Hombre, ciencia y naturaleza.: marzo 2012

sábado, 31 de marzo de 2012

La voz de los pitufos

A todos nos hace gracia, cuando tenemos globos de helio a mano, aspirar este gas para que se nos agudice la voz, como la de los pitufos. Pero en ese momento no nos paramos a pensar qué produce este efecto. La difracción de las ondas sonoras.

Cuando la trayectoria de una onda se topa con un cambio de medio cambia de dirección. A esto se le conoce como difracción. Esto solo ocurre si dicha trayectoria incide de una manera oblicua a la superficie de cambio de medios y si estos tienen índices de refracción distintos.

El índice de refracción, $n$ , es una medida que determina la reducción de la velocidad de onda al propagarse por un medio homogéneo. Es una característica de cada medio. El índice de refracción de un medio x es la velocidad de la onda usada (en este caso ondas sonoras) en el vacío entre la velocidad de la onda en x.

En función de los índices de refracción del medio del que se sale y del que se entra variará a mayor o menor la velocidad de la onda, al igual que su trayectoria.

Para una onda con un ángulo de incidencia $\scriptstyle{\theta_1}$ sobre el primer medio (ángulo entre la normal a la superficie y la dirección de propagación de la onda), tendremos que el rayo se propaga en el segundo medio con un ángulo de refracción $\scriptstyle{\theta_2}$ . Este valor podemos obtenerlo mediante la Ley de Snell.

Si $\scriptstyle{\theta_2}$ es mayor que $\scriptstyle{\theta_1}$ implica que $n$ 1 es mayor que $n$ 2. De donde llegamos a la conclusión de que la velocidad de propagación de la onda en el primer medio es menos que en el segundo. Si $\scriptstyle{\theta_1}$ fuera mayor que $\scriptstyle{\theta_2}$ , lo contrario.

La velocidad del sonido es directamente proporcional a su frecuencia. De ahí que la variación del medio en el que se propague la onda sonora produzca un cambio en su frecuencia.

La frecuencia de la onda es lo que marca la gravedad del sonido. Los sonidos más agudos provienen de vibraciones rápidas, por lo tanto frecuencias altas, mientras que los más graves son originados por vibraciones lentas, frecuencias bajas.

Por lo tanto si un sonido es más agudo en un medio que en otro es porque ese medio tiene un índice de refracción menor.

Esto es lo que ocurre cuando inhalamos helio. Cuando hablamos las ondas sonoras que producimos se propagan en este material, mientras que cuando hablamos en situaciones normales el medio de propagación es aire. El helio tiene un índice de refracción menor que el aire, lo que agudiza nuestra voz aumentando su frecuencia.

Justo lo contrario sucede con el hexafluoruro de azufre, con un índice de refracción mas bajo que el del aire, lo cual nos produce una voz mucho mas grave, emitida por tanto con menor frecuencia.

jueves, 29 de marzo de 2012

¿Será la solución?

Es sabido que las células no sólo pueden “suicidarse” cuando algo va mal (apoptosis), sino que también pueden sufrir autofagia, que significa más o menos eso: comerse a uno mismo.

Durante la autofagia se forman vesículas de doble membrana llamadas autofagosomas que capturan material citoplasmático y lo transportan hasta los compartimentos acídicos (vacuola en el caso de levaduras o lisosomas en el caso de células de mamífero), donde son degradados por enzimas hidrolíticas. Una vez que los autofagosomas se han fusionado con los lisosomas, las vesículas resultantes (ya de membrana simple) pasan a denominarse autolisosomas. En mamíferos, la autofagia es un evento constitutivo que regula crecimiento celular, desarrollo y homeostasis. Mientras que en levaduras, la autofagía es inducida bajo condiciones de estrés celular, tales como falta de nutrientes, incremento de temperatura o estrés oxidativo. Los estudios más recientes apuntan que la autofagia, además de constituir un proceso reparativo, está implicada en fenómenos de muerte celular.

