.

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La energía y la persistenciacambian todas las cosas.Benjamín Franklin(EEUU, 1706-1790)

El color de la ropaLas ropas de colores oscurosabsorben más las radiacio-nes visibles e infrarrojas quelas de colores claros.Página 7.

Salto de alturaLas marcas mundiales

las tienen el cubanoJavier Sotomayor con

2,45 m y la búlgaraStefka Kostadinova

(foto) con 2,09 m.Página 6.

fundación EMPRESAS POLAR > física a diario > fascículo 5

E = Mc2Fisicosas

Una de las conclusiones más importantesde la teoría de relatividad especial deEinstein es la equivalencia entre masa yenergía, expresada en su famosa ecuaciónE = Mc2. Como los físicos siempre habíanpensado que la masa y la energía eran dospropiedades físicas diferentes, esta equi-valencia tiene consecuencias profundas.

La masa es la cantidad de materia que con-tiene un cuerpo, la cual puede ser sólida,líquida o gaseosa, y se asumía que en todoproceso físico o químico siempre se conser-vaba. Por otro lado, la energía se relacionacon la capacidad que tiene la materia paramoverse o cambiar de estado, y tiene dife-rentes formas: cinética, química, eléctrica,nuclear, etc. La ecuación E = Mc2 implicaque la masa y la energía son dos aspectosde la misma cosa y necesariamente no seconservan por separado, es decir podemosconvertir masa en energía y viceversa.Como el factor de conversión es elcuadrado de la velocidad de la luz en elvacío (300.000 km/s), un número muygrande, la cantidad de energía que se

Isbelia Martín (Universidad Simón Bolívar, Caracas)Claudio Mendoza (IVIC/CeCalCULA)

de Einstein ha sido vital para entender elorigen nuclear de la energía luminosa delSol y de todas las otras estrellas, y paradesarrollar tecnología nuclear a fin deobtener luz eléctrica (reactores nucleares)y avances en la medicina (radioterapia,tomografía de emisión de positrones).

obtiene de un gramo de masa de un mate-rial (por ejemplo, la masa de un billete depapel) es realmente enorme: el equiva-lente a 20 000 toneladas del explosivo TNT.Esto tristemente se comprobó en 1945con las bombas atómicas de Hiroshima yNagasaki. Por otro lado, la famosa ecuación

ecidió dedicar su carrera a lograr una plataforma para colocar a Mérida entre lasciudades pioneras en interconexión.Ahora que Internet forma parte de la vida cotidiana, es difícil imaginar que hace

apenas unos años era imposible tener acceso a las bibliotecas más grandes del mundo oenviar un mensaje de texto por un costo ínfimo a alguien que vivía en otras latitudes. Elfísico Luis Núñez tuvo el mérito de anticipar, hace dos décadas, que eso ocurriría y que eranecesario que la Universidad de Los Andes, la institución a la que pertenece, no dejarapasar el tren de la teleinformación.Gracias al trabajo de él y de otros que también fueron visionarios, tanto la ciudad de Méridacomo la ULA son hoy en día un ejemplo de comunicación a través de las redes.La historia se remonta a mediados de los ochenta, cuando Núñez hacía su doctorado en laUniversidad Central de Venezuela y tenía la idea de aplicar la computación a las simulacionesque sirvieran para su campo de interés, la relatividad general. Entró en contacto con elCentro Científico de la empresa IBM y, durante tres años viajó regularmente a España eItalia, donde pudo ver los primeros pasos de Internet. “Una de las experiencias más bonitasque recuerdo es haber trabajado con tres grupos de investigación en tres husos horariosdistintos, porque algunos estábamos en Italia, otros en Brasil y otros en México”.Entonces comprendió que Internet se convertiría en una herramienta cotidiana en loslaboratorios. Cuando terminó su postgrado, en 1988, se mudó a Mérida donde encontróque en esa materia no había nada. En lugar de desanimarse, a Núñez se le ocurrió entoncesdedicarse a construir una plataforma para permitir el desarrollo de Internet, así que trabajóen todos los aspectos técnicos que lo harían posible desde 1988 hasta 1997.No bastaba solamente facilitar la comunicación mediante redes. “Había que colocarle valoragregado”, dice con convicción. Eso se traduciría en convertir toda esa plataforma enposibilidades para que los investigadores lograran utilizar sus máquinas para facilitar susoperaciones. Gracias a un convenio entre la universidad, el Parque Tecnológico de Mériday el Conicit (hoy Fonacit) surgió CeCalCULA, un centro de cálculo científico, que Núñezcompara con la electricidad o el agua, es decir, con un servicio básico cuyo único fin esproporcionar herramientas para resolver problemas de investigación.Un poco después nació saber.ula.ve, un sitio en la Web donde los conocimientos quegeneran los científicos se ponen al alcance de quien los necesite. “En este momento laUniversidad de Los Andes es una de las más activas de los países latinoamericanos en ponerla información en la red”.¿Cuál es el siguiente paso?Ahora viene Mérida inalámbrica. Es la posibilidad de contar con una conexión a Internetubicua, desde donde estés. En este momento así ocurre dentro de varios núcleos de launiversidad. Cualquiera, con un dispositivo inalámbrico, puede acceder a la informaciónde la biblioteca o a la base de datos de la ULA. Lo que queremos es que el ciudadano quelo desee, desde la Plaza Bolívar de Mérida, pueda conectarse con el mundo.

