Un nuevo tipo de cámara inspirada en los ojos de los artrópodos

Los ojos compuestos de insectos y otros artrópodos no parecen la mejor solución para capturar imágenes, pues su resolución óptica es mucho peor que la de un ojo simple del mismo tamaño. Sin embargo, un puñado de ventajas puede que conviertan a las cámaras basadas en el ojo compuesto en una opción a considerar en pequeños drones que requieran vistas panorámicas, sustituyendo a una cámara más ortodoxa con una pesada lente de ojo de pez.

Un equipo de ingenieros ha presentado recientemente una de estas cámaras en la revista Nature. Os lo cuento (en inglés) en mi última contribución para Mapping Ignorance: "A new type of arthropod-inspired cameras".

Once canciones sobre astronomía y cosmonáutica

El espacio nos ha fascinado por generaciones, y no es extraño que muchos músicos se hayan inspirado en la astronomía y la carrera espacial para componer sus canciones. Os dejo con una recopilación de 11 canciones sobre astronomía y cosmonáutica.

No es exactamente un ranking, me he dejado canciones buenas por primar un poco la variedad. Espero que las disfrutéis, y que sepáis perdonar las omisiones. Si hay alguna realmente buena que deba conocer, podéis dejarla en los comentarios.

11. Kosmonaut - Oomph!

Kosmonaut – ich gleite in die Endlosigkeit	Cosmonauta - me deslizo en la infinitud,
entferne mich von Raum und Zeit	me alejo del tiempo y del espacio
tief in die Weite der Galaxie	en la inmensa profundidad de la galaxia
Die Sonne lacht und ich verglüh'	el Sol se ríe y me desintegro.

Cuestión de tamaños

Fotograma de la película "Them!". Fuente.

Todos hemos visto esas películas de serie B en las que la humanidad está amenazada por arañas o insectos gigantes, o aquellas en las que un grupo de personas ven reducido su tamaño y se enfrentan a un terrorífico mundo microscópico de ácaros y arañas domésticas. Por suerte o por desgracia, mucho de lo que ocurre en esas películas no es posible. Asumir que podemos cambiar el tamaño de un sistema y que todo siga igual es, en general, un error.

Ya Galileo entendía parte del problema. Tomemos cualquier objeto y dupliquemos su tamaño. Entonces habremos cuadruplicado su superficie pero multiplicado por ocho su volumen. Si por el contrario reducimos su tamaño a la mitad, la superficie se habrá reducido a un cuarto, pero su volumen a un octavo del volumen original. Los fenómenos que dependan de la relación entre volumen y superficie se verán modificados por el cambio de escala.

Volviendo a nuestras películas, unos humanos empequeñecidos cien veces tendrán, como consecuencia, graves problemas para mantener su temperatura corporal. Mientras que las pérdidas de calor dependen de la superficie del cuerpo ---que se reduciría diez mil veces---, la generación de calor depende del volumen ---un millón de veces menor---. Los animales pequeños de sangre caliente compensan este efecto con un aumento de su metabolismo (es por eso por lo que son tan activos y están siempre comiendo).

Insectos y arañas gigantes, por el contrario, se asfixiarían. Dado que las necesidades de oxígeno aumentan con la masa (proporcional al volumen si no cambia la densidad) y la captura de oxígeno con la superficie, el animal no puede aumentar varias veces su tamaño antes de que su simple sistema respiratorio sea insuficiente para difundir oxígeno a todos los rincones del cuerpo. La era de las libélulas gigantes terminó hace mucho tiempo, los actuales niveles de oxígeno en el aire no permitirían la existencia de insectos de ese tamaño.

Y esto no es todo. La fuerza de un animal depende de la sección de los músculos (una superficie), mientras que su peso crece con el volumen. Un insecto aumentado a escala varias veces simplemente no podrá sostener su propio peso, mucho menos ser una amenaza para la humanidad. Si lees que una hormiga puede levantar un peso cincuenta veces mayor que el suyo, o que una pulga puede saltar cien veces su propio tamaño, no te asustes demasiado: tienen la geometría de su parte.

