divendres, 29 de maig de 2009

El mar i la llei de Snell (I)

La velocitat de la llum en el buit és una de les constants més importants de la naturalesa i té un valor que és aproximadament 300.000 km/s, una velocitat realment alta.

Ara bé, en altres substàncies aquesta velocitat canvia. De manera que per cada material la llum hi viatja a una velocitat determinada i a cada material se li pot assignar un valor que representi la relació entre la velocitat de la llum en ell i la velocitat de la llum en el buit, a aquest valor se l'anomena índex de refracció.

I què passa quan a un raig de llum li canvien la seva velocitat de propagació? Doncs depenent l'angle que formi amb la superfície en què hi ha el canvi la seva trajectòria es veurà torçada. Aquí la matgala en fa la deducció matemàtica i aquí es pot veure una animació.


L'equació que dóna la matgala es pot escriure també de la forma següent i es conex com la llei de Snell: n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2\ .

On n1 i n2 són els índex de refracció del primer i del segon medi i els angles theta 1 i 2 són els angles que formen el raig i una línia perpendicular (normal) a la superfície.

Com ja deixaven intuir les n a aquest fenomen se'l coneix com a refracció.

El fenomen de la refracció és el que explica la deformació que veiem en mirar una cullera que està en un got d'aigua i la no cobreix del tot.

Però bé, si he introduït aquest concepte és per una altra cosa, és per posar uns exemples en què es posa de manifest aquesta llei de la física.

El primer exemple té a veure amb el mar (també aplicable a les piscines). Quan ens hi capbussem i mirem cap a la superfície es veu una cosa curiosa, un cercle de llum centrat a sobre nostre pel que podem veure l'exterior i la resta de la superfície que queda fora del cercle simplement reflecteix el fons. Com es pot veure en la imatge següent:


Per poder arribar a explicar aquest fenomen abans s'ha d'introduir un altre concepte: l'angle crític i la reflexió total.

Quan la llum incideix a la superfície d'un altre material no només es refracta i si no que es produeix també una reflexió, com en un mirall (l'angle de reflexió és igual al d'incidència).

Si juguem una mica amb l'equació anterior podem arribar a preguntar-nos el següent: amb quin angle ha d'incidir la llum perquè el raig refractat surti paral·lel a la superfície (un angle de 90º seria)?

La resposta és que només passa en el cas que la llum passi d'un medi en què va més a poc a poc a un en la qual és més ràpida, és a dir quan passa d'un medi que té un índex major a un que el té menor. Aquest angle es diu angle crític i per angles superiors la llum ja no arribarà a entrar de manera que tota la llum es reflectirà i es podrà parlar de reflexió total.


Bé ara ja es pot explicar el que ens passa amb la superfície. Com que l'aigua té un índex de refracció superior al de l'aire els angles que incideixin a la superfície que siguin superiors a l'angle crític (en aquest cas 48.75º) es reflectiran i per tant no sortiran a l'exterior.

En el nostre cas els rajos de llum que ens arriben ho fan o bé des de l'exterior o des de dins mateix de l'aigua: els rajos que han patit reflexió que serà total per angles d'incidència superiors a 48.75º. Recordant que l'angle de reflexió és igual que el d'incidència podem veure que els 48.75º seran també els de l'angle que delimiten el raig de llum i la línia perpendicular a la superfície que passa per nosaltres.

Com que aquest fenomen passa per totes les direccions podem veure que hi ha simetria i que vist des dels nostres ulls el cercle de llum "exterior" tindrà una obertura aproximada d'uns 97º. No serà exacta ja que la frontera no estarà definida del tot ja sigui perquè la superfície no és plana del tot o perquè també ens arribarà una mica de llum exterior provinent de zones de l'exterior del cercle.

dimecres, 20 de maig de 2009

Una mica més de CERN

Abans d'ahir vaig dir que el dimecres penjaria alguna de les fotografies, avui és dimecres, avui em toca penjar alguna de les fotos.

La primera és de la placa que fa referència al neixement del web:

















Però i els detectors?? Doncs aquest ja és antic, de principis dels 70. La Gran Càmbra de Bombolles Europea va donar milers d'imatges i ara forma part de l'exposició del CERN: Microcosmos.
















