La luna nueva y los eclipses

Hola a todos:
En primer lugar, espero que estéis disfrutando de un buen verano.
En segundo, comencemos con la entrada de hoy, que trata de algunos fenómenos relacionados con la luna, el satélite que orbita alrededor de nuestro planeta. Como todos sabéis, la luna presenta ciclos a lo largo de los meses, siendo estos iguales en todas partes de la Tierra.
Hace no mucho se me ocurrió preguntarme una cuestión sin demasiada trascendencia, y la respuesta que encontré rompió todos los esquemas que tenía acerca de esos ciclos. No me avergüenzo a pesar de lo básico que pueda resultar.
¿Cuál es la diferencia entre la fase de luna nueva, y un eclipse lunar?
Mi asombro fue grande al no poder encontrar una distinción a pesar de pensarlo durante tiempo. Si pensamos en un eclipse de sol, todos tenemos claro que la luna se coloca justamente entre la estrella y nuestro planeta, interponiéndose en la trayectoria de la luz y ocultando al astro rey.
En un eclipse lunar es la Tierra la que impide que la luz del sol llegue a la luna, por lo que ésta queda oculta durante un instante de tiempo.
Ahora bien, cuando vemos las dases de cuarto creciente, cuarto menguante, luna nueva... ¿no es la propia Tierra la que, con su trayectoria, "hace sombra" a la luna? Es decir, ¿no estamos viendo eclipses y semieclipses lunares continuamente?

Y justamente aquí se encuentra mi error, y el de tantas personas a las que he preguntado. No es eso lo que sucede. El fenómeno de luna nueva se produce cuando la luna "sale de día", y no podemos verla debido al sol. Cuarto creciente y el resto de estados se deben a que desde la Tierra, vemos una parte iluminada, y una parte de sombra creada por la misma luna.
Una imagen vale más que mil palabras, así que, prestada de wikipedia, aquí está, espero que se despejen todas las dudas:


Basta con situar un punto en la parte sombreada de la Tierra (en la que es de noche) e imaginar un "ángulo de visión" hacia cada fase. No es demasiado difícil discernir qué es lo que veríamos, y está representado en el esquema de arriba. Mencionar que el plano de la órbita lunar no es paralelo al de la órbita de la Tierra alrededor del sol, por lo que, sólo cuando coincidan los planos, habrá eclipse. Mientras eso no suceda, la luna no se interpondrá entre el sol y el planeta, y tendremos simplemente luna nueva.

Espero que haya quedado suficientemente claro y, ya de paso, que todos nos hagamos preguntas para saber más acerca de lo que nos rodea. Por lo menos a mí me reconforta, y disfruto con ello.

¡Un saludo a todos!

P.D.: No puedo dejar la entrada sin mencionar dos apasionantes libros de divulgación de los que no me pude despegar hasta acabarlos. Los temas son algo áridos para los ajenos a la materia, pero son capaces (a mi parecer) de introducir al lector de forma sencilla y amena en la relatividad, tanto especial como general, de Einstein (esa famosa teoría cuyo nombre todos conocen, pero que pocos podrían definir y explicar brevemente) y a la física cuántica y su enorme (e infinitamente infravalorada y desconocida) contribución a todos los campos del conocimiento humano (incluída la filosofía). Estos dos libros son: "La explosión de la relatividad" de Martin Gardner, y "En busca del gato de Schrödinger" de John Gribbin. Espero que podáis leerlos algún día y que os gusten tanto como a mí.

El color de la temperatura

Todos hemos visto alguna vez el color rojo e incluso anaranjado que emite un objeto incandescente. ¿A qué se debe esto? En realidad, es algo creo que básico, pero lo explicaré de todas formas.
Todos los cuerpos emiten radiación electromagnética cuya frecuencia depende de la temperatura a la que se encuentran y de la emisividad. ¿Qué es la emisividad? Para definirla, tenemos que hablar del llamado cuerpo negro.

Un cuerpo negro es aquel que absorbe toda la radiación que le llega, y emite siguiendo perfectamente la ley de Planck (no pondré la fórmula matemática, pero ahí está la gráfica). Un cuerpo negro tiene, en definitiva, una absortividad y una emisividad igual a 1 para todas las frecuencias.
Sin embargo, esto es una idealización y, aunque en la naturaleza existen cuerpos que se acercan muchísimo, ninguno lo es por completo.
Por tanto, podemos definir la emisividad como el cociente entre lo que emite un cuerpo real y lo que emitiría si fuera un cuerpo negro a esa misma temperatura. Esto quiere decir que siempre tomará un valor menor que 1.

