¿Por qué se rompe por la mitad una chimenea en una demolición?

Si te gustan las explosiones los derrumbes y las colisiones, entonces hay un pequeño físico en tu interior gritando que le liberes para apreciar y entender mejor el caos y destrucción. Analicemos su física, midamos en un video este derrumbe, lleva una afición al límite.

Por ejemplo, cuando se necesita derrumbar una chimenea de fabrica la gente suele reunirse para apreciar el control de explosiones en la base de la chimenea, y gozar la precisión de la caída. Pero, suele suceder que el tubo se fractura. ¿Fue eso controlado mediante explosivos? ¿Fue un accidente? ¿Error de los ingenieros?

Lo que dice el libro de texto

Resulta que el giro de estas estructuras imprime una tensión que supera la resistencia del material. Nada de explosivos, solo es cómo se comporta la naturaleza.

La chimenea gira como un cuerpo rígido, que pivotea con una aceleración angular α. La parte superior de la chimenea tendrá una aceleración tangencial que se puede escribir como
aT = α L,

donde L es su altura. esta aceleración aT puede superar fácilmente a g, la aceleración en caída libre. Ello sucede porque la parte inferior de la chimenea "jala hacia abajo" a la parte superior. Y con ello, se tiene que hay una fuerza cortante (en dirección perpendicular a la superficie de la chimenea) que puede superar a la resistencia del mortero. Al romperse la estructura, la parte superior de la chimenea viaja con una aceleración de g, en caída libre.

Lo que proponen en Internet

En la Web encontramos varias propuestas para estudiar este fenómeno: desde demostraciones hasta proyecto teórico-experimentales sobre cinemática de la rotación. Por citar ejemplos, usando bloques de madera, pasando por propuestas matematizas en el uso de juguete (versión web), puros ejercicios teóricos de nivel licenciatura (pregunta, respuesta), y  análisis estructurados con variaciones del fenómeno . Variedad hay, pues es Internet (LOL).

¿Qué puedes hacer desde tu ordenador?

Figura 1, Captura de pantalla de Tracker, Clic para agrandar
Es interesante que los experimentos de este fenómeno son modelos de lo que les sucede a las chimeneas. Es impráctico realizar experimentos con chimeneas reales con diferentes alturas, materiales de construcción y en diferentes condiciones de derrumbe. Lo que si podemos hacer con es analizar videos de tales derrumbes y usar nuestros modelos (obtenidos de experimentos y la teoría) para observar su correlación. Escogí en YouTube el video: 200 Meter Tall Brick Chimney Falls in Sydney. Empleé Tracker para el análisis de videograbaciones, mi favorita herramienta para estos casos.

El video original muestra muchas escenas a ángulos diferentes. Yo escogí solo el que parece tener menor disposición por perspectiva (donde la vista de la cámara y el plano que forma la chimenea al caer es ~90O) El origen de coordenadas lo coloqué en la base la chimenea, la distancia de calibración ―usando la altura de la torre― es 200 m. Este pedazo de video muestra movimiento y acercamientos ligeros de cámara, así que fue necesario colocar puntos de calibración que compensen las variaciones con el origen y el ángulo de la horizontal. Finalmente, comienza la captura de puntos en la base y parte superior de la chimenea.

¿Qué encontré?



Fig 2. Clic para agrandar
A) En ángulo (en radianes) en función del tiempo se ajusta muy bien a una parábola. Como dicta la teoría, haciendo un símil con el tiro parabólico en coordenadas cartesiano, resulta que la aceleración tangencial es menor que g, como muestra la figura 2. Pero fue suficiente para romper la estructura del mortero.

B) Otra cosa que parece interesante es que analizando solamente la distancia de rotación, sin corrección de la distancia de la base, se puede identificar el momento en que comienza la chimenea a romperse, ver figura 3. Lo que es interesante porque, aunque ruidosa, se nota el cambio de tendencia, es como una discontinuidad en la gráfica. En termodinámica diríamos que es un cambio de fase. Y eso lector... es relevante porque muestra que hay estados de termodinámicos puramente mecánicos. Libros de texto como el Callen muestran ecuaciones de estado curiosas, pues van más allá de los fluidos y estudia incluso elásticos. Esto implica dos cosas:

1) Debo regresar a estudiar termodinámica
2) un post sobre la naturaleza y detección en los cambios de fase, eso será en otra entrada.