No sólo hay ejemplos en biología. El ciclo vital de una estrella depende mucho de su tamaño. Una estrella de la masa del Sol tarda en consumir su hidrógeno unos diez mil millones de años, mientras que una varias veces más grande tarda mucho menos, del orden de millones de años. La diferencia de masa es además determinante a la hora de su muerte. Estrellas similares al Sol expulsan sus capas exteriores al espacio, mientras que las interiores ---colapsadas en un remanente muy denso llamado enana blanca--- se extinguen lentamente como si del rescoldo de una hoguera se tratase. Por el contrario, una estrella gigante morirá en una espectacular explosión, por un momento más luminosa que la suma de todas las estrellas de su galaxia, y quizás dejando tras de sí un agujero negro.

Si no existiesen estos efectos de escala, no tendría sentido haber invertido tanto dinero en la construcción de grandes aceleradores de partículas. Lo cierto es que si queremos que una partícula gire en el anillo del acelerador con una determinada energía, la aceleración centrípeta tendrá que ser mucho mayor en aceleradores pequeños que en los grandes. Al acelerar una partícula cargada, parte de la energía se disipa en forma de radiación, haciendo menos eficiente el proceso. Es por ello por lo que usamos aceleradores grandes cuando queremos partículas muy energéticas (como las que necesitamos para estudiar el bosón de Higgs) y pequeños si estamos interesados en utilizar la radiación que emiten (radiación sicrotrón, con un espectro amplio pero muy colimada).

Hemos visto que el tamaño influye en el comportamiento de un sistema. ¿Es siempre incorrecto usar modelos a escala? Afortunadamente hay ocasiones en las que se pueden modificar otras magnitudes para que el modelo reproduzca correctamente los fenómenos que nos interesan.

Muchas características del movimiento de un objeto a través de un fluido (un gas o un líquido) vienen cualitativamente descritas por el llamado número de Reynolds.
\[ R=\frac{\rho v L}{\mu} \]
donde $\rho$ y $\mu$ son propiedades del fluído (densidad y viscosidad) y $v$ y $L$ son una velocidad y una longitud características del sistema. Si este parámetro es muy grande, el movimiento del fluido está dominado por la inercia y es turbulento, como cuando un buque navega a gran velocidad en el mar. Esto no ocurre si es pequeño, como cuando una cuchara se hunde en un bote de miel, en la que las fuerzas viscosas son dominantes.

Si queremos que nuestro modelo sea equivalente al que en realidad queremos simular, ambos deben tener el mismo número de Reynolds. Esta técnica se emplea mucho en ingeniería, porque permite estudiar con modelos a escala fenómenos que ocurren en sistemas más grandes y complejos, como por ejemplo la sustentación del ala de un avión. Para mantener el mismo número de Reynolds tenemos varias opciones: aumentar la velocidad en nuestro túnel de viento o ---si nuestro túnel de viento es presurizado--- cambiar la densidad del aire, pero también podemos cambiar de fluído y hacer las pruebas en agua o aceite.

Podemos utilizar esta técnica para relacionar el mundo microscópico con experiencias más familiares. Una bacteria que deje de nadar, sólo recorrerá una distancia inferior al diámetro de un átomo antes de pararse, por lo que no  es de extrañar que las estrategias natatorias de bacterias y otros organismos pequeños son muy diferentes de las de un mamífero. Para entender una intuición de lo que se siente al ser un organismo microscópico, el mejor modo es imaginar qué ocurriría si nadásemos en un fluido muchísimas veces más viscoso que la miel, pues algo así sería lo que sentirías al nadar en agua si redujesen un millón de veces tu tamaño. Añade esto al hecho de ser lo suficientemente pequeño como para afectarte el impacto desigual de las moléculas de agua, haciéndote sentir un poco como una bola de pinball, y tendrás una buena descripción de lo que sería tu vida como organismo microscópico. Algo digno de ver en una película de serie B.

Esta entrada participa en la XIX Edición del Carnaval de Biología, organizado por La Fila De Atrás y en la XXXVII Edición del Carnaval de la Física, organizado por High Ability Dimension.

Fuentes:

• Purcell "Life at Low Reynolds Number", American Journal of Physics 45:3-11 (1977)
• John F. Harrison et al. "Atmospheric oxygen level and the evolution of insect body size", Proc R Soc B 2010 277:1937-1946 (2010)
• Introduction to scaling laws

El Legado de Prometeo, Miguel Santander

Finales del siglo XXI. Tras una tercera Guerra Mundial, nuestro planeta sufre las consecuencias cada vez más severas del cambio climático. Los terrícolas, afectados por las inevitables restricciones energéticas, ven como gobiernos y grandes corporaciones se disputan lo que queda de su mundo, mientras que una banda de neo-ludditas ecoterroristas intenta destruirlo. ¿La solución? Némesis, un agujero negro a 2 años luz de distancia y un proceso (descrito por Penrose en 1969) para obtener cantidades ingentes de energía de él. Una nave es construída con gran urgencia. Con sus 500 tripulantes viajará a Némesis en una misión de varias décadas con la esperanza de volver a tiempo de salvar la civilización humana.

