La Verdad
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Autor: Alberto Requena
SOLUCIÓN AL 21/10/2017 CRUZ DE MALTA
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Alberto Requena | 07-03-2018 | 2:02| 0

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LA CRUZ DE MALTA

La Cruz de Malta (también llamada de San Juan) tiene ocho puntas, es octógona, usada desde el siglo XII por los caballeros hospitalarios o de la Orden de San Juan de Jerusalén, que se llamó de Caballeros de Malta desde que el emperador Carlos V le otorgó como feudo la Isla de Malta. Originalmente era una cruz ensanchada y cada brazo estaba hendido por una escotadura terminando en dos puntas. Acabó con los brazos tomando forma de uves unidas por los vértices. Las ocho puntas simbolizan las ocho bienaventuranzas: 1) satisfacción espiritual, 2) sencillez, 3) humildad, 4) llorar faltas y pecados, 5) amar la justicia, 6) ser misericordioso, 7) ser limpio y sincero de corazón y pensamiento, y 8) soportar las aflicciones y persecuciones por la justicia. Los caballeros la llevaban en el pectoral, su color era blanco, en señal de pureza y con variaciones las han adoptado numerosas órdenes caballerescas y de distinción. La flor Cruz de Malta (Silene Chalcedonica) tiene pétalos con la forma de la Cruz de Malta.

El diseño de la Cruz de Malta tuvo otra utilidad, configurando un dispositivo denominado, también, Rueda de Ginebra que transforma una rotación continua en un movimiento también de rotación pero intermitente, mediante una pieza que tiene la forma de esta cruz. Una rueda motriz circular tiene un pivote cerca del borde que se introduce en la hendidura de un brazo de una cruz de Malta y la hace girar hasta que sale del mismo. De esta forma el primer disco tiene movimiento continuo, pero la Cruz de Malta avanza por cada vuelta de aquel, el giro de uno de sus cuatro grandes brazos. La rueda motriz tiene una parte circular que se acopla a la forma de la Cruz de Malta entre los brazos y que mantiene a ésta última bloqueada mientras completa la primera el giro. Así la rueda conducida (cruz de Malta) avanza un paso de 90º por cada giro de la rueda motriz. Su aplicación más genuina es en los proyectores de cine.

El astrónomo francés, de origen noruego, Janssen descubrió el Helio en 1868, al identificar una línea a 587.49 nanometros observando el espectro de la cromosfera solar e ideó un sistema para poder observar el Sol, aun cuando no hubiera eclipse. El hecho de que hasta esa fecha no se hubiera encontrado en el espacio ningún elemento que no se hubiera descubierto previamente en la Tierra, motivó que fuera objeto de mofas y ridiculizado. En 1874 utilizó la cruz de malta para construir un revólver fotográfico. Al adaptarlo a dispositivos que empleaban una banda flexible continua acabó incorporando un rodillo dentado que arrastraba la película introduciendo los dientes en los agujeros practicados en la cinta. Tiempo después lo incorporó el francés Marcy en su cronógrafo de película, aunque externamente no lo parecía. El uso que le dio Janssen y el de Marcy eran realmente distintos. Mientras que Janssen, que era astrónomo y su objetivo consistía en capturar fotogramas a largos intervalos, Marcy pretendía producir movimientos rápidos, pasando un número de fotogramas, no inferior a 12 por segundo, como reveló en su obra publicada en 1885 titulada “Developpment de la méthode graphique par l´emploi de la photographie”. Pretendía construir un aparato con forma de fusil que permitiría seguir a un pájaro en vuelo, mientras una placa giratoria registraba las imágenes de la secuencia de posiciones de las alas.
En los proyectores de cine recientes, la película avanza fotograma a fotograma y permanece ante la lente 1/24 de segundo. Es un movimiento intermitente que utiliza la Cruz de Malta. Hoy día hay motores paso a paso que hacen esto controlado electrónicamente. Se usó en 1896 Edison lanzó su kinetoscopio por todo el mundo. Se reservó el tomavistas. Los hermanos Lumiére identificaron que el kinetoscopio, que movía de forma continua la película, no era igual que el tomavistas que Edison mantenía en secreto que funcionaba de forma discreta. Los hermanos Pankow en Berlín hablaban de lo mismo. Los hermanos Skladanowsky también iban en la misma dirección. Muchos estaban en lo mismo. Francia reclamó ante el mundo entero la invención del cinematógrafo e instaló a los Lumiére en el cielo de los dioses. Muchos otros habían recorrido el mismo camino y permanecen en el anonimato, o casi. Así suceden las cosas cuando hay países que quieren ser protagonistas de la Ciencia y Tecnología. Los investigadores de otros lugares, tienen peor suerte.