Esto no es lo más importante, pero es conveniente saberlo. Ahora echemos otro vistazo a la gráfica de la ley de Planck. Puede verse que hay un pico que se desplaza a la derecha o a la izquierda (donde a la derecha nos encontramos zonas de infrarrojo, radio, microondas, ect... y a la izquierda ultravioleta, rayos Gamma, rayos X, etc...) dependiendo de la temperatura, y aquí está la explicación a nuestra primera pregunta.
Los humanos (y casi todos los seres vivos) nos encontramos a una temperatura parecida, de unos 300 kelvin (aproximando). Hay una fórmula, la ley de Wien, que nos relaciona la longitud de onda (y por tanto la frecuencia) del máximo con la temperatura a la que se encuentra el cuerpo.
Si la usamos, podemos ver que emitimos en el rango del infrarrojo, por lo que usando cámaras especiales, podemos contemplar esas imágenes de colores naranja, amarillo, azulado... dependiendo de la temperatura a la que se encuentre cada parte del cuerpo.


Cuando calentamos un hierro, por ejemplo, vemos que se torna rojo y anaranjado. Esto se debe a que, al aumentar la temperatura, el máximo se desplaza hacia la izquierda, y entramos en el intervalo visible, siendo el rojo el primer color que aparece. A continuación aparecería el naranja y el amarillo (las bombillas, por ejemplo, a unos 2000 kelvin).

Sin embargo, al seguir calentando, la intuición nos dice que deberíamos esperar un color verdoso, ya que el máximo se desplaza hacia la izquierda, pero en la realidad no es así. El siguiente color que aparece es el blanco, ¿qué está pasando?
Resulta que, aunque el máximo se encuentre a una frecuencia o longitud de onda determinada, el cuerpo no emite sólo esta radiación, sino un espectro mayor, tanto hacia la derecha como a la izquierda (conforme nos alejamos del máximo, la intensidad es menor y no tendrá casi contribución), y al combinar los colores, sabemos que obtenemos el blanco (hay un bonito experimento que consiste en girar un círculo cromático. Si lo hacéis suficientemente rápido, los colores se fundirán en el blanco).
Esto explica por qué al estar el máximo en el rojo, lo veremos más anaranjado, ya que a la derecha nos encontramos con el infrarrojo, que no podemos ver y no contribuye a la mezcla de colores, y a la izquierda el amarillo, que sí se mezclará y formará el naranja. Conforme nos acerquemos al centro de la banda visible (en realidad más a la izquierda), el color se tornará blanco, y si seguimos calentando, comenzaremos a ver un blanco verdoso, después un color azulado (como sucede con algunas estrellas) y por último violáceo.

Como curiosidad, mencionar que los colores que más contrastan para el ser humano son el negro y el amarillo verdoso, no el blanco. Esto es debido a que el pico de sensibilidad del ojo se encuentra para una longitud de onda de aproximadamente 550 nm, que corresponde con ese color. Esta es la razón principal del color de los chalecos reflectantes.
¡Un saludo a todos!

La fuerza de Coriolis

Hola a todos:
Hoy dedicaré la entrada a algo que apareció en otro artículo: la fuerza de Coriolis. Ya mencioné que su efecto es pequeñísimo, y que el mito del sentido de los remolinos era, en la práctica, falso.
Sin embargo, hoy lo veremos más en detalle, y nos daremos cuenta de diversas aplicaciones en las que sí tiene importancia.
¿Qué es la fuerza de Coriolis? En primer lugar, aclaremos que NO es una fuerza, sino algo que aparenta serlo al disponerlo matemáticamente de una forma conveniente (exactamente lo mismo pasa con la fuerza centrífuga que, como muchos sabéis, es una fuerza que no existe).

Todos hemos sentido, en un coche, al tomar una curva, un impulso hacia el lado externo de la misma. ¿Cómo puede haber fuerzas que parecen estar ahí, pero que en realidad no son tales? La respuesta son los sistemas de referencia no inerciales.
Trataré de explicarlo de forma sencilla. Un sistema de referencia inercial es aquel que se mueve con velocidad constante frente a otro. Es el célebre caso de un tren sin aceleración frente a las vías. En este tipo de sistemas, las leyes de Newton (concernientes a las fuerzas) son válidas y tienen la misma forma, ya que a pesar de que la posición de un cuerpo que se mueve en uno y en otro, así como su velocidad, cambia, no lo hace la aceleración. Aclaremos esto un poco más.

