Artículos de Arturo Quirantes

Arturo QuirantesArturo Quirantes | http://fisicadepelicula.blogspot.com/ | @elprofedefisica

Soy profesor de Física en la Universidad de Granada. Mi investigación se centra en el estudio de aerosoles atmosféricos mediante técnicas de dispersión de luz. Mis aficiones incluyen Internet, la criptografía y leer como un cosaco. Y además me ha picado el gusanillo de ser mejor profe, que ahora que viene Bolonia hay que ser innovador, chachipiruli y de calidad. Eso me ha impulsado a crear un proyecto docente para enseñar Física mediante ejemplos de películas de todo tipo. Y encantado de la vida.

A golpes de nucleón

Hubo un tiempo en que los físicos de partículas tenían una vida feliz.  Existía el protón, el neutrón y el electrón.  Ahora, las partículas subatómicas forman todo un zoo.  Pero en el fondo, sigue subyaciendo la idea de que toda la materia y la energía del universo se basan en un pequeño número de partículas.

En la actualidad, el Modelo Estándar nos ofrece una buena oportunidad de simplificar el mundo nuclear.  Para no extendernos demasiado, tenemos un conjunto de partículas básicas.  Seis de ellas, los llamados quarks, se agrupan en pares o en tríos para formar las partículas que generan las fuerzas nucleares fuertes: protones, neutrones, etc.  Seis de ellos, los leptones, que incluyen los electrones y los neutrinos, sienten las fuerzas nucleares débiles.  Después tenemos las partículas que transmiten esas fuerzas nucleares: gluones y bosones vectoriales intermedios.  Tenemos el fotón, que transmite la fuerza electromagnética.  Puede que exista el gravitón, para la fuerza gravitatoria. Ah, y cada partícula tiene su antipartícula.

Este modelo, como otros, ha sido verificado experimentalmente.  Por eso, se construyen aceleradores de partículas cada vez más grandes y potentes: cuanto mayor la energía disponible, más partículas raras podemos obtener.  Lo que hacen, básicamente, es hacer chocar partículas a alta energía, y ver qué sale.  Es un poco como estampar dos relojes uno contra otro, e intentar averiguar cómo funcionan examinando los fragmentos.

Aquí, en Europa, tenemos el acelerador de partículas del CERN, en Ginebra.  En realidad, es tan grande que está a caballo entre Francia y Suiza.  Los norteamericanos intentaron construir uno más grande, pero se quedaron sin presupuesto.  Sin embargo, tienen buenas máquinas, y les sacan provecho.

Hace poco, uno de los equipos que trabajan en el Tevatrón del laboratorio Fermilab de EEUU, anunciaron un descubrimiento sorprendente.  Hicieron colisionar protones y antiprotones, y obtuvieron una nueva partícula a una energía de 140 gigaelectron-voltios (GeV).  Esto es equivalente a la masa de dos átomos de cinc, así que estamos hablando de una partícula muy gorda.  Pero esa no es la noticia.  Lo que resulta extraño es que esa partícula no está predicha por el Modelo Estándar.  Los científicos esperaban partículas, sí, pero de 90 GeV, y he aquí que aparece un bicho casi un 50% más masivo.  De la sala de prensa de Fermilab saltó al New York Times, y eso por definición lo convierte en noticia.

El sospechoso más probable es el llamado bosón de Higgs. Se trata de una partícula muy extraña, que según el Modelo Estándar sería la responsable de dar masa a todas las demás partículas conocidas.  De ser así, Fermilab habría encontrado el equivalente a la Piedra Rosetta de la física de partículas.  Pero los datos preliminares indican que la desintegración observada no es la que cabría esperar si se tratase del bosón de Higgs.  Otra posibilidad, más inquietante, sería una manifestación de una nueva fuerza de la naturaleza, desconocida hasta ahora.  Eso inquieta a muchos físicos, porque llevaría a la modificación, o incluso a la retirada, del Modelo Estándar.

Hay una tercera posibilidad: ninguna de las anteriores.  Esta nueva partícula se manifiesta como un pico estadístico obtenido tras observar infinidad de colisiones.  La probabilidad de que se no se trate de una partícula predicha por el Modelo Estándar es pequeña, pero no tanto que resulte imposible, lo que convertiría el nuevo descubrimiento en un simple “artefacto,” un espejismo experimental que nos hace creer que hay algo donde no lo hay.  Para comprobarlo, se están desarrollando otros experimentos en Fermilab, y seguro que en el CERN están trabajando ya en ello.  Tendremos que esperar a ver qué pasa.