Figura 3, Clic para agrandar

¿Y luego qué?

La medición en estos videos es un gran pretexto para aterrizar lo visto en una clase de física. Ya sea con demostraciones, explicaciones simples, reproduciendo teorías y hasta realizando un proyecto de investigación para los estudiantes. Los tiempos pueden ser variados. La propuesta es divertida... porque hay que admitirlo... como todo niño pequeño jugando a los bloques, siempre nos gustará derrumbar cosas.

Atención médicos, en realidad, no existe la presión negativa

Pelea entre científicos... locos
¿Cómo es que un concepto científico es corrompido por otra área científica? ¿Cómo afecta esto a las ciencia? ¿Existe la figura del intérprete entre médicos y físicos o para otras áreas?

Mis amigos médicos creen que existen las presiones negativas, están en un error. Aquí hago una reflexión cháchara sobre su equivoco.

Un contexto, una historia 

En estos meses, he hablado con muchos médicos sobre temas académicos. Las conversaciones han orbitado alrededor de un tema: cómo lograr medir un síntoma para determinar el grado de enfermedad.  Una y otra vez, nos salta unos y a otros que tratamos de comunicar el mismo concepto, pero con lenguajes diferentes; esto revela que cada profesión concibe a la naturaleza de modo diferente. ¿Por qué si es el mismo objeto de estudio, lo concebimos tan desigual entre ciencias fácticas?

Una característica de las ciencias es su búsqueda de precisión en sus descripciones. Obligando a los especialistas a utilizar definiciones y que inventen términos ad hoc para hablar de un objeto u acción. El problema es que cada gremio ha creado sus propios lenguajes descriptivos, a causa de la especialidad y la falta de interacción con otras áreas, algunos le llaman a esto: jerga técnica.  Así, la palabra POTENCIA será un idea diferente para un físico (resolviendo problemas de eficiencia entre maquinas) que para un farmacéutico (pensando en tu desempeño como amante gracias a una pastilla azul).

Presión entre físicos y médicos


El concepto de PRESIÓN es uno de esos casos en que los médicos y los físicos tienen sus desacuerdos semánticos sobre un mismo fenómeno.  Las fuerzas que ejerce un fluido sobre el medio que le rodea se caracterizan por una sola magnitud escalar: la presión del fluido.  Si bien, existen muchos métodos para medir la presión, cada uno de ellos aprovecha un fenómeno en particular.

Manómetro en U, vía clases digitales CCA exactas
Entre los más famosos se encuentra el manómetro con forma de U con líquido.  Básicamente es un tubo transparente parcialmente lleno de líquido, como el que ilustra este párrafo; por lo regular, uno de sus extremos está sometido a la presión atmosférica y el otro está conectado a una cámara o sistema al que se le va a medir la presión. Cuando los niveles del líquido son iguales, se dice que la presión manométrica es cero, pues la presión atmosférica es igual a la presión del sistema. Cuando el sistema presenta una presión superior a la atmosférica, empuja a la columna de liquido; la altura que alcanza la columna es directamente proporcional a la presión manométrica, de modo que una simple calibración permite contar con un instrumento clásico de medición.

Sin embargo, cuando la presión del sistema es menor a la atmosférica, el nivel del líquido desciende, por estar abajo del cero esta presión se le considera negativa. Este efecto en el instrumento es el que define a la presión negativa en el gremio de los médicos. Es decir, todo una comunidad de científicos basan un concepto físico al resultado de un instrumento particular.
¿Ud. definiría un concepto complejo a una forma cuantitativa de medir una variable correlaciona al concepto? Por ejemplo, el AMOR al número de regalos en San Valentín, la INTELIGENCIA al número de libros leídos al año, o las dimensiones de una fotografía digital por sus megas que consume de memoria.

