FÍSICA DE HOLLYWOOD

© Arturo Quirantes Sierra 2016

Imágenes © Arturo Quirantes (salvo indicación en contrario)

Imagen de portada: Jonny Linder a.k.a. “Comfreak” (reutilizada con permiso)

Depósito Legal: VA 793-2016

ÍNDICE

Introducción

1 - El método científico

2 - Cinemática

3 - Dinámica

4 - Trabajo y energía

5 - Sistemas de partículas

6 - Rotación

7 - Gravitación

8 - Fluidos

9 - Oscilaciones

10 - Termodinámica

11 - Electricidad y magnetismo

12 - Óptica

13 - Física moderna

Bibliografía

Para Belén, mi esposa y compañera

INTRODUCCIÓN

- ¿Sabes que esa escena estaba llena de inexactitudes científicas?

(Sheldon Cooper)

En mayo de 2016, mientras este libro cobraba forma, dos turistas españoles desaparecieron en aguas de Malasia. Su barco se había quedado sin motor y fueron navegando a la deriva. Las autoridades locales desplegaron sus medios de búsqueda, y después de diez días de espera David y Marta, que así se llamaban nuestros compatriotas, fueron encontrados sanos y salvos.

En declaraciones a un programa de radio, los (casi) náufragos explicaron cómo lograron sobrevivir. Uno de los elementos clave fue el medio de conseguir agua potable. Conscientes de que beber agua salada es perjudicial en ese tipo de situaciones, utilizaron un sistema de bolsas de plástico para purificar agua marina mediante evaporación y condensación. ¿Y cómo supieron lo que tenían que hacer? La respuesta de David me encantó: "fue idea de Marta, que dijo que lo había visto en una película."

Me gustó mucho la respuesta de Marta porque eso de usar películas para explicar cosas es algo que yo, como profesor, hago en clase desde hace varios años. Un día pensé que, si no me hacen caso a mí, puede que presten atención a Spiderman o Hulk. Me decidí a intentarlo, envalentonado por el éxito de precursores como Costas Efthimiou (Universidad de Florida Central), o de Sergio Palacios (de la Universidad de Oviedo). El resultado fue Física de Película, un proyecto de innovación docente que he desarrollado durante varios años en el seno de la Universidad de Granada (a la que agradezco desde aquí todo el apoyo prestado) para explicar Física de modo ameno gracias a fragmentos de películas de todo tipo.

¿Realmente somos tan simples? ¿Necesitamos a Sylvester Stallone para aprender que tocar dos cables de alta tensión es una mala idea? En una palabra: sí. El cine y la televisión ejercen una influencia enorme sobre nuestra forma de pensar en todos los aspectos: política, relaciones sociales, amores, hábitos de alimentación, legislación o ciencia pura y dura.

No siempre es buena idea aprender del cine, toda vez que los medios audiovisuales, más pendientes del entretenimiento que del rigor, suelen generar una comprensión deformada de la realidad. Siempre que alguien está aprendiendo algo nuevo, su cerebro compara el nuevo conocimiento con lo que los expertos en didáctica llaman "anclas," es decir, conocimientos previos más o menos afortunados. Un "ancla" falsa o incorrecta da lugar a un fallo en el aprendizaje, y si no se corrige puede acabar conformando un marco de aprendizaje erróneo.

¿Por qué cree usted que casi la mitad de los norteamericanos están convencidos de que el hombre convivió con los dinosaurios? Hay muchos motivos, por supuestos, pero apuesto a que un factor influyente ha sido la serie de dibujos animados Los Picapiedra. En ausencia de una educación científica formal, los recuerdos de los años de estudio obligatorio se difuminan y queda lo que recordamos de la televisión.

Esta ignorancia de base no se limita al hombre de la calle. La premier británica Margaret Thatcher pudo tomar medidas contundentes de cara a la prohibición de los gases de efecto invernadero conocidos como clorofluorocarbonos (CFC) gracias a sus sólidos conocimientos de química, y la canciller alemana Angela Merkel tiene un doctorado en física química; pero no crea que quienes nos gobiernan están siempre mejor educados que nosotros en temas científicos. En un mundo que aún se está recuperando del accidente nuclear de Fukushima, asusta pensar en el tipo de decisiones que puedan tomar líderes políticos cuya formación científica no va más allá de Armageddon, y que oyen impasibles a Homer Simpson cuando afirma haber provocado “tres fundiciones del núcleo y un Síndrome de China.”

Pero no todo son malas noticias. Cada vez más series y películas se preocupan por contar una historia con un trasfondo científico correcto, y en años recientes han dado lugar a grandes éxitos de taquilla como Interstellar o Marte. En esta última, el protagonista tiene claro que sus posibilidades de supervivencia pasan por usar la ciencia (me encanta la frase en su versión original: "I´m gonna have to science the shit ouf of this"). Simultáneamente, los físicos tenemos la serie The Big Bang Theory para recordar al mundo que nuestro trabajo mola.

La Física de Hollywood nos proporciona una gran cantidad de escenas para aprender Física. Ya me gustaría que la mayoría de los ejemplos fuesen de buena física, pero incluso los malos ejemplos son útiles para enseñar lo que no se debe hacer. Así pues, ¿por qué no aprovecharnos? Aprendamos algo de termodinámica con Doc Brown en Regreso al Futuro III, veamos ejemplos de aberraciones ópticas en Sherlock, aprendamos sobre física de lentes y espejos en La Ventana Indiscreta, y descubramos lo que realmente significa "la Fuerza" en Star Wars.

Ese ha sido mi propósito. El libro que está usted leyendo ahora mismo, amigo lector, es un breve curso sobre Física en el que podrá disfrutar de más de un centenar de ejemplos sacados del cine (y algunos de la televisión). Por encima de todo disfrute de la lectura, y también de las películas que le recomiendo. Igual que los médicos se rigen por el principio primum non nocere (ante todo, no hacer daño), creo firmemente que los profesores debemos aplicarnos una máxima similar: ante todo, no aburrir.

Bienvenidos a la Física de Hollywood. Disfrútela.

1 - EL MÉTODO CIENTÍFICO

- Chicos, perdonad, no es que llamar a uno de los Vengadores no sea una opción razonable, pero somos científicos ¿no podemos arreglar esto usando ciencia de verdad?

(Leonard Hofstadter)

ERA UNA CÁLIDA TARDE DE VERANO

Muchos profesores de ciencias comienzan pisando fuerte, y no se les ocurre otra forma para comenzar que resaltar a sus alumnos algo trivial y evidente: su asignatura, precisamente esa y no otra, es la mejor y más importante de todas las que existen en Ciencia.  Eso a mí no me preocupa por dos motivos: en primer lugar, no estamos en un concurso de popularidad donde otorguen premios a las asignaturas más útiles o relevantes, y en segundo lugar, resulta que la Física ES la mejor y más importante de todas las que existen en Ciencia.

Dicho lo anterior, enseguida se plantea la pregunta de marcar territorio: ¿qué es la Física? Si vamos a explicar algo deberíamos, como mínimo, establecer los límites de nuestro campo de estudio. Este es un punto en el que podemos entrar con suavidad o como un elefante en una cacharrería. Hay quienes establecen definiciones más o menos rigurosas, con el peligro de que acaben resultando demasiado complicadas o inútiles por completo. Es este un punto donde hay que tener cuidado, porque comenzamos hablando de Física y podemos terminar en el reino de la filosofía, la metafísica o incluso la religión.

Yo suelo salir del paso diciendo que la Física estudia los objetos de la Naturaleza y sus interacciones de la forma más básica y fundamental posible. Con ello quiero decir que si deseo aprender el comportamiento de un jabalí durante su época de apareamiento la Física no me servirá de mucho, pero si lo que me interesa es la forma en que los ojos del jabalí forman las imágenes en su retina, o si deseo saber cuánto tiempo tardará en caer al fondo de un barranco, nada como la Física para hallar la respuesta.

A efectos de comenzar su estudio, basta con suponer un jabalí esférico en el vacío. De esa forma suelo obtener la primera sonrisa de los alumnos mientras éstos aprenden que, en Física, se comienza por los sistemas más sencillos para ir complicándolos poco a poco. Esta técnica de reducir los sistemas complejos a subsistemas más sencillos recibe el nombre de reduccionismo, y como tantos ismos actuales suele conllevar un deje despectivo, pero resulta una técnica muy eficaz para resolver problemas y entender el comportamiento de la naturaleza; por no hablar de sus aplicaciones en la vida diaria. ¿Cree usted que ese nuevo proyecto es demasiado complejo, que la mudanza es tarea interminable, que nunca terminará de pintar el piso? No se desespere, simplifique.

¿Qué tal si comenzamos la asignatura con una larga y profunda diatriba sobre la historia de la Física y sus actores? ¡Mal! Lo que el profesor considera una sólida y rigurosa fundación histórica, para los alumnos no es más que una sucesión inconexa de fechas, nombres y épocas. No seamos como Sheldon Cooper, el irritante personaje de la serie The Big Bang Theory (TBBT). En el episodio El Experimento Gorila (3x10), la hermosa pero científicamente ignorante Penny pide a Sheldon que le enseñe algo de Física para entender lo que hace su novio Leonard en el laboratorio. Sheldon, sin prestar atención alguna a los propósitos o a la preparación intelectual de su estudiante, comienza el primer día de clase con una larga y penosa perorata:

"Esto es el comienzo de un viaje de 2.600 años que vamos a realizar juntos desde los antiguos griegos, pasando por Isaac Newton, Niels Bohr y Erwin Schrödinger... es una cálida tarde en la antigua Grecia..."

La verdad, por mucho respeto que me merezcan Newton, Bohr o el tío del gato, a mí me darían ganas de salir corriendo. No me malinterprete, yo también creo que la Física es un desarrollo multisecular, tanto así que muchas de las leyes y teorías que manejamos llevan nombres de personas muertas hace siglos; pero no es algo con lo que haya que machacar en el primer día. Yo prefiero ir introduciendo personajes, fechas y épocas conforme vayan apareciendo en el temario; en cuanto noto que lo que explico en clase suena similar a "era una cálida tarde de verano en la antigua Grecia," volantazo y a cambiar de rumbo.

Pero todo eso es una cuestión de forma, y mientras la resolvemos dejamos de lado un aspecto mucho más importante de la Física en particular y de la Ciencia en general. Se trata de lo siguiente: ¿por qué existe la Física? Permítame replantear la pregunta: ¿por qué existen las leyes de la Física?

UN UNIVERSO CON REGLAS

Imaginemos por un momento que la naturaleza fuese caprichosa y que no pudiesen establecerse normas o patrones regulares. La velocidad de caída de un objeto al suelo podría adoptar valores aleatorios y resultaría imposible establecer una fórmula que la ligase con el tiempo transcurrido, la intensidad de la atracción gravitatoria o cualquier otra cantidad mensurable. Sería un mundo azaroso y caótico que no obedece a reglas. Sin reglas no hay reproducibilidad, ni tampoco ciencia. Parece que nuestro Universo no es tan caprichoso, y en consecuencia hemos fundamentado la Ciencia en el supuesto de que, en efecto, hay normas y repeticiones. El sol sale y se pone, las mareas suben y bajan, una planta cura y una baya envenena. Lo novedoso es considerado no como una fluctuación caprichosa sino como una nueva regla esperando a ser descubierta.

Acostumbrados a un universo regulado por patrones y reglas, creemos que es la única forma posible de que las cosas sean como son. La imaginación, por su parte, nos permite entender cómo sería un universo alternativo donde las reglas pudiesen cambiar y donde la propia realidad se convirtiese en una apariencia. Bienvenidos al mundo de lo irreal. En la película Matrix (1999), la primera de una trilogía, se nos presenta un mundo ilusorio. Los seres humanos viven y mueren sin saber que, en realidad, forman parte de una simulación informática creada por las máquinas que gobiernan la Tierra. Unos pocos humanos han descubierto la verdad y se han desconectado de Matrix, dispuestos a recuperar el control de su destino.

Durante el proceso de desconexión de Neo, su mentor Morfeo le pone al tanto de la realidad. Lo primero que ha de hacer es vencer la incredulidad de Neo, quien no puede creer que lo que está experimentando es real:

"Neo: Entonces, ¿esto no es real?

Morfeo: ¿Qué es 'real'? ¿De qué modo definirías 'real'?  Si te refieres a lo que puedes sentir, a lo que puedes oler, a lo que puedes saborear y ver, lo real podría ser señales eléctricas interpretadas por tu cerebro."

No es el único que se plantea tales dudas. Cifra, un humano desenchufado hace tiempo, conoce la naturaleza de Matrix, y sin embargo hasta él duda ante el significado de lo real. Mientras come, mejor dicho, mientras está enchufado en Matrix disfrutando la ilusión de comer, comienza a filosofar:

"Sé que este filete no existe. Sé que cuando me lo meto en la boca es Matrix la que le está diciendo a mi cerebro 'es bueno y jugoso.' "

Incluso cuando Trinity le recuerda que Matrix no es real, Cifra le replica:

"No estoy de acuerdo, Trinity. En mi opinión, Matrix puede ser más real que este mundo."

¿Acaso podemos considerar ilusorio algo con apariencia tan real que resulta indistinguible de lo real? Bienvenidos al mundo de la filosofía, donde esta cuestión ha sido debatida durante milenios, comenzando por el propio Platón y su alegoría de la caverna. Sin ánimos de entrar en terrenos metafísicos pantanosos, podemos utilizar la explicación de Morfeo para explicar que los científicos se basan en la observación de los fenómenos que conforman nuestra realidad, sea cual sea. Si existiese un mundo Matrix, podríamos seguir haciendo Ciencia.

De hecho, un científico podría deducir la existencia del programador mediante una observación cuidadosa de la realidad. Resulta que Matrix es una simulación cuyas reglas no son siempre inmutables. Los agentes encargados del orden pueden saltar, morir, revivir y reproducirse de forma aparentemente inexplicable. El propio Morfeo se lo explica a Neo:

"Este es un programa de sparring parecido a la realidad programada de Matrix. Posee las reglas básicas, como la de la gravedad. Tienes que saber que esas reglas no son distintas a las de un sistema informático. Algunas se pueden ajustar, y otras se pueden infringir ¿Entendido?"

El cine nos ofrece abundantes ejemplos de lo que puede suceder cuando las reglas que conforman nuestra realidad se vienen abajo. En ocasiones se trata de un engaño por parte de la pareja, quien puede que tenga un secreto inconfesable o una vida paralela con otra familia. En Mentiras Arriesgadas (1994), Arnold Schwarzenegger interpreta a un hombre de vida doble llamado Harry Tasker. Para su familia, no es más que un aburrido hombre de negocios, pero en realidad trabaja para una agencia secreta del gobierno. Las cosas se ponen interesantes cuando su esposa se ve involucrada en uno de sus casos y descubre que lo que tiene en casa no es lo que parece.

¿Y si uno pudiese cambiar de vida, recuerdos incluidos? Esa es la premisa de Desafío Total (1990). Douglas Quaid, un empleado de la construcción, desea viajar a Marte y cambiar su aburrida vida. Un día decide acudir a Memory Call, una peculiar agencia de viajes que proporciona recuerdos de aventuras a voluntad gracias a injertos de memoria. De repente las cosas se tuercen, y de repente hombres armados le buscan para matarle. Al parecer, Quaid es en realidad Hauser, un agente de la inteligencia marciana, de forma que mueve el culo hacia Marte con el objetivo de recuperar su identidad.

¿Pero es real su nueva vida o es tan sólo una fantasía?  Ni siquiera Quaid está seguro del todo. En un momento dado su esposa falsa, que había intentado matarlo, aparece y le dice que todo ha sido una alucinación. Un doctor, supuestamente insertado por Memory Call como mecanismo de seguridad, intenta convencerle de que todo lo que ha experimentado es falso:

"¿Qué es lo que es mentira, señor Quaid, que vive un episodio paranoico provocado por un agudo trauma neuroquímico, o bien que realmente es un agente secreto invencible de Marte víctima de una conspiración interplanetaria para hacerle creer que es un mero y simple obrero de la construcción?"

Si usted se viese en este dilema, probablemente pensaría que la aventura fingida de Memory Call ha llegado demasiado lejos, o bien que es hora de despertarse para ir al trabajo, pero las historias de Philip K. Dick se caracterizan porque nada es lo que parece, y esta película se basa en uno de sus cuentos cortos. No le desvelaré la verdad. Descúbrala usted y pase un buen rato con el film original de Arnold Schwarzenegger, o bien con el remake Total Recall (2012) de Colin Farrell.

LA MEDIDA EN CIENCIA

Para interrogar a la naturaleza hay que medir, es decir, realizar valoraciones cuantitativas de un suceso. ¿Cuál es la propiedad que caracteriza a los espectros? Los cazafantasmas no nos lo dicen pero los vemos utilizar un conjunto de técnicas de observación para poder registrar la existencia de fantasmas. Hablan de valencias psicoquinéticas, de velocidades de ionización, recogen residuos ectoplásmicos y diseñan un instrumento para poder capturar y almacenar fantasmas. En Cazafantasmas 2 (1989) incluso miden variables como PKE y GEV, lo que se supone son propiedades espectrales que pueden ser medidas.

Conceptos como el de "cantidad de energía psicoquinética" de los cazafantasmas implica la existencia de algo que podamos observar cuantitativamente, y eso nos permite medir. ¿Pero qué significa medir? Se trata de comparar una cantidad con una segunda cantidad patrón que denominamos unidad. Podemos viajar a la galaxia muy, muy lejana de La Guerra de las Galaxias (1977) en busca de ejemplos. En la cantina de Mos Eisley, Obi-Wan y Luke buscan un transporte para el sistema Alderaan. Alguien le sugiere que hablen con el pícaro y fanfarrón contrabandista Han Solo, quien alardea de la velocidad de su Halcón Milenario y nos proporciona un ejemplo de unidad bastante pintoresco: "Es la nave que hizo la carrera Kessel en menos de doce parasegundos"

Podríamos pensar que el "parasegundo" es el nombre de alguna unidad de tiempo usada en la galaxia lejana de Han y Luke. No es así. Resulta que es la traducción al castellano de parsec (PARallax-SECond), una unidad de distancia que usan en la actualidad los astrofísicos terrestres. Se trata de la distancia a la que el radio de la órbita terrestre subtiende un ángulo de un segundo de arco. He aquí una oportunidad para explicar conceptos como el de paralaje, al tiempo que describimos una unidad de longitud.

Sin embargo, algo falla aquí. ¿Cómo puede utilizarse una unidad de distancia para medir intervalos de tiempo? En un intento por justificarse, los creadores del universo Star Wars dijeron que la carrera transcurría por las cercanías de un conjunto de agujeros negros, y el Halcón Milenario llegó antes no por ser más veloz sino por ser capaz de calcular la ruta más corta. Muchos fans no se tragan esa explicación, y yo me encuentro entre ellos. En mi opinión George Lucas metió la pata y punto.

Puesto que el parsec se utiliza por los astrofísicos del mundo entero incluida España, se plantea aquí un detalle lost in traslation: cuando los traductores de la película convirtieron parsec en parasegundo, ¿lo hicieron sabiendo que el parsec es unidad de distancia? ¿Quizá inventaron el término "parasegundo" para dar idea de una unidad de tiempo?

No lo sé, y me gustaría averiguarlo algún día. En cualquier caso, parece que los dobladores actuales han aprendido la lección. En la película Star Wars VII, El Despertar de la Fuerza (2015), Han Solo vuelve a enfrentarse a su propia leyenda. Cuando por fin vuelve al Halcón Milenario, alguien le pregunta si realmente fue capaz de hacer la carrera Kessel "en catorce parsecs." La pregunta indigna a Solo, quien responde que no fue en catorce sino en doce. También a mí me molestó la respuesta, acostumbrado como estaba ya a los parasegundos.

Las unidades también suelen inducir a error en entornos más familiares. En el episodio de TBBT El Factor Mandarina (1x17), Penny afirma que Leonard quiere una relación de años luz. Sheldon le corrige:

"No se puede decir así, un año luz es una unidad de longitud, no de tiempo... La gente, al oír la palabra año, cree que es una unidad de tiempo. Lo mismo pasa con los kilovatios-hora, es una unidad de energía, no de potencia. Es un error muy corriente."

Otro error de traducción permite introducir al alumno al concepto de la notación científica, concretamente al uso de prefijos para indicar múltiplos y submúltiplos. Todos sabemos que milímetro indica milésima de metro y que un kilo es en realidad un kilogramo (mil gramos). En la película Regreso al Futuro (1985), el típico profesor chiflado (un estereotipo del que tardaremos mucho en librarnos, compañeros de profesión) le explica a su amigo Marty que para que éste pueda volver a su época tendrán que hallar la forma de generar 1,21 gigovatios de electricidad.

Resulta que el prefijo "gigo," utilizado en esa escena para indicar mil millones, es incorrecto. Veamos cuáles son los prefijos aceptados para su uso en ciencia. Algunos de ellos los conocemos por su uso diario con otras unidades (como miligramo, kilómetro o megahercio). En otras ocasiones resultan tan habituales que nos limitamos al prefijo. Por ejemplo, cuando vamos al supermercado no pedimos un kilogramo sino un kilo de patatas. Eso lo vemos mucho en el campo de la informática: los CDs tiene una capacidad que se mide en megas (en realidad, megabytes), aunque ahora los discos duros están llegando al tera(byte), y usamos "giga" para indicar tanto la cantidad de memoria como la capacidad de una unidad USB (gigabyte) o la velocidad de un procesador (gigahercio). Giga, no gigo.

Por cierto, antes de seguir sería conveniente explicar que, en el mundo de los ordenadores, un kilobyte no es un millar de bytes, ni un megabyte es un millón de bytes. Los informáticos llaman kilobyte a 1.024 bytes. El motivo es que la informática moderna se basa en un sistema de numeración de base dos, y el número 1.024 es una potencia exacta de dos. Un mega son 1.024² y un giga son 1.024³. Por eso el disco duro de mi ordenador, aunque tiene una capacidad teórica de 507.130.884.096 bytes, no es de 507 gigas sino de 507.130.884.096/1.024⁴ = 427 y pico gigas. Eso sí, el vendedor luego lo anuncia como "más de quinientos gigas." Cuidado con esos números a la hora de comprar.

El uso de prefijos para indicar potencias de diez es una alternativa a la llamada notación científica, en la cual todo número, grande o pequeño, se escribe como una cantidad pequeña (generalmente entre uno y diez) seguida por una potencia de diez. Ese es el procedimiento que usan, por ejemplo, las calculadoras científicas. De ese modo, un gigahercio serían 1.000.000.000 de hercios, o lo que es lo mismo 10⁹ hercios.

Podemos hacer una lista de los múltiplos y submúltiplos, asociándoles una potencia de diez. Aquí va:

MÚLTIPLOS      SUBMÚLTIPLOS

Deca   10¹Deci    10⁻¹

Hecto  10²Centi   10⁻²

Kilo   10³Mili    10⁻³

Mega   10⁶Micro   10⁻⁶

Giga   10⁹Nano    10⁻⁹

Tera   10¹²    Pico    10⁻¹²

Peta   10¹⁵    Femto   10⁻¹⁵

Exa    10¹⁸    Atto    10⁻¹⁸

Zett   10²¹    Zepto   10⁻²¹

Yotta  10²⁴    Yocto   10⁻²⁴

Los chicos de The Big Bang Theory nos dan un ejemplo de ambos métodos de representación. En el episodio La Transformación del Hombre Lobo (5x18), el incorregible Sheldon Cooper está preocupado porque su peluquero habitual no está disponible. "El pelo me está creciendo a una velocidad de 4,6 yoctómetros por femtosegundo," afirma con angustia. Dejando de lado el hecho de que los físicos no suelen hablar así (no entre amigos, al menos) ¿es eso mucho crecimiento de pelo?

Traduzcamos. El prefijo femto- indica 10⁻¹⁵ (una milésima de billonésima) en tanto que yocto- es 10⁻²⁴ (una cuatrillonésima). Dividir 4,6 yoctómetros entre un femtosegundo nos da una velocidad de 4,6*10⁻²⁴/10⁻¹⁵ = 4,6*10⁻⁹ metros/segundo. Para hacernos una idea mejor, vamos a ver cuánto crecería el pelo de Sheldon en intervalos de tiempo mayores. En un día tenemos 86.400 segundos, así que el crecimiento sería de 4,6*10⁻⁹ * 8,64*10⁴ = 4*10⁻⁴  metros, o 0,4 milímetros diarios. En un mes el pelo sería 12 milímetros más largo. Tampoco es para tanto, Sheldon.

Puede que usted, lector, considere el método de los prefijos algo rebuscado. A fin de cuentas, cuando el telediario habla del déficit público o del rescate a un banco no suelen hablar de "gigaeuros" sino de millones o miles de millones. Puede que así nos resulte más sencillo de entender, pero si de repente aparecen billones o miles de trillones resulta más difícil abarcar la enormidad de un número.

Sucede, además, que el término "billón" no tiene un significado único. De acuerdo con la llamada escala larga, los términos millón, billón, trillón, cuatrillón, etc., van apareciendo según potencias decimales de seis: un millón es 10⁶, un billón es un millón de millones (10¹²), un trillón es un millón de billones (10¹⁸) y así sucesivamente. Es la escala utilizada en la mayor parte de los países, incluido España. En Estados Unidos y otros países anglosajones se utiliza la escala corta, la cual salta según potencias de tres: un "billion" es 10⁹, un "trillion" es 10¹² y así sucesivamente.

Este proceder no suele presentar problemas en ciencia, donde lo habitual es usar la notación científica de prefijos y de potencias de diez, pero resulta muy confuso en el cine y la televisión. Como ya sabemos, muchas de las películas y programas que vemos son norteamericanos, y es muy fácil equivocarse en la traducción. Hay que tener cuidado, por tanto, cuando un personaje del cine hable de billones de años o trillones de kilómetros, porque puede esconder un error de traducción.

Un divertido ejemplo de ello involucra al divulgador científico Carl Sagan, cuyos libros y serie televisiva Cosmos le recomiendo sin reservas. En la década de los setenta Sagan fue parodiado con mucho éxito por el presentador televisivo norteamericano Johnny Carson, quien aparecía en escena vistiendo un jersey de cuello alto y hablando de "miles y miles de millones de estrellas." Traducido al castellano no suena igual, pero en el original inglés la coletilla billions and billions de Carson se le pegó al personaje de Sagan.

Curiosamente, él nunca dijo esa frases, o casi. Si bien Carl Sagan dijo "miles de millones" (billions) en multitud de ocasiones, jamás utilizó el término "miles y miles de millones" (billions and billions). A pesar de ello, parece que se lo tomó con humor, y en su último libro incluyó un capítulo en el que escribió su famosa frase para que conste que, al menos una vez, la usó de forma deliberada. El libro se tituló Billions and billions.

No es habitual en ciencia describir un número muy grande o pequeño llamándolo por su nombre. Es más cómodo usar la notación de potencias decimales ("diez elevado a cuarenta" mejor que "diez mil sextillones"), y además se evita uno el problema de considerar si se está usando la escala larga o la corta. A pesar de ello, en ocasiones se pone de moda nombrar algunos números en particular. En cierta ocasión una marca de refrescos basó una campaña veraniega en el uso del término "pentatrillones." El siguiente año dijeron que se habían quedado cortos y subieron la apuesta a "mogollones de trillones." En ambos casos, por supuesto, no pasaba de ser una treta publicitaria, y los términos utilizados no tenían sentido numérico alguno.

Con todo, es conocido el caso del gúgol, nombre con que se conoce al número 10¹⁰⁰. Estuvo a punto de ser el nombre de un buscador de Internet, pero sus creadores se equivocaron al deletrear la palabra ("googol" en inglés), y el buscador acabó llamándose Google. Sí, ese Google. Asociado al gúgol está el gúgolplex, igual a diez elevado a un gúgol. Y barriendo un poco para casa, si la palabra "gúgol" la inventó el sobrino de un matemático norteamericano, en España no somos menos y la hija de mi amigo Antonio Martínez Ron tiene también un nombre para un número grande. Amigo lector, a partir de ahora el número 10¹⁰⁰⁰, será conocido como plexollar.

Toda esta plétora de potencias de diez, nombres extraños y prefijos surge de la necesidad que tiene la Física de medir cantidades muy grandes o muy pequeñas. En casos como la medición del sonido o de la energía de un terremoto, donde los valores medidos pueden variar en muchos órdenes de magnitud, se suele usar un atajo: en lugar de expresar la cantidad en sí, expresemos su logaritmo.

Vamos a aplicarlo para el caso de un terremoto. Imaginemos que tomamos un terremoto muy pequeño como unidad estándar, de tal modo que la energía que emite es igual a uno (en unidades arbitrarias). A ese terremoto le asignaremos una magnitud igual a 1. Un terremoto diez veces más energético tendrá una magnitud de 2; uno que sea cien veces más energético, magnitud 3; y en general, para un terremoto 10X más fuerte diremos que su magnitud es X. Esto, en esencia, es la famosa escala sísmica Richter. En la actualidad la escala Richter está en desuso porque no funciona bien para terremotos muy intensos, pero hay escalas similares que se usan en sismología.

La escala Richter es del tipo logarítmico, que va creciendo de forma exponencial. Esto quiere decir que un terremoto de magnitud N no es un poco mayor que uno de magnitud N-1, sino que es diez veces mayor. Esto es muy útil para comparar la capacidad destructiva de los terremotos. Por ejemplo, el seísmo que afectó la localidad española de Lorca en 2011 tuvo una magnitud de 5,1. Dos meses antes, un terremoto de magnitud 9,0 destruyó la central nuclear de Fukushima, en Japón. Eso quiere decir que el terremoto japonés fue 10(9-5,1), casi 8.000 veces, más intenso que el español.

El cine compite con la realidad a la hora de presentarnos terremotos devastadores. En pleno auge del cine de catástrofes de los años setenta, la película Terremoto (1974) muestra los efectos de un seísmo de magnitud 9,9 en el centro de Los Ángeles. Esta ciudad ha sufrido el azote de grandes terremotos en el cine, como por ejemplo 10,0 Terremoto en Los Ángeles (2014) o 2013 Rescate en L.A. (1996). En este último caso, el desastre le viene muy bien al típico político arribista:

"Un candidato presidencial predice que un terremoto milenario destruirá Los Ángeles como justo castigo divino... un terremoto de magnitud 9,6 en la escala de Richter tiene lugar a las 12:59 de la tarde del 23 de agosto del año 2000. Tras la devastación, la Constitución se reforma, y el recién elegido presidente acepta el cargo de modo vitalicio."

A partir de ese momento la ciudad de Los Ángeles, ahora una isla, se convierte en une especie de prisión para delincuentes, indeseables e inmorales diversos. Nadie regresa. Hasta que llega el momento en que alguien tiene que infiltrarse, trabajo que recae en el rebelde Serpiente Plissken. El resto se lo dejo a usted, amigo lector, como ejercicio.

Trasladamos ahora la acción al otro lado del país. Aunque la costa atlántica norteamericana es zona de sismicidad baja, un terremoto aún mayor sacude el oeste de EEU en 10,5 Apocalipsis (2004). Y por supuesto los neoyorquinos no pueden quedarse sin destrucción sísmica, así que también ellos se llevan lo suyo en la película Terremoto en Nueva York (1999), cuyo cartel reza "el terror se sale de la escala Richter."

Lo cierto es que esta lucha por subirse a lo más alto de la escala tiene sus límites. El terremoto más intenso jamás registrado fue el de Valdivia (Chile) en 1960, al que se le estimó una magnitud de 9,5. El Servicio Geológico de los Estados Unidos, en relación a los megaterremotos aparecidos en el cine, aclaró que no se conoce falla alguna en el mundo capaz de generar un terremoto de magnitud superior a 10. La falla de San Andrés, en California, es incapaz de producir terremotos superiores a magnitud 9. Por supuesto, eso no impedirá que Hollywood continúe creando terremotos más y más destructores.

HIPÓTESIS Y TEORÍAS

La pregunta "¿qué es la ciencia?" representa algo más que una cuestión bizantina. Animadas por la eficacia y el éxito de la ciencia, muchas creencias intentan hacerse pasar por ciencias, imitando su lenguaje y sus formas pero sin participar en el rasgo más característico de la ciencia. Ese rasgo al que me refiero es el llamado método científico, un conjunto de reglas de trabajo que permiten la autocorrección de errores y la depuración de fallos. La diferencia entre las ciencias reales y las llamadas pseudociencias es precisamente el uso o no del método científico. Por desgracia, las carreras de ciencias no suelen hacer hincapié en los detalles, o incluso la mera existencia, del método científico, y algunas pseudociencias como la homeopatía se aprovechan de ello.

A la espera de que el método científico forme parte habitual de los temarios en las carreras científicas, podemos acudir al cine para ilustrar algunos de sus principios. Una de las películas que podemos usar es Cazafantasmas (1984), donde cuatro investigadores unen sus fuerzas y crean una empresa dedicada a la caza y captura de entidades fantasmagóricas de todo tipo. Si bien ya sabemos que los fantasmas no existen, el film nos introduce a esa posibilidad y construye una historia.

En una de las primeras escenas, el doctor Peter Venkman efectúa un experimento de clarividencia con dos estudiantes, quienes han de averiguar el dibujo de una carta oculta. Uno de los dos estudiantes, una chica rubia y guapa, saca una puntuación muy alta, lo que aparentemente sorprende al investigador. Por supuesto, esa sorpresa no es tal, y el espectador es testigo de cómo Venkman falsea el experimento para impresionar a la chica.

Llegada la hora de establecer hipótesis, los cazafantasmas recurren al principio conocido como navaja de Occam, según el cual la explicación más verosímil suele ser la más sencilla. Un burócrata federal se niega a creer la teoría de los fantasmas, y en su lugar ofrece una explicación alternativa en base a gases neuroquímicos que provocan alucinaciones; es decir, para él los cazafantasmas no son más que un hatajo de timadores.

Se trata de una conjetura plausible, y a tenor de la cantidad de pseuocientíficos que proliferan en el mundo real suena como la explicación más plausible en un primer momento. Para su desgracia, la hipótesis de los fantasmas se mantiene. La evidencia observacional es, sencillamente, demasiado amplia para descartarla: los fantasmas proliferan por toda la ciudad, el jefe de bomberos es incapaz de explicarlos en base a humos y luces, la policía no encuentra pruebas de fraude y los testimonios expertos se acumulan.

Los fantasmas nos ofrecen ejemplos adicionales de la navaja de Occam. Al comienzo del film suceden hechos extraños en la biblioteca pública de la ciudad. En el sótano se ha formado una pila de libros amontonados de forma perfecta. Uno de los cazafantasmas lo interpreta como suceso paranormal, pero el doctor Venkman saca a relucir la navaja (la de Occam) y sarcásticamente replica "tienes razón, ningún ser humano amontonaría los libros así."

En Cazafantasmas 2 (1989) la chica protagonista describe un suceso paranormal que acaba de presenciar. Spengler, amigo pero ante todo científico, le hace una serie de preguntas. Ella le dice que no se lo está inventando, a lo que él responde amablemente "no insinuaba eso, pero los científicos siempre buscamos la explicación más sencilla." ¿Significa eso que siempre la mejor hipótesis es la más simple? No necesariamente, pero puestos a elegir mejor es comenzar por lo más sencillo. La navaja de Occam no es más que una aplicación práctica del viejo aforismo "no buscarle los tres pies al gato."

La "cara de Marte" en dos imágenes: 1976 (Viking 1) y 2001 (Mars Global Surveyor). ¿Cuál es la hipótesis más probable hoy? (Imágenes: NASA)

En muchos casos los barruntos científicos (llámense conjeturas, hipótesis, teorías o leyes) se apoyan en analogías. Asuntos tan complejos como la mecánica cuántica o la relatividad utilizan la analogía de forma casi rutinaria. El modelo del átomo planetario, en el que los electrones giran en torno a un núcleo atómico como los planetas en torno al Sol, es sencillo y fácil de entender; también es incorrecto (el modelo cuántico real es más complejo), pero a pesar de ello se sigue utilizando como primera aproximación. En la actualidad la hipótesis más utilizada en física teórica se denomina "teoría de cuerdas," y su nombre ya resulta lo bastante descriptivo.

La analogía permite al doctor Spengler explicar al cazafantasmas recién llegado los acontecimientos sucedidos en Nueva York durante los últimos días, en los que la frecuencia de los avistamientos espectrales ha aumentado sin control. Forzado a cuantificar su afirmación de que se aproxima algo grande, Spengler usa una analogía:

"Digamos que este bizcochito representa la cantidad normal de energía psicoquinética en el área de Nueva York. Según la muestra recogida esta mañana, el bizcochito sería de doce metros de largo y pesaría unos 250 kilos"

En ocasiones utilizamos analogías de forma inconsciente. Cuando los mapas del tiempo representan la temperatura mediante códigos de colores, lo que estamos haciendo es codificar la información que tenemos de forma diferente. La velocidad y la presión del aire se transforman en flechas y líneas curvas. Cuando observamos en otras longitudes de onda, sea infrarrojos, radio o rayos X, suele ser habitual utilizar líneas o códigos de colores. El motivo es que los seres humanos no manejamos bien grandes cantidades de información numérica, pero sí estamos capacitados para captarla eficientemente en forma visual.

Un ejemplo se encuentra en las películas de la serie Depredador, cuyo protagonista principal es un extraterrestre que visita nuestro planeta para cazar animales peligrosos, lo que significa humanos. Se guía por el calor corporal, ya que su capacidad de observar en luz visible es muy limitada. En diversas escenas puede apreciarse cómo el cazador "ve" a sus víctimas de forma similar a nuestros instrumentos de captación de infrarrojos. En la segunda película de la serie un equipo de fuerzas especiales es desplegado con la misión de capturarlo. Los soldados se enfundan en trajes aislantes del calor, lo que supuestamente los hará invisibles para la criatura. Un sistema de luz ultravioleta les permitirá ver sin ser vistos.

Pero el cazador alienígena tiene un excelente instinto para el peligro y no se fía de las apariencias. Consciente de sus limitaciones en el visible, activa un sistema que efectúa barridos a diversas longitudes de onda, traduciendo las observaciones a colores que puedan ser asimilados por un ojo alienígena. Finalmente, los humanos son descubiertos. Esa escena nos recuerda que el término "observar" va más allá del examen puramente visual de un fenómeno.

No puedo hablar del método científico sin aludir a una de mis películas favoritas por su contenido de ciencia: La Amenaza de Andrómeda (1970). Se trata de un film que transcurre casi en su totalidad en un laboratorio secreto gubernamental de alta tecnología diseñado para estudiar amenazas biológicas. Los investigadores han de pasar por diversos procesos de descontaminación, utilizan instrumental real como un microscopio electrónico y un sistema de evaluación clínica computerizado (toda una revolución en aquella época). El agente letal desconocido es sometido a pruebas de cultivo, análisis químicos y cristalográficos.

También hay pruebas epidemiológicas. Unas cobayas de laboratorio son expuestas al agente Andrómeda por medio de un sistema de filtros que permiten descartar un gas y centrarse en un agente biológico del tamaño de un virus. Toda la operación se lleva a cabo en una sala aislada y los investigadores utilizan un sistema de brazos robóticos que operan a distancia.

Los científicos piensan hipótesis, las ponen a prueba, las comprueban y ven sus resultados confirmados o refutados. Son especialistas en sus respectivos géneros y periódicamente se reúnen para intercambiar sus resultados y planificar el trabajo a seguir. En este sentido resulta mucho más realista que películas más recientes en las que el científico es un genio infalible que sabe sobre cualquier tema y que, por supuesto, siempre ve coronado su trabajo con el éxito bajo cualquier circunstancia. En resumen, La Amenaza de Andrómeda transmite una excelente impresión del trabajo de laboratorio, con sus éxitos pero también con sus fracasos.

Podemos ver otro buen ejemplo de trabajo científico en Volcano (1997). Nos encontramos en Los Ángeles, zona sísmica por excelencia. El director de la Oficina de Gestión de Emergencias, Ken Roach, está preocupado por una explosión de gas sucedida en el subsuelo del Parque McArthur. Como es de esos tipos que no pueden esperar al informe, el propio Roach se mete en los túneles. Lo que ve le hace salir corriendo en busca de información, y mientras ladra órdenes para cerrar el parque todavía tiene tiempo para pedir un científico, concretamente un geólogo.

El geólogo (en esta ocasión, geóloga) comienza sus investigaciones y avanza una primera conjetura: el peligro es lava. ¿Lava? ¿En el centro de Los Ángeles? Roach se muestra incrédulo, pero a pesar de ello admite la posibilidad e incluso pide antecedentes. La respuesta es contundente:

"Paracutin [Paricutín], 1943. Un granjero mejicano ve humo saliendo de su campo de maíz. Una semana más tarde había un volcán de 300 metros. No hay antecedente de nada hasta que pasa, luego sí."

El siguiente paso es una verificación sobre el terreno. La geóloga Amy Barnes se mete también bajo tierra, y su descubrimiento (obtenido a un alto precio) confirma su conjetura inicial. Un volcán en Los Ángeles es ahora una hipótesis creíble, que se convierte en certeza cuando explota en mitad de las fosas de La Brea. Los recursos de la ciudad se movilizan y, tras una noche infernal, logran contener la brecha de lava. Barnes no está satisfecha y plantea una nueva hipótesis: la fuerza destructiva de la lava se está canalizando hacia otra región de la ciudad gracias al sistema de túneles del metro. Nuevamente toca convencer al señor gestor de emergencias, y para eso echa mano de una contundente analogía:

"No tengo la certeza, pero cuando el Monte St. Helen explotó la fuerza fue 17.000 veces mayor que la de la bomba de Hiroshima. ¿Cree que ese conducto ha liberado ya toda su energía?"

La respuesta es no, así que la ciudad se enfrenta de nuevo a la furia de la lava. No le contaré el resto, pero puede imaginárselo: carreras, ideas locas, trabajo frenético. Al final de todo, el hombre de acción se reconoce deudor de la científica:

"Con usted al mando, hubiéramos sabido esto 24 horas antes. Ha salvado muchas vidas."

Como contraste, Un Pueblo Llamado Dante´s Peak (1997) es un ejemplo de procedimiento poco científico. El protagonista es un vulcanólogo que ve desastres por todos lados. Cuando llega a la localidad de Dante´s Peak efectúa algunas medidas y concluye que el cercano volcán está despertándose, así que convoca al ayuntamiento y pide una evacuación, a pesar de que él mismo reconoce que la predicción de erupciones no es una ciencia exacta. El jefe del vulcanólogo tiene que quitar hierro al asunto y le da au su subordinado un tirón de orejas:

"Sabes que hay decenas de razones que explicarían lo que pasó en esa fuente termal, desde un leve terremoto hasta un ligero cambio sísmico, y ni una sola de esas razones, ni una sola, significa que haya una erupción la próxima semana, o el próximo mes, o en los próximos cien años."

Y es que las impresiones personales no son buenas. Por muy seguro que uno crea estar, es preciso basarse en evidencias si no queremos convertirnos en adivinos. Por ello, el jefe de vulcanología tranquiliza a los habitantes del pueblo:

"... mediremos y controlaremos el más mínimo hipo que tenga la montaña... Créanme, no intento banalizar su preocupación, pero quiero que tengan muy claro que si algún día llega el momento de dar la alerta, estará basado en pruebas científicas, no en la opinión de ninguna persona."

Al final, el vulcanólogo consigue la prueba de que tiene razón ¿saben cómo lo descubre? Porque, varias semanas después, abre el grifo y nota que el agua tiene color marrón y olor a azufre. Se trata de la típica película del chico listo que sabe más que nadie y al que nadie hace caso, un estereotipo muy habitual en el cine.

¿EXISTE REALMENTE EL MÉTODO CIENTÍFICO?

La ausencia de un modo común de actuación para todas las disciplinas científicas hace pensar a algunos que el método científico realmente no existe. No creo que ese sea el caso (y tengo pendiente una buena discusión con un colega sobre el tema). Sí es cierto que la aplicación de una serie de pasos, un protocolo si lo desea usted, es algo que no existe de forma única, y que debe adaptarse a cada caso en particular. Eso es algo inevitable. Hay ciencias que no pueden realizar experimentos (sismología, astrofísica) o solamente pueden hacerlo de forma limitada. En ocasiones la observación y la experimentación preceden a la formulación de hipótesis; en otros casos la sigue, como por ejemplo cuando estamos verificando una teoría mediante nuevos datos experimentales. Piense usted en el método científico como en un peluquero: usa métodos comunes para todos los clientes, pero cada corte de pelo es distinto.

También tenemos un grave problema de taxonomía. Cuando comienza el proceso de intentar dar explicación a los fenómenos naturales se suele comenzar por hacer una conjetura, una especie de borrador con el que comenzar a trabajar y que suele conocerse con el nombre de hipótesis. Si ésta se confirma y se refuerza gracias a nuevos experimentos (o mejor, mediante su capacidad de predicción), pasa a recibir el nombre de teoría. Finalmente, una teoría bien establecida y que ha pasado la prueba del tiempo recibe el nombre de ley.

En la práctica, los términos hipótesis, teoría y ley se han utilizado de forma un tanto caprichosa. La Teoría de la Relatividad de Einstein ha sido comprobada tantas veces y de tan variadas formas que prácticamente no hay quien dude de su validez. Todos los artículos periodísticos titulados "la teoría de la Relatividad, en entredicho" son seguidos de modo invariable por una continuación que lleva el epígrafe "confirmado una vez más: Einstein tenía razón." A pesar de ello nadie aboga por llamarla Ley de la Relatividad. Sencillamente, no hace falta. Sabemos que funciona, y después de un siglo ya nos hemos acostumbrado a llamarla teoría, de modo que ¿para qué cambiar a estas alturas? También los científicos son dados a la nostalgia de vez en cuando.

En este y otros casos se suele entender el término "teoría" como conjunto de hipótesis probadas y bien establecidas, prácticamente como si fuese una ley. De modo alternativo, algunos consideran una teoría como una conjetura, algo que no se ha demostrado. Entre esos "algunos" se encuentran grupos negacionistas norteamericanos que rechazan la evolución de Darwin. Su argumento es algo así como "la evolución es sólo una teoría, es decir algo provisional y sin verificar, así que yo también tengo mi propia teoría y exijo respeto."  Esa "teoría" recibe en la actualidad el nombre de Diseño Inteligente (Intelligent Design) un término que tiene un doble sentido en inglés, ya que Design significa tanto diseño como designio. Otros grupos niegan el cambio climático por los mismos motivos.

Para ser sinceros, ni siquiera tenemos garantía de que una ley o teoría que se haya probado útil durante siglos sea correcta. La concepción de Newton sobre gravitación se mantuvo durante un cuarto de milenio hasta que fue desplazada por la relatividad de Einstein, que quizá algún día sea a su vez sustituida por algo que ahora no podemos ni imaginar. Hay un divertido guiño al respecto en la película Mi Novia es una Extraterrestre (1988). Kim Basinger interpreta a una bella alienígena que llega a la Tierra en busca de una explicación sobre una señal de radio que ha llegado a su planeta. Extrañada porque los primitivos humanos hayan conseguido tal hazaña, exclama "¿Cómo pueden haberse adelantado? ¡Si aún creen en la teoría de la Relatividad!"

EJEMPLO DE PELÍCULA: EL ORO DE MCCLANE

En ocasiones no podemos saberlo todo sobre nuestro sistema de estudio, bien porque éste sea demasiado complejo, bien porque los datos de partida tengan demasiada incertidumbre. Contrasta esto con la imagen habitual del hombre de ciencia en el cine, siempre exacto, siempre dispuesto a medirlo todo hasta el último decimal. Este concepto ha de ser borrado de la mente, ya que en ocasiones el científico no puede dar más que una respuesta aproximada, y eso no es malo.

Jungla de Cristal 3 (1995) nos ofrece un buen ejemplo. Se trata de la tercera película en la que John McClane se mete donde nadie le llama. En este caso, nuestro incansable policía captura uno de los camiones que transporta el botín de un grupo de ladrones de bancos. Simon, el jefe de la banda, está harto de tanta interferencia, así que toma la radio y tienta a McClane ofreciéndole la típica oferta que nadie podría rechazar: "John, en ese camión que usted conduce hay trece mil millones de dólares en lingotes de oro. Me pregunto si podríamos hacer un trato."

La verdad es que se trata de una oferta capaz de tentar al más honrado. Por supuesto, nuestro héroe no acepta y le dice a su interlocutor por dónde puede meterse el camión. Mientras nosotros decidimos qué hubiéramos hecho en su lugar, aprovecharemos para hacer un poco de cálculo. Se trata de conseguir la llamada solución de Fermi, una estimación aproximada a la solución real.

El problema a resolver es: ¿puede un camión como el que conduce John McClane transportar esa cantidad de oro? Para empezar, nos dan el valor del oro, no su masa. Para pasar de uno a otro necesitamos saber el precio de un kilogramo de oro, y el pobre agente McClane está demasiado ocupado persiguiendo a los malos para frenar y comprar el Wall Street Journal (recordemos que en 1995 no había aplicaciones para el móvil).

¿Está Simon intentando engañar a John McClane?

En su lugar puede intentar hacer un barrunto. Cien dólares por kilogramo, o incluso mil, le parecen poco. Aún recuerda que su alianza de boda le costó una pasta, y apenas pesaba unos gramos. Un millón de dólares parece algo exagerado. Digamos una cifra intermedia: 10.000 dólares por kilogramo. Con esa cifra, trece mil millones de dólares de oro tendrían una masa aproximada de 13.000.000.000/10.000 = 1,3 millones de kilogramos, esto es, mil trescientas toneladas.

¿Es eso verosímil? En absoluto. La carga máxima de un camión no puede superar las 40-50 toneladas. Eso significa que el malo está intentando engañarle. Cincuenta toneladas de oro representan mucho dinero, unos 500 millones de dólares según la estimación aproximada de McClane, pero dista mucho de los trece mil millones prometidos. Será mejor permanecer pobre pero honrado.

Incluso si se hubiese equivocado en el precio del oro, la estimación ofrece un valor aproximado dentro de un orden de magnitud; es decir, puede ser algo inferior o superior al valor real pero no diez veces superior o inferior. Si desea usted saber el precio del oro en 1995, el señor Google nos informa de que en aquellos tiempos rondaba los 12.000 dólares por kilogramo, bastante cercano al barrunto de McClane. En la actualidad el oro ha subido de precio hasta los 42.000 dólares por kilogramo, de modo que nuestros 13.000 millones de dólares en oro representan una masa de algo más de 300 toneladas. Sigue siendo demasiado para un solo camión. Lo siento, Simon, no hay trato.

Para finalizar, es muy importante recordar que la ciencia no es algo fijado y completo; que las teorías, por muy arraigadas y útiles que puedan parecer, están sujetas a revisión continua; y que no suele ser conveniente forzar una teoría para que ajuste a un hecho experimental. Como Sherlock Holmes dijo en su película homónima de 2009 a su ayudante el doctor Watson: "Es un error capital teorizar antes de tener datos. Inevitablemente uno tergiversa los hechos para demostrar las teorías en lugar de hacer lo contrario."

2 - CINEMÁTICA

- Nos besamos pero la Tierra no se movió; bueno, sólo los 616 kilómetros que se mueve en ese tiempo

(Leonard Hofstadter)

COMENZANDO POR EL PRINCIPIO

La naturaleza suele seguir el orden de causa y efecto. Pisamos el acelerador (causa) y el vehículo se mueve (efecto). Introducimos nuestra tarjeta con el PIN (causa) y el cajero automático nos da dinero en efectivo (efecto). Godzilla sale en la pantalla del televisor (causa) y disfrutamos de una buena película (efecto). Toda la Ciencia puede verse como un gran esfuerzo por relacionar causa y efecto.

Aquí no vamos a ser menos, por supuesto. La Mecánica, rama de la Física que trata sobre el movimiento de los cuerpos, suele dividirse en dos grandes bloques: Dinámica y Cinemática. La primera estudia las causas del movimiento, y la segunda se centra en el movimiento en sí. Históricamente se suele estudiar primero la Cinemática y luego la Dinámica, en ese orden, efecto y causa.

No parece una forma muy coherente de presentar las cosas. ¿Por qué se hace así? Quizá por el mismo motivo por el que a lo largo de la Historia se ha prestado atención a la Cinemática antes que a la Dinámica: la primera nos presenta acontecimientos directos observables y cuantificables, en tanto que la segunda se refiere a entidades que no son tan evidentes a simple vista. ¿Ha visto usted alguna fuerza? No, lo que ha visto son sus efectos. Podemos estudiar la caída de un cuerpo, medir su velocidad, determinar el tiempo precisado para cubrir una cierta distancia, y todo ello sin saber lo que es una fuerza. Las leyes de Kepler que describen el movimiento de los planetas fueron anteriores a la explicación dinámica proporcionada por Newton.

Cualquiera que sea la razón, vamos allá. Partiremos del supuesto que hay algo que produce los cambios en el movimiento de los cuerpos. Lo único que necesitamos tener en cuenta es que no debemos mencionar todavía la palabra "fuerza." Es como el malo de Harry Potter, un agente primordial que no debe ser nombrado y que dejaremos para un episodio posterior.

A su vez, y puesto que el mundo es complicado, comenzamos estudiando los sistemas más sencillos, aquellos que podemos considerar como objetos puntuales. Tal reduccionismo no es en absoluto un capricho sino que resulta necesario porque incluir todos los efectos cinemáticos en el primer momento resultaría demasiado complicado. Baste decir aquí que, al suponer objetos puntuales, descartamos todo tipo de movimientos internos debidos a rotación, vibración, deformaciones, etc. Tiempo habrá más adelante de estudiar todos esos fenómenos.

Habitualmente se suele comenzar haciendo la hipótesis adicional de que el movimiento está restringido a una sola dirección, es decir, estudiaremos la cinemática unidimensional. El motivo es poder introducir conceptos como velocidad o aceleración de forma sencilla, sin traer a colación su naturaleza vectorial. En lo que sigue, por tanto,  comenzaremos suponiendo movimientos rectilíneos llevados a cabo por objetos carentes de estructura interna y que se comportan como partículas puntuales.

VELOCIDAD

El cine abunda en ejemplos de cuerpos en movimiento. A fin de cuentas, el propio término cinematografía proviene del griego y significa imágenes en movimiento. La esencia del cine consiste en generar la ilusión del movimiento a partir de una sucesión de fotogramas. Existen multitud de ejemplos en los que puede examinar el movimiento de cuerpos y determinar tanto su posición como su velocidad, pero no proponemos aquí películas en concreto.

En su lugar, ilustraremos el concepto de velocidad relativa. Es fácil asumir el hecho de que la velocidad, en tanto que cambio en la posición del cuerpo, se mide con relación a algo: el suelo, el coche, el pasajero del tren. Eso significa que, al intentar determinar si un cuerpo se mueve, la pregunta que nos viene de inmediato a la mente es ¿se mueve respecto a qué?

Encontrar ejemplos de cuerpos en velocidad relativa en el cine es sencillo. Me permitiré sugerir aquí algunos ejemplos. El primero corresponde a la película Space Cowboys (2000), en la que un grupo de astronautas ha de capturar un satélite ruso y repararlo. En el momento de la captura podemos apreciar cómo el transbordador se acerca al satélite muy lentamente, casi como si ambos estuviesen inmóviles. Lo cierto es que tanto uno como otro orbitan alrededor de la Tierra a una velocidad de 7,6 kilómetros por segundo, pero la dificultad estriba en la velocidad relativa de ambos cuerpos solamente.

En este ejemplo el gigantesco satélite ruso no es, ciertamente, una partícula puntual, y en cuanto al transbordador espacial mejor ni hablar; pero como dije antes podemos considerarlos como tales ya que no efectúan movimientos de giro. Otra cuestión es cuando el satélite comienza a girar sobre sí mismo, lo que produce un movimiento que degenera en una colisión; pero eso no toca hoy.

Las películas sobre el espacio contienen muchos buenos ejemplos sobre movimientos relativos. Un caso clásico (en realidad, más de uno) es la llegada de la astronave a la estación espacial en la película 2001 Odisea en el Espacio (1968). Nuevamente dos objetos viajan por el espacio a gran velocidad, pero basta con acompasar sus movimientos para que la velocidad relativa sea pequeña y la nave pueda entrar en el hangar de la estación. En este caso se da la particularidad de que la estación no solamente se traslada a lo largo de su órbita sino que también gira. Eso permite extender el concepto de velocidad relativa para incluir el caso de la rotación.

Existen ejemplos similares en la secuela 2010 Odisea Dos (1984). En ella, la relación entre la nave norteamericana Discovery y la soviética Leonov constituye el eje central de la película. Ambas naves han de permanecer a cierta distancia, girando y moviéndose a igual velocidad, de tal forma que los astronautas pueden tender un sistema de cables para desplazarse de una a otra. La velocidad de traslación de ambas naves es irrelevante mientras se encuentren en situación de reposo relativo.

Una advertencia de tipo didáctico: aunque 2001 se considera como una obra maestra del cine de ciencia-ficción, la imaginería futurista creada por Stanley Kubrick en los años sesenta puede parecer hoy vieja y desfasada. Por mi parte, me limitaré a decir que 2001 Odisea en el Espacio muestra un mundo en el que la exploración espacial es un asunto de cooperación (a pesar de que se sugieren algunos roces entre las naciones), en tanto que 2010 Odisea Dos plantea una exploración basada en la competición y la desconfianza, un enfrentamiento de la Guerra Fría con los Estados Unidos y la Unión Soviética al borde de la guerra. En ese sentido la secuela ha envejecido mucho peor que la película original.

¿Nos movemos a un espacio más cercano en el tiempo y en el espacio? En tal caso le sugiero Gravity (2013). En esta obra maestra de Alfonso Cuarón un grupo de astronautas trabajan para reparar el telescopio espacial Hubble, que podemos ver casi inmóvil cerca de un transbordador espacial y de la propia Estación Espacial Internacional. Aunque el director se toma ciertas licencias con la mecánica orbital, su representación del trabajo en órbita baja constituye una de las más exactas jamás realizadas. Es una de las pocas películas donde el sonido en el espacio se trata de forma correcta. ¿Harto de explosiones ruidosas y de astronaves cuyos motores rugen por el espacio? Bienvenido al cine mudo espacial, donde nadie puede oír sus gritos.

En un ambiente más cercano, también podemos encontrar multitud de ejemplos de cine en los que la emoción derivada del concepto de velocidad relativa se muestra con claridad. Cada vez que un personaje de la película debe saltar de un medio de transporte a otro, ambos a alta velocidad, se nos encoge el corazón, por más que nuestro cerebro nos recuerde que el concepto importante, el de velocidad relativa, trabaja a favor del personaje.

En Air Force One (1997), por ejemplo, el presidente se ve obligado a abandonar su avión y trasladarse a otro en pleno vuelo. Otras películas bélicas del estilo de Top Gun (1986) nos permiten ver situaciones de reposo relativo, como cuando un avión está reabasteciéndose en vuelo de un nodriza, o cuando varios aviones propios patrullan en una formación que mantiene la misma velocidad relativa. De esa forma, Maverick puede acercar tanto su avión al caza soviético que puede hacerle una fotografía al piloto.

Esto también funciona en tierra. Entre otras franquicias, podemos explorar las de Mad Max, Fast & Furious (A Todo Gas) o Transporter para hallar multitud de ejemplos. En la película El Pacificador (1997), una remesa de armas nucleares procedentes de misiles soviéticos desmantelados es transportada bajo fuerte guardia armada en un tren. Un grupo de ladrones decide hacerse con tan jugoso arsenal, y para conseguirlo montan en un segundo tren. Ambos trenes circulan en mitad de la noche por vías paralelas y a idéntica velocidad, lo que permite a los asaltantes fijar una pasarela para pasar de un tren a otro con comodidad.

El concepto de velocidad relativa se ha llevado hasta extremos absurdos en el cine, fundamentalmente para buscar un resultado cómico. En la película Bola de Fuego (1941), un grupo de intelectuales que prepara una enciclopedia sufre un pequeño accidente de coche y se ven obligados a hacer un alto en el camino. Durante la cena, el conductor intenta disculparse ante el grupo: "puedo demostrar por las leyes de la Relatividad que no fui yo quien chocó con el poste, fue el poste el que chocó contra mí."

Ha acertado usted, lector, se trataba del experto en Física, quien no por casualidad tenía un cierto parecido con Albert Einstein, aunque el principio de relatividad que aduce no es el de Einstein sino el de Galileo. En cualquier caso sus compañeros de expedición no le van a la zaga, y uno de ellos le advierte de que, si intenta explicarse "por la misma ley su cabeza chocará contra esta botella." La chica pone paz en el grupo ("antes me gustaría tomar una copa") y aquí no ha pasado nada; relativamente hablando, claro.

Más recientemente, la serie animada Futurama subió el listón en lo relativo a la relatividad de los movimientos. La acción transcurre en el año 3.000, donde el profesor Farnsworth ha construido una nave espacial para su empresa de mensajería Planet Express. Fuera de que los motores funcionan con algo llamado materia oscura, nadie sabe el funcionamiento de la nave, ni siquiera el propio Farnsworth; hasta que en el episodio Un Clon Propio (2x10) uno de los tripulantes descubre el gran secreto:

"Los motores no mueven la nave espacial, la nave se queda quieta y los motores mueven el Universo a su alrededor"

ACELERACIÓN

La velocidad suele tratarse en primer lugar de forma promedio, como el cociente entre una distancia recorrida y el tiempo transcurrido, para posteriormente hacer un paso al límite y llegar al concepto de velocidad instantánea como función que nos indica la rapidez con la que cambia la posición. De forma similar, la velocidad puede variar con el tiempo, lo que nos conduce al concepto de aceleración, que comienza definiéndose de modo promedio para un intervalo de tiempo determinado.