Aunque tendrán que darse prisa.  La crisis afecta también a la ciencia.  Debido a los últimos recortes presupuestarios, el Tevatrón se quedará sin dinero en Septiembre, y tendrá que cerrar.  Sería irónico que el descubrimiento de la década resultase al mismo tiempo el canto del cisne.  Pero mientras tanto, a cavar.

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Otros amazings también han hablado de esta noticia en sus blogs:

Ciencia Kanija: Los físicos del Fermilab han encontrado algo raro

Francis (Th)E Mule News: Un tecnopión de 150 GeV/c² podría ser la explicación de la anomalía observada en el Tevatrón del Fermilab

Conociendo cómo funciona un reactor nuclear

Central nuclear Fukushima

Lo primero que necesitamos es el material fisionable. Eso es fácil. Basta con algo de uranio, plutonio o torio. Cuando un núcleo de esos elementos recibe un neutrón, se divide en dos fragmentos. En el proceso libera energía y dos neutrones, que luego impactarán con dos núcleos atómicos, produciendo cuatro neutrones, que fisionarán otros cuatro núcleos, los cuales emitirán ocho neutrones, y así sucesivamente.

Por supuesto, queremos que la reacción nuclear sea controlada, no explosiva. Para ello, utilizaremos dos trucos. El primero es diluir el material fisionable, de forma que no podamos obtener una explosión nuclear ni siquiera por accidente. El segundo es introducir material que disminuya la velocidad de los neutrones, de forma que podamos controlar la producción de energía. A ese material que modera el flujo de neutrones lo llamaremos moderador.

En tercer lugar, hemos de extraer la energía para usarla a nuestro gusto. Para ello, nada mejor que un líquido refrigerante, que además servirá para evitar que el reactor se caliente demasiado. El refrigerante pasará el calor a un sistema de turbinas que, conectadas a un generador, producirá electricidad, justo lo que deseamos. Después de ello, el refrigerante pasará por un sistema condensador, donde se le extraerá el calor que le quede, y volverá de nuevo a pasar junto al material fisionable, donde volverá a calentarse, y así una y otra vez.

Por último, pero lo más importante, no queremos que escape radiactividad, ni neutrones, ni nada dañino. Por eso, el material fisionable, el moderador y el refrigerante están contenidos en la vasija de confinamiento o núcleo, una especie de olla exprés con paredes de acero y cemento de varios metros de espesor. Dicha vasija, a su vez, está contenida dentro de una estructura de confinamiento secundaria.

Dependiendo de lo que usemos como moderador y refrigerante, el reactor será de uno u otro tipo. En el caso de la planta nuclear de Fukushima, es un reactor de agua en ebullición, donde se utiliza agua normal y corriente como moderador y refrigerante. Y con eso, nos vamos al Japón. Las últimas noticias al escribir estas líneas indican una explosión en uno de los reactores, así como la liberación de material radiactivo en cantidades desconocidas.

Aunque la información es aún escasa, podemos conjeturar. Una explosión de tipo nuclear está descartada. No solamente la concentración de material fisionable lo hace inviable, sino que un estallido nuclear hubiera desintegrado completamente la central entera, junto con todo lo que estuviese a kilómetros de distancia.

Eso nos deja con una explosión convencional, de tipo químico. Según las autoridades japonesas, se ha debido a una concentración de hidrógeno y oxígeno. ¿De dónde han salido? Muy probablemente, del núcleo. El combustible nuclear está envuelto por un cilindro de circonio. A temperaturas altas, el circonio reacciona con el agua produciendo óxido de circonio e hidrógeno. Puesto que la presión en la vasija es tan alta, han tenido que efectuar una liberación de emergencia. Es decir, la olla ha dejado escapar algo de vapor junto con hidrógeno, el cual ha reaccionado con el oxígeno del aire para producir una explosión. Según las autoridades japonesas, la explosión no ha afectado a las vasijas de confinamiento, cosa lógica, pues están diseñadas para resistir casi todo.

