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¿Por qué el cielo es azul?

 

 

Como homenaje a mi primer libro1, iniciamos con la pregunta que sirvió de arranque a mi aventura en el mundo del libro.

De noche o en el espacio el cielo se ve negro, así que es fácil el color azul que tenga que ver con las dos cosas que perdemos en esas situaciones: la luz del sol y la atmósfera.

Por otra parte, seguro que habéis visto brillar motas de polvo en un rayo de luz dentro de una habitación en penumbra: esto es porque la mota de polvo dispersa la luz que choca con ella, la luz blanca. Si redujéramos el tamaño de los centros dispersores (la mota, en este caso), los distintos colores de los que está compuesta la luz blanca (rojo, naranja… violeta) se dispersarían de forma diferente. Los colores de frecuencia más alta (azul y violeta) se dispersan mucho más que los de frecuencia más baja (rojo y naranja).

En la atmósfera, las moléculas del aire actúan como centros dispersores y son suficientemente pequeñas para producir esa dispersión selectiva. Según esto deberíamos ver el cielo violeta, pero como la componente violeta de la luz del sol no es muy intensa y nuestros ojos tampoco son muy eficientes viendo ese color, resulta que percibimos el cielo azul, para el que hay más intensidad dispersada y vemos mejor.

Por último, hay que decir que cuando la luz del sol recorre mucho camino en la atmósfera hasta llegar a nuestros ojos (en el atardecer o amanecer) la componente azul se va dispersando más y más, de forma que la luz que nos llegaba directa del Sol al mediodía con tono amarillo, al perder el azul en mayor cantidad, la vamos a ver roja.

Hagamos el experimento.

Coge un recipiente transparente y llénalo de agua.

Añade algunas gotas de leche. Esas partículas actuarán como centros dispersores de la luz.

Apaga la luz de la habitación e ilumina la jarra con una linterna. Verás que la jarra parece azulada. Si no es así, añade algunas gotas más, pero no demasiadas, no se trata de que el agua quede blanquecina.

Ahora pon una hoja de papel a la salida de la luz o mira la luz de la linterna a través de la jarra y la verás rojiza. Acabas de fabricar tu propia puesta de sol.

Nota.- Para los que sepáis algo de polarización de la luz tengo que deciros que la luz dispersada está linealmente polarizada en cierto grado, como podréis ver si usáis gafas de sol polarizadas y, mirando a distintas partes del cielo, giráis la cabeza o las gafas. Tendréis máxima polarización en la perpendicular a la dirección de la luz incidente, esto es: mirar al cielo dejando el Sol a tu izquierda o derecha.

2
¿Tienden a subir todos los gases?

 

No, no todos los gases tienden a subir.

Que un gas suba o «caiga» tiene que ver con su densidad, igual que cuando echamos un objeto al agua: flotará o se hundirá según su densidad. Recuerda que vives inmerso en un océano de aire.

La densidad nos dice cuánta masa hay en un volumen fijo, o, visto de otra forma, cuánto volumen hace falta para «guardar» una cantidad de masa fija.

Ejemplo 1: dos botellas de un litro, una llena de aire y otra de helio; la de helio pesa menos porque es menos denso.

Ejemplo 2: ¿cuántas botellas hacen falta para «guardar» un kilo de aire?, ¿y uno de helio?

Como veremos, muchas veces nuestro «sentido común» se ha entrenado en las situaciones más habituales y a veces nos hace llegar a conclusiones o generalizaciones erróneas.

Respecto a los gases, muchos de ellos son invisibles, como el propio aire, el helio, el gas natural, el dióxido de carbono… Así que antes no hemos tenido la oportunidad de saber si subían o bajaban.

En otros casos, como distintos tipos de humo o el vapor de agua, lo que ocurre es que están calientes: el calor hace que los gases aumenten su volumen, con lo que su densidad baja, así que el gas asciende. La mayoría de los gases que has «visto» eran menos densos que el aire.