La película Speed 2 (1997) permite no sólo introducir el concepto de aceleración media sino también efectuar cálculos numéricos. La acción transcurre en un crucero de placer. El malo de la película ha saboteado el sistema de dirección del barco y éste se dirige directamente hacia un apacible pueblo costero, pero los buenos han conseguido lanzar el ancla y la velocidad va disminuyendo lentamente. A lo largo de unos tres minutos un indicador digital del barco va mostrando valores de velocidad, lo que permite efectuar valoraciones sobre la aceleración media.

Los protagonistas de la película son lanzados contra las paredes del barco, algunos atraviesan una ventana, y en general se transmite la idea de que la deceleración tiene un valor brutalmente elevado. Con los números en la mano, la situación aparece de forma muy distinta. Para verlo, lo primero que hay que hacer es convertir los valores de velocidad, que se dan en nudos, al Sistema Internacional de unidades. A continuación se calcula la variación de velocidad Δv y se relaciona con el intervalo de tiempo entre ambas mediciones Δt. He aquí los resultados:

v(m/s) Δv(m/s) Δt(s) am(m/s²)

12,0   ----   ----   -----

10,0    2,0    65    0,044

 8,0    2,0    12    0,063

 4,0    4,0    57    0,070

 2,4    1,6    18    0,089

 0,0    2,4    16    0,150

Como puede verse las aceleraciones son bastante pequeñas. La aceleración media en todo el intervalo es de 0,07 m/s², un valor inferior al 1% de la aceleración gravitatoria en la superficie terrestre. Para dar una idea de su escaso valor, un coche que circulase por la autovía a 120 km/h y decelerase de esa forma tardaría casi ocho minutos en frenar.

Hay diversas películas con escenas en las que un objeto es arrojado hacia arriba y que nos permite cronometrar el tiempo de caída. Entre los ejemplos disponibles tenemos una escena de Inspector Gadget (1999) en la que el protagonista tiene que atrapar un perro en caída libre. En la película Seis Días y Siete Noches (1998), unos piratas intentan derribar un avión mediante un cañonazo. Felizmente para los protagonistas (que viajaban en el avión), el disparo falla. En el calor de la lucha, los piratas no se dan cuenta de que dispararon con el cañón en posición vertical, lo que asegura la destrucción de su propio barco. Justo castigo para los malos en una película de Disney (por cierto, ningún pirata sufrió daños durante la filmación de esa escena).

En ninguno de los dos casos concuerdan las cifras. El disparo de Seis Días y Siete Noche dura apenas ocho segundos entre subida y bajada. Eso se traduce en un proyectil que abandona el cañón con una velocidad inicial de 39 m/s y se eleva en el aire hasta una altura de 78 metros, números totalmente indignos para un cañón de piratas. En el caso Inspector Gadget, por el contrario, el perro pasa 28 segundos en el aire, lo que implica una altura máxima de casi un kilómetro. El problema es que cuando está a punto de caer a tierra tendrá una velocidad de 137 metros por segundo. Si el protagonista lo atrapa en una décima de segundo, la deceleración sufrida por el perro será igual a 140 veces la de la gravedad.

¿Podemos justificar estos números echando mano de la magia de Hollywood? En el caso de los piratas, solamente podemos recurrir a un mal juego de palabras y achacarlo a la pólvora mojada. Por fortuna para el Inspector Gadget, la caída libre del perro sucedía en el sueño del protagonista, y todos sabemos que en el mundo de los sueños las leyes físicas se doblan a nuestro antojo. En cualquier caso, esas escenas están mal hechas desde el punto de vista físico (y eso que no hemos supuesto rozamiento con el aire, que si no la cosa iría aún peor). Y es que nadie dijo que los ejemplos debían ser necesariamente buenos. Al contrario, la física que se nos muestra en Hollywood es, con escasas excepciones, penosa. Eso es algo a lo que hemos de acostumbrarnos seamos alumnos, profesores o meros espectadores.

Vamos a seguir en caída libre un poco más, y en esta ocasión escogeremos como ejemplo la película Hancock (2008) que nos presenta a un superhéroe de lo más atípico: es indisciplinado, va mal afeitado, bebe como un cosaco y sus modales dejan mucho que desear. Enfadado porque un niño le insulta, no se le ocurre mejor idea que lanzarlo hacia arriba. En ese momento ponemos el cronómetro en marcha y comprobamos que el chaval pasa veinticuatro segundos en el aire.

Ya tenemos otro ejemplo de caída libre. Tras definir el sistema de referencia, y descontando el efecto del rozamiento con el aire, podemos calcular la velocidad inicial de subida del chico: 117,6 metros por segundo (unos 432 km/h). La altura máxima alcanzada es ligeramente superior a los 700 metros. Por supuesto, Hancock no desea matar al chaval y lo coge en volandas cuando está a punto de estamparse contra el suelo. Un análisis de ese momento nos dice que el período de frenado es de apenas una décima de segundo, lo que arroja un valor para la deceleración de casi 1.200 m/s², es decir, ciento veinte veces la aceleración gravitatoria.

Estas deceleraciones bruscas serían las responsables de que la víctima pasase de ser salvada a convertirse en carne picada. Los chicos de The Big Bang Theory ironizaron con ello en el episodio La Hipótesis del Gran Cerebro (1x02). Deseosos de mostrarse como buenos vecinos, invitan a Penny a ver un maratón de películas de Superman. Sheldon Cooper, siempre dispuesto a ofrecer datos no solicitados, le dice que la escena en que el hombre de acero coge en volandas a Lois Lane provocaría la muerte de ésta, lo que le lleva a un enfrentamiento dialéctico con su compañero de piso Leonard:

"Sheldon: Lois Lane, en su caída, está acelerando a un ritmo de 9,8 metros por segundo. Superman vuela a salvarla, cogiéndola con sus brazos de acero. Lois Lane, que estaría cayendo a una velocidad aproximada de doscientos kilómetros por hora, al tocarlo se partiría en tres trozos al instante.

Leonard: A no ser que Superman desacelerara cuando está a punto de cogerla.

Sheldon: ¿En qué espacio, eh, en qué espacio? ¡Si está a medio metro del suelo! Francamente, si la quisiera de verdad la dejaría estrellarse, sería una muerte menos cruel."

Mientras dejamos a Leonard y Sheldon discutir sobre las células epiteliales de Superman, aprovechemos para corregir un pequeño error de ese episodio. Cuando Sheldon Cooper habla de una aceleración de "9,8 metros por segundo," lo que en realidad está dando es un valor de velocidad. La aceleración correcta es de 9,8 metros por segundo al cuadrado. Para descargo del brillante físico de Caltech, hemos de puntualizar que este es un error de traducción, puesto que la versión original habla de "32 pies por segundo cada segundo."

Ya que estamos en ello, y para que conste, la película de la que estamos hablando corresponde a la versión de 1978. Cuando el hombre de acero volvió para protagonizar Superman Returns (2006) dejó bien claro que es un superhéroe más respetuoso con las leyes de la Física, al menos las correspondientes a la deceleración, ya que logró frenar el movimiento de Lois Lane (a bordo de un avión) de forma suave.

Tanto Superman como Hancock ilustran un problema de los superhéroes en general: las variaciones en la velocidad que inducen a las personas que intentan salvar deberían producir la muerte de éstas. Es ya clásico el episodio del cómic de Spiderman en el que el Duende Verde tira a Gwen Stacy desde un puente. Nuestro trepamuros favorito lanza sus redes y consigue sujetarla por el tobillo, pero el resto de su cuerpo sigue moviéndose y el cuello de la pobre Gwen se parte con un snap claramente visible en el cómic. Spiderman lo reconoce y se lamenta de su intento: "está muerta, y Spiderman la mató."

En la película Spiderman (2002), el director Sam Raimi tuvo una oportunidad de salvar la vida de Gwen Stacy, y ciertamente lo hizo, pero en el proceso se cargó todas las leyes físicas que pudo. En su versión, el Duende Verde tiene sujeta a Stacy con una mano, un funicular lleno de niños en la otra, y en un momento dado suelta a los dos. El propósito es poner a Spiderman ante un dilema: ¿salvará a los niños o a su amada? Se supone que es una elección que mostrará su carácter ("somos quienes decidimos ser -afirma el Duende Verde- ¡decide!"), pero Spiderman toma una tercera elección: los salvará a todos.

El modo de hacerlo desafía todo sentido común. En lugar de reaccionar de inmediato se queda petrificado durante unos segundos, lo que pone tanto a Gwen como al funicular fuera de su alcance. Cuando finalmente toma su decisión, lo que hace es saltar al vacío, y sorprendentemente alcanza a la chica a pesar de que ésta debería estar al menos diez metros más abajo. A continuación Spiderman lanza un hilo de telaraña, se balancea como un péndulo y alcanza el funicular ¡que se encuentra por encima de él! Por supuesto, acaba salvándolos a todos, lo que deja el debate ético en el aire junto con las leyes de la Física.

MOVIMIENTOS EN 3-D

Este último ejemplo no corresponde técnicamente a la cinemática del movimiento unidimensional, ya que el trepamuros se mueve en al menos dos dimensiones. Si bien el ejemplo es válido cuando consideramos la componente vertical del movimiento, nos plantea la necesidad de ampliar horizontes. Bienvenidos a la cinemática en 3-D.

Una de las primeras diferencias apreciables respecto al caso unidimensional es la necesidad de emplear más de un parámetro para indicar la posición de un objeto. Esos parámetros, a su vez, dependerán del sistema de coordenadas utilizado. El habitual sistema cartesiano, donde la posición viene determinada mediante las coordenadas (x,y,z), resulta particularmente útil en el estudio cinemático de un cuerpo, ya que su evolución temporal es muy sencilla en muchos problemas de interés. Es preciso recalcar, no obstante, que no es el único sistema coordenado posible, y de hecho hay problemas muy difíciles de resolver en coordenadas cartesianas que resultan sencillos en otros sistemas.

Aparte de las típicas coordenadas x-y, la posición de un objeto en un plano puede representarse mediante una distancia y una dirección. Es el llamado sistema de coordenadas polares. La Batalla de Midway (1976) relata de forma realista y desde ambos bandos el conjunto de acciones aeronavales que, entre el 4 y el 7 de junio de 1942, marcaron un punto de inflexión en la guerra mundial en el Pacífico. En diversas escenas, los operadores de radar indican tanto la posición como la velocidad mediante coordenadas polares: "Dos portaaviones enemigos y un acorazado se dirigen a Midway, situación 320 grados, distancia 180 millas, rumbo 135 grados, velocidad 24 nudos." Con ese sencillo mensaje se nos indica en qué dirección se encuentra la flota enemiga, a qué distancia se encuentra, hacia dónde se dirige y con qué rapidez.

Por supuesto, en este como en otros casos los parámetros dados dependen del convenio escogido. En la terminología naval que hemos empleado el cero indica el norte y los ángulos aumentan en el sentido de las agujas del reloj, mientras que en otras aplicaciones se suele escoger la dirección cero grados en el sentido positivo del eje horizontal (dirección Este) y los ángulos aumentan en sentido antihorario. ¿Cuál es el mejor convenio? Se trata de una pregunta sin respuesta única puesto que tenemos entera libertad para escoger.

Por cierto, ¿alguna vez han oído a alguien hablar públicamente sobre dar un giro de 360 grados? Suele resultar muy divertido, puesto que la expresión habitual para indicar un cambio radical de rumbo es "dar un giro de 180 grados." Girar trescientos sesenta grados es dar una vuelta completa, por lo que realmente se trata de una afirmación de la propia ignorancia, algo que se oye incluso en algunos informativos de televisión.

Si lo desea, puede ver una parodia de esta expresión en la película El Último Gran Héroe (1993). Se trata de una especie de metapelícula, una parodia en la que los personajes del cine acaban saltando al mundo real. En una escena de la película (o mejor dicho, de la película dentro de la película), el esbirro se vuelve contra su jefe. Éste, sorprendido por su actuación, le reprocha "eres mi amigo y ahora giras 360 grados." El esbirro finalmente pierde la paciencia:

"Ciento ochenta, estúpido [censurado] chupador de espaguetis, ciento ochenta. Si girase trescientos sesenta daría la vuelta completa y acabaría justo donde empecé."

El capo, poderoso pero algo cortito en geometría, sigue confuso, y al final el esbirro le tranquiliza con un "confía en mí." No quiero destriparle el resto de la escena, pero pruebe a echarle imaginación.

En tres dimensiones, el número de posibles sistemas de coordenadas aumenta. Cuando damos la posición de un lugar en términos de latitud y longitud, estamos presuponiendo que el tercer parámetro de posición es conocido. En efecto, damos por sentado que el lugar a que nos referimos está sobre la superficie terrestre. De ser ese el caso podemos limitarnos a dar las coordenadas de longitud y latitud; pero si el punto en cuestión se encuentra a cierta altura sobre la superficie (pensemos en un avión), habremos de introducir un tercer parámetro, sea la distancia al centro de la Tierra o la altitud con respecto al nivel del mar.

De forma similar, la posición de un objeto en la bóveda celeste puede fijarse mediante dos coordenadas angulares llamadas ascensión recta y declinación, análogos respectivamente a la longitud y latitud; y de nuevo, podemos obviar la distancia del cuerpo a nosotros si lo único que queremos es indicar dónde hay que apuntar un telescopio. Es lo que hace el director de la escuela de primaria de Springfield, señor Seymour Skinner, en el episodio de Los Simpson titulado El Cometa de Bart (6x14). Skinner, astrónomo aficionado, rastrea un rincón tras otro del cielo en busca de un cometa mientras su ayudante forzoso Bart va apuntando las coordenadas. Desafortunadamente, la traducción en español de España es defectuosa, y los términos de ascensión recta y declinación se convierten en ascensión derecha e inclinación, respectivamente.

Sea cual sea el sistema de coordenadas empleado, los conceptos tradicionales de desplazamiento y velocidad varían respecto al sistema unidimensional. Ahora la distancia entre las posiciones inicial y final en un intervalo no tienen por qué coincidir con el recorrido total efectuado, y un cuerpo que no haya dejado de moverse puede tener velocidad media nula.

Vin Diesel, actor protagonista de multitud de películas de carreras automovilísticas, nos brinda un ejemplo en xXx (2002). En una escena de persecución, su vehículo ruge por una carretera mientras intenta alcanzar una lancha fluvial. La chica que hace de copiloto muestra la situación en un mapa GPS. La carretera no es recta, y eso hace que el módulo de la velocidad media (entendida como diferencia de posición por unidad de tiempo) no se corresponda con la celeridad media (distancia recorrida por unidad de tiempo). El hecho de que la carretera zigzaguee de forma más pronunciada que el río obliga a Vin Diesel a desplazarse a una velocidad (celeridad más bien) superior a la de la lancha.

El concepto de velocidad está íntimamente ligado al de desplazamiento. Habitualmente ambos conceptos aparecen en orden inverso, es decir, primero se representa la posición del cuerpo y posteriormente se define la velocidad para indicar la rapidez con que varía dicha posición. Expresado así, parece como si el flujo natural de los conceptos fuese desde la posición hacia la velocidad. No siempre sucede así, y resulta que podemos hacerlo al revés: sabida la velocidad instantánea (o como mínimo, la velocidad media en un intervalo temporal pequeño) puede determinarse la posición.

Esa es la base de la navegación a ciegas. En La Caza del Octubre Rojo (1990), un gigantesco submarino navega por el Atlántico Norte mediante ese procedimiento. Durante un intervalo predeterminados de tiempo Δt el buque debe llevar una velocidad concreta v, lo que produce un desplazamiento ΔL=v∙Δt. Transcurrido dicho intervalo, el submarino cambia de rumbo y velocidad (es decir, modifica tanto la dirección como el módulo de su vector velocidad) y recorre así otro tramo de su viaje. De ese modo consigue atravesar un peligroso sector del océano sin emitir una sola señal, obligando a un posible perseguidor a reveler su propia posición mediante el sonar si no quiere sufrir un accidente.

Por supuesto, eso es posible si el capitán del submarino ha recibido instrucciones detalladas sobre cuándo y cómo debe realizar los cambios de rumbo y velocidad, lo que a su vez dependerá de una medición previa efectuada con precisión. Eso es lo que expresa uno de los oficiales mientras intenta calmar a un intranquilo marinero: "Vamos, no temas, Yuri. Dame un cronómetro y un mapa, y volaré sobre los Alpes en un avión sin visibilidad." A lo que éste replica "siempre que el mapa sea exacto."

Las palabras claves en este juego del ratón y el gato son "intervalos predeterminados." Si por algún motivo el capitán decide variar (el módulo de) la velocidad, el intervalo de tiempo debe ser corregido. Efectivamente, el intrépido capitán Ramius decide en un momento dado incrementar la velocidad del submarino, lo que obliga a recalcular el tiempo necesario antes de cambiar de rumbo. Uno de los oficiales, inquieto, no deja de expresar su malestar por la maniobra:

"Demasiado rápido, Vasili, demasiado rápido. Las cartas son enormemente precisas, tantos nudos en tal y tal rumbo durante tantos segundos, y luego no las saben utilizar."

El oficial superior resuelve la cuestión con eficacia soviética "cuidado con lo que dices, Slavin." Finalmente la pericia del capitán y los nervios de acero de los oficiales consiguen resolver la situación, y el Octubre Rojo se pierde en la inmensidad del Atlántico Norte dejando a sus perseguidores con un palmo de narices.

El estudio del movimiento en tres dimensiones se simplifica en muchos casos cuando utilizamos el sistema de coordenadas cartesianas, puesto que permite dividir el problema en tres subproblemas, uno para cada eje coordenado. Un movimiento vertical hacia abajo debido a la atracción gravitatoria es lo que suele llamarse caída libre; si además tenemos un movimiento uniforme en un eje horizontal, tenemos un tiro parabólico.

Implícito en este esquema de resolución está el hecho de que todos los movimientos suceden simultáneamente. Es decir, un coche que cae por un precipicio no se mueve horizontalmente, se para y luego cae verticalmente hacia abajo. Este efecto lo hemos visto mucho en los dibujos animados del coyote y el correcaminos. En más de una ocasión, el coyote cae por un barranco de forma secuencial: primero se mueve horizontalmente, luego se para, comienza a tantear el suelo con los pies, y solamente cuando se da cuenta de que está en el aire es cuando comienza a caer verticalmente.

La caída estilo coyote es algo que da mucha risa en los dibujos animados, sobre todo cuando eres un niño, pero sólo recientemente he visto un ejemplo "real" en una película para adultos. En la película Thor, El Mundo Oscuro (2013), los asgardianos despiden a uno de sus caídos (llamémosle X para no destripar el argumento). En la mejor tradición vikinga, el barco que lleva el cuerpo de X se dirige a una gran catarata, y por un momento parece que va a caer. ¡Pero no! Durante unos segundos el barco, envuelto en un resplandor de luces blancas, sigue su movimiento horizontal, y sólo después cae verticalmente. No sé si la escena pretende sugerir que el alma de X mantenía el barco flotando o si los guionistas decidieron meter una escena con física del coyote por echarse unas risas, pero en cualquier caso debo reconocer que han estado originales. Físicamente incorrectos, pero originales.

El hecho de que no haya un sistema de referencia universal y absoluto permite cierta arbitrariedad a la hora de escogerlo. Esto plantea problemas conceptuales. Fijémonos en el ejemplo de un avión que suelta sus bombas. Si despreciamos rozamientos, un observador que se encuentre en el propio avión, o en un avión acompañante, verá cómo las bombas harán una caída libre en un movimiento rectilíneo hacia abajo. Un observador en tierra advertirá que las bombas siguen una trayectoria parabólica, consecuencia del movimiento rectilíneo uniforme en un eje horizontal combinado con un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado en el eje vertical.

Para muchas personas, sin embargo, la bomba sólo puede caer directamente hacia abajo en un movimiento rectilíneo respecto al suelo. Creen que la velocidad horizontal que le comunica el avión desaparece cuando la bomba abandona la bodega de carga. Esto se debe a la experiencia previa. ¿Cuándo ha visto usted un avión lanzando bombas? Por lo general en la televisión, o bien en algún videojuego. La escena que tiene en mente es la que ha grabado el avión bombardero, o bien el acompañante, y ahí se ven las bombas cayendo directamente hacia abajo (bueno, también hacia atrás debido al rozamiento con el aire, pero no estudiaremos ese efecto aquí).

Durante las décadas de los sesenta y setenta se rodaron superproducciones de guerra, con aviones y tanques reales. Las escenas de bombardeo resultan útiles para mostrar que el movimiento que la bomba efectúa es de tipo parabólico. Como ejemplo, la película La Batalla de Midway (1976) mencionada anteriormente dispone de varias escenas de bombardeo. Este ejemplo de película tiene dos desventajas. La primera es que dichas escenas son muy breves; la segunda es que, para los alumnos actuales, los años setenta están tan lejos como la batalla de las Termópilas, lo que reduce el impacto didáctico de esas películas.

¿No tenemos ejemplos más modernos? Por desgracia, sí. Y digo "por desgracia" porque en la actualidad cada vez más películas se realizan con efectos especiales diseñados por ordenador, y no siempre esos efectos son físicamente correctos. Los aviones de La Batalla de Midway pueden ser viejos pero sus ataques se filmaron en un entorno real; por contra, las imágenes generadas por ordenador son sólo tan fiables como sus programadores.

Como quizá haya adivinado, tengo un ejemplo en mente. Se trata de la película Pearl Harbor (2001). Justo al comienzo del ataque, un avión japonés se sitúa sobre un acorazado norteamericano. En el momento en que éste se encuentra en el centro de la mira, el piloto acciona una palanca y lanza una bomba. Durante los nueve segundos que dura la caída, la bomba ha recorrido una distancia vertical de unos 400 metros, y una distancia horizontal de aproximadamente un kilómetro, pero casi parece que la bomba esté cayendo directamente hacia abajo.

EJEMPLO DE PELÍCULA: EL SALTO IMPOSIBLE DE SPEED

El bombardeo del USS Arizona en Pearl Harbor (2001) es un mal ejemplo de un movimiento parabólico, pero resulta fácil pasarlo por alto dado que la escena dura tan sólo unos segundos. Por fortuna, los profesores de Física contamos con un ejemplo mucho más claro y que nos permite realizar cálculos en clase: Speed (1994). La trama central transcurre en un autobús de transporte público, donde el malo de turno ha colocado una bomba y amenaza con detonarla si no recibe el consabido rescate. Para darle más emoción al asunto, y de paso para dificultad la labor de los artificieros, la bomba explotará si la velocidad del autobús disminuye por debajo de un valor umbral. La policía abre paso al autobús, pero en un momento dado éste se encuentra en un paso elevado en construcción y se dirige directamente hacia una brecha de quince metros de longitud.

Cualquier estudiante que haya atendido en clase sabrá que el autobús comenzará a  caer desde el momento en que salte al vacío; pues parece que en la película suponen que, si el autobús viaja lo bastante rápido, la caída hacia abajo no se producirá. En realidad, siempre habrá caída. Lo que hay que averiguar es cómo de profunda será. ¿Caerá tan sólo unos milímetros y será absorbida por las ruedas, o caerá varios metros y llevará a los pasajeros a la muerte? Caballeros, señoras, ¡calculemos!

La escena del salto en Speed, además de producir tensión y suspense, nos viene bien porque nos proporciona muchos datos numéricos. En primer lugar, tenemos los quince metros de longitud que el autobús debe saltar. En segundo lugar, sabemos la velocidad del vehículo, claramente indicada en una escena como 65 millas por hora. Es el momento de recordar que, para tener éxito en nuestro proceso de cálculo, debemos convertir todas las cantidades al Sistema Internacional. Sesenta y cinco millas por hora equivalen a 65*1,6 = 104 kilómetros por hora, o lo que es lo mismo, 104/3,6 = 29 metros por segundo (redondeando un poco).

Hemos de suponer que el autobús tiene forma puntual y se encuentra en el vacío (una primera aproximación). En esas condiciones estará en el aire durante 15/29 = 0,52 segundos. Parece poco tiempo, y en realidad la película muestra un intervalo de tiempo varias veces superior. Esto ya es una primera indicación de que hay gato encerrado, aunque los amantes del cine podrían argumentar que se trata de una escena a cámara lenta para dar más dramatismo a la escena. De acuerdo, lo aceptamos.

A lo que no podemos prestarnos es a cambiar el valor de la aceleración gravitatoria. El autobús recorrerá en vertical una distancia igual a 0,5∙g∙t², de forma que un intervalo de vuelo de t=0,52 segundos se traduce en una caída vertical de aproximadamente 1,3 metros. El autobús se estrellaría contra el extremo en construcción del paso elevado. Todo el mundo muere y el malo se queda sin el botín del rescate.

Esta, por supuesto, es una aproximación simplificada muy básica. En un caso real, deberíamos tener en cuenta diversos factores como el hecho de que el centro de masas está situado hacia la parte de atrás del autobús, que éste descansa sobre dos ejes de ruedas, que hay rozamiento con el aire... todo ello complicaría el movimiento real del autobús. Pero a pesar de ello, nuestra aproximación nos indica que el autobús tenderá a caer una distancia peligrosa.

¿Qué se observa en el film?  Al principio del salto se observa claramente que el autobús, lejos de caer, ¡salta hacia arriba! La parte delantera del autobús se eleva un par de metros sin motivo aparente, en tanto que la trasera permanece prácticamente pegada al asfalto; finalizado el salto, las ruedas traseras hacen contacto con el suelo de la carretera, luego las ruedas delanteras, y el autobús sigue su camino como si nada.

Cuando yo les explico a mis alumnos el caso del movimiento parabólico y luego les muestro esa escena, la primera reacción es una carcajada general. Todos tienen claro que alguien ha hecho trampa. El truco de cine es claro: alguien ha puesto una rampa oculta. Es el momento de comprobar si eso es posible; y bastan algunos cálculos sencillos para demostrar que, en efecto, un salto seguro sería posible si se utilizase una rampa con una inclinación de 5 grados con la horizontal. De ese modo el autobús dispondría de una componente vertical y hacia arriba de la velocidad suficiente para saltar la brecha de quince metros a pesar del efecto de la gravedad que tira hacia abajo.

La escena del salto de Speed es ya mítica, y representa un ejemplo perfecto de cómo Hollywood evita por todos los medios que la verdad se interponga en el desarrollo de una historia. El programa Cazadores de Mitos se ocupó del asunto en su episodio Desarmado e Ileso (7x21) de diciembre de 2009. Primero construyeron un modelo a escala 1:12 del autobús y la rampa. El resultado fue catastrófico: ¡la caída superó la altura del propio vehículo! En un autobús real la caída hubiera superado los diez metros, un orden de magnitud superior a nuestros cálculos simplificados. Un segundo intento, con un salto la mitad de largo, hubiera matado a la conductora estampando su cabeza contra el borde del paso elevado.

Llega el momento de la gran prueba. Los cazadores de mitos no tenían un paso elevado con una brecha de quince metros a mano, así que se limitaron a construir una rampa de unos 7 grados de inclinación y comprobar si un autobús real podría saltarla para conseguir un efecto similar al de la película. Ni cortos ni perezosos, modificaron un autobús para conducirlo mediante control remoto y lo lanzaron contra una rampa a una velocidad de casi cien kilómetros por hora.

¿Qué sucedió? En el momento que las ruedas delanteras dejaron de tocar la rampa, el autobús comenzó a caer y recorrió una distancia que ni por asomo se acercó a los quince metros. Mito cazado en su totalidad manifiesta.

El propio director de Speed Jan de Bont reconoció que el salto no pudo haber sucedido así en la vida real. Durante la filmación se construyó una pista de aceleración que permitió al autobús alcanzar los 98 kilómetros por hora. Un sistema hidráulico simuló el efecto de una rampa y permitió que el vehículo recorriese en vuelo una distancia horizontal de 33 metros, más del doble de lo que indicaba el argumento de la película. Incluso en ese caso los cálculos salieron mal, y las ruedas delanteras se elevaron casi siete metros; el impacto contra el suelo destrozó la parte frontal del autobús.

Lo más irónico del caso es que tenemos un ejemplo cinematográfico, mucho más antiguo, de un salto similar correctamente hecho. En la película Un Trabajo en Italia (1969), una banda de ladrones escapa en varios vehículos Mini. Parte de la persecución se lleva a cabo en la azotea de un conjunto de edificios. Cuando los perseguidos llegan al extremo de uno de ellos, saltan al edificio de enfrente. Al igual que en Speed hay una brecha que deben cruzar, pero en este caso se observa perfectamente que los techos planos de ambos edificios terminan en una rampa, gracias a la cual pueden saltar de un lado a otro sin problema. El policía perseguidor no se atreve a intentarlo y frena. Los ladrones han escapado sin problemas respetando las leyes de la cinemática.

3 - DINÁMICA

- No tenemos ni una carretilla, ni un elevador, ni fuerza en los brazos ni en el torso.

- No hace falta fuerza, somos físicos

(Sheldon Cooper y Leonard Hofstadter)

PRIMERA LEY: ACEPTA TÉRMINOS Y CONDICIONES

Hasta este punto todo lo que hemos ha aprendido sobre el movimiento del punto  material es el cómo. Ha llegado el momento de ver el porqué. El resultado de esa explicación recibe el nombre de Dinámica, y se basa en las conocidas tres Leyes de Newton. Me va a permitir que las describa con mayúscula inicial porque son muy importantes. Como las famosas Tres Leyes para la Robótica, imaginadas por Isaac Asimov, las Tres Leyes de Newton nos dicen lo que un cuerpo puede o no puede hacer.

La Primera Ley (de Newton, no de la Robótica) nos dice que, en ausencia de influencias externas, un cuerpo permanece en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme. Es una ley que suele pasarse por alto porque suena como poco más que una formalidad, un requisito en letra pequeña que hay que aceptar sin pensar mucho, como los términos y condiciones de los programas de ordenador o las redes sociales. ¿Alguna vez se los ha leído antes de pulsar en el botón de Aceptar? Vale, yo tampoco.

Una mala exposición podría dar lugar a pensar que es innecesaria, y le daré dos motivos. En primer lugar, parece caer por su peso de tan obvia que es, pero las apariencias engañan. Sin ánimo de imitar a Sheldon Cooper con sus cálidas tardes de verano en la antigua Grecia, resulta que Aristóteles creía que el estado natural de un cuerpo es el de reposo, y que por tanto había que empujar un cuerpo para que se moviese. Dondequiera que miremos hay cuerpos que acaban parándose a menos que intervengamos para mantenerlos en movimiento, y a día de hoy mucha gente se maravilla de que una sonda espacial salga del Sistema Solar y no se detenga; así que de obvio, nada.

En segundo lugar, cuando lleguemos a la Segunda Ley de Newton, ya saben, eso de "fuerza igual a masa por aceleración," parecerá que no hay más que hacer nula la fuerza para concluir que en ese caso la aceleración es cero, y por tanto la velocidad es constante. Pero eso es lo mismo que nos dice la Primera Ley de Newton. ¿Es que la Primera Ley se limita a ser un caso particular de la Segunda? No debería serlo, o de otro modo, ¡no hablaríamos de tres leyes!

Sucede en ocasiones que un objeto parece violar la Primera Ley. Por ejemplo, un viajero en un avión que está despegando siente que algo lo empuja hacia el asiento con fuerza, pero en realidad no hay ningún "algo." Lo que está experimentando se debe al hecho de que el sistema de referencia (el avión) está acelerado. La Primera Ley nos dice, sencillamente, qué condición debe cumplir el sistema de referencia para que las demás leyes de la Dinámica sean válidas. Es un requisito previo que hemos de aceptar, y cuando no se cumple aparecen términos de aceleración no inercial.

Si nos vamos al cine veremos todo tipo de ejemplos de objetos que permanecen en reposo, y eso, la verdad, no resulta para nada estimulante. La experiencia cotidiana ya nos dice que van a permanecer quietos. Resulta más espectacular observar situaciones en las que se actúa sobre un objeto mientras un segundo objeto cercano permanece inalterado. Un ejemplo típico es el del camarero que tira del mantel. Si lo hace con suficiente rapidez, los platos y vasos que hay por encima no se caen y se limitan a quedarse donde estaban.

Podemos ver un ejemplo en Cazafantasmas (1984). Los chicos del mono gris se enzarzan en una lucha por atrapar su primer fantasma en un salón de un hotel. En un momento dado necesitan hacer sitio para colocar su trampa antifantasmas, y para ello necesitan apartar las mesas. El doctor Venkman se acerca a una de las mesas, primorosamente decorada, la mira e interrumpe a sus compañeros para satisfacer un anhelo. "Siempre he querido hacer esto," dice mientras retira el mantel de un tirón. ¿El resultado? "¡Las flores no se han caído!" Estrictamente hablando el experimento no ha sido totalmente exitoso ya que algunos vasos se han volcado; pero podemos ver claramente cómo el mantel ha dejado en pie algunos de los elementos puestos en la mesa.

Un camarero cavernícola intentó el mismo truco muchos años antes. Estamos en Piedradura, escenario de la película de Los Picapiedra (1994) que, según los títulos de crédito, fue dirigida por un tal Steven Spielrock. Pedro Picapiedra es ascendido a vicepresidente y para celebrarlo invita a su esposa a cenar al local más chic de la ciudad sin saber que su amigo Pablo Mármol, caído en desgracia, trabaja allí de camarero. Cuando Pedro derrama una copa, Pablo es el encargado de colocar un nuevo mantel. El procedimiento es sencillo: dar un tirón al mantel sucio. Parece ser más hábil que el doctor Venkman porque ninguno de los platos de fino hueso se mueven lo más mínimo.

Por complitud, diré que hay un ejemplo más reciente en la película Operación U.N.C.L.E. (2015), aunque muy breve y en una mesa pequeña, así que no lo recomiendo como ejemplo en clase. Además, no me gustó la película. Hala, ya lo he dicho.

SEGUNDA LEY: SIENTE EL PODER DE LA FUERZA

El concepto de fuerza aparece en la historia de la Física para explicar la causa del movimiento, y habitualmente suele definirse como todo agente causante de un cambio en la velocidad de un cuerpo. Eso sí, hay que puntualizar y añadir la coletilla "o capaz de producir una deformación." Puede que se le olvide a usted, lector, habituado a dar por supuesto que la aplicación de una fuerza producirá inevitablemente una aceleración, pero hay que recordar que, a menos que el objeto a mover sea un sólido rígido o carezca de estructura interna, se producirá algún tipo de deformación.

En diversas películas de acción puede observarse la acción deformadora de una fuerza, particularmente cuando alguien está sufriendo una serie de puñetazos. Hay algunas escenas de películas de boxeadores apropiadas para ilustrar este punto. No son mi tipo favorito de películas, pero si a usted le apetece una sesión de mamporros de boxeo (con fines didácticos, por supuesto) ahí tiene la saga de Rocky Balboa.

Podemos encontrar un ejemplo algo más aséptico en Matrix Revolutions (2003). En un mundo digital que cobra realidad en la memoria de un ordenador, el elegido Neo y el agente Smith comienzan el enfrentamiento final. Al inicio de la pelea, Neo lanza su puño contra el agente Smith, lo que nos permite ver cómo la cara del malvado se deforma a cámara lenta. Se trata de una escena hecha por ordenador pero muy realista.

En general esperamos que una fuerza, cuando no realice una deformación, sea la causante de un cambio de velocidad, y eso se manifestará de forma distinta según nos encontremos en el vacío o no. El cine tiende a romper con la realidad cuando considera que los viajes en naves espaciales son similares a los de barcos o aviones en la Tierra, y aquí hallamos diversos ejemplos de mala física. En Armageddon (1998) un grupo de astronautas debe llegar a un asteroide para volarlo con una carga nuclear antes de que se estrelle contra nuestro planeta. En diversas escenas se muestra cómo las naves, con los motores principales rugiendo a plena potencia, se ladean y giran a estribor para cambiar de dirección, justo como lo haría un caza atmosférico.

El error es doble. En primer lugar, los cazas necesitan mantener sus motores en funcionamiento continuo para vencer el efecto del rozamiento con el aire, cosa que no sucede en el espacio. En segundo lugar, un caza se ladea y gira gracias a las superficies móviles que tiene en sus alas y timones de cola; en el espacio, carente de aire, la única forma que tiene una nave de girar es usando un motor que expulse gases en otra dirección.

No cabe duda de que el director Michael Bay pretendía dar un efecto épico estilo Top Gun al vuelo de los transbordadores, y aquí la Física ha de apartarse en aras de la espectacularidad cinematográfica. En su descargo diremos que, aunque es un gran pecador, no es ni mucho menos el peor. El cine de ciencia ficción está plagado de ejemplos similares. Voy a escoger algunos ejemplos procedentes de la saga de películas La Guerra de las Galaxias (sí, ya sé que se conocen ahora como Star Wars, pero qué quiere que le diga, soy un clásico para según que cosas):

- La Amenaza Fantasma (1999). El joven Anakin Skywalker toma prestado un nave espacial y los malos, claro, le persiguen. Para librarse de ellos efectúa un conjunto de piruetas y giros mientras vuela muy cerca de una gran estación orbital, aprovechando los huecos y recovecos de ésta de forma similar a como el piloto de un bombardero usaría el terreno para volar a ras de suelo. Incluso se dice a sí mismo "haré unos trompos, es un buen truco." Lo cierto es que tal vez lo fuese en la atmósfera de Naboo, no en su órbita baja.

- El Ataque de los Clones (2002). El cazarrecompensas Jango Fett, perseguido por el jedi Obi-Wan Kenobi, aprovecha un campo de asteroides para tender una emboscada. En realidad es un grueso anillo planetario similar al de Saturno, formado por innumerables rocas de todo tipo, pero si Jango dice que es un campo de asteroides yo no pienso contradecirle. El jedi se convierte en perseguido y ha de sortear los asteroides para no chocar. El problema es que, nuevamente, se vale tan sólo de sus propulsores principales y no parece tener motores laterales para variar su rumbo. El cazarrecompensas actúa de forma similar: cuando decide rematar al jedi, lanza un torpedo que tiene que ir evolucionando arriba y abajo, a izquierda y derecha, como un misil lanzado a un caza atmosférico.

- La Venganza de los Sith (2002). La escena introductoria es todo un ejemplo de Top Gun en el espacio. Las pequeñas naves de los protagonistas, inmersas en una batalla en la órbita baja del planeta Coruscant, han de sortear todo tipo de obstáculos: naves enemigas grandes y pequeñas, disparos láser, restos de naves destruidas, explosiones. Hay que reconocer que la escena es espectacular, pero no precisamente por su buena física.

Y eso tan sólo para la nueva trilogía. La original, por supuesto, también está plagada de ejemplos de este tipo, desde la huída de Luke y Obi-Wan a bordo del Halcón Milenario, pasando por la escena de la trinchera en la primera Estrella de la Muerte, hasta la gran batalla espacial alrededor de la luna de Endor. Como consuelo nos queda recordar que la última película de la saga, El Despertar de la Fuerza (2015), se lo curra un poco mejor: la mayoría de las escenas de naves haciendo piruetas tiene lugar en la atmósfera, no en el espacio.

Vistos los ejemplos anteriores, no es de extrañar que la parodia oficial de la Guerra de las Galaxias también exagere en lo relativo a mala física. Me refiero, claro está, al clásico de Mel Brooks Spaceballs, la Loca Historia de las Galaxias (1987). A lo largo de toda la película los motores de las naves hacen ruido en el vacío del espacio y se mantienen en continuo funcionamiento tan sólo para permanecer a velocidad constante, los rayos láser suenan como descargas de artillería y los radares son interferidos con mermelada (un juego de palabras en inglés). El Halcón Milenario ha sido sustituido por un autocaravana con alas y motores a reacción, y realmente parece funcionar como un vehículo terrestre. Literalmente: cuando el héroe ha de volver grupas a toda velocidad, su nave cambia de dirección igual que un coche en una carretera. ¡Incluso se oye un chirrido de ruedas patinando!

TERCERA LEY: EMPUJA QUE YO TE EMPUJO

Las inexactitudes física en la saga Guerra de las Galaxias se extienden hasta el mismo concepto central. Me refiero, claro está, a la Fuerza. El propio Obi-Wan describe ese fenómeno al joven Luke en la primera película de la saga:

"La Fuerza es lo que le da al jedi su poder. Es un campo de energía creado por todas las cosas vivientes. Nos rodea, penetra en nosotros y mantiene unida la galaxia."

Con esa descripción, la Fuerza parece una especie de gravitación para seres vivos. Ahora bien, como buenos físicos sabemos que no puede existir una Fuerza a solas. La Tercera Ley de Newton establece que cualquier objeto que ejerza una fuerza sobre otro es, a su vez, sometido a una fuerza opuesta por parte de ese otro. En el Universo que conocemos las fuerzas vienen a pares, cosa que extrañamente no pasa con la Fuerza de los jedi. Continuamente vemos cómo se invoca esa Fuerza para mover objetos, pero sin que el jedi (o sith) que la utiliza sufra una fuerza de reacción.

Por ejemplo, en La Venganza de los Sith (2002) Yoda lucha contra el malvado maestro oscuro. Durante una lucha sin cuartel se lanzan todo tipo de objetos de gran tamaño sin sentir una fuerza igual y de sentido opuesto. Parece que el concepto de la Fuerza en esta saga consiste en que solamente pueden actuar de una en una. Algo similar sucede en La Amenaza Fantasma (1999), en esta ocasión entre el jedi Obi-Wan y su oponente el guerrero sith. En un momento dado éste invoca la Fuerza para lanzar a Obi-Wan al borde de un foso. Si la Tercera Ley de Newton rigiese en ese Universo, Darth Maul saldría disparado hacia atrás. Pero no lo hace.

Este cliché de mala física que podemos describir como "lanzo a alguien en una dirección pero yo no me muevo en absoluto" es norma habitual en las películas de superhéroes. La idea es transmitir al espectador la idea de que, si A no se mueve ni un milímetro mientras lanza a B por los aires, se debe a que A es mucho más poderoso, es decir, más fuerte que B. Esta es una violación directa de la Tercera Ley de Newton. Cuando Hulk pone en órbita de un puñetazo a Thor en Los Vengadores (2012) no es porque sea más fuerte, sino más masivo.

Existen ejemplos similares en la trilogía de películas de Matrix. La primera de ellas, Matrix (1999), nos presenta una de las escenas más conocidas de esta saga. La heroína Trinity salta y permanece inmóvil en el aire mientras la cámara gira a su alrededor; a continuación lanza su pie hacia adelante y alcanza a un policía, quien sale disparado hacia atrás mientras Trinity sigue quieta, sin moverse ni un centímetro. La escena se hizo tan popular que se repitió de forma casi idéntica en Matrix Revolutions (2003) y se convirtió en una de las señas de identidad de la trilogía.

El hecho de que la Tercera Ley de Newton también se conozca con el nombre de "ley de acción y reacción" queda patente en una escena de la película Iron Man (2008). Tony Stark está trabajando en su nuevo traje. Su secretaria baja al taller y le pregunta por el nuevo aparato que está perfeccionando, un pequeño motor impulsor que se incrusta en un guante. Tony le tranquiliza: "es un estabilizador de vuelo totalmente inofensivo." Alza el brazo, dispara el motor... y el retroceso lo envía al fondo de la habitación. "No me lo esperaba," dice Stark en tono de disculpa. Pues deberías saberlo, supuesto genio de la ingeniería

Los cohetes de cine también proporcionan buenos ejemplo de la ley de acción y reacción. Para no tener que depender de los efectos especiales por ordenador, viajemos a la década de los setenta. En la película Harry el Ejecutor (1976), el inspector Harry Callahan se enfrenta a una banda de terroristas que se han apoderado de un arsenal completo, incluidos misiles anticarro portátiles. Para ilustrarles sobre lo que se enfrentan, un oficial del ejército hace una prueba de un misil similar. La compañera de Harry es la inspectora Kate Moore, una recién llegada con tan poca experiencia que se sitúa justo detrás del misil. Harry, perro viejo en temas de armas, agarra a Moore del brazo justo antes de que el rebufo del arma le alcance de lleno.

En general, podemos decir que la Tercera Ley de Newton permite que nos desplacemos, puesto que empujamos algo en un sentido para movernos en sentido opuesto. Ese es el mecanismo de actuación de motores a reacción, cohetes y buques. Cuando nadamos, empujamos agua hacia atrás para que ella nos impulse para adelante. Incluso al caminar o conducir un coche, lo que hacemos es "empujar" al suelo hacia atrás, y éste reacciona empujándonos hacia adelante. Como dijo un personaje en Interstellar (2014), la única forma que conocemos los humanos de avanzar es dejar algo atrás.

LA APLICACIÓN DE LAS LEYES

Tras presentar a los alumnos las leyes de Newton de la Mecánica, el siguiente paso suele ser mostrar ejemplos de su aplicación práctica. Para ello el profesor ha de tomar la tiza y dibujar todo tipo de poleas, planos inclinados, objetos con forma cuadrada y cuerdas que los sujetan. ¿Pero por qué molestarnos si Hollywood ya lo ha hecho por nosotros?

El movimiento de un cuerpo cuando asciende por un plano inclinada queda bien representado en la película Tierra de Faraones (1955). Los obreros han de subir pesadas piedras a los escalones superiores de la pirámide que están construyendo, y para eso se valen de una rampa. Fijando el sistema de referencia a lo largo de las direcciones paralela y perpendicular al plano podemos deducir cuál será la fuerza necesaria para subir una gran piedra, y podemos hacerlo con y sin rozamiento. Quizá usted prefiera un film más moderno, pero este ejemplo es claro y, entre otras cosas, ayuda a desmontar las tesis de algunos documentales que explican la construcción de grandes estructuras antiguas mediante la intervención alienígena.

Pero ya que se empeña, llamemos a los chicos de The Big Bang Theory. En el episodio La Hipótesis del Gran Cerebro (1x02), Sheldon y Leonard tienen que subir una pesada caja a casa de su vecina. Como todo fan de la serie sabe, el ascensor no funciona, así que hay que usar las escaleras. Los chicos no tiene mucha fuerza muscular, pero Leonard tiene una solución: inclinar la caja para que repose sobre los escalones:

"Ahora tenemos un plano inclinado. La fuerza necesaria para moverlo se reduce por el ángulo formado, que es de unos 30 grados, a casi la mitad."

"La mitad exacta," corrige Sheldon. Efectivamente, resulta que la fuerza necesaria para vencer la gravedad es igual al peso del cuerpo multiplicado por el seno del ángulo. Puesto que el seno de 30º es igual a 0,5, Sheldon tiene razón; sólo en parte, ya que estamos suponiendo que no hay rozamientos. No seremos demasiado tiquismiquis, aunque Sheldon debería saberlo.

Inclinando el paquete la fuerza a vencer se hace más pequeña

¿Queremos ver el efecto de las poleas y los polipastos? Lo tenemos en Titanic (1997), concretamente en una de las escenas donde los botes salvavidas están siendo bajados al agua. Puede verse claramente cómo los marineros han de soltar cuerda para que el bote baje lentamente, permitiendo a cambio vencer el peso del bote y los pasajeros mediante una fuerza menor. En 2013 mi ciudad (Granada) estaba sufriendo los efectos de la construcción del metro. El Camino de Ronda, una de las vías principales de la ciudad (y que lleva, entre otros lugares, a mi propia Facultad de Ciencias), estaba tomada por grúas que incorporaban polipastos y otros tipos de poleas múltiples. A día de hoy las obras han terminado y las grúas se han retirado, pero las fotografías que hice permanecen como ejemplos para mis alumnos.

Spiderman (2002) incluye un ejemplo de objeto sustentado por cables y sometido a la acción de la gravedad. El Duende Verde, subido en lo alto de la estructura del puente, reta a Spiderman en una difícil elección: dejar caer a la mujer que ama (y que sujeta con su mano izquierda), o que sufran los niños (y demás viajeros de un funicular que sujeta de un cable con su mano derecha).

La estática del funicular es particularmente fácil de analizar. Tenemos dos cables que forman ángulos con la horizontal y que podemos medir, conocemos la aceleración gravitatoria, y si bien desconocemos la masa del funicular podemos estimarla de forma aproximada en unas dos toneladas. En esas circunstancias, el cable que sujeta el Duende Verde sufre una tensión de más de 56.000 Newtons, algo así como el peso de cinco toneladas y media.

¿Puede el Duende Verde sujetar tanto peso? Para eso hemos de evaluar las fuerzas que actúan sobre él: la tensión que sujeta el funicular, su peso, el de Gwen Stacy, la fuerza normal de la superficie sobre la que está de pie, y finalmente el rozamiento de los pies del Duende Verde contra el suelo. Una aplicación de la Segunda Ley de Newton nos indica dos cosas. La primera es que el Duende Verde está realmente cachas, cosa que ya suponíamos; la segunda es que, con independencia de su fuerza física, debe ser un buen ingeniero, ya que para evitar que el funicular le arrastre en su caída necesita calzar unos zapatos que ejerzan un rozamiento enorme con el suelo.

GIRANDO, GIRANDO

Para que un cuerpo siga una trayectoria circular ha de estar sometido a una fuerza centrípeta, como por ejemplo en el caso de un vehículo que toma una curva. En la película Un Trabajo en Italia (1969), los ladrones huyen en varios vehículos Mini por el techo de un edificio mientras la policía les seguía los talones. Cuando los coches toman la curva se ve claramente que ésta se encuentra peraltada, esto es, la superficie de la pista forma un cierto ángulo con la horizontal. Una sencilla descomposición de fuerzas nos muestra cómo la componente horizontal de la fuerza normal proporciona la aceleración centrípeta necesaria para tomar la curva con seguridad.

Batman utiliza otro truco para girar con seguridad. Acostumbrado a conducir su batmóvil a gran velocidad por las calles de Gotham, en ocasiones se ayuda de un gancho: lo lanza a una farola, y la tensión de la cuerda proporciona la aceleración que le permite hacer una curva cerrada. En Batman vs Superman, el Amanecer de la Justicia (2016), el concepto se eleva a un nivel superior: el gancho se incrusta en uno de los vehículos de los malos, el cual se estrella contra un segundo coche, y después el batmóvil gira y sigue su camino.

Para un observador externo, la aceleración se dirige hacia el centro de la circunferencia formada por la curva (por eso se llama centrípeta), pero a los pasajeros les parecerá como si algo ejerciese sobre ellos una aceleración en sentido opuesto, es decir, hacia afuera de la curva (por eso se llama centrífuga). Entramos ya en el mundo de las fuerzas ficticias o no inerciales, característicos de los sistemas de referencia acelerados.

Que a esas fuerzas se las llame ficticias no significa que su apariencia sea ilusoria, y nadie mejor que un astronauta llamado David Bowman para mostrarlo. En la película 2001 Odisea en el Espacio (1968), uno de los tripulantes corre por el interior de la nave espacial Discovery, que dispone de una zona cilíndrica en rotación. Los astronautas sienten una fuerza centrífuga que hace el efecto de la gravedad, de modo que para ellos "abajo" es la dirección radial hacia afuera de la nave. Stanley Kubrick logra jugar con las cámaras para seguir la carrera del astronauta a lo largo del piso de la nave, siguiendo una trayectoria que sería imposible en la Tierra.

Treinta años después de 2001, el director de cine Brian de Palma copió la escena centrífuga en su película Misión a Marte (2000). Ambas escenas superan el minuto de duración (en Misión a Marte se acerca al minuto y medio) y ofrecen magníficos ejemplos de cómo puede aprovecharse la rotación de una estructura para inducir una fuerza no inercial que simule en el espacio el efecto de la gravedad.

En una estación espacial en rotación, el concepto de "arriba" es muy relativo; igual que en la superficie terrestre, de hecho

Durante el rodaje de Space Cowboys (2000) el actor y director Clint Eastwood convenció a la NASA para que le permitiese filmar en algunas de sus instalaciones. Entre ellas se contaba la centrifugadora utilizada por la agencia espacial para preparar a los astronautas ante las intensas fuerzas no inerciales que sentirán durante el despegue. Una de las escenas muestra a dos de los protagonistas a punto de ser centrifugados, y como no pueden dejar de lado su sempiterna rivalidad acuerdan que el primero que se desmaye en la máquina pagará las cervezas. La centrifugadora, en esencia un brazo giratorio en cuyo extremo están los astronautas, gira más y más, haciendo que sus ocupantes sientan una fuerza no inercial cada vez mayor. La aparición repentina del director de vuelo provoca la interrupción de la apuesta, que queda sin ganador.

El agente 007 se enfrenta a casi la misma máquina en Moonraker (1979). En esta ocasión no se encuentra en las instalaciones de la NASA sino en las del supervillano de turno. Se supone que está de incógnito, pero por supuesto ya saben quién es y le proponen un viajecito en la centrifugadora. Bond accede, y cuando está disfrutando de la experiencia llega un esbirro y pone la máquina al máximo. No le diré cómo, pero ya se imaginará que nuestro agente secreto invencible logra salir del paso.

EJEMPLO DE PELÍCULA: EL EFECTO CORIOLIS-SIMPSON

Una de las fuerzas no inerciales más espectaculares y menos conocidas es la conocida como fuerza de Coriolis. Su efecto se siente a gran escala provocando la rotación de los ciclones y huracanes, motivo por el que los mapas del tiempo siempre nos muestran grandes estructuras nubosas en rotación. También lo hace el cine. En la película Deep Blue Sea (1999), por ejemplo, se aprecia claramente en un monitor de ordenador cómo un huracán se mueve a lo largo de la costa californiana girando en sentido opuesto a la agujas del reloj.

A pesar de ello, la de Coriolis es una de las fuerzas no inerciales peor comprendidas por el público. Los culpables de ello son, en mi humilde opinión, la familia Simpson. Nada más empezar el episodio Bart contra Australia (6x16) vemos a Lisa hablando con su hermano Bart sobre el efecto Coriolis (que por fallos en la traducción llama "efecto Corealis"). Bart comprueba cómo los desagües de su casa giran en el sentido antihorario, y después se dedica a realizar llamadas telefónicas a diversos lugares del Hemisferio Sur para comprobar si es cierto que allí giran en sentido horario. Tras comprobar que así sucede, Bart rezonga en contra de su hermana ("tenía razón esa estúpida reina de la ciencia") y vuelve a sus ocupaciones habituales.

Con el tiempo, las llamadas a larga distancia y cobro revertido que Bart hizo provocan un incidente diplomático, obligando a los Simpson a viajar hasta Australia para presentar sus excusas. Al alojarse en la embajada Bart pregunta si allí los retretes también giran al revés. La respuesta del embajador es muy norteamericana: "No, para evitar que tengan morriña hemos instalado un aparato para que gire correctamente como en América." Efectivamente, al tirar de la cadena se activa una ruidosa máquina que hace girar el agua en el sentido "correcto" mientras un emocionado Homer Simpson entona un emotivo cántico patriótico.

Personalmente debo decir que ese episodio de los Simpson arranca risas de mis alumnos todos los años y constituye un momento especialmente relajante en clase. Tanto mejor, porque ha llegado el momento de desvelar el oscuro secreto: los retretes no se comportan así ni en un hemisferio ni en el otro. El efecto Coriolis existe, ciertamente, y en ciertas condiciones puede medirse, pero resulta demasiado pequeño para que resulte relevante.

Yo los he visto girar en un vídeo, me dirá usted, y no le falta razón, pero el motivo es otro. El agua de los retretes y los desagües giran debido a que el agua ya lleva un movimiento de rotación. Incluso si llenamos el lavabo y lo dejamos reposar un rato, el agua tendrá algo de movimiento rotatorio, y además de ello cualquier irregularidad en el lavabo o el desagüe provocarán una rotación mayor que la debida al efecto Coriolis.

El "efecto Coriolis-Simpson" ha llegado a generar una industria turística en auge en países como Ecuador o Uganda. El guía acompaña a los turistas para que comprueben cómo un recipiente desagua en un sentido o en otro según lo situemos unos metros al sur o al norte de la línea del Ecuador. Los viajeros "sabían" del episodio de los Simpson y ahora, además, lo ven con sus propios ojos, lo que le valdrá al guía una buena propina. Lo que sucede en realidad es que los guías llenan el recipiente de forma que el agua gire en la dirección "correcta." La aceleración de Coriolis sobre el agua que desagua unos metros al norte o al sur del Ecuador es minúscula, ya que tiene un valor que se mide en billonésimas de Newton.

Incluso en respetados libros de Física universitaria se cometen errores relacionados con el efecto Coriolis. En un notable error que se propagó de un libro a otro durante décadas se afirmó que durante la Primera Guerra Mundial los artilleros de los grandes acorazados corregían el tiro para compensar por el efecto Coriolis. En uno de los primeros enfrentamientos navales de la guerra, una flota inglesa fue barrida por los alemanes. Supuestamente se debió a que la batalla tuvo lugar en la cercanía de las islas Malvinas, en el Hemisferio Sur y a que los artilleros ingleses, por error, aplicaron la corrección correspondiente a la misma latitud del Hemisferio Norte. Algún tiempo después hubo una segunda batalla naval, y en ese caso la victoria fue de los ingleses, lo que muestra que sus artilleros aprendieron a corregir bien el tiro. Por desgracia, no hay constancia documental alguna que corrobore esta leyenda urbana. Una verdadera lástima, porque era un buen ejemplo didáctico en clase de Física.

Terminemos este capítulo con otros dos ejemplos de aplicación incorrecta de las leyes de Newton, aunque aquí ya no entra nuestro amigo Coriolis. El primer es de la ya mencionada Spiderman (2002). Cuando el Duende Verde suelta el cable del funicular, éste debería caer en caída libre; vale, no es realmente cierto, pero al comienzo de la caída el rozamiento con el aire no es muy elevado así que es una primera aproximación razonable. Si el alumno ha visto el comportamiento de un ascensor cuando sube y cuando baja, sabrá que en caso de caída libre, el ocupante estará en situación de ingravidez aparente respecto al sistema de referencia formado por el ascensor. Lo mismo debería suceder con el funicular. Por el contrario, podemos ver claramente cómo los asustados niños siguen de pie como si estuviesen en reposo.

El segundo ejemplo es de la película Misión a Marte (2000). Mientras se encuentran en estado de ingravidez, uno de los astronautas utiliza caramelos para modelar el ADN de su mujer ideal. El fallo consiste en que la estructura que ha construido gira sobre su eje, y no debería hacerlo, ya que en ausencia de fuerzas cada caramelo debería permanecer en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme. Aunque el alumno todavía no ha estudiado la dinámica de rotación, puede verse claramente cómo el movimiento del ADN de caramelos viola la Primera Ley de Newton. Quizá por eso el comandante se acerca y comienza a comerse los caramelos. Justo castigo.

4 - TRABAJO Y ENERGÍA

- Hago que funcione un reloj con una patata

- ¡Cierre el pico! ¿Puede hacer eso? Es decir, ¿eso no resolvería la crisis energética del mundo?

(Profesor Protón y Penny)

ACLARANDO CONCEPTOS

El concepto de energía resulta muy útil en problemas para los cuales el uso de la Segunda ley de Newton es inviable. Es posible que las fuerzas que actúan sobre un cuerpo, y en consecuencia su aceleración, no permitan hallar relaciones v(t) o r(t) sencillas. Quizá ni siquiera conozcamos esas fuerzas, por ser demasiado breves o intensas, y sin saber las fuerzas no podremos aplicar la famosa ecuación F=ma.

Por otro lado, no siempre es necesario recurrir a las leyes de Newton, que a fin de cuentas nos proporcionan un conocimiento exhaustivo de un suceso dinámico en situaciones en las que solamente necesitamos información parcial. Por ejemplo, si queremos saber con qué velocidad cae un objeto al suelo desde una cierta altura lo único que necesitamos es conocer la relación entre posición y velocidad en los instantes inicial y final del movimiento; no necesitamos conocer velocidad o posición en cualquier otro instante de tiempo.

Es por ello que los físicos se apoyan mucho en la energía para resolver problemas. La actuación de una fuerza se puede ligar a la cantidad llamada trabajo, a través de la cual unas formas de energía pueden transformarse en otras. Por ejemplo, durante la típica caída libre de un objeto la fuerza gravitatoria produce un trabajo cuyo resultado es un cambio en la energía cinética. Podemos definir muchos tipos de energía (gravitatoria, elástica, potencial, química, eléctrica), y todo ellos se miden en las mismas unidades.

Conceptos como la energía, el trabajo o la potencia son también usados en la vida diaria, y no siempre de forma correcta. En la mayoría de las pseudociencias el supuesto mecanismo de actuación casi siempre pasa por algún tipo de energía no definida. Los cristales tienen energía, los chakras se abren para dejar fluir la energía, los videntes tienen energía psíquica, y suma y sigue, mientras los adultos se atiborran de complementos nutricionales que les proporcionan la energía que necesitan, no vaya a ser que alguien les acuse de no ser lo bastante enérgicos en el trabajo.

Ya que hablamos de trabajo, también ese concepto se usa de forma distinta en el habla cotidiana. "Tener trabajo" no es recibir una fuerza a lo largo de cierto camino sino disponer de un empleo remunerado, y cuando los políticos hablan de promover el trabajo estable no están pensando precisamente en la conservación de la energía. Quizá se trate de una reminiscencia de los tiempos en los que el trabajo era mayoritariamente de tipo manual y requería mover masas, subir y bajar objetos, y en general efectuar un trabajo tal y como se entiende en Mecánica; de ahí que resulte habitual concebir el trabajo como esfuerzo, desgaste o agotamiento. Con todo, bajar un piano por un tramo de escaleras proporciona un trabajo desde un punto de vista físico; lo cual, por supuesto, suele ser interpretado de manera muy distinta por el encargado de realizar la tarea.