Quedan, no obstante, dos grandes problemas. El primero concierne la radiación liberada. Aunque sea en cantidades pequeñas, eso indica que hay una ruptura en alguna parte. El lugar más probable es el circuito primario, el conjunto de tuberías por donde circula el refrigerante. Según el gobierno japonés, no hay fugas significativas de material radiactivo, así que todo indica que la liberación radiactiva que se ha medido se debe a la liberación de emergencia de vapor.

El otro problema, el más crucial, se refiere a la refrigeración en sí. Aunque la reacción de fisión se haya detenido, los subproductos son radiactivos y calientan el refrigerante de la vasija. Las bombas que impulsan el refrigerante están detenidas. Normalmente deberían funcionar gracias a la electricidad de la red eléctrica, y en caso de emergencia, gracias a un sistema diesel. Ambos sistemas han fallado. Tan sólo hay un sistema con baterías, y eso está manteniendo el reactor dentro de límites seguros. Pero las baterías durarán solamente unas horas, y después de eso no habrá forma de bombear el calor fuera de la vasija de confinamiento. Para empeorar las cosas, Fukushima es un reactor de los años 70. Los modelos más modernos utilizan un sistema adicional de enfriamiento de emergencia, usando la propia convección del agua para mover el refrigerante. Es una medida que hubiera ayudado en un caso extremo como este, pero por desgracia, el reactor de Fukushima no dispone de esta ayuda.

Las últimas noticias indican que se está preparando una refrigeración de urgencia, usando agua del mar combinado con ácido bórico (el boro es un buen material absorbente de neutrones), pero las réplicas al terremoto están dificultando los trabajos. Si habéis visto alguna vez alguna película tipo Godzilla, donde los esforzados ingenieros y soldados luchan a brazo partido contra la adversidad, con una mirada impávida y al pie del cañón hasta el último momento. Desde aquí, ruego porque tengan éxito.

Si todo ello fallase, tendríamos lo que se denomina una fusión (meltdown). No se trata de fusión nuclear, sino de fundición: el núcleo del reactor se convierte en metal líquido. En ese caso, más de cien toneladas de material fundido altamente radiactivo caerán al suelo del edificio de contención, donde se encuentra la última línea de defensa: un sistema de contención formado por un suelo ultrarresistente de hormigón. Si ese suelo fallase, el material fundido caería profundamente, alcanzando las capas freáticas y liberando su radiactividad por el agua subterránea. Es un fenómeno denominado Síndrome de China, que se hizo famoso porque la película del mismo nombre fue emitida apenas un par de semanas antes del famoso incidente de la central nuclear Isla Tres Millas. Hay que puntualizar que el Síndrome de China nunca ha sucedido hasta ahora … salvo en los episodios de Los Simpson.

Y eso, de momento, es cuanto sé del asunto en estos momentos

La Luna es inocente

La luna, momentos de mucho miedito! | Imagen: Davetoaster (Flickr)

Hace unos minutos, descansaba tranquilamente frente al televisor, disfrutando con una película de submarinos, comunistas y reactores nucleares desbocados. Mientras tanto, amanece en Japón, donde se afanan por controlar los efectos de un terremoto devastador. Todos hemos visto las imágenes, las olas inundando un aeropuerto, los incendios nocturnos, los comentaristas de televisión en su puesto, casco en la cabeza, al pie del cañón. Incontables explicaciones, gráficos de la NOAA, comentarios de expertos. Cuando conozcamos el alcance total del desastre, temblaremos de miedo. Y eso a pesar de que Japón es el país mejor preparado del mundo, tanto material como anímicamente, para afrontar una catástrofe natural.

Pero lo que yo no estaba preparado para asimilar es un tweet que leí en un descanso de mi película de submarinos. Creía que era una broma, pero por desgracia es cierto. Al parecer, algunos expertos de sillón han descubierto cuál es la causa subyacente al terremoto.

El culpable es … la Luna.

Sí, lo han leído bien. Nuestro satélite ha devastado Japón.