Esta es una reseña de la primera novela larga de Miguel Santander (@migusant), astrofísico del Observatorio Astronómico Nacional y bloguero divulgador. Pese a ello, "El Legado de Prometeo" tiene todas las características de una genial novela de ciencia ficción dura, además de una trama bastante creíble.

En las antípodas de los "cerebros con patas" de las novelas de Asimov, la novela va desarrollando unos personajes complejos, imperfectos y bastante viscerales. Muchos de ellos están un poco más allá de la línea de la enfermedad mental, lo que anima la trama pero con la desventaja de dificultar la tarea de identificarse y empatizar con ellos. Los "malos" son bastante más simples, incluyendo perfiles como ecoterroristas y pérfidos capitalistas (toda una novela con conciencia de clase).

Mucho más destacable es el magistral uso de procesos científicos y la descripción de tecnologías en la novela. Ya sea narrando una persecución en bicicleta solar, describiendo la estructura y propulsión de la nave o los procesos de obtención de energía en el agujero negro, el lector se encontrará amenas pero rigurosas explicaciones. Algunas, particularmente aquella sobre malabares en la gravedad artificial de la Éxodo, me recordaron viejas conversaciones con el padre de Miguel, Mariano Santander, a quien tuve el honor de "sufrir" como profesor durante la carrera de Física.

¿Y qué decir más? Hay ascensores espaciales, una inteligencia artificial un tanto inquietante, una versión de la psicohistoria, y... ¡Numantinos! ¡Aparecen numantinos! ¿De verdad hace falta algo más para convencerte de que leas la novela?

En venta en Amazon.es (también versión Kindle).

Una curiosa estructura en espiral alrededor de R Sculptoris

R Sculptoris es una estrella gigante roja de carbono de luminosidad variable. Está en una fase tardía de la vida de una estrella masiva, en la que se producen episodios periódicos de pulsos térmicos, fases cortas (varios centenares de años) de fusión acelerada de helio y extraordinaria expulsión de material desde la superficie de la estrella. Esto genera la formación de envolturas concéntricas de gas y polvo alrededor de la estrella.

Gracias a el conjunto de radiotelescopios ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), el más potente del mundo de su clase, un equipo de astrónomos ha descubierto una estructura espiral en el gas que rodea a R Sculptoris, estructura que quizás se podrían explicar con la existencia de una compañera que orbite alrededor de R Sculptoris una vez cada 350 años.

En el vídeo inferior (a partir del minuto 2:22) se puede ver una reconstrucción tridimensional de esta estructura.



Fuente: ALMA localiza una sorprendente estructura espiral

¿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.

Cuásares, elefantes y astrofísicos

Fuente: NASA/HST

3C273 parecía una pálida estrella de magnitud 13, un centenar de veces demasiado tenue como para ser visible para el ojo humano sin instrumentos. Comprenderéis entonces el susto que se llevaron los astrónomos en los años 60 cuando calcularon que este objeto de pinta tan inofensiva emitía con una potencia cien mil millones de veces mayor que la de nuestro Sol.

Pero no era un error, tras él aparecieron otros muchos con características similares y también extraordinariamente luminosos. Como parecían estrellas (aunque no se sabía muy bien lo que eran), se los denominó objetos casi estelares emisores en ondas de radio, más conocidos por su abreviatura inglesa quasars, castellanizado como cuásares. Más tarde se descubrieron otros objetos con propiedades similares, pero sin gran emisión en radiofrecuencias, y se englobaron junto a los cuásares bajo el nombre QSO (quasi-stellar objects).

Colores que no encontrarás en el arco iris

Espectro solar. Fuente: Association of Universities for Research in Astronomy Inc. (AURA)

Por si no te lo habías preguntado nunca: hay colores que nunca encontrarás en el espectro. Nunca verás un marrón ni un rosa en el arco iris. Y no es que a Newton se le olvidase mencionarlos cuando enumeró sus famosos 7 colores; no, es algo mucho más complejo. Y de hecho, también es cierto que jamás verás muchos de los colores del arco iris en la pantalla de tu ordenador, simplemente no puede generarlos. Cuanto antes lo aceptes, mejor: hablar de color es meterse con un concepto muy complicado.