Luis Núñez, un físico que persigue el sueño dehacer Internet accesible para todos

Director del Centro Nacional de CálculoCientífico de la ULA (CeCalCULA)El interés de Luis Núñez por emprender retos tam-bién se manifiesta en sus aficiones. Es amante delalpinismo y esa fue una de las razones por las quedecidió mudarse, en 1979, a Mérida, donde comen-zó a dar clases en la Universidad de Los Andes.

Nació en Valencia, pero estudió en Caracas, en elliceo Martín J. Sanabria y, luego, en la UniversidadSimón Bolívar, de donde egresó en 1978. Recuerdacon emoción que perteneció a la primera promo-ción de graduados de física de esa universidad.“Eso significa que nosotros construimos la carrerade física, participamos en la creación de sus progra-mas de estudio, para que le sirvieran a las gene-raciones que venían después”, dice orgulloso.

Entre los físicos que admira está el Premio NobelRichard Feynman, conocido como el precursor dela nanociencia (que manipula objetos a la escalade los átomos). También su profesor de doctoradoen la UCV, Luis Herrera Cometta, “el gaucho”. Enambos reconoce una sencillez que no admiteposes. La misma que a él le anima.


Jesús Muñoz Tébar y el Observatorio Cajigal

n 1888, durante el mandato del presidente Juan Pablo Rojas Paúl, se decretó lacreación del Observatorio Cajigal en la Colina Quintana, con funciones en astronomíay meteorología. Se designó una Junta de Fomento integrada por los ingenieros

Germán Jiménez (1861-1929), Agustín Aveledo (1837-1926) y Henry Lord Boulton (1855-1921) para administrar los fondos y vigilar su construcción. Los dos últimos estabaninteresados en la astronomía: Aveledo era profesor de geodesia y astronomía aplicada enla Escuela de Ingeniería, en tanto Boulton había construido en su casa un pequeñoobservatorio equipado con un anteojo ecuatorial de la casa Bardou. El cuarto y, tal vez elmás importante personaje en la creación y construcción del Observatorio, fue el entoncesministro de Obras Públicas, Jesús Muñoz Tébar (1847-1909).

Muñoz Tébar (ilustración) se graduó de ingeniero en la Academia de Matemáticas en 1867y fue el primer ministro de Obras Públicas (1874). Siempre tuvo intereses en la astronomíay fue autor de varios textos, entre los cuales se han podido conocer Ocultación de las Pléyades(s/f ), Estrellas fugaces, bólidos y aerolitos (1891) y Estudios cosmogónicos (1889). Para 1891el edificio del Observatorio todavía no se había terminado, pero empieza sus actividadesbajo la conducción de su primer director, el astrónomo italiano Mauricio Buscalioni (?-1894).