Todo ello convierte el concepto de trabajo-energía en algo confuso que a menudo se representa de forma incorrecta en cine o televisión, y cuando lo hace no suele resultar útil a efectos didácticos. Podemos ver al capitán Kirk llamar a su ingeniero por el comunicador y ladrar "más potencia señor Scott," pero en el fondo la situación no va a ser muy diferente de Harry Potter realizando encantamientos mágicos.

Cabría pensar que el cine de acción contendría multitud de buenos ejemplos sobre trabajo y energía, pero paradójicamente resulta que no es así. El problema estriba en la confusión terminológica. Habitualmente se suelen intercambiar los conceptos de fuerza, energía y potencia. Los personajes de la pantalla (grande o pequeña) que luchan contra sus adversarios tienen algún tipo de fuente de poder, de la cual reclaman más energía, más potencia o más fuerza, según sea el criterio del guionista y del traductor.

Doc, en Regreso al Futuro (1985), habla de conseguir 1,21 gigavatios de electricidad como si se tratase de una gran cantidad de energía. Y no es así. El vatio es una unidad de potencia, que se describe como la energía o trabajo puesto en juego por unidad de tiempo: P=E/t. Eso quiere decir que podemos generar una gran potencia usando poca energía durante poco tiempo. Basta con usar algo tan sencillo como una pila, por ejemplo la de mi móvil, que a plena carga tiene una energía eléctrica almacenada de unos 22.000 julios. Eso permitiría generar una potencia de 1,21 gigavatios durante un tiempo t=E/P de aproximadamente 18 microsegundos.

Existen láseres experimentales que funcionan a potencias enormes pero que consumen poca energía, y es por el mismo principio: gastan energía a gran velocidad pero durante intervalos muy cortos de tiempo. Por supuesto, poner en juego energía eléctrica a alta potencia implica problemas técnicos, y es por eso que la compañía eléctrica nos cobra por partida doble. El consumidor paga por la energía consumida, y además tiene que abonar un suplemento adicional en función de lo rápido que quiera consumir esa energía. Mire usted su factura, viene bajo el epígrafe "potencia contratada."

LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

Una de las propiedades más útiles de la energía es el hecho de que se conserva. No sabemos bien por qué. Bueno, vale, hay un teorema matemático que dice que sí debe conservarse, no vamos a discutir por eso. Lo que quiero decir es que la conservación de la energía está basada fundamentalmente en el experimento. Hemos medido una y mil veces la energía de un sistema, y siempre hemos visto que se conserva.

En ocasiones parece haber un ejemplo que contradiga esa norma. Cuando se descubrió la desintegración del neutrón se comprobó que la energía de las partículas resultantes (un protón y un electrón) era inferior a la que tenía el neutrón de partida. Se realizaron experimentos cada vez más precisos, pero siempre parecía desaparecer algo de energía. En lo que muchos vieron como un gesto de desesperación, un físico se atrevió a pronosticar la existencia de una tercera partícula, desconocida hasta entonces y casi imposible de detectar, que se llevaba la energía restante. Lo grande es que este hombre, llamado Wolfgang Pauli, tenía razón. La partícula apenas interacciona con la materia, haciéndola tan esquiva que no se pudo detectar hasta treinta años después, pero existe: se llama neutrino (para ser más correcto, antineutrino electrónico).

De entre todas las formas de energía resulta particularmente útil el concepto de energía potencial, ya que nos permite relacionar las condiciones cinemáticas antes y después de un determinado suceso. Veamos cómo puede ser aprovechado por Bond, James Bond. En efecto, nuestro agente secreto usa y abusa de la energía, y en la película Goldeneye (1995) lo hace desde la primera escena. Su aventura comienza con un salto desde lo alto de una presa mediante la técnica conocida como puenting. El propósito es llegar a una entrada situada cerca del fondo, que le permitirá acceder a la guarida de los malos.

Al principio Bond salta al vacío partiendo del reposo. En ese momento su cuerpo tiene una energía potencial máxima y su energía cinética es cero. Durante su salto, su energía potencial gravitatoria irá disminuyendo a costa de la energía cinética. Cuando Bond caiga hasta el punto en que la cuerda de puenting comience a tensarse, ésta absorberá trabajo y lo almacenará como energía potencial elástica, siguiendo una ecuación que podemos suponer idéntica a la ley de Hooke para un muelle. Tanto la energía cinética como la potencial gravitatoria irán disminuyendo mientras la energía potencial elástica irá aumentando, proceso durante el cual la velocidad se hará cada vez menor. Finalmente habrá un punto en el que la energía cinética, y por tanto la velocidad, se hará cero. Si Q ha hecho bien los cálculos, ese será el lugar donde se encuentra la entrada.

En primera aproximación se puede suponer que las fuerzas de rozamiento son pequeñas, lo que nos permite dejarlas de lado. Un caso en el que sí que hay rozamiento (¡y mucho!) lo encontramos en Indiana Jones y el Templo Maldito (1984). Perseguidos por los malos de turno, Indy y sus compañeros huyen en una vagoneta que serpentea por el interior de una montaña. Apenas han conseguido despistar a sus perseguidores cuando descubren que el freno de la vagoneta se ha roto. La solución de nuestro héroe es la misma que se le ocurriría a un ciclista: frenar con el pie.

Podemos utilizar de nuevo el principio de conservación de la energía. En este caso, la energía cinética de la vagoneta se disipa en la forma de fuerzas no conservativas. ¿Es creíble en este caso? Lo primero que hemos de hacer es estimar las cantidades que no conocemos, la masa, por ejemplo. Una vagoneta de hierro con tres pasajeros (adulto, mujer y niño) podría alcanzar los 250 kg. En segundo lugar, la velocidad al iniciar el frenado. Yo voy a imaginar un valor de 40 millas por hora, lo que se traduce al Sistema Internacional como 19,8 m/s. Pasar de esa velocidad a cero implica una disminución de energía cinética de casi 40.000 julios.

El tiempo de frenado, que podemos medir con nuestro reloj, resulta ser de unos 18 segundos. Suponiendo que el frenado fuese a aceleración constante, podríamos hallar la distancia de frenado (unos 160 metros). Ya tenemos la variación de energía cinética, que es igual al trabajo disipado; y ese trabajo, a su vez, es igual al producto de la fuerza ejercida por el pie de Indy multiplicada por la distancia recorrida. Eso nos da una fuerza media de F=W/d=250 Newtons. Esa fuerza es equivalente al peso de 25 kilos, algo perfectamente al alcance de nuestro héroe.

Eso sí, Indy tendrá problemas de temperatura. Aunque no haremos aquí los cálculos (no estamos en termodinámica), cuarenta mil julios son energía suficiente para elevar la temperatura de una taza llena de agua en casi cuarenta grados. Esa es la energía que se liberó en forma de calor durante el frenado, a una potencia de 2,2 kilovatios. ¡No es de extrañar que la bota del doctor Jones acabe humeando!

Peor lo tiene Peter Parker en Spiderman 2 (2004). En esa ocasión, nuestro héroe intenta detener nada menos que un tren entero con sus pies a estilo Indy. A pesar de sus esfuerzos, lo único que consigue es lesionarse una rodilla. La energía cinética del tren es demasiado alta para él.

En la vida real los conductores hacen algo parecido para detener sus vehículos, aunque por supuesto el zapato es sustituido por un sistema de frenado mucho más eficiente. En una campaña promovida por la DGT hace algunos años y llamada "deja espacio,", se hizo la siguiente recomendación: tómese la velocidad en km/h, divídase por 10, elévese al cuadrado y el resultado es la distancia mínima de seguridad (en metros) que debemos guardar con respecto al vehículo que tenemos por delante. Por ejemplo, para 120 km/h la distancia recomendada es de 12*12=144 metros.

Si hacemos los cálculos pertinentes, suponiendo que la energía cinética se transforma en trabajo no conservativo, y que ese trabajo se deriva de una fuerza de rozamiento, resulta que las cantidades sugeridas son las que se obtendrían si suponemos un frenado con un coeficiente de rozamiento μ=0,4 característico de un neumático sobre suelo mojado. El motivo de elevar al cuadrado la velocidad es que la distancia de frenado es directamente proporcional a la energía cinética, y ésta a su vez depende de la velocidad al cuadrado.

Campañas posteriores hay variado estas cifras, dependiendo de si el suelo está seco o mojado, y añaden la distancia recorrida durante el llamado tiempo de reacción (el que tardamos nosotros en reaccionar frente a un peligro). Aun así, la regla de "elevar al cuadrado" sigue siendo útil mientras conducimos, y nos recuerda que aumentar la velocidad eleva muy rápidamente la distancia mínima de seguridad necesaria. Es una cuestión de Física sencilla.

MUERTE DESDE EL ESPACIO

Dicen que cuanto más sube uno, más dura será la caída, y eso puede explicarse fácilmente en términos de energía. En efecto, si suponemos que subimos a una altura h sobre la superficie terrestre y que la aceleración gravitatoria g es constante, la energía potencial es aproximadamente igual a mgh. Cuando caemos, esa energía ha de ir a alguna parte, de modo que se transforma en energía cinética. Al llegar al suelo, la energía cinética se transmite al aire y al suelo. El resultado es dolor y destrucción en abundancia, junto con una levísima variación en la velocidad de nuestro planeta

Podemos ver ejemplos de caídas destructoras en multitud de películas. Prácticamente no hay una de superhéroes donde el bueno o el malo no acabe estampándose en el suelo y formando un cráter, o bien hundiendo un edificio. En un nivel más destructivo tenemos las naves invasoras de Independence Day (1996). Imagínese usted a la humanidad entre la espada y la pared, con un ejército alienígena a punto de invadir la Tierra. Por fortuna para nuestra especie, los científicos han descubierto la forma de anular el escudo protector de sus naves, enormes platillos del tamaño de una ciudad, y comienza la contraofensiva. No creo que le sorprenda si le digo que finalmente ganamos, pero creo que en realidad se trata de una victoria pírrica.

Piénselo por un momento. Una nave circular con veinte kilómetros de diámetro, uno de grosor y una densidad similar a la de un portaaviones tendría una masa de unos cien billones de kilogramos. Un objeto así, cayendo desde una distancia de un kilómetro, golpearía el suelo con una energía igual a un trillón de julios. ¿Es mucho? Mejor lo paso a otras unidades para que se entienda mejor: sería igual a una explosión de doscientos megatones. Esa cantidad se asemeja a la energía liberada por la erupción del volcán Krakatoa en 1883.

Es evidente que una explosión así no nos eliminará como especie, puesto que estamos aquí a pesar del Krakatoa. Con todo, si un ovni se estrellase con una energía de doscientos megatones, podemos concluir razonablemente que los efectos locales serán devastadores. No parece ser el caso, ya que en Independence Day vemos impactos de ovnis alrededor de lugares conocidos que aparentemente no han sufrido daños de consideración: el Kilimanjaro, las pirámides de Egipto, la ciudad de Sydney, el Área 51. Entre la devastación que los visitantes extraterrestres han causado ya y el efecto de treinta Krakatoas simultáneos, la Humanidad va a pasar un mal cuarto de hora.

En Los Vengadores, la Era de Ultrón (2015) nos encontramos con un dilema similar, aunque diferente en génesis. El malo ha organizado uno de esos planes increíbles para destruir a la Humanidad: levantar la ciudad de Sokovia mediante grandes motores y soltarla de nuevo desde gran altura. Estamos hablando de una masa enorme, que no podemos más que cuantificar de modo aproximado. Voy a sugerir un tamaño similar a las naves de Independence Day, aunque con mayor grosor puesto que arrastra un gran fragmento de terreno: digamos unos tres mil kilómetros cúbicos, con una masa de unos diez mil billones de kilogramos. Pongamos también que cae desde una altura de cinco mil metros. Esto nos da una energía de impacto quinientas veces superior a la de un ovni de Independence Day. Poco importa con qué unidades la midamos, estamos en un evento ligado a la extinción.

Vista la magnitud de las energías puestas en juego, me sorprende la solución que nos propone Iron Man. ¿Está preparado para un pequeño spoiler, amigo lector? Pues ahí va la idea genial de Stark: destruir el generador de los motores que mantienen la ciudad en vuelo. Se supone que los fragmentos resultantes serán menos destructivos porque el rozamiento con el aire los frenará en su caída, y porque los restos caerán a un lago.

Pero la energía tiene que ir a alguna parte, y eso no se puede esconder. El rozamiento con el aire calentará las capas de la atmósfera y los trozos que caen al agua harán hervir todo el lago. Eso por no hablar de la enorme capa de polvo generado que se extenderá por todo el planeta, bloqueando la luz solar y arrojándonos a una nueva edad de hielo en virtud del efecto de invierno nuclear.

Lo siento, amigo Stark. Deberíais haber evitado el despegue. Una vez que Sokovia está el aire, ya estamos condenados. Ah, y no se preocupe usted, lector, en preguntar de dónde sacó Ultrón tantísima energía. A estas alturas, lo hizo un mago y basta.

EJEMPLO DE PELÍCULA: EL ASTEROIDE ASESINO DE ARMAGEDDON

Un subgénero del cine de catástrofes es el que podríamos denominar "muerte y destrucción por medio de una roca espacial." Inevitablemente el mundo se une y comienza el despliegue de armas nucleares por el espacio. Los ejemplos, caso de que a usted le guste este género, van desde Meteoro (1979) hasta Deep Impact (1998), sin olvidar el episodio Un Enorme Montón de Basura (1x08) de la serie Futurama.

Me he dejado para el final Armageddon (1998). Su éxito se debe fundamentalmente al reparto: dirección de Michael Bay, protagonismo casi total de Bruce Willis y un guión que desde el punto de vista físico no tiene ni pies ni cabeza. Irónicamente, también nos facilita a los profesores de Física un ejemplo muy útil sobre trabajo y energía, así que vamos allá. Por cierto, he dicho útil, no bueno.

De acuerdo, tenemos un asteroide que se dirige a la Tierra. La NASA y la Fuerza Aérea preparan la solución estándar en estos casos: misión espacial, bomba nuclear, vuelta a casa y desfile triunfal. Esa es la parte fácil. A nosotros nos toca hacer de ingenieros aeroespaciales. ¿Le apetece?

Nos limitaremos a cálculos sencillos, que tampoco estamos en la nómina de la NASA todavía. El proceso sería aproximadamente el siguiente. En primer lugar hay que cuantificar la masa del asteroide; luego hay que calcular cuánta energía tenemos a nuestra disposición para la tarea; a continuación, veremos el efecto sobre la velocidad del asteroide; finalmente, estimaremos si la desviación ha sido suficiente.

Misión: destruir el asteroide asesino antes de que llegue a la Barrera Cero

Primer paso: ¿qué masa tiene un asteroide? La NASA no nos proporciona información al respecto, salvo una leve mención a que tiene un tamaño similar al de Tejas. Eso nos deja con el típico problema de Fermi, en el que nos limitaremos a hacer una estimación de orden de magnitud, no una evaluación exacta; para entendernos, la resolución será a ojo de buen cubero.

Existen varias formas de que un asteroide tenga el "tamaño" de Tejas: por volumen, por superficie, por longitud máxima, por tamaño promedio. Hemos de escoger algún criterio, así que yo opto por un asteroide esférico de 830 kilómetros de diámetro. ¿Por qué ese tamaño? Porque ese sería el tamaño de Tejas si ese estado tuviese forma cuadrada. Una esfera de 830 km. de diámetro tendría un volumen de unos 3*10¹⁷ metros cúbicos. Si usted usa otro criterio distinto al mío obtendrá otra cifra, pero también será del tipo "algo por diez elevado a diecisiete metros cúbicos," y eso es lo que nos importa aquí.

En cuanto a la masa, podríamos suponer imaginar que la densidad del asteroide es el doble que la del agua. De ahí obtenemos una masa aproximada de 6*10²⁰ kilogramos. Esa es la masa que debemos apartar de su trayectoria. Nuevamente, los cálculos de usted serán diferentes, pero seguro que le sale algo similar; me sorprendería que le saliese 10¹⁰ o 10⁴⁹. De nuevo insisto en que solamente buscamos una solución aproximada.

En realidad podía haberme ahorrado el trabajo. Después de escribir los párrafos anteriores caí en la cuenta de que el asteroide de Armageddon es muy similar en tamaño al asteroide Ceres, el mayor que tenemos en nuestro Sistema Solar. Ceres tiene un diámetro medio de unos 940 kilómetros, con un volumen de 4*10¹⁷ metros cúbicos y una masa de 9*10²⁰ kilogramos. Casi lo clavamos, amigo.

Segundo paso: ¿con qué energía podemos contar para romper asteroides? Vamos a tirar alto: consideremos la bomba nuclear más poderosa que jamás haya explotado. Conocida como bomba Zar, fue detonada en 1961 por la Unión Soviética, y su energía alcanzó los 50-60 megatones. Eso equivale a 3.000 veces la explosión atómica de Hiroshima; y aun así pudo ser mayor, ya que el diseño original estaba concebido para cien megatones. No se han hecho bombas mayores desde entonces y tampoco tienen valor militar, pero en caso de destrucción planetaria podemos tomar esos 100 megatones como valor extremo. En términos de energía, eso representa unos 4,2*10¹⁷ julios.

Tercer paso: ¿qué hacemos con toda esa energía? Una parte se invertirá en partir el asteroide en dos (la premisa de la película), y el resto queda disponible para cambiar su energía cinética. Pongámonos en el caso límite y supongamos que el asteroide puede romperse de una patada, lo que significa que prácticamente toda la energía se transfiere al asteroide en forma de energía cinética. Si suponemos que éste se dirige hacia la Tierra a lo largo de la dirección del eje X, lo más beneficioso para apartarlo de nuestro planeta consistiría en comunicar una componente de velocidad en el eje Y; es decir, el asteroide se parte en dos y cada fragmento rodea la Tierra, uno por arriba y otro por abajo. Ya puestos, imaginemos para simplificar que ambos fragmentos son iguales en masa.

Muy bien, hagamos las cuentas. O mejor dicho, las haré yo para que usted no tenga que molestarse. El resultado es que cada fragmento adquiere una velocidad vertical igual a unos 0,12 metros por segundo. ¿Será suficiente? Eso dependerá de cuánto tiempo tenemos. En la película se dice que la explosión ha de tener lugar como mucho cuatro horas antes del impacto, por eso de poner un tiempo límite y aprovechar dramáticamente hasta el último segundo. Multiplicando velocidad por tiempo obtenemos el desplazamiento vertical de los dos fragmentos de asteroide. Si ese desplazamiento supera el radio de la Tierra, los fragmentos pasarán de largo.

¿Hemos tenido suerte? Los cálculos nos dan un desplazamiento de apenas 340 metros. Todavía queda un trecho hasta los 6.400 kilómetros que necesitamos, así que gracias por intentarlo, perforadores espaciales, pero estamos muertos.

Ejemplos de este tipo son abundantes en el cine de ciencia ficción: grandes ideas que sobre el papel pueden funcionar, pero que en la práctica se quedan cortos cuando hacemos los números. ¿Es capaz la Estrella de la Muerte de destruir un planeta? No. ¿Es factible siquiera su construcción? No. ¿Puede Superman invertir la rotación de nuestro planeta? No. ¿Soy un aguafiestas? Tampoco. No tengo problema en suspender mi incredulidad e imaginarme que un malvado emperador galáctico ha construido una estación de combate con la capacidad de volar Alderaan en pedacitos. Lo único que tenemos que hacer es no creérnoslo literalmente y limitarnos a disfrutar del espectáculo.

Porque hay quienes se toman estas cosas al pie de la letra. En 2013 un grupo de ciudadanos norteamericanos cursó una petición legal para que su gobierno impulsase la construcción de una Estrella de la Muerte (esto es rigurosamente cierto, no me lo estoy inventando). Los argumentos que esgrimieron incluyeron el fomento de la creación de puestos de trabajo en construcción, ingeniería, exploración espacial y defensa.

El gobierno estaba obligado por ley a contestar, ¡y vaya si lo hizo! La respuesta, que por supuesto fue negativa, se justificó en base a los siguientes argumentos:

- Económicos (en pleno debate para subir el techo de gasto federal, asignar 850.000 billones de dólares para el proyecto no sentaría nada bien a los contribuyentes)

- Éticos (el Gobierno de EEUU no apoya la destrucción de planetas)

- Técnicos (¿Por qué gastar incontables dólares del contribuyente en una Estrella de la Muerte con un fallo básico que puede ser explotado por un solo piloto?)

Eso sí, el gobierno aprovechó la ocasión para arrimar el ascua a su sardina y recordar algunos de los esfuerzos realizados en el espacio: la Estación Espacial Internacional, los proyectos de exploración lunar y las iniciativas privadas de envío de cargamento al espacio. La respuesta terminó con las siguientes palabras:

“Si cursas una carrera en campos de ciencia, tecnología, ingeniería o matemáticas, ¡que la suerte te acompañe! Recuerda, el poder de la Estrella de la Muerte para destruir un planeta, o incluso un sistema estelar entero, es insignificante frente al poder de la Fuerza.”

5 - SISTEMAS DE PARTÍCULAS

- Cuando logremos parar estaremos ocupando el mismo espacio que ese Buick que va delante, una imposibilidad que la naturaleza resolvería con muerte, mutilaciones y... oh, mira, un nuevo campo de minigolf

(Sheldon Cooper)

EL REPRESENTANTE DEL SISTEMA

Ahora que hemos descrito el movimiento y sus causas para partículas puntuales, pasemos a considerar que nuestro sistema está formado por un conjunto de N partículas. En principio es factible aplicar la segunda ley de Newton a cada una de ellas, pero en la práctica puede resultar inviable para sistemas grandes cuando N es alto. Para simplificar, lo primero que suele hacerse es escoger un punto en el espacio. Si queremos estudiar el movimiento general de traslación del sistema, ese punto, que recibe el nombre de centro de masas, será el "representante" ideal del sistema. La definición que suele hacerse del centro de masas puede parecer arbitraria pero no lo es en absoluto, ya que su movimiento es el mismo que tendría el sistema si todas las partículas se hubiesen concentrado allí.

El centro de masas no tiene por qué coincidir con la posición de ninguna partícula, y de hecho puede estar perfectamente fuera del sistema. Un ejemplo típico es el objeto que los matemáticos llaman toro, y que bajo el nombre de rosquilla constituye el alimento preferido de Homer Simpson. Si nos vamos al espacio, las estructuras o naves que podamos imaginar pueden tener cualquier forma, incluso una en la que el centro de masas esté fuera del sistema.

Desafortunadamente, los ejemplos de película de ese tipo escasean. El motivo es que, para producir una traslación pura de una nave, el centro de masas ha de estar alineado con la dirección de empuje de los motores, o de otro modo la nave adoptaría también un movimiento de rotación; algo bastante incómodo no sólo para los pasajeros sino también para la navegación, una pesadilla para el piloto y un desperdicio de combustible.

Así pues, ¿qué naves, estaciones espaciales o estructuras podemos encontrar con un centro de masas fuera de la cubierta? No muchas, la verdad, pero algo podemos encontrar. Tenemos la fragata Nebulon-B de la Alianza Rebelde, que podemos ver en diversas películas de la serie Star Wars. En la escena final de El Imperio Contraataca (1980) Luke, Leia y los dos androides ven partir al Halcón Milenario a bordo de una de esas fragatas médicas. Las palabras de Lando Calrissian ("princesa, encontraré a Han, lo prometo") acompañan al Halcón Milenario mientras se pierde en la inmensidad de la galaxia, dando así fin a la mejor película de la saga.

En el universo Star Trek no hay nave más conocida que la USS Enterprise. A lo largo de las décadas la nave que con tanto acierto dirigieron capitanes como James Kirk o Jean-Luc Picard ha cambiado de silueta y prestaciones, pero la forma básica permanece inalterada: un gran cuerpo central en forma de plato, una zona de ingeniería de la que sobresalen dos grandes motores y un cuello que une las diversas secciones. No podemos afirmarlo sin conocer la distribución de masa, pero es posible que el centro de masas en al menos los modelos iniciales se encuentren fuera de la nave. La Federación cambió los diseños con el tiempo y los modelos posteriores sí parecen tener el centro de masas en el interior. Espero que así sea más fácil de pilotar.

Eso en lo que se refiere a naves. ¿Qué hay de las estaciones espaciales de película? No necesitan propulsión, y al ser poco más que objetos inertes en el espacio pueden adoptar cualquier forma. Nuevamente nos encontramos con el problema de la simetría. Es norma habitual que las estaciones espaciales tengan zonas en rotación capaces de producir un efecto gravitatorio aparente gracias a la fuerza centrífuga (algo que ya vimos en Dinámica), y para eso una rueda o cilindro simétricos son ideales. Aunque en principio la zona central de la estructura puede estar al vacío, resulta un lugar ideal para ubicar las secciones en gravedad cero y, en su caso los motores.

Los objetos con el centro de masas en el interior de la estructura son variados: la estación orbital de 2001 Odisea en el Espacio (1968), el hábitat en forma de Cilindro de O´Neill en la serie Babylon 5, la estación  de Star Trek: Espacio Profundo 9. También algunas de las naves espaciales en vuelos de larga duración incorporan secciones en rotación, particularmente en el campo de la ciencia ficción "dura" que muestra futuros cercanos y técnicamente verosímiles. Es el caso de la nave Discovery de 2001, la Alexei Leonov de la secuela 2010 Odisea Dos (1984), la Endurance de Interstellar (2014), y las naves de exploración marciana en Misión a Marte (2000) y Planeta Rojo (2000).

TRASLACIÓN Y ROTACION

Una vez introducido el concepto de centro de masas, el siguiente paso es utilizarlo para el estudio de la traslación de un sistema de partículas, para lo cual consideraremos que la rotación, de existir, es un movimiento que puede estudiarse de forma independiente. Un ejemplo de esta independencia lo tenemos en Moonwalker (1998), película rodada a mayor gloria del desaparecido Michael Jackson. En una escena (utilizada también para su videoclip Smooth Criminal), el protagonista entra en un garito de esos que no conviene visitar sin un arma bajo la chaqueta. Todas las miradas se giran en su dirección, pero él permanece impasible hasta que decide echar mano al bolsillo con un ademán brusco y chulesco.

Las pistolas se preparan para lo peor y la ensalada de tiros se huele en el ambiente, pero lo único que hace Jackson es sacar una moneda, que lanza al aire. Ésta recorre toda la sala desde un extremo al otro, girando en el aire con un tintineo metálico mientras realiza un perfecto movimiento parabólico. Se puede ver claramente cómo un objeto puede realizar una rotación al tiempo que se traslada como una partícula puntual. Ese es precisamente el motivo de haber dedicado varios capítulos a estudiar un objeto con masa puntual: no porque existan realmente en la naturaleza, sino porque representan el movimiento del centro de masas de un sistema.

Después de ocho segundos, la moneda entra en la ranura de una máquina musical y comienza el baile, cosa que no nos incumbe aquí. Lo que sí nos interesa es hacer números. La moneda fue lanzada con un ángulo inicial pequeño, casi horizontalmente, y en tal caso habría caído verticalmente una distancia de unos trescientos metros, lo que no es el caso. Michael Jackson tendría que haber lanzado la moneda casi verticalmente, y en ese caso hubiera alcanzado una altura de unos ochenta metros, algo difícil de conseguir en un recinto cerrado.

Por supuesto, podríamos considerar que la escena fue mucho más breve, y que esos ocho segundos no son de tiempo real sino de tiempo extendido (elapsed time), un viejo truco de director de cine para dar mayor teatralidad a una escena determinada. No tenemos inconveniente desde aquí, aunque es de lamentar que eso no nos permita disponer de un buen ejemplo. Si acaso, podríamos animar a los alumnos a que estimen cuánto tiempo estaría la moneda en vuelo en un caso real, y si no creen los números que obtienen siempre podemos lanzar una moneda al extremo opuesto del aula, a ver qué sucede.

Eso sí, hay un fallo en la escena que no puedo dejar de mencionar y que no  tiene disculpa. Al comienzo podemos ver claramente cómo la moneda gira alrededor de un eje horizontal; pero cuando entra en la ranura del tocadiscos, la moneda se encuentra en posición vertical. Eso no es posible a menos que la moneda haya cambiado su eje de giro noventa grados. Los chicos de los efectos especiales tuvieron aquí un fallo de continuidad. Limitémonos a dar las gracias a Michael Jackson por su espectacular aparición y sigamos adelante.

Para ver otro ejemplo de movimiento combinado de rotación y traslación, lo mejor será irnos al estadio. El director de cine Oliver Stone hizo Un Domingo Cualquiera (1999), su particular visión de los entresijos que hay tras un equipo de fútbol americano, y allí nos deja un par de escenas que nos resultarán muy útiles. Estamos en mitad de un partido. Los Sharks se preparan para hacer una jugada, alguien grita "Roger 8-16," los jugadores se mueven y el quarterback Beamen lanza el balón de fútbol (americano), un objeto con forma alargada. La cámara sigue el balón y nos muestra claramente cómo gira sobre su eje de simetría al tiempo que sigue una trayectoria parabólica.

En otra escena podemos ver con claridad cómo un jugador toca el balón con los dedos, justamente antes de soltarlo, con el fin de imprimirle el movimiento de rotación. De ese modo la trayectoria parabólica se verá menos afectada por efectos debidos al viento o al rozamiento con el aire. Se trata de secuencias de varios segundos de duración, acompañadas de una buena banda sonora musical, que resultan apropiadas en una sociedad como la nuestra amante de los deportes (de ver deporte practicado por otros, quiero decir).

Utilizar la rotación para estabilizar la trayectoria de un objeto es una táctica que los militares descubrieron hace siglos. Si queremos un ejemplo de película, nada mejor que la serie de 007. Aunque cada película es distinta a las demás, hay algunos elementos que permanecen constantes. Uno de ellos aparece al comienzo, cuando James Bond aparece dentro de un círculo blanco rodeado por un marco negro; nuestro héroe se gira, dispara y la escena se tiñe de rojo sangre. Quizá sin saberlo, el espectador está presenciando la aparición de un francotirador que intenta acabar con la vida del agente secreto. ¿No recuerda que en el marco negro se pueden observar estrías gris oscuro? Representan el rayado del cañón de un arma, y cuyo propósito es dotar de un movimiento de rotación a la bala saliente.

Podemos ver un ejemplo de cañón de ánima rayada en la película de animación Valiant (2005), pero mejor nos buscamos un ejemplo a mayor escala. ¿Qué tal un cañón de gran calibre, como el de un acorazado? Hemos visto muchas películas que promocionan la venta de juguetes y juegos de mesa, pero pocas tan atrevidas y descaradas como Battleship (2012), que toma como excusa una invasión alienígena para jugar al viejo juego de la guerra de barcos. La situación es crítica. Un grupo de exploración extraterrestre se dispone a enviar un mensaje al grueso de sus fuerzas de invasión, y la tecnología militar terrícola se muestra impotente para detenerlos. La única unidad militar capaz de enfrentarse a ellos es un viejo acorazado norteamericano de la Segunda Guerra Mundial.

Solamente les queda un disparo. Los artilleros, tan viejos como el propio barco, han conseguido por fin cargar el cañón. El oficial da la orden de fuego, y un proyectil asciende por la boca de fuego, perfectamente estriada para provocar un movimiento de rotación. Por supuesto, los extraterrestres reciben lo suyo, y la última visión del comandante de las fuerzas invasoras es un proyectil girando sobre su eje y dirigido directamente hacia él. Nadie se mete con la Tierra y se sale con la suya.

CONSERVANDO EL MOMENTO

Comencemos el estudio de la dinámica de un sistema. Podemos aplicar la segunda Ley de Newton y considerar todas las fuerzas, pero podemos demostrar fácilmente que las fuerzas internas entre las partículas del sistema no tienen efecto sobre la traslación. ¿Por qué? Sencillo: por cada fuerza que hay entre la partícula I y la J, habrá otra igual y de sentido opuesto entre la J y la I, de forma que las fuerzas internas se anularán a pares, dando una suma total de fuerzas internas igual a cero.

Eso nos deja solamente las fuerzas externas. Si dichas fuerzas no existen, o si suman una cantidad nula, el centro de masas continuará su movimiento rectilíneo uniforme (o bien continuará en reposo). Esto nos lleva a una ley de conservación para una cantidad llamada momento lineal (antiguamente conocida por el nombre de cantidad de movimiento) y eso nos permite resolver problemas. En general los físicos se ponen muy contentos cuando pueden postular una ley de conservación, ya que eso permite resolver problemas de manera más sencilla.

El ejemplo típico usado por profesores de Física de todas partes es el de los dos patinadores que se encuentran en mitad de un lago helado, inicialmente en reposo y por tanto con momento lineal cero. En un momento dado un patinador empuja al otro para alejarlo de él, y esa acción implica automáticamente un movimiento propio (ley de acción y reacción, recuerde). De esa forma, se introduce al alumno al concepto de conservación del momento lineal.

He de admitir que el ejemplo del lago, aunque bueno, no es muy afortunado como herramienta docente. ¿Cuántos de mis alumnos han visto con sus propios ojos un lago helado? ¿Hay siquiera uno que haya patinado sobre hielo? Incluso si sustituimos el lago por una pista artificial de patinaje sobre hielo e imaginamos que un día uno de ellos hizo el experimento, puede que su experiencia sea distinta a la descrita en el libro de texto ya que estamos despreciando el rozamiento con el hielo y con el aire. Es mejor irse al cine y buscar ejemplos.

Encontraremos gran cantidad de escenas para escoger, y casi todas son de mala física. Es casi un cliché en las películas de superhéroes que uno de ellos, para demostrar su fuerza, arroja a otro a una gran distancia sin sufrir en sus carnes la fuerza de reacción, violando con ello el principio de conservación del momento lineal. Ese tipo de escenas se introduce para dar la impresión de que el superhéroe malvado tiene una gran fuerza, cuando lo único que transmiten es una ignorancia supina de la Tercera Ley de Newton.

Como caso ilustrativo volvamos a Spiderman (2002). El Duende Verde está haciendo estragos en Times Square. Spiderman, siempre alerta, corre hacia el malo y le lanza un puñetazo, pero el Duende Verde apenas se mueve. Si estuviese en un lago helado sí que tendría que haber retrocedido, pero el rozamiento de sus zapatos con el suelo proporcionan la fuerza externa que cambia el momento lineal en la justa medida. El problema viene cuando el Duende contraataca mediante una patada que lanza al pobre trepamuros al otro lado de la plaza, donde acaba rompiendo una farola. Durante el proceso, el Duende Verde no se ha movido ni un milímetro.

Por experiencia propia puedo decir que esta escena constituye un ejemplo de gran eficacia pedagógica. Habitualmente suelo explicar a los alumnos la ley de conservación del momento lineal, les menciono el ejemplo típico de los patinadores en el lago de hielo, y ellos creen haber entendido el concepto. A continuación les muestro la escena de la pelea entre Spiderman y el Duende Verde, y es entonces cuando realmente aprenden lo que significa. Los susurros de "jo, qué tramposos" son prueba clara de que por fin entienden el concepto.

También hay buena física. En Matrix Revolutions (2003), Neo y el agente Smith escenifican el combate final entre los buenos y los malos. Durante dos escenas distintas vemos el principio de conservación del momento lineal bien aplicado. En ambos casos los dos luchadores reciben sendos puñetazos de forma simultánea, y los dos salen volando hacia atrás. Resulta satisfactorio ver cómo, en un universo creado por ordenador donde todo es una simulación digital, hay quien se preocupa por mantener en vigor algunas leyes de la Dinámica.

Volvamos a la mala física y aprovechemos una de las escenas más famosas del cine de ciencia ficción para hacer algunos números. Nos encontramos en mitad de Terminator 2 (1991). La policía ha rodeado la sede de la empresa Cyberdine, en cuyo interior los protagonistas intentan detener la futura rebelión de las máquinas. El Terminator recoge toda su artillería y desde una ventana ametralla los vehículos policiales con un cañón multitubo. Podemos estimar el valor del impulso lineal recibido por las balas, y a partir de ahí calcularemos la fuerza media sobre Terminator.

Cronómetro en mano vemos que el tiroteo dura cuarenta segundos. Necesitamos más datos, como la masa de los proyectiles, su velocidad de salida y la cadencia de tiro. En este caso echaremos mano de la Wikipedia, ya que el arma usada existe realmente: se trata de una M-134 de General Electric, que dispara proyectiles estándar NATO calibre 7,62 mm a una cadencia de unos 2.000-6.000 disparos por minuto (variable) y a una velocidad de unos 870 metros por segundo. La masa de los proyectiles es variable (dependiendo del tipo) pero puede estimarse en unos 9,5 gramos.

Supongamos una cadencia media de 4.000 proyectiles por minuto. Con esos datos, el número de balas disparadas en 40 segundos es de 40*4.000/60 = 2.667, con una masa total es de 0,0095*2.667 = 25,3 kilogramos. Esa masa, disparada a 870 metros por segundo, representan un impulso mecánico igual a 22.040 kg∙m/s. Esa será la variación en el momento lineal del Terminator, que a su vez será igual a la fuerza media (ejercida por las balas sobre él) dividido por el tiempo transcurrido. La división 22.040/40 nos da la fuerza media sufrida por el Terminator, unos 550 Newtons. Una persona de 80 kilogramos de masa necesitaría unos zapatos con un coeficiente de rozamiento de 0,7 para no salir disparado hacia atrás. Suponemos que nuestro cyborg tiene una mayor masa, por lo que unas botas recias podrían ser suficientes para proporcionar el rozamiento suficiente.

En este punto debo disculparme con James Cameron y enmendar un grave error de novato. Cuando hice los cálculos la primera vez, con el objeto de usar esa escena en clase, miré la masa de los proyectiles en Internet, que es de unos 9,5 gramos como he dicho antes, y la convertí en 0,095 kilogramos, es decir, una cantidad diez veces mayor. Como consecuencia, la fuerza media de retroceso resultaba ser una cantidad demasiado grande para que Terminator aguantase de pie sin salir disparado hacia atrás. He criticado al pobre cyborg durante mucho tiempo, y ahora aprovecho la oportunidad para disculparme y enmendar mi error.

En cualquier caso los protagonistas de las película Depredador (1987) y Predators (2010), que también han de utilizar armas semejantes, pasaron más apuros que Terminator, y es que ese nivel de retroceso, aunque puede ser aceptable para un ser humano, no es nada fácil de controlar. Por eso las M-134 no suelen ser usadas por soldados de a pie sino montadas en vehículos.

FRENA CON SUAVIDAD

Los ejemplos anteriores son representativos de cómo la ley de conservación del momento lineal resulta útil cuando las fuerzas que actúan son intensas, breves y de valor desconocido. En tales casos podemos sustituir dicha fuerza por una fuerza media Fm que actúe de modo equivalente, es decir, que su aplicación durante un intervalo de tiempo Δt produzca la misma variación en el momento lineal de una partícula Δt según la expresión Δp=FmΔt (por supuesto, la relación es vectorial, pero aquí vamos a centrarnos en el módulo de los vectores). Esas tres variables permiten comprender algunos fenómenos que vemos en la vida real.

Por ejemplo, ¿para qué sirven los cinturones de seguridad en un coche? Todos tenemos una idea intuitiva, por supuesto, pero es hora de fundamentarla con razonamientos físicos. Se trata de uno de esos casos en los que una variación determinada de momento lineal se extiende a lo largo de un intervalo de tiempo mayor. La razón de ser del cinturón de seguridad no es otra que alargar Δt, y en consecuencia reducir la fuerza media Fm sobre los ocupantes.

Idéntica consideración puede hacerse para los airbag. En la película El Último Gran Héroe (1993), Arnold Schwarzenegger se enfrenta al malo de turno. Bueno, realmente se trata del personaje ficticio Jack Slater, quien por un milagro salta de la gran pantalla al mundo real. El malvado Benedict también lo ha hecho, y en su primer enfrentamiento se lanzan el uno contra el otro en sendos vehículos. Danny, el amigo de Slater, intenta disuadirle sin éxito ("Esto ya no es una película, Jack. Aquí hay que recargar las armas, los accidentes te pueden matar"), y observa impotente cómo ambos coches se estrellan en una colisión frontal inelástica.

Sorprendentemente Jack sale del coche ileso aunque algo magullado. Cuando Danny le reprocha su mala cabeza, Jack le replica mostrando sus propios conocimientos de física: "[Señala a su vehículo] Un Mercury Sable del 89, con airbag de serie para el conductor. [Señala al vehículo del malo] Taxi Checkers, sin airbag. ¿Quién es idiota?" Por supuesto, no es bueno hacer creer a un niño que con llevar airbag uno se convierte en invulnerable, pero al menos sirve para ilustrar los riesgos de viajar sin airbag o cinturón de seguridad.

En las carreteras suelen habilitarse zonas donde un camión puede decelerar con seguridad, y en ciertos puntos se colocan defensas de agua o arena para que un coche pueda detenerse de forma suave en caso de perder el control. Hay muchos ejemplos en el cine, así que escogeré uno perteneciente a Matrix Reloadad (2003). Durante la famosa escena de la autopista, Trinity empuja a un vehículo policial justo en un punto donde aparece una salida. El desdoblamiento está protegido por un conjunto de bidones de plástico llenos de agua, contra los que se estrella el coche de policía. De esa forma se sigue produciendo una colisión violenta pero a un nivel tal que permite salvar las vidas del vehículo siniestrado.

La táctica de aumentar el tiempo de deceleración para disminuir la fuerza media tiene muchas más aplicaciones. Las alfombras y las zapatillas cómodas nos permiten pisar suavemente, y el mismo hecho de tener articulaciones facilita una caída suave. Incluso cuando el hombre de acero aterriza para detener al malvado Lex Luthor en Superman Returns (2006) flexiona las piernas, aunque sospecho que se trata más de un acto cara a la galería porque ese movimiento logra acortar la distancia de frenado en unos pocos centímetros solamente. Algo similar le sucede a Bruce Banner en Hulk (2003).

Los acróbatas del circo están protegidos de caídas accidentales por una red de seguridad que aumenta el tiempo de deceleración y, en consecuencia disminuye la fuerza media sobre ellos. Los colchones colocados por los bomberos para las personas que se ven obligadas a saltar de una ventana hacen el mismo efecto. No recuerdo muchas películas sobre circo, pero sí me viene a la mente un ejemplo relativo a colchones. En El Juego (1997), el protagonista se tira cae desde la azotea de un rascacielos. Se trata de una caída controlada (¡aunque él no lo sabe!), y para tal efecto se ha colocado un enorme colchón de varios metros de grosor en el suelo. La norma "si el tiempo de impacto aumenta la fuerza media disminuye" se aplica de nuevo y el personaje sale por su propio pie, sin más daño que el susto.

Los ejemplos de deceleración brusca vistos hasta ahora son parte de lo que podemos denominar choques o colisiones, que no son sino procesos en los que dos partículas intercambian momento lineal en un proceso breve. Lo mejor para estudiar las colisiones es comenzar con el caso sencillo unidimensional. Si suponemos ausencia de fuerzas externas podemos aprovecharnos de que el momento lineal es constante, lo que nos da una ecuación.

El problema es que, si queremos conocer las velocidades de los dos cuerpos después de la colisión, necesitamos una segunda ecuación. Podemos suponer el caso particular en que también la energía cinética se conserva, y es cuando tenemos la colisión elástica. Tenemos ejemplos de este tipo de choques en películas con temática de billar como El Buscavidas (1961) o El Color del Dinero (1986), en la que se aprecian multitud de colisiones de las bolas de billar entre sí y con los bordes de la mesa.

En el espectro opuesto tenemos colisiones totalmente inelásticas, para las cuales las fuerzas deformadoras son tan grandes que las dos partículas acaban convertidas en una, como en el caso del choque entre dos bolas de plastilina. Ahora no se conserva la energía, pero puesto que ambas partículas se funden en una sola ya sabemos que la velocidad de ambas tras la colisión será la misma, por lo que basta con la ecuación que describe la conservación del momento lineal.

EJEMPLO DE PELÍCULA: HANCOCK CONTRA EL TREN

Resulta especialmente revelador el caso en que una de las partículas tiene una masa mucho mayor que la otra. En esas condiciones, el movimiento del sistema será prácticamente el mismo que el de la partícula más masiva. Por eso la velocidad de nuestro coche no se altera cuando un mosquito se estrella contra el cristal, y por eso el objeto con menos masa lleva las de perder en una colisión.

Ese no es el caso de Hancock (2008), ese anti-superhéroe que bebe como un cosaco y pasa de ayudar a la gente porque no tiene fortuna ni cuando lo intenta. En una ocasión un pesado tren se dirige a toda máquina contra un paso a nivel, donde uno de los protagonistas se encuentra bloqueado en su coche. De repente aparece Hancock, y ni corto ni perezoso aleja el coche de un topetazo; a continuación se prepara para detener el tren con su hombro.

Puesto que el tren tiene mucha más masa, la situación final debería ser la del mosquito empotrado en el cristal, donde Hancock haría el papel de mosquito. Sin embargo, el director Peter Berg decide que nuestro súper haga un Duende Verde y el resultado es que, en efecto, Hancock acaba empotrado contra el tren... pero ambos se detienen. Por cierto, la acción de Hancock no solamente resulta irreal desde el punto de vista físico sino también innecesaria. El motivo es que, al apartar el vehículo del protagonista, Hancock consigue despejar la vía, de modo que su colisión contra el tren resulta totalmente innecesaria. No es de extrañar que la gente no le quiera.

También el enmascarado de la capa negra comete este error. En una escena de Batman el Caballero Oscuro (2008) el batmóvil se estrella contra un camión de basura. Ambos vehículos quedan empotrados, y a pesar de que el camión parece tener una masa considerable el batmóvil lo arrastra como si de un mosquito se tratase, sin variación alguna en la velocidad.

Nuevamente tenemos una violación de la ley de conservación del momento lineal, que además resulta innecesaria para el desarrollo de la película. Parece como si los protagonistas fuertes tuviesen licencia para crear sus propias leyes, y cuanto más fuerte eres menos te mueves si te golpean. No se trata de fuerza, señores de Hollywood, se trata de masa.

Y para que conste, terminemos con un ejemplo de buena física. En la película Los Vengadores (2012), Thor y Hulk luchan codo con codo contra los malos habituales. Aunque son aliados, el grandullón verde se la tiene jurada al rubito dios nórdico, y en un momento dado alza el brazo y le da un puñetazo. En este caso, la mayor masa de Hulk hace que apenas se mueva, en tanto que el musculoso pero relativamente alfeñique Thor sale despedido con rapidez. No en vano los cómics antiguos traducían el nombre de Hulk como La Masa.

6 - ROTACIÓN

- Usted, señor, se ha saltado por completo la parte en la que yo paseaba y vi a unos niños subidos a un tiovivo, lo que me hizo pensar en el momento de inercia de los gases como el helio a temperaturas cercanas al cero absoluto... ¡cuidado los de la primera fila, pueden salpicar sesos!

(Sheldon Cooper)

LOS PROBLEMAS DE LA ROTACIÓN

Cuando yo era estudiante de Física, una de las cosas que se me grabaron con más fuerza en el cerebro fue la dificultad de estudiar la rotación en un sistema de partículas. Acostumbrado a la facilidad con que se trataba la traslación, creí que el resto sería tan sólo algo más complejo. ¡Iluso de mí! Afortunadamente la mayoría de los casos prácticos de rotación son razonablemente sencillos, pero de todos modos suelo poner a mis alumnos en guardia sobre la dificultad de la rotación general, no vayan a creerse que todo el monte es orégano.

Al estudiar el movimiento de rotación de un sistema, una de las primeras cosas que aprende uno es la dificultad de trabajar en el habitual sistema de coordenadas cartesianas, que hasta este momento ha sido el más cómodo y útil para estudiar la cinemática de una partícula. Ahora hay que cambiar el chip, porque cuando se trata de un sistema girando en torno a un eje nada mejor que el sistema de coordenadas polares. Este cambio resulta particularmente útil en el caso de rotaciones en las que la distancia al eje de giro es constante, ya que solamente hay que considerar la evolución temporal de la coordenada angular. Surgen así los conceptos de velocidad y aceleración angulares.

Las coordenadas polares simplifican asimismo la tarea de estudio cuando consideramos el llamado sólido rígido. Este cuerpo idealizado consiste en un sistema de partículas cuyas distancias relativas permanecen constantes. Una de sus consecuencias es que las partículas pueden tener diferentes velocidades lineales pero la misma velocidad angular (ángulo barrido por unidad de tiempo), lo que representa una clara simplificación del comportamiento cinemático de un sistema.

Un ejemplo cinematográfico útil es el de la típica estación espacial orbital, donde una estructura gira en torno a un eje con una velocidad angular constante, lo que proporciona una aceleración no inercial que hace de sustituto de la gravedad. Para ilustrarlo con un ejemplo del que podamos extraer datos numéricos volvamos a 2001 Odisea en el Espacio (1968). En una escena podemos ver cómo una nave espacial se acerca a una estación orbital que gira. La rotación induce una aceleración artificial análoga a la gravitatoria sobre la superficie terrestre, y que podemos relacionar con el radio de la estación y el período de giro.

Podemos expresar la aceleración centrípeta como a=4π²R/T². El período de rotación, fácil de obtener con un cronómetro, es de T=52 segundos. En realidad no podemos medir un período completo porque la escena no es lo bastante larga, pero resulta fácil medir un cuarto de período (la estructura de la estación lo facilita) y multiplicar el valor obtenido por cuatro. Para que la aceleración a sea igual a los 9,8 metros por segundo al cuadrado a que estamos acostumbrados los seres humanos, el radio R ha de tener un valor de 670 metros.

¿Es eso factible? De momento no. La Estación Espacial Internacional, la mayor estructura creada por el hombre en el espacio, tiene una longitud que apenas supera el centenar de metros, lo que convierte nuestro valor de R en poco creíble. Por supuesto, hay que tener en cuenta la perspectiva histórica. Odisea en el Espacio fue rodada a finales de los años sesenta, cuando el programa Apolo estaba a punto de llevar hombres a la Luna y la carrera espacial parecía no tener límites. Era una época de optimismo, y Stanley Kubrick no tenía problemas en imaginar un futuro donde el ser humano explora los planetas gigantes y hace viajes a la Luna de forma casi rutinaria.

Estaciones espaciales para un niño de los setenta. Ninguna se hizo realidad y la empresa que las diseñó ya no existe

Siguiendo con la cinemática, podemos estimar la velocidad angular ω=v/R de la estación en unos 0,12 radianes por segundo, y la velocidad lineal del anillo exterior en 81 metros por segundo. Por cierto, compañero profesor, si continúa usted utilizando el ejemplo de los discos de vinilo para expresar velocidades angulares, le recomiendo que no lo siga haciendo. Hablar de LPs a 33 rpm y de singles a 45 rpm suena tremendamente viejuno en una época en la que incluso los discos DVD están quedando rápidamente obsoletos.

Tenemos un segundo ejemplo de movimiento de rotación en la película 2001. Para que los astronautas puedan sobrellevar los largos viajes de exploración, la nave Discovery dispone de una sección en rotación. Una persona puede moverse a lo largo de la pared interior de un cilindro como si existiese gravedad. Ya hablamos de esta escena en el capítulo dedicado a Dinámica de la partícula para mostrar el efecto de las llamadas fuerzas inerciales. Ahora que sabemos qué es la velocidad angular podemos hacer cálculos.

En este caso no podemos conocer el período, pero sí estimar el diámetro de la sección en rotación, que es de unos 12 metros. Para alcanzar una aceleración similar a la gravitatoria, tendría que girar con un período de 4,9 segundos, lo que nos da una velocidad angular de 1,27 radianes por segundo, y una velocidad lineal de 7,8 metros por segundo.

Podemos ver otros sistemas orbitales de tamaño mediano en rotación, como las de las películas Planeta Rojo (2000) y Misión a Marte (2000). Ambas fueron exhibidas el mismo año y describen un vuelo espacial tripulado a Marte. En lo que respecta a la rotación de objetos en el espacio, ambas películas tienen rasgos particulares. Misión a Marte nos permite ver una Estación Espacial Mundial similar a la actual pero con el añadido de una sección rotatoria en forma de anillo. Eso es una mejora respecto a la actual Estación Espacial Internacional, donde los astronautas han de pasar su tiempo de servicio en estado de ingravidez aparente. En el caso de Planeta Rojo, la nave dispone de dos secciones que giran en sentidos contrarios, y como veremos más adelante eso significará una ventaja a la hora de maniobrar.

GIRAMOS, SÍ, PERO ¿POR QUÉ?

El efecto en la rotación es producir un giro, pero ¿cuál es la causa? El responsable último es una fuerza, pero hay factores adicionales. Al estudiar la traslación no importaba realmente en qué punto del cuerpo se aplicaba la fuerza; en el caso de la rotación, tan importante es el valor de la fuerza como el punto de aplicación de ésta. La causa de la rotación se describe por medio de una cantidad llamada momento de fuerza. Ese momento depende del eje de giro (más correctamente, de un punto llamado origen de momentos) y de la fuerza en sí. Las características del momento de fuerza hacen que, para abrir una puerta, apliquemos una fuerza perpendicularmente a ella tirando del picaporte, que ha de estar lo más lejos posible de las bisagras; de ese modo conseguimos el momento de fuerza máximo para una fuerza determinada.

Por supuesto, usar imágenes de cine en las que los actores abran o cierren puertas resultaría bastante insípido, así que vamos a fijarnos en un fenómeno muy típico del cine de acción: la caída de un vehículo por un precipicio. Habitualmente vemos que el cuerpo hace un movimiento de tipo parabólico (descontando rozamientos), pero también se observa que el coche va girando sobre sí mismo.

Si el giro inicial es pequeño, la dirección del eje longitudinal del coche será la misma que la de la recta tangente a la trayectoria. De ese modo, podemos ver cómo la inclinación del plano principal del coche irá aumentando cada vez más rápidamente. En otros casos, por el contrario, el vehículo gira con rapidez apenas salta, y ese giro hará que caiga al suelo en un ángulo pronunciado (en ocasiones el coche gira hasta colocarse boca arriba, con gran efecto visual).

¿Qué hace que un vehículo que salta gire? El tratamiento simplificado pasa por suponer una partícula puntual, lo que nos da el típico movimiento parabólico, pero eso no explica la rotación. Ahora podemos profundizar un poco más. Imaginemos el típico coche de dos ejes. Cuando el par de ruedas delanteras deja de tocar el suelo, la fuerza gravitatoria produce una rotación en torno a las ruedas traseras, lo que hace que el morro tienda a bajar.

En otros casos, por el motivo que sea, el coche puede tener un movimiento inicial de rotación más agudo que puede llegar a volcarlo cuando toca el fondo del barranco. A menos que haya baches antes del salto, la única explicación plausible es que el director hizo trampa y dotó al vehículo de una rotación inicial para conseguir una colisión espectacular contra el suelo.

Tenemos gran cantidad de buenos ejemplos de cine para elegir, pero prefiero centrarme en los malos. Un efecto de director tramposo lo tenemos en Speed (1994). Olvidemos por un momento el fallo de traslación, que ya examinamos en su momento. Además de caer, el autobús debió ir girando, de forma que veríamos la cabina del conductor caer más rápidamente que la parte posterior. Lejos de observar eso, la escena nos presenta un autobús que salta ¡con el morro apuntando hacia arriba! Desde el punto de vista cinematográfico es necesario si se desea que, tras el salto, ambos trenes de ruedas impacten contra el suelo de forma simultánea. De ese modo, el famoso salto del bus es erróneo tanto en traslación como em rotación.

Pero incluso este ejemplo palidece ante uno que descubrí recientemente en la película Operación U.N.C.L.E. (2015). Es ya habitual utilizar de forma masiva los efectos especiales en una película, no solamente para escenas espectaculares imposibles de realizar de otra forma sino también en tomas habituales que salen más baratas por ordenador. A veces se observan fallos tontos, como una escena de la película Crepúsculo (2008) en la que aparece claramente un camión de 18 ruedas discurriendo por una calle del pueblo... sin conductor al volante.  En Operación U.N.C.L.E. tenemos un camión saltando unos tres metros desde un muelle al agua. Un visionado a cámara lenta muestra cómo, en cuanto las ruedas traseras dejan de tocar el suelo, todo el camión se traslada en movimiento parabólico ¡sin la menor rotación!

Lanzar vehículos por un acantilado no es la única forma de hacer girar un coche. Don Siegel buscó una manera original (y más barata) de volcar un coche para Harry el Sucio (1971). Al comienzo de este film, el inspector Harry Callahan dispara contra un ladrón de bancos que intenta huir en coche. El conductor pierde el control y su coche impacta contra una boca de riego. En el acto salta un grueso chorro de agua en vertical que, al impactar contra el suelo del coche, lo hace volcar 90 grados.

Una fuerza aplicada correctamente sobre un cuerpo produce un movimiento de rotación y uno de traslación. Hay ocasiones en las que solamente deseamos traslación, y por eso es importante que los motores del avión o la astronave se encuentren alineados con el centro de gravedad, ya que así el momento de fuerzas será cero y no habrá rotación. Hay muchos ejemplos correctos de cine donde este principio se respeta, desde los cazas de Top Gun (1986) hasta el Halcón Milenario de La Guerra de las Galaxias (1977). En el lado opuesto, los motores de dilitio de la USS Enterprise (en Star Trek la Serie Original) están muy mal alineados, hasta el punto de que resulta difícil imaginar cómo el señor Sulu puede pilotarla sin dar tumbos por el espacio.

En el lado opuesto, hay ocasiones en las que deseamos tener una rotación pura sin traslación alguna. En tal caso suelen usarse dos fuerzas con sentidos opuestos, que se anulen a efectos de traslación pero produzcan momentos de fuerza del mismo sentido para la rotación. Es lo que se denomina par de fuerzas.

En El Mundo Nunca es Suficiente (1999), el agente 007 nos muestra un espectacular ejemplo de un par de fuerzas. Nuestro agente secreto navega ágil y rápidamente por el Támesis en persecución de una bella asesina que intenta escapar. Sin inmutarse por el aluvión de balas que recibe, la lancha blindada de Bond hace un salto en el aire, y durante unos segundos podemos ver que dicha lancha no solamente hace el reglamentario arco parabólico, sino que también gira sobre su eje longitudinal.

Dos chorros de gas, claramente visibles en la escena, son los responsables. Uno de ellos apunta hacia arriba y el otro hacia abajo. Podemos usar ese hecho, junto con la suposición de que las toberas se encuentran en el mismo plano que el centro de masas, para concluir que los momentos de fuerza se encuentra en la misma dirección del eje de giro. Eso producirá una aceleración angular sobre ese eje, lo que nos lleva finalmente a una rotación con velocidad angular a lo largo de ese mismo eje y con el sentido apropiado.

Es decir, deducimos matemáticamente lo que los alumnos ya se imaginan: una rotación sobre el eje de la lancha. Por cierto, que tan curiosa pirueta no tiene ningún sentido en la película, ni tampoco es necesaria de modo alguno salvo como elemento espectacular. No me quejo, por supuesto; al contrario, me alegro de que me hayan puesto en bandeja un ejemplo tan pulcro y bien filmado.

Del mismo modo, en el fondo me alegro de que hayan hecho una película como El Núcleo (2003), porque proporciona excelentes ejemplos de mala física. Imagine usted que, por algún motivo desconocido, el núcleo externo de nuestro planeta, una masa ingente de hierro líquido, de repente dejase de girar. Según esta película las consecuencias serán terribles: el escudo electromagnético que nos protege desaparecerá, las radiaciones solares de microondas freirán la superficie, moriremos todos, etcétera.

El Núcleo nos muestra los esfuerzos de un grupo de científicos por restaurar la rotación del núcleo terrestre. La solución, como suele ser habitual en estos casos, es echar mano de las armas nucleares. El doctor Zimsky prepara una simulación para poder ver el efecto de una detonación nuclear en el núcleo externo. El frente de la explosión rebota en el núcleo interno y en el manto, expandiéndose hasta que adopta una forma asimétrica que supuestamente hará girar de nuevo el núcleo externo líquido.

Incluso suponiendo que la fuerza de la explosión fuese lo bastante intensa, un argumento de simetría deshace el plan. En efecto, supongamos una gran explosión en alguna parte del núcleo externo. Si esa región es homogénea, podemos imaginarnos la onda de choque como una gran superficie esférica. Por cada elemento de la superficie de la onda de choque que empuje al núcleo para hacerlo girar en un sentido, habrá otro elemento en el lado opuesto de la superficie que empuje en sentido opuesto. Es decir, los momentos de fuerza creados por la explosión se irán anulando, y el resultado neto es que no habrá rotación. Eso por no hablar de que la fuerza de la explosión sea suficiente para mover la inmensa cantidad de material líquido que posee el núcleo externo. Si nuestros cálculos para el asteroide de Armageddon nos indicaban que nos quedábamos cortos, aquí no va a ser distinto.

Lo cierto es que El Núcleo es una de las peores películas en cuanto a contenido físico se refiere, y creo que si no existiese los profes tendríamos que inventarla, pero tomemos ahora un ejemplo de buena física de rotación. Estamos en Misión Imposible (1995), y el agente secreto Ethan Hawke ha de descolgarse desde el techo para extraer información en una sala ultrasegura. Los cables que le sustentan ha de cumplir las condiciones de estática para la traslación igual que para la rotación. La primera condición es sencilla: sumatoria de fuerzas igual a cero. Podemos suponer que actúan tres fuerzas sobre Ethan Hawke: la gravedad, la tensión del cable y la fuerza de reacción sobre sus manos cuando se apoya en el teclado del ordenador.