Cierre de la XX Edición del Carnaval de Física

Otro mes pasa, y con él termina otra edición del Carnaval de la Física.



En esta XX Edición del Carnaval, 16 blogs han participado con una gran variedad de temas en sus entradas: hemos tenido mucha astrofísica, algo de mitología, biología, química, biografías, consejos prácticos para experimentos...

Os dejo, sin más, con la recopilación de las entradas enviadas al blog. Si hay cualquier error, escribidme a rnumantinablog(arroba)gmail.com y lo intentaré solucionar cuanto antes. He ordenado a los diferentes blogs en orden cronológico de su primera participación, junto a todas sus aportaciones:

• Para dar ejemplo, el carnaval comenzó con una aportación de servidor, en la que os hablé de la peculiar vida del físico suizo Auguste Piccard. Más adelante, escribí sobre la problemática de comunicarse con submarinos, y las gigantescas estructuras necesarias para ello.
• El segundo participante fue La Vaca Esférica, que nos habló primero sobre la posibilidad de los viajes en el tiempo, y posteriormente sobre la energía del vacío, que predice efectos como la radiación de Hawking o el efecto Casimir.
• El tercer blog en mandar una entrada fue el Blog de Emilio Silvera Vazquez, que ha vuelto a batir su propio record de participación. Algunas de sus participaciones han sido "De lo pequeño a lo grande, todo la misma cosa",  "Diferentes maneras para no saber lo que el tiempo es","La física y sus maravillas", "Otra vez: Einstein", "Recordando a Enrico Fermi", "Las fuerzas fundamentales y la materia", "Ese mundo misterioso", "Las escalas del universo no son humanas", "Los núcleos, la masa, la energía, la materia", "El núcleo atómico", "Modelos científicos", Los océanos de Higgs", "Detalle insignificante pero podría cambiar el curso del mundo", "Recordemos a un personaje, unos hechos", "La física que a nivel básico debería ser obligatoria", "Cómo dejó Hilbert en su tumba", "Necesitamos nuevas teorías", "Las estrellas, materiales complejos y la vida", "El universo y la vida", "Consecuencias biológicas si las constantes fuesen variables", "Paul Dirac, gran físico y matemático", "Desvelar los secretos del Universo", "Einstein qué personaje", "Las unidades de Max Planck".. Podeis leer estos y más artículos en la recopilación que nos manda el propio autor.
• El blog Noticias del Cosmos nos explicaba cómo hacer un reloj de sol, usando para ello un programa que se puede obtener de forma gratuita por internet.
• El blog Física e Química en Ribadeo nos explica en su breve entrada "A física de hoxe" cómo la física está presente en nuestro día a día.
• La Aventura de la Ciencia nos hace partícipes, en una nueva serie de entradas, de imágenes misteriosas del espacio que den excusa a explicar algo curioso. En este caso le ha tocado el turno a una imagen del asteroide Vesta. 
• El blog El neutrino nos explicó a continuación las nuevas medidas realizadas en Imperial College, que confirman "la extrema esfericidad" del electrón. Posteriormente, en "Ni Física ni Química" nos daba su opinión sobre una serie de televisión que, al parecer, no hace honor a su nombre.
• Desde BioUnalm nos hablaron de la construcción del primer láser basado en elementos biológicos.
• El blog "Ese punto azul pálido" presenta para esta edición del carnaval la octava entrega de "La influencia de la mitología en la ciencia". Esta vez le toca el turno a Neptuno, protector de la Atlántida y que da nombre a un planeta y un elemento químico.
• Experientia Docet nos presenta una reacción química que tiene lugar gracias al efecto túnel, predicho por la mecánica cuántica. Posteriormente nos habló sobre la extraordinaria presencia de Iridio en ciertas capas del estrato geológico, lo que dio una pista sobre la causa de la extinción de los dinosaurios.
• Astrofísica y física nos hacía conocedores de unos curiosos efectos observados gracias a la interacción entre el planeta enano Haumea y su luna interior Namaka.
• El blog Manzanas Entrelazadas nos daba una visión crítica sobre la popular Teoría de Cuerdas.
• En la Enciclopedia Galáctica, la contribución al carnaval estuvo centrada en la naturaleza de las leyes físicas.
• En el blog Vega 0.0 calcularon para nosotros la duración de un eclipse solar en Plutón, causado, claro está, por su relativamente gran luna Caronte.
• La página Curiosidades de la Microbiología nos habló de la pila de bioenergía más pequeña fabricada hasta la fecha.
• Finalmente, Francis (th)E Mule Science's News escribió sobre la física del hula-hoop.