La autofagia se ha relacionado con proliferación, diferenciación y respuesta inmune contra patógenos, cáncer, apoptosis y recientemente se ha propuesto como una herramienta que permite a la célula obtener energía, ácidos grasos y aminoácidos permitiendo su supervivencia en condiciones adversas.

La autofagia tiene lugar en las células de cualquier organismo vivo, aunque tiene una importancia especial en ese milagro de la vida que son los insectos que sufren metamorfosis completas, como los 'gusanos de seda' (en realidad no son gusanos, sino larvas) que todos hemos tenido de pequeños. Cuando la célula carece de nutrientes, aumenta la tasa de autofagia y la célula obtiene energía de sí misma. En ocasiones especiales, una célula entera puede destruirse a sí misma por autofagia.

Desde hace tiempo se sabe que los tumores son incapaces de llevar a cabo correctamente el suicidio celular, de ahí que una de las formas de combatir el cáncer sea restaurando la apoptosis. Existen datos que sugieren que la autofagia frena el desarrollo del cáncer, pero también se podría producir el efecto contrario. Algunos científicos sostienen que, mediante la autofagia, las células cancerosas se desembarazan de proteínas y restos celulares que pudieran resultarles letales y, de este modo, consiguen sobrevivir. Al contrario, otras investigaciones parecen apuntar a que sólo desactivando el mecanismo de la autofagia es capaz la célula cancerosa eludir su muerte y seguir multiplicándose.

Por eso, investigadores franceses implantaron bajo la piel de ratones de laboratorio células cancerosas y trataron los animales con quimioterapia. Cuando las células tumorales eran capaces de sufrir autofagia, la quimioterapia hizo que las células -al ser destruidas- liberasen una molécula que potenció la acción del sistema inmune del animal contra el tumor. En cambio, cuando los tumores eran incapaces de llevar a cabo autofagia, no se observó ese ataque del sistema inmunitario.

Esto nos ayuda a entender por qué la autofagia puede afectar de modo distinto al crecimiento de los tumores, y además identifica una molécula clave en este proceso.

Una empresa valenciana dedicada a la investigación biotecnológica contra el cáncer, Bioncotech Therapeutics, buscaba un refuerzo para la quimioterapia en los casos de canceres agresivos. Finalmente, han desarrollado un fármaco que destruye las células cancerígenas mediante la autofagia sin afectar al resto de las células del organismo.

Los ensayos clínicos en humanos con este fármaco comenzarán en el año 2013. Este fármaco ya ha demostrado ser efectivo en distintos tipos de cáncer en animales.

- Páginas de referencia:

http://es.wikipedia.org/wiki/Autofagia

http://www.hablandodeciencia.com/articulos/2012/03/07/farmaco-para-la-autofagia-de-celulas-cancerigenas/

http://a100ciacierta.com/2012/01/10/cancer-comete-a-ti-mismo/

http://www.elmundo.es/elmundosalud/2006/02/01/oncodudasypreguntas/1138790692.html

El boxeo, un deporte newtoniano

El boxeo es un deporte de contacto en el que dos contrincantes luchan utilizando únicamente sus puños, golpeando a su adversario de la cintura hacia arriba, dentro de un cuadrilátero especialmente diseñado a tal fin, en breves secuencias de lucha denominadas asaltos y siguiendo un reglamento.

El boxeo o pugilismo se refiere a un amplio género de deportes de contacto en las que dos adversarios se enfrentan en lucha utilizando los puños, de manera exclusiva o no, diferenciándose según sus reglas distintos deportes como el clásico boxeo inglés, el Savate, el boxeo Shaolin, el Kick boxing y el Muay thai.

Muchos os preguntareis que tiene que ver el boxeo con la ciencia, pero en realidad, al igual que prácticamente todos los deportes, es todo ciencia. Más exactamente física.