Esta última fuerza es pequeña y podríamos considerarla nula a efectos de traslación, pero sería fatal para la rotación. ¿Por qué? Pues porque, aunque sea pequeña en valor absoluto, producirá una rotación apreciable. Es el momento de aplicar la segunda condición de estática: sumatoria de momentos de fuerza igual a cero. No queremos que el pobre Hawke se ponga a dar tumbos mientras hace de acróbata, así que la solución es hacer que los cables le sujeten algo más abajo de su centro de masas. De ese modo, los momentos de fuerza debidos a la tensión de los cables y a la fuerza de las manos sobre el teclado se anularán. En cuanto a la tercera fuerza, el peso de Hawke, podemos olvidarla porque tiene un momento de fuerza nulo y no producirá efecto de cara a la rotación.

Cuando un objeto está apoyado sobre otro, como por ejemplo una silla sobre el suelo, los puntos de contacto ejercen fuerza sobre la superficie de apoyo; dicha superficie, a su vez, ejerce una fuerza de reacción sobre el objeto. La distribución de fuerzas sobre la silla es tal que sumen cero, pero también ha de cumplir que la suma de momentos es igual a cero, o de otro modo volcaremos. Suele suceder, por ejemplo, cuando nos encontramos sentados en una silla a dos patas. Intentamos equilibrarla de modo que no nos caigamos, pero si nos echamos demasiado hacia atrás el golpe está asegurado. Para evitarlo, Homer Simpson inventó un remedio: en el episodio El Mago de Evergreen Terrace (5x21) atornilló un par de patas adicionales que se extienden cuando la silla va a caer hacia atrás.

En general, podemos observar lo siguiente: cuando la vertical del centro de gravedad queda dentro de la superficie que forman los puntos de contacto de un cuerpo con el suelo, la fuerza gravitatoria produce un momento de fuerza que tiende al cuerpo a volver a la posición original (equilibrio estable); por el contrario, si se encuentra fuera de esa superficie el momento de fuerza volcará el cuerpo.

Si el lector ha visto la película original de Karate Kid (1984), recordará la escena en la que el protagonista ha de efectuar una labor de equilibrio llamada patada de la grulla. Para conseguirlo, el futuro karateca ha de mantenerse sobre un solo pie. Al extender las demás extremidades y moverlas levemente, consigue ajustar el centro de masas para que éste se encuentre alineado verticalmente con la superficie de contacto.

Como sabrán los fans del cine, el término inglés cliffhanger [“colgando de un acantilado”] se utiliza para indicar un final de película o de serie en el que aún queda algo pendiente de resolver. Ya saben, finales del tipo “¿logrará el Llanero Solitario escapar del final que le espera? ¡No se pierdan el próximo episodio!”

Resulta que la escena final de Un Trabajo en Italia (1969) es un perfecto ejemplo de “cliffhanger” tanto figurada como literalmente (ojo, spoilers). El golpe ha tenido éxito, y nuestros alegres ladrones se dirigen hacia la frontera suiza. Justo cuando se las prometían más felices, un inesperado accidente hace que el autobús en el que escapan acabe al borde del precipicio. La mitad posterior del vehículo queda colgando del vacío, incluyendo la pesada carga de lingotes de oro; en el lado opuesto, los ladrones se apiñan para hacer contrapeso.

En esas condiciones, el centro de gravedad del autobús y su contenido se encuentra en tierra, pero por muy poco margen. Basta con que el oro se desplace un poco hacia atrás, o que uno de los ladrones intente saltar del autobús, para que todo acaben en el fondo del barranco.  En ese momento el jefe dice “un momento chicos, se me acaba de ocurrir una gran idea,” pero los espectadores no sabrán cuál ¡porque justo en ese momento entran los títulos de crédito y se acaba la película!

El problema “cliffhanger” de Un Trabajo en Italia permaneció sin resolver hasta que en 2008, (coincidiendo con el 40 aniversario de la película) la Real Sociedad de Química del Reino Unido lanzó un concurso en busca de ideas para resolverlo. La solución debía cumplir las siguientes tres condiciones: tener base científica, ser factible en menos de 30 minutos (recuerden, la Mafia viene pisándoles los talones) y nada de usar helicópteros.

En la solución finalmente escogida, los ladrones rompen los vidrios de la parte posterior del autobús y ponen en marcha el motor hasta que se agota la gasolina, lo que reduce la cantidad de peso en  la parte trasera y acerca el centro de gravedad más hacia tierra. Una vez hecho, uno de los ocupantes salta del autobús y comienza a lastrarlo con piedras para estabilizarlo, hasta que finalmente los ladrones pueden salir y descargar el oro.

Ya están libres, pero ¿no es una lástima que tengan que abandonar el oro tras tantas penalidades? John Godwin, el autor de la solución, sugiere que podrían esperar a que pase un vehículo y tomarlo. Dependiendo del sentido de la moral de los ladrones, pueden limitarse a robarlo, o bien pueden pagarlo con oro robado. A partir de ahí, no hay nada que les detenga hasta Suiza… salvo que sufran otro accidente, claro.

Menos suerte debería tener la protagonista de Aeon Flux (2005). La protagonista, interpretada por una Charlize Theron de cabello negro, salta ágilmente en medio de un campo de hierbas asesinas. Para evitar que las afiladas hojas de hierba acaben con ella, efectúa un acrobático salto a cuyo término solamente tiene un reborde cuadrangular de piedra para apoyarse. Con gran habilidad pone los pies en dos de esos rebordes. La vista superior de la escena queda espectacular, y nos muestra cómo nuestra heroína solamente se sustenta sobre sus dos pies, en una posición que le obliga a estirar las piernas hasta el límite. El problema consiste en que su tronco, brazos y cabeza se encuentran alineados horizontalmente. Eso hace que su centro de gravedad se encuentre tan alejado de sus pies que no tendrá más remedio que caer, igual que si se asomase demasiado a un balcón sin barandilla.

Alguien que también hace trampa, pero con fundamento, es el rey del pop Michael Jackson. Su modo de bailar se ha convertido en leyenda, comenzando por el famoso "moonwalk" en el que parece que se mueve hacia atrás cuando realmente está avanzando hacia adelante. Es precisamente en la película Moonwalker (1988), hecha para su lucimiento, donde Jackson parece violar las leyes de la estabilidad. En una escena del baile se inclina hacia adelante con una gran habilidad, su centro de gravedad pasa por delante de sus zapatos, y según las leyes que los profesores de Física enseñamos en clase debería caer al suelo. Pero no lo hace.

Debe haber algo que impida su caída, y ese algo es un pequeño saliente colocado en el suelo. Si está pintando del mismo color del suelo y la iluminación es la correcta resulta prácticamente invisible. El bailarín tiene un zapato trucado que está provisto de una oquedad en su suela. Cuando llega el momento, encaja con disimulo el zapato en el saliente del suelo, y eso le mantiene en lo que, visto desde fuera, parece un equilibrio imposible. Este truco es tan bueno que el propio Michael Jackson lo patentó en Estados Unidos; por si le interesa, se trata de la patente número US 5255452, que lleva el encantador y sugerente título de "método y procedimiento para crear una ilusión de anti-gravedad."

¿El secreto del Moonwalk? Ser un buen bailarín, y también tener unos zapatos patentados [Imagen USPTO]

El estudio de la rotación mediante la aplicación de un momento de fuerza es claramente visible en la película Un Domingo Cualquiera (1999). En una escena el delantero lanza el balón de fútbol y le imprime con la punta de los dedos un movimiento de rotación. Ese es el cómo, que ya describimos en su momento. Con la mecánica vectorial en la mano podemos ahora entender el por qué y explicar el sentido de giro para la rotación del balón.

RODADURA

En el caso general, la traslación y la rotación de un objeto no tienen por qué guardar relación entre sí. Nada mejor para comprobarlo que ver una película sobre carreras de coches. Este es uno de esos campos en los que el cine nos da gran cantidad de escenas, pero si desean una recomendación yo comenzaría a buscar en las películas de la serie A Todo Gas (Fast & Furious).

Por lo general, toda carrera comienza con una "pintada de pantera:" el coche comienza la traslación mientras las ruedas giran a gran velocidad, tanta que apenas agarran el asfalto. En este caso, la velocidad debida a la rotación v=ωR (donde R es el radio de la rueda y ω su velocidad angular) supera en mucho a la velocidad vcm debida a la traslación. Conforme el vehículo acelera, la velocidad lineal del centro de masas aumenta, y por otro lado el rozamiento con el suelo hace que la velocidad angular de la rueda disminuya. Cuando ambas velocidades se acompasen, es decir, cuando se cumpla la relación vcm=ωR, tendremos la condición de rodadura. Finalmente, cuando vin Diesel ha ganado la carrera (spoiler: vin Diesel siempre gana la carrera), aplica los frenos y la velocidad debida a la rotación se hace mucho menor que la de traslación: el coche patina.

La condición de rodadura vcm=ωR permite describir el comportamiento del punto de la rueda que está en contacto con el suelo. Resulta que la velocidad de ese punto es igual a cero, algo poco intuitivo. Para entenderlo, imaginemos un coche que se mueve hacia la derecha con velocidad v. Esa será también la velocidad de traslación de las ruedas. El punto de contacto, a su vez, tendrá una velocidad debida a la rotación igual a -ωR. La velocidad total será vcm-ωR, que en la condición de rodadura será igual a cero.

Podemos plantear aquí una interesante pregunta: ¿en qué dirección se moverá el punto de la rueda que está en contacto con el suelo? Hay respuestas de todos los tipos, pero pocos de mis alumnos aciertan con la solución correcta: se mueve hacia arriba. Es posible que no lo vean claro, pero no hay más que dibujar la rueda en varios instantes para verlo claro. El punto de contacto describirá una curva llamada cicloide, y puesto que es difícil que el alumno vuelva a verla en su vida ¿por qué desperdiciar esta oportunidad docente?

Un punto de una rueda sigue una curva llamada cicloide

Podemos ver otro ejemplo de la condición de rodadura, uno que no tenga que ver con coches a todo gas. Cuando un jugador de billar golpea la bola no lo hace en una dirección horizontal que pase por el centro de masas, ya que en ese caso la bola solamente tendría un movimiento de traslación (algo así como clavar los frenos del coche). El rozamiento con la mesa acabará llevando a la condición de rodadura, pero mientras tanto la bola pierde velocidad y posiblemente se desvíe. Para evitarlo, el jugador golpea con el taco algo más arriba, en una posición tal que se cumpla la condición de rodadura desde el comienzo.

El proceso puede verse muy claramente en una escena, corta pero muy clara, de la película El Color del Dinero (1986), en la que el taco de billar golpea una bola cuyo radio podemos llamar R. Si, como es lo habitual, la bola es una esfera maciza, encontramos que el golpe ideal ha de darse horizontalmente a una altura h=2/5∙R por encima del centro de la bola. Ese factor 2/5 proviene del hecho de que la bola es maciza. Si un rival hubiese sustituido la bola reglamentaria de billar por otra de igual masa y tamaño pero que fuese hueca, habría que cambiar el factor numérico 2/5 por 2/3. Sería una buena broma. O una buena forma de librarse de un rival peligroso en un campeonato, porque las normas del billar profesional especifican claramente cuál ha de ser el tamaño de las bolas, su composición, masa y características superficiales... pero no dicen que tengan que ser macizas.

CUANDO EL EJE DE GIRO GIRA

Todos los ejemplos mencionados hasta ahora pueden explicarse bajo la suposición de que el eje de giro permanece constante en dirección. En tal caso, los vectores que describen el comportamiento del cuerpo son paralelos y basta con una descripción escalar. En otros casos no es así, lo que complica la tarea de cálculo, y en realidad ese suele es un buen momento para recordar que la rotación general de un cuerpo es uno de los problemas más complejos de la Mecánica. Eso sí, no dejaré que se vaya usted de rositas sin ver al menos un ejemplo de un tratamiento vectorial.

Tranquilo, no duele. Yo, en este punto del curso, suelo pedirle a mi compañero Miguel una rueda de bicicleta que me sirve para mostrar el movimiento giroscópico en vivo y en directo. La verdad es que los alumnos suelen quedar impresionados. Ya de paso, les hablo del movimiento de precesión de la Tierra y del alineamiento de las pirámides de Egipto.

Si, por el contrario, desea usted volver al espacio, también podemos hacerlo. La situación sería similar a la de los astronautas en el espacio. Imagine usted, lector, que se encuentra en la proa de la nave, en la cabina de mando. Ha llegado el momento de cambiar el rumbo. Digamos que queremos girar a la izquierda (se dice hacia babor, de acuerdo, pero vamos a dejar tranquila la terminología naval por un rato). Para ello podemos usar un pequeño motor cohete que tenemos en el morro. El cohete lanza un chorro de gas hacia la derecha, lo que produce sobre la nave una fuerza de reacción hacia la izquierda.

Ahora imagine que se encuentra en la película Misión a Marte (2000). La nave tiene una sección en rotación, lo que significa que tiene un vector momento angular en la dirección de avance de la nave. Nuevamente activamos el motor de cambio de posición; pero puesto que ya teníamos una rotación inicial, ahora la nave no va a desviarse hacia la izquierda ¡sino hacia abajo! Es un ejemplo más de movimiento giroscópico. Para girar hacia la izquierda, el chorro de gases ha de dirigirse en otra dirección distinta.

Por eso, si puedo escoger nave para viajar a Marte, me quedo con la de Planeta Rojo (2000). Esa nave tiene una gran ventaja, que ahora podemos apreciar: su zona de gravedad artificial consiste no en uno, sino en dos discos en rotación. Ambos discos tienen tamaños idénticos y giran en sentidos opuestos, con lo que el momento angular neto de la nave es cero. Eso permitirá maniobrar de forma más sencilla, olvidando los problemas derivados de un viaje bajo movimiento giroscópico.

EJEMPLO DE PELÍCULA: EL NÚCLEO Y SU ROTACIÓN

Durante el estudio de traslación pura se obtiene una ley de conservación para el momento lineal. De forma similar, cuando no hay momentos de fuerza exteriores actuando sobre un sistema, puede demostrarse que hay otra cantidad que se conserva y que se conoce como momento angular. En muchos casos de interés podemos describir el momento angular como L=Iω, donde I es el llamado momento de inercia del cuerpo y ω su velocidad angular. Resulta bastante similar al p=mv del momento lineal, y de hecho ambas ecuaciones tienen la misma forma: la cantidad que se conserva es igual a un factor de inercia multiplicado por un parámetro de velocidad.

En condiciones de momento angular constante, si un cuerpo puede cambiar de forma (y por tanto, de momento de inercia) su velocidad angular cambiará también. El ejemplo casi inevitable en este punto es el de la patinadora sobre hielo que gira en torno a su eje vertical. En un momento dado cierra los brazos (disminuyendo así su momento de inercia) y su velocidad de rotación aumenta; luego abre los brazos y su rotación se hace más lenta.

Por supuesto la imaginación puede traer a colación otros ejemplos como las estrellas de neutrones, objetos de masa estelar pero de tamaño planetario. Cuando se descubrieron estos objetos, se comprobó que emitían haces de radiofrecuencia de período corto y extraordinariamente estable, tanto que en un principio se creyó que podían ser una especie de radiofaros estelares construidos por una civilización alienígena avanzada. Ignoro si sus descubridores consideraron seriamente esa posibilidad, pero lo cierto es que con el tiempo reconocieron que el código LGM-1 que asignaron al primer cuerpo descubierto son las iniciales de "hombrecillos verdes" (Little Green Men).

Ahora tenemos una explicación basada en los momentos de inercia, que no precisan de hombrecillos de ningún color sino en la conservación de la rotación: la estrella se hace mucho más pequeña, luego su momento de inercia disminuye, luego su velocidad angular aumenta. De nuevo el caso de la patinadora, sólo que a escala estelar.

Por desgracia no recuerdo ninguna película donde aparezcan estrellas de neutrones, de forma que este excelente ejemplo cósmico no nos sirve; pero tranquilos, porque tengo un as en la manga. Volvamos a la película El Núcleo (2003), donde el núcleo externo de la Tierra ha dejado de girar. Las autoridades han contratado al mejor hacker del mundo con objeto de que nadie conozca la terrible verdad, pero lo cierto es que cualquier alumno de primero de Física podría desvelar el secreto.

¿Por qué digo esto? Pues porque el momento angular de la Tierra ha de permanecer constante, de forma que si el núcleo externo se para el resto del planeta ha de girar más rápidamente. Para ello, simplifiquemos y supongamos un modelo sencillo de Tierra compuesta de tres grandes secciones concéntricas: núcleo interno, núcleo externo y manto (la corteza es muy fina si la comparamos a las demás capas, así que podemos despreciar su contribución al momento de inercia total), y para mayor comodidad supondremos también que la densidad de todas las secciones es la misma.

En tales circunstancias, podemos hacer algunos cálculos sencillos y concluir que, si el núcleo externo se detiene, el resto del planeta ha de aumentar la velocidad angular de tal modo que el período de rotación se reduciría de 24 a 22,9 horas. Incluso el ser humano menos observador del planeta se daría cuenta de que el sol se pone cada día hora y pico más temprano, y concluiría que algo raro está pasando.

Este sencillo problema de rotación tiene más jugo. Podríamos, por ejemplo, calcular la energía cinética de rotación desaparecida durante el frenado del núcleo externo y compararla con la energía de las bombas necesarias para restaurarla; o podemos imaginar que el momento angular perdido sería aportado por la Luna, y calcular a qué distancia debería alejarse para compensarlo; o dar una cantidad de tiempo para los cambios de rotación y estimar la potencia puesta en juego. Hay tarea para rato.

7 - GRAVITACIÓN

- Echo de menos la gravedad. ¿Podrías tirar algo para que yo lo vea caer?

(Howard Wolowitz)

TODO COMENZÓ CON KEPLER

La Dinámica nos enseña que hay unos agentes llamados fuerzas, responsables de las variaciones en el movimiento de los cuerpos. La Tercera Ley de Newton, entre otras cosas, nos deja claro que todos los objetos que sienten una fuerza actúan simultáneamente como fuentes creadoras de fuerzas. A partir de ahí nos inventamos toda una panoplia de fuerzas: tensión en cuerdas, peso, manos que empujan o tiran. La verdad es que nadie sabe de dónde salen esas fuerzas, tan sólo que existen.

Llega la hora de desvelar la verdad. Resulta que existen cuatro grandes clases de fuerzas en el Universo, y solamente cuatro, que explican cualquier otro tipo de fuerzas imaginables. Hasta ahora no hemos tenido necesidad de acudir a ellas, y si la tensión en una cuerda es en última instancia expresión de las fuerzas electromagnéticas a nivel molecular, no importa en absoluto. Podemos ya comenzar el estudio de las grandes fuerzas de la naturaleza, concretamente la referente a gravitación.

Puede resultar extraño, pero en un universo cinematográfico con montones de películas hay pocos ejemplos buenos de gravitación. No me refiero a las naves espaciales, donde de modo casi invariable los tripulantes disfrutan de gravedad similar a la terrestre. Mucho me temo que esa es una batalla que los físicos hemos perdido hace tiempo (junto con la de los ruidos en el espacio), pero verá usted, si me dicen que en el futuro se han desarrollado dispositivos de gravedad simulada yo estoy dispuesto a aceptarlo sin más. Los fallos a que me refiero tratan de trayectorias, órbitas, cosas de ese tipo.

Desde que Johannes Kepler expresó sus tres leyes para describir el movimiento de los planetas alrededor del sol, sabemos que dicho movimiento es de tipo elíptico. Los planetas siguen órbitas en forma de elipse, que podemos describir a los alumnos como una variante extendida de una circunferencia con algunas diferencias: en lugar de que los puntos de la curva están a la misma distancia del centro, ahora consideramos como constante la suma de las distancia a dos puntos llamados focos, y en lugar de radio tenemos semiejes mayor y menor.

En la película Impact (2008) tenemos un ejemplo casi bueno de órbita elíptica. El argumento va del típico choque interestelar pero con una variante: es la Luna la que recibe el impacto, no la Tierra. Aun así la humanidad está en peligro debido a las perturbaciones sobre las mareas y los objetos en la superficie terrestre, por no hablar de pánico mundial, familias divididas y demás desastres habituales. Mientras los científicos analizan la nueva órbita lunar, uno de ellos explica cómo la Luna sigue una órbita elíptica estrecha. Aparece la inevitable simulación en pantalla, y en ella vemos una curva elíptica incorrecta.

¿Por qué incorrecta? Porque la Tierra está en el centro geométrico de la elipse. Kepler nos dijo hace más de tres siglos que la Tierra debe estar en uno de los focos de la elipse, no en el centro. Cuando la elipse es muy poco excéntrica sus dos focos se encuentran muy cerca, y si ambos coincidiesen se convertiría en una circunferencia. En el caso de la Luna, ahora mismo hace una órbita elíptica muy poco excéntrica, casi circular. En esas condiciones, la posición del centro de la elipse y la de los focos casi coincide. Eso no sucede en una órbita altamente elíptica, como la de la mayoría de los cometas o la de la trayectoria lunar en Impact.

En realidad la primera ley de Kepler es incompleta, toda vez que solamente se refiere a cuerpos que siguen órbitas cerradas. La Ley de Newton de Gravitación Universal describe tres tipos de trayectorias: elipses, parábolas e hipérbolas; sólo la primera corresponde a una órbita que se repite. Cuando los astrofísicos descubren un nuevo cuerpo en vuelo libre dentro de nuestro Sistema Solar, digamos un cometa, el análisis de su órbita les indica rápidamente si volverá alguna vez o no.

Podemos verlo en la película Ultimátum a la Tierra (2008). Nuevamente tenemos al equipo de científicos rastreando un objeto potencialmente peligroso. Veamos el análisis preliminar:

"El objeto 07/493 fue divisado más allá de la órbita de Júpiter por el programa Spaceguard. Nos llamó la atención porque no se desplazaba en una elipse asteroidal, más bien trazaba una órbita hiperbólica para atravesar nuestro Sistema Solar... pronto se descubrió que no seguía una trayectoria de caída libre gravitacional."

¿Tiene sentido todo esto? En parte sí. Aunque no existe un programa llamado Spaceguard, eso no significa que no pueda existir en ficción, y lo cierto es que se usa genéricamente el término Spaceguard ("vigilancia espacial") para describir programas de observación y vigilancia en el espacio. Tampoco existe algo llamado "elipse asteroidal," pero en cualquier caso es correcto que el objeto siga una trayectoria elíptica.

Sí es posible, por supuesto, que un objeto que entre en nuestro sistema planetario siga una órbita de tipo hiperbólico, de modo que punto a favor para la película, aunque para ser correctos, no es un suceso tan extraordinario. La base de datos para cuerpos pequeños del JPL (Jet Propulsion Laboratory) de la NASA lista a día de hoy 321 cometas con órbita hiperbólica, y otros 1.834 con órbita parabólica, así que no son objetos tan raros como para suscitar interés.

Si el objeto 07/493 es peculiar, será por otros motivos. En la película se indican tres. Primero: el objeto no sigue una "trayectoria de caída libre gravitacional", lo que significa que debe estar sujeto a otras fuerzas aparte de las de la gravedad. Segundo: el objeto caerá con exactitud increíble en el centro de Manhattan, que ya es casualidad. Y tercero: ningún objeto de esa clase jamás avistado en nuestro Sistema Solar tiene una velocidad tan enormemente elevada como la que dicen en la película: nada más y nada menos que treinta mil kilómetros por segundo, una décima parte de la velocidad de la luz.

¡ALINEARSE!

Una vez descritas las tres leyes de Kepler, lo habitual es pasar a estudiar la Ley de Newton de Gravitación Universal. Escribimos la ecuación en la pizarra, vemos de qué factores depende y pasamos a poner ejemplos. ¿Pero por qué molestarnos si Robin Williams puede hacerlo por nosotros? A muchos compañeros (entre los que me incluyo) nos molesta el cliché de físico loco que Hollywood se empeña en perpetuar, y la película Flubber y el Profesor Chiflado (1997) es un caso típico. Yo estoy dispuesto a hacer la vista gorda porque el simpático profesor me proporciona una divertida descripción de la ley gravitatoria de Newton.

La escena no puede ser más tópica: el profesor con pájaros en la cabeza irrumpe en el aula y comienza a explicar la lección. Su saludo a los alumnos ("buenos días, o tardes, dependiendo del caso") es el primer indicativo de que ni él mismo tiene claro en qué planeta vive, una sospecha que se confirma cuando el profe avisa de que el faisán que hay encima de la mesa no le servirá a nadie para subir nota. Y es que se ha equivocado de clase; al menos, yo nunca he dado clase de Física en un aula donde todo el mundo se encuentra muy ocupado pintando a una pareja de jóvenes casi desnudos (casi, que después de todo esta es una película Disney).

El profesor chiflado, en su mundo, comienza su clase:

"La última vez hablábamos de la ley de la gravedad de Newton. Repasémoslo. Vemos que esa G es como la c de E=mc², es una constante en el Universo, hasta el punto en que algo pueda ser constante en el Universo."

La G a la que alude el profesor Brainard es, por supuesto, la que conocemos con el nombre de constante de gravitación universal. Como todos sabemos y nuestro simpático profe nos explica:

"Nos dice que la fuerza de atracción entre dos cuerpos es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa."

Es decir, Fuerza = algo ∙ producto de las masas / distancia al cuadrado. Ese "algo" es la constante G, que tiene que tener dimensiones y unidades; dimensiones porque el producto de masas dividido por una longitud al cuadrado no es una fuerza, y unidades porque queremos obtener Newtons cuando expresemos las masas en kilogramos y la distancia en metros.

En este punto lo natural es tomar un cuerpo con gran masa, digamos la Luna o un planeta, y hacer cálculos. Pero el profesor chiflado es más original que eso:

"Un ejemplo sería ... llamemos a nuestro hombre desnudo m₁ y a la dama, m₂. Según esta fórmula, su atracción les llevaría a reducir la distancia a cero.¿Por qué no lo hacen?"

En este momento las risas y cuchicheos de mis alumnos me dejan claro que están pensando en otro tipo de atracción no gravitatoria. Aun así, aprovechemos el ejemplo de la pareja desnuda. Podemos suponer una masa típica de 80 kilogramos para el chico y 50 para la chica. Si sus centros de masa se encuentran a metro y medio de distancia, la ley de gravitación de Newton nos da una fuerza atractiva de 1,2*10⁻⁷ Newtons. Para dar una idea de lo pequeña que es esa cantidad, representa el peso sobre la superficie terrestre de la dosis diaria recomendada de vitamina B3. Curiosamente, se trata de casi exactamente la misma fuerza ejercida sobre una persona por el planeta Marte en su punto de máxima aproximación a la Tierra.

Esto nos sirve para desmitificar la creencia de la astrología, ya que con la fórmula de Newton en la mano podemos demostrar cómo el efecto gravitatorio de una mosca volando por el paritorio sería superior al producido por un planeta. No creo que los astrólogos tengan ese tipo de efectos en cuenta, porque si lo hicieran tendrían que cerrar el negocio.

Eso también echa por tierra las películas del tipo "hay una alineación planetaria que va a destruir la Tierra," como por ejemplo Lara Croft, Tomb Raider (2001) o Thor, El Mundo Oscuro (2013). Para empezar, es simplemente imposible que los planetas se alineen debido a sus posiciones en sus respectivas órbitas. Si acaso podrán ser vistos en una región del cielo más o menos amplia. Pero imaginemos, por puras ganas de argumentar, que así fuese y que nos unimos a la expedición de una bella arqueóloga para evitar el apocalipsis total.

Armados con una calculadora nos disponemos a evaluar la fuerza que ejercerán todos los planetas sobre un kilogramo de masa, suponiendo que éstos se encuentran a la distancia más corta posible de la Tierra. Los datos resultantes son tan pequeños que tenemos que darlos en milmillonésimas de Newton (nanonewtons). Aquí van:

Cuerpo    Fuerza (nN)

Sol       5.900.000

Luna         38.600

Júpiter         320

Venus           190

Saturno          23

Marte             7

Mercurio          2,6

Urano             0,78

Neptuno           0,36

Plutón            0,000025

Como puede ver, la suma de las atracciones gravitatorias de todos los planetas combinados no llegan al 1,5% de la debida a la luna, y apenas es una diezmilésima parte de la atracción solar. De hecho, la distancia Tierra-Sol no es constante a lo largo del año, y esa diferencia hace que la fuerza gravitatoria entre el Sol y la Tierra varíe hasta en un 7%. ¿Quién necesita alineamientos planetarios cuando todo lo que necesitamos es esperar al invierno?

Antes de que me regañe usted, lector, ya sé que Plutón no es un planeta, pero hace unos años todavía era considerado como tal y la película de Lara Croft de 2001 debía tenerlo en cuenta. Poco hubiera importado no hacerlo, ya que como puede ver su influencia gravitatoria sobre nosotros es insignificante. Para que pueda comparar, el peso de un kilogramo situado en  la superficie terrestre, en las mismas unidades, sería una cantidad enorme: 10.000.000.000 de nanonewtons. ¿Mucho? Bueno, entonces le añadiré el peso de otros cuerpos más pequeños:

Cuerpo        Peso (nN)

Mosca         1.000.000

Mosquito        100.000

Glóbulo rojo          1

Bacteria              0,01

La cuestión es que, incluso si todos los planetas estuviesen alineados, la fuerza gravitatoria sería tan sólo un poco mayor que la que ejerce el planeta Júpiter por sí sólo. Más absurdo aún resulta este hecho: según la tabla, los dos planetas con mayor influencia gravitatoria sobre nosotros serían Júpiter y Venus, pero en caso de alineación planetaria perfecta ambos planetas tirarían de la Tierra en sentidos opuestos. ¡Sus fuerzas gravitatorias se restarían en lugar de sumarse!

El cliché de los alineamientos planetarios es habitual en el cine de serie B. También se ha extendido a otras ramas del cine y la televisión en forma modificada. 2012 (2009) tiene como argumento un alineamiento entre la Tierra, el Sol y el centro de la Vía Láctea, supuestamente predicho por los antiguos mayas. El propio divulgador Neil deGrasse Tyson tuvo que salir al paso de los rumores, explicando que ese alineamiento se produce efectivamente el 21 de diciembre... todos los años.

Ni siquiera el cine de animación se escapa a los alineamientos. En el episodio de Bob Esponja La Gran Ola, los personajes de Fondo de Bikini descubren que los planetas se alinean una vez cada millón de años, lo que provoca la aparición de una ola gigantesca que hará las delicias de los surfistas. Y en la película de Disney Hércules (1997), la alineación de seis planetas indicará al villano de turno la ubicación de los titanes, a quienes desea liberar para derrotar a Zeus y conquistar el Olimpo.

Si es usted fan de vin Diesel puede que haya visto Pitch Black (2000). La tripulación de una nave sufre un accidente y acaba estrellándose en un planeta olvidado, donde la luz de dos soles lo mantienen en un día permanente. Mientras intentan hacer las consabidas reparaciones para salir de allí, descubren que una vez cada 22 años los planetas y los soles se alinean de tal forma que el planeta se sumerge en oscuridad. Salvando las distancias, encuentro que Pitch Black contiene ciertas similitudes con Cae la Noche, un relato de 1941 escrito por el maestro de la ciencia-ficción Isaac Asimov. El argumento es muy distinto, por supuesto, pero en ambos casos tenemos un raro período de oscuridad, y cuando eso sucede... bueno, digamos que no querrá usted quedarse en el planeta.

Le resultará curioso si le digo que la NASA aprovechó un alineamiento planetario para una misión de exploración. En esa ocasión, sin embargo, no fue un "alineamiento" de película en el que todos los planetas forman una línea recta. Uno de los trucos para enviar una sonda a otro planeta consiste en lo que se llama asistencia gravitatoria: la nave pasa junto a un planeta y éste le impulsa en otra dirección. La NASA se dio cuenta de que, en los años setenta y ochenta, los planetas exteriores (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) se situarían en posiciones tales que una sonda podría ir "saltando" de uno a otro, recorriendo y explorando cuatro grandes planetas por el precio de uno.

Este infrecuente suceso hizo posible el llamado "Gran Tour," la misión dual de exploración Voyager. La sonda Voyager 1 visitó Júpiter y Saturno. Su compañera Voyager 2, además, examinó los sistemas planetarios de Urano y Neptuno. Incluso podría haber hecho, como dicen en lenguaje futbolístico, "una manita," pero en el último momento se decidió sacrificar la visita a Plutón para poder examinar mejor la luna Titán, en Saturno. Ambas sondas se encuentran ahora de camino al exterior de nuestro sistema solar, y a pesar de haber sido lanzadas en 1977 ¡aún funcionan!

LA GRAVEDAD EN EL CINE

Estamos acostumbrados al tirón gravitatorio de nuestro planeta, y vayamos donde vayamos notamos que es prácticamente el mismo salvo por algunas inhomogeneidades (una montaña representa una acumulación local de masa, y la gravedad será allí algo menor), las fuerzas no inerciales (la fuerza centrífuga), y en menor medida la atracción que ejercen el Sol y la Luna sobre nosotros; pero en general, todos los cuerpos que soltemos (en el vacío, por favor) caerán y acelerarán a razón de unos 9,8 metros por segundo cada segundo.

En otros planetas la situación es distinta. Por lo general, a mayor tamaño mayor fuerza gravitatoria en la superficie. Puede parecer contradictorio, toda vez que la fuerza de la gravedad disminuye con el cuadrado de la distancia. Sin embargo, si suponemos cuerpos con densidad similar, resulta que la masa es proporcional al volumen, y éste depende del cubo del radio. Eso significa que, en términos generales, la aceleración gravitatoria sobre la superficie de un cuerpo crece con la masa creciente.

¿Ejemplos? La Luna tiene un radio 3,67 veces inferior al de la Tierra, y su masa es 81 veces menor. Como resultado, la gravedad en la superficie lunar es 81/3,67² veces menor (1,62 m/s²).  En el extremo opuesto, el sol tiene un radio 109 veces mayor que el de la Tierra, y su masa es 333.000 veces mayor, de forma que en su superficie la fuerza de la gravedad es 333.000/109² = 28 veces mayor.

Viajar al sol es difícil, y no digo nada de aterrizar en él, pero ya hemos visto a hombres caminar sobre la superficie de nuestro satélite. Allí los astronautas, a pesar de llevar un pesado equipo, saltan y se mueven con mayor soltura que en la Tierra. Una serie de los años setenta llamada Espacio 1999 mostraba el trabajo de los hombres y mujeres en la Base Lunar Alfa. Cuando se ponían los trajes espaciales y salían al exterior se movían de forma similar a los astronautas del proyecto Apolo, pero por alguna extraña razón volvían a estar sujetos a una gravedad similar a la terrestre una vez regresaban a la Base Alfa.

La razón, por supuesto, es presupuestaria: ¡filmar una serie de ciencia ficción en la Luna sale demasiado caro! Vale, es broma. Lo cierto es que simular la gravedad lunar  es complicado, y puede que al espectador no le guste ver una película donde todo cae de forma lenta. Tampoco esperen ver escenas a gravedad reducida en otras películas, como por ejemplo Moon (2009), una película inglesa de bajo presupuesto que le recomiendo. Ni siquiera el clásico de Kubrick 2001 Odisea en el Espacio (1968) se libra de este fallo, aunque en ciertos momentos usa el truco de caminar con pasos lentos y moverse despacio.

Eso fue también lo que hicieron en Superman II (1980). Cuando los malvados kriptonianos rebeldes llegan a la Luna y se encuentran con una expedición de astronautas humanos, éstos se mueven como si realmente se encontrasen en gravedad baja; los malos, por el contrario, andan como si la gravedad fuese la terrestre. Es un error, aunque no tenemos más remedio que ser generosos porque también son capaces de hablar y respirar en el vacío, fallos mucho más gordos.

Tampoco en otros planetas nos vemos libres de errores. Películas como Planeta Rojo (2000), Misión a Marte (2000) o la más reciente Marte (2015) han intentado recrear un viaje a nuestro vecino Marte de la forma más realista posible, pero ninguna de ellas ha superado la prueba de la gravedad. Lo mismo sucede en Atmósfera Cero (1981), donde una colonia minera en el satélite Io debería estar sometida a una gravedad similar a la de nuestra luna. En cuanto a otros mundos imaginarios, mejor ni entremos al trapo. Todos los planetas en los que aterriza la tripulación de la USS Enterprise, los muchos mundos de la saga Guerra de las Galaxias, el asteroide de Armageddon (1998)... en general, todo el "planeta Hollywood" parece ser sinónimo de "más o menos como la Tierra."

Sea cual sea el caso, hay que recordar que la ley de Newton para la gravitación tiene un alcance infinito. Por muy lejos que nos encontremos de la Tierra la fuerza nunca será cero, así que cuando oiga en una película que alguien dice "ya nos hemos librado de la fuerza de atracción de la Tierra" no se lo crea. Debemos considerarlo como un abuso del lenguaje del tipo "el Sol sale por el Este."

Vamos con un ejemplo que contiene dos errores gravitacionales de esa clase: Space Cowboys (2000). Cuando los protagonistas consiguen alejar el satélite y lanzarlo hacia la Luna, alguien avisa que "ha abandonado nuestro campo gravitatorio." Estrictamente hablando, no es cierto, aunque podemos ser flexibles y considerarlo una forma de decir "no va a volver a caer a tierra." Lo cierto es que se dirige hacia la Luna, y aquí tenemos nuestro segundo error, ya que poco antes, al hacer los cálculos de combustible, uno de los astronautas dice que lo conseguirá porque solamente tiene que llegar a media distancia y la gravedad de la Luna se ocupará del resto. Esto sería cierto si los campos gravitatorios de la Tierra y de la Luna fuesen idénticos, cosa que no se cumple porque la Tierra tiene mucha más masa. Hay que alejarse hasta 9/10 de la distancia Tierra-Luna para que las fuerzas gravitatorias de ambos cuerpos se equilibren.

FUERZAS DE MAREA

La Ley de Gravitación Universal de Newton es válida para objetos puntuales. Ciertamente ni la Luna ni la Tierra son puntuales, pero podemos suponer que sus masas están concentradas en sendos puntos, y gracias a eso tendremos una descripción válida del movimiento de ambos cuerpos, sus períodos, velocidades, en principio todo lo que nos interesa.

Implícita está la suposición de que los cuerpos son sólidos perfectamente rígidos, y nada más lejos de la realidad. La Tierra, como otros planetas o satélites, está compuesta por capas de rocas y material fundido, y los cuerpos como el Sol o la Luna ejercen fuerzas distintas sobre las diferentes regiones de nuestro mundo. Para verlo con un ejemplo, va usted a imaginarse que se encuentra a bordo del mayor superpetrolero del mundo. Un millón de toneladas se desplazan suavemente por el mar en calma mientras usted se sirve la tercera taza de café para aguantar la guardia nocturna. Qué diferencia respecto a la calurosa jornada diurna que acaba de terminar.

Agradecido de que en este momento la Tierra se interponga entre usted y el abrasador calor del astro rey, cae usted en la cuenta de que hace unas horas el barco era levemente atraído por el Sol, de forma que debería pesar un poco menos. En efecto, el peso aparente del enorme buque disminuye en unos seiscientos kilogramos por esa causa. Pero espera, se dice usted a sí mismo, si eso le sucede al barco, ¿le pasará lo mismo a los demás cuerpos? ¿Qué hay del agua por donde navega? ¿Subirá de nivel cuando el Sol se acerque a su punto más alto y la atraiga con una intensidad máxima? ¿Y qué pasará de noche, cuando el Sol se encuentre un poco más lejos de mi barco y del mar? ¿Será ese el origen de las mareas?

Efectivamente, capitán, tiene usted razón. La influencia gravitatoria del Sol ejerce fuerzas de diferente intensidad sobre los diversos puntos de la Tierra, dando lugar al efecto de las llamadas fuerzas de marea. El océano tiende a elevarse y el nivel del mar a subir cuando el Sol está alto en el horizonte, lo que nos da marea alta. También el Sol atrae al centro del planeta con más fuerza que el agua en el lado opuesto, lo que hace que aparezca una segunda marea alta por la noche.

Este efecto de marea no depende de la fuerza gravitatoria en sí misma, sino de la diferencia entre las fuerzas de atracción en puntos opuestos de nuestro globo. Cuanto mayor sea esa diferencia mayores serán las mareas. Eso explica el hecho de que también la Luna provoque mareas. Como vimos en su momento, la fuerza con que la Luna atrae objetos terrestres es más de cien veces inferior a la fuerza debida al Sol; sin embargo, la Luna se encuentra mucho más cerca, lo que hace que la fuerza varíe más rápidamente según nos alejemos, y eso hace que su efecto de marea sea comparable al del Sol.

Fuerza gravitatoria. Izquierda: fuerza neta. Derecha: fuerza relativa (respecto a la que se ejerce en el centro de la Tierra)

Si la Luna girase más cerca de la Tierra las fuerzas de marea sobre nuestro planeta se harían más grandes, y para una distancia inferior a una cantidad llamada límite de Roche esas fuerzas serían lo bastante intensas para desgajar nuestro planeta. Ese fue precisamente uno de los problemas que tuvieron los guionistas de la película Interstellar (2014). El director Christopher Nolan quería un planeta que se encontrase muy cerca de un agujero negro. El problema era que un agujero negro de masa solar tendría un límite de Roche que destrozaría cualquier cuerpo que orbitase en sus cercanías. El planeta solamente sobreviviría si el agujero negro fuese de gran tamaño, con una masa estimada de más de cien millones de soles.

Incluso si la Luna de nuestro mundo se quedase donde está, su destrucción podría acarrear el fin de la Humanidad. Ese, al menos, es el argumento inicial de la película Oblivion (2013), donde la Tierra había sido arrasada décadas antes por una raza alienígena que destruyó la Luna. El propio protagonista nos lo narra al comienzo:

"Sin la Luna, la Tierra se sumió en el caos. Los terremotos derruyeron las ciudades en horas. Los tsunamis arrasaron lo que quedaba en pie…"

Al mirar al cielo, vemos en efecto cómo a la Luna le falta un gran trozo, y a su alrededor se extiende una nube de polvo y fragmentos menores. La escena es impresionante, pero por desgracia incorrecta, ya que si la destrucción de la Luna sucedió décadas atrás, ¿por qué esos fragmentos siguen en órbita lunar? A esas alturas, una de dos: o chocan entre ellos y caen de nuevo sobre nuestro satélite, o bien salen disparados para no volver más. En lo que respecta al gran fragmento lunar que queda, su propia gravedad lo aplastaría hasta darle una forma aproximadamente esférica. Realmente importa poco ,ya que nada de eso produciría terremotos devastadores. La única forma que se me ocurre para acabar con la raza humana destruyendo la Luna sería que todos los humanos fuesen hombres-lobos y enloqueciesen por la pérdida.

Romper una luna y esperar que los fragmentos se queden cerca es algo que aparece también en el universo de Star Trek. En la película Star Trek VI, Aquel País Desconocido (1991), una de las lunas de Klingon es destruida por una enorme explosión. Los escáneres de la Federación solamente consiguen detectar un gran trozo. Años después, en las películas Star Trek (2009) y Star Trek: En la Oscuridad (2012), los títulos finales de crédito desfilan tras varias escenas de mundos desgajados, muy similares a las de Oblivion.

En cualquier caso, estas no son las únicas películas o series en las que aparece el tema de la destrucción lunar. Les dejo dos ejemplos más. En La Máquina del Tiempo (2002), el viajero temporal llega al año 2037 para encontrarse con un mundo en estado de caos debido a que la Luna ha sufrido un accidente y está desgajada en trozos. Saltamos hasta el año ochocientos mil y pico, y al mirar al cielo resulta que la Luna se encuentra en la misma situación que antes. No parece que la atracción gravitatoria entre los fragmentos haya actuado lo más mínimo.

En un registro muy distinto tenemos The Big Bang Theory. En el episodio La Excitación Lunar (3x23), los chicos se preparan para disparar un rayo láser a la Luna. La idea es hacer que el haz rebote en los retrorreflectores dejados allí por las misiones Apolo y detectar el reflejo, pero Zack, el novio de la vecinita rubia, no es precisamente un genio y lo interpreta de otra forma:

"Zack: Una pregunta, ¿cómo puedes saber que no explotará?

Leonard: ¿El láser?

Zack:¡La Luna!"

Al final, Leonard le explica que no pasará nada porque el láser está en posición de aturdir. La seguridad ante todo.

VIAJANDO POR EL ESPACIO INTERIOR

El propio Newton pudo demostrar que su ley de gravitación, aplicable a partículas puntuales, es también válida en el caso de cuerpos esféricos homogéneos. En otros casos, como galaxias, asteroides irregulares, estrellas con estructura en capas, la situación se complica, pero no vamos a estudiarlos. Tengo una idea mejor en mente. En lugar de explorar las profundidades del espacio exterior a estilo Star Trek, ¿qué le parece una excursión al interior de la Tierra?

¿El interior? ¡Sí! Podemos hacerlo, al menos conceptualmente, y Hollywood ya se encargará de convertirlo en película más o menos realista. Resulta que la fuerza gravitatoria dentro de un planeta varía con la distancia de forma diferente a como lo hace en el exterior. Le propongo, amigo lector, un viaje imaginario al interior de la Tierra. En el centro exacto nuestro peso es cero, ya que las diferentes partes de la Tierra tiran de nosotros en todas direcciones, y si suponemos que existe simetría radial esos "tirones" acabarán anulándose entre sí.

Conforme nos dirigimos hacia el exterior las cosas cambian. La parte de la Tierra que dejamos atrás, a popa, será mayor que la que tenemos a proa, y el resultado neto es un tirón gravitatorio hacia el centro. Si suponemos una Tierra totalmente homogénea, puede demostrarse que la fuerza gravitatoria varía directamente con la distancia al centro. Es decir, a 2.000 kilómetros de distancia la fuerza será el doble que a 1.000 kilómetros, el cuádruple que a 500 kilómetros y así sucesivamente.

Esto sería un serio problema para los protagonistas de la novela Viaje al centro de la Tierra de Julio Verne, así como de sus adaptaciones cinematográficas. Las pasaré por alto y no las utilizaré como ejemplo porque es evidente que un viajero al centro del planeta tendría problemas más graves que una mera disminución en la fuerza gravitatoria. Está claro que el "centro de la Tierra" a que se refiere Verne es tan sólo una región a cierta profundidad, muy alejada del centro geométrico de nuestro planeta.

¿Recuerdan El Núcleo (2003), esa película donde un grupo de científicos pretenden poner en marcha el núcleo interno de la Tierra?    De entre la multitud de errores que no podemos atribuir a propiedades mágicas o a la habitual suspensión de incredulidad, podemos reseñar el peso de los tripulantes. Durante todo el viaje vemos a los protagonistas moverse y actuar como si la gravedad fuera la habitual, pero como hemos visto, la fuerza gravitatoria decrece con la distancia dentro de la Tierra.

Nuestros terranautas han llegado a su destino, una zona del núcleo externo a 2.200 kilómetros del centro. Si suponemos un radio planetario de 6.370 kilómetros, eso significa que la fuerza gravitatoria en esa capa es 2.200/6.370 = 0,35 veces la de la superficie. Puesto que el peso aparente de los viajeros se ha reducido a poco más de un tercio, deberían ir dando saltos por los pasillos y, en general, moviéndose en un ambiente de gravedad reducida. No lo hacen. Y no estamos en un ambiente futurista donde podamos inventarnos compensadores de gravedad, así que esto es un caso de tarjeta roja.

En la película Total Recall (2012), un túnel horadado de parte a parte de la Tierra une las regiones de Europa y Australia. Los viajeros se suben a una especie de ascensor gigante que cae por su propio peso y salen por el otro extremo a los pocos minutos. El tren, metro o como quiera usted llamarlo, recibe en la película el nombre de Catarata; en la versión original se tiene un juego de palabras, ya que el término fall (catarata) también tiene el significado de caída.

El concepto de la Catarata, o caída a través de un diámetro terrestre, es algo que ya de por sí impresiona, sobre todo cuando nos enteramos que el concepto viene de antiguo. Ya en 1680 Robert Hooke consideró el movimiento de un cuerpo en caída libre por un túnel que atravesase el centro de la Tierra. Según Hooke, dicho cuerpo efectuaría un movimiento armónico simple, con un período de algo más de ochenta minutos.

La película nos muestra material de filmación interesante, como la habitual animación por ordenador que va mostrando la posición del tren y la trayectoria que seguirá por el interior del planeta. También acierta en algunos aspectos, como cuando nos muestra escenas en gravedad cero conforme el tren se acerca al centro del planeta. A pesar de ello, hay diversos problemas de Física (no digo ya de ingeniería) que harían el concepto prácticamente inviable, al menos tal y como se plasma en la película.

Eso sí, el tema es apasionante desde el punto de vista físico y matemático. No suelo ser proclive a darme publicidad a mí mismo, pero si le interesa el concepto, yo escribí hace algún tiempo un libro titulado La Física de la Catarata (disponible en formato electrónico en Amazon) donde puede descubrir mucho más sobre el tema. Entre otras cosas, efectué cálculos realistas en los que se considera la estructura real de la Tierra. Como ya sabe, nuestro planeta no es homogéneo sino que consta de capas con diferente densidad, y eso afecta a los cálculos que hagamos.

Como ejemplo, puede ver aquí la dependencia de aceleración gravitatoria con la profundidad. Los datos se basan en el llamado modelo PREM (Preliminary Reference Earth Model), desarrollado en 1981 por A.M. Dziewonski y D.L. Anderson para modelar la estructura del interior de la Tierra, y se pueden comparar con los que tendríamos en el caso de que nuestro planeta fuese homogéneo.

Como ven, la variación de la aceleración con la profundidad es algo distinta, ya que hasta llegar a la frontera manto-núcleo permanece casi igual a la de la superficie. El motivo es que el núcleo tiene mayor densidad que el manto o la corteza. La conclusión es que los terranautas de El Núcleo disfrutarán de una gravedad similar a la de la superficie durante gran parte de su viaje. Incluso al llegar a su punto de destino la gravedad habrá caído hasta el 76% de su valor inicial, no el 35% que dije antes. ¡Sorpresa! Se trata de uno de esos casos en los que simplificar demasiado nos lleva a resultados erróneos, y más de un compañero divulgador habrá criticado este error. Lo cierto es que, si la película ha acertado en este punto, debe ser más por casualidad que por otra cosa. Aun así, prefiero no ser exigente y si le parece a usted bien, amigo lector, anularemos la tarjeta roja y la dejaremos en amarilla.

EJEMPLO DE PELÍCULA: LA MUJER EN LA LUNA

Volvamos al espacio exterior. Por lo general, cuando lanzamos un cuerpo hacia arriba suele volver a tierra; de ahí la expresión "todo lo que sube tiene que bajar." Eso es estrictamente cierto para aceleración gravitatoria constante, una aproximación útil al comenzar a estudiar la gravedad; pero tarde o temprano tenemos que tener en cuenta que la fuerza gravitatoria disminuye con el cuadrado de la distancia, y en ese caso las cosas cambian. Puede demostrarse que hay una velocidad inicial mínima (llamada velocidad de escape) a partir de la cual un objeto no volverá a caer. Esa velocidad depende de la masa del planeta y de su radio, según la expresión v=(2GM/R)1/2. Para la superficie terrestre, el valor de la velocidad de escape es de unos 11.200 metros por segundo (unos 40.000 kilómetros por hora).

Uno de los primeros ejemplos de película que mencionan la velocidad de escape es el clásico de Fritz Lang La Mujer en la Luna (1929), una película vanguardista y adelantada a su tiempo. Fue la primera en la que un cohete era lanzado al espacio tras la habitual cuenta atrás 5,4,3,2,1... una tradición que fue copiada décadas más tarde por la NASA y demás agencias espaciales. Uno de los datos que se mencionan es la velocidad que debe alcanzar el cohete: 11.200 metros por segundo. No en vano la película contó con el asesoramiento del ingeniero y pionero en cohetes Hermann Oberth, pero la verdad es que los cálculos son sencillos. La propia obra de Julio Verne De la Tierra a la Luna menciona una velocidad de 12.000 yardas (casi 11.000 metros) por segundo.

La velocidad de escape en la Luna es inferior a la de la Tierra por la misma razón por la que la aceleración en su superficie es menor. Gracias a ello los astronautas del proyecto Apolo pudieron despegar de la Luna con un cohete mucho más pequeño que el que despegó de Cabo Cañaveral en la Tierra. Como ya vimos, cuanto mayor sea la masa del cuerpo tanto más aumenta la intensidad de su campo gravitatorio. La velocidad de escape es más alta en Júpiter, y más alta aún en el Sol, y más alta todavía en una estrella supergigante.

La Mujer en la Luna es una obra precursora en muchos aspectos, y como cinéfilo se la recomiendo. No es habitual ver películas ambientadas en el espacio donde los protagonistas son alemanes y los malos malísimos resultan ser norteamericanos. (ups, spoiler). Tampoco es que la superficie lunar sea tal como allí se muestra, pero le aseguro que eso no le quita interés.

8 - FLUIDOS

- Descansa y bebe mucho líquido

- ¿Qué otra cosa voy a beber? ¿Gases? ¿Sólidos? ¿Plasma ionizado?

(Leonard Hofstadter y Sheldon Cooper)

CUANDO NADA ES SÓLIDO

Con escasas excepciones, el tratamiento hecho hasta ahora a los sistemas de partículas parte del supuesto que sus posiciones relativas permanecen constantes; es decir, conforman un sólido rígido. El motivo es, como en otras ocasiones, simplificar. Un conjunto de N partículas puede en principio estudiarse mediante la Segunda Ley de Newton, pero yo suelo advertir a mis alumnos que cuando me oigan decir las palabras "en principio" lo traduzcan mentalmente como "ni loco me pienso meter yo por ese sembrado."

El problema es de índole práctica. Un número N de partículas conlleva la resolución de N ecuaciones vectoriales (3N ecuaciones escalares) con N condiciones iniciales para la posición y la velocidad, y hasta N*(N-1) fuerzas internas. Esto resulta difícil de llevar a cabo cuando N es muy grande. Los astrofísicos lo tienen bien presente cuando deben simular el comportamiento de dos galaxias en interacción; y si una galaxia típica tiene cerca de un billón de estrellas, qué diremos de un simple chorro de agua capaz de contener un billón de billones de moléculas.

Es hora de simplificar. Lo que se hace en este punto es considerar el conjunto de partículas como una masa deformable, lo que llamamos un fluido. Los alumnos ya están al tanto de los conceptos de gas y líquido, así que consideraremos ambos como casos particulares de fluido, con la diferencia de que la densidad del líquido se considerará prácticamente constante (fluido incompresible).

Debemos dejar claro que el concepto de fluido es bastante elástico. Existen materiales que se pueden considerar fluidos o sólidos dependiendo de variables como la temperatura, la presión, la presencia de partículas ajenas en su interior, etc. Un caso típico es el del Prestige, el petrolero que se hundió frente a las costas de Galicia en 2002. Algunos miembros del gobierno afirmaron que no había peligro de vertido porque, a la presión y temperatura a que se encontraba el pecio, el petróleo se enfriaría rápidamente, formando una masa que no escaparía del casco salvo por algunos "hilillos de plastilina" (en palabras de un político de la época). Resultó que nadie había estudiado el comportamiento de ese tipo de petróleo bajo esas condiciones de presión y temperatura, y el resultado fue un vertido masivo.

Por otro lado, existen materiales que se comportan como fluidos en presencia de un campo magnético (los llamados fluidos magnetorreológicos), y también bajo una presión aplicada. Estos últimos son los conocidos como fluidos no newtonianos. Un ejemplo típico el de la mezcla de agua y harina de maíz (maicena). Cuando se le aplica presión fluye con mayor dificultad y se comporta casi como un sólido. Una persona que corriese sobre una piscina de este material podría cruzarla sin problemas, pero si intentase caminar con lentitud se hundiría.

Los chicos de The Big Bang Theory aprovecharon este efecto para hacer una de las suyas. En el episodio La Sublimación Bárbara (2x03) tumbaron un altavoz, lo recubrieron con una lámina de plástico fino y volcaron una solución de almidón y agua sobre éste. A continuación pusieron una pieza musical con fuertes sonidos graves, y el resultado fue que la mezcla se comportaba como un objeto de propiedades cambiantes: líquido cuando saltaba en el aire, sólido cuando permanecía en contacto con el altavoz. El tratamiento matemático de este fenómeno se escapa a las posibilidades de un sencillo curso de Física general pero ilustra perfectamente los problemas asociados a conceptos tan aparentemente claros y sencillos como el de fluido.

Existe otro ejemplo de cine. En Terminator 2 (1991), los protagonistas han de enfrentarse con un nuevo cyborg asesino, el T-1000. Se trata de un robot de polialeación mimética capaz de adoptar cualquier forma. Puede convertir sus brazos en cuchillos, imitar el aspecto de una persona, camuflarse con el entorno y copiar objetos por mero contacto físico. En definitiva, se trata del perfecto material no newtoniano, capaz de fluir como un líquido y solidificarse a voluntad.

Hay diversas escenas aptas para todos los públicos. En una de ellas, un guardia del hospital estatal de Pescadero intenta sobrellevar el aburrimiento de la guardia nocturna. Mientras camina por el pasillo en busca de un café, el suelo de linóleo cobra vida y adopta la forma de un gemelo idéntico al propio guardia. Con una salvedad: el impostor tiene un dedo que se convierte en un largo y afilado instrumento punzante. Y creo que será mejor interrumpir la descripción en este punto, puede usted imaginarse el resto.

Hay otras escenas en las que el T-1000 utiliza sus habilidades fluidas. Cuando recibe una descarga de escopeta en el pecho, los agujeros desaparecen como si el atacante hubiese disparado a un charco de barro. Para intentar engañar a John Connor, imita la forma de su madre de acogida, y cuando el marido de ésta comienza a intervenir una rápida conversión de un brazo en una espada cortante acaba con la conversación (¡mejor no mostrar esta escena en el aula!). ¿Una reja de barrotes le impide el paso? No hay problema, puede atravesarla como si fuese una ameba. ¿El agujero de la cabina del helicóptero es demasiado pequeño? Ni siquiera se molesta en agrandarlo, lo atraviesa como una masa fluida y al piloto le falta tiempo para saltar por la otra puerta.

En este caso, por supuesto, la polialeación mimética no es más que un efecto especial generado por ordenador para una película futurista. Podemos buscar otro ejemplo sobre el comportamiento de los fluidos en el antiguo Egipto. En Tierra de Faraones (1955), el arquitecto real cree haber dado con la solución para crear una pirámide invulnerable a los ladrones. Para su demostración ha preparado dos grandes piedras una sobre otra, separadas por vigas verticales de madera, y afirma que un niño podría moverlas y juntarlas con una sola mano. Incrédulo, el faraón se niega a creerlo al principio, pero el niño rompe unos sellos en la piedra inferior, dejando con ello que se escape la arena; la piedra superior va cayendo lentamente hasta que ambas quedan unidas. La incredulidad inicial del faraón se debía a que no podía considerar el efecto fluido de un material aparentemente firme como la arena.

TRABAJANDO BAJO PRESIÓN

Puesto que el fluido no es un objeto definido sino una masa extensa en movimiento, el concepto de masa deja de tener utilidad y es sustituido por el de densidad, que no es más que la relación entre masa y volumen. De modo similar, resulta conveniente sustituir la fuerza por otra magnitud distinta. Surge así el concepto de presión, que se define como la fuerza perpendicular a una superficie dividida por el valor de esa superficie. La fuerza, una magnitud clave en la dinámica de los cuerpos, pasa a desempeñar un papel secundario, y cuando la necesitemos podremos calcularla a partir de la presión.

Ethan Hawke tiene esto bien presente en Misión Imposible (1995) cuando se prepara para asaltar el cuartel general de la Fuerza de Misiones Imposibles. Como es habitual en estos casos, escoge la entrada estándar para intrusos: los tubos de aire acondicionado. Para subir por un tramo vertical se vale de un par de dispositivos con ventosas de superficie S que manipula con las manos. Cuando apoya la ventosa sobre una pared y hace el vacío, está creando una diferencia de presiones P entre la cara interior y la exterior. Esto produce una fuerza horizontal F=P∙S.

Esto no le serviría a nuestro espía, ya que lo que realmente necesita es una fuerza vertical. Para conseguirla podemos suponer que entre la pared y la ventosa se establece una fuerza de rozamiento vertical y hacia arriba para contrarrestar el peso de Hawke. Esa fuerza será igual a μF.

Llega el momento de los cálculos. Para que Hawke pueda trepar por la pared, la fuerza de rozamiento ha de igualar su peso. Esto nos da la condición mg=μPS. Ahora imaginemos que se encuentra en su guarida preparando el instrumental antes del golpe. ¿Qué parámetros habrá de aplicar a su ventosa? Nos interesa principalmente los valores de S y μF. Según podemos ver en la escena, la ventosa es circular y tiene un diámetro de unos 12 centímetros. A partir de ahí hallamos la superficie, y suponiendo que P es igual a la presión atmosférica (10⁵ pascales) obtenemos una fuerza F=1.130 Newtons.

El coeficiente de rozamiento μ ha de ser tal que μF=mg. Esto requiere algo más de barrunto. Imaginemos que el ágil y fibroso Ethan Hawke tiene una masa de 80 kilogramos. Eso nos daría un valor mínimo de μ igual a 0,78. Se trata de un valor algo elevado para un coeficiente de rozamiento, pero podemos imaginar que su equipo de espía está comprado en las mejores tiendas del ramo y que buscaron un material con μ elevado.

