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El Neutrino

El neutrino es una partícula esquiva, en apariencia insignificante, pero necesaria para explicar el mundo. Ni la radiactividad, ni el big bang, ni el Modelo Estandar de la física de partículas serían posibles sin él. Con El neutrino, un blog nacido en febrero de 2009, el físico y escritor Germán Fernández pretende acercar al lector, y ahora al oyente, al mundo de la ciencia a partir de cualquier pretexto, desde un paseo por el campo o una escena de una película, hasta una noticia o el aniversario de un investigador hace tiempo olvidado.

La cavitación

Cavitaciçon = El Neutrino = Cienciaes.com

Agua que no hierve a 100ºC

La temperatura de ebullición de un líquido de­pen­de de su presión. En este hecho se basa el fun­cionamiento de la olla exprés: Al estar ce­rra­da herméticamente, el calentamiento del aire que contiene hace aumentar la presión, de ma­ne­ra que el agua no hierve hasta los 120°C; a esa tem­pe­ratura, los alimentos se cocinan mucho más de­prisa. A la inversa, en la cima del Everest, don­de la presión atmosférica es tan baja que el agua hier­ve a 71°C, es muy difícil cocinar; por ejemplo, se­gún el libro Tortilla quemada, del químico Claudi Mans, para hacer un huevo duro allí habría que co­cerlo durante más de media hora.

Sonoluminiscencia

De acuerdo con el principio de Bernoulli, el mismo principio que explica la sustentación de las alas de los aviones, cuando un objeto se mueve a gran velocidad en un fluido, sea líquido o gas, se produce una disminución de la presión alrededor del mismo. En el caso de un líquido, como hemos visto, el descenso de la presión implica una disminución de la temperatura de ebullición, y pue­de ocurrir, si el descenso de la presión es suficiente, que esa temperatura de ebullición llegue a coincidir con la temperatura a la que se encuentra el líquido; en ese caso, el lí­qui­do se vaporiza en una estela de burbujas alrededor del objeto en movimiento; es el fenómeno conocido con el nombre de cavitación. Como el descenso de presión en el líquido sólo se produce localmente, alrededor del objeto, las burbujas se encuentran rodeadas de líquido a mayor pre­sión, así que se comprimen muy rápidamente; su temperatura y su presión aumentan hasta que co­lap­san violentamente liberando energía en for­ma de ondas de choque y de luz, en un fenómeno conocido con el nombre de sonoluminiscencia; en ese momento, en el caso de un objeto que se mueve a gran velocidad en el agua, la temperatura del vapor puede al­canzar varios miles de grados, con una pre­sión de cientos de atmósferas.

Torpedos que “vuelan” sumergidos en el agua

La cavitación suele ser un fenómeno indeseable: La formación de las burbujas disminuye la eficien­cia de mecanismos como hélices, motores y bom­bas de agua, y la energía liberada en su implosión pro­voca ruido, vibraciones, desgaste y corrosión en los materiales. En la ingeniería naval se trata de evitar este fenómeno para conseguir barcos y sub­marinos más silenciosos y duraderos.

Cuando la velocidad del objeto en el líquido es muy alta, la burbuja de vapor puede llegar a englo­barlo completamente, de manera que el ob­je­to, literalmente, “vuela” dentro de ella; es lo que se llama su­per­ca­vi­ta­ción. La supercavitación re­du­ce enor­me­mente el rozamiento sufrido por el ob­jeto, puesto que la resistencia al mo­vi­miento que opone el vapor es mucho me­nor que la que opo­ne el líquido. Des­de la Segunda Guerra Mun­dial se han desarrollado varios tipos de ar­ma­men­to basados en la supercavitación, co­mo misiles y pro­yectiles aire-mar, pis­to­las y rifles de asalto sub­marinos, y so­bre todo torpedos; el torpedo ru­so VA-111 Shkval y el Hoot iraní, que pro­ba­ble­men­te está copiado del primero, alcanzan una ve­lo­ci­dad de 370 km/h, y los cons­truc­tores del Ba­rra­cu­da alemán afirman que éste llega a los 800 km/h. Estos torpedos utilizan un cohete para su propulsión, ya que una hélice no sería eficaz dentro de una burbuja de vapor. No sé los alemanes, pero los rusos, y los ira­níes, “ha­cen trampa”, en el sentido de que la burbuja de vapor no está generada enteramente por cavitación, sino que está compuesta en parte por gases de escape, desviados hacia el morro del torpedo para agrandarla artificialmente.

La cavitación contra las piedras del riñón

Existe otro tipo de cavitación, en el que las bur­bu­jas no se producen por el movimiento de un objeto, sino mediante ondas sonoras; así fun­ciona la litotricia extracorpórea, el método de destrucción de las piedras del riñón con ultra­so­nidos, y también los dispositivos de limpieza ultra­só­ni­cos, en los que una fuente de ultrasonidos pro­du­ce millones de minúsculas burbujas de cavitación en un fluido para arrancar la suciedad de objetos de­licados, como joyas, instrumentos ópticos y qui­rúrgicos, relojes, componentes electrónicos, etc.

También en la naturaleza se produce cavitación, que afecta a algunos animales acuáticos. Para los na­dadores rápidos, como los delfines y los atu­nes, la cavitación constituye una limitación en la ve­locidad que pueden alcanzar. Los delfines evi­tan nadar tan rápido como podrían por el dolor que les provoca el colapso de las burbujas de ca­vi­tación en las aletas, llenas de terminaciones ner­vio­sas; los atunes, por su parte, no tienen esa sensibilidad en las aletas, pero ven limitada de todos mo­dos su velocidad por la pérdida de eficiencia que provocan las burbujas.

Algunos animales utilizan la cavitación como arma

Otras especies animales han conseguido incluso apro­ve­char la cavitación en su beneficio: dos grupos de crus­táceos, los alfeidos o camarones armados y al­gunos estomatópodos -grupo al que pertenece la sabrosa galera (Squilla mantis) -, utilizan bur­bu­jas de cavitación para cazar.

En los crustáceos estomatópodos, las dos patas de­lanteras están más desarrolladas que las demás, y terminan en forma de mazo o de cuchilla; el ani­mal las lle­va dobladas debajo del cuer­po, en una postura semejante a la de una mantis re­li­gio­sa. Pa­ra cazar, despliegan rápidamen­te sus patas y gol­pean a su presa; pueden infligir gra­ves daños a pre­sas mucho más grandes que ellos. Los es­to­ma­tópodos dotados de ma­zos pueden desplegar és­tos con una velocidad de has­ta 23 metros por se­gundo, su­fi­ciente para generar burbujas de ca­vi­tación. Así, la presa re­ci­be dos impactos: pri­me­ro el del mazo e inmediatamente des­pués el de las burbujas de ca­vitación. Incluso si el pri­mer golpe falla, la onda de cho­que generada por la cavita­ción puede por sí sola matar o atontar a la pre­sa.

Los camarones armados han llevado el uso de la ca­vitación aún más lejos. Tienen la pinza de un la­do más grande que la del otro, y con ella pro­du­cen un chasquido tan violento que genera bur­bu­jas de cavitación con una presión tan grande que pue­de matar peces pequeños a unos centímetros de distancia. De hecho, los camarones armados es­tán entre los animales más ruidosos del océano. El arma de los camarones armados es tan im­por­tan­te para ellos que son capaces de invertir sus pin­zas: Cuando un camarón pierde su pinza gran­de, en su lugar crece una pequeña, y la pinza pe­que­ña original crece también para reemplazar lo an­tes posible la pinza grande perdida.

Pseudocavitación y la caída de la hoja

Existe un fenómeno similar a la cavitación, en el que no es el líquido el que se vaporiza, sino un gas disuelto en él. Al igual que el punto de ebullición, también la so­lu­bilidad de un gas en un líquido varía con la pre­sión. A mayor presión, más gas se puede disolver en un volumen dado. Por eso, cuando se destapa un refresco con gas, que está embotellado a pre­sión, ésta disminuye, y parte del gas ya no puede permanecer disuelto y se li­be­ra en forma de burbujas. Aunque la causa, la dis­minución de presión, y el efecto, la liberación de burbujas de gas, son los mismos que en la ca­vi­tación, no se trata estrictamente del mismo fe­nó­meno, puesto que en este segundo caso el líquido en sí no se ve afec­tado. En muchas obras de di­vul­ga­ción científica se confunden, pero éste es un fenómeno distinto, lla­mado pseudocavitación.

La pseudocavitación es un fenómeno presente en muchos seres vivos. En las plantas vasculares, sobre todo si superan el medio me­tro de altura, la evaporación del agua en las hojas provoca una disminución de presión en la par­te superior de los conductos que conducen el agua des­de las raíces hasta las hojas. Esta disminución de la presión es res­pon­sa­ble en parte de la succión que hace ascender el agua, pero por otra parte puede provocar que el aire disuelto en ésta se libere en forma de burbujas; estas burbujas pueden llegar a in­te­rrum­pir el flujo de agua y provocar en ciertos ca­sos la muerte de la planta cuando hace mucho calor y la evaporación es muy rápida. En algunos árboles, so­bre todo en verano, el sonido de la pseudocavitación en sus tejidos es claramente audible. La caída de las hojas de los árboles caducifolios en otoño tam­bién está provocada en parte por la pseu­do­ca­vi­tación: Con el descenso de temperaturas, el aire se vuelve menos soluble en el agua y es más fácil la formación de burbujas y la interrupción del su­mi­nistro de agua a las hojas, por lo que éstas se se­can.

Crujir los nudillos

Otro caso de pseudocavitación es el crujido de los nudillos y otras articulaciones. En las articulaciones móviles, los hue­sos no rozan unos contra otros directamente, sino que es­tán separados por una cápsula llena de un líquido, lla­mado líquido sinovial, que sirve de lubricante. Cuando se fuerza una articulación, su cápsula sinovial se di­lata; el descenso de presión en el líquido si­no­vial no es suficiente para que éste se vaporice, pe­ro sí para que se libere el aire que lleva disuelto. Ese aire ha llegado al líquido sinovial disuelto en otros fluidos cor­po­rales, como la sangre. En el cuerpo humano no hay compartimentos estancos. La explosión de las burbujas de aire en el líquido sinovial es la que produce el cru­jido de los nudillos, y también de otras arti­cu­la­ciones, que algunas personas parecen a veces castañuelas andantes. Una vez que los gases se han liberado, hay que esperar unos minutos para que se disuelvan otra vez; por eso no es posible ha­cer crujir el mismo nudillo dos veces seguidas. És­ta es una diferencia importante con la cavita­ción: En ésta, la implosión de las burbujas resulta en la licuefacción instantánea del vapor, por lo que el fenómeno se puede repetir in­me­dia­ta­men­te. A propósito del crujido de los nudillos, los es­ca­sos estudios médicos realizados al respecto no se ponen de acuerdo sobre la inocuidad de esta cos­tumbre, así que, como con tantas cosas, es me­jor no abusar.

En el ser humano, el crujido espontáneo de una ar­ticulación puede ser indicio de alguna lesión. Sin embargo, en varias especies de ciervos y an­tí­lo­pes, como el eland (Taurotragus), el crujido de las articulaciones de las patas cuando caminan es la norma.

Pseudocavitación para comer

Hay un animal, al menos, que posiblemente saca par­tido de la pseudocavitación. Se trata del ror­cual común (Balaenoptera physalus). El rorcual co­mún, que puede medir hasta 27 metros de lon­gi­tud, es un cetáceo filtrador, que se alimenta de pe­ces, crustáceos y calamares engullendo grandes can­tidades de agua que luego filtra con las barbas de sus mandíbulas. Sin embargo, aún no se ha po­dido explicar cómo hace el rorcual para evitar que sus presas, ágiles y activas, escapen antes de que se cierre la boca. Los experimentos rea­li­za­dos con mecanismos artificiales de tamaño y for­ma similar son incapaces de capturar nada.

Los balleneros han comprobado que, al abrir las man­díbulas de un rorcual muerto para desmem­brar­lo, se produce un estruendo sordo, seguido del sonido de un golpe seco procedente del ex­tre­mo de las mandíbulas inferiores, que se propaga por toda la mandíbula y la hace vibrar. (En los ror­cuales, a diferencia del resto de los mamíferos, la mandíbula inferior está formada por dos hue­sos, conectados por una cápsula sinovial en el men­tón.) Al abrir la boca, los huesos de la man­dí­bu­la del rorcual tienden a separarse, así que la ex­pli­cación más plausible para esos sonidos es la pseu­docavitación en la cápsula sinovial. También en los rorcuales vivos se han escuchado sonidos pa­recidos cuando se alimentan; es posible que los so­nidos causados por pseudocavitación en el ex­tre­mo de la mandíbula le sirvan al rorcual común, y quizá también a otras especies de rorcuales, pa­ra espantar a sus presas hacia el interior de la bo­ca y evitar que escapen. Pero hasta ahora no se ha podido verificar que se trate realmente de sonidos producidos por pseudocavitación.

OBRAS DE GERMÁN FERNÁNDEZ:

El expediente Karnak. Ed. Rubeo

El ahorcado y otros cuentos fantásticos. Ed. Rubeo

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