Imaginemos que nos encontramos en el interior de un vagón en movimiento, y lanzamos una pelota hacia arriba. Desde nuestro punto de vista, la pelota ha subido y bajado en línea recta. Sin embargo, un observador situado fuera del tren ve como la pelota sigue una trayectoria parabólica. Ambos estarán de acuerdo en que la aceleración a la que está sometida es la gravedad, es decir g=9.8 m/s2, pero no conseguirán entenderse cuando hablen de la trayectoria que ha seguido la pelota, ni de su velocidad.


Esto es sencillo, pero la cosa se complica cuando el sistema de referencia tiene aceleración, es decir, es un sistema de referencia no inercial. Entonces, no podemos decir que se cumplen las leyes de Newton, aunque sí podremos ordenar nuestros resultados de forma que "parezca" que éstas se cumplen, por lo que aparecerán "fuerzas" extra que antes no estaban.
Si nos centramos en la Tierra, ésta gira con una velocidad angular w (omega, constante) sobre su eje, lo que supone una aceleración normal (hacia el centro de la Tierra). Por lo tanto, nos encontramos en el caso de un sistema no inercial, y aparecerán fuerzas aparentes como la centrífuga (que nos expulsará hacia fuera del planeta), la de arrastre, y la de Coriolis.
Las dos primeras no nos interesan, y en muchos casos son despreciables, por lo que nos centraremos en la última: la fuerza de Coriolis. Las expresiones matemáticas no suelen gustar demasiado, pero sí mencionaré que se reduce básicamente a unos cuantos producto vectoriales con los que deducir hacia donde sufrirán esta fuerza los cuerpos. Despreciaremos el movimiento hacia fuera de la Tierra (por ejemplo, un cohete que escapa de la Tierra).
Si un objeto en movimiento en el hemisferio Norte (no sujeto a la Tierra, claro está) se mueve hacia el norte, sufrirá una fuerza hacia el Este . El resto de resultados es, aplicando esos productos vectoriales:

Hemisferio Norte:

Velocidad: Norte | Sur | Este | Oeste
F. Coriolis: Este | Oeste | Sur | Norte

Hemisferio Sur:

Velocidad: Norte | Sur | Este | Oeste
F. Coriolis: Oeste | Este | Norte | Sur

Hasta ahora todo bien, pero, ¿para qué sirve todo esto si su efecto es tan pequeño? En realidad, era pequeño a la escala que considerábamos en el anterior artículo, esto es, una taza de váter. Sin embargo, sí que afecta a las nubes y al viento, y es el causante de que se formen borrascas y anticiclones (aparte de los gradientes de presión y el rozamiento) de la forma en que lo hacen. Si alguna vez os habéis fijado en los mapas meteorológicos, podréis ver esa desviación del viento, siempre hacia la derecha de su movimiento en el hemisferio norte, y a la izquierda en el sur. De todas formas, dejaré el llamado modelo de viento geostrófico y otras explicaciones para otra entrada.

Otra aplicación interesante es la aparición de la llamada gravedad efectiva. Es decir, en realidad, los cuerpos de la superficie terrestre no son atraídos en la dirección que apunta justo al centro de la Tierra. Esto sólo sucede en el Ecuador, y en el resto del mundo la gravedad está desviada un poco. Aunque parezca mentira, los edificios se construyen siguiendo esta dirección, y no la que indica al centro del planeta. Para haceros una idea de la magnitud del efecto de la fuerza de Coriolis, si tenemos un edificio de 100 metros, su dirección de construcción (que coincide con la de la gravedad efectiva) estará desviado unos 17 centímetros respecto a la recta que marca la dirección al centro de la Tierra. La siguiente imagen es un esquema ilustrativo.