Pero no es siempre así. El butano, por ejemplo, o el dióxido de carbono son gases que a temperatura ambiente son más densos que el aire. Cuando hay un escape o un exceso de estos gases, van «derramándose» formando una «inundación invisible» que puede provocar explosiones (en el caso del butano) o intoxicaciones (en el caso del dióxido de carbono), respectivamente. Por eso es importante esa rejilla inferior en tu cocina, para que esos gases salgan… Así que, no las tapes ni las obstruyas ni dejes que se ensucien.

 

 

En nuestro experimento vamos a producir dióxido de carbono (CO2), que en tu vida normal se produce como resultado de la combustión o en tu respiración, ya que también tu respiración es una «combustión» que hacen tus células para producir energía: «queman» materia orgánica (azúcar, por ejemplo) y producen CO2 y agua. Como sabrás, más tarde el CO2 pasa a las venas y los glóbulos rojos lo llevan hasta los pulmones para que lo exhales.

El experimento.

Corta la parte superior de una botella de refresco de dos litros o usa un recipiente alto y no muy ancho.

Echa dos dedos de vinagre y unas dos cucharadas de bicarbonato sódico. Verás un burbujeo: se está produciendo CO2, aunque en este caso no es una combustión.

Si fuera un gas menos denso que el aire, el CO2 ascendería por la botella abierta y se perdería, pero no es así. Ese recipiente abierto quedará «lleno» de CO2.

Para comprobar que ese «hueco» está lleno de algo que no es sólo aire, echa pompas de jabón y verás que se quedan flotando sobre ese gas invisible.

Como hemos dicho, el CO2 también se produce en la combustión, que es, simplificando un poco, cuando una sustancia se combina con el oxígeno muy rápidamente, con gran producción de calor y de llama.

Si ese CO2 se acumula en el lugar de la llama, entorpece el acceso de más oxígeno, de forma que la reacción no puede continuar llevándose a cabo y se apaga.

Prueba a meter una vela encendida dentro del recipiente y verás como se apaga. Mejor aún, pon la vela en la mesa y «vierte» sobre la vela ese gas invisible, más denso que el aire, que tienes dentro del recipiente y verás como, mágicamente, también se apaga.

3
¿Cómo se forman las nubes?

 

Sabemos que el calor hace que el agua se evapore. Lo vemos en los charcos, en la ropa puesta a secar o en nuestro propio sudor.

No hace falta que se alcancen 100 ºC para que haya evaporación, aunque cuanta más alta sea la temperatura y más seco esté el ambiente más agua se evapora.

El vapor de agua sube junto con las corrientes ascendentes de aire caliente, hasta que encuentra una capa de aire suficientemente fría donde se condensa y se forman pequeñas gotas. Esas gotas no caen justo en ese momento precisamente por las propias corrientes ascendentes de aire.

Es el mismo proceso de formación del rocío, la niebla, o el vaho que condensamos en un espejo o un cristal. Tenemos aire con alto contenido en agua, desciende la temperatura y se forman gotitas.

Este proceso de condensación es más eficiente cuando hay «algo» donde condensarse (el espejo, las hojas de los árboles, partículas de polvo). Se les llama centros de nucleación.

El experimento es el siguiente.

Coge una botella de agua de plástico de litro y medio.

Echa dos dedos de agua y agítala para conseguir una atmósfera cargada de humedad en su interior.

Vacía el agua y tapa la botella.

Estruja repetidas veces la botella con el tapón puesto, observarás que no sucede nada. Esto es importante para distinguir esta situación de la que tendremos después, lo que se llama un «control».

Ahora enciende un par de cerillas y mételas encendidas dentro de la botella. Se apagarán en un momento, pero habrán dejado algo de humo en el interior. El humo no se ve, pero sus partículas serán centros de nucleación para nuestra futura nube.

Repite el proceso de estrujar y liberar repetidas veces la botella, con el tapón cerrado. Al cabo de algunas repeticiones verás que dentro de la botella hay «niebla», al estrujarla desaparece y al soltar vuelve a aparecer. Al apretar la botella la temperatura del aire sube y vuelve a «absorber» las gotas de agua como vapor.