Como ya hemos dicho el boxeo se basa en golpes de puño. La fuerza de estos no nace de los brazos sino de las piernas que transmiten la fuerza hasta los brazos. Esto es denominado conexión cinética.
La velocidad ayuda mucho a incrementar la potencia ya que a más velocidad del golpe, más fuerte será este y eso solo se logra con el correcto entrenamiento.

En esta imagen podemos ver perfectamente representadas las tres leyes de Newton. Estos movimientos son los empleados por un boxeador. Para que este tenga una mayor fuerza deberá tomar una mayor velocidad, aumentando así su momento cinético.

La tercera ley de newton, acción-reacción, también la tiene que tener en mente un buen boxeador, ya que cuando un púgil suelta un golpe a gran velocidad, por lo tanto con gran fuerza, su cuerpo ha de estar colocado de una forma estratégica para no perder el equilibrio, tanto si da en el blanco como si no. En el caso de que acertara el impacto produciría, sobre el púgil que golpea, una fuerza de reacción que podría desde desequilibrarlo, convirtiéndolo en blanco perfecto para su contrincante, hasta directamente hacerle caer.

Esta es una instantánea de un combate entre Frazier (izquierda) y Ali, posiblemente el mejor boxeador de la historia. Aquí podemos ver como Frazier lanza un golpe a Ali, quien lo esquiva echando su peso hacia atrás. Ali no cae al realizar este movimiento porque mantiene una postura que le permite repartir su peso manteniendo así el equilibrio. Pero ¿cómo puede tomar esta postura tan solo en lo que Frazier tarda en soltar la zurda? Muy sencillo. Por su juego de piernas. Una de las técnicas características de este gran púgil. Consiste en un continuo balanceo, pasando el peso de una pierna a otra, el cual varía de ritmo en función de los golpes realizados y esquivados.

Una vez errado el golpe podemos ver como Frazier queda con todo su costado izquierdo al aire y él en una posición crítica. Podemos ver como su pie trasero está ligeramente levantado, por lo que todo su peso recae en su pierna delantera. Además al no dar en el blanco, toda la fuerza que llevaba le produce, por inercia, un desequilibrio mayor. Esta es la situación comentada anteriormente en la que cualquier golpe, aunque no sea de gran potencia, le hará, seguramente, perder el equilibrio.

Mientras, si nos fijamos en la posición de Ali, gracias a su juego de piernas, el balanceo, podemos ver como está en una situación ideal. El hecho de echar el peso en la pierna trasera le va a dar un gran impulso para volver hacia delante dotándole de mayor velocidad, por lo tanto de mayor fuerza, y eso será justo en el instante, ya comentado, en el que Frazier está en desequilibrio.
Por lo que en ese instante Ali estará en una situación perfecta con mucha fuerza, mientras que Frazier está desprotegido y sin equilibrio. Todo este intercambio de fuerzas se produce en menos de dos segundos.

Estos son solo algunos ejemplos, pero si analizamos el boxeo, podemos ver que no consiste en soltar puñetazos sin más. Hay que pensar. Dominar las técnicas y por qué son así. Y la respuesta a esto es física.

"...enseñarles como deben colocar las piernas debajo de los hombros, enseñarles como mantener su equilibrio y quitárselo al contrario, como generar impulso empezando desde el dedo del pie derecho, como flexionar las rodillas cuando lanzas un jab, como boxear retrocediendo para que el otro no quiera ir por ti." Morgan Freeman en Million Dolar Baby.

jueves, 15 de marzo de 2012

La barrera del sonido: un límite superado

La velocidad del sonido es la dinámica de propagación de las ondas sonoras. En la atmósfera terrestre es de 343.2 m/s (a 20ºC de temperatura). Esta velocidad de la onda sonora depende de las características del medio en el que se realiza dicha propagación y no de las características de la onda o de la fuerza que la genera.