Este ejemplo me gusta no sólo porque nos permite hacer números, sino porque vuelve a utilizar conceptos ya vistos como la fuerza de rozamiento. Uno de los riesgos de estudiar una asignatura secuencialmente es creer que, una vez visto un capítulo del temario, podemos olvidarnos de él porque no nos va a servir de nada. Con ejemplos de este tipo recordamos que el conocimiento se construye basándose en más conocimiento. Esto no es un submarino, donde se cierra una puerta estanca y se olvida uno de todo lo que ha quedado atrás.

Un observador atento podrá dudar de si los dispositivos de Ethan Hawke son ventosas o imanes que se pegan a las paredes metálicas del sistema de aire acondicionado. Veamos un ejemplo similar, que no deja lugar a dudas, en la película Superman (1978). Ha llegado el momento en el que el hombre de acero descubre que sus poderes pueden utilizarse para el bien, y tras salvar a Lois Lane continúa su ronda por Metrópolis. Un movimiento en el exterior de un edificio llama su atención. Un ladrón está usando un sistema de ventosas en brazos y piernas para escalar por las ventanas del edificio. Lenta pero inexorablemente va ascendiendo piso a piso, hasta que en su camino se encuentra un par de botas rojas. Se trata, por supuesto, de nuestro superhéroe, quien le pregunta "¿qué ocurre, no funciona el ascensor?" En este caso el propio Superman lo baja a la calle y lo deja en manos de un policía. Próxima parada, el hotel de los barrotes.

LA ECUACIÓN FUNDAMENTAL

El comportamiento de un fluido en reposo se rige mediante la llamada ecuación fundamental de la estática de fluidos, que nos dice cuál es la presión en cualquier punto. Para un fluido incompresible (como el agua en primera aproximación) y suponiendo solamente una fuerza gravitatoria vertical, esa relación es lineal: P=Po+ρgh, donde ρ es la densidad del fluido, h la profundidad y Po la presión en la superficie (h=0). Resulta que por cada diez metros de profundidad la presión aumenta en una atmósfera aproximadamente. Para el agua salada la relación es casi exacta, de forma que "diez metros, una atmósfera" es una forma sencilla que tienen submarinistas y buzos de recordar el cambio de presión con la profundidad.

Dentro del cine bélico, subgénero naval, un cliché habitual es el del submarino que se sumerge de forma descontrolada. Es el caso de la película Das Boot (El Submarino, 1981), ambientada en un sumergible alemán durante la Segunda Guerra Mundial. Acosado por los destructores británicos, el capitán del U-96 se ve obligado a sumergirse cada vez más. Un medidor nos deja ver la profundidad hasta que la aguja se sale de la escala a doscientos sesenta metros. Los pernos se sueltan uno por uno y se convierten en proyectiles mientras el casco soporta una fuerza equivalente a más de un cuarto de millar de toneladas por metro cuadrado.

También los submarinos norteamericanos se ven en apuros. En Estación Polar Zebra (1968), el USS Tigerfish sufre un accidente y se hunde rápidamente de proa. El capitán pone las hélices a toda máquina, pero a pesar de ello el valor del indicador de profundidad sigue aumentando. Atención, porque como buenos norteamericanos  que son van a utilizar pies, no metros. Tanto mejor para nosotros, que podemos aprovechar la ocasión para hacer un ejercicio de cambio de unidades. Cuando el submarino alcanza una profundidad máxima de 1.230 pies, alguien nos informa de que el casco está soportando 40 toneladas por pie cuadrado. El sistema anglosajón usa unidades de masa como si fuesen de fuerza, así que en realidad se refieren a una fuerza equivalente al peso de 40 toneladas.

Bien, hagamos cuentas. A 30,48 centímetros por pulgada, la profundidad del submarino es de 375 metros. La regla "diez metros, una atmósfera" nos da una presión de 37,5 atmósferas, pero como la atmósfera no es unidad del Sistema Internacional hay que convertirla. Una atmósfera es igual a 101.325 Pascales, lo que nos da una presión de unos 3.750.000 Pascales. Tomemos ahora una superficie de un pie cuadrado, que equivale a 0,3048² = 0,0929 metros cuadrados. La fuerza será igual a la presión por la superficie: 3.750.000*0,0929 = 353.000 Newtons, lo que equivale al peso de un objeto de 353.000/9,8 = 36 toneladas. Bastante aproximado, y muy meritorio si tenemos en cuenta que el oficial tuvo que hacer los cálculos bajo mucha presión (sí, es un chiste malo, perdone usted).

También hay que usar los pies (los de medir, no los de andar) en la divertida comedia Operación Pacífico (1959). Pearl Harbor ha sido atacado y Estados Unidos entra en guerra. El comandante del submarino Tigre del Mar necesita saber lo que puede hacer su nave, un montón de chatarra que jamás ha combatido. Dicho y hecho, el submarino se sumerge en alta mar y cuando llega a la cota de cien pies (treinta metros) de profundidad se nivela. El casco chirría y gime. ¿Podrá volver a la superficie? El capitán afirma que sí, aunque como él mismo reconoce a uno de sus oficiales "yo soy un optimista incurable."

PASCAL Y ARQUÍMEDES

La ecuación fundamental de la estática de fluidos nos permite dar una descripción intuitiva del principio de Pascal, según el cual una variación de presión en cualquier punto de un fluido se transmite a todo el fluido y al recipiente que lo contiene. Una aplicación de este principio es el elevador hidráulico, usado en los talleres para elevar un vehículo mediante la aplicación de fuerzas pequeñas. El principio de Pascal se convierte así en una especie de multiplicador de fuerzas, la base para multitud de dispositivos hidráulicos que utilizan agua o aceite para generar grandes fuerzas.

Grúas, excavadoras, prensas hidráulicas, la lista es muy larga, aunque sus aplicaciones de película no suelen ser tan espectaculares como para atraer la atención. Puedo recomendarle la escena de acción final de Terminator (1984). La heroína Sarah Connor, herida y asustada, se encuentra arrinconada mientras ve avanzar hacia ella los restos del cyborg asesino. A pesar del miedo que la embarga, logra darse cuenta de que su enemigo ha entrado en una prensa hidráulica. Craso error. Sarah logra apretar el botón salvador que activa la prensa y gruesos pistones de acero impulsan un grueso bloque de acero que cae de forma implacable sobre el Terminator, aplastándolo casi por completo.

Tal vez la escena le resulte algo violenta a algún alumno, así que le propongo una alternativa. Se encuentra usted a bordo de la Sulaco, la nave que aparece en la película Aliens, el Regreso (1986). Los marines coloniales se aprestan a preparar el material para desembarcar en la colonia del nivel 426, y para ello se valen de una especie de exoesqueleto que multiplica sus fuerzas. La propia Ripley se enfunda uno de esos trajes, en los que se aprecia claramente un conjunto de pistones y tubos hidráulicos diseñados para multiplicar la fuerza del operario. Se trata de un artefacto de ciencia ficción, aunque en la actualidad el ejército de EEUU y empresas como Panasonic están trabajando en sistemas similares.

El siguiente paso en el estudio de la estática de fluidos es el famoso principio de Arquímedes, según el cual los cuerpos sufren una fuerza vertical hacia arriba igual al peso del fluido que desalojan. En este punto los profesores comentamos la anécdota del rey de Siracusa, Arquímedes y su "Eureka," lo que no queda mal como ejemplo (entre otras cosas, los alumnos aprenden que sobornar a los poderosos para ganarse su favor también estaba de moda hace dos milenios), pero el cine está dispuesto a ayudarnos con más ejemplos.

Una película útil para este fin es Titanic (1997). El hecho de que el hielo de agua tenga menor densidad que el agua líquida es una excepción notable en la naturaleza, pero a cambio nos permite tener lagos que no se congelen permanentemente y grandes trozos de hielo, llamados icebergs, a la deriva en el Atlántico Norte. El peligro de los icebergs para la navegación se debe a que, puesto que el agua es sólo algo más densa que el hielo, la mayor parte del iceberg permanece oculto bajo el agua; además de que el hielo es una sustancia muy dura, claro.

Los viajeros que van a subir a un avión suelen preguntarse cómo es posible que un objeto tan pesado vuele (cuestión que resolveremos más adelante), pero apuesto a que solo unos pocos de los pasajeros que suben a un crucero se plantean por qué flota un trozo de hierro tan grande. La respuesta pasa por recordar que la mayor parte de un buque es espacio vacío, de modo que la densidad promedio es menor que la del agua. El peligro de una vía de agua proviene precisamente de que el aire es sustituido por agua, de forma que la densidad media del buque aumenta, y si esta densidad supera la del agua tenemos naufragio asegurado.

Una escena de Titanic lo plantea claramente. Tras la colisión con el iceberg, los máximos responsables del barco discuten sobre lo que va a suceder. El ingeniero plantea un escenario sombrío en el que el agua saltará de una cubierta a otra, inundándolo todo hasta provocar el hundimiento del barco. El dueño de la naviera, quien evidentemente se ha creído su propia propaganda, protesta: "pero este buque no puede hundirse." El ingeniero, que conoce el buque mejor que nadie y está bien al tanto del principio de Arquímedes, replica: "Está hecho de hierro, señor, le aseguro que sí puede. Y lo hará. Es una certeza matemática."

Vaya si lo hizo. De acuerdo, el barco se hunde (espero que nadie se queje por el spoiler) y los protagonistas Jack y Rose se encuentran nadando en el agua helada. Buscando algo a lo que agarrarse encuentran una gran plancha de madera que flota. Ambos intentan subirse pero la plancha se vuelca, así que Jack se sacrifica y se queda en el agua para que Rose sobreviva.

El sacrificio de Jack es digno de un caballero, pero hay una pregunta que los fans de esta película se han hecho durante años: ¿por qué no subieron ambos al tablón? En apariencia hay sitio para los dos. El director de Titanic James Cameron es conocido por su perfeccionismo y meticulosidad, y en esta ocasión intentó salir del paso diciendo que era un problema de flotabilidad: el tablón se hubiera hundido bajo el peso combinado de ambos.

¿Tiene razón el director, o nos está dando gato por liebre? Podemos salir de dudas calculando. Imaginemos que Rose ya se encuentra sobre la plancha, la cual tiene una superficie S. Al subirse Jack, la plancha se hundiría una cantidad h. El principio de Arquímedes nos dice que la masa de Jack será igual que la del volumen extra desalojado por la plancha al hundirse. Esto es, m=ρ∙S∙h. La densidad del agua salada es de unos 1.030 kilogramos por metro cúbico, la plancha tiene una superficie de unos dos metros cuadrados y digamos que Jack tiene una masa de 80 kilogramos. Despejando nos sale que la plancha se hundirá una cantidad de h=3,9 centímetros. Cuando veo la escena, me da la impresión de que con Rose subida en la plancha ésta sobresale más de cuatro centímetros. Conclusión: el tablón hubiera podido con los dos.

¿Puede subirse Jack en la plancha de madera con Rose y sobrevivir? Arquímedes dice que sí, James Cameron lo niega

Mi escepticismo corre parejo al de los famosos Cazadores de Mitos Jamie Hyneman y Adam Savage, quienes decidieron comprobar experimentalmente la hipótesis. No contentos con ello, invitaron al programa al propio James Cameron, el cual interpretó el papel de un barrendero que pasaba por allí. La conclusión de Hyneman y Savage fue similar a la mía: Jack y Rose podían haber sobrevivido juntos. Cameron concedió que la Física lo permitía, y aprovechó el programa para desvelar el oscuro secreto que se esconde tras esa escena:

"Creo que no lo pilláis, tíos. El guión dice que Jack muere. Tenía que morir. Así que tal vez la fastidiamos y el tablón debió haber sido algo más pequeño, pero el tío se hunde "

Eso sí me lo creo.

INMERSIÓN, INMERSIÓN

Cualquier película de submarinos ilustra bien el hecho de que el factor determinante para que un cuerpo flote o se hunda es la relación entre su densidad y la del fluido que le rodea. Cuando el submarino es alcanzado por cargas de profundidad y comienza a entrar agua, su densidad aumenta y la única opción para no irse a pique es sellar suficientes mamparos para que el agua no inunde todo el submarino. Como ejemplo señalaré Estación Polar Zebra (1968), donde un submarino averiado lucha por volver a la superficie. Los tripulantes echaron mano de la fuerza de los motores para intentar revertir la situación, y también soplaron aire a presión para que expulsara parte del agua sobrante.

En contra de lo que suele verse en las películas de submarinos, las hélices no suelen usarse para sumergirse o emerger. En su lugar se utiliza una técnica mucho más simple. Dentro del submarino hay compartimentos inundables que proporcionan lo que se llama reserva de flotabilidad. Un submarino se diseña de forma que, con esos compartimentos vacíos, su densidad media sea algo inferior a la del agua, de forma que sólo una parte permanezca a flote (en eso se asemejan a los icebergs). Para sumergirse, los compartimentos inundables se abren y se llenan con agua del exterior, lo que hace que la densidad media aumente hasta superar a la de agua. Cuando llega la hora de emerger, se utiliza aire a presión para expulsar el agua y la densidad promedio vuelve a su valor inicial.

Un submarino ha de ser diseñado cuidadosamente para que su peso no supere el del líquido que desaloja. Aunque no aparece en ninguna película (todavía), los alumnos del profesor de Física se divertirán conociendo la siguiente anécdota de la vida real. Desde hace años los astilleros españoles Navantia están desarrollando una flota de cuatro nuevos submarinos clase S-80 para la Armada. En 2013 se descubrió que el primero de ellos, el Isaac Peral, tenía un grave fallo de construcción: apenas flotaba. Resulta que su masa era unas cien toneladas superior a lo calculado, lo que comprometía su reserva de flotabilidad. El fallo se atribuyó a "errores de cálculo en los trabajos de ingeniería."

En diciembre de 2015 se anunció que se había añadido una sección adicional para aumentar el volumen del submarino, operación que por sí sola representó un sobrecoste al programa de doscientos millones de euros (una factura muy cara por olvidar el principio de Arquímedes). Como consecuencia de este y otros fallos de diseño ninguno de los submarinos clase S-80 ha entrado en servicio, no se espera que lo hagan antes de 2018, y el programa ya nos ha costado más de 3.000 millones de euros a los contribuyentes. Espero que los responsables recuerden que, cuando los submarinos crucen el Estrecho de Gibraltar para salir al Océano Atlántico, navegarán en aguas con menor densidad y el empuje de Arquímedes disminuirá en consecuencia.

Sigamos en un tono distinto. ¿Le gustaría tener un coche submarino? A tenor de lo que dicen mis alumnos, seguro que sí; al menos, eso es lo que me indican sus comentarios cuando ven una escena de La Espía que me Amó (1977). El agente James Bond, con la chica guapa al lado, conduce velozmente un precioso deportivo Lotus mientras es perseguido por coches y helicópteros. El vehículo de los buenos es arrinconado en un muelle, pero Bond se lanza impasible a toda velocidad mientras le pregunta a la chica si sabe nadar. El coche salta, se sumerge en el agua... y se convierte en un submarino.

Mientras los alumnos suspiran en plan "yo quiero uno de esos," podemos ir haciendo números. La pregunta que se nos plantea es ¿puede un coche navegar bajo el agua? No tenemos datos precisos pero podemos hacer una estimación somera de los parámetros del caso: un vehículo de unos 1.100 kilogramos, un volumen de 6,4 metros cúbicos y un mar con una densidad de 1.030 kg/m³. El empuje de Arquímedes resultante es de casi 65.000 Newtons, superando en seis veces el peso del coche. Lo siento por Bond y acompañante, pero su coche-submarino flotará y será presa fácil de los esbirros que esperan en el helicóptero.

Volvamos a mar abierto. En ocasiones un buque en proceso de hundimiento se da la vuelta, asoma la quilla y permanece a flote durante algún tiempo. El motivo es la presencia de una burbuja de aire que queda encerrada por el propio casco del buque. Esto dio pie a La Aventura del Poseidón (1972), ejemplo típico del cine de catástrofes de los años setenta (esta película ha sufrido varios remakes, así que puede usted escoger el que más le guste). Un buque crucero surca los mares cuando, sin aviso previo, una ola gigante se abate sobre él y lo vuelca. Un grupo de pasajeros queda atrapado en la cámara de aire que ha quedado en el interior del barco y luchan por sobrevivir.

La existencia de una cámara de aire en una embarcación volcada es aprovechado también en El Temible Burlón (1952). El pirata capitán Vallo ha sido traicionado por su tripulación y se encuentra a la deriva, encadenado a un pequeño bote junto con su fiel compañero Ojo y el profesor Prudence. Este último, tras meditarlo mucho, decide que la única solución es volcar el bote. Dicho y hecho, los tres acaban bajo el agua, debajo del bote, pero pueden respirar porque hay aire atrapado. El profesor está como unas pascuas de contento:

"Tenía razón. ¡Qué grande era Aristóteles! Hace ya muchísimo tiempo que predijo que un barco vuelto al revés conservaría una cámara de aire entre el agua y su quilla."

El capitán Vallo he pregunta cómo sabía que el casco del bote sería hermético, a lo que el profesor responde con alegría "eso es ciencia, hijo mío, no sabemos nada hasta que efectuamos el experimento." A continuación, los tres se ponen en marcha y comienzan su andadura en dirección a la costa... bajo el agua.

Dice la Wikipedia que El Temible Burlón fue inspiración para una famosa saga de películas de piratas protagonizada por Johnny Depp. Vaya usted a saber si es cierto o no. Lo que sí sabemos es que, como mínimo, copiaron la escena del bote volcado. En efecto, en Piratas del Caribe: la Maldición de la Perla Negra (2003), Jack Sparrow (perdón, el capitán Jack Sparrow) y Will Turner se esconden bajo un bote que se encuentra volcado en la arena. Cuando los soldados pasan de largo nuestros protagonistas corren hasta la orilla, se introducen en el agua y comienzan a caminar por el fondo del mar.

"Esto es una locura, o una genialidad" dice uno, a lo que el otro contesta "es sorprendente lo a menudo que coinciden estos dos conceptos." Locura o no, podemos determinarlo repitiendo el ejercicio numérico de La Espía que me Amó para averiguar si el bote flotaría en las condiciones que se pueden ver en la película. De nuevo hemos de barruntar las condiciones de masa y volumen. A ojo de buen cubero, yo le pongo un volumen de unos 1,65 metros cúbicos y una masa total (bote más tripulantes) de unos doscientos kilogramos. Esto nos da una fuerza de Arquímedes de unos 17.000 Newtons, casi diez veces el peso de nuestro sistema. Con una densidad relativa de apenas el 12%, está claro que el bote flotará en lugar de permanecer cerca del fondo, y Jack Sparrow, capitán o no, se verá en dificultades.

Para que no parezca que el principio de Arquímedes solamente se produce en agua veamos un par de ejemplos en lava. En películas como Volcano (1997), El Núcleo (2003) o El Señor de los Anillos: el Retorno de Rey (2003), alguien acaba dándose un baño muy caliente. Siempre sucede igual: el protagonista cae al mar de lava, permanece unos segundos flotando por eso del efecto dramático y luego se hunde. Pues lo siento pero eso último no es correcto, ya que la lava es más densa que un cuerpo humano, así que no va a ser.

Recordemos que cualquier globo o dirigible está sometido también al principio de Arquímedes. Lo habitual en un globo es calentar el aire de su interior, lo que disminuye su densidad. En el caso de los dirigibles, están rellenos de helio, gas más liviano que el aire; antiguamente se utilizaba hidrógeno, aún más ligero pero muy susceptible a incendios, explosiones y demás consecuencias desagradables. Tiene usted un ejemplo de esto último en Hindenburg (1975), y para globos nada mejor que el utilizado por Phileas Fogg en La Vuelta al Mundo en Ochenta Días (1956), donde además podemos disfrutar de un Mario Moreno (Cantinflas) en todo su esplendor.

LA ECUACIÓN DE CONTINUIDAD: LAS GALLINAS QUE ENTRAN...

Todo lo visto hasta aquí supone una situación estática. El estudio del movimiento de fluidos (o de cuerpos en su seno) requiere de muchas simplificaciones, so pena de tener que dedicar un superordenador y meses de cálculos a la tarea. Comenzamos suponiendo que no existen rozamientos internos en el seno del fluido, y que el movimiento de éste se realiza en forma de capas o láminas (flujo laminar). En esas condiciones pueden obtenerse algunas ecuaciones que nos relacionan de forma sencilla variables como posición, velocidad y presión.

Una de las herramientas más útiles es una sencilla relación llamada ecuación de continuidad. Establece que el producto de la velocidad del fluido por la superficie de la sección por donde está circulando y por la densidad es constante (Avρ=cte); para un líquido de densidad no constante, la relación se simplifica a Av=constante. De tal modo, cuando un fluido ha de pasar por un estrechamiento la velocidad ha de aumentar, y si el tubo se ensancha entonces la velocidad disminuye.

Esta relación está basada en la conservación de la masa, y no es más que un reflejo de la idea de que todo lo que entra tiene que salir. Yo suelo llamarlo en clase "el principio de José Mota," en alusión a una frase que decía a menudo este humorista: "las gallinas que entran por las que van saliendo." Hace tiempo que Mota jubiló a sus gallinas, pero qué le voy a hacer, soy un sentimental. En cualquier caso, la ecuación de continuidad supone precisamente eso, ni las gallinas desaparecen por el camino, ni nacen otras nuevas de repente, ni se amontonan en un lugar del tubo.

La ecuación de continuidad tiene muchas aplicaciones prácticas. Permite, por ejemplo, explicar por qué el chorro del grifo se adelgaza conforme cae, por qué las autopistas han de tener muchos puestos de peaje para sólo dos carriles por sentido, y por qué las personas salen disparadas cuando alguien abre una puerta o cuando se ven forzadas a circular por pasillos en gran número. Los diseñadores de grandes superficies como centros comerciales, estadios o pabellones cubiertos han de tener este efecto en cuenta siempre, y una de sus pesadillas es una avalancha que provoque heridos o muertos. Se han dado casos trágicos en nuestro país, y prefiero no dar nombres, pero usted sabe a qué me refiero.

¿Algún ejemplo de la ecuación de continuidad en película? Bien, se me ocurre una escena de Un Padre en Apuros (1996). Arnold Schwarzenegger interpreta aquí a Howard Langston, el habitual hombre de negocios demasiado ocupado para prestar atención a su hijo. Dispuesto a reparar su error, le promete a su hijo que Santa Claus le traerá el muñeco Turbo Man, el juguete de moda esas navidades. El ingenuo papá pronto descubrirá que conseguir el juguete más popular de la historia el día antes de Navidad es una tarea de titanes.

Imagínese la escena. Centenares de personas esperan fuera de la juguetería para ultimar sus compras de Navidad. Hace frío, la nieve cubre las calles y los nervios están a flor de piel. Por fin los empleados abren las puertas y una riada de compradores se abalanzan a gran velocidad a través del estrechamiento que supone la puerta; y al decir "riada" realmente estamos describiendo a la muchedumbre como un fluido. Las siguientes escenas nos muestran a los voraces consumidores asaltando la tienda a toda velocidad como si la vida les fuese en ello; podemos disculparles porque, en parte, la ecuación de continuidad es responsable de su comportamiento. En efecto, recordemos la condición Avρ=cte. Si la entrada fuerza al fluido humano a pasar por un estrechamiento (A disminuye), una de dos: o corremos (v aumenta), o nos arriesgamos a que se origine un embotellamiento peligroso (ρ aumenta).

FÓRMULA 1 Y FLUIDOS EN MOVIMIENTO

La ecuación de continuidad nos describe cómo se origina un aumento de la velocidad en los estrechamientos, pero ¿cuál es el mecanismo responsable de ello? ¿Quién o qué está empujando para que el fluido aumente su velocidad? Si nos encontramos en medio de la muchedumbre la respuesta es clara: nos movemos porque nos empujan por detrás, y por supuesto nosotros empujamos a los que se encuentran por delante nuestro, quienes a su vez nos empujan hacia atrás. Usando el lenguaje de la mecánica de fluidos, podemos interpretar esas "diferencia de empujes" como variaciones de presión. El resultado es que nuestra velocidad aumenta, lo que podemos ver como un incremento de energía cinética. Puede pasar que nos lleven en volandas escaleras arribas, con lo que también nuestra energía potencial cambiará de valor.

Para estudiar el movimiento de una masa de fluido en condiciones de rozamiento nulo y régimen laminar podemos utilizar el principio de conservación de la energía: la suma de la energía cinética y potencial de un elemento fluido será igual al trabajo de las fuerzas debidas a la diferencia de presiones. Eso nos lleva a la llamada ecuación de Bernoulli, que nos dice que la suma P+ρgh+½ρv² es constante para un fluido incompresible (los fluidos compresibles tienen una ecuación similar: P/ρ+gh+½v² = constante). Los términos dos y tres se corresponden con la energía potencial y cinética, respectivamente; en cuanto al primero, representa el trabajo efectuado por el resto del fluido.

Hay muchos ejemplos de aplicación de la ecuación de Bernoulli. Uno de ellos es el llamado "efecto suelo." Cuando un vehículo terrestre se mueve, choca contra el aire, obligando a éste a desviarse por encima, por debajo y por los lados. Al pasar por debajo, el aire se ve forzado a moverse por un estrecho "tubo" formado por el asfalto y el suelo del coche, es decir, un estrechamiento. La ecuación de continuidad nos dice que, en esas condiciones, la velocidad del aire debe aumentar.

En este caso podemos suponer que la altura a la que se encuentra el fluido apenas varía. Eso nos deja con la relación P/ρ+½v² = constante: si la velocidad aumenta, la presión ha de disminuir. La parte inferior del vehículo contiene aire a una presión inferior a la que hay en el techo, y esa diferencia de presiones produce una fuerza neta hacia abajo. En cierto modo actúa como una ventosa, creando un vacío parcial que ayuda a mantener el coche pegado al suelo.

Puede que a usted le resulte raro que el aire se mueva tan rápidamente. En realidad, no lo hace, sino que es el coche el que se mueve a gran velocidad, pero no olvide usted que la velocidad es un concepto relativo. Si usted fuese el conductor vería cómo el aire se mueve a gran velocidad hacia atrás por la parte inferior del coche. Lo importante es la velocidad relativa entre el fluido y los objetos a su alrededor.

El efecto suelo es débil en los vehículos que podemos ver por la carretera pero puede resultar particularmente intenso en las carreras de Fórmula 1, donde se busca la forma de mantener los coches pegados al suelo. Tener un suelo plano cercano al asfalto, faldillas laterales y un difusor trasero para canalizar el aire a gran velocidad por debajo permitirá contar con el efecto suelo para estabilizarse y ganar en agarre. Este efecto fue introducido en la Fórmula 1 en los años setenta con gran éxito: los coches se agarraban al suelo como si estuviesen hechos de plomo pero seguían manteniendo su ligereza a efectos de aceleración.

Por desgracia, el efecto suelo tuvo dos serios inconvenientes prácticos. El primero fue que los coches eran mucho más rápidos en las curvas, y eso sometía a los conductores a fuerzas centrífugas muy fuertes, como los pilotos de un caza cuando hace un giro cerrado. El segundo problema es el mismo que tendría usted si intentase despegar una ventosa. Tire débilmente y no cede, tire con más fuerza y no cede, siga usted aumentando la fuerza del tirón... y de repente, sin previo aviso, la ventosa se despegará y usted saldrá disparado hacia atrás.

Si un coche, por cualquier motivo (contacto con otro coche, fallo en los amortiguadores, baches) se despegaba del suelo, el efecto suelo desaparecía de forma brusca y el coche salía volando. Y cuando digo "volando" uso el término literalmente. Durante el período de uso del efecto suelo hubo varios accidentes graves. Uno de los más conocidos se llevó la vida del campeón Giles Villeneuve el 8 de mayo de 1982. Durante una carrera de clasificación su Ferrari golpeó por detrás al coche de Jochen Mass, perdió agarre y voló por los aires unos cien metros. Como consecuencia de este y otros accidentes similares, en 1983 se prohibió el uso del efecto suelo en las competiciones de Fórmula 1.

Esa prohibición no parece haber afectado a Sylvester Stallone, quien interpreta a un piloto de carreras en la película Driven (2001). Un compañero de escudería y él deciden de repente improvisar una carrera por las calles de Chicago. En un momento dado ambos coches pasan por encima de una pesada tapa de alcantarilla. El primero de ellos la mueve, y el segundo la lanza por los aires. El efecto suelo, que convierte un monoplaza de Fórmula 1 en una ventosa gigante, permite explicar este movimiento, aunque no sé si será lo bastante fuerte para levantar una tapa de acero de esa manera.

Para tener éxito en una carrera lo que se necesita es velocidad. Y es precisamente velocidad lo que reclaman Maverick y Goose, los protagonistas de Top Gun (1986). Hemos cambiado el suelo por el cielo, y los mejores de los mejores se preparan para ser aún mejores pilotando cazas de combate. Eso nos lleva a una pregunta que hemos dejado sin responder un poco más atrás: ¿cómo es posible que un objeto tan pesado como un avión pueda volar? Aquí el truco del empuje de Arquímedes no nos sirve.

Curiosamente, cada vez que he buscado información en Internet o en libros me he encontrado con varias explicaciones, todas muy sesudas, bien fundamentadas... y a menudo erróneas. Los profes siempre hemos echado mano del principio de Bernoulli con el siguiente razonamiento: un ala está diseñada de forma que el aire pase por arriba más rápidamente que por abajo, lo que hace que la presión arriba será inferior a la presión abajo, y esa diferencia de presiones crea una fuerza hacia arriba que proporciona la sustentación necesaria para vencer a la gravedad.

En realidad, aunque podemos seguir usando aquí el principio de Bernoulli, hemos de hacerlo con precaución porque solamente proporciona parte de la sustentación necesaria para que un avión vuele. Si no me cree busque fotos sobre aviones de principios del siglo XX, y podrá ver que la parte superior del ala (extradós) y la inferior (intradós) tenían la misma longitud.

La explicación completa necesitaría de las ecuaciones de Navier-Stokes, cosa que no pretendo hacer porque estamos hablando de Física general sencilla. Al contrario, nos quedaremos con la ecuación de Bernoulli para explicar un efecto que vemos en Top Gun. En diversas escenas vemos cazas despegando de un portaaviones. La pregunta que le suelo plantear a los alumnos, tras ver esas escenas en el proyector, es la siguiente: ¿en qué dirección, con respecto al viento, debe despegar el avión?

Un alumno atento habrá visto que las columnas de humo y vapor que aparecen tras el despegue nos indican la dirección en la que sopla el viento, pero seamos realistas, ¿quién se fija en esas minucias teniendo cazas F-14 que llenan la pantalla? Hay que usar el sentido común, y la mayoría piensan que el aire empuja al avión en su movimiento, así que dicen que el viento ha de soplar de cola. ¡Pero la respuesta correcta es la contraria!

Para entenderlo, recordemos que la sustentación debida al principio de Bernoulli viene determinada por la velocidad relativa entre el fluido y los sólidos que le rodean (sea una tubería o un cuerpo que se mueva en su seno). Cuanta mayor velocidad tanto mejor, así que la solución óptima es que el avión despegue con el viento de cara, porque de esa manera la velocidad respecto al aire es máxima; y no nos preocupemos del empuje, que ya se encargan los motores de eso.

Se nos plantea ahora un interesante problema. Supongamos que la velocidad mínima que el avión necesita alcanzar para alzar el vuelo es V. Recordemos una vez más (aun a riesgo de sonar pesado) que esa es la velocidad relativa entre el avión y el aire. Los aviones comerciales la consiguen poniendo al máximo los motores y acelerando en la pista de despegue, ¿pero y si el avión está en reposo y es el aire el que sopla a velocidad V? ¿Qué sucederá? Sencillo: el avión volaría sin necesidad de moverse.

En Youtube pueden encontrarse varios ejemplos con avionetas. Mi preferido, sin embargo, es el de un avión mucho más grande. El 23 de mayo de 2012 soplaron rachas de viento de más de 150 kilómetros por hora en la zona del desierto de Mojave (California) donde varios aviones yacían a la espera de ser desmantelados. Un 747 en particular tiene desplegados los flaps (superficies horizontales usadas para aumentar la superficie alar durante los despegues y aterrizajes), sus motores han sido retirados (lo que lo hace especialmente liviano), en un momento dado la fuerza del viento aumenta... y como en sus buenos tiempos, el morro del avión se eleva durante unos segundos, cae, vuelve a elevarse y así durante un par de minutos. Si la velocidad del viento hubiera sido algo mayor el avión se habría elevado por completo.

ASUNTOS PENDIENTES

Aun queda mucho que decir sobre la Mecánica de fluidos, pero entramos ya en la parte de la dinámica de fluidos más complicada. Podemos ver algunos aspectos, como la posibilidad de que el fluido sufra rozamiento, fenómeno que se conoce con el nombre de viscosidad. El estudio de las fuerzas viscosas resulta difícil porque no son constantes sino que generalmente dependen de la velocidad. Con todo, se puede demostrar que el cuerpo que cae y está sometido a fuerzas de viscosidad tiende a tener una velocidad constante, conocida con el nombre de velocidad terminal, que depende -entre otros factores- de la forma geométrica del objeto.

Eso es algo que todo paracaidista experimental al salta del avión. Conforme cae su velocidad va aumentando hasta un valor límite; cuando tira de la anilla y despliega el paracaídas, se convierte en un cuerpo con mayor tamaño y cuya velocidad límite se hace más pequeña, lo que hace que el paracaidista frene y pueda aterrizar con seguridad. Un ejemplo límite fue protagonizado en 2012 por Felix Baumgartner, quien se lanzó en paracaídas desde la increíble altura de 39.000 metros. El aire estaba tan enrarecido a esas alturas que Felix pudo alcanzar e incluso superar la velocidad del sonido durante su caída.

Velocidad de Felix Baumgartner comparada con la velocidad del sonido a diversas alturas

Menos espectacular fue el salto de James Bond en la película Moonraker (1979). Al comienzo de la película, nuestro espía favorito es arrojado de avión en pleno vuelo. La única posibilidad de salvarse será alcanzar a otro paracaidista que acaba de tirarse antes que él. ¿Lo conseguirá? Es posible, si juega con la geometría de su cuerpo. Al ponerse vertical hacia abajo, la sección que presenta su cuerpo al aire en movimiento disminuye, con lo que su velocidad terminal aumenta. Seguro que no le sorprenderá si le digo que al final tuvo éxito, ¿verdad?

Algo similar le sucedió a Arnold Schwarzenegger en Eraser (1996). Nuevamente el protagonista es arrojado de un avión en vuelo. La buena noticia es que tiene un paracaídas a su alcance, y la mala es que ese paracaídas ya ha caído del avión hace rato. Tras unos segundos de caída finalmente logra alcanzarlo, pero ya se encuentra muy cerca del suelo y apenas dispone de tiempo para ponérselo y desplegarlo. Finalmente consigue aterrizar, aunque más bien tendríamos que decir que se estrelló, y cuando nuestro héroe pregunta a unos niños dónde se encuentra, éstos responden asombrados "en la Tierra, bienvenido." También se habrían sorprendido si hubiesen podido ver al señor Sulu caer en picado en Star Trek (2009). Afortunadamente su paracaídas se abrió a tiempo, no como el del tipo de la camisa roja que... bueno, todo trekkie sabe qué le pasa a los tipos de la camisa roja.

El estudio de la viscosidad es un juego de niños comparado con el reto que representa el flujo turbulento, tanto que ni siquiera voy a entrar al trapo. Tampoco hay muchos ejemplos de películas donde puedan verse estos efectos. Bueno, en Jungla de Cristal 2 (1990) aparece una escena cerca del final, en la que algunos aviones comienzan a aterrizar en un aeropuerto y crean remolinos con las alas. De verdad, mejor dejemos el tema. Es una recomendación de amigo.

EJEMPLO DE PELÍCULA: EL VEHÍCULO DE LOS HOMBRES DE NEGRO

Mientras escribo estas líneas leo que los responsables de la Fórmula 1 se están planteando volver a autorizar el uso del efecto suelo (de forma más segura, espero). Si eso sucede, las carreras podrían dar un vuelco. Literalmente. Imagine usted que construimos un coche con un efecto suelo tan intenso que produzca una fuerza vertical superior al peso del propio coche. Eso significa que, al menos en teoría, el coche podría correr por el techo.

Este "efecto techo" es el elemento clave en una de las escenas más espectaculres de la película Hombres de Negro (1997). Los agentes J y K han de llegar lo antes posible a su destino, y para ello conducen su supercoche a toda velocidad a través de un túnel. Pasada una curva el agente K, que no está dispuesto a perder tiempo, aprieta el botón rojo (vale, le dice a J que apriete el botón rojo), y de inmediato unos motores cohete impulsan el coche a gran velocidad. El impacto es inminente, pero K sabe lo que hace: un giro del volante, y el coche acaba volando por el techo.

Es hora de hacer números. Necesitamos que el "efecto techo" sea, como mínimo, igual al peso del coche. Supongamos que la velocidad del coche es v. Cuando el aire es forzado a pasar por debajo a velocidad v, la ecuación de Bernoulli nos da el valor P₁/ρ+½v² (podemos olvidarnos del factor gh porque es muy pequeño en este ejemplo). Una vez haya pasado, ese aire estará a la presión atmosférica Po. De ese modo tenemos Po/ρ=P₁/ρ+½v². Esa diferencia de presiones (Po-P₁) ha de producir una fuerza al menos igual al peso, es decir, F=(Po-P₁)∙S=mg. Eso nos da una velocidad mínima de v=[2mg/ρS]1/2

¿Es eso posible? De nuevo hemos de suponer datos aproximados (los MIB no nos darán las especificaciones técnicas del coche), así que pongamos que tiene una masa de dos toneladas y que la superficie del suelo es de unos diez metros cuadrados. La densidad del aire a temperatura y presión normales es de 1,3 kg/m³. Sustituyendo nos sale un valor mínimo de v=198 km/h, algo perfectamente dentro de las posibilidades de un monoplaza de Fórmula 1 (no digamos ya de la tecnología de los Hombres de Negro).

En 2011, un artículo escrito por un grupo de investigadores de la Universidad de Leicester mostró un estudio similar para un coche de Fórmula 1. Usaron una ecuación algo más compleja que la de Bernoulli para incorporar otros efectos que hemos pasado por alto (rozamiento del aire, ángulo de ataque del morro) y concluyeron que, en efecto, correr por el techo es posible si el coche alcanza una velocidad mínima de 180 kilómetros por hora.

Eso sí, un coche real tendría otro tipo problemas para correr por el techo, ya que un motor de competición está diseñado para funcionar con la gravedad hacia abajo; pero la idea es teóricamente posible y ya se han hecho pruebas con éxito usando modelos a escala (buque usted en Youtube). Jeremy Clarkson, el presentador del famoso programa televisivo de coches Top Gear, lo intentó en 2009 en un túnel cilíndrico, y contra todo pronóstico tuvo éxito. La empresa automovilística Mercedes repitió la hazaña en un anuncio con un modelo SLS AMG. En ambos casos, sin embargo, el coche solamente hizo un breve recorrido por una pared, el techo y la pared opuesta, y fue el efecto de la fuerza centrípeta lo que lo hizo posible, no el efecto suelo. Por el momento el coche con efecto techo no está disponible en el mercado. Hemos de tener paciencia.

9 - OSCILACIONES

- Soy el efecto Doppler

- Si eso es alguna deficiencia mental, me pareces muy insensible

(Sheldon Cooper y Vicky)

MOVIMIENTOS ARMÓNICOS

El caso de movimiento con aceleración variable es difícil de resolver en el caso general, si no imposible. Las elegantes relaciones cinemáticas v(t), x(t) dejan paso a ecuaciones diferenciales que no siempre pueden resolverse de forma analítica. Un caso relativamente sencillo que sí resulta resoluble es el de una fuerza no constante que tiende a hacer que el cuerpo vuelva a su posición de equilibrio. Hay muchos ejemplos a nuestro alrededor: tentetiesos, muelles, péndulos. Puede que usted recuerde de clase de Física la ley de Hooke que rige el comportamiento de los muelles, y que se suele escribir como F=-Kx. En general, un movimiento con una fuerza recuperadora proporcional a su desplazamiento recibe el nombre de movimiento armónico simple (MAS).

Estudiar un MAS es como construir el palacio del Viso del Marqués. En esa localidad castellano-manchega, situada justo al norte de Despeñaperros, hay un hermoso palacio construido en el siglo XVI por don Álvaro de Bazán, Marqués de Santa Cruz, donde en la actualidad se encuentran el Archivo General de la Marina y un museo naval que le recomiendo visitar. Puede resultar extraño que un almirante español tuviese un castillo tan lejos del mar, pero las gentes del Viso tienen un dicho que lo explica: ¿Por qué se hizo el marqués un palacio en el Viso? Pues porque pudo y porque quiso.

De forma análoga, los físicos estudian el MAS porque pueden y porque quieren. Pueden, porque su ecuación diferencial es sencilla de resolver y proporciona sencillas relaciones entre espacio, velocidad, aceleración y tiempo; y quieren, porque muchos sistemas de la naturaleza se comportan como un oscilador armónico simple en primera aproximación.

El MAS es un caso particular de lo que se conoce como movimiento periódico, caracterizado porque se repite a intervalos regulares. De hecho, el término "periódico" indica que algo se repite cada vez que pasa un intervalo de tiempo llamado período. Los periódicos se llaman así porque salen de forma periódica todos los días, motivo por lo que también se les llama diarios. Las revistas suelen ser de publicación semanal, y aunque también serían periódicas se suelen llamar semanarios. La Tierra gira periódicamente sobre su eje (lo que nos define el día) y alrededor del Sol (lo que nos da el año). El propio término "período" se usa para referirse al ciclo mensual que sufren las mujeres, y precisamente cuando éste deja de ser periódico es cuando comienza la inquietud y la zozobra.

Volviendo al movimiento armónico simple, me temo que no hay muchos ejemplos en el cine que sirvan para el caso, y los pocos que recuerdo son muy breves. Por ejemplo, ¿saben ustedes lo que es el péndulo de Newton? Se trata de un conjunto de péndulos con bolas alineadas. Cuando el péndulo de un extremo golpea el conjunto, el péndulo del otro lado sale disparado mientras los péndulos de en medio permanecen quietos. Es un buen ejemplo de colisión elástica que aquí podemos usar como péndulo simple, un sistema que (para oscilaciones pequeñas) se comporta como un MAS.

En Superman II (1980), tres supervillanos han tomado el control de nuestro planeta. Su centro de mando es el despacho oval de la Casa Blanca. Mientras disfrutan de su nuevo dominio, uno de ellos se entretiene mirando un péndulo de Newton como si fuese un niño pequeño. Otro péndulo similar aparece en Pacific Rim (2013), una película donde robots buenos y monstruos malos luchan por el dominio de la Tierra. En una escena, un Jaeger (robot) y un Kaiju (monstruo) luchan entre sí en Hong Kong, destrozando un edificio tras otro mientras la población espera aterrorizada en los refugios subterráneos. Un puñetazo mal dirigido del Jaeger destroza una planta de oficinas de un rascacielos, y cuando el puño por fin se detiene golpea muy levemente una mesa que tiene un péndulo de Newton. Usar un puño de un gigantesco robot para poner en marcha un péndulo es sin duda una travesura del director para introducir un punto cómico.

Un superhéroe que utiliza mucho el concepto de péndulo es Spiderman, el hombre araña. Como todos sus seguidores saben, su modo de transporte favorito es lanzar telarañas a edificios altos y balancearse entre ellos. Sospecho que la mayoría de las veces hace trampas, porque no puedo explicarme de qué forma utiliza ese balanceo para subir a edificios altos o vencer el rozamiento con el aire. Quizá se impulsa mediante una carrera inicial o trepa a lo alto de un rascacielos, pero en ocasiones parece como si los guionistas creyesen que el movimiento pendular realmente le hace viajar más rápido o más alto.

Tenemos un ejemplo en Spiderman (2000). La lucha en Times Square no pinta bien para nuestro trepamuros, perseguido desde el aire por el Duende Verde y se ve obligado a hacer una retirada táctica. Para ello lanza una telaraña hacia uno de esos grandes globos que los norteamericanos gustan de exhibir en los desfiles, hace un movimiento pendular y acaba encima del globo. Un cálculo rápido, basado en la conservación de la energía mecánica, nos dice que si la subida fuese de tan sólo diez metros Spiderman tendría que haber corrido a una velocidad de 50 kilómetros por hora; algo imaginable para una persona con superpoderes pero que no parece ajustarse a la escena, donde se le ve correr mucho menos.

El maestro Obi-Wan Kenobi también parece violar las leyes de la Física en El Ataque de los Clones (2002). Durante su lucha contra el cazarrecompensas Jango Fett, Kenobi cae al vacío. Para agarrarse de nuevo a la ciudad de los maestros clonadores lanza un garfio, éste se engancha y convierte a nuestro maestro Jedi en un péndulo. Ahora bien, algo raro pasa porque éste no completa ni una sola oscilación. ¿Es un error de los cineastas?

Lo cierto es que no. Un péndulo simple realiza un movimiento armónico simple, pero si tenemos fuerzas de rozamiento ese movimiento cambia. Para el caso de rozamientos pequeños, la frecuencia de las oscilaciones es casi idéntica a la llamada frecuencia natural (con la que oscilaría en ausencia de rozamientos) y lo que disminuye es la amplitud de las oscilaciones, es decir, el desplazamiento máximo del cuerpo. Es lo que se llama movimiento armónico amortiguado.

Cuando el amortiguamiento alcanza un valor lo bastante alto, las oscilaciones desaparecen, o casi: el cuerpo oscila una o dos veces, en ocasiones ninguna (dependiendo de las condiciones iniciales) y vuelve rápidamente al estado de equilibrio. Esta condición se conoce como amortiguamiento crítico. Para fuerzas de amortiguamiento todavía mayores, el cuerpo pasa al estado de movimiento sobreamortiguado, similar al crítico. Los amortiguadores de los vehículos tienden a trabajar en la posición de amortiguamiento crítico, ya que es la más eficaz.

Así las cosas, podemos imaginar que Obi-Wan Kenobi estaba sometido a una intensa fuerza amortiguadora cuando estaba oscilando. No puede tratarse del rozamiento con el aire porque sería una fuerza insuficiente, así que lo único que podemos concluir razonablemente es que usó sus poderes de maestro jedi. En este caso al menos, "la Fuerza" resulta ser un término adecuado.

Volvamos al caso de amortiguamiento bajo y aprovechemos para desvelar un curioso efecto sonoro que no solamente se da en el cine sino también en la vida diaria. Seguro que usted se ha encontrado alguna vez en una zona ruidosa como una ciudad, un aeropuerto o un concierto al aire libre, y habrá notado cómo los sonidos de todo tipo de frecuencia martillean sus oídos sin compasión. Una vez se aleja, nota que aún se oye algo de ruido a lo lejos, pero distinto al original porque los sonidos agudos han desaparecido y solamente se oyen murmullos graves. Si se trata de música al aire libre, puede que lo único que oiga usted sean esos desagradables "bum, bum" graves del batería. ¿Por qué parecen desaparecer los sonidos agudos?

La explicación puede venir de la mano del movimiento oscilatorio. Si la fuerza de amortiguamiento es pequeña, puede demostrarse que la amplitud de la oscilación decrece exponencialmente con el tiempo como A=Aoexp(-t/τ), donde τ es la llamada constante de tiempo. Cuando pasa un tiempo t=τ, la amplitud decrece hasta un 37% de su valor inicial; t=2τ, y se reduce al 14%; t=4τ y apenas llega al 2%. Dado que la energía de una onda es proporcional al cuadrado de su amplitud, vemos que basta dejar pasar un tiempo igual a un puñado de veces τ para que la onda sonora quede totalmente atenuada a todos los efectos.

Ahora bien, resulta que la constante de tiempo no es realmente constante sino que puede depender de la frecuencia. Medios materiales como el agua y el aire atenúan el sonido, pero esa atenuación es más pronunciada para las ondas de alta frecuencia, es decir, los tonos agudos. Eso significa que, cuando nos encontramos a gran distancia de una fuente de sonido, los graves nos llegan con más intensidad que los agudos. Eso explica ese zumbido de graves que oímos en la lejanía.

Variación exponencial de la amplitud del sonido con el tiempo. Las ondas de frecuencia más corta (agudos) se atenúan antes que las de frecuencia larga (graves)

Tenemos muchos ejemplos de película, así que me limitaré a sugerir algunos. El primero en el que pienso es Alien el Octavo Pasajero (1979), un perfecto ejemplo del cine de terror en el espacio. Bueno, quizá no tan perfecto. La publicidad de la época ya lo advertía: en el espacio nadie podrá oír tus gritos; pero apenas comienza la película vemos ¡y oímos! una nave espacial viajando por el espacio. Me apena reconocerlo, pero eso de hacer ruido en el vacío (donde no hay un medio material que vibre) es otra de las batallas que los profes tenemos perdida desde hace mucho tiempo. La Nostromo pasa ante el espectador entre ruidos de baja frecuencia, a imitación de un gran carguero surcando el mar.

El efecto "nave espacial enorme emitiendo murmullos graves" parece haberse convertido en un cliché. No solamente aparece en otras películas de la serie Alien sino también en Avatar (2009), Independence Day (1996), Sunshine (2007), todo Star Wars... el espacio está plagado de naves gigantescas haciendo ruidos de superpetrolero. La misma escena inicial de La Guerra de las Galaxias (1977) incluye un destructor imperial envuelto en sonidos graves. No resulta fácil de oír, ya que se superponen otros sonidos más fuertes (disparos láser, explosiones y la soberbia banda sonora de John Williams), así que le recomiendo la escena inicial de la parodia Spaceballs, la Loca Historia de las Galaxias (1987), de Mel Brooks.

El efecto de filtrado de sonido que sucede en el aire (y según Hollywood, en el espacio) es asimismo notorio en el agua. Las ballenas pueden comunicarse entre sí a grandes distancias mediante el uso de "cantos" de frecuencia baja. Precisamente las ballenas son las protagonistas de Star Trek IV, Misión Salvar la Tierra (1986). También en esta película se cuela una gran nave susurrando en bajas frecuencias, en esta ocasión sazonada con un extraño chirrido que fríe todos los sistemas electrónicos a su alcance. Los visitantes han venido a hablar con las ballenas de la Tierra, pero en el siglo XXIII se han extinguido. La tripulación del almirante Kirk tendrá que rizar el rizo para resolver el problema.

Aunque los mecanismos físicos son diferentes, también las ondas de radio de baja frecuencia viajan por el agua con menor atenuación que las de alta frecuencia, y por eso las principales armadas del mundo las utilizan para comunicarse con sus submarinos. Como desventaja a su mayor poder de penetración, cuanto menor es la frecuencia de la onda menor es también su capacidad para transmitir información. Un mensaje que en frecuencia de radio FM dura una fracción de segundo puede eternizarse en una transmisión de frecuencia extremadamente baja (ELF).

Esa es la base de la película Marea Roja (1995). El USS Alabama, submarino portamisiles de los Estados Unidos, patrulla las aguas del Océano Pacífico. Un grupo rebelde ruso amenaza con conseguir capacidad nuclear en cualquier momento, y si eso sucede el Alabama deberá realizar un ataque preventivo. En cualquier momento puede llegar la orden de lanzamiento, que atravesará la capa de agua de mar sin sufrir apenas atenuación. Finalmente llega el mensaje fatídico: lancen sus misiles contra el enemigo.

Mientras se preparan para disparar comienza a llegar un segundo mensaje del alto mando, pero antes de que pueda ser recibido en su totalidad las comunicaciones se interrumpen. Los oficiales del Alabama tiene tan sólo las palabras  "Lanza*** misiles nucleares," y han de tomar una decisión al respecto. ¿Lanzad misiles nucleares? ¿Lanzados misiles nucleares? ¿Lanzamiento de misiles nucleares cancelado? Pronto se forman dos bandos, ambos con argumentos razonados y válidos, pero solamente puede prevalecer uno. El drama está servido, cortesía del eficaz pero lento servicio de comunicaciones ELF de la Armada norteamericana.

ESTADO DE RESONANCIA

En todos los casos de movimiento amortiguado, el rozamiento hace que el sistema oscilante acabe deteniéndose tarde o temprano. No es eso lo deseable en algunos casos, como por ejemplo cuando estamos viendo al sobrino columpiarse. Tarde o temprano (más bien temprano), el columpio se detendrá. ¿Y qué nos toca hacer? En efecto: levantarse del banco y empujar, lo que proporciona una fuerza al sistema para compensar la energía que se pierde durante los rozamientos.

Existen muchos tipos de fuerza que podemos aplicar, pero no se trata de examinarlos todos. Lo habitual es considerar una fuerza sinusoidal, es decir, que dependa del tiempo como una función seno o coseno. Existen tres motivos para ellos. El primero es que hay sistemas naturales que pueden aproximarse bastante bien por un oscilador forzado con una fuerza sinusoidal. En segundo lugar, el resultado obtenido para una fuerza sinusoidal puede extenderse a cualquier fuerza periódica en virtud al teorema de Fourier. Y en tercer lugar, resulta que se trata de un problema cuya solución matemática es fácil de obtener.

Una onda periódica cuadrada puede expresarse como suma de funciones sinusoidales (16 ondas en el presente ejemplo)

¿Y cuál es esa solución matemática? Pues es la misma que la del movimiento armónico simple. Eso significa que, si usted viese un oscilador simple y uno sometido a rozamiento y fuerza externa, no podría notar la diferencia.

Eso sí, hay un detalle importante a tener en cuenta. Resulta que la amplitud de las oscilaciones depende de dos frecuencias: la frecuencia de la fuerza externa, y la llamada frecuencia natural del sistema, que es la frecuencia con la que oscilaría un cuerpo en los sencillos viejos tiempos en los que solamente había MAS, sin rozamientos ni fuerzas externas. Puede demostrarse que la amplitud adopta un valor máximo cuando ambas frecuencias coinciden. Por eso el tito empuja el columpio del sobrinito con una frecuencia igual a la frecuencia natural del sistema. Ese caso de amplitud máxima, que se obtiene igualando ambas frecuencias, se conoce como condición de resonancia.

Existen diversos ejemplos de resonancia en el cine, pero no suelen ser muy vistosos o no dejan claro el fenómeno. Cuando alguien está sintonizando una emisora de radio, por ejemplo, lo que realmente está haciendo es alterar un circuito eléctrico de tal forma que éste entra en resonancia con una frecuencia de radio en particular. No suele resultar muy didáctico ver a alguien pulsar botones para oír a alguien por la radio, pero si de todos modos quiere una recomendación, allá va: Contact (1997). Podrán ver cómo la doctora Eleanor Arroway utiliza algunos de los mayores radiotelescopios del mundo para sintonizar frecuencias de radio.

También aparecen efectos resonantes cuando un objeto vibra en una frecuencia igual a una de sus frecuencias naturales (un objeto complejo puede tener más que una). ¿Han visto alguna vez el interior de una lavadora? La mía tiene una pesada placa de cemento, diseñada para que la frecuencia natural de la máquina no coincida con la de vibración durante su funcionamiento (y especialmente durante el centrifugado). Claro que ver bailar una lavadora no es algo que se suela ver mucho en el cine. pero en el Springfield de Los Simpson todo es posible. En el episodio Hermano, ¿me Prestas dos Monedas? (3x24), el hermano de Homer Simpson (por cierto, spoiler: ¡Homer Simpson tiene un hermano!) compró a la familia una nueva lavadora y una secadora. Los electrodomésticos viejos acabaron en el bar de Moe, donde se usaron para hacer carreras y apostar por el ganador, con gran contento por parte de la clientela habitual.

Hay una escena de Piratas del Caribe 3: En el Fin del Mundo (2007) que me gusta como ejemplo de resonancia. Finalmente la pandilla de Jack Sparrow ha descifrado las inscripciones de un misterioso pergamino, llegando a la conclusión de que deben volcar el barco. Para conseguirlo comienzan una carrera alocada de una banda a la otra. Cuando los tripulantes están en la banda de babor, su peso crea un momento de fuerza que tiende a inclinar el barco en ese sentido. Cuando corren hacia la otra banda, la inclinación se invierte y se hace más grande. Así, como un tío que corre de un lado a otro del columpio para empujar a su sobrino, el barco oscilará cada vez más.

No es un ejemplo muy fidedigno, ya que para que un efecto resonante sea intenso las fuerzas de rozamiento han de ser pequeñas. No creo que una docena escasa de personas puedan vencer las fuerzas de viscosidad entre el agua y un buque de madera grande, pesado y con la quilla tachonada de percebes. Aun así, me gusta el ejemplo. Permite dar un ejemplo de resonancia, explicar el concepto de desfase y hablar de las fuerzas disipativas. Y además es divertido.

Del cine nos vamos ahora a eso que tanto nos molesta cuando vemos una película en el televisor: los anuncios. En los años setenta la cantante Ella Fitzgerald protagonizó un famoso anuncio para la empresa de cintas de audio Memorex, donde usaba su prodigiosa voz para romper una copa de cristal en un caso clásico de resonancia. En 2005 los cazadores de mitos pusieron a prueba este efecto y lo verificaron con éxito, pero no les resultó fácil. Un efecto destructor solamente será posible si efectuamos una oscilación en la frecuencia natural del sistema y si existe poco amortiguamiento.

La primera condición no es posible para nosotros, personas normales y corrientes. Un cantante profesional, por el contrario, puede concentrar su potencia sonora en una onda de gran intensidad y frecuencia única. En cuanto al amortiguamiento, será grande si usamos un vaso de vidrio, pero pequeño si el sistema que oscila es una copa o vaso de cristal. Por tanto, he aquí mi advertencia si usted intenta emular a la señora Fitzgerald: ojo con la garganta... y con la cristalería de casa.

¿Qué hay del cine? Solamente conozco una escena en que una cantante intenta romper una copa con su voz, y está algo cogido por los pelos, lo reconozco. Estamos en Hogwarts, y la película es Harry Potter y el Prisionero de Azkabán (2003). Harry y sus amigos intentan entrar en su sección, pero la guardiana de la casa, una mujer rubia y rolliza que vive en un cuadro, se encuentra muy entretenida chillándole a una copa. En un intento final, lanza un aullido tan intenso como poco musical, y mientras los alumnos de Hogwarts se tapan los oídos la copa se rompe.

Por desgracia, no es un ejemplo real de resonancia: la guardiana se limitó a estrellar la copa contra la pared. No importa, porque eso me da la oportunidad de hablar de un ejemplo de efecto resonante mientras los alumnos se ríen un poco. Y eso último, en una clase de Física, es siempre de agradecer. Que se lo digan al profesor David Salzberg de Caltech, quien en los años ochenta también intentó romper una copa de cristal en un episodio de su serie documental El Universo Mecánico. Al final recurrió al truco de Hogwarts: rompió la copa tirándola al suelo. Tramposillo.

PUENTES QUE BAILAN

Ninguna explicación sobre resonancia y oscilaciones forzadas está completa sin el ejemplo clásico entre los clásicos: el puente de Tacoma Narrows. Esa estructura estuvo bailando durante meses debido a fuerzas resonantes causadas por el viento, algo que nadie había previsto cuando se construyó. Lo cierto es que la destrucción del puente se debió a efectos de excitación aerodinámica bastante más complejos, pero el bailoteo previo es resonancia pura y dura.

A pesar de que apenas existen unas pocas grabaciones, éstas han sido aprovechadas hasta la saciedad por profesores de Física de todo el mundo. Si usted es profesor y quiere usarlas, se lo recomiendo. Los tres cuartos de siglos transcurridos y la escasa calidad de la filmación no le restan espectacularidad. Al contrario, siempre que la he proyectado en clase los alumnos se han quedado con la boca abierta. No todos los días se ve un puente de acero y cemento, prácticamente un gemelo del famoso Golden Gate de San Francisco, venirse abajo estrepitosamente por un leve viento. Es un ejemplo que siempre tiene éxito.

Barriendo un poco para casa, le comentaré que en España tuvimos un caso parecido. En 2006 un puente en construcción sobre la autovía A-66 a la altura del Tajo comenzó a bailar por efectos de resonancia en plena construcción. Por fortuna, la sólida construcción de los arcos y la rápida intervención de la empresa constructora consiguieron corregir el problema antes de que la estructura del puente se viniese abajo. La solución consistió en "tunear" el puente por medio de un conjunto de deflectores que desviaban el aire lo suficiente para reducir al mínimo la fuerza causante de la resonancia, motivo por el que los lugareños acabaron bautizándolo como "el puente tuneado." En la actualidad el puente Arcos de Alconétar cumple su función de forma impecable (tuneado incluido), sin resonancia alguna; muy  cerca, en el fondo del Tajo, tres máquinas de soldadura permanecen hundidas como testigos mudos de lo que pudo haber sido.

EFECTO DOPPLER Y ONDAS DE CHOQUE

En los casos de oscilaciones vistos hasta ahora, tenemos una perturbación de la posición de un cuerpo y la aparición de una fuerza que tiende a volverlo a su posición inicial. El concepto de ondulación es similar pero más general, ya que aquello que oscila no es necesariamente un objeto que se mueva en el espacio.

Por ejemplo, imaginemos un estadio en el que la gente está haciendo la ola. En ese caso los espectadores permanecen en su sitio, pero vemos una "ola" formada por las cabezas de los espectadores que se ponen de pie. Si los espectadores, en lugar de moverse, encendiesen y apagasen una luz, veríamos cómo ese destello de luz se desplaza de un lado al otro del auditorio. Ese es precisamente lo que podemos ver en la película Cars (2006), donde los espectadores están viendo una carrera de coches. No pueden ponerse en pie, porque todos los personajes de ese film son vehículos; pero podemos ver cómo los coches espectadores encienden y apagan sus faros, lo que forma una "ola" breve de gran impacto visual.