El razonamiento, por llamarlo de algún modo, es el siguiente. Como sabréis, la Luna y el Sol son responsables de las fuerzas de marea. Cuando Sol, Luna y Tierra están aproximadamente alineados, el efecto de las mareas es máximo. Es lo que se llama marea de primavera, y sucede con Luna llena y con Luna nueva. Este mes, cuando tengamos Luna llena, se dará además la casualidad de que la Luna está en perigeo; esto es, su distancia a la Tierra es mínima. Eso hace que las fuerzas de marea sobre la Tierra sean máxima. A este fenómeno algún astrólogo sensacionalista le ha puesto un nombre: superluna. Leer más »

Alerta Zombi

Recientemente, la serie The Walking Dead batió récords de audiencia en La Sexta.  El argumento es similar al de otras películas, como 28 Días Después o la serie Resident Evil. Un puñado de supervivientes de un holocausto zombi se esfuerzan por sobrevivir.  Los zombies atacan, los humanos disminuyen en número, pero la esperanza nunca se pierde.  Qué remedio, no queda nada más que perder.

El guión ha cambiado con los años.  De las películas gore en las que los zombies solamente sirven para que los protagonistas se luzcan (y el espectador pase miedo) se ha pasado a las situaciones posapocalípticas de final incierto.

También hay lugar para el humor, como la estupenda Shaun of the Dead o la norteamericana Bienvenidos a Zombieland, o para variantes como los vampiros de Soy Leyenda o el virus de Estallido. La mayoría de las veces, el mundo acaba en poder de los zombies.  En otros casos, son finalmente contenidos por los humanos sobrevivientes.  Implícitamente se nos hace creer que el resultado final dependerá de la rapidez con que evolucione el contagio zombi, las agallas de los protagonistas, y en cierto modo las disponibilidades de armas y municiones.

Pero ese será nuestro destino personal.  ¿Qué pasará en el resto del mundo? Leer más »

¡Necesito … velocidad!

Mucha gente está descontenta estos días a tenor de la reducción en la velocidad máxima en autovías y autopistas.  A qué negarlo, pisamos fuerte el acelerador, y nos encanta.  No importa lo que nos diga el señor Rubalcaba, para sentirnos bien en la carretera necesitamos velocidad.  No tanta como la que obtenía Tom Cruise cuando se entrenaba en la academia Top Gun, pero qué le vamos a hacer.  También necesita velocidad Fernando Alonso en el circuito, un velocista para batir el récord de los 100 metros lisos, e incluso Rafa Nadal para machacar a Federer con sus saques. En el caso de las carreras que aparecen en películas tipo Fast and Furious, los protagonistas echan mano de todo tipo de trucos: vehículos con líneas aerodinámicas, motores de gran cilindrada, óxido nitroso.  El objetivo es alcanzar la máxima velocidad, y en consecuencia llegar el primero a la meta, ganar el premio y llevarse a la chica.

Esto resulta necesario porque en la Tierra hemos de vencer un enemigo engorroso: el rozamiento.  Cualquier fuerza, por pequeña que fuese, permitiría a un objeto alcanzar cualquier velocidad.  Dame una pista sin rozamiento sin más rozamiento que el necesario para que agarren las ruedas [Gracias, Dodo], e incluso un Seat 600 alcanzará los 300 km/h (con permiso de la Guardia Civil).  Las naves más veloces que tenemos, las sondas espaciales Voyager y Pioneer, ya han abandonado el Sistema Solar.  Y, puesto que no hay prácticamente nada que las frene, tarde o temprano saldrán incluso de nuestra Galaxia.   Pero pongamos nuestro coche en punto muerto, y pronto se acabará deteniendo.  Eso es debido al rozamiento.

De hecho, la necesidad de mantener el pedal del acelerador pisado (y, por tanto, consumiendo combustible) se debe a que el motor debe luchar contra dos fuerzas que tienden a frenar el vehículo.  La primera es la fuerza de rozamiento entre las ruedas y el asfalto.  Esa es una fuerza que no podemos reducir.  Corrijo: que no nos interesa reducir.  Es la fuerza que nos mantiene pegados a la carretera, la que nos permite girar y maniobrar.  Cuando nos encontramos una región con poca fuerza de rozamiento, como una carretera helada, el coche se convierte en una piedra ingobernable.

