martes, 27 de septiembre de 2011

Clausura de la segunda edición del Carnaval de la Tecnología


Septiembre está a punto de terminar, y con él lo ha hecho esta edición del Carnaval de la Tecnología. Muchas gracias a todos los participantes, y a aquellos que han colaborado con la difusión del carnaval, colaborando a través de su twitter o su blog.

Han participado en esta edición un total de 8 entradas de 5 blogs diferentes (Biounalm, Idea Secundaria, La Vaca Esférica, Resistencia Numantina y Ricarduzz). Leyéndolos, descubrimos algunos detalles de la invención del limpiaparabrisas y nos enteramos del desarrollo de un microscopio en miniatura de menos de 2 gramos, y del de un motor de un nanómetro. Luego, aprendimos que la primera máquina de vapor la patentó un español en 1606 y no un habitante de la pérfida albión como se pensaba. Sabemos ahora algo más sobre los superrelojes, mucho mejores que esos que tanto enseñan en la tele, y hemos descubierto lo que esconde el Museo de la Tecnología Espacial y de Cohetes de San Petersburgo. Finalmente, durante este mes aprendimos algo más sobre aerogeles y descubrimos el "último" grito en videojuegos.

Espero que hayáis disfrutado de las entradas de este mes. Si no habéis participado en esta edición, participad en la próxima, que se celebrará en el blog Idea Secundaria durante el mes de Octubre. Otro modo de colaborar con el carnaval es albergar una de las ediciones en vuestro blog. Si os interesa podéis contactar con nosotros enviando un mail a tecnocarnaval (arroba) gmail.com.

Finalmente, quiero recordar que podéis ahora votar vuestra entrada favorita en los comentarios de esta entrada. Podéis hacerlo hasta finales de Octubre. Para que el voto sea válido, poned vuestro usuario de twitter, de blogger o algo que os identifique.

¡Un saludo!

jueves, 22 de septiembre de 2011

¿Qué pesa más, un kilo de paja o de helio? Arquímedes Revisited

La mayoría de vosotros habréis sufrido la famosa cuestión: "¿Qué pesa más, un kilo de paja, o un kilo de hierro?" La respuesta correcta es discutible, pero en lo que todo el mundo está de acuerdo es que es una respuesta obvia. El que no haya reflexionado, pensará que obviamente el hierro pesa más que la paja. El que reflexione un poco más, dirá que obviamente los dos pesan lo mismo, ya que tenemos un kilo de cada material. Aquí nos preocuparemos de dar una pequeña vuelta de tuerca más, que debería empezar a ser "obvia" al añadir una tercera parte a la tan manida pregunta: "¿Y... un kilo de helio?"

El meollo del problema es que la pregunta habla de dos magnitudes que en principio no son comparables. La primera es la masa, que se mide en kilogramos. La segunda es el peso, una fuerza, que se mide en newtons. Una de las razones que castigan al olvido esta distinción (para el común de los mortales) es el hecho de que, habitualmente, medimos lo segundo y deducimos lo primero. Eso es básicamente lo que hace la balanza de tu casa cuando te montas encima, mide tu peso, pero el indicador muestra un valor en kilos.

Fuente: ESA
La mayor componente de esa fuerza que mide la balanza es la atracción gravitatoria terrestre. Newton dijo que (bajo ciertas condiciones) esa fuerza era de la forma $$ F_g = G\frac{M_T m}{r^2} $$ dónde G es una constante de proporcionalidad universal, $m$ la masa del objeto en cuestión, $M_T$ la masa de la tierra y $r$ la distancia al centro de la Tierra. Suponiendo que se cumplen las condiciones de la fórmula de Newton (falso si nos ponemos estrictos, pues las inhomogeneidades de la corteza terrestre producen una gravedad ligeramente diferente en cada punto de la superficie, como muestra la imagen superior) y que todo lo medimos a la mista distancia del centro de la Tierra, la fórmula anterior muestra simplemente que la fuerza de la gravedad y la masa son proporcionales ($F_g = m\ g$): un kilo de cualquier material es igual ante la ley de la gravedad, independientemente de densidad, volumen, etc...