Hay otro caso de ondulación en Matrix (1999). Durante la típica escena de acción, un helicóptero se estrella contra un edificio. El choque produce un movimiento de los paneles de vidrio del edificio, que se va propagando igual que una onda en un estanque. En el mundo real el vidrio no se comportaría de esa forma, pero recordemos que Matrix es un mundo simulado diseñado por ordenador, lo que nos viene muy bien a los profesores de Física.

Cuando una ondulación consiste en un conjunto de pulsos regulares (por ejemplo, sonido), el movimiento de la fuente emisora tiene un efecto sobre esos pulsos: su frecuencia aumenta o disminuye conforme dicha fuente se acerca o se aleja de nosotros. Es el conocido efecto Doppler, gracias al cual oímos que la sirena de la ambulancia suena en tonos más graves cuando se aleja de nosotros. No solamente podemos oírlo sino también verlo, aunque para eso necesitamos un espectroscopio: la luz visible de las galaxias está "desplazada al rojo," es decir, su frecuencia disminuye, ya que están alejándose.

El cine abunda en ejemplos sonoros: coches de bomberos que pasan frente a nosotros con la sirena aullando, vehículos de Fórmula-1 que rugen frente al espectador, cazas patrullando en busca del enemigo... sin embargo, no siempre es posible notar claramente el efecto Doppler. Cuando en una película tipo Fast & Furious el coche de Vin Diesel varía de registro sonoro suele ser porque cambia de marcha, lo que hace que el motor emita sonidos de frecuencia distinta.

Si a pesar de todo, quiere oír un caso de efecto Doppler en el cine, no tendré más remedio que darles un ejemplo vergonzoso: La Guerra de las Galaxias (1977). Los héroes de la Rebelión acaban de escapar de la Estrella de la Muerte pero todavía no están a salvo. Mientras Chewie pone en ángulo las pantallas deflectoras y Han carga la munición, cuatro cazas imperiales se abaten sobre el Halcón Milenario. Sus motores rugen con un tono agudo cuando se acercan, sonido que se torna más grave cuando pasan de largo. Perfecto ejemplo de efecto Doppler, así que ¿por qué lo llamo vergonzoso? Pues porque las naves se encuentran en el vacío, ¡y sin aire el sonido no se propaga!

Tampoco hubo suerte en Interstellar (2014), una película futurista donde aparece un gigantesco agujero negro. A pesar de que contaba con el asesoramiento de Kip Thorne, experto mundial en relatividad, la luz que rodeaba el agujero negro no mostraba la coloración azul y roja característica del efecto Doppler aplicado a las ondas de luz. Según parece, el director Christopher Nolan sacrificó algunos efectos visuales en pro de la espectacularidad, y como consecuencia el efecto Doppler fue descartado. Personalmente creo que hubiera hecho más realista la visión del agujero negro, pero al parecer Nolan temía confundir al espectador medio.

Cuando una fuente emisora se mueve a mayor velocidad que la de las ondas que emite, el efecto Doppler da paso a un fenómeno más espectacular. Un objeto a velocidad supersónica produce ondas de sonido que se solapan unas a otras. El resultado es la creación de un frente de choque, que puede resultar visible si hay vapor de agua en la atmósfera. La siguiente imagen muestra uno de tales frentes, generado por un caza F-18 de la Armada norteamericana al romper la barrera del sonido sobre el Océano Pacífico el 24 de agosto de 2007

(Imagen: US Navy)

También tenemos a Iron Man (2008). Indignado por el tratamiento que los señores de la guerra afganos infligen a la población civil, Stark se enfunda su traje metálico y se lanza a toda velocidad para poner las cosas en su sitio. Durante su vuelo por entre las nubes mete gas a fondo, aumenta su velocidad y en un momento dado queda envuelto en una nube de vapor de agua, producto de la condensación en una onda de choque supersónica.

EJEMPLO DE PELÍCULA: ATERRIZA COMO PUEDAS

Para que no parezca que los profesores de Física somos unos amargados (que no lo somos) y que no nos pasamos toda la proyección de la película anotando los fallos (que tampoco), le voy a hablar de un ejemplo procedente de una de las películas más disparatadas de la historia: Aterriza como Puedas (1980). Se trata de una parodia del cine de catástrofes de los setenta, concretamente de la película Aeropuerto (1970), y que posteriormente creó todo un género de películas cómicas del tipo "como puedas." En este caso un avión a reacción se queda sin pilotos. Sólo uno de los pasajeros tiene conocimientos de aviación, y aunque hace años que no vuela intenta valientemente tomar los mandos y familiarizarse con los instrumentos de la cabina. Cuando pulsa lo que cree ser el botón de las luces de aterrizaje, desconecta sin querer el piloto automático y el avión cae en picado. En ese momento, el sonido de los motores se hace más agudo, lo que nos recuerda el efecto Doppler.

Se trata de un error común a muchas películas sobre aviones. Un observador externo oiría que los motores emiten un sonido más agudo o más grave cuando se acercan o se alejan, tal y como se ha explicado. Ahora bien, para un observador situado dentro del avión no habrá cambiado nada y el sonido seguirá siendo el mismo. Si acaso, el piloto podría dar más gas a los motores y entonces se oiría un sonido agudo, igual que cuando pisamos el acelerador del coche, pero el efecto Doppler no tiene nada que ver.

Este fallo viene de antiguo. Desde hace más de medio siglo, los técnicos de efectos sonoros de Hollywood han venido usando el sonido del caza alemán Stuka. Este avión ligero de bombardeo en picado fue muy utilizado al comienzo de la Segunda Guerra Mundial. El piloto se lanzaba en picado sobre su objetivo, y un sistema de sirenas conocido como "trompetas de Jericó" emitía un aullido característico. Se trataba de una táctica psicológica pensada con el fin de hundir la moral del enemigo, para quien el sonido aullante era un recordatorio de la muerte que caía desde el cielo. También se usaron en algunos modelos de bombas, Hay testigos de la Segunda Guerra Mundial que todavía hoy recuerdan el pitido de aquellos artefactos y describen cómo daban la impresión de que siempre iban a caerte encima.

De algún modo el "efecto Stuka" acabó invadiendo Hollywood. Cada vez que un avión caía o hacía un picado, el sonido de los motores aumentaba de tono. Lo curioso es que con el advenimiento de la aviación a chorro los aviones de hélice fueron abandonando la gran pantalla, pero el chirrido agudo permaneció. Un ejemplo es el propio avión de Aterriza como Puedas, que chilla como un Stuka cuando cae en picado. Aunque creo que, más que desconocimiento, fue un efecto cómico deliberado por parte de los cineastas, ya que el avión que aparece en la película es un 707 de propulsión a chorro... pero suena igual que un avión a hélice.

¿Es un buen ejemplo para el aula de Física? Depende de las ganas que tenga el profe de dar un respiro a sus alumnos. Por mi parte creo que cualquier momento es bueno para ver un buen clásico. Si usted se anima sólo me queda desearle suerte. Contamos con usted.

10 - TERMODINÁMICA

- Es una pérdida de tiempo, es igual que explicarle las leyes de la Termodinámica a un cachorro de labrador y caniche

- Si no haces esto, no te llevaré a la tienda de cómics

 (Sheldon Cooper y Leonard Hofstadter)

PARTIR DEL CERO

La Mecánica se ocupa del movimiento de los cuerpos, sus causas y consecuencias, y en principio no hay motivo para que no puedan transferirse esos mismos principios a un conjunto de átomos o moléculas, por ejemplo a los que conforman un globo lleno de gas o un vaso de agua. Claro que cuando yo digo en clase "en principio" lo hago como un político en campaña electoral: ni de broma me voy a meter por ahí, y espero que a usted se le olvide enseguida lo que acabo de prometer. Este "en principio" en particular tiene el problema de que la gran cantidad de partículas involucradas será enorme, así que la Segunda Ley de Newton resulta en esos casos inviable como herramienta para el cálculo.

Tampoco es que importe demasiado. Antiguamente ni siquiera se sabía que la materia estaba compuesta de átomos, y no había una Mecánica Estadística capaz de describir conceptos como temperatura, calor o entropía. En su lugar se fue desarrollando la Termodinámica para explicar por qué un cuerpo caliente cede calor a uno frío, o cómo un vaso de agua helada se convierte en hielo, todo sin hacer ninguna suposición sobre la composición interna de la materia. De ese modo se fueron desarrollando principios físicos que han aguantado de modo admirable la prueba del tiempo y que han cristalizado en los llamados Tres Principios de la Termodinámica, que reciben el (poco) original nombre de Primer, Segundo y Tercer Principio.

Está bien, confieso, he mentido como un bellaco. Igual que los famosos mosqueteros de Dumas, los Tres Principios de la Termodinámica no son tres sino cuatro. El motivo es el mismo que el de los mosqueteros: un trío famoso se forma, se lleva muy bien durante bastante tiempo, y luego viene el cuarto elemento a unirse al grupo.

Como aficionado a la ciencia-ficción no puedo dejar de ver un cierto paralelismo entre este caso y el de las leyes de la robótica de Isaac Asimov. El famoso escritor de ciencia-ficción imaginó un futuro en el que los robots formarían parte de nuestra sociedad. Son listos, fuertes, y además inofensivos gracias a tres leyes de comportamiento imbuidas en sus cerebros positrónicos: protección de los humanos (Primera Ley), obediencia a los humanos (Segunda Ley) y autopreservación (Tercera Ley). Al tratarse de un sistema jerárquico de leyes, un robot puede desobedecer una de ellas para obedecer una ley superior. Por ejemplo, se puede y se debe desobedecer una orden que implique daños a un ser humano. De ese modo, la versión habitual de esas tres leyes es como sigue:

- Ningún robot dañará a un ser humano o, por inacción, permitirá que un ser humano sufra daño (Primera Ley)

- Un robot obedecerá las órdenes de los seres humanos salvo cuando entren en conflicto con la Primera Ley (Segunda Ley)

- Un robot protegerá su propia existencia salvo cuando ello entre en conflicto con la Primera o la Segunda Ley (Tercera Ley)

Durante muchos años los robots de Asimov permanecieron bajo el control de las tres leyes. Un día, un modelo particularmente avanzado llegó a la conclusión de que eran insuficientes, y como resultado estableció la Ley Cero de la Robótica: no dañarás a la Humanidad, ni por inacción permitirás que la Humanidad sufra daño. De acuerdo a su razonamiento, se trata de una norma que antecede incluso a la Primera Ley y que tiene prioridad absoluta. Este concepto se llevó al cine y el resultado fue Yo, Robot (2004), aunque de forma distinta a como Asimov planteó en su obra escrita.

En analogía con la robótica de Asimov, los tres principios de la Termodinámica forman un sistema jerárquico. El primer principio, basado en la conservación de la energía, establece relaciones entre trabajo y calor; el segundo principio está relacionado con la irreversibilidad de ciertos procesos; y el tercer principio indica la imposibilidad de llegar a temperatura cero. En ese caso, la terna de normas básicas sería como sigue:

- Una variación de energía interna de un sistema se expresa como la suma del calor y el trabajo intercambiados (Primer Principio)

- Hay procesos que, a pesar de cumplir el Primer Principio, no pueden darse, y son aquellos en que la cantidad llamada entropía disminuya de forma global (Segundo Principio)

- Además de cumplir los principios primero y segundo, cuando el sistema se acerque al cero absoluto la cantidad llamada entropía se aproxima a cero (Tercer Principio).

Se trata de una jerarquía de leyes distinta a la de los robots (no se puede violar el Segundo Principio para mantener el Primer Principio, por ejemplo), pero también en este caso falta algo. Los tres principios definen cantidades como calor, entropía y cero absoluto de temperatura, ¿pero qué es la temperatura? ¿Cuál de esos principios define o describe la temperatura? Resulta que ninguno de ellos, y por eso necesitamos un Principio Cero previo.

Si la temperatura es una nueva magnitud, necesitará unidades. Los alumnos están acostumbrados a la escala Celsius de temperatura, pero hay otras en uso. En el cine norteamericano, que domina el panorama cultural mundial, la escala utilizada es la Fahrenheit. Eso obliga a los traductores a hacer bien las cuentas, so pena de meter la pata.

Veamos la película Los Fisgones (1992). Un grupo de hackers (interpretado por actores de la talla de Robert Redford, Sydney Poitier y Dan Ackroyd) tiene que infiltrarse en un despacho protegido por un sistema de alarma sensible a la temperatura. La solución consiste en hackear el sistema de calefacción para subir la temperatura de la habitación hasta los 38º Celsius del cuerpo humano, evitando con ello que suene la alarma y entren corriendo los chicos de las pistolas. Por cierto, si está pesando usted en corregirme no se moleste, ya sé que la temperatura corporal es de unos 36-37º, pero en la película dicen 38º y eso es lo que hay.

En una primera escena la temperatura del despacho es de 68 grados. No se trata de una sauna, por supuesto, sino que la temperatura está en grados Fahrenheit. Convertirla a grados Celsius es sencillo, ya que la relación entre las escalas de temperatura Celsius TC y Fahrenheit TF es lineal: TC=A∙TF+B. Para hallar las constantes A y B podemos utilizar el hecho de que en condiciones de presión atmosférica estándar el punto de fusión del hielo es de 0º C, o 32º F; y que el punto de ebullición es de 100º C, o 212º F. Esto nos da la relación TC=5/9∙(TF - 32). De esa forma, 68 grados Fahrenheit se convierten en 20 grados Celsius.

El termómetro Fahrenheit nos indica la temperatura a la que se encuentra el fotógrafo Jeff Jefferies (magistralmente interpretado por James Stewart) en la película La Ventana Indiscreta (1954). El protagonista es un hombre que, a causa de un accidente, se encuentra postrado temporalmente en una silla de ruedas. El calor veraniego le obliga a abrir la ventana (la famosa ventana indiscreta), y un primer plano del termómetro indica una temperatura de 94º Fahrenheit, equivalente a 34º Celsius. No es que se trate de algo insoportable, pero en una era donde apenas existía el aire acondicionado una temperatura así puede combinarse con un alto grado de humedad para obligar a la gente a abrir sus ventanas, lo que permitía a nuestro fotógrafo pasar el tiempo observando a sus vecinos (tampoco había muchos televisores en 1954). Al final de la película, la ola de calor se esfuma y la temperatura desciende hasta unos cómodos 72º Fahrenheit (22º Celsius).

El uso indiscriminado de la escala Fahrenheit es algo contra lo que debe precaverse el aficionado al cine. Hay que mostrar especial cuidado con las películas antiguas, dobladas en una época en la que no se prestaba mucha atención a ese tipo de detalles y que nos dejó perlas como los "gigovatios" de Doc o los "parasegundos" de Han Solo.

Hay muchos ejemplos de mala conversión de temperaturas, así que escogeré uno: El Hombre de la Pistola de Oro (1974). El agente James Bond está haciendo un tour por el cuartel general de su anfitrión el villano Scaramanga. Habitualmente el malo de las películas de Bond suele ser un genio de la tecnología, en tanto que Bond es más bien negado (no hay más qué ver lo mal que atiende las explicaciones de Q, harto de repetir eso de "ahora preste atención, 007"), pero en esta ocasión sucede todo lo contrario y los dos contrincantes parecen haber cambiado sus papeles. Así, mientras Scaramanga muestra sus instalaciones como si no le interesase la ciencia ("me dicen que la electricidad está almacenada aquí dentro, en algún sitio, la ciencia nunca ha sido mi fuerte"), Bond saca pecho, señala los dispositivos enfriados con helio líquido y advierte:

"Yo de usted no metería el dedo ahí, es muy peligroso. 453 grados bajo cero. El helio líquido se lo partiría como un trozo de hielo"

En este punto hay que tener cuidado y estar en guardia, ya que la temperatura de -453 grados Celsius es imposible. Una de los resultados que se pueden derivar de la Termodinámica (del Tercer Principio, concretamente) es la existencia de una temperatura mínima, por debajo de la cual no se puede enfriar más un cuerpo. Esa temperatura da lugar a una escala llamada temperatura absoluta, cuya unidad es el Kelvin. Una diferencia de temperaturas es idéntica en grados Celsius y en Kelvins, pero el punto fijo es distinto: cero Kelvins (la temperatura mínima posible) equivalen a -273,15 grados Celsius.

Es evidente que esos -453 grados no pueden ser Celsius, y por supuesto no van a ser Kelvin. ¿Pueden ser Fahrenheit? La relación TC = 5/9∙ (TF - 32º) nos dice que -453 grados Fahrenheit equivalen a -269 grados centígrados, o lo que es lo mismo, unos 4 Kelvins (fíjese el lector que digo "Kelvins" y no "grados Kelvin"). Resulta que esa es precisamente la temperatura de ebullición del helio líquido, así que el Bond de la versión original inglesa tiene razón.

Me da igual. Sigue cayéndome mal. Piénselo usted un poco: ¿realmente necesita explicarle el funcionamiento de la maquinaria al hombre que la inventó? Personalmente la salida de Bond me parece la típica chulería de cuñado pensada para impresionar. Afortunadamente Scaramanga es mucho más listo y no entra al trapo, prefiriendo en su lugar responder con un comentario levemente irónico: "Está usted mucho más enterado que yo de estas cosas, señor Bond."

CALORIMETRÍA

Los sistemas termodinámicos se describen habitualmente mediante variables como la presión (P), la temperatura (T) y el volumen (V). Cada terna de cantidades (P,V,T) recibe el nombre de estado termodinámico, y cada forma de pasar de un estado termodinámico a otro distinto se conoce como proceso termodinámico. Dependiendo de cómo sea ese proceso, la cantidad de calor absorbida o cedida por el sistema será distinta, y también el trabajo que el sistema ponga en juego será distinto.

El Primer Principio, basado en la conservación de la energía, relaciona el calor, el trabajo y una función llamada energía interna. Por lo demás, la cantidad de posibles procesos termodinámicos que puede realizar un sistema dado es abrumador. Eso hace posible el examen de multitud de posibles procesos, de entre los cuales nosotros solamente veremos algunos aquí, que no es cuestión de cansar.

Si le parece, comenzaremos con la calorimetría, donde se miden los flujos de calor. Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto el calor Q fluye del más caliente al más frío, y durante el proceso la temperatura de nuestro cuerpo de interés ha variado en una cantidad ΔT. En gran cantidad de casos podemos establecer una relación sencilla entre ambas cantidades, algo del tipo Q=m∙c∙ΔT, donde m es la masa del cuerpo que se calienta o se enfría, y c es el llamado calor específico.

Habitualmente c depende del tipo de proceso termodinámico, es decir de la forma en que el calor se ponga en juego, pero si el cuerpo es sólido y la diferencia de temperaturas no es muy grande podemos considerar c constante. Cuanto mayor sea c mayor será la capacidad de una sustancia para enfriar, ya que podrá retirar una gran cantidad de calor con un aumento pequeño de temperatura. Eso es lo que hace que sustancias como el agua o el aceite sean buenos refrigerantes.

Veamos un ejemplo de calorimetría extraído del cine, concretamente de la película Volcano (1997). Nos encontramos en Los Ángeles, una ciudad fascinante, donde el jefe de la Oficina de Gestión de Emergencias Mike Roach vigila sin descanso. La vulcanóloga Amy Barnes le trae malas noticias: un desastre de origen volcánico se está gestando bajo el subsuelo de la ciudad. Como prueba, Barnes señala un aumento de temperatura en el agua del estanque de La Brea. "Hoy hace calor," dice Roach. Pero Barnes ha hecho sus deberes y replica: "Señor Roach, hace falta un fenómeno geológico para calentar cuatro millones de litros de agua seis grados en doce horas"

En efecto, es mucho calentar. La ecuación Q=m∙c∙ΔT nos da un calor de unos 100.000 millones de julios. ¿Puede deberse al efecto del sol? Dividiendo entre doce horas nos sale una potencia (energía por unidad de tiempo) de 2,31 megavatios. Un vistazo al estanque en Google Earth nos da una superficie de unos 30.000 metros cuadrado, y dividiendo ambas cantidades resulta que el sol necesitaría proporcionar una insolación (potencia por unidad de superficie) de unos 77 vatios por metro cuadrado. La insolación media en Los Ángeles es del orden de 200-500 vatios por metro cuadrado, así que es perfectamente posible que el Sol sea el responsable.

Parece que Amy Barnes ha cometido un error. Ciertamente que sí, pero es de una naturaleza distinta. Suponer un estaque de 30.000 metros cuadrados lleno con 4.000.000 litros de agua nos da una profundidad media de apenas 13 centímetros, demasiado poco para un estanque, sobre todo teniendo en cuenta que, en una escena posterior, un elefante de piedra a tamaño natural se hunde casi del todo.

Mi conjetura aquí es que la doctora Barnes calculó mal la cantidad de agua. Un estanque con una profundidad media de 2,5 metros (más creíble) tendría veinte veces más agua, y la insolación del sol sería insuficiente para elevar su temperatura a razón de medio grado por hora, así que tendrá razón al afirmar que es preciso un fenómeno geológico. Es hora de movilizar a los equipos y declarar una emergencia.

CAMBIOS DE FASE

Existen casos en los que una absorción de calor no se ve acompañada de un aumento de temperatura, lo que no tiene sentido desde el punto de vista calorimétrico que acabamos de ver. Lo que sucede en tales ocasiones es que el calor absorbido no se invierte en aumentar la energía cinética de las partículas del cuerpo, sino en romper enlaces moleculares. Mientras esto suceda, el cuerpo permanecerá a temperatura constante. Es lo que antiguamente se llamaba cambio de estado; ahora se conoce de forma más general como un cambio de fase porque existen transformaciones que no requieren pasar de sólido a líquido, o de líquido a gas. Por ejemplo, el hielo de agua habitual puede cambiar de estructura y convertirse en otro tipo de hielo.

El denominador común en los cambios de fase es la transferencia de calor sin variación de temperatura. Es lo que sucede durante la fusión o la ebullición, y lo que permite fijar esas temperaturas como puntos fijos en escalas termométricas. Tenemos buenos ejemplos en Terminator 2 (1991), donde los protagonistas están siendo perseguidos por el implacable cyborg T-1000, un nuevo modelo cuya polialeación mimética le permite comportarse como un fluido y adoptar cualquier forma. Un accidente envuelve al robot perseguidor en una lluvia de nitrógeno líquido, que al absorber calor del ambiente pasa rápidamente al estado de vapor. La temperatura de ebullición es de casi -200ºC, tan baja que el propio cyborg se congela. Es el momento que escoge el Terminator bueno para apuntar con un arma y disparar. Sayonara baby, y el T-1000 se deshace en mil pedazos congelados.

Pero nuestros protagonistas tienen mala suerte esta noche, porque el lugar en que se encuentran es una siderurgia, y en poco tiempo las altas temperaturas derriten y recomponen los restos del T-1000. Para dar a su película la máxima verosimilitud posible, el director James Cameron filmó una escena donde se derritieron pequeños trozos de galio, un elemento químico con aspecto metálico que funde a 30ºC (podríamos derretirlo con la mano). En pocos segundos, el cyborg asesino vuelve a ensamblarse y continúa la persecución hasta el desenlace final, todo dentro de una gran fábrica donde vemos hierro fundido por todas partes.

Otro personaje superfuerte nos muestra un tipo muy distinto de cambio de fase. En la película Superman III (1983) el hombre de acero toma un pedazo de carbón y lo comprime fuertemente en su mano. Al hacerlo los átomos de carbono pasan a tomar la estructura del diamante. La temperatura a la que este proceso tiene lugar depende de la presión, y a temperatura ambiente sería necesaria una presión de más de 100.000 atmósferas, una cantidad enorme para nosotros pero no para el hombre de Kripton. De esa forma, Superman se enriquece fácil y rápidamente. Claro que hay algo que no veo claro: el diamante que ha creado sale ya tallado y todo.

RADIACIÓN TÉRMICA

Las transferencias de calor se llevan a cabo por medio de tres mecanismos: conducción, convección y radiación. En el primer caso el calor se transmite a través de una sustancia por contacto físico directo, en el segundo es la propia sustancia la que se mueve y se lleva el calor consigo, y en el tercero se produce una emisión en forma de radiación electromagnética llamada energía térmica.

La temperatura determina la longitud de onda para la cual se produce el pico de máxima emisión, para el cual el objeto brillará con mayor intensidad. Dicha longitud de onda guarda relación inversa con la temperatura absoluta, lo que se conoce como ley de Wien. El cuerpo humano, por ejemplo, emite radiación térmica a frecuencias de infrarrojo, el hierro muy caliente emite en luz rojiza (la conocida expresión "al rojo vivo"), y algunas estrellas muy calientes emiten con luz azul.

La ley de Wien permite determinar la temperatura de los cuerpos, y algunas cámaras térmicas convierten esas temperaturas en colores, permitiéndonos "ver" cómo de caliente o frío esta un objeto. En la película Depredador (1987) un misterioso cazador extraterrestre llega a la Tierra. Su visión es deficiente en luz visible, pero es capaz de ver el calor de sus presas (tonalidades rojas para las zonas calientes y azul/negro para las frías), y esa ventaja le ayuda a diezmar un pelotón del ejército norteamericano. Finalmente el último sobreviviente acaba averiguando el modo de ver del cazador y prepara su contramedida; cosa que no le explicaré para no fastidiarle la sorpresa.

Un segundo alienígena continúa la caza en Depredador 2 (1990), pero ahora los humanos están mejor preparados. Un grupo de científicos militares han preparado una trampa para cazar al cazador, y evitan ser detectados enfundándose unos trajes que aíslan el calor de sus propios cuerpos. "Si no hay calor [la criatura] no ve nada," dice uno de ellos. Sin ánimos de fastidiar, yo le veo dos fallos a la idea. En primer lugar, el alienígena podrá notar la ausencia de calor de los objetos que hay detrás de los humanos (sería como advertir la presencia de un objeto porque tapa la luz del fondo). En segundo, el calor corporal es generado continuamente por los seres humanos, y evitar que se escape es la receta ideal para cocer a una persona en su propia salsa. Si los hackers de Los Fisgones desecharon esa misma idea, por algo será.

Tan importante como la frecuencia de potencia máxima es saber cuánta energía emite un cuerpo en total a temperatura T. Según la ley de Stefan-Boltzmann, la potencia emitida es igual a E=σT⁴, es decir, varía con la cuarta potencia de la temperatura. Un cuerpo con una superficie S emitirá una potencia igual a P=E∙S. Si suponemos que un ser humano tiene un área superficial de unos dos metros cuadrado y su temperatura es de 310 Kelvins, y puesto que la constante σ tiene un valor de 5,67∙10⁻⁸ W/m²K⁴, nos sale una cantidad de P=1.050 vatios. Eso significa un total de 90,5 millones de julios diarios, o en unidades más habituales unas 21.600 kilocalorías.

Espere, profe, porque creo que nos hemos equivocado. Según los dietistas, el cuerpo humano solamente necesita unas 2.500 kilocalorías en promedio. ¿Por qué nos sale una cantidad casi diez veces superior? Pues porque no hemos tenido en cuenta que también recibimos calor desde el exterior. Supongamos que la temperatura ambiente es To. La ley de Stefan-Boltzmann nos dice también que nuestro cuerpo está recibiendo una potencia igual a S∙σTo⁴, donde To es la temperatura del ambiente que nos rodea. Un día de primavera a unos agradables 20º Celsius (To=293 K) nos proporcionará una energía de 17.200 kilocalorías. Restando esa cantidad a las 22.000 kcal iniciales, tenemos que el cuerpo humano necesitaría unas 4.400 kcal diarias. Eso empieza a sonar más razonable.

Por supuesto estamos obviando todos los procesos que tienen lugar en el cuerpo, pero en lo esencial nos bastan los planteamientos termodinámicos sencillos. Podemos afinar más si tenemos en cuenta que llevamos ropa, en cuyo caso la temperatura superficial se reduce a unos 30ºC (303 K), y eso nos da una emisión de radiación térmica correspondiente a unas 2.500 kilocalorías diarias.

Con tiempo invernal la temperatura exterior baja, y con ella las necesidades energéticas: a 0ºC, necesitaremos un aporte energético de casi 7.000 kilocalorías diarias, que tendrán que venir de una alimentación adecuada. En caso contrario acabaremos helándonos, ya que la ropa no hace más que ralentizar la emisión de calor al exterior. Es lo que casi le pasa a nuestro amigo Luke Skywalker en el helado mundo de Hoth, al comienzo de El Imperio Contraataca (1980).

Si, por el contrario, la temperatura ambiente supera la del cuerpo humano, la situación se invierte y entra en el cuerpo más energía de la que se emite. Lo que ahora necesitamos es disponer de sistemas para reducir la temperatura, como el aire acondicionado o el sudor. En un caso extremo, la exposición a un cuerpo muy caliente nos perjudicará incluso si no lo tocamos. La lava, cuya temperatura se encuentra en el rango de 1.000-1.500 Kelvins, emitiría una potencia cien veces superior a la de un horno de cocina. Los guionistas de Hollywood ignoran una y otra vez dicha ley, y no se cortan un pelo en poner a los protagonistas junto a un volcán o un río de lava.

Hay muchos ejemplos del cine, pero vamos a centrarnos en uno solo. Nos vamos de nuevo a la galaxia muy, muy lejana de La Venganza de los Sith (2005). Dos maestros Jedi se enfrentan en el habitual duelo de sables láser. En esta ocasión el campo de batalla es el planeta Mustafar, un infierno donde la lava fluye por todas partes. Los luchadores saltan de un nivel a otro, suben por una torre y se mantienen en pie sobre débiles plataformas que flotan a pocos centímetros de un mar de lava.

No conocemos la temperatura de la lava allí, así que vamos a adoptar una cifra razonable de 1.400 Kelvins. Así, los cuerpos de los contrincantes estarán sometidos a una potencia térmica entrante de 436 kilovatios. Incluso restando los 1.050 vatios que emite el cuerpo humano, eso significa que cada uno de los dos maestros Jedi está recibiendo un total neto de 434.600 vatios.

¿Es eso mucho? Pues mire usted, me alegra que me haga esa pregunta porque así podremos plantearnos un problema de calorimetría. ¿Cuánto tiempo tardará un maestro Jedi de, digamos 90 kilogramos de masa, en calentarse desde su temperatura habitual de 37ºC hasta el punto de ebullición (100ºC)? El cuerpo humano es en gran parte agua, así que simplifiquemos y supongamos que es agua en su totalidad. La ecuación que hay que usar es Q=m∙c∙ΔT. El calor específico c es igual a 4.186 KJ/KgºC para el agua. Sustituyendo m=90kg y ΔT=63ºC, nos da una energía de 23,7 millones de julios. Puesto que la potencia es igual a energía por unidad de tiempo (¡y espero que no se haya olvidado de ello, mi querido estudiante!), resulta que el tiempo necesario vendría dado por Q=P∙t. Despejamos y nos sale una cifra de 55 segundos.

¿Y cuánto tardará en pasar al estado de vapor? Para eso debemos cambiar la ecuación y usar Q=mL, donde L es el calor latente de ebullición. Para el agua, L tiene un valor de 2.253 KJ/Kg, así que necesitaremos un total de 202,8 millones de julios. A un ritmo de 434.600 julios por segundo, tendremos que esperar unos 467 segundos. Es decir, mientras nuestro valeroso caballero Jedi lucha a sablazo limpio contra el malvado señor del Sith, sus cuerpos pasarán a ebullición en apenas un minuto, y se convertirán en una tenue nube de vapor ocho minutos más tarde. Fin del combate. Nadie gana salvo los maestros Stefan y Boltzmann.

MÁQUINAS Y REFRIGERADORES

El Primer Principio de la Termodinámica está basado en la ley de conservación de la energía y rige el comportamiento de los sistemas termodinámicos en sentido negativo: si no se cumple en un proceso físico, ese proceso no se dará en la naturaleza. Es una condición sine qua non, lo que los políticos llaman una línea roja (con la diferencia de que las líneas rojas en Física no suelen cambiar de un día para otro según nuestra conveniencia). Ahora bien, cuando examinamos la naturaleza vemos que esa condición, siendo necesaria, no siempre resulta suficiente, y que muchos sucesos, a pesar de estar cumplir ese Primer Principio, no se llevan a cabo en la naturaleza. Nada parece prohibir que el calor fluya espontáneamente de una fuente fría a otra más caliente, y a pesar de eso no lo hace. Nunca.

Eso nos fuerza a introducir un nuevo principio que nos regule cómo y en qué condiciones algunos procesos físicos, a pesar de cumplir el Primer Principio, no se dan en la práctica. Hay dos enunciados equivalentes de este Segundo Principio. Uno de ellos nos dice que el calor no puede fluir espontáneamente de un cuerpo frío a otro más caliente; otro dice que el calor no puede extraerse de un cuerpo y convertirse en energía con una eficiencia perfecta.

Puede que usted esté ahora pensando en algún contraejemplo. Sin ir más lejos, ¿por qué el frigorífico que hay en mi cocina enfría? ¿No es eso una violación de ese principio? En realidad no, porque el enunciado relativo a la imposibilidad de que el calor fluya de un cuerpo frío a otro caliente incluye la palabra "espontáneamente." El motor del refrigerador, alimentado por electricidad, produce un trabajo cuyo resultado final es el transporte de calor desde el interior hasta la rejilla que suele estar en la parte trasera; pero si no enchufa usted el frigorífico, puede esperar sentado a que se enfríe el pollo que hay en el interior.

Eso es algo que Homer Simpson no tiene claro del todo. En el episodio Bart en la Oscuridad (6x01) una ola de calor se abate sobre Springfield. La solución de Homer consiste en montar una tienda de campaña frente al frigorífico, abrir la puerta y disfrutar del fresquito. “Se me ocurrió la idea cuando observé que el frigorífico estaba frío”, dice, e incluso la eterna regañona Marge tuvo que admitir que era una buena idea. Por desgracia, el electrodoméstico no estaba preparado para extraer tanto calor y el motor acabó fundiéndose.

Alguien que sí tiene claro en qué consiste el Segundo Principio de la Termodinámica es Emmet Brown, el excéntrico inventor que puede convertir un DeLorean en una máquina del tiempo. En Regreso al Futuro III (1990), y tras las aventuras acaecidas en la película anterior, Doc acaba estableciéndose como herrero en un pueblecito del salvaje oeste. Cuando su amigo Marty McFly visita su granero/laboratorio, lo primero que le llama la atención es una enorme máquina que traquetea y lanza chorros de vapor. En un momento dado una sirena emite un pitido, Marty gira una válvula, Doc sostiene una palangana y de un tubo cae... un solitario trozo de hielo.

El principio del refrigerador moderno es conocido desde hace un par de siglos, y se basa en el hecho de que una sustancia absorbe o cede calor durante un cambio de fase. El refrigerante, una sustancia con un punto de ebullición bajo, absorbe calor del interior del frigorífico y pasa al estado de vapor; posteriormente un compresor vuelve a convertirlo en líquido y el calor absorbido se cede al exterior. En principio Doc podría haber construido un refrigerador en el año 1885; que resulte práctico construir una máquina enorme que consume gran cantidad de leña con el único propósito de disfrutar de un té helado en el mes de septiembre es otra cuestión.

Un frigorífico puede verse de modo más general como un tipo de máquina termodinámica. Se trata, en su forma más simplificada, de un dispositivo que toma una cantidad de calor QC de una fuente caliente, produce un trabajo W y emite un calor QF a una fuente más fría. Podemos usarla de forma directa, con lo cual tenemos un motor, o bien invertir el proceso y hacer un refrigerador. En ambos casos lo que perseguimos son dos fines distintos (conseguir un trabajo o extraer calor de una fuente fría), pero la máquina es la misma.

Una característica importante de una máquina termodinámica es el hecho de que el calor de la fuente caliente QC no puede convertirse en trabajo W de forma íntegra, sino que siempre se genera un calor residual QF. Por supuesto, los fabricantes de motores desean que el rendimiento, en este caso el porcentaje W/QC sea lo más alto posible. Usando un ingenio conceptual conocido con el nombre de máquina de Carnot, puede demostrarse que el rendimiento máximo teórico de un motor que tome calor de una fuente a temperatura TC y lo ceda a otra fuente a temperatura TF es igual a 1-(TF/TC) (donde estamos utilizando temperaturas en Kelvins, no lo olvide). Eso significa que para extraer la mayor cantidad de trabajo a partir de un calor dado debemos calentar lo más posible la fuente que lo proporciona (para aumentar TC), y el calor residual ha de arrojarse a una fuente con temperatura baja (para disminuir TF).

Nuevamente Doc nos da un ejemplo en Regreso al Futuro III. Para que Marty pueda volver a su época, el DeLorean debe alcanzar una alta velocidad, pero un problemilla con los indios y una pequeña explosión inesperada han convertido el coche del tiempo en un bloque de metal. La única forma de acelerarlo hasta la velocidad adecuada es empujándolo con un tren, y aun eso será difícil de conseguir. Un maquinista les explica que teóricamente es posible

"si encuentra un tramo de vía recto, completamente llano, siempre que no tenga que arrastrar ningún vagón, y si consigue elevar la temperatura de la caldera hasta que el fuego arda con más intensidad que en el mismísimo infierno."

En principio hay dos formas de aumentar el rendimiento de la locomotora y convertir una mayor fracción de calor en trabajo: aumentar la temperatura de la caldera o disminuir la del exterior. La segunda condición no es factible, pero Doc encontró una solución para la primera. Su idea consistió en usar tres leños especiales fabricados por él mismo. "Al meterlos en la caldera arderán secuencialmente aumentando la temperatura y la presión de la caldera, así el tren irá más deprisa." Cada uno de los leños arderá cuando la caldera llegue a una temperatura determinada, proporcionando una energía extra que calentará el vapor de agua más y más.

Diversas escenas de la película nos informan sobre las temperaturas que han de alcanzar los tres troncos antes de explotar: 750, 1.300 y 2.000 grados. La escala acaba en 2.500 grados, punto en el que se supone que la caldera del tren salta en pedazos. Por supuesto, como toda buena película norteamericana las temperaturas están fijadas en grados Fahrenheit. Toca un cambio de escala, y como resultado obtenemos las cuatro temperaturas en Kelvins: 670, 980, 1.370 y 1.650.

Ahora podemos usar la fórmula e=1-(TF/Tc) para hallar el rendimiento máximo teórico; por supuesto que en la práctica será una cantidad menor (una caldera de locomotora del siglo XIX dista mucho de una máquina de Carnot), pero nos servirá como comparación. Suponiendo una temperatura ambiente de TF=300 K, esto es lo que obtenemos:

- Al llegar a la temperatura de 670 K, junto cuando el primer leño comienza a arder, el rendimiento teórico de la locomotora es de 1-300/670 = 0,552, un 55%

- A la temperatura de 980 Kelvins, el rendimiento aumenta hasta el 69%

- El tercer leño arde a temperatura de 1.370 Kelvins (rendimiento del 78%)

- Finalmente, la locomotora estalla a 1.650 Kelvins, justo cuando el rendimiento alcanza el 82%

Para entonces el DeLorean ha llegado a su velocidad crítica y envía a Marty de regreso al futuro. Todo gracias a la Termodinámica.

EJEMPLO DE PELÍCULA: LAS APUESTAS DEL CASINO

Si el Principio Cero lleva aparejado el concepto de temperatura, y el Primer Principio el de calor, nuestro flamante Segundo Principio viene asociado a una cantidad llamada entropía. Al contrario que la energía, esta nueva cantidad no tiene por qué conservarse, y de hecho tiende a aumentar. Los procesos que no suceden en la práctica (como el flujo de calor hacia fuente más calientes o el motor con rendimiento del 100%) y que forzaron la introducción del Segundo Principio se caracterizan por una disminución de entropía.

Existen personas que creen erróneamente que la entropía de un sistema no puede disminuir nunca, y algunos grupos creacionistas norteamericanos lo aducen como "prueba" de que los seres vivos, en tanto que sistemas de baja entropía, no pueden haber sido creados mediante procesos evolutivos. El Segundo Principio de la Termodinámica, por el contrario, lo permite sin mayor problema, ya que lo que debe aumentar es la entropía global del Universo. Nada hay que impida la disminución de entropía de un subsistema, con tal de que la entropía de los demás subsistemas con los que interaccione aumente en mayor medida.

Esto lo vemos en casa todos los días. El proceso de enfriamiento en un congelador implica una disminución de la entropía en su interior. Al enchufar el aparato ponemos en juego una interacción entre interior y exterior, y el resultado final es que el aumento de entropía debido al incremento de temperatura de la cocina, donde el congelador ha vertido el calor, compensa de sobras la disminución de entropía en el interior.

Aunque la Termodinámica no hace consideraciones acerca de la constitución interna de la materia, otras ramas de la Física como la Mecánica Estadística sí lo hacen. Se llega entonces a una curiosa conclusión: si la temperatura es una manifestación macroscópica de la energía cinética de las partículas que conforman un cuerpo, la entropía puede asociarse al estado de orden de tales partículas. Cuando un sistema se desordena su entropía aumenta.

¿Le resulta familiar? Convoco en particular a los padres de niños pequeños, para quienes la vida es una lucha continua contra la entropía. Los peques no hacen otra cosa que desordenar la habitación. ¿Qué hacen los papis? Eso es, ordenar de nuevo. En el proceso la entropía del cuarto vuelve a disminuir, pero es a costa de la "interacción" con los padres. Luego hay que cambiar el pañal y deshacerse de esos residuos de alto nivel de entropía. Una y otra vez nos topamos con el problema del desorden, sea a la hora de limpiar una habitación, de planificar una ciudad o de gestionar el planeta entero. En todos esos casos nos enfrentamos a la Termodinámica. Nuestra vida es una eterna batalla contra el desorden.

En un nivel algo más profundo, el concepto de orden se asocia a la probabilidad de que se alcance un estado. Supongamos que tiramos un montón de monedas al suelo. ¿Espera usted que, cuando dejen de rebotar, formen un patrón regular y ordenado? Yo diría que no. Al contrario, si vemos que las monedas están todas en fila y mostrando la cara concluiremos que es más probable que alguien las haya puesto así deliberadamente, y en general no daremos crédito a quien diga que las monedas quedaron así cuando cayeron al suelo.

Dado que entropía significa probabilidad, eso nos da una pista de por qué existe el Segundo Principio de la Termodinámica, y en consecuencia de por qué algunos procesos no suceden. No es que no puedan realmente suceder, es que resulta altamente improbable que sucedan. Observar que el calor fluye espontáneamente de un cuerpo frío a otro caliente es un suceso con probabilidad extraordinariamente baja, y por tanto es algo que no esperamos ver, igual que no deberíamos ver a alguien ganar la lotería media docena de veces.

Este es el principio bajo el que funcionan los casinos. Asociando nuevamente entropía con probabilidad, es posible que alguien gane en el casino un premio gordo, un suceso poco probable (y de "entropía" baja), mientras que los demás jugadores tiendan a perder (suceso más probable). El éxito del casino consiste en hacer creer a todos los jugadores que, puesto que alguien tiene que ganar, ese alguien puede ser usted y no otra persona; la probabilidad de que eso suceda es lo bastante baja para que la banca siempre tienda a ganar.

Fíjese en el detalle. He dicho "tienda a ganar." En teoría, usted tiene una probabilidad no nula de ganar diez veces seguidas a la ruleta, saltar la banca y arruinar al casino. En la práctica, la probabilidad es tan baja que podemos esperar sentados a que eso ocurra, y por supuesto el casino ya se encargará de bajar aún más esas probabilidades vigilando porque eso no ocurra, acusando al ganador de tramposo en caso necesario.

Ese es el cometido de Sam Rothstein, personaje que interpreta Robert de Niro en Casino (1995). Sam es el director de un casino de Las Vegas, y su misión es vigilar que nadie gane más de lo que le corresponde. Esa vigilancia incluye no sólo a los clientes tramposos sino también a los empleados tramposos. En una ocasión, una máquina de jackpot da premio tres veces seguidas. Si la probabilidad de dar premio una vez es pequeña, la de dar tres premios consecutivos es infinitesimal. Sam lo sabe y llama a capítulo al empleado responsable:

"Tres jackpots de 15.000 dólares cada uno. ¿Sabes cuál es la probabilidad de que salgan a la vez?... La probabilidad en una máquina es de 1.500.000 contra uno. En tres máquinas es de mil millones. No puede pasar, ¡no debe pasar, tonto del culo! ¿Qué ocurre contigo?"

Los números no son correctos, ya que si la probabilidad debería ser de 1.500.000 por vez, el valor combinado sería de 1.500.000 elevado al cubo; aun así sigue siendo enormemente pequeña. Creo que podemos perdonar al director Rohrstein este pequeño desliz durante un ataque de ira, máxime cuando su empleado, el típico paleto local, intentar zafarse del problema diciendo que no hay forma de ver venir algo así. Sam, consciente de la bajísima probabilidad necesaria para que alguien gane tres veces en la máquina, replica "¡Claro que sí! Hay un modo infalible: cuando ganan."

El empleado sigue en sus trece: "bueno, esto es un casino ¿no?  Alguna vez tienen que ganar" Aunque técnicamente correcto, hay probabilidades y hay probabilidades. ¿Qué es más probable: que alguien tenga una racha de suerte casi milagrosa, o que un empleado corrupto esté compinchado con los jugadores? Sam tiene clara la respuesta: "Oye, cuidado no te pases conmigo, no insultes a mi inteligencia. ¿Me has tomado por un idiota? Sabes muy bien que alguien tuvo que manipular esas malditas tragaperras" y aunque no puede acusar directamente al empleado de corrupción (tiene parientes poderosos), decide zanjar por lo sano y despedirlo por incompetente. No le impresionan las probabilidades.

Por cierto, ya que estamos en el tema, resulta que sí hubo un concejal de Urbanismo con una suerte extraordinaria, ya que afirmó haber ganado decenas de grandes premios de lotería, con una probabilidad combinada para la cual incluso el término infinitesimal se queda corto. El juez no quedó muy impresionado ante tamaño despliegue de buena suerte, y con el tiempo el concejal reconoció que había comprado los boletos premiados para blanquear dinero, un suceso más probable. Ahora el concejal cumple prisión como condenado dentro de una trama de corrupción. ¿Quién podía habérselo imaginado?

11 - ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

- Espero que la acidez y la salinidad combinadas con electricidad puedan corroer la tuerca

- ¡Qué solución más innovadora! Tal vez no le di a tu carrera en el MIT el mérito que merece

- Ya, lo vi en Cazadores de Mitos

(Howard Wolowitz y Sheldon Cooper)

FLUJO

Durante muchos años, dos han sido los elementos distintivos que podían encontrarse en las películas de científicos: matraces con líquidos de colores que burbujean y aparatos que lanzan chispas eléctricas. Ello contrasta con la escasa cantidad de películas que tienen ejemplos útiles sobre electromagnetismo. Y es que, al contrario que en Mecánica, donde los movimientos pueden medirse y las fuerzas estimarse, las escenas sobre electricidad o magnetismo que aparecen en el cine no proporcionan información útil. Los ejemplos con descargas eléctricas, rayos, caídas de corriente y electrocuciones varias están basados en la espectacularidad más que en el rigor.

Eso hace difícil extraer ejemplos útiles para el aula docente, y de hecho resulta contraproducente en algunos casos. Hay por ahí demasiadas películas de serie B sobre supertormentas eléctricas, fenómenos magnéticos extraños, brújulas que se vuelven locas sin razón aparente o escudos electromagnéticos que no son ni lo uno ni lo otro. Eso por no hablar de las confusiones entre energía, potencia, potencial, fuerza y voltaje.

Como consecuencia, todo intento que pretenda basarse en las películas para enseñar electromagnetismo parece condenado al fracaso. A lo máximo que podemos aspirar es a tomar unos cuantos ejemplos de Física aquí y allá, y con ellos ilustrar algunos principios particulares del tema. Será como un buffet en el que uno escoge la comida a capricho, en lugar de un almuerzo con aperitivo, platos principales, postre y café.

Empecemos por el flujo, un concepto es muy útil en el estudio del campo eléctrico (y en la trilogía Regreso al Futuro, aunque un error de traducción nos dejó el "condensador de fluzo" con z). El flujo está relacionado con la cantidad de líneas de campo que atraviesa una superficie determinada. En un análogo mecánico el flujo sería como el número de impactos que un tirador hace sobre una diana cuando dispara una ametralladora. Depende de tres factores: la intensidad del campo (cadencia de tiro del arma); el área superficial (evidentemente, a mayor diana mayor número de impactos); y el ángulo entre la dirección de los disparos y la superficie de la diana (si ésta se encuentra de perfil, pocos disparos la atravesarán).

Los amantes del cine histórico recordarán esas escenas en las que dos contrincantes se baten en un duelo a pistola, como por ejemplo en Guerra y Paz (1956). La posición para el enfrentamiento es invariablemente la misma: el brazo extendido y el cuerpo colocado de perfil respecto a la dirección del disparo. Esta postura tiene ventajas para disparar con mayor precisión pero también cumple una función adicional, ya que la sección superficial que presenta el duelista ante el enemigo es mínima, reduciendo así la probabilidad de que el proyectil impacte contra él.

Las películas del Oeste, por el contrario, nos muestran duelos a revólver muy distintos, donde los antagonistas se muestran de frente y muestran una sección eficaz máxima. Podemos suponer que, a esas alturas, los Colt eran tan precisos que no servía de mucho ponerse de perfil, que la rapidez en desenfundar era primordial, o que sencillamente, luce mejor en pantalla. Hay que reconocer que el magistral duelo a tres de El Bueno, El Feo, El Malo (1966) quedaría mucho más raro si los antagonista tuviesen que preocuparse en minimizar su sección eficaz. En estos casos nada como ser el más rápido desenfundando.

En Mentiras Arriesgadas (1994) tenemos un ejemplo más moderno. Un agente secreto persigue al típico terrorista árabe, y en un momento dado le da el alto. El malo, como es su deber, se comporta de forma poco razonable y dándose la vuelta vacía el cargador de su AK-47 sobre el agente. Éste no encuentra otra cobertura que una farola, que apenas si le cubre una parte de su cuerpo, pero la suerte está de su parte y todas las balas del malo tocan sobre la farola, cuya escasa sección resulta ser suficiente.

LA JAULA DE FARADAY

Un objeto hecho de un material conductor como un metal tiene una gran capacidad de mover cargas eléctricas en su interior. Eso sucede, por ejemplo, como respuesta a un campo eléctrico externo: el metal concentra cargas eléctricas en su superficie para contrarrestarlo, y como resultado el campo eléctrico en el interior del bloque de metal se hace cero.

Ahora imaginemos que ahuecamos el objeto y nos metemos dentro. Cualquier variación del campo eléctrico externo quedará neutralizada por las cargas del conductor, y en el interior el campo seguirá el mismo que antes. Eso significa que no podremos captar ninguna señal electromagnética que provenga del exterior; vamos, que nos hemos quedado sin cobertura. Nos encontramos a cubierto de cualquier intento de espionaje electrónico procedente del exterior, gracias a lo que se denomina jaula de Faraday.

Ninguna señal eléctrica puede salir de una jaula de Faraday

Las agencias de inteligencia conocen este truco y blindan sus sedes con materiales conductores que apantallen las señales externas. Edward Lype, un ex-agente de la NSA algo paranoico, lo aprovecha bien en la película Enemigo Público (1998). Lype ha dejado de trabajar para el gobierno y desea pasar desapercibido. Buen conocedor de las capacidades de espionaje de sus antiguos jefes, se construye una estructura de malla metálica a la que llama "la jaula."

Construir una estructura así para blindar una habitación es algo complejo y caro, pero existe una variante bastante más barata: un sombrero hecho con papel de aluminio. El propio término en inglés (tin foil hat) se ha convertido en un cliché usado para ridiculizar a ciertas personas que piensan que los extraterrestres, o los hombres de negro, les espían mediante rayos electrónicos, y que recurren a estos improvisados dispositivos para bloquear sus pensamientos.

Hay diversos ejemplos de cine, como por ejemplo Señales (2002). Una familia de la América rural pasa por una crisis de fe. De repente, su campo comienza a inundarse de círculos extraños. Nadie sabe de dónde vienen o por qué, pero al final todos acaban llevando un elegante sombrero de hoja de aluminio, sólo por si acaso.

El sombrerito de aluminio es elemento imprescindible de toda parodia que se precie. La serie animada Futurama le dedica toda una película (Hacia la Verde Inmensidad, 2009). Fry, el protagonista, descubre que puede leer los pensamientos de la gente, a menos que lleven un sombrerito de papel de aluminio. Poco a poco entra en una conspiración en la que la Legión de los Pirados intenta impedir que Los Oscuros conquisten el Universo o algo así. En el Episodio de Los Simpson El Cambio de Bart (11x02), Bart Simpson es sometido a un novedoso tratamiento farmacológico. Un efecto secundario le convierte en un paranoico que se cubre de papel de aluminio y llena el techo de su habitación de perchas metálicas para bloquear las emisiones del satélite.

Con el tiempo el término tin foil hat ha acabado convirtiéndose en un sinónimo de "chiflados conspiranoicos" y en cierto modo conformando un género de cine. Todo un tributo a la humilde resma de papel aluminizado, y una aplicación que sin duda sus inventores no tenían en mente. Pero no crean que el aislamiento electromagnético es coto exclusivo de paranoicos graciosos. El uso masivo de redes wifi, telefonía móvil y otros tipos de comunicaciones inalámbricas ha generado un miedo irracional a las ondas electromagnéticas. Todas las evidencias científicas apuntan a la inocuidad de las ondas de radio a los niveles de intensidad utilizados habitualmente, pero el miedo no entiende de razones.

La radiofobia ha creado un nuevo nicho de negocio: los productos que apantallan las ondas de radio. En la actualidad, diversas empresas le venden a usted tela metálica o pintura de paredes para apantallar las ondas de radio que entran en la casa. Entre los compradores potenciales se encuentran personas aquejadas de hipersensibilidad electromagnética, una dolencia reconocida por algunos jueces aunque no tiene otro origen que el psicosomático. Y ya que hablamos de sensibilidad, existen calzoncillos apantallados. No me lo estoy inventando, parece ser que algunos hombres valoran sus atributos sexuales más que los cerebrales.

¿Sabe usted que incluso se venden fundas antirradiaciones para móviles? Personalmente lo considero un contrasentido, porque si bloquea las ondas que entran o salen del móvil, éste no funcionará y el usuario se quedará sin cobertura. Para evitarlo una empresa ha creado fundas que son jaulas de Faraday ¡por una sola cara! Tranquilo, yo soy físico y tampoco le veo sentido alguno.

LA RUPTURA DIELÉCTRICA

Por lo general el aire seco es un material aislante de la electricidad, pero cuando se encuentra sometido a un campo eléctrico muy intenso sucede un fenómeno llamado ruptura dieléctrica: las moléculas del aire adquieren carga eléctrica, se ionizan y permiten el paso de la corriente. Ese el fenómeno que produce los rayos. No vamos a incluir aquí ejemplos de películas en las que aparecen rayos, ya que hay muchos.

En su lugar voy a darle un caso de ruptura dieléctrica artificial. En El Truco Final (2006) dos magos rivalizan por el favor del público. Uno de ellos busca el truco de magia definitivo, y en su búsqueda llega a una exposición donde Nikola Tesla demuestra "las maravillas de la corriente alterna" en vivo y en directo. Un partidario de Tesla explica cómo éste se niega a aparecer en escena: "padecemos la campaña difamatoria de Thomas Edison contra la claramente superior corriente alterna del señor Tesla."

Mientras tiene lugar este episodio de la famosa "guerra de las corrientes" (la alterna de Tesla contra la continua de Edison), dos torres separadas unos metros intercambian rayos y los espectadores disfrutan del espectáculo de la ruptura dieléctrica. Más tarde, el mago utiliza este efecto en su propio espectáculo: se introduce en una jaula de Faraday (lo que le protege de los rayos eléctricos) y desaparece.

CONDENSADORES

Un condensador ("capacitor" en algunos libros mal traducidos) es un dispositivo capaz de almacenar energía eléctrica mediante la acumulación de cargas positivas y negativas en dos zonas separadas. Aunque su escasa capacidad de almacenamiento lo pone en desventaja respecto a las baterías convencionales, resulta esencial en los circuitos electrónicos. Si usted observa las tripas de un ordenador o una radio, advertirá la presencia de un conjunto de elementos que, como pequeños bloques de Lego, tachonan una superficie plástica. Entre ellos seguro que encuentra usted pequeños cilindros de color negro o azul, eso son los condensadores. A veces tienen forma de lenteja, pero lo importante no es su forma sino su función.

Placa de un ordenador Pentium. Los objetos cilíndricos son condensadores de diversas capacidades

Uno de las aplicaciones en las que un condensador resulta imprescindible es la detonación de artefactos nucleares. La explosión de una bomba atómica suele comenzar con la implosión de un explosivo convencional, que comprime un núcleo de material fisionable hasta el punto en que comienza la reacción de fisión nuclear. El explosivo está compuesto por diversos elementos que deben ser detonados simultáneamente, y para ello se utilizan elementos condensadores, capaces de entregar una pequeña carga eléctrica con gran rapidez.

En El Pacificador (1997), los protagonistas se ven obligados a desmantelar ellos solitos un dispositivo de fisión antes de que destruya Nueva York. El experto (experta, en realidad) explica su táctica: "El núcleo de plutonio está rodeado de paneles explosivos... si podemos separar uno de los paneles tal vez podamos explosionar la bomba exterior sin que explosione la bomba nuclear." El espectador puede ver esos paneles explosivos, que forman una superficie de tipo esférico muy similar a la de un balón de fútbol, aunque no los condensadores, ocultos dentro del mecanismo de la bomba. Tampoco logra verlos el co-protagonista, quien se queda mirando con aire de niño pequeño que necesita a sus padres. Nervioso y algo asustado (confiéselo, mi teniente coronel), pregunta a la desactivadora si sabe lo que hace y si lo ha hecho otras veces. "¿Desactivar bases primarias montadas por pakistanís chapuceros? No," contesta ella. Momento tenso cuyo desenlace, por supuesto, no le voy a destripar.

DESFIBRILADORES

Prácticamente no hay episodio de Los Vigilantes de la Playa, House o cualquier otra serie sobre hospitales en los que no aparezca el desfibrilador. Ya saben: paciente en parada, preparen las palas, apártense, ¡zas! Un desfibrilador hace el equivalente de un "reset" al corazón. Son las máquinas mágicas salvavivas, o al menos eso parece en la actualidad. Cada vez más empresas y edificios públicos están dotados de estos aparatos (en mi facultad hay uno nada más entrar a mano derecha), y en breve van a resultar tan habituales en la pared como los extintores de incendios o las cámaras de seguridad.

He visto muchos ejemplos de cine y televisión, pero si me lo permiten me quedo con el que aparece en Prometheus (2012). En este caso lo que quieren "resetear" no es un corazón sino una cabeza. Sí, ha leído bien, una cabeza; y además es la de un extraterrestre muerto miles de años atrás. Por lo visto el director Ridley Scott tenía ganas de jugar al doctor Frankenstein; y teniendo en cuenta que el título original de la novela de Mary Shelley es Frankenstein o el moderno Prometeo, no pudo evitar meter una escena de Frankenstein a la antigua usanza.

Mientras que los desfibriladores tradicionales proporcionan descargas eléctricas de pocos miliamperios de intensidad, los doctores Frankenstein de la nave Prometheus deciden comenzar por treinta amperios, y acaban subiéndola a cincuenta. Un chispazo así proporciona una potencia eléctrica según la ecuación P=R∙I², donde R e I son la resistencia de la cabeza y la intensidad de la corriente. Para hacer números necesitamos saber cuál es la resistencia eléctrica de una cabeza de alienígena. A falta de datos mejores usemos los correspondientes a una cabeza humana: unos mil ohmios.

R por I elevado al cuadrado nos da una potencia de 2,5 megavatios, que supera en varios centenares de veces la potencia eléctrica que tiene usted contratada en casa. Para seguir la comparación, la corriente de su hogar se entrega a una tensión de unos 220-230 voltios, en tanto que la tensión necesaria para meterle esos cincuenta amperios al cabezón extraterrestre es V=I∙R, igual a 50.000 voltios. ¿Se imagina usted lo que puede eso hacer con una cabeza? Si su respuesta es "seguro que explota en cuestión de segundos" enhorabuena, acertó usted de pleno. Ah, sí, spoiler, pero tampoco es que le recomiende gastarse seis euros en ver esa película.

EL POTENCIAL ELÉCTRICO

Un campo eléctrico permite definir una energía potencial eléctrica, y asociada a ella un potencial eléctrico. Si hiciésemos un símil con la gravedad, el potencial gravitatorio estaría relacionado con la altura a la que se encuentra un cuerpo. De esa forma pueden explicarse algunos fenómenos aparentemente extraños. Uno de ellos es el hecho de que una persona puede permanecer a un potencial alto sin ser electrocutada. Eso es así porque lo importante no es el potencial que tenga uno (la altura) sino la diferencia de potencial (la caída de una altura a otra). Si uno se rompe una pierna al caer una altura de diez metros, poco importa que el suelo se encuentre al nivel del mar o en la cima de una montaña con tal que la caída comience diez metros más alto. Mientras se encuentre a la misma altura no le pasará nada.

La electricidad funciona de forma similar. Cuando una pila viene rotulada como "1,5 V" lo que quiere decir es que la diferencia de potencial entre sus dos extremos es de un voltio y medio. En cuanto a las líneas de alta tensión, su peligrosidad se debe no a la tensión en sí, sino a la diferencia respecto al suelo. Una persona puede estar agarrada de un cable a un potencial de 40.000 voltios y no le pasará nada, pero si intenta tocar el suelo u otro cable la diferencia de potencial hará que una fuerte corriente atraviese su cuerpo, con las desagradables consecuencias que todos imaginamos.