La física en la historia

Yajaira Freites, Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas, Caracas

Ernesto Medina Dagger, Instituto Venezolanode Investigaciones Científicas, Caracas

a idea de un fluido que dé “vitalidad”a las entidades de la naturaleza, seanéstas cuerpos inanimados o seres

vivos, es una intuición que empieza conlos griegos. El término “energía” viene delgriego y quiere decir activo o trabajointerno. Fue usado por primera vez alre-dedor de 1800 por el científico inglés Tho-mas Young. A pesar de que el conceptocualitativo de energía se intuía desde hacíamucho tiempo, su cuantificación no secomenzó a explorar hasta los trabajos deRené Descartes y Gottfried Leibniz duranteel siglo XVII. Este último fue el primero enidentificar a Mv2, donde M es la masa deun cuerpo y v su velocidad, como unacantidad que se mantenía constante (seconservaba) en rudimentarios experi-mentos con péndulos simples. Leibnizllamó a esta cantidad “vis viva” (fuerza viva),y junto con otra cantidad física denomina-da momento (cantidad de movimiento)calculada como Mv, servía para la descrip-ción del comportamiento de los cuerposfísicos bajo la acción de fuerzas y desplaza-mientos, disciplina conocida como lamecánica. El momento resultaba especial-mente útil ya que era una cantidad queno era afectada por las asperezas de losrudimentarios experimentos mecánicosde la época, manteniéndose constanteaún cuando estas experiencias involucra-ran la misteriosa fuerza de fricción o roce,la cual degradaba a la vis viva de Leibniz.La energía, en la concepción de Leibniz,sólo correspondía a lo que ahora conoce-mos como la energía cinética, o aquellaenergía asociada con el movimiento delos cuerpos. Sin embargo, pronto se reco-noció a la energía potencial como unasegunda forma de energía mecánica, lacual se manifestaba como una manera dealmacenar a la vis viva.El siguiente paso en la evolución delconcepto de energía se concretó a travésde las contribuciones de William Thomson(Lord Kelvin), a mediados de 1800, en suelaboración cuantitativa de la teoría delcomportamiento del calor: la termodiná-mica. Es aquí donde adquiere sentido laenergía como un concepto que va másallá de su aplicación en la mecánica de loscuerpos simples y que, además, se presen-ta de diversas formas: el calor, el trabajo,la energía eléctrica, magnética y química,


entre otras muchas. Lo más interesante dela termodinámica es que permite, median-te la conservación de energía, transmutaruna forma de energía en otra, es decir,convertir, por ejemplo, la energía químicaen luz, o en calor, en energía sonora o entrabajo mecánico.Este ejemplo es obvio cuando pensamosen la pila que usamos en las linternas, losjuguetes o en los equipos de sonido portá-tiles. Una pila es simplemente un reservo-rio de energía potencial química que seconvierte en la energía cinética de unacorriente eléctrica (electrones en movi-miento), luego en calor en una resistenciaque a su vez, al calentarse, se iluminaencendiendo un bombillo. En un equipode sonido, la variedad de las transmu-

taciones de la energía es más sorpren-dente aún. Esta vez la corriente eléctrica,que ahora cambia de dirección en eltiempo según la música que se escuche,muda la polaridad del campo magnéticoproducido por una espira (un enrolladode alambre), alternando en dirección elnorte magnético de la misma. La energíacinética de los electrones pasa ahora alcampo magnético producido por la espiraque interactúa con un campo de un imánpara producir fuerzas de atracción o repul-sión entre el imán y la espira. Estas fuerzasfinalmente mueven a un diafragma (mem-brana plana), unido a la espira, que trans-fiere su energía al aire que rodea la cornetaproduciendo sonidos audibles. Estamaravillosa variedad de transmutaciones

Energía, eterno encanto

Aprovechamiento de energía eólica Petróleo (plataforma deltana)


hace pensar que no hay límites para suuso tecnológico.Más allá del concepto de que la energía nose crea ni se destruye, sólo se transforma,como aprendimos en la escuela, la funciónque expresa la energía tiene un significadomucho más profundo. Un principio queunifica las distintas disciplinas de la físicaes el principio variacional, tambiénconocido como el principio de extremosde la función energía. A mediados del sigloXIX, el científico irlandés William RowanHamilton, continuando con el trabajopionero de Joseph-Louis Lagrange,consigue una conexión entre los mínimosde la acción (una función directa de laenergía) de un sistema y las ecuaciones querigen el movimiento de los cuerpos físicos.