La barrera del sonido fue considerada un límite físico que impedía que objetos de gran tamaño se desplazaran a velocidad supersónica. Se define como una barrera imaginaria que viaja en todas direcciones a la velocidad constante de 1224 km/h, la velocidad del sonido, y al ser vencida por un objeto, estalla formando una explosión sónica.

Inicialmente se pensaba que el aumento de la resistencia seguía un crecimiento exponencial, por lo que un avión no podría superarla aún aumentando de manera sustancial la potencia de los motores. Sin embargo, desde Ernst Mach se sabía que, a partir de cierto punto, la resistencia ya no aumenta más y, de hecho, se reduce. De manera que para atravesar la barrera del sonido sería suficiente con disponer de mayor propulsión y mejor aerodinámica para vencer ese punto máximo de resistencia.

Chuck Yeager fue el primer hombre en atravesar oficialmente la barrera del sonido, el 14 de octubre de 1947, volando con el avión experimental Bell X-1 a velocidad Match 1 (Match=Vavión/Vsonido) y a una altitud de 45.000 pies.

Cuando se traspasa la barrera del sonido se da la singularidad de Prandtl-Glauert. Es un punto en el que ocurre una caída súbita de la presión del aire y se considera generalmente como la causa de la nube de condensación visible que aparece cuando un avión llega a dicho punto. Esto es el círculo blanco que podemos ver en la siguiente foto.

F18 Hornet rompiendo la barrera del sonido

Actualmente casi todos los aviones de combate son supersónicos, pero solamente se han construido dos aviones de pasajeros supersónicos. El primero en ser construido fue el Tupolev TU-144 ruso y posteriormente el Concorde franco-británico, ambos retirados hoy en día.

Resonancia Vs Estructuras

La resonancia mecánica es un fenómeno que se produce cuando un cuerpo capaz de vibrar es sometido a la acción de una fuerza periódica cuyo periodo de vibración coincide con el periodo de vibración característico de dicho cuerpo. En estas circunstancias el cuerpo vibra, aumentando de forma progresiva la amplitud del movimiento tras cada una de las actuaciones sucesivas de la fuerza. Este efecto puede ser destructivo en algunos materiales rígidos, como el vaso que se rompe cuando un tenor canta.

En el primer vídeo podemos ver en que consiste este fenómeno. Tomamos dos diapasones, los cuales emiten un sonido a igual frecuencia y los colocamos próximos. Al hacer vibrar uno el otro emite el mismo sonido espontáneamente debido a que las ondas sonoras generadas por el primero presionan a través del aire al segundo.

Este fenómeno es muy importante en la construcción de muchas estructuras, especialmente en la construcción de puentes colgantes.

En este vídeo se explica claramente como afecta este fenómeno a estas estructuras, a pesar de estar centrado en el caso del puente de Tacoma. Este caso se cita erróneamente con mucha frecuencia, como un caso de resonancia. Años después, los científicos demostraron que el puente falló debido a la acción de unas fuerzas conocidas como fuerzas autoexcitadas y que tienen más que ver con un fenómeno de retroalimentación.

Aparte del caso erróneo del puente Tacoma, han existido numerosas estructuras que han sufrido este fenómeno.

En el año 2006, mientras se construía un puente sobre el río Tajo en la autovía de la Plata, la estructura metálica del futuro puente de Arcos de Alconétar comenzó a cimbrearse de manera espectacular. La estructura del puente entró en una especie de oscilación sin control.

Finalmente, los ingenieros tomaron el control y solucionaron el problema. Dicha solución fue tunearlo (soldar unas solapas metálicas a lo largo de todo el arco, de manera que consiguieron 'engañar' al aire y que no se produjese el denominado 'efecto túnel de viento', que causaba la vibración excesiva).