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SOLUCIÓN AL 7/10/2017 VELOCES PELOTAS
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Alberto Requena | 07-03-2018 | 1:45| 0

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VELOCES PELOTAS

Hay muchos deportes en los que se juega con una pelota o bola. En algunos se impulsa la bola o pelota con la mano, en otros con el pie y en algunos con ambas extremidades. Nada menos que trece de ellos tienen categoría olímpica: Badminton, baloncesto, balonmano, balonvolea y balonvolea de playa, fútbol, golf, hockey, hockey sobre hielo, ping-pong, rugby, tenis y waterpolo. Las diferencias sustanciales entre estos deportes las marcan la forma de impulsar la bola o pelota (mano o pie), las características de la bola: peso forma y tamaño, las características del campo de juego, especialmente el tamaño y el número de jugadores que intervienen.

Las velocidades características de las bolas o pelotas en los distintos deportes, varían desde los más lentos, que corresponden a aquellos deportes en el que la pelota se lanza con la mano, como balonmano o baloncesto caracterizados por velocidades en torno a los 15 metros por segundo. Cuando interviene el brazo, como es el caso del ping-pong, la velocidad se duplica a unos 32 metros por segundo y cuando se golpea, como en el caso del balonvolea, un poco más, como 35-37 metros por segundo. Si se emplea el brazo extendido mediante algún elemento, como el croquet en que se alcanzan velocidades de 45 metros por segundo. En hockey se alcanzan más de 50 metros por segundo y en beisbol (no olímpico, sino de exhibición, aunque en 2020 en Tokio será olímpico) hasta unos 55 metros por segundo. Recordemos que 50 metros por segundo equivale a 180 kilómetros por hora. Impulsando con el pie, como el caso del fútbol se alcanzan en torn a 65 metros por segundo. Cuando se impulsa con un brazo extendido con una raqueta, como en tenis, se logran unos 75 metros por segundo ( más de 250 kilómetros por hora). Cuando la pelota se envuelve en un recipiente y se impulsa con el brazo extendido, como en cesta punta, se logran hasta unos 85 metros por segundo, que llegan a ser hasta 8unos 90 metros por segundo y, finalmente llega a ser de 135 metros por segundo, próximo a los 500 kilómetros por hora) en el caso del badmington, lo que es una auténtica exageración.

Cohen y Canet han estudiado experimentalmente, mediante cronofotografía de alta frecuencia (disparos a intervalos entre 5 milisegundos y 40 milisegundos), la física del proceso, que nos dice que la velocidad inicial de la bola, es coincidente con la del extremo del elemento que la lanza: mano, palo, raqueta, etc. Justamente en el punto en que comienza la bola a describir la trayectoria, las velocidades del impulsor y de la bola son iguales. La cosa cambia cuando se trata de lanzar la bola mediante impacto Entonces por ejemplo en tenis, besibol o golf, la velocidad de la bola llega a duplicar la del elemento que la lanza por impacto. La física nos dice aquí que la relación de velocidades entre elemento lanzador y la bola es igual a la relación entre los momentos, debido a la ley de conservación de este y esta relación es la que vale justamente 2, para una bola elástica ligera idealmente y disminuye debido a la energía que se disipa y cuando la bola ya no es ligera.

Cuando se lanza o golpea la bola se impulsa con el brazo, la velocidad es la velocidad angular del mismo por la longitud. Si queremos aumentar la velocidad o bien alargamos el brazo o aumentamos la velocidad angular. El movimiento articulado actúa sobre la velocidad angular La velocidad angular de un miembro articulado es mayor, dado que su momento de inercia es menor que un miembro con la misma masa y longitud y sin articulación. La otra alternativa es extender la longitud con una raqueta, palo como en el golfo un bate. Así que los deportes más lentos son los que no lo usan. No deja de ser curioso que tenis y badminton emplean raquetas más o menos de la misma longitud, pero el segundo duplica la velocidad del primero. La diferencia estriba en que la raqueta de badminton es más elástica, lo que incide sobre la velocidad. Cuando el mango de la raqueta inicia el movimiento, la cabeza de la raqueta no lo sigue instantáneamente y el mango se dobla, tanto más conforme mayor es la aceleración. Al doblarse el mango, la energía elástica se acumula en la deformación y se libera después como energía cinética, Si el impacto se produce cuando la velocidad alcanza el máximo, la velocidad de la cabeza de la raqueta puede llegar a ser el doble de si fuera una raqueta rígida.