La contribución popularmente más recono-cida de Einstein es quizás la equivalenciaentre masa y energía de acuerdo con lafamosa relación E = Mc2, donde E es laenergía, M la masa de un cuerpo y c lavelocidad de la luz. Esta equivalencia es unamanera más de expresar la transmutabili-dad de la energía, siendo la masa una desus múltiples formas. La energía es definiti-vamente un concepto unificador quedetermina la capacidad para el cambio.

En otras palabras, el principio variacionalrelacionado con energía permite obtenerlas ecuaciones de movimiento de Newton.Un principio variacional parecido une a lamecánica con la termodinámica para res-ponder preguntas del tipo, ¿cómo evolu-cionan dos cuerpos a distintas temperaturassi se ponen en contacto?, ¿cuál es el trabajomecánico máximo que podemos aprove-char de la diferencia de temperaturas delos cuerpos? Ambas preguntas se puedenresponder haciendo uso del principio varia-cional de los mínimos de la energía que nospermite hallar las condiciones de equilibriotermodinámico de los sistemas físicos.No es de extrañar que en esta corta expo-sición sobre el concepto de energía AlbertEinstein también se vea involucrado.

La energía tiene masay la masa representa energía.Albert Einstein (Alemania, 1879-1955)

Aprovechamiento de energía hidráulica Aprovechamiento de energía solar

La energía y la persistenciacambian todas las cosas.

Grabado donde aparece Benjamin Franklin(EEUU, 1706-1790) experimentando con uncometa que le llevó a inventar el pararrayos.

La energía es uneterno encanto.William Blake(Inglaterra, 1757-1827)

RETO¿Por qué sentimosfresco cuando nosabanicamos?Resultado:http://www.fundacionempresaspolar.org/fisica

os primeros atletas del salto alto lo realizaban con los pies juntosy sin carrera. El francés Pierre Lewden ejecutó su salto donde tomabacarrera y afrontaba el listón haciendo una especie de tijera con

sus piernas, pasando primero una pierna y después la otra, llegando asalvar una altura de 1,97 metros. El siguiente cambio lo introdujo GeorgeHorine con el nombre de "Western roll" que era una especie de rodillo,ya que el cuerpo se volteaba sobre el listón, pero se hacía de espaldas,llegando a flanquear los dos metros.El estilo “Fosbury flop” revolucionó el salto de altura en las Olimpíadas de1968, en México. Su creador, Dick Fosbury, un joven atleta estadounidense,con solo 21 años, consiguió la medalla de oro en salto de altura, con unespectacular salto de 2,24 metros y con un estilo un tanto peculiar: ¡deespaldas!Este método, que se utiliza actualmente, permite al atleta superar alturasmayores de las que puede elevar su centro de masa, maximizando deesta manera el uso de su energía.Las marcas olímpicas de salto de altura las obtuvieron el norteamericanoCharles Austin en Atlanta, 1996 (2,39 m) y la rusa Yelena Slesarenko enAtenas, 2004 (2,06 m).El centro de masa es el punto donde se puede considerar concentradatoda la masa del atleta. Nota en la figura cómo esta técnica de saltole permite superar la altura de la barra aunque su centro de masapasa por debajo de ella.

Prueba y verás


n bombillo caliente transmitecalor al aire. Desde la antiguaGrecia se sabe que los objetos

livianos se mueven cuando se ponen encontacto con corrientes de aire caliente.Veamos qué ocurre... Traza el patrónanexo en un papel. Córtalo hasta lograruna espiral. Equilibra el centro de la espi-ral sobre la punta de un lápiz, haciendouna marca para evitar que la espiral secaiga. Procura no agujerear el papel.Acerca este montaje de la espiral sobreun bombillo que ha sido prendido conanterioridad. ¡La espiral comienza a girarlentamente!