El Puente del Milenio, un puente de suspensión lateral que une el distrito financiero de Londres con la zona de Bankside, al sur del río, abrió el 10 de junio del 2000, y miles de peatones se concentraron sobre él. Al principio, el puente estaba inmóvil, luego empezó a oscilar sólo ligeramente. El tambaleo se intensificó y de repente las personas se encontraron ladeándose a cada paso, izquierdo, derecho, en un sincronismo involuntario casi perfecto.

Los militares saben, desde hace mucho tiempo, que las tropas a paso de marcha pueden crear suficiente fuerza en sentido vertical para destruir un puente, y es normal para los soldados romper el paso al cruzarlos, pero el problema, en este caso, no es el mismo. Aquí, el movimiento era lateral, y nadie estaba intentando caminar a paso de marcha; las personas acomodaron sus pasos al movimiento del puente bajo sus pies.

Desde el comienzo, el puente tenía dos factores en su contra: era por diseño una estructura flexible, y su frecuencia natural de resonancia está cerca de la del paso humano. Por eso sólo se necesitaba un gentío relativamente pequeño para disparar el bamboleo. El Puente del Milenio volvió a abrir en el 2002, después de que los ingenieros lo ajustaran con 91 amortiguadores para absorber las oscilaciones laterales y verticales.

Destrucción completa en menos de 40 segundos

El LZ 129 Hindenburg fue un dirigible alemán tipo zepelín. Los dirigibles son aerostatos autopropulsados con capacidad de maniobra para ser manejado como una aeronave. La sustentación aerostática se logra mediante depósitos llenos de un gas de menor densidad a la atmósfera circundante, a través del Principio de Arquímedes.

Este zepelín estaba completamente hecho de duraluminio. Ha sido la aeronave más grande jamás construida con 200.000 m³ de gas, 245 metros de largo y 41 metros de diámetro. Alcanzaba una velocidad máxima de 135 km/h.

Se construyó con algodón, barnizado con óxido de hierro y acetato-butirato de celulosa impregnado de polvo de aluminio. El polvo de aluminio y el óxido de hierro forman una mezcla llamada termita, la cual es un tipo de composición pirotécnica de aluminio y un óxido metálico. El aluminio es oxidado por el óxido de otro metal, comúnmente por óxido de hierro. Los productos de la reacción química son: óxido de aluminio + hierro elemental libre y una gran cantidad de calor, por lo
que la termita es altamente inflamable.

Se diseñó para ser llenado y elevado con Helio, que es un gas inerte, no inflamable, pero un embargo del ejercito de EEUU de este elemento obligó a los alemanes a adaptarlo para usar Hidrógeno, el cual es el gas más inflamable conocido. Los alemanes tenían un gran dominio del uso de este gas. Aún así, para mayor seguridad, se trató la envoltura del dirigible para que no acumulara electricidad estática y saltaran chispas.

El 6 de mayo de 1937 a las 19:25, el Hindenburg partía de Nueva Jersey. Ya había largado los amarres y se acercaba a la torre, cuando se observó a popa un destello de fuego de San Telmo (pequeñas chispas o descargas eléctricas minúsculas que saltan de los objetos punzantes y metálicos, todos aquellos objetos buenos conductores de la electricidad empiezan a desprender pequeños chasquidos) puesto que había tormenta y en el aire había carga eléctrica.

Repentinamente, se prendió fuego en la parte superior de la popa, extendiéndose casi instantáneamente por todo el dirigible mientras la estructura caía lentamente sobre los pasajeros que saltaban desde una altura de 15 m y marinos que ayudaban en las maniobras. Quedó destruido por completo en menos de 40 segundos.

A pesar de lo impactante del desastre, de las 97 personas que había a bordo solo 35 murieron, la mayoría de ellas quemadas o aplastadas bajo la estructura. En concreto, de los 36 pasajeros y 61 personas de la tripulación, 13 y 22 personas murieron, respectivamente. Muchos de los tripulantes y pasajeros se salvaron gracias a la rotura de los tanques de agua, que cayó sobre ellos, salvándolos de las llamas.