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El juego de las tres puertas

 

Hay un conocido juego que se utilizó mucho en concursos de la tele.

Al jugador se le ofrece elegir entre tres puertas de las cuales sólo una esconde un premio.

El jugador elige una de las puertas.

Ahora el presentador abre otra de las dos restantes donde no hay premio y le ofrece al jugador quedarse con la puerta escogida en primer lugar o cambiar su elección por la otra puerta restante.

¿Qué estrategia tiene más posibilidades de éxito?

Este problema ha sido fuente de anécdotas y discusiones incluso entre científicos de cierto renombre. A ver si lo explicamos sencillito para que se entienda.

Las dos respuestas más comunes son:

a) Como quedan dos puertas y hay premio en una de ellas, da igual lo que hagas, la probabilidad de acertar es un 50%.

b) Como la probabilidad de acertar en tu primera elección es de un 33% aproximadamente (una de tres), lo más favorable es elegir la otra puerta a la que corresponde una probabilidad de acierto de dos tercios, 67% aproximadamente, lo que queda hasta el 100%.

 

 

 

Es curioso que la respuesta correcta sea la segunda.

Si lo pensamos con diez puertas creo que lo entenderemos mejor.

1. Nos ofrecen elegir entre las diez puertas.

2. Elegimos una, puede que hayamos acertado, tenemos un 10% de probabilidad, pero la probabilidad de que la puerta esté en el otro conjunto es de un 90%.

3. El presentador abre ocho puertas de las nueve restantes, sin premio.

4. ¿Cambiamos? Nueve de cada diez veces, si cambiamos, acertaremos.

¿Aún no estás convencido?

De acuerdo, ahora lo hacemos con mil puertas. Escoge una, seguro que has fallado, ahora el presentador abre 998 que no tienen premio… ahora sí te he convencido, ¿verdad?

El experimento es el siguiente.

Si quieres comprobar experimentalmente que se cumple una probabilidad teórica debes, además de montar bien el experimento, hacer un número muy alto de repeticiones. Es como si tiras una moneda y te sale tres veces cara, no es una cosa rara, si la tiras trescientas veces y las trescientas sale cara, eso sí que es raro.

Si quieres con tres vasos, un garbanzo y un amigo puedes repetir el juego siguiendo la estrategia de cambiar o la contraria y calcular al final el porcentaje de aciertos a ver si se acerca al teórico.

5
Lo que no veo, me lo invento

 

Afrontémoslo, somos los últimos descendientes de una larga estirpe que salió corriendo cuando vio moverse una hoja (quizá había un bicho detrás, quizá no), que tomó decisiones sin saber muy bien hacia dónde le llevaban (dejó unos sitios, fue a otros) y que tuvo cierto éxito en esa tarea. Digamos que somos hijos de cobardes y adivinos con cierto éxito.

Nuestro cerebro ha evolucionado, se ha entrenado, para tomar decisiones en ausencia de suficientes datos y, aun así, tener buenas probabilidades de éxito. No tomamos las imágenes que nos presentan nuestros ojos como son, las interpretamos, completamos líneas que faltan, elegimos fondo o figura, etcétera. Si veo a una persona sentada a una mesa, asumiré que tiene piernas aunque no las vea. Puede que no las tenga, pero acertaré en un gran número de casos. Como os digo, soy el último de toda una estirpe de adivinos, que consiguieron ligar y reproducirse.

 

 

 

En la foto puedes ver las dos caras de una hoja de papel, dibújalas igual y mira el vídeo para seguir la secuencia de movimientos. Hazlo delante de alguien y pensará que se trata de magia. En realidad es simplemente que se «pasa de listo» prediciendo.

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¿Son negras las nubes negras?

 

No, son blancas… bueno, grises si quieres.

Las gotas de agua que forman las nubes dispersan la luz, igual que hace una mota de polvo en un rayo de luz en la penumbra. Eso hace que toda la nube brille con luz blanca.