Votad en los comentarios aquella entrada que os haya gustado más. No valen los autovotos, y la fecha límite es el 12 de Julio. El blog ganador podrá exhibir orgulloso el distintivo diseñado por Carolina, de OK Infografia.

Tras esta conclusión, nos unimos a la ya larga lista de ediciones del Carnaval de la Física:

I Edición (noviembre de 2009) en Gravedad Cero.
II Edición (diciembre de 2009) en Astrofísica y física.
III Edición (enero de 2010) en Leonardo Da Vinci.
IV Edición (febrero de 2010) en RTMF.
V Edición (marzo de 2010) en Cienciamia.
VI Edición (abril de 2010) en Noticias del Cosmos.
VII Edición (mayo de 2010) en El Navegante.
VIII Edición (junio de 2010) en Pirulo Cósmico.
IX Edición (julio de 2010) en Experientia Docet.
X Edición (agosto de 2010) en Cienciamia.
XI Edición (septiembre de 2010) en El Neutrino.
XII Edición (octubre de 2010) en Francis (th)E mule Science’s News.
XIII Edición (noviembre de 2010) en Gravedad Cero.
XIV Edición (diciembre de 2010) en Las historias Eulerianas.
XV Edición (enero de 2011) en Curiosidades de la Microbiología.
XVI Edición (febrero de 2011) en Tecnoloxia.
XVII Edición (marzo de 2011) en Vega 0.0.
XVIII Edición (abril 2011) en La Aventura de la Ciencia.
XIX Edición (mayo 2011) en Scientia.

La XXI Edición, que se celebrará durante este próximo mes de Julio, correrá a cargo del blog La Vaca Esférica, un habitual en anteriores ediciones del Carnaval.

Y ahora, votad vuestra entrada favorita. El día 12 sabremos quién ha ganado la XX edición del Carnaval. Un saludo y ¡hasta entonces!

Actualizado a 16 de Julio:

Pues nada, con el 100% escrutado, estos son los resultados de la votación:

"Comunicación con submarinos: la Tierra como antena" 3 votos
"Fenómenos mutuos entre Haumea y su satélite Namaka" 3 votos
"Una reacción química que tiene lugar gracias al efecto túnel" 1 voto 
"Auguste Piccard, un físico de altura" 1 voto
"Teoría de Cuerdas ¿Ciencia o Pseudociencia?"  1 voto

Así que declaro ganadores de la XX edición a los blogs "Resistencia Numantina" y "Física y Astrofísica". ¡Ahora queda decidir si nos tendremos que repartir el logo del premio o podemos usar uno cada uno!

Enhorabuena a todos los votados, y a Verónica en particular; y muchas gracias a todos por la participación.

Comunicación con submarinos: la Tierra como antena

Las ondas electromagnéticas tienen la desagradable propiedad de atenuarse exponencialmente al pasar por un medio conductor, cómo por ejemplo el agua salada del océano. A frecuencias de radio habituales, la atenuación es casi completa bajo la superficie. Esto las hace muy inadecuadas para comunicarse con un submarino sin que éste tenga que subir a la superficie.

Resolver adecuadamente el problema de la comunicación con los submarinos tiene, como bien os imaginaréis, gran importancia estratégica. Se intentaron diferentes soluciones. Aparte de las investigaciones en comunicación telepática, sin ninguna base científica, quizás una de las más fantasiosas fue plantear el uso de neutrinos. Los neutrinos son partículas estables subatómicas de masa muy pequeña y sin carga eléctrica. Esas tres características hace que puedan viajar sin atenuación a través de la materia. Se calculó que usando el Fermilab, se podrían trasmitir 15 bits de información en cada ciclo de 8 segundos del acelerador.

Una idea que sí que se llegó a aplicar es el uso de ondas sonoras. El sonido se propaga con mayor velocidad y menor atenuación a través del agua que en el aire. Si un submarino está en las proximidades de un altavoz y un hidrófono (como el de la imagen de la derecha), entonces podría comunicarse a través de ellos. Se sabe, por ejemplo, que el gobierno de los EEUU instaló una decena de estas estaciones en el Atlántico Norte, y actualmente sigue investigando esta posibilidad con programas como el Deep Siren Tactical Paging (DSTP).