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SOLUCIÓN AL 1/9/2017 CLAVE QUIMICA DE LA NATURALEZA
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Alberto Requena | 07-03-2018 | 1:34| 0

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CLAVE QUIMICA DE LA NATURALEZA

No todos los fenómenos descubiertos son conocidos. Una cosa es identificar los elementos implicados y otra, bien distinta, describir el proceso como discurre en sus distintas etapas. Hay muchas cosas básicas que todavía están pendientes de explicación. Quizás la más gruesa es el mecanismo de la fotosíntesis. El lenguaje vulgar difunde que los captadores solares emulan el mecanismo fotosintético de las plantas. Incluso nos muestran árboles artificiales, tecnológicos, a los que se atribuye la realización de la función fotosintética en la parte de captación de la energía solar. Nada más lejano de la realidad, cuando el mecanismo fotosintético incluye a un complejo proteínico fotosintético, el denominado fotosistema II, que colecta la energía solar y la emplea en el desdoblamiento del agua en hidrógeno y oxígeno. Este proceso es tan fundamental para la vida en la Tierra, como que es la fuente de producción del oxígeno que respiramos.

El láser es una herramienta de propósito general que, gracias a una de las propiedades genuinas, cual es la monocromaticidad, permite tanto la excitación selectiva, como el sondeo preciso de los procesos moleculares. El láser de rayos X del laboratorio SLAC de Stanford permite obtener imágenes a temperatura ambiente de muy elevada resolución del complejo proteínico, permitiendo contemplar como el agua se desdobla durante la fotosíntesis a temperatura ambiente. Las imágenes se obtienen por difracción de los super-rápidos pulsos de rayos X y los láseres de electrones libres.

El fotosistema II se había estudiado anteriormente usando muestras congeladas. Ahora se ha analizado el proceso a temperatura ambiente, con las ventajas que ello supone, también tecnológicas. El avance es notable, si se tiene en cuenta que la comprensión del proceso supone la posibilidad de poder abordar la creación artificial de dispositivos fotosintéticos que serían potenciales fuentes de energía limpia. La Humanidad siempre ha pensado en emular a la Naturaleza. La capacidad de captación de la energía solar que efectúan las plantas en el proceso de la fotosíntesis, a través de la actividad de la molécula de clorofila, ha tenido su admiración y generación de atracción subyugante por lograr disponer de energía económica y prácticamente inagotable. Los actuales dispositivos utilizan el silicio como base para la construcción de la circuitería de semiconductores capaz de captar, en parte, esa energía solar. Pero sigue en pie la emulación de la fotosíntesis tal cual la propicia la Naturaleza desde hace en torno a 3.000 millones de años. Ha sido un reto. El láser pulsado de rayos X de femtosegundo permite observar como ocurre la reacción del desdoblamiento del agua en tiempo real, que es como ocurre en la Naturaleza. Con pulsos de 40 femtosegundos de duración, muy intensos, se obtienen los datos antes de que la muestra se destruya. La muestra se deposita en forma de gotitas en una disolución con formas cristalizadas de fotosistema II y se depositan sobre una cinta transportadora que se irradia con pulsos de un láser de luz verde que inicia la reacción de desdoblamiento del agua. Tras un par de pulsos laser, se capturan las imágenes de los cristales usando rayos X con una resolución de unos 2.5 angstroms, que supera significativamente los experimentos anteriores a temperatura ambiente.

La reacción de desdoblamiento del agua tiene lugar catalizada por un metal en el fotosistema proteínico fotosistema II, conocido como complejo envolvente de oxígeno, que contiene hasta cuatro átomos de manganeso y uno de calcio. El complejo usa la energía de la luz para generar oxigeno puro a partir de dos moléculas de agua. Los cuatro átomos de manganeso son críticos para insuflar los electrones en el ciclo, pero se ignora dónde está incrustado en el complejo del agua y donde ocurre la formación del oxígeno. Todavía quedan cosas por averiguar. Pero estamos más cerca. Conociendo con más detalle otras etapas del proceso llegaremos a conocer más detalles de la reacción de desdoblamiento del agua. Solamente desvelando como ocurre este proceso, podremos abordar la captación de energía solar con dispositivos eficaces que emulen la captación de energía por las plantas. La clave de la Naturaleza es química, no tecnológica. Mientras no la conocemos en detalle, la podemos sustituir por tecnología, pero el objetivo de eficacia solamente lo alcanzamos cuando descubrimos los mecanismos íntimos de la propia Naturaleza y ahí está la Química y la Física para asistirnos.