Ocurre que el aire caliente es un gas y, amedida que se calienta, más rápido semueven las partículas gaseosas haciendoque la masa de gas sea menos densa.Este gas caliente y más liviano asciende,

Parque Tecnológico de Mérida

y el aire más frío ocupa inmediatamentesu lugar provocando un desplazamientode aire que choca contra la espiral y lamueve. De manera similar surgen losvientos que no son otra cosa que aireque asciende por su contacto con elsuelo caliente de la Tierra, cuyo espacioes ocupado por aire frío creando movi-miento continuo en la atmósfera.

Saltando altoDeportes

Rogelio F. Chovet

Centro de masa

En la Foto: Steve Smith (Inglaterra) medalla de bronce en los juegosolímpicos realizados en Atlanta, 1996.Fuente: http://www.sporting-heroes.net

¡El bombillo produce movimiento!

Qué tipo de ropa se debería utilizar en el trópico o zonascálidas? En el trópico las temperaturas son elevadas y lasradiaciones solares son intensas, por lo tanto, es necesario

usar ropa para protegernos de las radiaciones solares que llegande forma más directa que en otros lugares. Las ropas de coloresoscuros absorben más las radiaciones visibles e infrarrojas quelas de colores claros, por esta razón es recomendable utilizar telasclaras o blancas. Si se dispone de suficiente cantidad de agua essaludable contar con ropas de tejidos amplios (porosos) para queel sudor pueda salir y se refresque la piel. Si no disponemos desuficiente agua, como es el caso de los desiertos, la ropa debetener un tejido más compacto, menos poroso, para evitar la pérdidade agua y, por consiguiente, la deshidratación. Además, hay queutilizar en estos sitios ropas holgadas para que el aire circule entrela ropa y la piel refrescándola sin demasiada transpiración, ya queel sudor es la forma natural utilizada por el cuerpo para bajar latemperatura corporal.


¿Qué ropa utilizar?

La física en... la fisión del uranio

xisten ciertos elementos químicosen la naturaleza que son radiactivos.Los átomos de estos elementos son

inestables y emiten espontáneamente va-rios tipos de partículas (alfa, beta, gamma).Algunos átomos inestables, además deldecaimiento anterior, se fisionan (se rom-pen en dos partes menores) emitiendoneutrones: partículas neutras del núcleoatómico que ayudan a mantener “pega-

Parque Tecnológico de Mérida

Poca masa convertida en mucha energía

una energía equivalente a la que se obtie-ne por la combustión de 3,5 millones delitros de gasolina. Esta energía se usa enlos reactores nucleares para calentar aguahasta obtener vapor, que a su vez hacegirar una turbina generadora de electri-cidad. En submarinos y portaviones impul-sados mediante energía nuclear, las turbi-nas además de producir electricidad hacengirar las hélices.

dos” a los protones. Cuando esto ocurre,la masa de los fragmentos es menor quela masa del núcleo inicial. ¿Qué pasa conla masa perdida? Según la relación deEinstein, E = M c2, la diferencia de masa seconvierte en energía.

La fisión de medio kilogramo de uranio ra-diactivo (235U), de tamaño menor que unapelota de béisbol, es capaz de producir

Reacción en cadena en la fisión deluranio. Un neutrón que incide en unnúcleo uranio produce, además de loselementos de fisión (141Ba y 92Kr), neutro-nes secundarios que crean a su vez másfisiones.

Neutrón

Neutró

n

Neutrón

Neutrón

Productode la fisión

Productode la fisión

Núcleode uranio

Delta III, submarinoruso de propulsiónnuclear.

El liqui-liqui o liqui-lique blanco es un traje tradicional de los llanos venezola-nos y colombianos, y se adecúa plenamente a las características climáticas deesa zona.

Curiosidades

Ángel Delgado, Universidad Pedagógica Experimental Libertador, Caracas

Dragones en el cielo


Física y salud

n nanorobot es una pequeña má-quina cuyo tamaño es del ordende magnitud de algunos nanóme-

tros (1 nanómetro equivale a la mil millo-nésima parte de un metro). Aunque eldiseño de los nanorobots para aplicacionesen la medicina está en muchos casos im-pregnado de una gran imaginación y cien-cia ficción, no deja de tener posibilidad derealizarse en los próximos años. Mucha dela inspiración proviene de la misma natu-raleza.