La tercera és de l'edifici en què hi ha "enterrat" el detector LHCb, com es pot veure a la imatge següent. A més a més es pot veure també un toc d'humor. Ja que en aquest experiment es preten veure la violació de la simetria CP, si mireu la foto veureu a què em refereixo.
















Un cop dins de l'edifici hi ha la sala de control i els ordinadors (i també ampolles de cava o el corresponent francès d'antigues celebracions) . I penjat a la paret un altre testimoni de l'humor que regna al camp de la ciència.

















Un cop a baix, a la cambra del detector vam poder veure l'estructura en làmines del detector.







































Com ja vaig dir a l'escrit, vam estar de sort i vam comptar amb la presència d'Álvaro de Rújula qui molt entenedorament ens va introduir amb facilitat conceptes que sens dubte són molt complexos.


dilluns, 18 de maig de 2009

El CERN, Gibebra


Fa uns dies vaig anunciar que aniria al CERN, el laboratori europeu de física de partícules.

La veritat és que aquest escrit va amb una mica de retard però pretén ser un breu resum de l'experiència en terres Suïsses.

Vam marxar el dijous 7 des del Prat cap a les 9:15 (sí, em vaig haver de llevar d'hora). Sortosament estàvem tots a la mateixa zona de l'avió i com no podia ser d'altra manera alguns vam engrescar-nos en qüestions físiques senzilles.

La primera més que qüestió era una comprovació experimental, quant temps durava cada fase perceptible de l'enlairament? (els resultats van ser els pronosticats).

En la segona havia de caure en un moment o altre, a quina distància es troba l'horitzó des del nostre punt de vista? Per sort per nosaltres l'alçada de l'aparell apareixia en unes pantalles i l'altra dada important (el radi de la Terra) ja era coneguda.

El resultat, després de fer unes simplificacions era d'uns 340 km. El millor d'això és la discussió posterior. Els resultats, com passa moltes vegades, eliminaven l'aire però en el món real aquesta capa heterogènia refracta la llum que ens arriba del Sol (també es pot traduir matemàticament).

Un cop a Ginebra va sorgir una nova qüestió: quines són les característiques principals del Jet D'Eau? Aquesta ja era més complicada i enlloc de fer ús de la trigonometria vam fer només especulacions.

Passat el dijous havent fet un breu recorregut per la ciutat va arribar, com no podia ser d'altra manera el divendres. El divendres era el dia que teníem per fer la visita al CERN.

Arribats al CERN va arribar una notícia no massa bona, l'ascensor que baixava al detector al que havíem de visitar (LHCb) estava essent reparat i no sabien quan havien de tenir-lo enllestit. Com teníem previst vam anar a veure una exposició que tenen acompanyats per un investigador del CERN de la UB que ens va fer unes pinzellades del que és el món subatòmic.

Després d'això ens van portar al menjador del CERN (passant per on es va inventar el WWW). El menjador era, en part, com me l'imaginava: amb gent amunt i avall quasi caòticament omplint la safata i sense grans col·lisions. Havent dinat vam sortir a fora, ens havíem d'esperar. Després de fer alguna foto va començar a caure alguna gota. Au, cap a dins i a seguir amb les explicacions, en aquesta ocasió a càrrec d'un professor de la UB que col·labora a l'LHC i en aquest bloc.

Després d'anar a la sala de conferències (on es reuniran els físics i mitjans si es troba alguna cosa destacada) vam seguir al peu d'unes escales. I de cop el veiem passar... Era Álvaro de Rújula, cap de la divisió teòrica del CERN. Quan va tornar ens va dedicar uns minuts i va ajudar a explicar un concepte que no havia quedat massa clar: la supersimetria. El temps que ens quedava se'ns va passar ràpid, l'autocar ens esperava. La pluja i el retard havien valgut la pena.

Per arribar a l'LHCb vam haver d'entrar a França. Ja a la part superior de l'LHCb ens van comunicar que l'ascensor encara no estava a punt amb la qual cosa van seguir les explicacions, per sort la física de partícules és un món immens i no s'acabaven els temes i si calia es recorria a temes mítics com podien ser la relativitat o la quàntica.

Finalment l'ascensor estava a punt però només disposàvem de 20 minuts, l'autocar ens esperava a una hora determinada. Vam haver de dividir el grup en dos per baixar, en teoria en grups d'un màxim de 12-13 persones, el senyal d'excés de càrrega de l'aparell va fer que al final fóssim uns quants menys en baixar.

Un cop a baix vam veure primer el detector DELPHI que el tenen exposat en una caverna al costat de la que està en ús. Després del DELPHI ja vam arribar al que anàvem a veure, la veritat és que no es veia massa cosa. Com era d'esperar els detectors que el composen estaven col·locats i es podien veure com una sèrie de làmines i entre alguna d'elles es veia l'accelerador.

Pel que van dir fa unes 3 setmanes ja hi van recol·locar l'últim dels imans.

El dissabte vam tornar a voltar per Ginebra i a la tarda vam tornar cap a Barcelona.

En resum, van ser 3 dies fantàstics per uns quants motius. Els més destacats són: la visita al CERN i l'LHCb i la bona harmonia amb el grup de companys, res comparable amb les sortides fetes amb l'institut (gràcies a Déu jaja).

L'únic problema és que vaig passar força calor, el proper cop portaré roba més curta...

Dimecres penjaré alguna de les fotos que es van fer.

dimarts, 12 de maig de 2009

Aliens al Sol

La setmana passada vaig comentar que l'oxigen, per respirar, no és indispensable per tots els éssers vius i que a més a més en altes concentracions pot ser molt perillós.

Una altra opció a tenir en compte és el Sol. Hi ha algun ésser viu conegut que no necessiti per absolutament res el Sol? Es a dir ni la seva llum per fer la fotosíntesi ni que s'aprofiti, es mengi, éssers que la fan.

D'entrada costa molt trobar alguna cosa d'aquestes i de fet no existeix fins que algú demostra el contrari. Fa uns mesos va sortir aquest algú a la prestigiosa revista Science.

Aquest organisme va ser localitzat a les profunditats d'una mina d'or de Sud Àfrica, en unes aigues estancades a més de 60 ºC. Es tracta d'un bacteri que s'ha batejat amb el nom científic de Desulforudis audaxviator. Aquest bacteri viu independentment de cap altre organisme, l'ecosistema on viu té una sola espècie. 

Però com pot obtenir energia del medi estan completament ocult a la llum del Sol i d'altres éssers vius dels quals alimentar-se? La resposta que s'ha trobat té a veure amb l'urani.

L'urani i altres elements radioactius de les roques (molt presents en aquella regió) emeten radiacions que destrossen les molècules d'aigua produint hidrogen gasós molt energètic. Els bacteris fan ús de l'hidrogen per transformar molècules de sulfat a molècules de sulfur d'hidrogen (un gas que recorda a l'olor d'ous podrits o al contrari). Així doncs, a partir de l'energia de la desintegració de l'urani aquests éssers poden tenir una existència basada en el sofre i l'hidrogen.

Observant les molècules que intervenen en el procés anterior s'ha detectat que la seva relació d'isòtops és anòmala, és fruit de processos radioactius i l'activitat de la bactèria. Altres anàlisis han confirmat que l'aigua en què habita el bacteri ha estat aïllada durant com a mínim 20 milions d'anys.

Pot semblar una tonteria tot plegat. Però sens dubte significa una possibilitat més que s'haurà de tenir en compte a l'hora de buscar vida a altres planetes en què arriba menys llum solar o als que ja s'està observant.

Finalment m'agradaria acabar amb una reflexió. Tot i que aquests organismes no necessitin el Sol, sense ell no hi serien, ja que sense el Sol el que entenem per Terra seria un munt de pols interestel·lar o formaria part d'alguna altra cosa, qui sap.

divendres, 8 de maig de 2009

L'altra cara de l'oxigen

Hi ha coses que són indispensables per viure. O si més no perquè un ésser humà pugui viure. Però com ja vam descobrir fa mig miler d'anys, per més que ens dolgui, no som el centre de la creació i encara menys la cirereta amb què Déu va culminar el pastís de la vida. De totes maneres avui no toca discutir qui era el pastisser.

Quan ens demanen d'estar-nos 10 minuts sense oxigen pensem "que ho faci un altre" i la veritat és que fem bé ja que moltes vegades pot ser molt perillós. I veiem que a la gran majoria de coses que es mouen els passa el mateix, depenen de l'oxigen. Hom podria extreure'n conclusions precipitadament si diu que l'oxigen és indispensable per l'existència.

La veritat és que hi ha organismes que viuen perfectament sense, és més, n'hi ha que no poden viure si n'hi ha. Com en tot hi ha matisos i n'hi ha que sí que poden viure amb la seva presència (ja sigui utilitzant-lo o passant totalment d'ell).

En el fons l'oxigen que respirem l'utilitzem per, després d'una sèrie de reaccions químiques, obtenir energia. Per tant, només cal trobar organismes que funcionin diferent.

I per quin motiu no fem tots el mateix? Doncs és fàcil d'entendre, no tots disposem dels mateixos reactius i no tots portem el mateix temps fent el mateix.

N'hi ha que es valen de diferents ions de ferro, d'altres de sofre i compostos derivats, de ions de manganès, nitrats...

Així doncs l'oxigen no és necessari del tot (com a gas). Aquest vídeo ajuda a entendre perquè alguna espècie defuig de l'oxigen i la resta acaben realment malament quan se'l troben en altes concentracions.



I en aquest altre vídeo es parla una mica de l'oxigen, això sí, malauradament només l'he trobat en anglès.

diumenge, 3 de maig de 2009

Efectes

Aquest escrit està dedicat a un tipus de fluids molt particular. A grans trets un fluid és una substància les partícules del qual es mouen lliurement les unes respecte les altres, és a dir, poden adoptar una gran varietat de formes. Els gasos i els líquids són fluids.

En el cas que mostro es tracta d’un compost orgànic tintat i s’hi poden apreciar 3 efectes diferents: l’efecte Barus, l’efecte Weissenberg i l’efecte Kaye res pectivament.

El primer efecte provoca que el raig de sortida sigui més ample que la pròpia sortida. El segon fa que el líquid “s’enfili” per una barreta si aquesta l’anem girant a dins de la preparació. El tercer i més sorprenent, l’efecte Kaye, es mostra quan aboquem un d’aquests fluids sobre una superfície i de sobte n’emergeix un raig des de la pròpia superfície. Aquest efecte acostuma a durar menys d’un segon però amb l’ajuda de càmeres especials es pot veure amb molt més detall.

I aquí un vídeo en què es mostren els tres efectes en un mateix fluid.



Aquests tres efectes tenen a veure amb l’estructura d’aquests fluids i de la seva viscositat. Si ho voleu provar a casa només cap provar amb els diferents sabons que hi ha a les cases, si teniu sort n’hi haurà algun que us complaurà; en molts casos els xampús ho fan.

divendres, 1 de maig de 2009

El CERN

Des que escric en aquest bloc en més d'un escrit (I, II, III) he anomenat el CERN o el que ara mateix és el seu experiment més conegut, l'LHC. Però què és el CERN.

Com molta gent vaig descobrir el CERN gràcies a la novel·la Àngels i Dimonis de Dan Brown en què una secta secreta (Els illuminati) sorgia després de molts anys d'inactivitat amb la pretenció d'acabar amb l'hegemonia de l'Església catòlica en el món occidental.

I què hi té a veure això anterior amb el CERN? La veritat és que al llibre els illuminati disposen d'antimatèria del CERN que en anihilar-se amb matèria alliberaria una gran quantitat d'energia i faria les funcions d'una gran bomba.

Doncs bé, el CERN és una institució que va ser creada el 1954 amb el nom de Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Consell Europeu per la Recerca Nuclear) i està situat a Suïssa a prop de la frontera amb França.
El CERN és un dels centres d'investigació més importants del món i compta amb investigadors de la major part del planeta.

Al llarg d'aquests 50 anys el CERN ha disposat de diversos acceleradors de partícules i s'hi ha realitzat una investigació que ha donat grans fruits i un parell de Premis Nobel entre altres èxits. A nivell de computació també ha fet grans contribucions ja sigui per l'ajuda en la introducció de l'Internet als anys 80 com per la creació de la famosa www i segueixen innovant ara amb la famosa GRID que permet coordinar a distància diferents ordinadors per fer una tasca.

Com es pot veure el CERN és una institució ben viva i que posa de manifest que al voltant de la investigació científica de primera línia apareixen noves tecnologies que després tard o d'hora acaben entrant a casa nostra.

I aquesta breu explicació per què? Doncs perquè el dijous me n'hi vaig i quan torni ja en faré un nou resum.