Este sería el fin de la discusión si no fuese por un problema. Como enunció Arquímedes, cada cuerpo sumergido en un fluido sufre una fuerza de empuje proporcional a la masa de fluido $m_f$ que desplaza ($F_a=-m_f\ g$)... y nosotros estamos permanentemente sumergidos en un océano de aire. Debido a la baja densidad del aire, esta fuerza es normalmente pequeña en comparación con la fuerza gravitatoria, pero... ¿Alguna vez has probado a pesar un kilo de helio con una balanza? Pues buena suerte, porque su densidad, menor que la del aire, hace que la fuerza de Arquímedes supere a la de la gravedad y que el helio caiga "hacia arriba" (¡Un peso negativo!).

En nuestro caso, la mayor densidad del hierro hace que desplace menos aire (pues necesitamos un volumen de hierro menor), y por tanto la fuerza de empuje menor que una masa similar de paja. Con los datos de las densidades de la paja, el hierro y el aire, podemos calcular fácilmente que, medidos en aire, un kilo de hierro pesa aproximadamente un 1% más que un kilo de paja, aunque pesarían lo mismo si pudiésemos hacer la medida en el vacío.

En los laboratorios, los científicos que realizan pesadas de precisión son muy conscientes de este efecto, haciendo habitualmente la llamada corrección por empuje para obtener la masa real. Pero ¿y comercialmente? ¿le preocupa al frutero vendernos 1.005 Kg de manzanas cuando él quiere vender 1 Kg? ¿Y a un vendedor de materias primas industriales? ¿Lo suficiente como para hacer una complicada corrección que implica clacular densidad del aire y del objeto?

La solución al problema es el uso en la metrología legal (comercial) de la llamada masa aparente, definida para que sea directamente proporcional al peso. De este modo, en aire, un kilo (masa aparente) de hierro pesa lo mismo que un kilo (aparente) de paja. Por el contrario, de hacer ahora la medida en el vacío... ¡el kilo (aparente) de paja pesaría ahora más que el de hierro!

Esta entrada participa en la XXIII edición del Carnaval de la Física, que es organizada este mes por el blog Astrofísica y Física.

sábado, 17 de septiembre de 2011

Una máquina de vapor en la España del Siglo de Oro


Se ha dicho en muchas ocasiones de los españoles que no somos dados a la innovación técnica y científica, estando en estas artes siempre a la zaga de otras naciones. En concreto, de nuestro Siglo de Oro se dice que lo fue en el sentido político, militar o cultural, pero nunca en ciencia y tecnología. Lo cierto es que esta visión tan negativa es culpa en parte de una comparativa falta de investigación de la historia de nuestra ciencia. En realidad, al abrigo de la hegemonía política, los siglos XVI y XVII vieron grandes avances técnicos, que generaron numerosas patentes que hoy se conservan.

Muchas de ellas encajan con lo que esperaríamos para la época: bombas manuales de achique de agua, avances en la construcción naval o en la acuñación de moneda. Submarinos, buzos y máquinas de vapor parecen más propios de tiempos posteriores, pero al menos un inventor registró patentes sobre estas tecnologías en la España de comienzos del XVII: el genial Jerónimo de Ayanz y Beaumont.

Jerónimo de Ayanz ha sido una figura desconocida hasta muy recientemente, cuando las investigaciones del ingeniero Nicolás García Tapia en el Archivo de Simancas lo dieron a conocer. De origen noble, Ayanz sirvió en la corte de Felipe II y en los ejércitos en Flandes. Pronto quedó claro que el navarro era un personaje fuera de lo común, destacando también en sus facetas de músico, cantor, pintor, cosmógrafo y empresario.

Ayanz patentó casi medio centenar de invenciones en diferentes disciplinas. Ideó, por ejemplo, un destilador de barro con el objetivo de obtener agua potable del agua marina en un barco. El inventor navarro desarrolló también una barca submarina hermética propulsada con remos, con gruesos cristales y un sistema de renovación de aire. Un sistema similar le sirvió en 1606 para mantener a un buzo durante más de una hora bajo el agua del río Pisuerga, ante la mirada atónita de Felipe III y su corte de Valladolid.




Nombrado administrador general de las minas del reino en 1597, Ayans dedicó los siguientes dos años de su vida a visitar buena parte del medio millar de las minas del país. Muchas de ellas tenían graves problemas para seguir funcionando: cuando una mina alcanza una cierta profundidad, los mecanismos tradicionales de desagüe fracasan, y la mina se inunda. En su esfuerzo por solucionar este problema, Ayanz desarrolló y posteriormente (1606) patentó lo que podemos considerar la primera máquina de vapor moderna.