Pese a que el instrumento de medición muestre una excelente correlación, pese a una minuciosa calibración y pese a su popularidad; definir el concepto en base al instrumento oculta la naturaleza del fenómeno, por lo que se cae en ideas falsas, igual que pensar que los unicornios comen dragones.

Historia y revolución industrial

El manómetro con forma de U debe de ser utilizado desde 1661; Robert Boyle lo empleó para determinar una de las leyes de los gases.  En 1844, el abogado y científico aficionado Lucien Vidie presenta el primer manómetro basado en componentes sólidas, elásticas y en espiral; por lo que se utilizaba un aguja apuntando en una escala sobre un disco. Este aparato, por su calibración también señala las presiones inferiores a la atmosférica como: negativas. Sin embargo, estos instrumentos registran mínimo diferencias de mínimo de 0.01 mm de una columna de mercurio, presiones alcanzadas mediante bombas mecánicas.

Sin embargo, la necesidad industrial de extraer el aire de cámaras y el ímpetu de la investigación científica han demostrado que se puede seguir extrañando partículas sin que crezca la medición negativa de los instrumentos mencionados. Un sistema con menos partículas de aire puede asegurar un proceso para obtener un producto químico de gran pureza.

En realidad, lo que tenemos es un sistema con cada vez menos partículas de gas en un cámara aislada, su presión es menor a la atmosférica. Así, desde épocas de Torricelli, esta condición se le llama vacío. Entonces, toda presión por abajo de presión atmosférica se le llaman los físicos vacío.

Decir que tenemos una presión de - 5 torr tiene solo sentido con base a los manómetros en U, solo ahí, solo para médicos que aprendieron el concepto en base al instrumento. En contraste, los laboratorios de física más avanzados han alcanzado vacíos de hasta 10-17 torr, cifra que sigue siendo por arriba de cero, es positiva. Porque aquí se entiende que indirectamente se cuentan el número de partículas dentro de una cámara, en este contento no hay partículas negativas, eso carece de sentido.

Lo cierto es el concepto de vacío suele causar confusiones entre tribus de científicos y en los peatones. Por causas históricas,  por razones de concepción de la naturaleza o filosóficas de servilleta... pero eso es tema para otro artículo para este blog.

Concluyendo 

Para cerrar, quiero destacar como un grupo de científicos cree en la existencia de presiones negativas en base al nivel de una columna líquida (abuelo de las pantallas electrónicas de los actuales baumanometros) y otro grupo sabe que es imposible llegar una presión inferior a los cero atm, cuando hablamos de número de partículas en una cámara. Pueden existir abismos de diferencias y enconos entre estos dos tipos de academias por este y otros problemas de semántica o profunda concepción de la naturaleza, solo la comunicación y profundización en el germen de las ideas puede llevarlos a un punto de entendimiento. De otro modo, haga lo que se hace con la pareja, finja que la entiende y continúe su vida feliz, condescendiente y falsa.

Brat Pitt, su lanza supersónica y los juegos olímpicos

Letal, musculoso e inexpresivo fue cómo Brad Pitt representó a Aquiles, el legendario héroe de la guerra de Troya, en la película Troy, 2004. La pareja sentimental de Angelina Jolie nos da un pretexto para aprender física mecánica y mejorar nuestro pensamiento crítico.

Ya en varios artículos he mencionado que el cine puede ser un buen pretexto para introducir mini proyectos de física; en particular, analizando escenas desde el punto de vista de plausibilidad y medición. Esta película también es el caso, y por lo mismo debo comentar una escena, creo que es poco trascendente en el desarrollo del film completo, pero estas líneas me sirven como una alerta de spoiler.

Pues bien la escena en cuestión es: Aquiles, después de capturar (a hierro y sangre) el templo de Apolo, ve a Héctor y sus guerreros troyanos acercase a todo galope. Con agilidad y sin compasión, el poderoso griego lanza una jabalina directo a uno de los comandantes troyanos, el impacto lo mata y derriba del caballo. Héctor sorprendido, responde lanzando su propio proyectil, el que se ve lento y menos mortal que el arrojado por Aquiles.

Ahora, aterricemos nuestro proyecto de física, ¿a qué velocidad fue arrojada la jabalina de Aquiles?