Más eficiente es el uso de ondas de muy baja frecuencia (VLF, decenas de kilohertzios), que permite la comunicación con submarinos que estén a menos de 20m de la superficie. La OTAN tiene una red de decenas de emisoras VLF en todo el mundo. Rusia ha construído seis, dos de ellas en los países vecinos Bielorrusia y Kyrgyztan.

Desafortunadamente, la comunicación por ondas sonoras o electromagnéticas VLF no es posible con submarinos que estén lejos de la superficie. Para llegar a grandes profundidades, hay que hacer uso de ondas electromagnéticas de extremada baja frecuencia (SLF/ELF). A frecuencias menores de 100 Hz, un submarino puede detectar una emisión en SLF/ELF incluso cuando está sumergido a grandes profundidades (varios centenares de metros).

Sin embargo, el uso de SLF/ELF plantea un importante problema técnico. Para emitir con una eficiencia aceptable, se requieren antenas de dimensiones similares a la longitud de onda de la radiación emitida. Así, por ejemplo, mientras la telefonía móvil usa longitudes de onda de sólo una decena de centímetros, y la radio AM de centenares de metros, SLF/ELF usa longitudes de onda de miles de kilómetros.

Es imposible, por el momento, construir una antena emisora de ese tamaño. La solución ideada por el científico griego Nicholas Christofilos no podía ser más elegante: usar parte de la Tierra como antena.

LA TIERRA COMO ANTENA

Esta fue la solución que adoptaron finalmente las dos superpotencias de forma independiente. Rusia construyó ZEVS, su emisora de 82Hz, en la península de Kola, mientras que EEUU emitía a 76Hz desde el estado de Michigan con su WMT/MTF. Reino Unido estudió construir una estación similar en Glengarry, Escocia, algo que fue abandonado, igual que un faraónico proyecto de EEUU (Sanguine) que involucraba una gigantesca estructura con 10.000 Km de líneas de cable.

ZEVS está formado por dos largos cables de 60 Km de longitud cada uno, enterrados una zona con un terreno de una extraordinariamente pequeña conductividad eléctrica. WMT/MTF tiene 5 de estas estructuras, que en este caso no están enterradas. Los extremos de cada cable se hunden en la tierra hasta una profundidad de cientos de metros.

Cuando el generador de onda se activa, la corriente de 200-300A que genera cierra el circuito a gran profundidad, en capas más conductoras, formando una enorme antena de tipo dipolo magnético. En el ZEVS esto ocurre a unos 10Km de profundidad. Aun así, la antena es demasiado pequeña como para emitir eficientemente: se requiere toda una central eléctrica para poder alimentar la antena, y la potencia final emitida es apenas de un Watio.

A pesar de ello, la señal resultante se puede detectar en cualquier lugar del globo, ya que a esas frecuencias tan bajas, la ionosfera y la superficie terrestre se comportan efectivamente cómo una guía de ondas, que trasmite la señal por todo el mundo sin que escape al espacio.

La baja frecuencia y débil señal emitida por estas antenas hace que no se pueda enviar información a mucha velocidad a través de ellas. Velocidades típicas serían del orden de los bits por segundo y servirían para trasmitir órdenes simples (e.g. comenzar holocausto nuclear) o pedir al submarino que emerja, de modo que se pueda establecer contacto usando otros sistemas más rápidos.

La Guerra Fría ha terminado y estas gigantescas estructuras no son tan necesarias. El gran coste de mantenerlas y operarlas durante 24h, y la alarma que suscitan entre la población (aunque nunca se pudo demostrar que afectasen a la salud), están provocando su cierre. EEUU ha decomisionado ya su sistema SLF/ELF, y ya sólo puede comunicarse con sus submarinos cuando están cerca de la superficie. Desde 1995 el sistema ruso ZEVS no es de exclusivo uso militar, y se usa también para la investigación geológica.

La imagen del hidrófono ha sido publicada bajo licencia CC por Hannes Grobe. El resto de las imágenes son de dominio público.

Fuentes:

ELF Communications Program (FAS)
Popular mechanics, Septiembre de 1978
ELF/VLFILF Radio Propagation and Systems Aspects, AGARD
ZEVS, The Russian 82Hz ELF transmitter
"The world largest radio station" Carlos A. Altgelt


Esta entrada participa en la XX Edición del Carnaval de la Física, que este mes es acogido por este blog, Resistencia Numantina.