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SOLUCIÓN AL 1/7/2017 EMPUJANDO ELECTRONES
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Alberto Requena | 07-03-2018 | 1:28| 0

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EMPUJANDO ELECTRONES

Hay muchos fenómenos físicos que, pese a que son bien conocidos, no por ello son bien comprendidos. Es el caso de la termoelectricidad. El denominado efecto Seebeck dio nombre a un fenómeno descubierto en 1821, que acontece cuando unimos dos materiales de distinta naturaleza en dos puntos y entre las dos uniones se establece una diferencia de temperatura al pasar la corriente. Realmente, la interacción entre fenómenos eléctricos y térmicos se conoce desde que Joule, en el siglo XIX, observó que cuando tiene lugar un movimiento de electrones la materia ofrece resistencia y como consecuencia de la cesión de energía cinética de los electrones al entorno, debido a choques sucesivos de éstos con el material, se disipa energía en forma de calor. Seebeck construyó el denominado termopar, concluyendo que la diferencia de potencial que se lograba era función de la naturaleza del material y de la diferencia de temperaturas que se establecía.

Sobre el efecto Seebeck fue descubierto en 1834 el efecto Peltier, invirtiendo los términos del efecto Seebeck y estableciendo que si se hace pasar una corriente continua a través de un circuito formado por dos conductores de distinta naturaleza, acontece que una de las uniones absorbe calor, mientras que la otra lo cede. La energía cedida es la suma de la energía eléctrica suministrada más el calor absorbido por la unión que se enfría. Esta es, justamente, la definición de una máquina frigorífica. Cerramos los descubrimientos citando el trabajo realizado por Thomson, dando nombre al efecto, según el cual se absorbe o libera calor por un conductor eléctrico, cuando se establece un gradiente de temperaturas por el que circula la corriente eléctrica.

Lord Rayleigh, premio Nobel en 1904 y vivió entre 1842 y 1919 ya propuso utilizar los dispositivos termoeléctricos para generar corriente eléctrica. Los rendimientos que se obtenían no permitieron su desarrollo. Solamente en entornos militares o en el ámbito médico en los que la eficiencia no es primordial, sino otros requerimientos, se ha aplicado la refrigeración termoeléctrica. Los ordenadores actuales, especialmente los portátiles la incorporan por exigencia menor. En otros ámbitos prevalece la tecnología de compresión, en gran medida debido a que la incorporación de los semiconductores ha sido más lenta de lo previsto y a problemas con la disipación del calor generado de forma eficiente, lo que exige la génesis de nuevos materiales y un diseño térmico muy ligado al dispositivo.

Hoy hay una alternativa eficiente. Se trata de mejorar los rendimientos de los motores y de cualquier dispositivo que disipe calor. Desde el punto de vista termoeléctrico, se trata de hacer cabalgar el calor residual acoplando el flujo de calor a la corriente eléctrica. Pero para lograrlo, hay que comprender bien el fenómeno descubriendo aspectos fundamentales del mismo. Sigue siendo de actualidad en el área de la termoelectricidad la pregunta más básica y fundamental que subyace al proceso físico. Es relevante que en un reciente estudio publicado por Arpelet y colaboradores se cuestiona la naturaleza de las fuerzas que ponen a trabajar los electrones cuando se aplica una diferencia de temperatura en el itinerario que recorren éstos a través de un material termoeléctrico. Estos autores concluyen que la fuerza que pone a los electrones a trabajar para poder sacar rendimiento al calor residual, está ligado a la habilidad de los electrones para difundirse a través del material. Esto desvela un camino para el desarrollo de potenciales aplicaciones, por cuanto la producción de energía eléctrica a partir de calor residual requiere dispositivos termoeléctricos diseñados para estimular la energía en un rango de magnitud que permita alcanzar la escala del kilovatio, mientras que en los materiales convencionales de hoy solamente se alcanza una escala de microvatios.
Esto permitiría la utilización de la energía que, por ejemplo, disipan los automóviles con motor de explosión, ciclo Otto o ignición mediante chispa, que llega a ser de un 30%, por lo que el 70% restante de la energía que suministra el combustible, se disipa de forma indeseable. Si se trata de un motor diesel, el rendimiento mejora algo, alcanzando en torno a un 40% pero, no obstante, desperdicia un 60%. Si se tratara de generación de energía eléctrica habría que afectar esos porcentajes por un 0.90%, más o menos, por el rendimiento del alternador, con lo que todavía la reducción es mayor. ¡Vale la pena la investigación! Tanto más, cuanto trata aspectos básicos que son los que conducen a resultados de alcance.