Cuando la nube contiene mucha agua, la cantidad de luz que llega a la parte más baja de la nube es menor, de forma que la luz dispersada es menor, pero sigue «luciendo».

La cuestión es que un mismo tono de color puede parecernos más claro o más oscuro dependiendo del fondo que le rodee. Una nube que disperse poca luz nos parecerá oscura frente a un fondo más claro.

Además de que te queda pendiente observar las nubes «oscuras» cuando va anocheciendo y en distintas condiciones de luz, puedes hacer esta típica ilusión óptica con cuadrados de un mismo tono de gris sobre un fondo blanco y otro negro.

Para los que piensen que esto es un error de nuestro sistema visual, os debo decir que si hemos llegado hasta aquí es porque de una manera u otra funciona, porque de una manera u otra, en muchos aspectos prácticos, son mucho más importantes para la supervivencia las variaciones de las cosas que sus valores concretos.

7
Las causas del giro: puertas y palancas

 

Cuando queremos mover algo en línea recta, lo empujamos en la dirección deseada y según tenga más o menos masa conseguiremos acelerarlo más o menos.

Digamos que la causa del movimiento es la fuerza, que la masa se resiste a ser movida, y que la aceleración es el resultado.

Cuando queremos que algo gire, la situación no es exactamente la misma.

Al hacer girar una puerta, no es exactamente igual empujar por el pomo que en la parte de la puerta más cercana a las bisagras. La causa del giro no es sólo la fuerza, asimismo es importante la distancia desde donde aplicas esa fuerza hasta el eje de giro. También lo has notado al hacer «palanca», aflojar una tuerca, etc., cuanto más alejado estés del eje de giro, mejor funciona.

Al producto de la fuerza por la distancia al eje de giro se le llama torque o momento de la fuerza y hace el papel de la «causa de giro».

Al giro no se opone sólo la masa, como en el movimiento lineal, también influye la forma en la que está colocada respecto al eje de giro.

Hagamos el experimento.

Coge una silla giratoria, siéntate e impúlsate de manera que gires lo más rápido que puedas.

Mientras giras, estira tus brazos y tus piernas, y vuélvelos a encoger. Notarás que cuando tus miembros se separan del eje de giro la velocidad disminuye y cuando recoges tus miembros la velocidad vuelve a aumentar. Para hacer números, se calcula una magnitud que tiene en cuenta la masa del objeto y su distribución respecto del eje de giro que se llama momento de inercia y que es «lo que se opone al giro». Seguro que recuerdas a algún patinador dando vueltas y jugando a lo mismo que hemos jugado nosotros.

8
Haz tus propios helados

 

Vamos a usar un procedimiento tradicional para preparar helado que puede ser una actividad campestre estupenda para niños.

Necesitaremos hielo (podéis comprar una bolsa en una gasolinera), cuatro bolsas de plástico con cierre (dos grandes y dos pequeñas), sal y lo que queráis congelar (zumo, leche, etcétera).

Prepara tu receta de helado: zumo o leche con azúcar, vainilla, canela… vuélvete loco.

Mete un poco en cada bolsa pequeña.

Mete abundante hielo en las bolsas grandes y sólo en una de ellas añade sal, como el 20% del peso que has puesto en hielo.

Introduce las bolsas pequeñas en las grandes, remueve bien y espera. El tiempo depende de las condiciones ambientales, ve mirando cómo va, pero échale media horita fácil.

La mezcla que estaba en la bolsa de hielo y sal se ha congelado y la otra no. Ya te lo puedes zampar.

¿Por qué hemos hecho dos? Es lo que en ciencia se llama un «control». Si sólo hubiéramos hecho el que lleva hielo y sal nos quedaría la duda de si habría funcionado sin sal. Así lo tenemos claro. Las pruebas con medicamentos también se hacen así, a un grupo de enfermos le doy el medicamento, a otros nada, esperando que en el grupo que tomó el medicamento el índice de curaciones sea sensiblemente superior al otro.

¿Por qué sucede?