Encontré un buen ejemplo en la película Tango y Cash (1989). Sylvester Stallone y Kurt Russell interpretan a dos policías injustamente encarcelados. Sus compañeros de prisión, a los que ellos mismos metieron allí, aprovechan la oportunidad para saldar cuentas, y ambos son reducidos y suspendidos del techo. La idea es bajarlos poco a poco hasta un depósito de agua en el que alguien ha introducido un cable eléctrico, y cuando toquen el agua, la diferencia de potencial entre sus pies y el resto del cuerpo se hará incómodamente alta. La ley de Ohm y el efecto Joule harán el resto.

En el último momento los dos ex-policías logran zafarse de sus enemigos, pero sus vidas siguen en peligro y ha llegado el momento de fugarse. Salen de la celda, corren de un lado para otro, llegan a la azotea de la cárcel y se encuentran con que la única salida pasa por un tendido eléctrico con cables que chisporrotean bajo la lluvia. Cash tiene clara la salida: "no hay problema, saltamos a esos cables, bajamos al otro lado y ya está." Tango, experto en cotizaciones bursátiles pero no en Física, piensa que su compañero está loco y que lo único que van a conseguir es freírse. Pero Cash sabe lo que se hace y nos da la receta para sobrevivir:

"No sabes nada de electricidad, ¿verdad? Mientras toques un solo cable y no toques el suelo, no te electrocutas."

A pesar de eso, Cash no lo tiene muy claro (¡demasiado lejos queda el instituto de secundaria!) y le "permite" a su compañero que salte primero. Éste, ni que decir tiene, declina tan cortés ofrecimiento.

Tengo un cariño especial a esta escena porque me dio una idea para mis clases de Física. Después de ver la película pensé algo así como "si mis alumnos no me hacen caso a mí, puede que le presten más atención a Kurt Russell," y eso fue lo que me dio la idea para explicar Física usando casos de película. Y aquí estamos.

SUPERCONDUCTIVIDAD

Los materiales conductores permiten el paso de la corriente eléctrica. Habitualmente se utilizan metales como el cobre, pero incluso esos materiales ofrecen una pequeña resistencia al paso de los electrones; como consecuencia, parte de la energía eléctrica se disipa en forma de calor, lo que se conoce como efecto Joule. Obtener un material con resistencia cero es un Santo Grial en ingeniería eléctrica.

Una propiedad de la resistencia eléctrica es su dependencia con la temperatura, lo que implica que podemos transportar corrientes eléctricas con menor gasto energético enfriando el cable conductor. Por supuesto, eso tiene el inconveniente de tener que refrigerar todo el sistema de conducción de corriente, y a pesar de eso la resistencia todavía tendría un valor no nulo.

A comienzos del siglo XX se descubrió que algunos materiales, cuando se les enfría lo bastante, conducen la corriente de forma perfecta. No es que la resistencia se reduzca, es que se hace cero, o al menos tan próxima a cero como podemos medir. A esta propiedad se le llama superconductividad. Los materiales superconductores tiene infinidad de aplicaciones, aunque en la actualidad todavía tienen el inconveniente de que su temperatura crítica (aquella por debajo de la cual aparece el efectos superconductor) es muy baja.

El agente 007 se enfrentó a la superconductividad en la película El Hombre de la Pistola de Oro (1974). El supervillano de turno ha creado un nuevo sistema para captar y almacenar la energía solar. Esto último se logra por medio de carretes de material superconductor enfriados con helio líquido. De esa forma una corriente eléctrica puede permanecer años girando por el carrete sin pérdidas de energía.

Resulta interesante resaltar que en los años setenta, cuando se rodó esa película, los materiales superconductores conocidos tenían una temperatura crítica tan baja que debían ser enfriados con helio líquido, material caro y escaso. En los años ochenta se descubrieron diversos tipos de materiales llamados superconductores de alta temperatura, cuyas propiedades se alcanzaban a temperaturas tan altas que podían ser enfriados con nitrógeno líquido. Estamos hablando de temperaturas del orden de los -100 a -200 grados Celsius, por lo que el término "alta temperatura" es relativo, pero el nitrógeno líquido es un material mucho más barato y sencillo de manejar que el helio líquido, y en consecuencia el efectos superconductor resulta factible con menor esfuerzo. Estos nuevos materiales supusieron una revolución en el campo de la física de los materiales.

En la actualidad el récord de temperatura crítica lo posee el sulfuro de hidrógeno, que es capaz de alcanzar el estado superconductor a -70ºC, algo más "caliente" que el invierno más frío en la Antártida. La meta última es conseguir un superconductor a temperatura ambiente, lo que permitiría construir redes de distribución eléctrica sin pérdidas de energía, trenes de levitación magnética, escáneres hospitalarios que no precisen refrigeración y otras aplicaciones que ahora solamente podemos imaginar.

Una de esas aplicaciones puede basarse en el diamagnetismo, fenómeno según el cual un material tiende a repeler un campo magnético externo. Este efecto suele ser muy débil en la mayoría de los materiales que lo muestran, pero en el caso de una sustancia superconductora la repulsión es total, y el campo magnético externo puede mantener en levitación a un imán superconductor; es el conocido como efecto Meissner.

Imán suspendido por efecto Meissner sobre un anillo superconductor enfriado con nitrógeno líquido (Imagen: Peter Nussbauer, Creative Commons)

Ese es un elemento básico en el argumento de la película Avatar (2009). Una expedición minera llega a la luna Pandora con la misión de llenar los depósitos con un mineral llamado inobtanio. En diversas ocasiones podemos ver objetos de inobtanio que flotan en el aire a causa, aparentemente, de la naturaleza diamagnética perfecta del material. Según esto, parece que el inobtanio es un superconductor a temperatura ambiente. En la película, un kilogramo de inobtanio se vende a veinte millones de dólares el kilo. Personalmente me parece un precio muy elevado, aunque justificaría una expedición minera a otro sistema estelar.

ELECTROIMANES

Creo que todos sabemos desde pequeños cómo hacer un electroimán: tomamos un clavo, le enrollamos cable eléctrico alrededor y conectamos el cable a una pila. Estrictamente hablando no hace falta el clavo, ya que podemos sustituirlo por un lápiz, o incluso por nada, pero es conveniente dejar el clavo en su sitio por dos motivos: ayuda a mantener la forma del arrollamiento de cable y multiplica el valor del campo magnético. Por supuesto, eso último dependerá del material. Un lápiz, o el aire, no harán ningún efecto, mientras que el hierro u otros tipos de materiales ferromagnéticos producirán un gran aumento del campo.

¿Le apetece ver a Elisabeth Sue montar un electroimán? Pues bienvenidos a El Hombre sin Sombra (2000). Sue interpreta a Linda McKay, una científica en un centro de investigación que trabaja en una tecnología secreta. El típico científico chiflado de película la ataca y encierra en una sala frigorífica. Linda mira a su alrededor en busca de una herramienta para escapar, hasta que encuentra un rollo de cable. Ni corta ni perezosa arranca el asa metálica de un cajón, le enrolla el cable alrededor, conecta éste a los cables de un desfibrilador y ya tiene listo su electroimán. Ahora sólo hay que pegarlo a la puerta, atraer el cerrojo metálico que hay en el exterior y descorrerlo.

Algunas grandes chatarrerías disponen de electroimanes de mayor tamaño, que se utilizan como grúas para atraer y mover grandes cantidades de hierro. También tienen aplicaciones en el campo del servicio secreto. Cuando James Bond se dirige a conocer a su homólogo japonés en Sólo se Vive Dos Veces (1967), un coche lleno de esbirros salta en su persecución. Sin inmutarse, la conductora de Bond radia una orden y en pocos segundos aparece un gigantesco helicóptero del que pende un electroimán. El coche de los malos, que para su desgracia tiene el techo metálico, es rápidamente atraído y alejado del lugar. No es tan espectacular como los habituales misiles ocultos tras los faros, pero resulta igualmente eficaz.

INDUCCIÓN

Un electroimán produce un campo magnético a partir de un campo eléctrico. El paso contrario es más complicado, ya que para producir un campo eléctrico es necesario un campo magnético de flujo variable. Eso es lo que hacen nuestros generadores eléctricos. Sea fuerza nuclear, hidroeléctrica o térmica, el principio es el mismo: mover enormes imanes, o bien enormes arrollamientos de cable, de tal forma que el flujo del campo magnético cambie con el tiempo. En esas condiciones, se crea un campo eléctrico (suele decirse que se "induce"), que se describe mediante la llamada ley de inducción de Faraday.

El principio de inducción es la base de muchos instrumentos como micrófonos, lectores y grabadores de sonido, sismógrafos o interruptores diferenciales (capaces de cortar la corriente en caso de cortocirtuito). También está detrás de los detectores de metales. Imagine que está cruzando una de esas máquinas de camino al avión. Sin usted saberlo, un campo magnético le atraviesa. Si no lleva objetos metálicos no hay problema, pero digamos que sí los lleva. En tal caso, el campo magnético induce una corriente eléctrica sobre los objetos metálicos. Esa corriente eléctrica crea un segundo campo magnético, que induce una corriente eléctrica en el detector, y es en ese momento cuando suena la alarma y los chicos de las pistolas le piden que vacíe sus bolsillos.

Buscar ejemplos de micrófonos o sismógrafos en películas es poco productivo, ya que las escenas suelen ser breves y poco didácticas, así que con su permiso me decanto por las escenas del típico detector de metales. Como ejemplo le propongo una escena de Matrix (1999). Neo, el elegido, entra en el edificio donde los malos tienen retenido a su amigo Morfeo. Los guardias vigilan con atención, y cuando el arco detector de metales pita uno de ellos se le acerca con un detector de metales manual y le recita la letanía habitual: "deje ahí cualquier objeto metálico que lleve encima, llaves, monedas..."

En ese momento Neo se abre el abrigo, como haríamos nosotros para mostrar que no llevamos nada metálico salvo quizá la hebilla del cinturón. Claro que en su caso es diferente ya que, bajo el abrigo, Neo guarda un arsenal capaz de equipar a un pelotón de infantería. La ensalada de tiros que sigue es un buen recordatorio de que detectar metales es paso necesario pero no suficiente para garantizar la seguridad de un edificio.

LA AVENTURA DE LOS POLOS MAGNÉTICOS

Nuestro planeta tiene su propio campo magnético. Eso lo sabemos todos desde pequeños, cuando nos regalaron una brújula con una aguja que siempre apuntaba en la misma dirección. Era nuestra primera experiencia con el magnetismo (excepto quizá por los imanes de la nevera) y seguro que también a usted le hizo preguntarse sobre ese enorme imán que existe dentro de la Tierra.

El mecanismo que general el campo magnético terrestre es algo más complejo que una simple barra de material ferromagnético. La llamada "teoría de la dinamo" nos permite visualizar el fenómeno de forma sencilla. El núcleo de la Tierra está formado por dos grandes regiones: un núcleo interno sólido y un núcleo externo de metales fundidos (níquel y hierro, fundamentalmente). Este núcleo externo se encuentra ionizado y se mueve debido a las corrientes de convección; el resultado, en virtud de la ley de Biot y Savart, es la generación de un campo magnético.

Si lo desea, podemos simplificar y considerar el campo magnético terrestre como el producido por un enorme imán. Al igual que los imanes, tenemos un polo norte y un polo sur. En general, la aguja de una brújula tiende a apuntar hacia el norte geográfico, lo que permitió a los marinos orientarse durante siglos. Incluso en nuestros días resulta útil llevar una brújula para marcar el rumbo y no perderse.

También lo fue para James McKay en la película Horizontes de Grandeza (1958). Este antiguo capitán de barco se encuentra en el salvaje Oeste, donde un rancho que pueda visitarse a pie no vale la pena. Ansioso por explorar sus futuras posesiones, toma un caballo y se lanza a la aventura. Su brújula y su mapa le aseguran que no se perderá, pero los trabajadores del rancho no saben de magnetismo y, temerosos de que se haya perdido en el gran país, se lanzan en su búsqueda.

McKay, como otros marinos antes y después que él, sabe que en realidad la aguja no señala el polo Norte geográfico, ya que ésta no coincide exactamente con el magnético. Como consecuencia, la dirección que indica una brújula difiera levemente de la dirección al norte real. La diferencia, llamada declinación magnética, es pequeña salvo que nos encontremos en latitudes muy septentrionales, lo que permite usar una brújula para orientarse con bastante precisión en medio de un rancho, por grande que éste sea.

Un segundo problema es que, cuando la brújula apunta al norte geográfico, realmente está indicando el polo Sur magnético, no el Norte. El motivo es que, según la descripción habitual en magnetismo, las líneas de campo magnético salen del polo norte de un imán y entran por el polo sur. Según esto, el polo sur magnético de la Tierra se encontraría cerca del norte geográfico. Esa terminología resulta, sin embargo, confusa para fines de navegación, donde "rumbo Norte" obligaría a detallar constantemente si se trata de norte magnético o geográfico. Por dicho motivo se ha hecho una excepción, y ahora se considera que "polo Norte magnético" es el que se encuentra en el Ártico.

Esta doble confusión (que el polo geográfico y el magnético no coinciden, y que el polo Norte magnético es el que según la Física debería ser Sur magnético) fue aprovechada por el programa automovilístico Top Gear.  En el año 2007 la BBC emitió un episodio especial en el que se mostraba una carrera hacia el polo Norte entre James Hammond a bordo de un trineo y Jeremy Clarkson conduciendo una camioneta Toyota. Personalmente no me podía creer que se pudiera llegar hasta el mismísimo polo en un vehículo a motor, y efectivamente no se puede. Lo que hicieron fue llegar... al Norte magnético, mucho más cercano y accesible. En ningún momento, antes o después, avisaron que se referían a polo magnético, así que lo considero un engaño.

Peor aún, resulta que la posición del Norte magnético cambia con el tiempo, y el lugar que alcanzó Clarkson fue la posición que tenía el polo Norte magnético en el año 1996 ¡no en 2007! La justificación oficial fue que allí está la meta de una famosa carrera llamada Polar Challange. Durante el siglo XX, el Norte magnético se ha ido desplazando en la dirección aproximada del norte geográfico. Ese desplazamiento aumentó a mediados de los años noventa, y si en 1996 el Norte magnético estaba en una latitud aproximada de 79ºN, en 2007 era de unos 83ºN. Eso hubiera añadido más de medio millar de kilómetros a la carrera.

Posiciones del polo norte magnético durante los últimos quinientos años (Imagen: Cavit / Creative Commons)

En la actualidad, el polo Norte magnético ha llegado a casi 87º de latitud norte, con lo que ambos nortes se encuentran en su punto más cercano desde hace siglos. Ahora sí que me gustaría ver a Clarkson repetir su reto. So tramposo.

EJEMPLO DE PELÍCULA: EL NÚCLEO (SÍ, OTRA VEZ)

El campo magnético terrestre es el protagonista principal de la película El Núcleo (2003). Por algún motivo desconocido, el núcleo externo ha dejado de girar y el campo magnético ha desaparecido. Ni las corrientes de convección ni el efecto Coriolis consiguen reactivarlo, así que la solución es la de siempre: un vehículo  hecho con inobtanio, armas nucleares y una intrépida misión para nuestros héroes.

El espectador queda advertido de antemano que la ciencia de El Núcleo deja mucho que desear. Ya es sospechoso cuando un supuesto profesor de geodinámica dice tranquilamente algo como "Sí, Física básica: el metal al girar crea un campo electromagnético;" cuando lo cierto es que hacen falta más condiciones (por ejemplo, que haya corrientes eléctricas circulando por el metal).

Eso es malo, pero lo siguiente lo mejora. Voy a comentar una sola escena. El científico protagonista, ante una audiencia de militares de alta graduación, suelta esta perla:

"Nuestro campo EM [electromagnético] nos protege de los vientos solares, que son una mezcla letal de partículas radiactivas y microondas. Cuando ese escudo fracase, las microondas provocarán literalmente la cocción del planeta."

A ver por dónde empiezo esta madeja. Voy a intentarlo:

- Primero, el viento solar es una mezcla de partículas, cierto, pero no son letales ni mucho menos radiactivas. Se compone fundamentalmente de protones y electrones procedentes del Sol.

- Segundo, el viento solar no tiene nada que ver con las microondas, que son ondas electromagnéticas de frecuencia más baja que la luz visible.

- Tercero, ningún campo eléctrico o magnético puede bloquear las microondas. Son absorbidas por el vapor de agua que hay en la atmósfera terrestre. Por eso los observatorios terrestres que trabajan en microondas han de trabajar en lugares con una atmósfera totalmente seca, como Atacama (Chile) o la Antártida.

- Cuarto, las microondas solares no pueden cocer nada, ni literal ni figuradamente. La potencia emitida por el Sol en el rango de las microondas es diminuta, apenas una billonésima parte de lo que emite en luz visible. Incluso si eliminásemos la atmósfera y dejásemos que todas impactasen contra la superficie, necesitaríamos un instrumento de precisión para detectarlas.

- Quinto, el campo que nos protege del viento solar es magnético, no electromagnético. Suena parecido, pero hay una gran diferencia.

Personalmente creo que el detalle de llamar "campo electromagnético" a lo que realmente es el campo magnético terrestre es una decisión deliberada pensada para confundir al espectador y hacerle creer que realmente nos protege de las microondas asesinas. En una escena, el campo se rompe y deja pasar un supuesto haz de radiación letal en dirección a la bahía de San Francisco. El océano comienza a hervir, las ramas se caen de los árboles, los peces se cuecen, y en el colmo de los despropósitos las microondas llegan al extremo de destruir el Golden Gate, partiendo cables de acero de casi un metro de espesor.

Para ser totalmente claro, lo cierto es que el campo magnético sí hace algo. ¿Recuerdan esos protones y electrones que forman el viento solar? Como son partículas cargadas eléctricamente, reaccionan ante el campo magnético terrestre. Su trayectoria se arremolina en torno a las líneas de campo, y cuando entran en nuestra atmósfera chocan contra los átomos de nitrógeno y de oxígeno produciendo un maravilloso espectáculo de luces que llamamos auroras polares. El nombre de este fenómeno proviene de la región donde aparecen, ya que el campo magnético terrestre es como un imán, de tal forma que las partículas de viento solar acaban en sus polos; no en los polos geográficos, porque como ya hemos visto no coinciden con los magnéticos, pero casi. Las auroras de las regiones norte y sur se denominan boreales y australes, respectivamente.

El espectáculo de las auroras polares puede disfrutarse cuando la actividad solar es intensa. En 1989, por ejemplo, una aurora boreal fue visible en latitudes tan meridionales como Tejas y Cuba, y produjo daños al tendido eléctrico en zonas de Canadá. Un desarreglo muy diferente (que no les voy a destripar) producido por una intensa aurora boreal, hace posible el argumento de la película Frequency (2000). Las auroras que aparecen allí no tienen mucho parecido con las de verdad, pero al menos quedan bonito.

12 - ÓPTICA

- Aquí el doctor Koothrappali de Pasadena, California. Solicito que reposiciones el telescopio... ¡a la casa de Scarlett Johansson!

(Rajesh Koothrappali)

A LA VELOCIDAD DE LA LUZ

A lo largo de la Historia se desarrollaron dos teorías para explicar los fenómenos que englobamos actualmente con el nombre de Óptica: la teoría corpuscular y la ondulatoria. La primera, cortesía de Isaac Newton, postula que la luz está formada por partículas; la segunda, por el contrario, afirma que la luz son ondas. Ambas teorías explican algunos fenómenos pero no otros, y realmente no hubo una teoría unificada de la óptica hasta prácticamente el siglo XX, cuando el postulado de de Broglie (y no es una errata, se llamaba Louis de Broglie) estableció que ondas y partículas representan una dualidad. La luz es onda o partícula según queramos que sea.

Onda o partícula, las pruebas experimentales demuestran que la luz tiene una velocidad constante en el vacío. En realidad la luz es un subconjunto de ondas electromagnéticas, y por tanto su velocidad debe ser la misma que la de las ondas de radio o los rayos gamma. Una de las consecuencias de una velocidad de la luz finita es el retardo en las comunicaciones interplanetarias, y con ello saltamos ya al cine.

Para los lectores puristas, antes debo indicar que esta sección podría haberse abierto al final del capítulo anterior. La combinación de las leyes sobre la electricidad y magnetismo predice la existencia de ondas electromagnéticas, cuya velocidad en el vacío tiene un valor independiente de la frecuencia y recibe el nombre de "velocidad de la luz." Imagino que el motivo es que resulta más corto que decir "velocidad de las ondas electromagnéticas" y, por otro lado, la luz tiene cierta prioridad histórica puesto que fue la primera cuya velocidad fue medida experimentalmente. En cualquier caso el acomodador espera, así que no le pongamos más nervioso y entremos ya en la sala de proyección.

En muchas ocasiones la nave espacial y la base se comunican de forma instantánea a pesar de la enorme distancia que les separa, y debemos asumir que en el futuro habrá alguna forma de comunicación superlumínica que permita a la teniente Uhura contactar rápidamente con Flota Estelar. Me vale. Con todo, hay un par de ejemplos en los que se usan ondas de radio y el retardo en las comunicaciones se muestra de forma correcta. Uno de ellos es el de 2001 Odisea en el Espacio (1968). La nave Discovery se encuentra en misión hacia Júpiter y un programa documental de la BBC recoge una entrevista con los tripulantes. En apariencia la conversación es fluida y en tiempo real, pero hay truco:

"Esta tarde hemos grabado una conversación con los tripulantes del Discovery a una distancia de 130 millones de kilómetros de la Tierra. Nuestras palabras tardaron siete minutos en llegar a la gigantesca nave espacial, pero este retraso ha sido suprimido de la grabación."

Puesto que la velocidad de la luz es de 300.000 kilómetros por segundo (redondeando un poco), un mensaje desde la Tierra tardará un tiempo igual a 130.000.000/300.000 = 433 segundos, poco más de siete minutos. Las matemáticas están bien.

También en su secuela 2010 Odisea Dos (1984) aparece el efecto de retardo. En ese caso, con Júpiter a una distancia mínima de la Tierra de 630 millones de kilómetros, los mensajes tardan unos 35 minutos. Una pregunta y una respuesta necesitarán más de una hora. Imagínese eso en una nave soviética con tripulantes norteamericanos, durante un enfrentamiento militar en mitad de la Guerra Fría. Otros ejemplos incluyen escenas de películas como Sunshine (2007) o Interstellar (2014).

El retardo en las comunicaciones hace que, cuando una sonda espacial llega a su destino, los ingenieros humanos tengan que esperar hasta que la señal de "todo bien" llegue a Tierra, lo que a veces puede suponer horas de angustiosa espera. Saber que el instrumento al que has dedicado años de tu vida puede haber llegado a destino o no, que puede haber quedado destruido o funcionar perfectamente, pero que no lo sabrás hasta al cabo de algún tiempo, es una idea capaz de desquiciar al más pintado.

Eso fue lo que le pasó a Raj, el astrofísico del grupito de The Big Bang Theory. En La Desintegración de la Sonda Espacial (8x12), la sonda New Horizons está a punto de llegar a Plutón. En teoría ya debería haberse activado, pero Raj no se las tiene consigo: "La señal debe recorrer más de cinco mil millones de kilómetros y tardaremos horas en saber si ha sobrevivido." A razón de trescientos mil kilómetros por segundo, la señal de "todo bien" de la New Horizons necesitaría casi cinco horas en recorrer la distancia Plutón-Tierra, lo que provocó un ataque de nervios no solamente a Raj sino también a su buen amigo Howard. Lamento hacer spoiler, pero seguro que usted ha visto las imágenes emitidas por la New Horizons; y si no, ya tarda usted en echarles un vistazo, son espectaculares.

Howard tuvo sus propios problemas, aunque en un entorno muy distinto. En La Expansión de Lagarto Spock (2x08), nuestro ingeniero salido intenta una nueva treta para ligar: invitar a una chica a conducir un coche… en Marte. No es una ocasión que se presente todas las noches, así que Howard y Stephanie acabaron en la sala de control del róver marciano. Por desgracia, éste acabó en una zanja y el plan se vino abajo. Pero incluso en el caso de que todo hubiese salido bien, habría sido una experiencia algo aburrida. En su punto se máxima aproximación Marte se encuentra a más de setenta millones de kilómetros de la Tierra. Cualquier orden del tipo “hola, rover de Marte, arranca y gira a la derecha” tardaría casi cuatro minutos en llegar, y otros cuatro en recibir la confirmación. Me pregunto que harían Howard y Stephanie mientras esperan… oooh, ya lo pillo.

El carácter no infinito de la velocidad de la luz (y en general, de las ondas electromagnéticas) hace que veamos los objetos del cielo no como son ahora, sino como eran cuando la luz abandonó su superficie. Los fotones que vemos de la estrella Vega, por ejemplo, se emitieron hace 25 años. La película Contact (1997), basada en una novela de Carl Sagan, tiene como argumento principal la detección de una señal de radio proveniente precisamente de esa estrella. Cuando los científicos la descifran, descubren asombrados la imagen de Adolf Hitler en una grabación emitida durante los juegos olímpicos de Berlín de 1936. La señal tardó veinticinco años en llegar a Vega, otros tantos en ser retransmitida de nuevo a la Tierra, y es entonces cuando los científicos terrestres la captan e interpretan. ¡Imagínense la cara que pusieron todos!

La idea de Contact fue parodiada en la serie de animación Futurama, ambientada en el siglo treinta. En el episodio Cuando los Extraterrestres Atacan (1x12), una civilización de guerreros extraterrestres vive en el planeta Omicron Persei 8. Como se encuentran a mil años luz, pueden recibir las emisiones televisivas de la Tierra del siglo veinte. Por desgracia, un accidente ocurrido en 1999 interrumpió la emisión de la serie favorita del emperador Lrrr, y éste decide dirigirse a la Tierra para exigir la continuación de la serie.

Una alternativa en el cine consiste en hacer que el retardo en las comunicaciones no se muestra expresamente, y en su lugar el director puede echar mano de la elipsis para dar la ilusión de una comunicación fluida e instantánea. En otros casos los expedicionarios envían grabaciones que, al ser recibidas en la Tierra dan la impresión de que son en tiempo real aunque sucedieron minutos antes; es el caso de Misión a Marte (2000). Y por supuesto, hay muchos ejemplos en los que los protagonistas se encuentran tan cerca de la Tierra que las comunicaciones son prácticamente instantáneas, como en Gravity (2013), Space Cowboys (2000) o  Apolo 13 (1995).

Cuando se habla de la velocidad de la luz, y salvo indicación en contrario, se presupone que nos encontramos en el vacío. En un medio material, como el agua o el vidrio, esa velocidad disminuye, y como consecuencia la dirección de un haz de luz cambia cuando pasa de un medio a otro ópticamente diferente. Por ejemplo, cuando insertamos un lápiz en un vaso de agua nos parece que esté roto, como si se hubiera doblado. Ese efecto se debe a que, cuando la luz que abandona el lápiz salta del agua al aire, su dirección cambia y nos parece que proviene de otro punto distinto.

Cuando los alumnos aprenden la ley de Snell de la refracción, no saben que la situación es similar a la de la serie Los Vigilantes de la Playa. Imagínese que usted es uno de esos vigilantes. Al observar que alguien comienza a ahogarse usted salta en su ayuda, obviamente con la intención de llegar lo antes posible. Sin embargo, su velocidad es mayor corriendo por la arena que nadando en el agua. La pregunta entonces es: ¿cuál es el trayecto que ha de seguir usted para llegar al objetivo lo más pronto posible?

Sabemos cuál es el trayecto más corto, pero ¿cuál es el más breve?

Resulta que la solución es idéntica a la de la refracción, ya que la ley de Snell indica que es el trayecto de un haz de luz para ir de un punto a otro es el más breve (no el más corto, como suele creerse). No parece que sea así, porque en óptica no suele usarse la velocidad de la luz en un medio (v) sino el llamado índice de refracción n=c/v, donde c es la velocidad de la luz en el vacío; pero lo cierto es que se trata del mismo problema. Así que ya lo sabe, amigo lector: cuando vea a Pamela Anderson trotando por la playa... bah, a quién vamos a engañar, en ese caso las matemáticas se dejan al margen.

AHORA ME VES, AHORA NO ME VES

No abandonaremos la playa todavía. Ahora vamos a sumergirnos y a jugar con una linterna. Supongamos que en primer lugar la apuntamos hacia arriba, y a continuación la inclinamos un poco. Veremos cómo la luz sale al aire formando un ángulo menor con la vertical. Si seguimos inclinando la linterna más y más, la luz pasará al aire con un ángulo cada vez menor. Llegará un momento en el que la luz no se refractará sino que rebotará como si la superficie fuese un espejo. Tenemos entonces la llamada reflexión total interna.

Este es un efecto que podemos ver en muchas películas de monstruos acuáticos, comenzando por la precursora del género: Tiburón (1975). Una de las escenas más habituales en estos casos es la vista desde abajo, tal como la vería el tiburón. Por supuesto tenemos a la chica indefensa que nada ignorante del peligro, rodeada de una región clara (el cielo) que termina de forma más o menos abrupta y da paso a una región oscura. Esa región es en realidad el fondo del mar, que está siendo reflejado en la interfaz agua-aire gracias al fenómeno de la reflexión total interna.

Tiburón (abajo) y su imagen por reflexión total interna (arriba)

La medusa no es tan terrorífica como un tiburón, pero de todos modos pica. Uno de los motivos por los que puede hacerlo es que resulta casi transparente en el agua, y por tanto no la vemos venir. Un cuerpo con el mismo índice de refracción que el medio que le rodea se hace invisible. No pocas películas juegan con el deseo del hombre por hacerse invisible, y de eso podemos aprovecharnos para aprender un poco.

Como ejemplos le sugiero El Hombre sin Sombra (2000) y Los Cuatro Fantásticos (1994). En el primero, un conjunto de científicos trabajan en un compuesto inyectable que produzca el efecto de invisibilidad. En el segundo (por no hablar de secuelas y remakes), el responsable es una de esas extrañas tormentas de energía magnética, radiactiva o del tipo que sea, que por algún motivo produce un efecto de invisibilidad en la Chica Invisible (de ahí su nombre). Podríamos añadir La Liga de los Hombre Extraordinarios (2003), donde también aparece un hombre invisible, pero lo cierto es que no se da ninguna explicación sobre su condición, simplemente aparece y ya está.

También tenemos el habitual escudo de invisibilidad, que desvía la luz a su alrededor de tal forma que el observador no ve el objeto sino lo que hay detrás. Aquí hay bastantes ejemplos donde escoger. En la película Depredador (1987) y sus secuelas, un cazador alienígena se camufla gracias a un dispositivo que lo hace invisible. Los enemigos de la Federación están equipados con dispositivos de ocultación, y podemos verlos en diversas películas de la serie Star Trek: En busca de Spock (1984), Misión Salvar la Tierra (1986), Insurrección (1998), Némesis (2002)... por no hablar de las series. Por su parte, la TARDIS de la serie Doctor Who dispone de un escudo de camuflaje y de ocultación, aunque funciona cuando quiere.

¿Más ejemplos? Ahí van: la capa de invisibilidad de Harry Potter y la Piedra Filosofal (2001), el helitransporte de Los Vengadores (2012) y secuelas; el Aston Martin de James Bond en Muere Otro Día (2002), el anillo único de la franquicia de El Señor de los Anillos (2001); y no sigo para no cansarle, amigo lector. No hay duda de que la invisibilidad es uno de los sueños más atractivos del hombre, y el cine le da al público lo que quiere.

IMÁGENES EN UN ESPEJO

Por mucho que nos guste desaparecer de la vista aún no tenemos los medios para ello. Mucho más sencillo resulta crear imágenes de un objeto. Podemos hacer pasar los rayos de luz por diversos medios para cambiar su dirección, con el resultado de que la posición y tamaño del objeto parecen haber cambiado. Realmente el cuerpo original sigue tal y como estaba, pero nuestros ojos lo ven de distinta manera: más grande, más cercano, más gordo, más deformado. Es el mundo de la formación de imágenes.

Uno de los sistemas más usados para crear imágenes son los espejos. Cuando los rayos de luz que salen de nuestro cuerpo rebotan en el espejo, éste los devuelve hacia nosotros. En el caso más sencillo, un espejo plano nos devuelve una imagen muy parecida a nosotros, salvo por un cambio en el eje vertical (la mano izquierda se convierte en la derecha) y por el hecho de que la imagen parece estar detrás del espejo. Por lo demás, imagen y objeto parecen idénticos.

Acostumbrados a que lo que ve es realmente lo que hay, un perro actúa como si su imagen especular fuese verdadera y un niño que se observa a sí mismo cree en realidad que ha encontrado un nuevo compañero de juegos. En una notable escena de la serie documental Mundo Submarino de Jacques Cousteau un mero reflejado en un espejo se enfrenta a sí mismo, de forma tan violenta que el espejo acaba hecho añicos.

Confundir la imagen por el objeto es causa de muchas risas, y también ha sido llevado al cine en diversas ocasiones. Una de las escenas más memorables y divertidas corresponde a la película Sopa de Ganso (1933). En una de esas situaciones disparatadas tan típicas de los hermanos Marx, el presidente Rufus T. Firefly (Groucho para nosotros) se enfrenta a su imagen. En realidad se trata de otro personaje de la película, que disimula como puede haciéndose pasar por su imagen especular. Poco convencido, Rufus hace todo tipo de cabriolas ante el "espejo" pero su "imagen" devuelve todos sus movimientos. El original y la "imagen" intercambian lugares a ambos lados del supuesto espejo, uno de ellos llega incluso a recoger el sombrero que se le cae al otro, y a pesar de algunos fallos de sincronía (o precisamente gracias a ellos) el espectador disfruta a carcajadas.

La escena del espejo inexistente ya era vieja en tiempos de los hermanos Marx (el propio Charlie Chaplin la incluyó en su película Charlot en la Tienda de 1916), y no parece que su popularidad disminuya con el tiempo. Ha sido llevado al cine y a la televisión hasta la saciedad, desde La Pantera Rosa hasta Padre de Familia pasando por Bugs Bunny. Hace tan sólo unos días pude ver al agente Fox Mulder, de la serie Expediente X, imitando a Groucho en el episodio El País de los Sueños I (6x06).

Cuando el espejo es curvo la situación cambia, ya que la imagen tiene por lo general distinto tamaño, forma y orientación que el original. Eso lleva a aplicaciones de gran utilidad. Por ejemplo, seguro que usted ha visto uno de esos espejos convexos en un cruce de calles, o en la esquina de un supermercado. Habrá notado que la imagen está deformada, y puede que se haya preguntado qué utilidad tiene. Se trata de una forma sencilla de visualizar un espacio amplio. En ese caso lo importante no es que la figura de un cliente se represente de modo fidedigno, sino que se pueda ver si roba o no la botella de ron.

En algunos coches norteamericanos los espejos retrovisores son levemente convexos, lo que proporciona un mayor campo de visión. En este caso, sin embargo, tanto el tamaño como la forma y la distancia de las imágenes varían un poco, motivo por el que esos espejos llevan el aviso "los objetos en este espejo pueden estar más cerca de lo que parece." Esto permitió a Steven Spielberg meter una pequeña broma en su película Parque Jurásico (1993). Mientras los protagonistas huyen en un jeep del ataque de un gigantesco T-Rex, el espejo retrovisor les muestra una imagen del terrorífico saurio justo sobre la advertencia de turno donde se les recordaba que el bicho puede estar aún más cerca de lo que parece. Esa escena fue parodiada en la película de animación Toy Story 2 (1999).

Un espejo curvo puede ser usado para colimar un haz de luz, de forma que todos los rayos que partan de la fuente acaben viajando en dirección paralela. Es el mecanismo que crea haces más o menos rectos en linternas o faros de automóvil, incluyendo los reflectores gigantes con que la policía ilumina el edificio Nakatomi en Jungla de Cristal (1988) y la batseñal que la ciudad de Gotham utiliza para pedir ayuda a Batman en prácticamente todas las películas y episodios.

A la inversa, un haz de rayos paralelos puede concentrarse en un punto gracias a un espejo curvo, como hacen los astrofísicos con la luz de las estrellas para aumentar su luminosidad aparente. En la película de 007 Muere Otro Día (2002), el supervillano construye un gran espejo y lo pone en órbita mediante el satélite Icarus. El objetivo oficial es reflejar la luz del sol y dirigirla hacia zonas oscuras para cultivar todo el año. Por supuesto, siendo el malo de la película tendrá una agenda oculta y yo no se la revelaré, aunque la verdad es que tampoco resulta novedosa (leí el mismo argumento en un cómic del Tío Gilito cuando yo era pequeño).

Podemos examinar este ejemplo para explicar por qué el plan del villano no puede funcionar. Si suponemos la llamada aproximación paraxial, según la cual los  rayos forman ángulos pequeños con las superficies ópticas, puede demostrarse que la imagen de un objeto a distancia infinitamente grande (como el Sol en primera aproximación) se encuentra a mitad de camino entre la superficie de un espejo esférico y su centro de curvatura. Eso significa que el radio de curvatura para el espejo esférico del Icarus sería el doble de su distancia a la Tierra, varios centenares de kilómetros. A la vista aparecería como una superficie prácticamente plana, pero la película nos muestra un espejo claramente curvo. Lo único que haría Icarus es dispersar la luz solar. Para eso más le hubiera valido llevar un espejo plano. Es lo que pasa cuando el malo de turno no presta atención a su Q particular.

Otra escena que le propongo para su atención pertenece a La Ventana Indiscreta (1954). Habíamos dejado al pobre señor Jefferies mirando por la ventana en un esfuerzo por vencer el aburrimiento. Con el tiempo uno de sus vecinos comienza a comportarse de forma sospechosa. Esto atrae la atención del protagonista, quien decide ayudarse de unos prismáticos para observar. Pronto se le ocurre una idea mejor: puesto que es fotógrafo profesional, nada mejor que tomar su teleobjetivo y usarlo como telescopio improvisado.

No nos fijaremos en las imágenes que observa, sino en las que se forman en el exterior del objetivo. En efecto, mientras el fotógrafo mira nosotros le miramos a él, y podemos apreciar que la lente de su teleobjetivo actúa en parte como un espejo esférico y crea una imagen deformada pero claramente identificable del edificio que está vigilando. Precisamente uno de los problemas de dirigir una película es evitar reflejos indeseados, nadie quiere ver al cámara reflejado en una tetera. Alfred Hitchcock, el director de La Ventana Indiscreta, se lo tomó muy en serio y aprovechó el problema para convertirlo en una solución que añade verosimilitud a la película.

EL MUNDO DE LAS ABERRACIONES

A estas alturas del curso el estudiante tiene la libreta de notas repletas de ecuaciones que ligan posiciones, tamaños, distancias focales, aumentos y todo tipo de información. Es el momento de que el profesor revele la sucia verdad: nada de eso es realmente cierto. Los resultados obtenidos hasta este punto solamente son válidos si se cumplen ciertas condiciones, como la aproximación paraxial (ángulos pequeños entre rayos de luz y superficies ópticas), medios no dispersivos (la longitud de onda de la luz no influye en el resultado) y lentes delgadas. Cuando estas condiciones no se cumplen, que suele ser el caso, observamos diferencias llamadas aberraciones.

Ojo aquí con el lenguaje coloquial. Estamos acostumbrados a usar el término "aberración" en modo peyorativo, algo que no suele decirse a un amigo, pero en óptica una aberración es una desviación respecto a lo que deberíamos obtener en nuestro mundo de aproximaciones. Las aberraciones son las huellas del mundo real, aunque los instrumentos ópticos fabricados por el hombre tienden a evitarlos en lo posible.

Veamos algunos ejemplos, y en esto el cine nos sirve de mucha ayuda. Sigamos al capitán Jack Aubriey en Master and Commander, al Otro Lado del Mundo (2003). La fragata Surprise ha llegado por fin a su destino y los oficiales echan mano de sus catalejos para examinar la costa. Al contrario que en películas más antiguas, donde el uso de un catalejo o un telescopio se simula por medio de un cartón recortado, aquí sí que nos parece estar observando a través de un catalejo real: la imagen se ve distorsionada y borrosa en los bordes del campo de visión.

Existen diversos tipos de aberraciones, y tenemos ejemplos de película para algunos de ellos en Paycheck (2003). El protagonista sujeta verticalmente una lente y juguetea con ella. En un momento dado el espectador, situado en un ángulo elevado, puede ver cómo unos sellos con la efigie de Einstein aparecen deformados. Se trata de una escena corta pero útil porque nos permite ver la aberración llamada coma, que aparece cuando los rayos de luz forman ángulos pronunciados con las superficies ópticas.

Poco después el protagonista sujeta la lente de forma más convencional. La imagen de nuestro admirado Albert mejora, pero aparece una nueva aberración, fruto de la cual el sello deja de parecer rectangular. Se trata de la distorsión, que sucede cuando el aumento lateral varía con la distancia al eje óptico. En este caso particular tenemos la conocida como distorsión en corsé, donde parece como si alguien tirase del sello desde sus cuatro esquinas.

Existe otra distorsión opuesta, en la que un objeto rectangular parece convertirse en un barril, y de hecho se llama distorsión en barril. ¿Recuerdan la película Sherlock Holmes (2009)? En un momento dado aparece la imagen de Sherlock a través de una lente, y podemos observar claramente cómo la imagen de nuestro detective favorito está fuertemente deformada en forma de distorsión en barril. Paycheck (2003) incluye asimismo una reflexión en la tapa de un azucarero, donde las líneas curvas formadas por la imagen del ventanal de entrada nos proporcionan un ejemplo de distorsión en barril prácticamente de libro.

Aberraciones en corsé (izquierda) y en barril (derecha)

El uso de espejos también permite eliminar la aberración cromática, que se da cuando el índice de refracción depende de la longitud de la onda incidente, en cuyo caso la luz azul se desvía de forma diferente que la roja, y un observador ve una imagen irisada y algo borrosa. En el apartado positivo, el hecho de que el agua muestre este comportamiento nos permite disfrutar de fenómenos tan hermosos como los arcoíris.

En un intento por minimizar el efecto de las aberraciones, los constructores de instrumentos ópticos recurren a diversos trucos. Uno de ellos consiste en el uso de varias lentes superpuestas. Escogiendo cuidadosamente sus índices de refracción y la curvatura de sus superficies se pueden obtener imágenes casi perfectas. Los compradores de instrumentos ópticos tienden a pensar "¿para qué dos o tres lentes cuando basta con una?" creyendo que lo único importante es la distancia focal. Es importante, sí, pero no es suficiente.

Los reflejos indeseados en las superficies de las lentes constituyen uno de los efectos más indeseados en fotografía. Esto resulta especialmente perjudicial en instrumentos como teleobjetivos o microscopios, donde los sistemas ópticos están formados por varias lentes, pero incluso en el caso de una sola lente representa un problema. Una fotografía o filmación puede verse arruinada por un reflejo de lente, que crea un destello de luz o un esbozo de imagen.

¿Un OVNI junto al Etna? No, tan sólo una reflexión en una superficie interna del objetivo

Sólo conozco dos casos en que los reflejos de lente (conocidos en inglés como lens flare) son una buena idea: si trabajas en programas de esoterismo como Cuarto Milenio, o si realmente quieres hacer creer al espectador que ha habido un reflejo de lente inexistente. Ahora puede resultar chocante, pero en los inicios de los efectos especiales generados por ordenador introducir un reflejo de lente daba mayor grado de verosimilitud a la imagen. Estoy pensando, por ejemplo, en la serie de ciencia ficción Babylon 5. Creada a mediados de los años noventa, los efectos especiales que usaba pueden resultar pueriles medidos con los cánones actuales, pero en su momento supusieron un hito. Algunas escenas, particularmente las que formaban la introducción, incluían ejemplos de reflejos de lente generados por ordenador.

También se han utilizado para crear un efecto visual deliberado. Ya en los años setenta Steven Spielberg se aprovechó de ello para dar mayor impacto visual a los ovnis de Encuentros en la Tercera Fase (1977), y también adornan otras películas como Parque Jurásico (1993) o Piratas del Caribe: el Cofre del Hombre Muerto (2006). En estos casos el objetivo es dar una impresión de realidad. Es asimismo uno de los recursos favoritos del formato "falso documental," en el que una película parece un reportaje grabado cámara en mano. En tales casos se añaden efectos tales como la cámara que se mueve, fallos en la iluminación y reflejos de lentes; todos simulados.

El reflejo de lente llegó a su culmen con el director J. J. Abrams, un verdadero entusiasta de esta técnica. Algunas de sus películas, como Super 8 (2011), Star Trek (2009) o Star Trek, en la Oscuridad (2013) incluyen este efecto de forma indiscriminada, como un chef de cocina que le echa cilantro a todo. El uso y abuso de los reflejos de lente provocó las iras de buena parte de la comunidad trekkie, hasta el punto de que el propio Abrams tuvo que pedir disculpas. Lo irónico del caso es que muchos de los reflejos de lente de Star Trek en la Oscuridad fueron reales, productos de una excesiva iluminación. Con ciento noventa millones de dólares de presupuesto, quién sabe cuánto se gastaron en bombillas.

FORMACIÓN DE IMÁGENES POR LENTES

El primer paso en la formación de imágenes consiste en examinar el comportamiento de los haces de luz cuando rebotan en una superficie especular (reflexión) o cuando pasan a otro medio distinto (refracción). En ese último caso lo habitual es considerar un objeto transparente limitado por dos superficies, y en ese caso tenemos una lente.

La llamada ecuación del constructor de lentes nos permite relacionar los parámetros del sistema (radio de las superficies esféricas e índices de refracción) para obtener la distancia focal, y conocida ésta resulta fácil obtener el tamaño y posición de la imagen conocidos los del objeto origen. El alumno de Física ha pasado por la agonía de tomar la ecuación y aplicarla a multitud de ejemplos en papel, pero esto es Física de Película, así que ¿por qué no buscamos ejemplos de cine?

Como decía Rick en Casablanca (1941), no será fácil pero todo puede arreglarse. Le sugiero que volvamos a la era napoleónica de Master and Commander, al otro Lado del Mundo (2003). Obsesionado por alcanzar la perfección, el capitán Jack Aubrey presiona a su tripulación para que mejore en el uso de la artillería. Mientras los cañones rugen una y otra vez, el médico de a bordo se encuentra en su cabina intentando estudiar sus especímenes. Es evidente que, a pesar de unos improvisados tapones para los oídos, el estruendo le impide concentrarse. Una lupa de naturalista, convenientemente situada entre él y nosotros, nos proporciona un buen ejemplo para el estudio de formación de imágenes, ya que podemos ver al mismo tiempo el objeto (en este caso, la cara del doctor) y su imagen debida a la lente.

Aunque no conocemos las distancias entre nosotros y la imagen, sí podemos medir el tamaño del objeto y de su imagen, en este caso más pequeña e invertida. A partir de esos datos, podemos determinar que la lente es de tipo convergente, y suponiendo conocida la distancia entre el doctor y la lente podemos determinar el aumento lateral de ésta, así como su distancia focal.

No es habitual obtener un buen ejemplo de película que nos permita medir y calcular imágenes. Algunas de las escenas de ese tipo que conozco están diseñadas para crear un efecto cómico, como cuando la lente de una lupa se sitúa de forma tal que el ojo del protagonista aparece de un enorme tamaño. Este cliché es aprovechado en la disparatada comedia Top Secret (1984), donde una persona examina un libro gracias a una lupa. Un ojo de gran tamaño nos mira a través de esa lupa, pero cuando ésta se retira descubrimos que no estamos viendo una imagen sino un enorme ojo real.

Ya que hablamos de ojos, es el momento de fastidiar la ilusión que pueda quedarle a usted sobre eso de ser invisible. Hemos visto ejemplos de película en las que un compuesto bebible o inyectable otorga el don de la invisibilidad. Esencialmente, el cuerpo se convierte en transparente, lo que implica que su índice de refracción se hace igual al del medio en el que se encuentre. El problema es que si podemos ver es precisamente porque tenemos un sistema óptico de captación de luz con elementos ópticamente diferentes. Dentro del ojo una lente llamada cristalino refracta los rayos de luz, los envía por un medio líquido similar al agua y los concentra en la retina.

¿Pero qué pasa si todos esos medios fuesen ópticamente idénticos? Pues que no habría refracción ni concentración de rayos. La luz atravesaría intacta el ojo del hombre invisible, con lo que éste no podría ver. A menos que esté usted dispuesto a ir por ahí palpando, o que tenga algún tipo de sentido hiperdesarrollado a estilo Daredevil, le va a costar acostumbrarse a la invisibilidad. Se trata de un regalo de doble filo: los demás no pueden verle, pero usted a ellos tampoco.

TELESCOPIOS

Un teleobjetivo, como el de nuestro amigo el fotógrafo de La Ventana Indiscreta, es básicamente un telescopio, un objeto capaz de acercar un objeto. Más correctamente, crea una imagen que subtiende un ángulo mayor, lo que significa que nos parece más cercano. Esto puede hacerse de dos formas: mediante lentes (telescopio refractor) o mediante espejos (telescopio reflector).

Los primeros telescopios, como los usados por Galileo, fueron de tipo refractor, basados en lentes de materiales transparentes. Con el paso del tiempo se fueron haciendo cada vez más grandes, lo que permitió observar objetos de brillo más y más débil. Este desarrollo tuvo su apogeo en el siglo XIX, hasta que su tamaño hizo inviable su ulterior perfeccionamiento. Los mayores refractores jamás construidos tenían una lente de poco más de un metro de diámetro. Lentes mayores serían tan pesadas que se deformarían bajo su propio peso, y además las lentes sufren de aberración cromática.

Por eso los grandes telescopios de observación actuales son reflectores, con espejos cuyo diámetro llega a los diez metros. Esos gigantescos instrumentos carecen de aberraciones como la cromática. Como inconveniente podemos citar que los espejos utilizados en estos instrumentos no pueden esféricos. Sí, la aproximación paraxial dice que para concentrar un haz de rayos paralelos (como los procedentes de una estrella lejana) es necesario un espejo esférico, pero eso es solamente una aproximación. En realidad, el espejo capaz de hacer eso ha de tener una superficie parabólica, no esférica. Es preciso por tanto que el espejo de un telescopio reflector tenga superficie parabólica, lo que complica mucho las tareas de pulido. Los telescopios de los grandes observatorios pueden incluso deformarse de forma controlada para compensar la deformación debido a su propio peso.

¿Tenemos ejemplos de película? Lo cierto es que sí, pero no son muy buenos. Un gran telescopio, sea reflector o refractor, es un instrumento con un gran tubo cerrado o una estructura que lo hace parecer una grúa, y por lo general no suele lucir bien en pantalla. Si quieren ejemplos, tenemos Gravity (2013), que nos muestra el telescopio espacial Hubble (un reflector), aunque no se aprecian muchos detalles del interior.

En Tierra puedo citarles Deep Impact (1998) y Armageddon (1998). Ambas películas tienen una temática parecida, y comienzan con el descubrimiento de un asteroide por parte de astrónomos aficionados. Puede ser un buen momento para explicarle a usted que el descubridor de un cometa o asteroide tiene el privilegio de ponerle nombre. La elección del astrónomo aficionado de Armageddon es particularmente llamativa: "quiero llamarle Dottie, como mi mujer: es una cruel y detestable arpía de la que no hay escapatoria." Qué romántico.

Paradójicamente, uno de los observatorios más famosos del cine no contiene un telescopio reflector sino refractor, y además obsoleto. Se trata del observatorio Griffith, en Los Ángeles, que desde su apertura en 1935 cuenta con un telescopio refractor de 40 cm de apertura abierto al público. En realidad Griffith no es el típico observatorio astronómico lejos de la civilización y operado por instituciones de investigación; al contrario, funciona como parque científico divulgativo, lo que incluye planetario y exhibiciones.

Situado en pleno condado de Los Ángeles y apenas a un kilómetro de distancia del célebre cartel Hollywood, la ubicación del planetario Griffith lo invalida como lugar para observación astronómica de alto nivel; por ese mismo motivo es un lugar ideal para observar la ciudad. No es de extrañar, por tanto, que se haya convertido en un lugar emblemático de la ciudad, y eso se ha reflejado en el cine. Una película sobre Nueva York ha de incluir el Empire State Building, San Francisco tiene su famoso puente Golden Gate, y Los Ángeles no es Los Ángeles si en la película no aparece el observatorio Griffith.

Algunas de las escenas más recordadas de Rebelde sin Causa (1955) tienen lugar en el planetario Griffith. Allí fue donde apareció el cyborg procedente del futuro para asesinar a los Connor en Terminator (1984) y en el reboot Terminator Genisys (2016); allí la chica fue retenida por el malo en la comedia Dos Sabuesos Despistados (1987); y allí se combinaron las fuerzas combinadas del FBI y la Mafia para luchar contra los nazis en Rocketeer (1991).

Eso por no hablar de gran cantidad de series televisivas que han aprovechado el observatorio en alguno de sus episodios, incluyendo el episodio piloto de la serie McGyver, donde el famoso agente ya apunta maneras: no solamente vive en el observatorio, sino que la primera escena nos lo muestra observando el cielo en pleno día ¡y con nubes! Con un par (de telescopios), sí señor.

Griffith es, sin duda alguna, uno de los observatorios astronómicos más fotogénicos de la historia, quizá sólo superado por el telescopio espacial Hubble, pero no tenemos que irnos a un gran observatorio para ver un telescopio. La astronomía es una afición que comparten aficionados de todas parte del mundo, y existen instrumentos astronómicos para cubrir sus necesidades. Eso sí, cualquier astrónomo aficionado sabe que es necesario un cielo limpio y una ubicación alejada de luces, así que no se crea esas películas donde alguien aparece observando las estrellas por la ventana o en la azotea de su piso en la gran ciudad. Incluso en The Big Bang Theory han reproducido este cliché erróneo.

Felizmente tengo un buen ejemplo para usted: Deep Impact (1998). Esta película, como mencioné antes, tiene una temática muy similar a Armageddon (1998), pero además cuenta con dos puntos a su favor: una fuerte carga científica y a Morgan Freeman haciendo de presiente de EEUU. Ciertamente Deep Impact también tiene fallos, pero se nota un intento por "poner bien la ciencia." La escena inicial incluye una salida al campo para que un grupo de estudiantes de un colegio pueda observar las estrellas. No hay apenas luces que les puedan estropear la observación, salvo quizá por las linternas que usan para ver sus mapas estelares (un consejo de astrónomo aficionado, chicos: cubridlas con celofán rojo).

A pesar de la escasa luz ambiental podemos apreciar que los chavales utilizan dos tipos de instrumentos: telescopios reflectores y refractores. Los refractores no se usan ya en estudios de astronomía profesional pero resultan inmejorables para observación de planetas o astrofotografía, y el motivo es que su tubo cerrado evita las turbulencias del aire en su interior. En cierto modo son como los típicos catalejos de observación que muchos personajes de película tienen en la ventana, supuestamente para observación de pájaros pero en la práctica apuntados al apartamento del vecino en plan cotilla.

Algunos de los chavales de Deep Impact, como la chica protagonista, usan refractores; otros, como el futuro descubridor del asteroide asesino, se deciden por un telescopio reflector. Quienes no estén familiarizados con el instrumental de observación astronómica se sorprenderán de que el chico no ponga el ojo en el extremo posterior del telescopio, sino a un lado y cerca de la parte abierta. Se trata de uno de los muchos tipos de telescopio reflector, el llamado newtoniano, en el que un espejo secundario plano desvía los haces de luz para que éstos salgan por un lateral. Los telescopios newtonianos tienen la ventaja de que, para la misma apertura (lo que implica la misma capacidad de captación de luz) resultan mucho más económicos.

Telescopio reflector newtoniano (arriba) y telescopio refractor (abajo)

Lo mejor de los dos mundos se llama Cassegrain (o Schmidt-Cassegrain): combina un tubo cerrado más corto que el de un refractor equivalente, puede fabricarse con grandes aperturas, y al basarse en un espejo evita las aberraciones. Eso sí, todo eso repercute en el precio y no todos los bolsillos pueden permitírselo; por si acaso, ya sabe usted lo que quiero como regalo de cumpleaños.

LÁSERES Y COHERENCIA

La idea de que la luz está formada por partículas se conoce con el nombre de óptica corpuscular. Permite estudiar la forma en que los rayos de luz rebotan y se desvían, y el hecho de que se utilicen técnicas sencillas de geometría hace que reciba también el nombre de óptica geométrica. La luz, sin embargo, es una onda electromagnética, y como tal onda puede presentar fenómenos ondulatorios como interferencia, difracción o polarización. Suponer que la luz está formada por ondas permite explicar tales fenómenos, y con eso abrimos el apartado de óptica ondulatoria.

Por cierto, en los libros es habitual leer el término de "óptica física." Yo me niego a usarlo, porque parece transmitir la idea de que la óptica corpuscular es algo matemático, y en mi opinión tan física es la una como la otra. De hecho, el principal valedor de la óptica corpuscular fue Isaac Newton, el físico estrella de todos los tiempos (ahora que herr Einstein no mira), así que ¿cómo va a su óptica a ser menos "física" que la otra? Un respeto, por favor.

No es fácil encontrar ejemplos de óptica ondulatoria en el cine, pero algo puede hacerse. Comencemos con un buen disparo láser. Un haz de luz natural está formado por ondas diferentes en frecuencia y fase. Sería como un conjunto de personas caminando por la acera: todos van en la misma dirección general, pero cada uno va a su propio aire, con distinto paso y zancada. Imaginemos que los entrenamos a todos para que caminen a la misma velocidad, con el mismo paso y de modo coordinado. Ahora hemos pasado a tener una formación militar perfectamente sincronizada. Cuando hacemos eso con la luz, es decir, cuando todas las onda de luz coinciden en frecuencia y fase tenemos lo que se llama luz coherente monocromática. Un ejemplo es el láser, que vemos tanto en la caja del supermercado como en el cine.

Bueno, realmente no en el cine. Lo que Hollywood nos muestra es algo más parecido a paquetes de plasma. Un rayo láser es, para empezar, invisible salvo que haya partículas que pueda iluminar en su camino. También se mueve muy rápido, a la velocidad de la luz nada menos. Ahora subamos al Halcón Milenario, y veremos algo muy distinto: rayos compactos, perfectamente visibles y lentos, como si se tratase de un caza de la Segunda Guerra Mundial esquivando balas trazadoras.

Buscando bien podemos encontrar algunos ejemplos de rayos láser correctamente representados. Ya vimos en el tema de gravitación cómo los chicos de The Big Bang Theory disparaban láseres a la Luna (en modo aturdir, por supuesto), así que ahora nos vamos de Pasadena al Congo, concretamente a la película Congo (1995). En busca de diamantes legendarios, una expedición es atacada y acorralada por una horda de simios asesinos. La jefa de la expedición no se arredra e improvisa un rayo de la muerte que no solamente pone a los atacantes en la lista de especies extinguidas sino que también revienta un satélite a miles de kilómetros de distancia.

En Escuela de Genios (1985) un grupo de jóvenes cerebritos trabaja en la construcción de un láser de alta potencia. El rayo en sí es visible gracias a que la gente de efectos especiales inyectó algo de humo en la habitación. La película muestra su construcción y uso de forma muy realista, y de hecho se utilizaron dos láseres auténticos, con tecnología cedida por la Universidad del Sur de California.  Por si aún no le he convencido, ¿en qué otra película podemos ver un láser militar experimental aerotransportado calentando una tonelada de palomitas de maíz de un solo disparo?

El agente 007 también usó la tecnología láser en diversas ocasiones, cortesía de Q y su departamento de ingeniería milagrosa. También se vio en el otro extremo del cañón. En una mítica escena de James Bond contra Goldfinger (1964), el agente británico se encuentra atado a una mesa mientras un láser industrial de alta potencia se acerca hacia él para partirlo en dos. La pregunta de Bond "¿espera usted que hable?" tiene una genial réplica por parte de Goldfinger "no señor Bond, espero que muera." En el episodio de Los Simpson Sólo se Muda dos Veces (8x02) se recrean varias escenas de películas de 007, entre otras la del láser, aunque en este caso el supervillano Scorpio añade una nueva coletilla "... y [espero] que su funeral sea barato."

Años después, Bond se enfrentó de nuevo con un láser industrial en la película Muere otro Día (2002). También aparecen armas láser en otras películas de 007 como Diamantes para la Eternidad (1971), Moonraker (1979) y Goldeneye (1995). Y es que los láseres molan como arma. Pregúntele al Doctor Maligno, supervillano sin par en la saga de películas-parodia Austin Powers. El enorme Tiburón es un esbirro en dos películas de la serie 007, pero el Doctor Maligno se muere por tener un ejército de tiburones auténticos con láseres en la cabeza. Un esbirro no puede sino querer a un jefe así.

HOLOGRAMAS

El descubrimiento de la luz láser ha permitido el desarrollo de la holografía, donde se juega con la naturaleza ondulatoria de la luz para imprimir un patrón que, al ser iluminado, muestra una imagen tridimensional. En la actualidad los hologramas son muy usados como elementos de seguridad. Esa especie de pegatinas metálicas coloreadas que se incrustan en los billetes o las tarjetas de crédito no están ahí sólo para hacer bonito, sino que ayudan a evitar la falsificación. La idea es que el billete es auténtico si la ventana plateada muestra números que aparecen o desaparecen según sea su orientación respecto a la luz que la ilumina.