La segunda fuerza de rozamiento se debe a la fricción aerodinámica.  Al avanzar, tenemos que ir apartando aire, y eso requiere energía.  Esa fuerza de fricción con el aire puede reducirse haciendo el vehículo más “aerodinámico”, esto es, con líneas curvas que penetren mejor en el aire.  Cualquier coche de hoy día tiene el morro afilado, la carrocería curva, el parabrisas inclinado, todo eso calculado en ordenadores y probado en túneles de viento para que el aire estorbe lo menos posible a su paso.

A pesar de eso, a altas velocidades es la fuerza aerodinámica la que provoca mayores problemas.  El motivo es que el rozamiento con el suelo es más o menos independientes de la velocidad.  Sin embargo, la aerodinámica es proporcional al cuadrado de la velocidad.  Un coche a 140 km/h consumirá cuatro veces más, por kilómetro recorrido, que uno que circule a 70 km/h.

Es con este trasfondo físico como podemos evaluar la reciente decisión del Gobierno de limitar la velocidad máxima en autovías y autopistas de los actuales 120 km/h a 110 km/h.  Según los cálculos iniciales del Gobierno, el ahorro será de un 15% para vehículos de gasolina y un 11% para los de gasóleo.

Si suponemos en primera aproximación que el consumo en litros/100 km es proporcional a la fuerza de rozamiento, y que esta es sobre todo la de tipo aerodinámico (la de rozamiento es proporcionalmente menor a altas velocidades), resultaría que una disminución del 9% en la velocidad máxima (de 120 a 110 km/h) implicaría una reducción en el consumo de aproximadamente el 16%.  Una cifra nada desdeñable, máxime si tenemos en cuenta que buena parte de la factura del petróleo en España se va en llenar los depósitos de nuestros vehículos.

Este modelo simplificado tiene algunos inconvenientes.

En primer lugar, presupone que el consumo de combustible que hace el vehículo es directamente proporcional a la velocidad al cuadrado, y eso no es cierto si tenemos que efectuar cambios de marcha.  Uno de los problemas en la propuesta de limitar la velocidad en ciertas carreteras catalanas de 100 a 80 km/h es que, en lugar de tener vehículos con la quinta marcha circulando a 100, los tendremos a 80 circulando a cuarta.

Problemas parecidos pueden darse en los centros urbanos, donde muchos ayuntamientos están reduciendo la velocidad máxima de 50 a 30 km/h. El cambio de marcha hará que el consumo de energía no disminuya tanto como los cálculos iniciales pudieran darnos a entender, y puede incluso aumentar en determinadas circunstancias.

Pero, puesto que pocos vehículos pueden ir a 110 km/h en cuarta, se supone que este factor no será relevante.  Es ese el motivo por el que el Gobierno reduce solamente el límite de velocidad en las vías más rápidas.  Ahora bien, esta medida solamente permitirá ahorrar combustible a los vehículos que antes podían circular a 120 km/h.  Los que, por su construcción o por restricciones legales, no podían llegar a 110 km/h (camiones, autobuses, furgonetas) no podrán beneficiarse de esta medida.  Así que reducir en un 15% el consumo de un turismo no conlleva reducir en la misma cantidad el consumo global.   Tendríamos que dejar fuera de la ecuación a los vehículos pesados, que superan el 10% en kilómetros recorridos en España.

Un segundo problema, que muchos antes que yo ya han apuntado, es que, sencillamente, los vehículos capaces de circular a 120 km/h no siempre lo hacen.  En vías lentas y urbanas, !seguro que no!  Solamente lo podrán hacer cuando se encuentren en autovía o autopista, y eso suponiendo que no nos caiga encima uno de esos embotellamientos de tráfico descomunales (yo, ayer mismo).  Según el Anuario Estadístico 2009 del Ministerio de Fomento, casi la mitad de los vehículos que circulan en autovías lo hacen a menos de 100 km/h; el 15% superan los límites de velocidad actuales de 120 km/h; y un 35% conduce entre 100 y 120 km/h.  Si suponemos (a falta de otros datos) que la mitad de ese 35% conduce entre 110 y 120 km/h, serán esos conductores los que tendrán que pisar el acelerador algo menos.