Parece que la multimedia y la Internet pueden hacer que los libros de texto tengan más preguntas en estos contextos cinematográficos. De hecho, desde el 2007, se puede encontrar una respuesta a esta pregunta por parte de los estudiantes de Glenn Elert. Sin embargo, tal respuesta sufre de un gazapo, que los mismos autores identifican como fuente de error, producido por tratar de perpetuar la leyenda de Aquiles y no seguir un método comparativo. ¡Veamos!

Para resolver el problema acudimos a la definición de la velocidad vx, utilizando la diferencia de distancias Δx, durante la diferencia de tiempos correspondientes; es decir:

vx = Δx/Δt

Pero esta velocidad solo es parte de la velocidad neta del lanzamiento v0; es la componente horizontal, la que por ausencia de fuerzas en esa dirección, permanece constante durante todo el viaje de la jabalina. Entonces, tomando en cuenta la componente vectorial, la velocidad neta es:

v0= vx/cos θ

donde θ es el ángulo que hace la horizontal con la jabalina al momento de arrojarla. 

La fórmula es simple, aunque requiere que la analices y la discutas con tus compañeros o profesor. Usar la fórmula sin entender su contexto y significado es poco valioso para un futuro con más problemas de física por resolver.

Pues bien, obtengamos valores:
1) θ: en el modelo simplificado de masa puntual, donde se descarta efectos de arrastre del aire (fricción), este ángulo debe ser de 45 grados. Para una misma velocidad, el lanzamiento a 45 grados permite obtener la máxima distancia horizontal. Aunque, para jabalinas puede diferir tal ángulo y los entrenadores científicos de atletas lo saben.

2) Δt: es la diferencia de tiempo de vuelo, el tiempo transcurrido entre el momento en que el proyectil abandona la mano de Aquiles e impacta en el soldado. Descargando el video y usando Tracker, solo para medir el tiempo cuadro a cuadro, nos permite medir un tiempo de 1.880 s. Lo cual no difiere por lo registrado por los chicos de Glenn.

3) Δx: la diferencia de distancias es una suposición, la escena carece de referentes espaciales. Así que los chicos de Glenn imaginan que la distancia es de 375 m.

La suposición de la distancia hace que toda la cuenta sea un chiste, digno de Holywood. La velocidad de lanzamiento, llega a los 282 m/s (i.e. 1015 km/hr), más rápido que un jet supersónico, LOL.

¿Por qué adivinar? Cierto, a veces la medición es imposible, pero la suposición se puede basar en un elemento de la realidad, y evitar añadidos de la imaginación. Creo que esto es un rollo filosófico nerd, que hay que tratar en otro artículo. Uso una historia y película que fueron concebidas para alejarse de la realidad, pero luego contextualizo al producto cultural para lograr una medición en física con los recursos disponibles. Eso es lo que intento hacer en este blog.

Pues bien, mi propuesta para hacer más real el cálculo, es usar el record mundial de lanzamiento de jabalina que registra la Asociación Internacional de Federaciones de Atletismo: 98.48 m que le pertenece a Jan Zelezny.

Con este dato, aquí obtenemos una velocidad de lanzamiento de Aquiles es: 74.08 m/s = 266.69 km/hr. Así obtenemos una velocidad alta, pero más plausible; pues los datos se obtienen de una medición, y no de un desvarío imaginativo.

Finalmente, comparamos, pero  usando condiciones similares. Por ejemplo, usando un video de YouTube de un lanzamiento de jabalina, sin alteraciones de tiempo en la su sucesión de imágenes y que muestre tanto cuando se suelta la jabalina y cuando hace contacto con la tierra. El video puede ser donde el mismo checo Jan Zelezny alcanzó 98.48 m (25-may-1996,JenaAlemania). Con los datos del tiempo obtenidos de Tracker y la distancia oficial, calculamos que la velocidad neta de este lanzamiento fue 38.484 m/s = 138.54 km/hr.

Es decir, en la película, Aquiles alcanza un lanzamiento de casi el doble de velocidad que el mejor de nuestro olímpicos. Digno de leyenda.