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SOLUCIÓN AL 10/6/2017 DESCONOCIDA AGUA
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Alberto Requena | 07-03-2018 | 1:18| 0

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DESCONOCIDA AGUA

No sólo son importantes los saberes, sino las ignorancias. En realidad, es más definitoria la ignorancia que el saber. No saber es bien fácil. Saber que no se sabe, conocer el límite entre la propia ciencia y la propia nescencia, ya no está al alcance de todo el mundo. Laín insiste en que la persona define su propia existencia en pugna marginal con todo lo que no conoce e ignora. Todos hemos tenido, alguna vez en nuestra vida una experiencia consistente en establecer esa delimitación con lo que no sabemos e ignoramos. En algún momento, todos, sin excepción, llegamos a saber que el agua está compuesta de hidrógeno y oxígeno. En ese instante asumimos ese conocimiento delimitándolo de la gran cantidad de cosas del agua que no conocemos o ignoramos Tras casi medio siglo dedicado al estudio de las moléculas, sigo aprendiendo cosas nuevas del agua que no conocía. Pero esto nos pasa con todas y cada una de las cosas que llegamos a conocer, desde esa tabula rasa que es nuestra mente cuando venimos al mundo.

Del agua se siguen descubriendo cosas constantemente. Algo tan común y abundante alberga secretos que desvela con la parsimonia de quien se sabe importante. Omnipresente en mares y océanos, ríos y atmósfera, cuerpos humanos y animales, así como vegetales, en forma sólida, líquida o gas. ¿a qué temperatura se puede enfriar sin congelarse? Una respuesta poco meditada hará uso del punto de fusión en condiciones normales y hablará de 0ºC para el agua pura. Otros más y mejor avisados, nos dirían que a -13ºC y no a 0ºC, es cuando el agua se congela en su totalidad, cuando no solo se enfría, sino que se estructura en formas tetraédricas formando el hielo. Es posible que aun así permanezca agua líquida. Para la utilización de cubitos para refresco, poco importa el hecho. Para el estudio del cambio climático si y mucho, ya que la cantidad de radiación que absorbe la atmósfera terrestre tiene que ver con las cantidades de agua cristalizada y líquida que haya y este es un dato importante en los modelos del cambio climático.
Propiedades singulares
Todo parece indicar que la formación del hielo no la decide solamente la temperatura, sino los cambios físicos asociados a la estructura molecular del agua. Moore y Molinero lo han explicado en la acreditada revista Nature con detalle. En el agua líquida las moléculas de agua están unidas por puentes de hidrógeno. En el agua cristalina se pueden formular hasta dieciséis formas de unirse las moléculas. Las propiedades del agua son muy diferentes de las de otras moléculas. El hielo flota, pero en otras sustancias al congelarse son más densas y se hunden. Gracias a esto cuando el agua se hiela en el mar, como en los polos, por ejemplo, el hielo es una capa superficial y por debajo continúa siendo líquida y la temperatura es más templada, permitiendo la vida de los peces.

Papel de los cambios de estructura
Se ha observado agua líquida en las nubes a -40ºC y se han hecho experimentos que la observan hasta a -41ºC. Las impurezas inducen la cristalización del hielo, al actuar como núcleos de condensación y cuando esto se da, se congela a 0ºC. Un agua sin agentes que produzcan la nucleación puede alcanzar temperaturas muy bajas antes de que el cambio de estado tenga lugar. La ausencia de núcleos de condensación implica que la única forma de formar una semilla para que tenga lugar la nucleación es por un cambio en la estructura del líquido. La cuestión que se plantea es descubrir cómo se controla el proceso de nucleación. Moore y Molinero han simulado el proceso de congelación con un algoritmo muy rápido y concluyen que al aproximarse a -48ºC la fracción de moléculas unidas a otras formando tetraedros sufre un incremento notable. Es decir, subyace un proceso que forma el escenario en el que se produce la congelación. Hay una caída brusca de la densidad, un incremento de la capacidad térmica y también un aumento de la capacidad de compresión. Esto justifica por qué el agua es más fácil comprimirla conforme se enfría, cosa que no ocurre con otros líquidos. Son estos cambios de estructura los que controlan la formación del hielo a partir de agua líquida. Y -48ºC es la temperatura más baja a la que puede permanecer como líquido antes de congelarse. ¡Desconocida agua!

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Sobre el autor Alberto Requena
Atanor es una herramienta de búsqueda. Esta sección pretende ser una vía por la que se vierten aspectos relevantes de la Ciencia y la Tecnología: hechos, reflexiones, consideraciones, aspectos destacables. Pretende recoger todo aquello que forma parte de lo que queremos conocer, pretendemos saber y no no está bien que forme parte de la ignorancia.