En ese caso, un ahorro del 16% de combustible para el 17.5% de los conductores de vehículos ligeros, que son a su vez un 90% del total, nos daría un ahorro promedio del 2.5%, bastante lejos del 11-15% del inicialmente calculado.  Esa cifra presupone que los vehículos ligeros consumen la misma cantidad de litros/100km que los pesados, lo que hace que nuestra cifra pueda bailar arriba o abajo.  Digamos que podríamos ahorrar en torno a un 2-3%

Resulta interesante resaltar que unas recientes matizaciones del Ministro de Industria, Miguel Sebastián, confirman mis datos.  En el programa Herrera en la Onda, el Ministro matizó que el ahorro del 15% (16% según mis cálculos) solamente se produciría en el caso de que el conductor condujese a 110 km/h de modo constante.  Sus nuevas cifras de ahorro global son del 3%.  Muy similares a las que hemos obtenido aquí con cálculos sencillos.

Queda ahora el problema de determinar si un ahorro promedio del 3% es suficiente como para justificar el cambio en nuestros límites de velocidad de autovías y autopistas.  Ahorro del que, me temo, tendremos que descontar las multas con los nuevos límites.  Por si acaso, no corran, que tampoco hay tanta prisa.

Carta abierta de un científico sin complejos

Por esto estamos aquí. El Unobtainium. Porque esta piedrecita gris se vende a veinte millones el kilo. Ese es el único motivo. Es lo que paga todo este montaje, lo que paga tus conocimientos científicos, ¿capici?

Avatar (2009), James Cameron

Algunos políticos creen que el único motivo de la ciencia y la tecnología es crear nuevos procesos productivos, nuevas empresas, nuevos puestos de trabajo.  Creen que algo llamado “ciencia aplicada” se lo puede conseguir, y que es como un café de máquina: se echa una moneda, y a los pocos minutos tienes la bebida calentita en el vaso.

Como contraposición, se inventan una cosa llamada “ciencia básica”, que para ellos suele ser todo lo que no tenga aplicación productiva inmediata.  Amazings todavía colea con los comentarios de Sarah Palin: “Las subvenciones se van en investigaciones que no sirven para nada, como esos estudios con la mosca de la fruta…“  Por supuesto, si luego llega una plaga de mosquito tigre a su Estado y necesita saber cómo combatirlo, esos estudios que no sirven para nada le vendrán de perlas, pero mientras tanto, queda bonito eso de erigirse en adalid del despilfarro.

Aquí no tenemos a Sarah Palin.  Tenemos algo peor.  Se llama Cristina Garmendia, y es Ministra de Ciencia e Innovación.  Dejando aparte que el nombre de su ministerio es una redundancia, esta señora se ha quedado a bien publicando un artículo titulado por una ciencia de calidad y sin complejos, donde desarrolla una curiosa teoría.

Según ella, los científicos españoles somos unos quejicas.  No nos basta con los aumentos presupuestarios descomunales de los últimos años, queremos más y más. Y si no, nos enfadamos.  Menos pucheros y más convicción, nos dice. Leer más »

Los siete de Camazón

Antonio Camazón, 1942 | Fuente

En 1939, cientos de miles de refugiados de la Guerra Civil Española languidecían en campos de refugiados.  Uno de ellos, veterano de las campañas del Ebro, intentaba infructuosamente contactar con conocidos franceses.  Lo intentó una vez más por una ruta clandestina.  Al día siguiente, dos militares franceses de alto rango llegan en un vehículo, amenazan al jefe del campo con abrirle un expediente, recogen al veterano y se marchan, mientras algunos de los refugiados se preguntaban quién sería el enchufado.  Traidores a la República, dijeron algunos, porque si no ¿por qué mostrarían los franceses tanto interés?

El hombre era Antonio Camazón.  Su habilidad: descifrar códigos.

La historia de Camazón es fascinante, y aun hoy sigue siendo un enigma.  Nacido en Valladolid hacia 1901, estudió matemáticas en Madrid.  Ingresó en la policía, donde llegó a comisario, y posteriormente pasó a los servicios secretos.  Su labor en el Norte de África le puso en contacto con un colega francés llamado Gustave Bertrand.  Cuando, tras tres años de lucha, tuvo que cruzar la frontera en 1939, Bertrand le estaba esperando.  Ahora era comandante, y estaba a cargo del servicio de criptoanálisis del Estado Mayor francés.  Bertrand pidió a Camazón que le ayudase a montar un servicio de interceptación y descifrado, a lo que accedió. Leer más »