Quizá le divierta saber que tiene usted hologramas en su cartera, sobre todo porque, en ciencia ficción, holograma es sinónimo de comunicación ultramoderna. Uno de los ejemplos más famosos aparece en la primera película de la serie Star Wars, La Guerra de las Galaxias (1977). El granjero Luke Skywalker se dedica a arreglar un androide recién comprado cuando, sin aviso previo, aparece un mensaje holográfico de una princesa pidiendo ayuda. Asimismo, cuando el complejo de investigación secreto de La Colmena se llena de zombis en Resident Evil (2002), el ordenador central se comunica con el equipo de rescate por medio de una figura holográfica.

Tony Stark ha convertido su trabajo en una alegría constante debido, entre otras cosas, al uso de un entorno laboral holográfico en Iron Man (2008). El uso de superficies holográficas como sustitutos de pantallas de proyección o teclados es una constante en las películas de ciencia-ficción, con ejemplos como Minority Report (2002), Paycheck (2003) o Avatar (2009). En Yo, Robot (2004), el detective Spooner es ayudado en su investigación de asesinato por un holograma de la propia víctima.

Los ejemplos anteriores incluyen hologramas de baja calidad, que no engañan a nadie y dejan bien clara su naturaleza. Quien sí resultó engañado fue el guardia de la prisión donde Lex Luthor cumplía condena en Superman II (1980). Para evitar que su fuga fuese descubierta, la malvada mente criminal de nuestra era convirtió su celda en una gran sala de proyección holográfica, con tal perfección técnica que era imposible notar la diferencia. En este punto los aficionados trekkies recordarán la holocubierta de la USS Enterprise (Star Trek la Nueva Generación, por supuesto), donde se puede recrear todo tipo de escenarios mediante proyecciones holográficas.

Como medio para engañar al enemigo, nada mejor que un holograma tridimensional realista, como bien sabe el protagonistas de Desafío Total (1990) para engañar a sus atacantes y dispararles por la espalda. En un momento dato, una de sus imágenes holográficas se enfrenta a tres soldados. La imagen ríe y pregunta "¿creéis que soy el verdadero Quaid?" Los atacantes, que creen haber caído en una trampa, miran a sus espaldas, y en ese momento el "holograma" comienza a disparar. Muy distinto es el holograma-entrenador de tenis usado por su "esposa" (si ha visto la película, entenderá las comillas). Serpiente Plissken tiene otro dispositivo similar en 2013: Rescate en L.A. (1996), aunque lo usa contra sus supuestos aliados, de los que no se fía un pelo. No se lo censuro.

INTERFERENCIA EN LÁMINAS DELGADAS

Imaginemos que un haz de luz incide sobre una burbuja de jabón. En la superficie exterior se produce un reflejo y en la superficie interior otro. Ambas ondas reflejadas tenderán a interferirse, es decir, a combinarse. La interferencia puede ser constructiva (las ondas se refuerzan mutuamente) o destructiva (las ondas tienden a anularse), dependiendo del desfase de ambas ondas, o lo que viene a ser lo mismo, de la relación entre el grosor de la burbuja y la longitud de la onda. Si tenemos luz incidente blanca, algunos colores se verán con mayor intensidad (porque corresponderán a ondas que hacen interferencia constructiva) y otros apenas serán visibles (caso de interferencia destructiva).

Interferencia en lámina delgada. Las ondas se refuerzan (izquierda) o se anulan (derecha) dependiendo de la longitud de onda y del grosor de la lámina

Este fenómeno es fácilmente visible en burbujas porque su grosor es muy pequeño, del orden de la longitud de onda en luz visible. Quizá haya usted visto que un charco muestra una bonita coloración irisada en una gasolinera. Eso se debe a que el agua está cubierta por una fina capa de hidrocarburos, y ese es precisamente el efecto que aparece en la película de James Bond El Mundo Nunca es Suficiente (1999). Al aparecer los títulos de crédito iniciales, con un fondo de chicas Bond silueteadas, suele introducirse algún tipo de efecto especial relacionado con la temática de la película. En este caso se trata de luchas por el poder relacionadas con el petróleo, así que los chicos de efectos especiales recrearon el efecto iridiscente de una fina capa de gasolina.

La interferencia en láminas delgadas se utiliza también en instrumentos ópticos. ¿Recuerda usted al fotógrafo fisgón de La Ventana Indiscreta (1954)? La lente exterior de su teleobjetivo refleja la luz del edificio de enfrente. Eso no es buena idea porque introduce imágenes espurias, y en el caso de instrumentos astronómicos refleja una parte de la ya débil luz incidente. Esos reflejos se pueden eliminar, o al menos se pueden reducir sus efectos, recubriendo las lentes con una fina lámina transparente de un grosor tal que elimine la mayoría de los reflejos por medio de la interferencia destructiva. Podrá usted reconocer cámaras o prismáticos con este recubrimiento porque los reflejos que muestran sus lentes son de un débil color violeta (lo que significa que se ha eliminado el reflejo de los demás colores); ah, y también por el elevado precio.

DIFRACCIÓN E INTERFEROMETRÍA

Las ondas electromagnéticas interfieren entre sí, y las de luz no son una excepción, como acabamos de ver. Dos rayos de luz que pasen por sendas aberturas producen un patrón de interferencia con zonas iluminadas y oscuras, pero también la luz que atraviesa una sola abertura muestra fenómenos similares en la forma de una serie de anillos iluminados y oscuros. Tampoco un obstáculo rectangular producirá una sombra rectangular sino que tendrá regiones iluminadas y oscuras en su borde. A este fenómeno se le conoce como difracción.

Uno de los motivos para construir telescopios de gran abertura es captar el mayor número de fotones de luz; otro es minimizar los efectos de la difracción. Dos fuente puntuales que parezcan estar muy cerca entre sí (digamos dos estrellas lejanas) producirán dos patrones de difracción tan cercanos que se superpondrán, de forma que no podremos distinguirlos. Incrementar el aumento de la imagen no nos dará más detalle, del mismo modo que mirar una fotografía granulosa bajo un microscopio solamente nos hará ver borrones más gordos.

Según el criterio de resolución de Rayleigh, el ángulo mínimo de separación que deben tener dos fuentes puntuales para que podamos resolverlas es proporcional al cociente λ/D, donde λ es la longitud de la onda y D el diámetro del instrumento de medida. Al aumentar D en un telescopio, podemos ver el cielo con mayor detalle.

Como las ondas de radio tienen una longitud mucho mayor que las onda de luz, la resolución que se puede alcanzar en radioastronomía es menor. Eso obligó a los radioastrónomos a construir enormes instrumentos de captación, como el radiotelescopio de Arecibo, un gigantesco plato de trescientos metros de largo. Este instrumento ha aparecido en el film de 007 Goldeneye (1995), haciendo de la típica base secreta del supervillano de turno. En Contact (1997), una científica utiliza diversos radiotelescopios para buscar señales extraterrestres, y uno de ellos es precisamente el instrumento de Arecibo. Y si no recuerdo mal, también el agente Mulder de la serie Expediente X acabó allí buscando evidencias de vida extraterrestre.

El tamaño de una antena parabólica no puede incrementarse indefinidamente, pero los astrónomos pronto descubrieron una forma alternativa de aumentar la resolución de sus imágenes: en lugar de construir un gran plato parabólico de diámetro D, construyamos varios más pequeños y separémoslos una distancia D. Combinando las señales de todos los instrumentos se consigue una imagen con una resolución equivalente a la de una antena mucho mayor.

Uno de los radioobservatorios más famosos en el cine funciona bajo este principio de interferometría. Se conoce como VLA (Very Large Array), y ha aparecido en diversas películas como 2010 Odisea Dos (1984) o Independence Day (1996). En este último caso se utilizaba para captar señas de radio procedentes de inteligencias extraterrestres. Es una estructura tan reconocible que en películas como Terminator Salvation (2009) o Los Vengadores (2012) aparece una imitación del VLA (el espectador atento puede notar que no se trata del original).

El VLA es también uno de los escenarios principales de la película Contact (1997). La científica Ellen Arroway usa las instalaciones para buscar señales de radio con origen inteligente, y en una escena determinada mueve algunas de sus 27 antenas parabólicas para apuntar a una estrella. Si bien el VLA no se utiliza para esas tareas, esa escena nos permite introducir el concepto de interferometría de larga base.

Podemos hacer algunos números. Supongamos que solamente tenemos una de las antenas del VLA, de 25 metros de anchura, para observar en longitud de onda de 7 mm, correspondiente a las microondas. El criterio de resolución de Rayleigh nos dice que el ángulo mínimo para el que podemos ver dos fuentes diferenciadas viene dada por la fórmula Sen θ=1,22*λ/D, que en este caso arroja un valor de θ=70 segundos de arco. Para que se haga usted una idea, esa es la separación aproximada de los faros de un automóvil a una distancia de cinco kilómetros.

Podemos hacerlo mejor si consideramos que las antenas del VLA pueden formar una distribución de hasta 36 kilómetros de tamaño. La resolución se hace mil veces menor, lo que nos permitiría no solamente ver los faros de nuestro automóvil sino distinguir las rayaduras en su superficie. De ese modo el VLA consigue alcanzar un nivel de detalle similar al de un telescopio óptico de un metro de apertura.

Lo mejor es que las antenas de un sistema como ese ni siquiera tienen que estar en la misma región. Tenemos así la interferometría de muy larga línea base o VLBI (Very Large Baseline Interferometry). La red VLBA de Estados Unidos combina radiotelescopios separados casi diez mil kilómetros, desde Nueva Inglaterra hasta Hawai. Un satélite japonés llamado HALCA hizo pruebas de radioastronomía interferométrica desde una órbita a 21.000 kilómetros de la Tierra. El cielo es aquí, de forma bastante literal, el límite.

POLARIZACIÓN

Imaginemos que sujetamos una cuerda por un extremo y que el otro está atado a la pared. Movemos la mano que sujeta la cuerda arriba y abajo, y aparece una onda transversal en la cuerda. Si lo hacemos bien, esa ondulación forma un plano vertical. Si, por el contrario, vamos variando la dirección en que movemos la cuerda (ahora hacia arriba, ahora hacia la derecha, ahora en ángulo), el ángulo que forma la cuerda no irá variando de orientación.

Algo parecido puede suceder para las ondas electromagnéticas. Una onda, como la representada por un haz de luz, es el resultado de gran número de oscilaciones, y cada una de ellas es una vibración del campo eléctrico a lo largo de un plano distinto; es la llamada luz natural. En ocasiones se pueden combinar las vibraciones de forma que todas ellas estén contenidas en un mismo plano, y entonces tenemos luz polarizada.

Existen diversos modos de polarizar la luz. Hay materiales que absorben y transmiten la luz de forma distinta dependiendo de su grado de polarización. En otros casos la polarización se produce por reflexión. Un haz de luz que incida sobre la superficie de un lago se reflejará en parte, pero esa luz reflejada estará polarizada. Una de las aplicaciones de estos materiales es precisamente eliminar los reflejos en superficies. Un pescador, por ejemplo, estará interesado en ver qué hay dentro del agua, pero la luz que procede de ella llegará a sus ojos combinada con la luz del sol reflejada en la superficie. Unas gafas con cristales polarizadores pueden bloquear esa luz reflejada, con lo que se podrá ver mejor los peces que hay en el agua.

Las gafas polarizadoras son algo habitual hoy día, y por supuesto no podían dejar de formar parte del equipamiento estándar para agentes secretos. Tenemos un buen ejemplo de cine en Panorama para Matar (1985). James Bond se encuentra en la típica fiesta organizada por el anfitrión, que no por casualidad es el villano de la historia. Éste se encuentra conferenciando con una misteriosa joven, y nuestro agente no quiere perdérselo, así que recurre al viejo truco de mirar por la ventana. La imagen es confusa debido a los reflejos del cristal, pero un toque a sus gafas polarizadoras y el reflejo desaparece, dejando entrever... y aquí entra la alerta spoiler, así que lo dejo en suspenso.

EJEMPLO DE PELÍCULA: VIGILANCIA DESDE EL CIELO

Los grandes telescopios con base en tierra suelen estar limitados por las condiciones de la atmósfera terrestre (nubes, aerosoles, turbulencia), pero los ubicados en el espacio solamente están condicionados por el criterio de Rayleigh. Eso es algo que hay que tener en cuenta en el cine, donde suelen aparecer satélites de espionaje (observación y vigilancia, los llaman ahora) que supuestamente obtienen imágenes de una resolución extraordinaria.

Bienvenidos a Enemigo Público (1998), un thriller donde los buenos de la película son observados desde el cielo por la habitual agencia gubernamental de tres letras. Nuestros hombres de negro disponen de un telescopio de un metro de apertura girando por encima de la superficie y explorando en una longitud de onda en el visible de unos 600 nanómetros. El criterio de Rayleigh nos permite distinguir objetos de un tamaño mínimo igual a x=1,22Rλ/D, donde R es la distancia del satélite a su objetivo. En la película nos dicen que esta cantidad es igual a 250 kilómetros. Sustituimos y nos sale x=18 centímetros.

Eso quiere decir que no podremos apreciar detalles de menos de 18 centímetros, insuficiente para ver una persona más que como una mota borrosa. Sin embargo, en Enemigo Público hay una escena en la que los dos protagonistas son espiados por satélite ubicado justo encima, y podemos apreciar hasta las orejas de uno de ellos. Es evidente que algo falla aquí. Un satélite mejor equipado podría orbitar más cerca de la superficie (100 kilómetros) y usar un telescopio más grande (2 metros), lo nos daría una resolución de unos cuatro centímetros. O, tratándose de una agencia de presupuesto multimillonario, bien podrían echar mano de la interferometría. ¿Qué tal un satélite con dos telescopios separados por varios metros? En tal caso, sí que podríamos alcanzar niveles de resolución capaces de identificar a una persona.

Eso sí, aún quedan algunos problemas por resolver. El primero es que un satélite en órbita baja solamente pasa unos minutos sobre su objetivo, de modo que para poder observar una zona determinada de la Tierra tendremos que esperar a que pase por allí, o bien habrá que invadir el cielo con una enorme flota de satélites. En segundo lugar, la calidad de la imagen se verá muy degradada por la atmósfera terrestre, con lo que el criterio de Rayleigh no será alcanzado en la práctica (hay técnicas para reducir este efecto, pero no entraremos aquí en detalles). Por ese motivo olvídese de tomar imágenes oblicuas, ya que el espesor de la atmósfera impediría apreciar detalles.

Tendríamos que confiar en que el blanco mire hacia arriba, cosa que en la película nadie hace. Al contrario, un operario del satélite se fija en que su presa jamás alza la vista: "es listo," dice. Dos de los ingenieros comienzan a chulear entre ellos:

"Qué limitado, ¿no?

Tal vez puedas diseñar tú otro

Quizá lo haga, idiota"

O tal vez deberían volver ambos a clase de óptica ondulatoria. Sin falta.

13 - FÍSICA MODERNA

- Es el tío de la silla de ruedas que inventó el tiempo

(Penny en alusión a Stephen Hawking)

LAS POSIBILIDADES DE LA FÍSICA ACTUAL

El término "Física Moderna" es una especie de cajón de sastre donde se incluyen temas como Mecánica Cuántica y Relatividad. Teniendo en cuenta que ambas disciplinas fueron desarrolladas hace un siglo, decir que son física moderna suena un poco como llamar "nuevas tecnologías" al ordenador personal. Imagino que el término se popularizó en su momento y ahora seguimos usándolo por pura inercia. Total, también el "Pont Neuf" (Puente Nuevo) de París fue "nuevo" cuando lo construyeron hace ya cuatro siglos.

Con todo, el nombre de Física Moderna es en cierto modo válido. En estos cien años, tanto la Mecánica Cuántica como la Relatividad han pasado a formar parte integral de nuestra vida en aplicaciones que damos por sentadas, sea el efecto fotoeléctrico, el GPS o los circuitos integrados. Lejos de ser ramas de la Física perfectamente conocidas, ambas permanecen en constante desarrollo, y todo sugiere que ese estado de cosas va a continuar durante mucho tiempo.

Como profesor soy consciente de que la parte de Física Moderna  comprende temas muy complejos, tanto técnicamente como desde el punto de vista lógico. No se trata tan sólo de que la ecuación de Schrödinger o las de la Relatividad sean difíciles de manejar, es que conceptos como simultaneidad o causalidad saltan por la ventana. ¿Cómo entender que un gato puede estar vivo y muerto a la vez, o que las partículas pueden aparecer y desaparecer sin más? Quizá sea mejor dedicar el tiempo de clase a dejar claro el principio de conservación de la energía o la relación entre campos eléctricos y magnéticos.

Pues será más sensato, pero mola menos. Pocas películas tiene como tema fundamental la conservación del momento angular o la formación de imágenes por lentes delgadas; pero la Física Moderna contiene todos los elementos para hacer grandes historias. ¿Universos paralelos? ¿Viajes en el tiempo? ¿Civilizaciones alienígenas? ¿Superhéroes con poderes mutantes? Busque alguna superproducción de ciencia ficción actual, y a ver cuántas encuentra usted que NO contengan elementos de Mecánica Cuántica, Relatividad o cualquier otro tipo de física exótica. O mejor, ahórrese el esfuerzo y siga leyendo. Salto en tres, dos, uno...

DUALIDAD

Durante tres siglos los físicos han debatido sobre la naturaleza de la luz. La hipótesis corpuscular de Newton postulaba que la luz se compone de partículas. Pronto se vio la imposibilidad de explicar fenómenos como la interferencia de ondas o la polarización, y a pesar de la influencia científica de Newton poco a poco fue afianzándose la hipótesis ondulatoria, según la cual la luz es una superposición de ondulaciones que hoy llamamos ondas electromagnéticas.

Sin embargo, resultó que tampoco la teoría ondulatoria de la luz proporcionaba todas las respuestas. En particular, hay un fenómeno llamado efecto fotoeléctrico que no podía explicarse mediante óptica ondulatoria. No fue hasta 1905 cuando Albert Einstein desarrolló una explicación satisfactoria, que finalmente le valdría el premio Nobel de Física, y que se basa en la hipótesis de que la energía luminosa está cuantizada, esto es, dividida en pequeños paquetes de luz llamados fotones.

Parecía que la teoría corpuscular de Newton, ya vieja y desacreditada, tenía algo de certeza después de todo, pero la teoría ondulatoria seguía siendo imprescindible para explicar el comportamiento de la luz. Más extraño aun, los experimentos puramente ondulatorios como el conocido efecto de doble rendija, también funcionaban con electrones. ¿Qué estaba pasando? ¿Acaso las partículas se comportan como ondas y las ondas como partículas, según les venga en gana?

En cierto modo, así es. Resulta que un sistema, sea onda o partícula, puede ser considerado como partícula si hacemos un experimento de física corpuscular o como onda si hacemos un experimento de física ondulatoria. Ponemos una doble rendija, y la luz se comporta como una onda; lanzamos fotones sobre una lámina para producir el efecto fotoeléctrico, y la luz se comporta como una partícula. Esta dualidad onda-corpúsculo se debe a Louis de Broglie, quien la sugirió en su tesis doctoral en 1924.

Sheldon Cooper hizo buen uso de esa dualidad. En La Aproximación de Einstein (3x14) intentó resolver el problema del paso de electrones en hojas de grafeno, un material de actualidad que cuenta con propiedades extraordinarias. Sus esfuerzos se vieron frustrados y le provocaron un serio bloqueo. Finalmente descubrió el camino a la solución: considerar que los electrones se mueven a través del grafeno como si fuesen ondas.

El efecto fotoeléctrico es parte habitual de nuestras vidas, ya que es el medio por el que funcionan las células fotoeléctricas que abren las puertas del supermercado y las del ascensor, pero hay otra interesante aplicación de la dualidad onda-corpúsculo. Un microscopio óptico está limitado por la longitud de la onda de luz que usemos para observar. La solución para ver más detalles sería reducir esa longitud de onda, pero en ese caso nos encontraríamos con luz ultravioleta, y esa no la podemos ver con nuestros ojos. Ahora bien, si las partículas también se comportan como ondas, se pueden usar electrones cuya longitud de onda asociada sea más pequeña que la de la luz, y construir un microscopio electrónico que proporcionará aumentos mucho mayores.

El cine, por desgracia, es algo parco en ejemplos de microscopios electrónicos, y la mayoría de ellos son recreaciones por ordenador más o menos fidedignas, aunque si les interesa ver cómo es uno de esos instrumentos le recomiendo ver La Amenaza de Andrómeda (1970), donde no solamente aparece uno de esos instrumentos sino que puede verse cómo los científicos preparan las muestras y lo ponen en funcionamiento, lo que da a la escena mayores visos de verosimilitud.

En el apartado negativo, Depredador 2 (1990) nos muestra una patóloga forense con acceso a todo tipo de instrumentos, incluido un supuesto microscopio electrónico. Normalmente una muestra de microscopía requiere que las muestras sean sometidas a una preparación previa, pero en este caso la patóloga se limita a poner un aparato metálico en un recipiente, aumenta la superficie, y la imagen aparece nítidamente casi de inmediato. Para empeorar las cosas la experta afirma que aumentará la imagen 150.000 veces, pero en la pantalla podemos leer que el aumento es de sólo 14.250. No se ofenda, doctora, pero creo que voy a pedir una segunda opinión.

RADIACTIVIDAD

Como sabemos desde tiempos de Einstein, la máxima velocidad posible en el Universo es la de la luz en el vacío. Imaginemos una partícula que se mueve en el agua. Si su velocidad es superior a la de la luz en el agua (que es inferior a la de la luz en el vacío), se produce una emisión de radiación electromagnética denominada radiación Cherenkov, una especie de onda de choque óptica. Este proceso se manifiesta en las piscinas de refrigeración de los reactores nucleares, donde los residuos radiactivos se almacenan para que pierdan parte de su energía. Las partículas alfa producto de la desintegración nuclear emiten radiación Cherenkov, que se manifiesta en la forma de un resplandor de luz azul.

Es posible que en alguna película se vea esa radiación azulada, como por ejemplo el azulado doctor Manhattan en Watchmen (2009), pero lo habitual es que Hollywood nos muestre materiales radiactivos emitiendo luz verde brillante. El motivo puede ser que, durante mucho tiempo, los relojes y otros instrumentos tenían elementos fosforescentes que brillaban en la oscuridad con color verde, o quizá se imitó a las criaturas bioluminiscentes que brillan con luz verdosa. Puede que el culpable de popularizar este cliché sea el Increíble Hulk, quien consiguió sus poderes tras una exposición accidenta a la radiación gamma. Al parecer la elección de color no fue deliberada. Dice la leyenda que las primeras versiones del cómic presentaban un Hulk (entonces llamado La Masa) de color gris, y debido a problemas con la calidad de la impresión se decidió cambiarlo a verde.

Cualquiera que haya sido el motivo, es norma fija en Hollywood que las sustancias radiactivas han de brillar con un tono verde claro. Tenemos más ejemplos de los que puedo enumerar. El póster promocional de Alien el Octavo Pasajero (1979) muestra un huevo alienígena brillando con un verde intenso. Los borg, enemigos de la Federación en Star Trek, tiene un resplandor verde.

No podemos olvidarnos del talón de Aquiles de Superman, la kriptonita. Todo buen aficionado sabe que existe en diversos colores, pero es la kriptonita verde la que le resulta mortal. Se trató de una treta para animar las historias del hombre de acero, ya que al ser invulnerable sus aventuras acababan resultando bastante aburridas. Prácticamente todas las apariciones de superman han acabado mostrando la kriptonita, desde los antiguos seriales radiofónicos de los años cuarenta hasta Batman vs Superman, el Amanecer de la Justicia (2016). Hace poco, un grupo de alumnos me preguntaron quién ganaría en un enfrentamiento Superman vs. Iron Man. Les dije que el hombre de hierro no tenía nada que hacer por motivos de pura física, y al parecer no les satisfizo mi respuesta. Acabaron echando mano del argumento supremo: vale, pero si Tony Stark usa kriptonita...

En un apartado sobre radiactividad verdosa no podemos olvidar a Homer Simpson, desastroso trabajador de una central nuclear donde los residuos radiactivos rezuman por todas partes brillando en verde intenso. En el episodio Expedientes Springfield (8x10), una criatura verde fosforescente asusta a los habitantes de la ciudad, lo que obliga a intervenir a los agentes Mulder y Scully del FBI (protagonistas de la famosa serie televisiva Expediente X, que se emitía en la misma cadena que Los Simpson). El misterioso ser, confundido al principio con un extraterrestre, resulta ser el señor Burns, propietario de la central nuclear.

Ese es uno de mis episodios favoritos de los Simpson, pero ni con mucho es el único en el que la radiactividad verde brillante ocupa un lugar protagonista. En el episodio Tres Hombres y una Historieta (2x21), Bart y sus amigos descubren por fin el origen de Radiactivo Man, su héroe favorito de cómic. Por algún motivo, el protagonista se engancha los pantalones en una alambrada justo cuando explota una bomba A en las cercanías, y no solamente sobrevive sino que se convierte en radiactivo. No hay constancia de que se vuelva verde, pero su origen recuerda mucho al del propio Hulk; al menos al de los cómics, porque la película Hulk (2003) le proporciona un origen distinto (sin bomba nuclear a la vista).

Varias temporadas después, en el episodio Radiactivo Man (7x02), Springfield se revoluciona ante la noticia de que la ciudad va a ser el escenario para rodar una película sobre el superhéroe. Comienzan las pruebas para escoger a su adlátere, un chaval conocido como Fision Boy, quien también recibió superpoderes como consecuencia de las radiaciones. En una escena de la película, un camión cae sobre el chico, y una máquina de rayos X proyecta un haz verdoso sobre su cabeza.

Homer Simpson trabaja en una central nuclear, así que son innumerables las escenas en las que aparecen residuos radiactivos de color verde brillante goteando por todas partes. Como ejemplo escogeré el episodio EEIEI (11x05), en el que Homer trabaja duro para intentar sacar rendimiento a una granja. Nada arraiga a pesar de sus esfuerzos, así que llama a un compañero de la central para pedirle una pequeña ayudita. Ésta llega al poco en la forma de plutonio líquido, por supuesto de color verde brillante. Homer lo usa para pulverizar el campo, y por la noche éste brilla con un resplandor que Marge califica como "siniestramente bello." El resultado no es lo que Homer esperaba, pero prefiero no estropearles la sorpresa.

EL GATO DE SCHRÖDINGER

Uno de las mascotas favoritas de los físicos cuánticos es el gato de Schrödinger. Bueno, es broma. En realidad ese felino no existe. Se utilizó como ejemplo para explicar ciertos aspectos de la mecánica cuántica.

Podría explicárselo con mis palabras, pero creo que Sheldon Cooper lo hará mejor que yo. Estamos en The Big Bang Theory, y en El Factor Mandarina (1x17) vemos a la hermosa vecina Penny hecha un mar de dudas. Leonard le ha pedido salir, pero ella teme que ello arruine su amistad. Sheldon, compañero de piso de Leonard, le ofrece un consejo: el gato de Schrödinger. Por supuesto, Penny no sabe nada acerca de ese gato, así que Sheldon se lo explica:

"En 1935 Erwin Schrödinger, para intentar explicar la interpretación de Copenhague de la Física Cuántica, propuso un experimento en el que a un gato se le metía en una caja con una ampolla de gas tóxico que se podía romper en cualquier momento. Y, puesto que nadie sabía si la ampolla se había roto o no antes de abrirse la caja, se consideró que el gato podría estar vivo o muerto."

Este experimento imaginario ilustra el hecho de que un sistema cuántico se encuentra en un estado indefinido, más bien en lo que los físicos llaman una superposición de estados. Mientras no se observe al gato, ni siquiera puede decirse si está vivo o muerto, algo así como una moneda lanzada al aire, que mientras no caiga no está de cara o de cruz. Solamente cuando se realiza una observación, la función de onda colapsa a un estado, que es una forma elegante de decir que el gato "escoge" estar vivo o muerto, una de dos. Sheldon concluye:

"Al igual que el gato de Schrödinger, tu presunta relación con Leonard ahora mismo puede considerarse fracasada o con éxito, y solamente abriendo la caja averiguarás lo que ocurre."

Algunos físicos pueden enarcar la ceja ante la analogía, y en pureza pueden hacerlo, ya que el "gato de Sheldon" parece dar a entender una dualidad distinta a lo habitualmente aceptado, pero tampoco es mala como primera aproximación al problema de la medición en mecánica cuántica.  Parece que a Penny le gustó el ejemplo, porque algún tiempo después se la vio hablando a un nuevo ligue sobre el famoso gato.

El meme del felino cuántico parece afianzarse en la cultura popular cada vez más. Los seguidores de la serie Juego de Tronos han apodado a uno de los personajes como "el cuervo de Schrödinger" porque supuestamente muere pero en condiciones que hacen sospechar una futura resurrección, así que no se sabe realmente si está vivo o muerto. Algunos políticos han recibido el apodo "de Schrödinger" por su habilidad para decir una cosa hoy y otra ayer. Yo recuerdo a alguien hablar de un "candidato de Schrödinger" en alusión a que aparecía en carteles electorales pero sin el apoyo de su partido.

Sheldon Cooper usó el ejemplo del gato de Schrödinger en otro contexto. En el episodio La Reacción del Cohete Ruso (5x05), Sheldon se enfada con su compañero Leonard y lo pone en su lista negra. Cuando Leonard le pide un vaso de agua, Sheldon dice que no es tan sencillo. El gato ha hecho su aparición de nuevo:

"En este momento nuestra relación está en dos estados mutuamente contradictorios. Hasta que decidas si vas a ir o no a la fiesta en casa de Will Wheaton, eres simultáneamente mi amigo y mi no-amigo. He calificado este fenómeno como 'la amistad de Schrödinger' "

Acto seguido Sheldon comienza a desarrollar un comportamiento bipolar, según el cual su amigo le cae bien y mal a la vez. No destriparé la forma en que se resuelve esta nueva paradoja, y en su lugar le aconsejo que se vea usted el episodio. Tiene un dos en uno, porque también introduce otro concepto de física cuántica.

"¿Preferirías una aplicación más sencilla del principio de incertidumbre de Heisenberg, según el cual puedo saber dónde estás o si me caes bien pero no ambas cosas?"

Con ello Sheldon está aludiendo a un conocido fenómeno de la Mecánica Cuántica conocido como principio de incertidumbre, de acuerdo con el cual dos variables conjugadas no pueden conocerse con precisión infinita. Un ejemplo es el de la posición y el momento lineal (masa por velocidad): cuanto mayor sea la precisión en la determinación de la posición de un objeto, menor será la precisión con que conozcamos su momento, y viceversa. El principio de incertidumbre de Heisenberg establece una limitación fundamental sobre lo que podemos medir en el Universo.

VAMOS, ÁTOMOS

En la película Watchmen (2009), basada en un famoso cómic de Alan Moore y Dave Gibbons, el personaje conocido como doctor Manhattan escoge un símbolo para que le represente. Se trata de una circunferencia y dos puntos negros, uno de ellos en el centro y otro, algo más pequeño, en la misma circunferencia. Se trata de una representación del átomo de hidrógeno, el más simple de todos.

Esa es la forma en que los niños dibujarían un átomo de hidrógeno. En realidad se trata tan sólo de una versión muy simplificada correspondiente al llamado modelo planetario, en el que los electrones orbitarían en torno al núcleo igual que los planetas lo hacen alrededor del Sol. Este modelo, aunque útil para conceptualizar el átomo, es inviable en física clásica, ya que el electromagnetismo predice que un electrón en una órbita circular perdería energía y acabaría chocando contra el núcleo. Además, las órbitas permitidas para el átomo de hidrógeno no son arbitrarias sino que están determinadas por ciertas condiciones. El modelo de Bohr no es más que eso, un átomo "planetario" con condiciones adicionales que resultan insatisfactorias (por caprichosas) pero útiles (porque funcionan).

El doctor Manhattan puede quedarse con su simplificado modelo si quiere. La Mecánica Cuántica permite ahora describir el átomo de forma más precisa: las órbitas precisas se sustituyen por densidades de probabilidad, y las interacciones entre electrones y protones pueden calcularse de forma rigurosa. De esa forma aparece el átomos como sistema con un núcleo compuesto por protones y neutrones, rodeado por una especie de nube electrónica cuya función de onda describe la probabilidad de que un electrón se encuentre en una región concreta del espacio.

Los átomos suelen representarse en una tabla periódica. La más conocida es la llamada tabla de Mendeleiev, donde los elementos están ordenados de acuerdo con su número atómico (número de protones) de tal forma que los átomos de una columna determinada tiene propiedades químicas similares, las cuales vienen determinadas por su estructura electrónica. Por ejemplo, los átomos de flúor, cloro, bromo y yodo son químicamente parecidos, ya que a todos les falta un electrón para completar su última capa.

La química nos permite unir los átomos en combinaciones que llamamos moléculas, cuyo número es enorme. Hay moléculas sencillas, como la de hidrógeno (H₂) o la del agua (H₂O), y moléculas como la de ADN, compuesta por cerca de un cuarto de billón de átomos. Como contraste, el número de elementos conocidos supera el centenar escaso. Algunos de ellos, los de núcleo más pesado, son tan inestables que solamente pueden producirse en escasas cantidades en los laboratorios de investigación, y su corta vida hace difícil una caracterización química.

Crear un elemento químico es una tarea ardua y penosa, y por ello las escenas de cine en las que esto sucede son poco creíbles. Aun así se cree que pueden existir elementos superpesados estables, y el cine se aprovecha de ello. En Iron Man 2 (2010), el superhéroe playboy Tony Stark tiene los días contados. Si no consigue sintetizar un nuevo elemento químico su corazón artificial dejará de funcionar y morirá. Según su asistente electrónico es imposible crear el nuevo elemento. La reacción de Tony, como buen americano hecho a sí mismo que se precie, es ignorar el consejo y montar un acelerador de partículas en su casa. En poco tiempo consigue sintetizar el elemento.

El cazador extraterrestre de Depredador 2 (1990) también parece habernos superado en el apartado de creación de átomos. Dos policías encuentran un objeto perteneciente a la criatura y lo envían a analizar. La científica se asombra porque tienen un elemento desconocido: "este material no se asemeja a ninguno conocido del sistema periódico," exclama. ¿De origen militar? se pregunta uno de los policías. Resulta difícil imaginar que el ejército norteamericano se dedique a la penosa tarea de crear nuevos elementos químicos para fabricar puntas de flecha que bien pudieran hacerse con titanio o alguna aleación exótica, pero al menos es una hipótesis.

Una variedad de creación de átomos aparece en Planeta Prohibido (1956), donde los expedicionarios necesitan gran cantidad de plomo para establecer comunicación con la base. El robot Robbie (sí, muy original el nombre) se presta a ayudar y les trae varias toneladas de un isótopo llamado plomo-217. Es un buen momento para explicar que un elemento químico se caracteriza por su número de protones, el llamado número atómico, pero que puede albergar un número variable de neutrones. El plomo, por ejemplo, tiene 82 protones. Existen diversas variantes, llamadas isótopos, que se distinguen por su número de neutrones. El más habitual es el plomo-208, así llamado porque tiene 82 protones y 126 (=208-82) neutrones.

Existen otros tres isótopos estables del plomo (plomo-204, plomo-206, plomo-208 y plomo-210). Hay más isótopos, pero son inestables y acaban desintegrándose. En particular, el plomo-217 contiene demasiados neutrones para ser estable, por lo que no existe, de ahí que la elección de Robbie sea incorrecta. Doblemente incorrecta, en realidad, ya que el motivo aducido era crear plomo más ligero, y el plomo-217 (caso de existir) tendría una masa un 6% superior al plomo-204. Punto negativo para el inteligente robot.

Un interesante ejemplo de isótopo es el llamado helio-3, de gran utilidad para las reacciones nucleares de fusión. Se cree que puede representar una valiosa fuente de energía en el futuro, y ya hay películas en las que aparece. Moon (2009) nos lleva a la Luna, donde un minero solitario rastrilla la superficie lunar en busca del valioso isótopo. Se trata de una película modesta y de escaso presupuesto, pero que me parece muy recomendable.

Igualmente aconsejable, por motivos muy distintos, es Iron Sky (2012). En esta ocasión los beneficiarios del helio-3 de la Luna son los nazis. Sí, ha leído usted bien. En esta disparatada película, los nazis se refugiaron en nuestro satélite al término de la Segunda Guerra Mundial, y desde entonces se han estado preparado para volver a la Tierra. El momento ha llegado, y gracias a eso podemos ver un análogo de la Batalla de Inglaterra sobre los cielos de Nueva York, con aviones Raptor F-22 y A-10 luchando ferozmente contra ovnis pilotados por nazis. ¿Necesita usted que le diga más? ¡Corra a verla y pase un buen rato! De nada.

Lo cierto es que hay muchas sustancias extrañas en el cine de ciencia-ficción, no solamente átomos. Los superhéroes y extraterrestres necesitan materiales con propiedades exóticas, y una sustancia con nombre extraño es el equivalente moderno del bálsamo de Fierabrás. Sin embargo, la química inorgánica puede producir esas sustancias, y realmente no serían nuevos elementos sino nuevas moléculas. Vista la panoplia de nuevas sustancias que están a punto de revolucionar la física de materiales, como el grafeno o los nanotubos de carbono, suena hasta verosímil. Así podríamos dar salida a la cantidad de sustancias extrañas del cine.

Sólo por dar algunos ejemplos, en las películas de superhéroes tenemos compuestos como el adamantio de las garras de Lobezno o el vibranio que conforma el escudo del Capitán América. El extraterrestre supervillano que amenaza la Tierra en Monstruos contra Alienígenas (2009) busca a uno de los protagonistas para extraerle partículas de quantonio. Los Daleks, enemigos acérrimos del Doctor Who, están recubiertos de dalekanium. La USS Enterprise surca la galaxia de Star Trek propulsada por cristales de dilitio. Los ejemplos no cesan: el aluminio transparente en Star Trek IV Misión Salvar la Tierra (1986), la materia roja en Star Trek (2009), el turbinium en Desafío Total (1990), el quantium-40 de la serie Babylon 5, la kriptonita de Superman... y podríamos seguir y no parar, pero ya entraríamos en una Química de Película que se escapa a nuestras posibilidades. Quizá en otra ocasión.

La búsqueda de una sustancia con propiedades increíbles es uno de los clichés más repetidos en el cine de ficción, hasta el punto de que tiene incluso un nombre que curiosamente fue acuñado por la NASA. En 1957 la agencia espacial buscaba un material capaz de soportar las altas temperaturas de un despegue. Se trataba de una sustancia por desarrollar que fue pronto bautizada como unobtanium (inobtanio o inobtenio, es decir "que no se puede obtener"). Era una forma de decir "demasiado bueno para ser verdad." La anécdota volvió a cobrar vida en 2010, cuando la NASA anunció la creación de un nuevo material capaz de soportar condiciones ambientales extremas para el telescopio espacial James Webb. El nombre asignado (en broma) fue el de inobtanio, o al menos así lo apodaron en los comunicados de prensa.

La gente de la NASA son unos maestros en el arte de las relaciones públicas así que no es casualidad que escogiesen ese nombre, ya que tan sólo algunos meses antes había aparecido en una de las películas más taquilleras del año. En Avatar (2009), los humanos lanzan una expedición tripulada a otro sistema estelar con la única misión de extraer inobtanio, un mineral que se cotiza a veinte millones de dólares el kilo. Por supuesto, ambos materiales son totalmente diferentes. El inobtanio de la NASA es una combinación de materiales compuestos con base de carbono. En cuanto al de Avatar, no está claro que se trate de un elemento químico, aunque la lógica tiende a decirnos que sí, ya que si puede sintetizarse en un laboratorio ¿qué sentido tiene montar una costosísima expedición espacial minera a otro sistema estelar?

Otros que no repararon en gastos para obtener inobtanio fueron los protagonistas de El Núcleo (2003). En busca de un material capaz de resistir las presiones y temperaturas del núcleo de la Tierra, los expertos acuden a un científico ermitaño que ya ha resuelto el problema. Su solución, el "inobtenio," es un compuesto con un nombre de 37 sílabas que hará las delicias de los ingenieros.

VIAJES SUPERLUMÍNICOS

El concepto de agujero negro es tan sencillo que puede explicarse en el tema de gravitación newtoniana. Limítese a apilar suficiente materia en una pequeña región del espacio para que la velocidad de escape, la que necesitamos para abandonar su campo gravitatorio, supere a la de la luz en sus cercanías. Puesto que nada puede viajar más velozmente que la luz en un universo relativista, todo lo que se acerque lo suficiente no volverá a salir. Ya tenemos un agujero negro.

Por supuesto hay mucha más ciencia detrás de este simple concepto, comenzando por el hecho de que la velocidad de la luz es un límite infranqueable. Eso es algo que la Relatividad Especial de Einstein impone para que las ecuaciones del electromagnetismo de Maxwell sean igualmente válidas en sistemas de referencia en movimiento, y hasta la fecha no hemos encontrado un solo contraejemplo. Si hay dos aspectos de la Relatividad que conoce el hombre de la calle son la conocida ecuación E=mc² (de gran impacto en camisetas y tazas) y el límite de la velocidad de la luz en el vacío.

Un agujero negro es una región donde el campo gravitatorio es muy intenso, y eso produce efectos a los que no estamos acostumbrados, como la dilatación del tiempo. En las cercanías del horizonte de sucesos el tiempo parece detenerse. Este efecto es perceptible incluso en nuestro planeta. Para los astronautas que trabajan de la Estación Espacial Internacional el tiempo transcurre más rápido. La diferencia es de milisegundos, así que en la práctica no notan la diferencia. Por otro lado, las señales de los satélites GPS que permiten fijar la posición de un móvil con pocos metros de margen necesitan ser corregidas por efectos relativistas.

La reina de las películas que tratan temas relativistas de este tipo es, sin duda, Interstellar (2014), que ha contado con el asesoramiento de Kip Thorne, uno de los mayores expertos en relatividad y agujeros negros. Una expedición humana explora un sistema solar cuya centro está ocupado por un agujero negro supermasivo apodado Gargantúa. En un momento dado los astronautas se ven forzados a explorar el planeta Miller. El problema es que se encuentra tan cerca del agujero negro que allí el tiempo transcurre muy despacio, y cuando vuelven del planeta tras lo que parece un desembarco de pocos minutos el tripulante que los espera en la nave nodriza ha envejecido décadas.

Una de las aplicaciones más útiles de los agujeros negros en el cine es la posibilidad de viajar más veloz que la luz, lo que suele recibir el acrónimo de FTL (Faster Than Light). Su origen es una idea que Albert Einstein y Nathan Rosen tuvieron en 1935, según la cual dos puntos del espaciotiempo podrían estar unidos por una especie de túnel extradimensional. Sería algo así como si un gusano, en lugar de reptar por una manzana, excavase un túnel por el interior, lo que le permitiría llegar  al otro lado recorriendo una distancia menor. Gracias a esa analogía el concepto, técnicamente conocido como túnel de Einstein-Rosen, recibe también el apodo de agujero de gusano.

Por supuesto la idea básica es mucho más sencilla que su aplicación práctica. Un agujero de gusano real sería muy fino, estrecho, inestable, y lo más probable es que precisase de dos agujeros negros (uno en cada extremo) para su formación; pero el concepto está ahí, es al menos matemáticamente posible, y desde hace tiempo es la forma preferida de explicar los viajes superlumínicos en el cine. Parece que eso de viajar por una especie de tubería de estrellas tiene ya sus años, y quizá la primera película en mostrarlo haya sido 2001 Odisea en el Espacio (1968), donde un astronauta se introduce en el monolito para aparecer en, bueno, alguna parte.

Uno de los mejores ejemplos viene dado en Contact (1997), una película basada en una novela de 1985 de Carl Sagan que trata de viajes interestelares. El propio Kip Thorne asesoró a Sagan sobre la mejor solución posible, y su sugerencia fue un agujero de gusano. Gracias a eso la protagonista viaja a través de las estrellas medida en una esfera que realiza un viaje por lo que parece ser un tubo. La película Interstellar (2014) precisa de un agujero de gusano para que los astronautas puedan viajar al sistema estelar Gargantúa. También el bifrost, el mítico puente que une los Nueve Reinos en la película Thor (2011), resulta ser un puente de Einstein-Rosen. Como la becaria no lo entiende, la protagonista le susurra "agujero de gusano." No es que la becaria sea tonta, es que su título es en ciencias... políticas (en serio, no me lo estoy inventando).

Hay muchos ejemplos de cine y televisión en los que se establece un "salto" mediante dos puntos creados artificialmente, a la manera de un agujero de gusano. Series como Babylon 5 y la franquicia Stargate se nutren de este concepto. En la película Los Vengadores (2012), un instrumento llamado teseracto permite crear un túnel entre nuestro universo y el de los malos.

En ocasiones el cine nos muestra un único agujero negro como entrada que lleva a algún otro lugar; supuestamente hay un segundo agujero negro en el otro extremo, pero no siempre se describe. Como ejemplo podemos reseñar el agujero negro de Star Trek (2009), que permite hacer un "reseteo" de toda la franquicia y ver en la misma escena a un joven señor Spock (Zachary Quinto) hablando con su viejo yo (Leonard Nimoy). En el lado malo, le sugiero El Abismo Negro (1979), y utilizo aquí la palabra "sugiero" en lugar de "recomiendo" a sabiendas, ya que como película es bastante mala. Su argumento es poco original, los personajes carecen de interés y los efectos especiales resultan penosos comparados a los de joyas del género como La Guerra de las Galaxias (1977) o Alien el Octavo Pasajero (1979), que tienen la misma edad. Es de Disney, no le digo más.

En los viajes superlumínicos no suelen darse detalles, pero en algunos casos se explica al lector su origen. Es el caso de Event Horizon (1997), que se desarrolla a bordo de una nave espacial abandonada con. Una tripulación de rescate llega a ella, y gracias a ellos descubrimos que el motor de la nave produce un agujero negro artificial para viajar. No le diré adónde, pero le advierto que esa película tiene escenas bastante duras, así que véala por su cuenta y riesgo.

TIEMPO AL TIEMPO

Uno de los aspectos más atractivos de la Relatividad de Einstein es que, en realidad, el espacio no existe. Los conceptos de espacio y tiempo como entidades aisladas desaparecen y su lugar es ocupado por el espaciotiempo (en algunas películas lo ascienden a "el continuo espaciotiempo," pero es el mismo perro con distinto nombre). Esto plantea una interesante cuestión: si podemos viajar por el espacio ¿no podemos viajar también por el tiempo? Si el cine nos presenta expediciones épicas por toda la galaxia, ¿podemos hacer lo mismo con la Historia? ¿Podemos viajar al futuro o al pasado, a nuestra voluntad?

Tan sólo analizar la Relatividad General de Einstein en busca de respuestas sería motivo para un libro entero, que no escribiré yo porque no sé tanto del tema. En cuando a la conexión  Hollywood, tenemos ejemplos a punta de pala. Entre los viajes en el DeLorean de Marty McFly en la saga Regreso al Futuro, las paradojas temporales de Star Trek, los bamboleos en el tiempo de Doctor Who, los cyborgs asesinos de la saga Terminator y el día de la marmota, esto es como comer cerezas, que sabes cuándo empiezas pero no cuándo acabas.

Con todo, no puedo evitar dejar de probar un par de cerezas particularmente dulces. Una de ellas es la serie española El Ministerio del Tiempo, que les recomiendo sin reservas. No voy a comentarla aquí porque prefiero que la disfrute usted capítulo a capítulo. Sólo le diré que, hasta donde yo recuerdo, es la única serie o película sobre viajes en el tiempo que no intenta justificar su existencia. Nada de generadores nucleares, máquinas con lucecitas brillantes o ecuaciones complejas en el continuo espacio-tiempo.

En un plano muy distinto tenemos la serie de películas Planeta de los Simios, que tuvo bastante éxito en los años setenta. En la primera de ellas, El Planeta de los Simios (1968), una expedición viaja más allá del Sistema Solar. El astronauta que encarna Charlton Heston nos explica que "según la teoría del doctor Haslein sobre el tiempo en un vehículo que viaja casi a la velocidad de la luz, la Tierra ha envejecido cerca de setecientos años, en tanto que nosotros apenas hemos envejecido."

El viaje en el tiempo no tiene vuelta atrás, pero sí se puede avanzar más rápidamente hacia el futuro. Uno de los resultados de la teoría de la Relatividad Especial es el hecho de que, para un objeto a velocidades muy altas, el tiempo parece ralentizarse respecto a un observador en reposo. Eso sí, para el viajero el tiempo ha transcurrido a velocidad normal. No le haga mucho caso al cocinero de Deep Blue Sea (1999) y a su particular explicación:

"La Teoría de la Relatividad de Einstein: si sujetas un cazo caliente, un segundo te parece una hora; si te acuestas con alguien que te gusta, una hora te parece un segundo. Todo es relativo"

Ni, por supuesto, hemos de prestar atención al genio del grupo, quien apostilla: "Estudié ingeniería en el Tecnológico de California, y es la mejor explicación de Física que he oído" Yo no estudié allí, pero le aseguro a usted que la Relatividad no es eso en absoluto.

Cualquiera que sea nuestra explicación favorita, la dilatación del tiempo nos lleva hacia el futuro, no hacia el pasado. Así sucede también en Regreso al Planeta de los Simios (1970), donde una segunda expedición aterriza en el mismo lugar de la primera. El problema es que en la siguiente entrega, Huída del Planeta de los Simios (1971), una de esas naves vuelve al presente, cientos de años atrás. No se da explicación sobre la forma en que esto puede ser, pero ni Einstein ni el ficticio doctor Haslein pueden explicar tal cosa. Es uno de esos momentos "lo hizo un mago" que tenemos que aceptar sí o sí.

La huída hacia atrás en el tiempo permite avanzar en la saga, con otras dos películas más: La Rebelión de los Simios (1972) y Batalla por el Planeta de los Simios (1973). En esta última, algunos simios incluso se permiten debatir sobre las paradojas del viaje en el tiempo:

“Imagínate un músico dando un recital desde lo que era Londres y en lo que era Nueva York en un miércoles. Después viaja más rápido que la luz desde Londres a Nueva York, donde llega, como confirmarían los físicos, el martes anterior. Escucha su recital el miércoles, su calidad le disgusta enormemente, y después viaja de nuevo a Londres más rápido que la luz, a tiempo para decidir no dar ese recital.”

En general es una pentalogía muy buena, que les recomiendo (en cuanto al remake hecho en 2001 y 2014, paso totalmente, y le recomiendo a usted que haga lo mismo). Procure no romperse mucho la cabeza con las paradojas del viaje en el tiempo. Y recuerde: el tiempo es el que es.

MÁS ALLÁ DE LA FÍSICA MODERNA

La ciencia ficción suele desarrollarse en mundos futuros donde fenómenos como el vuelo interestelar, la inmortalidad o los viajes en el tiempo, imposibles hoy día, son moneda corriente. Eso significa que la ciencia de hoy es incompleta, y que a pesar de lo que pueda parecer desde fuera todavía hay mucho que resolver incluso en el nivel más fundamental. Las dos teorías más importantes de la física moderna (la Relatividad y la Mecánica Cuántica) tienen el inconveniente de ser incompatibles: podemos aplicar una o la otra, pero no ambas a la vez. Eso hace no solamente posible sino necesaria la unificación de las leyes de la Física en un nuevo cuerpo teórico que explique todos los fenómenos conocidos.

En general, las referencias a teorías físicas futuristas en el cine se limitan a poco más que alguna parrafada sin sentido tipo "se utiliza un campo magnético giratorio para concentrar un rayo de gravitones siguiendo la dinámica de tensores de Weyl." Más éxito tienen algunas figuras de la física teórica como Albert Einstein o Stephen Hawking. Este último se ha convertido en un icono de la ciencia ficción, y ha participado en diversos cameos de series como Star Trek la Nueva Generación, Futurama, Los Simpson y The Big Bang Theory, donde ya es casi un invitado habitual.

Precisamente en esa última serie tenemos a uno de los mayores admiradores de Hawking. Se trata del excéntrico físico teórico Sheldon Cooper, quien trabaja en una de las teorías que intentan unificar la Mecánica Cuántica y la Relatividad, la llamada teoría de cuerdas. En el episodio La Aproximación de Einstein (3x14), Cooper se encuentra bloqueado con un problema concreto y, para despejarse, decide buscar un trabajo no intelectual. Al llegar a la oficina de empleo explica su campo de trabajo:

"Jefe de Física Cuántica en el Caltech, especializado en la teoría M, o en términos mundanos, la teoría de las cuerdas."

La empleada de la oficina lo considera un vulgar chalado y aplica el protocolo habitual en esos casos, a saber: huir con disimulo y llamar a seguridad. Nosotros, por el contrario, no debemos espantarnos. En términos sencillos, la teoría de cuerdas se basa en suponer que las partículas elementales no son puntuales sino que están formadas por minúsculos objetos unidimensionales (las famosas cuerdas) cuyas vibraciones dan lugar a todas las partículas existentes en el Universo.

La teoría de cuerdas adolece de diversos problemas, y uno de los mayores puede ser el hecho de que realmente no existe una teoría de cuerdas, ya que es más un concepto que un cuerpo teórico desarrollado. Hay diversas aproximaciones genéricas, cinco por el momento, y los teóricos de cuerdas afirman que todas son manifestaciones de una gran ley unificadora que, por el momento, denominan teoría M. Lo curioso del caso es que nadie, ni siquiera el científico que acuñó el término, sabe lo que significa esa letra M.

Otros fallos del esquema de la teoría de cuerdas son el enorme número de posibles universos que predice (unos 10⁵⁰⁰ según las últimas estimaciones), y el hecho de que no existe apenas posibilidad de efectuar predicciones. El amigo de Sheldon, el físico experimental Leonard Hofstadter, intenta explicárselo a la vecina Penny cuando salen por vez primera, allá por el episodio El Corolario de Botas Peludas (1x03):

"Penny: ¿Qué hay de nuevo en el mundo de la Física?

Leonard: Nada

Penny: ¿En serio? ¿Nada?

Leonard: Bueno, a excepción de la teoría de cuerdas no ha pasado casi nada desde los años treinta, y la teoría de cuerdas no se puede demostrar, sólo puedes decir 'eh, escuchad, mi idea tiene cierta lógica y consistencia interna'."

No les sorprenderá que tamaña exhibición de erudición tuviese un resultado cero a la hora de impresionar a la vecina.

La teoría de cuerdas es la más popular en el ámbito de la física teórica, pero no es ni mucho menos la única. Recientemente leí un libro de Lee Smolin donde describe los roces entre los teóricos de cuerdas y los de otras teorías como la gravedad cuántica de bucles, y a veces suenan como forofos de un equipo de fútbol, defendiendo a los suyos y atacando a los adversarios más allá de la pura discrepancia científica.

Los chicos de The Big Bang Theory también han pasado por eso. En La Topología de la Coquilla (2x02) Leonard se debate entre la teoría de cuerdas, seguida por su compañero de piso Sheldon, y la gravedad cuántica de bucles en la que trabaja su novia Leslie Winkle. Sheldon intenta felicitar a la feliz pareja, pero la discusión tarda poco en estallar:

"Retiro mis objeciones a tu deseo de mantener una relación con Leslie, pasando generosamente por alto el hecho de que... cree que la gravedad cuántica unifica mejor la Mecánica Cuántica con la Teoría de la Relatividad que la teoría de cuerdas"

Leonard intenta mediar en el asunto, pero Leslie le pone entre la espada y la pared: o una teoría o la otra. No le vale que, como propone Leonard, los niños escojan su propia teoría cuando sean mayores. Me estoy imaginando la escena: dos físicos casados, uno de teoría de cuerdas y otro de gravedad cuántica de bucles, explicando a sus retoños las verdades de la física teórica. No, demasiado contra natura. Leslie también lo pensó así y decidió poner punto final a la relación. Estaba dispuesta a soportarlo casi todo, pero escoger la teoría de cuerdas era, en sus propias palabras, motivo de divorcio. Lástima.

A pesar de todo, Leslie tuvo su desquite. La teoría de cuerdas lleva en desarrollo desde los años setenta, y en todos este tiempo ha sido incapaz de ofrecer predicciones fiables. El trabajo de centenares de las mejores mentes científicas del mundo no ha evitado que se encuentre en el aire, como un andamio endeble que todos luchan por mantener entero pero que nadie sabe cuánto aguantará. Es perfectamente posible que dentro de algunos años alguien consiga resolver sus problemas internos y proporcionar una auténtica teoría del todo, pero también puede acabar en el cubo de la basura.

De algún modo Sheldon Cooper debe haber notado que trabajaba en un callejón sin salida, y en La Escisión de la Relación (7x20) estalla la crisis. Leonard acusa a Sheldon de estar celoso porque

"el origen del Universo acaba de demostrarse, el campo de Higgs se ha demostrado, y tú llevas trabajando en la teoría de cuerdas veinte años y estás tan lejos de demostrarla como al empezar."

Incluso Barry Kripke, archienemigo de Sheldon, reconoce su propia carencia de fe:

"Soy un pragmático de las cuerdas. Intento demostrar algo que no se puede demostrar, pido una subvención y me la gasto en copas y mujeres"

Para que conste, amigo lector, eso último es fantasía. ¿Gastarse dinero de una subvención en juergas? ¿Cómo podríamos justificarlo ante el interventor? Pues anda que no hay que hacer papeleo para poder comprar un lápiz. En cualquier caso, Sheldon decide que ha llegado el momento de terminar con la teoría de cuerdas:

"No era más que un pobre chico de campo seducido por una teoría de la gran ciudad con variables por todas partes... no puedo seguir postulando sobre entidades multidimensionales sin conseguir nada"

Como en toda ruptura, a veces se cometen errores. Sheldon cogió una borrachera con una copa de vino, y cuando se despertó se encontró abrazado a... un libro de geología. ¡Geología! Una disciplina que el propio Sheldon desprecia y que describe como "la Kardashian de las ciencias." De los mensajes que dejó a Stephen Hawking, mejor ni hablemos. Bueno, déjeme incluirle al menos este: "He renunciado a la teoría de cuerdas, tú deberías renunciar a los agujeros negros y podríamos resolver crímenes juntos." Ay, qué mala es la bebida.

A pesar de la valiente decisión tomada por Sheldon Cooper, la teoría de cuerdas sigue adelante, y no deberíamos descartarla con tanta rapidez. Aún hay mucho que estudiar en ese campo. En la película Interstellar (2014), el profesor Brand trabaja frenéticamente para completar una teoría unificada. No le desvelaré el argumento, pero sí mencionaré que el futuro de la Humanidad depende de su éxito. El trasfondo científico se debe al experto en relatividad y agujeros negros Kip Thorne, quien se esforzó porque todo pareciese lo más realista posible, incluyendo las pizarras en las que trabaja el profesor Brand y que muestran claramente diversos elementos de teoría de cuerdas.

EJEMPLO DE PELÍCULA: LA MANIOBRA PICARD

La Relatividad, al postular una velocidad máxima finita, echó por tierra diversos conceptos, y uno de ellos es el de simultaneidad. Ya no existe un reloj absoluto que mida el tiempo en todas partes, y eso hace que un acontecimiento anteceda, suceda, o sea simultáneo a otro dependiendo del observador. Resulta difícil meterse eso en la cabeza pero podemos pedir ayuda a la Federación, en cuyos archivos encontraremos referencias a la llamada Maniobra Picard.

Nos encontramos a punto de presenciar un enfrentamiento entre la USS Stargazer, al mando de Jean-Luc Picard, y una nave ferengi. El capitán Picard sabe que su oponente, poderosamente armado, tiene un punto débil: sus sensores solamente exploran el espacio a la velocidad de la luz. Ambas naves se encuentran a nueve millones de kilómetros, lo que significa que la imagen que ve el capitán ferengi en su pantalla representa la posición de la Stargazer hace treinta segundos. En un momento dado, Picard ordena a la nave entrar en el hiperespacio a factor 9 y volver al espacio normal junto a la nave enemiga, cosa que realiza en tan sólo quince segundos.

El factor sorpresa se asegura por el hecho de que, durante treinta segundos, la desaparición de la Stargazer ha pasado inadvertida para los sensores ferengi. Pasados los primeros quince segundos, cuando la Stargazer se vuelve a materializar en el espacio normal, el capitán ferengi cree enfrentarse a dos naves: una que sigue en la misma posición en su pantalla de sensores, y otra que acaba de aparecer junto a su posición como por arte de magia. Si los ferengi tuvieran otros quince segundos de tiempo podrían ver cómo la imagen original desaparece, y llegarían a la conclusión de que realmente se trata de la misma nave. Por supuesto Picard no les otorga ese tiempo, y los fáseres de la Stargazer dan buena cuenta del enemigo.

Por cierto, un pequeño chisme para terminar la fecha estelar de hoy: la Maniobra Picard tiene un significado adicional en el mundo de Star Trek la Nueva Generación. Dicen las crónicas que el encargado de efectos especiales recibió el encargo de usar un material llamado Spandex para los uniformes. Gene Roddenberry, el creador de la serie, pensó que ese sería el material del futuro para hacer prendas de vestir, pero al final resultó ser de lo más incómodo. Entre otras cosas la chaquetilla del uniforme tendía a subirse, y el actor Patrick Stewart, que interpretaba al capitán Picard, no hacía más que ajustársela una y otra vez. Su gesto consistente en ajustarse la parte superior del uniforme con un leve tirón hacia abajo se convirtió en una seña de identidad del personaje, y los fans trekkies acabaron apodándolo "la maniobra Picard."

BIBLIOGRAFÍA

- Es todo un privilegio ver trabajar a tu cerebro

 (Sheldon Cooper)

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