Recientes investigaciones han sugerido que el fuego, aunque causado principalmente por el hidrógeno del dirigible, pudo haberse visto favorecido por el revestimiento del Hindenburg a base de nitrato de celulosa (pólvora) impermeabilizado y protegido con termita. Esto aceleraría el fuego, pudiendo alcanzar específicamente temperaturas de hasta 3.000 °C.

"Las dantescas imágenes de pasajeros saltando del coloso en llamas, el infierno y el horror desencadenados en tan breve tiempo y la desgarrada narración radiofónica del locutor Herbert Morrison retransmitiendo el dantesco espectáculo que estaba presenciando dieron la vuelta al mundo generando una enorme desconfianza y rechazo a este tipo de transporte. Tras el desastre del Hindenburg se inicio una investigación sobre lo ocurrido que termino con la orden de Adolf Hitler de cerrar la flota de dirigibles comerciales".

http://fotografiaaerea.wordpress.com/2011/02/21/dirigible-aleman-hindenburg/

domingo, 11 de marzo de 2012

Explosivos: Goma-2

La Goma-2 es un explosivo del tipo dinamita de fabricación española para uso industrial, sobre todo en minería, desarrollada por la Unión Española de Explosivos, S.A. (actualmente MAXAM).

La dinamita es un explosivo compuesto por nitroglicerina o trinitrotolueno y dióxido de silicio en forma de tierra de infusorios.

* Nitroglicerina: se obtiene mezclando ácido nítrico concentrado, ácido sulfúrico y glicerina.. El resultado es altamente explosivo. Es un líquido a temperatura ambiente, lo cual lo hace altamente sensible a cualquier movimiento, haciendo muy difícil su manipulación, aunque se puede conseguir una estabilidad relativa añadiéndole algunas sustancias, como el aluminio.

C₃H₅N₃O₉

* Trinitrotolueno: hidrocarburo aromático cristalino de color amarillo pálido. Es un compuesto químico explosivo, el cual parte de varias mezclas explosivas. Es bastante estable y, a diferencia de la nitroglicerina, es relativamente insensible a la fricción, a los golpes o a la agitación. Explota cuando un objeto de 2 kg de masa cae sobre él desde 35 cm de altura (es decir, 2 kg a una velocidad de 2,62 m/s, o una fuerza de 19,6 N, y por tanto, una energía de 6,86 J). Su temperatura de explosión, cuando es anhídrido, es de 470 °C. Esto significa que se debe utilizar un detonador.

* Dióxido de silicio (SiO₂): "Sílice" es un compuesto de silicio y oxígeno . Es uno de los componentes de la arena. Una de las formas en que aparece naturalmente es el cuarzo.

Existen dos variantes, la Goma-2 EC y la Goma-2 ECO , ambas con composiciones explosivas muy similares. Esta última, también conocida como Riodín fue desarrollada como mejora de la primera, puesto que esta producia unos valores de contaminación atmosferica muy elevados . Su principal modificación fue la eliminación total del dinitrotolueno(DNT), que es un producto altamente tóxico. La Goma-2 ECO consigue una reducción de hasta un 68% en la emisión de óxidos de nitrógeno y dióxidos de carbono.

A estos explosivos se les llama goma debido a su aspecto gelatinoso, estando su uso bastante extendido en España, además de exportarse al extranjero.

Se fabrican principalmente en Páramo de Masa, Burgos, cuya fábrica tiene una capacidad de producción anual de unas 15000 toneladas.

Fue utilizada por la banda terrorista ETA en atentados cometidos en las décadas de los 80 y los 90. Actualmente es muy usada para finalidades de este tipo. Este tipo de explosivos tienen un montaje relativamente sencillo, mientras que su desactivación es compleja.

Algunas noticias de detenciones y atentados relacionados con goma-2: