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.
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:
Apoya a CienciaEs haciéndote MECENAS con una donación periódica o puntual.
40,8 millones de audios servidos desde 2009
Agradecemos la donación de:
Angel Quelle Russo
“Vuestra labor de divulgación de la ciencia y en particular del apoyo a los científicos españoles me parece muy necesario e importante. Enhorabuena.”
Angel Rodríguez Díaz
“Seguid así”
Anónimo
Mauro Mas Pujo
Maria Tuixen Benet
“Nos encanta Hablando con Científicos y el Zoo de Fósiles. Gracias.”
Daniel Dominguez Morales
“Muchas gracias por su dedicación.”
Anónimo
Jorge Andres-Martin
Daniel Cesar Roman
“Mecenas”
José Manuel Illescas Villa
“Gracias por vuestra gran labor”
Ulrich Menzefrike
“Donación porque me gustan sus podcasts”
Francisco Ramos
Emilio Rubio Rigo
Vicente Manuel CerezaClemente
“Linfocito Tcd8”
Enrique González González
“Gracias por vuestro trabajo.”
Andreu Salva Pages
Emilio Pérez Mayuet
“Muchas gracias por vuestro trabajo”
Daniel Navarro Pons
“Por estos programas tan intersantes”
Luis Sánchez Marín
Jesús Royo Arpón
“Soy de letras, sigo reciclándome”