Si damos un vistazo a los organismos vivos,nos damos cuenta de que se encuentranformados por enormes conglomerados de“nanomáquinas”, o mejor dicho, de célulasque realizan incansablemente tareas espe-cíficas. De allí que entre las nuevas ideasse haya propuesto la creación de nanoro-bots con la capacidad de recoger materialde desecho en los tejidos (células muertas,bacterias, cuerpos extraños e invasores) ydestruirlos químicamente, tal y como lohacen los glóbulos blancos presentes en

la sangre. También crear nanomáquinasque presenten detectores específicos parafijarse a las membranas de ciertas células,por ejemplo, células cancerosas, penetraren ellas y liberar en su interior algún tipode potente veneno que destruya la célula.Inclusive algunas ideas llegan al extremode desarrollar máquinas con sistemas depropulsión y herramientas que permitanhacer reparaciones celulares más finas.

No pensemos que esta tecnología necesa-riamente tiene que parecerse a réplicasdiminutas de las máquinas que conoce-mos, pues a esa escala todo funcionafundamentalmente con bioquímica. Lomás probable es que el “motor” se parezcaal que ya existe en células que presentancola y se desplazan, tales como los esper-matozoides. Como vemos, la búsqueda deinspiración en la propia naturaleza, consus nanomáquinas que sin duda funcio-nan, permitirá en un futuro cercano hacerde la ficción una realidad.

Tras el cielo azul

Ángel Manuel Bongiovanni, Centro de Investigaciones de Astronomía, Mérida

e estima que hay más de cien mil millones de galaxias. Son los ladrillos que cons-tituyen el mayor edificio que conocemos: el universo observable. En un sentidogeneral, las galaxias son sistemas formados por estrellas, gas, polvo y materia

oscura, sostenidos por su propia gravedad. Si observamos las galaxias, tal como ungeólogo hace con las rocas y sus agregados en la Tierra, notaremos enseguida quepodríamos agruparlas usando criterios de forma, color, edad dominante de sus estrellas,brillo total, etc. Y para muchos astrofísicos, aquí viene lo mejor: entre 10 y un 20% delas galaxias que vemos deben su brillo no solamente a las estrellas y al gas ionizadosino a la enorme cantidad de energía que emite una compacta región en su centro.Estas son las galaxias “activas”; cuasares, blazares, galaxias Seyfert, tales son los nombresasociados con algunas de estas “criaturas”. Y como fantásticos dragones que escupenfuego por sus fauces, la región central de determinadas galaxias emite veloces chorrosde partículas que alcanzan distancias comparables a sus propias dimensiones, estimu-lando la emisión de energía en el envoltorio material de sus núcleos.

Hoy se admite que en el corazón de la región central de al menos cada galaxia activahay un agujero negro con una masa de diez, cien o mil millones de veces que la denuestro Sol, el cual hace las veces de eficiente motor del mecanismo descrito. El intensocampo gravitatorio que genera el agujero negro provoca la precipitación sobre un discode buena parte del material galáctico a su alrededor gracias a la conservación delmomento angular. La rotación diferencial y la fricción del material en el disco producenaltas temperaturas, plasma y campos magnéticos intensos. Cuando la materia disponiblese agota, en el curso de una fracción importante de la edad de la galaxia, la pirotecniadel dragón se extingue y la criatura regresa a la normalidad.

Los nanorobotsMiguel Martín, Universidad Central de Venezuela, Caracas

NubeHueco negroDisco de acreciónToroide

Chorro de partículas

Estructura del núcleo deuna galaxia activa

Simulación 3D de nanorobot reparador decélulas. Fuente: www.nanotech-now.com

Simulación 3D de microcápsula para eltransporte de oxígeno. Este glóbulo rojoartificial podría servir en la sustitución de lasangre por transfusión, para el tratamiento dela anemia, el diagnóstico y cura de los tumores,en la prevención de la asfixia...Fuente: www.cite-sciences.fr

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