Actualización: esta entrada es una de las dos votadas como ganadoras a mejor entrada en la XX Edición del Carnaval de la Física. La otra entrada ganadora es "Fenómenos mutuos entre Haumea y su satélite Namaka" del blog Astrofísica y Física.

Personaje 3: Auguste Piccard, un físico de altura

Muchos de vosotros habréis reconocido la foto superior, que bien pudiera ser la foto más famosa de la historia de la ciencia. Se hizo durante la conferencia Solvay de 1927, a la que acudieron muchas de las mentes más preclaras del momento. Einstein, Bohr, Born, Lorentz, Marie Curie... todos ellos se pueden reconocer entre los asistentes. Hoy voy a hablar de uno de ellos, concretamente del señor alto de la izquierda: el genial físico suizo Auguste Piccard.

Auguste Piccard nació en Basilea en 1884. Estudió en la ETH de Zurich, y se trasladaría posteriormente a Bélgica, donde aceptó una posición como Catedrático de Física en la Universidad Libre de Bruselas. A finales de los años 20, el objeto de estudio de Auguste eran eventos de alta energía detectados de forma natural: los rayos cósmicos.

Hoy sabemos que los rayos cósmicos son producidos por partículas subatómicas muy energéticas procedentes del espacio, y la cascada de partículas secundarias que producen al interactuar con la atmósfera, pero en aquella época no estaba nada claro. Había quien proponía, como por ejemplo el propio Piccard, que los rayos cósmicos se originaban en la estratosfera.

Otro científico cualquiera hubiese encontrado el modo de estudiar el problema sin moverse de su laboratorio, o al menos de la superficie terrestre. Sin embargo, no estamos hablando de un científico normal: Auguste decidió que él mismo iría a las capas medias de la atmósfera para hacer los experimentos.

XX Edición del Carnaval de la Física

Durante este próximo mes de Junio, Resistencia Numantina tiene el honor de acoger la XX Edición del Carnaval de la Física. Esta iniciativa comenzó en noviembre de 2009, cuando el blog Gravedad Cero organizó el Carnaval por primera vez. Desde entonces, ha ido aglutinando en cada ocasión las aportaciones de todos aquellos blogueros que tuvieron a bien participar en cada una de las diferentes ediciones.

Físicos contra biólogos y geólogos: La edad de la Tierra

Dos genios enfrentados: Darwin y Kelvin

Estamos a mediados del siglo XIX. Maxwell está a punto de unificar los ya bien conocidos fenómenos del magnetismo y la electricidad. La termodinámica se desarrolla a pasos agigantados a lomos de la ingeniería de las máquinas de vapor. Haciendo uso de esta nueva herramienta, William Thompson (Lord Kelvin), una de las mayores figuras científicas del momento, intenta estimar la edad del mundo.

Nabla no es una letra griega

Cómo bien sabe quien se haya adentrado un poco en los bosques de la física o el de las matemáticas, los que nos dedicamos a estas cosas tenemos una gran afición a usar todo tipo de símbolos extraños en cuanto surge la mínima oportunidad.

Muchas veces usamos los números de toda la vida (sí, esos que surgieron en la India y trajeron los árabes). Sin embargo para las incógnitas solemos usar letras latinas como x,y o z para valores reales, o z y w si consideramos valores complejos. En ocasiones más solemnes usamos letras griegas (por ejemplo para indicar ángulos o constantes físicas como la de Planck), y a veces también nos ponemos estupendos (o se nos acaban las letras) y usamos alguna letra hebrea (como para los números transfinitos). Hoy voy a hablar aquí de un símbolo con un origen menos conocido: nabla.

Ojos: otros tres trucos que no te esperabas

Cómo algunos me pedísteis, aquí va una nueva entrega del artículo sobre trucos que no esperábais ver en acción en ojos de animales, con otros tres diferentes.

4. ENFOQUE POR SUPERPOSICIÓN DE ESPEJOS

Imagen tomada de "Vision Optics Evolution" de Dan E. Nilsson

Las gambas y algunos de sus parientes usan varios espejos planos que trabajan juntos para formar las imágenes en el ojo. La luz que procede de una dirección del espacio se refleja en varios de los espejos y converge aproximadamente en un punto de la retina.