Por último, cabe mencionar una curiosa anécdota. En 1914, en una batalla naval librada entre ingleses y alemanes junto a las islas Malvinas (al sur de Argentina), el señor Coriolis entró en juego. El ejército británico, como el alemán, sabía que tenía que introducir una correción a sus disparos, ya que estos se desviaban cuando los blancos estaban alejados. Sin embargo, todas estas pruebas de corrección fueron realizadas en el hemisferio norte, y ni se imaginaban que algo podría cambiar al cruzar el ecuador. Durante la batalla, los ingleses se dieron cuenta de que sus torpedos fallaban por una distancia el doble de la desviación que habían corregido.
No tuvieron en cuenta que la fuerza de Coriolis actúa en dirección contraria en el hemisferio sur, y fallaron multitud de disparos.

Espero que no hayáis sufrido con la longitud del artículo, hasta la próxima, ¡un saludo a todos!

Un desayuno entrópico

Hola a todos por primera vez en este 2010. Hoy la entrada habla sobre algo que quizá no es demasiado familiar para la mayoría de la gente (donde me incluyo antes de empezar este año): la termodinámica. Aunque parezca inútil, el mundo macroscópico se explica tremendamente bien con esta rama de la física.
Hoy me centraré en un hecho cotidiano que vemos casi todas las mañanas, pero del que no somos conscientes.
La leche y el café o cualquier otro soluto.
Si acabamos de sacar la leche del frigorífico, veremos como al echar el café éste se hundirá y se formarán posos. Si agitamos durante unos segundos, se disolverá, a pesar de que volverán a formarse posos antes o después.
Ahora bien, ¿qué sucede cuando calentamos el vaso antes de todo esto? Al echar el café, este parecerá ser absorbido instantáneamente por la leche y, si nos fijamos bien, se acumulará bastante menos café en el fondo. Además, tendremos que estar mucho menos tiempo removiendo, y podremos disolver más cantidad de café.
¿Qué está pasando en el interior del vaso? ¿Cómo influye la temperatura?

En primer lugar, veremos tres conceptos, uno del que hemos oído hablar bastante, otro que conoceremos pero no sabremos demasiado qué significa, y un último que quizá no hayamos escuchado nunca.
El primero de ellos es la energía. Definirla no es sencillo, y tampoco nos interesa en este caso, por lo que pasaremos a lo realmente importante: el principio de mínima energía. Esto es, los sistemas son más estables cuanta menos energía posean. Esta es la explicación de por qué una canica acaba en el fondo de un hoyo y, en nuestro, por qué los posos del café se quedan en el fondo del vaso. Estos procesos son debidos a que el potencial gravitatorio (o energía potencial gravitatoria) es menor para él en el fondo o, en otras palabras, es más denso.
El segundo de ellos es la entropía. Como muchos habéis oído, puede definirse para muchos usos como el grado de desorden de un sistema. Al igual que antes, sucede que los sistemas tienden a un máximo de entropía. Esta es la explicación de por qué al lanzar una baraja al aire las cartas no caen ordenadas, sino aleatoriamente. Sin embargo, podríamos encontrar una contradicción al hablar del vaso de leche: el estado de máximo desorden se corresponde con una mezcla completamente homogénea de ambos componentes, y todos hemos visto cómo el café se hunde y se acumula en el fondo, por lo que no estamos viendo un máximo de entropía.

La respuesta a este posible conflicto lo proporcionó el fantástico físico Williard Gibbs, con el potencial termodinámico que lleva su nombre y que se define con la ecuación (normalmente con incrementos de G, H y S):
G=H-TS
Esta variable cumple otra condición, y es que todos los sistemas, siempre y por encima de todo, tienden a un mínimo del potencial de Gibbs. Como vemos, encontramos dos contribuciones, la de la energía (en este caso entalpía, denotada por H), y la de la entropía (S), multiplicada por la temperatura (T).
Con ella encontramos una explicación a nuestro sencillo caso del café. A temperaturas bajas, el término dominante de la expresión es la H, por lo que regirá la tendencia a un mínimo de energía. Es el caso de nuestro vaso al echar el café cuando la leche acaba de salir del frigorífico: el soluto se irá hacia al fondo al ser más denso.
Sin embargo, al aumentar la temperatura en el microondas, el segundo término (de la entropía) es el que tendrá mayor importancia en el potencial de Gibbs, por lo que el sistema tenderá a desorganizarse y, en nuestro caso, el café se disolverá mucho mejor, al intentar por todos los medios mezclarse con la leche.


Espero que no haya quedado demasiado confuso. Un saludo a todos, ¡y hasta la próxima!