Fuente: Nicolás García Tapia, "Patentes de invención españolas en el Siglo de Oro"

En su diseño, el agua de la mina cae, a través de una válvula de no retorno V, en un depósito intermedio D. Cuando se hace entrar vapor a presión desde la caldera (bola de fuego) B, el agua contenida en D es desplazada a un nivel superior a través de un conducto. Una mejora, como indicaba el propio Ayanz (figura derecha), sería duplicar todo el sistema conservando una única caldera, de modo que alimentase una de las partes mientras la otra se recargaba con agua de la mina. Un operador se encargaría de ir abriendo alternativamente las llaves que alimentarían una y otra parte del sistema.


El español patentó otra aplicación de la máquina de vapor, lo que hoy llamaríamos eyector de vapor. El vapor de una caldera se expulsa en el interior de un tubo, a través de una tobera con un pronunciado estrechamiento final (figura izquierda, tomada del primer elemento de la bibliografía). Al expandirse, el vapor fuerza la circulación del aire a lo largo del conducto. Este invento podía ser aplicado en la ventilación de minas y hornos, aunque el propio Ayanz apunta que si se hacía pasar un extremo del tubo por un lugar fresco, se podría utilizar a guisa de "aire acondicionado" para una vivienda.

Hay que insistir aquí en el mérito del inventor navarro al desarrollar estas máquinas de vapor en aquel tiempo. Con el único precedente conocido de la eolípila de Herón de Alejandría (de la que nunca se conocieron aplicaciones prácticas), Ayanz fue capaz de desarrollar algo que no fue superado hasta casi un siglo después, concretamente en 1698. Ese año, el inglés Savery patentó una máquina de desagüe muy similar a la del español, para posteriormente usarla en las minas inglesas. Por otro lado, tendremos que esperar al siglo XX para encontrarnos versiones modernas de los eyectores de vapor.

Pese a que hay ciertos indicios de que Ayanz llegó a probar su máquina de desagüe en las minas de plata de Guadalcanal, no ha quedado constancia del resultado de estos trabajos. Sin embargo, la propia obtención de la patente (que implicaba un peritaje), y el hecho de que la muy similar máquina de Savery llegase a ser instalada con éxito en las minas inglesas, son pruebas de que, con otras circunstancias, el diseño de Ayanz podría haber adelantado en casi un siglo el desarrollo industrial de las máquinas de vapor.

Fuentes y Bibliografía complementaria:

Quiero agradecer a Daniel Moríñigo el haberme dado la pista sobre la existencia de tan ilustre personaje. El retrato de Ayanz se tomó de esta página. Esta entrada forma parte de la segunda edición del Carnaval de la Tecnología, organizada este mes por este vuestro blog Resistencia Numantina.

jueves, 1 de septiembre de 2011

2ª edición del Carnaval de la Tecnología


Tras la clausura de la primera edición, tengo el privilegio de inaugurar hoy la segunda edición del Carnaval de la Tecnología. Durante este mes, el carnaval, organizado conjuntamente entre Cristian del blog La Vaca Esférica y servidos, tendrá su casa en este blog.

Las normas son las mismas que en la anterior edición. Podéis participar hasta el día 25 de Septiembre con vuestros posts relacionados con el mundo de la Tecnología. Tenéis que indicar en el mismo su participación en esta edición enlazando al blog que lo alberga, en este caso Resistencia Numantina.

Además, tenéis que hacerme notar de algún modo vuestra participación. Para ello, mandadme un correo electrónico a rnumantinablog (arroba) gmail.com. Para mayor difusión, podéis además mandar un tweet a @TecnoCarnaval, la cuenta de Twitter oficial del Carnaval, que irá difundiendo las entradas participantes.

El día 30 publicaré en este mismo blog una entrada con un resumen de todos los participantes de este mes. En dicha entrada se podrá votar a través de los comentarios al mejor post de la edición.

Antes de despedirme, quería recordar que aún podéis votar vuestra entrada favorita de la anterior edición. Para ello, dejad un comentario en la entrada de clausura.