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Ulises y la Ciencia

Desde abril de 1995, el profesor Ulises nos ha ido contando los fundamentos de la ciencia. Inspirado por las aventuras de su ilustre antepasado, el protagonista de la Odisea, la voz de Ulises nos invita a visitar mundos fascinantes, sólo comprendidos a la luz de los avances científicos. Con un lenguaje sencillo pero de forma rigurosa, quincenalmente nos cuenta una historia. Un guión de Ángel Rodríguez Lozano.

El juicio de Arquímedes. Fluidos y superfluidos.

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Arquímedes y la corona del Rey.

Cuentan las crónicas que hace mas de 2.200 años existía en la Isla de Sicilia una próspera colonia griega llamada Siracusa. En ella vivía el gran sabio Arquímedes a quien todos respetaban por su extraordinaria inteligencia. Un día el rey Herón, su tío, le hizo un encargo singular. El monarca había entregado cierta cantidad de oro a un orfebre con el encargo de elaborar una corona. Cuando el trabajo estuvo terminado el rey no quedó satisfecho. Algo le hacía sospechar que su súbdito había sustituido parte del oro por metales menos valiosos. A simple vista, el trabajo era magnífico y no deseaba destruirlo, así que encargó a Arquímedes que descubriera el engaño sin destrozar la corona.

Por más vueltas que le daba al problema, Arquímedes no acababa de encontrar la solución. Una mañana decidió darse un baño para relajarse. Desnudo se introdujo en el agua tibia hasta cubrir todo el cuerpo, cerró los ojos y se dejó llevar por la sensación de ingravidez. “¡Qué curioso! – pensó el sabio- al entrar en el agua tengo la sensación de perder peso ¿Por qué será?” Después, en un momento de inspiración exclamó: “¡Lo encontré!. ¡Eureka!.”

¡Eureka!

Corrió semidesnudo por las calles de Siracusa para comunicárselo al Rey. Una vez en su presencia, solicitó una balanza, una cantidad de oro idéntica a la que el Rey había entregado al orfebre y la corona.

Rápidamente le trajeron lo que había solicitado. Arquímedes sujetó la balanza en el aire por la una argolla que tenía en el centro. Ceremoniosamente colocó el oro en un plato de la balanza y la corona en el otro y la balanza quedó equilibrada. Después, se desplazó hasta el borde del estanque real sujetando la balanza con una mano y con suavidad fue bajando la balanza hasta que el agua cubrió los platillos, el oro y la corona. Entonces, como por arte de magia, el equilibrio se rompió. El platillo que contenía el oro comenzó a hundirse, como si de pronto hubiera adquirido mas peso que la corona. El fiel de la balanza se inclinó y Arquímedes, sentenció : “Majestad, puedo asegurar que la corona no es de oro puro. ¡Tu orfebre es un tramposo!.

Aquel día, Arquímedes no solo resolvió el enigma de la corona de Herón sino que hizo algo mucho más importante. Descubrió un comportamiento básico de la naturaleza, el “PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES”. Se puede enunciar así : “Todo cuerpo sumergido en un fluido, ya sea líquido o gas, pierde peso en una cantidad igual al de peso del fluido que desaloja”. El sabio comprendió que si la corona era de oro puro, independientemente de su forma, ocuparía el mismo volumen que el metal depositado en el otro plato de la balanza. Entonces, al introducirlo en el agua, ambos lados desplazarían la misma cantidad de líquido y el equilibrio se mantendría. Pero si la corona contenía una parte de plata, que es un metal mucho mas liviano, el volumen de la corona sería mayor. En ese caso, desplazaría más agua que el oro y el equilibrio se rompería. Y así ocurrió. Pobre orfebre, fue el primer tramposo que perdió la cabeza por culpa de la ciencia…

Aplicaciones del principio de Arquímedes

El principio de Arquímedes sirvió para explicar muchas otras cosas. Gracias a él lo mismo flota un frágil barco griego que un moderno trasatlántico de millones de toneladas de peso. Y se aplica a cualquier clase de fluido, sea líquido o gas. Pero… ¿que es un fluido?. La respuesta es una perogrullada: fluido es algo que fluye, que cambia de forma, que se adapta al recipiente que lo contiene. Esa propiedad le permite rodear cualquier objeto sumergido en él. Se acopla a su forma por muy irregular que esta sea. Como lo hizo con la corona de Herón. En contraposición a ellos están los cuerpos sólidos y todos, sólidos, líquidos y gases no son mas que diferentes estados posibles de la naturaleza.

El Helio líquido

Durante muchos siglos, el principio de Arquímedes fue ampliamente utilizado para las más variadas aplicaciones. A mediados del siglo XX la ciencia aplicada a los fluidos parecía que podría proporcionar ya pocas sorpresas, sin embargo, un fluido maravilloso, el helio líquido, iba a demostrar que la naturaleza guardaba aún secretos insospechados.

El helio es una sustancia increíble. Después del hidrógeno es el elemento mas abundante del Universo, sin embargo, en la Tierra, apenas existe. Fue descubierto en el Sol, analizando la huellas que deja en la luz emitida por nuestra estrella. En estado normal el helio es un gas y conseguir hacerlo líquido fue un verdadero reto para la ciencia. Existen dos tipos, el helio-4 es el más abundante y fácil de manejar y el Helio 3, que prácticamente no existe en condiciones naturales.

A principios del siglo XX se consiguió licuar el helio-4 y, para lograrlo, hubo que enfriarlo hasta una temperatura de 269 grados bajo cero, a poco más de 4 grados por encima del cero absoluto. El esfuerzo fue muy grande, pero mereció la pena porque abrió un mundo desconocido para la ciencia. En 1938 el investigador ruso Kapitzka descubrió que, al bajar la temperatura hasta algo más de 2 grados por encima del cero absoluto, el helio fluye de forma instantánea por los agujeros más finos. Incluso escapaba de un recipiente trepando por las paredes. Esas propiedades tan especiales le valieron el nombre de “superfluido”. Un estado de la materia de características tan insólitas que habría hecho exclamar de nuevo a Arquímedes. ¡Eureka!

Como complemento a las explicaciones de Ulises, e D Sebastián Vieira, catedrático de Física de la Materia Condensada en la Universidad Autónoma de Madrid habla del helio superfluido.

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