De hecho, Los juegos Olímpicos de Rio 2015 son un pretexto excelente para que los profesores propongan proyectos de física, que los estudiantes conecten temas deportivos con las ciencias. Es una la gran oportunidad para aprender más de lo que realmente le guste a los estudiantes sean deportes, videos o física.

Alimento malo, alimento bueno, ciencia chafa

La culpa es de Gabriel Leon, quien es un excelente divulgador de la ciencia, pues provocó emociones variadas con la imagen que acompaña este articulo en su esquina superior izquierda. 

La figura en cuestión es un resumen infográfico de algunos alimentos y su riesgo relativo de provocar cáncer. Muestra 9 alimentos, y sobre su escala aparecen puntos rojos que representan, cada uno, un estudio médico.

Para muchos este imagen es la respuesta a sus plegarias, pues es un resumen de investigaciones. Les hace sentir que una vida llena de tomates y ausente de carne será saludable. ¡Punto para los veganos!

Pero, veo el gráfico y la verdad... no lo entiendo. 

¿Por qué solo aparecen ciertos alimentos?, ¿qué es eso de "riesgo relativo de cáncer"?, ¿cuál es su estándar: el agua, los cigarrillos?, ¿todas las investigaciones son igual de confiables?, si es el caso, se puede calcular un promedio y su incertidumbre, lo que reduciría el numero de puntos, de acuerdo a las reglas de E. Tufte, sería una mejor gráfica; pero nadie se tomo la molestia de calcular el miserable promedio y el bellaco error asociado.

Así, el pensamiento-crítico exige ir a la fuente, un articulo de revisión del 2012 llamado: "Is everything we eat associated with cancer? A systematic cookbook review" por J. D Schoenfeld y J. PA Ioannidis. 

Los investigadores seleccionaron 50 alimentos al azar de un libro de cocina online, ¡muy científico su método! 

Después usaron el buscador de PubMed para encontrar los 10 artículos más recientes que trataran el tema de "riesgo de cáncer" y comienzan a hacer un estudio estadístico basado en esos estudios estadísticos (WTF!!!), esa búsqueda de significado es totalmente estilo bayesiana. En fin, su conclusión principal es: la mayoría de los alimentos pueden o no ser un riesgo para el cáncer, hay que investigar más. Estos tipos deben de odiar a Popper y al falsacionismo,  muestran una total falta de compromiso y critica entre su propio gremio. 

Pero es que los epidemiología de alimentos es un caso interesante para los estudiosos de la evolución del método científico. Estos investigadores seleccionan un grupo grande de personas, cada cierto tiempo les hace un cuestionario de hábitos alimenticios y revisan su salud. Cuando termina el estudio revisan la causa de muerte (cáncer para este caso) y buscan correlaciones con determinados alimentos. Todo un ejercicio de minería de datos.  Muy bien, más campos de empleo para matemáticos y afines.

Aunque los autores intentan mostrar datos significativos en el número de publicaciones, su actualidad  y su calidad, para mi ojo su quehacer fue oscuro. Jamás entendí su estándar de riesgo de cáncer, y a mi experiencia, la gráfica en cuestión no resumen nada y es de pésima calidad científica porque le falta mostrar el dato más significativo y su error asociado.

En efecto, la Figura 1 de la fuente muestra los datos en cuestión, pero con más información. Aquí a la derecha la pueden mirar. Yo marque con cintas de colores los alimentos que me parecen que más contrastan; es decir: coma más ajo, oliva y limón, evite la sal, el puerco y el tocino. ¡Punto para los veganos insípidos! (el azúcar también hay que evitar).

Todo muy congruente, ¡ciencia niños! Pero que pasa con las papas, parece que son de los alimentos malos... ¡ahhh! ¿sera que este estudio estadístico de estudios estadísticos olvida que los alimentos se pueden prepara de modo diferente? Pues debe de ser diferente el licuado de papa cruda (¡Fuchi!) y las papas a la francesa bañadas en la grasa de sus hermanas de toda la semana. ¡Yomi!

Lo siento, no puedo "comprar" este estudio, no me lo creo. Pero seguramente Ud., querido lector, más culto y que entiende a estos estadísticos médicos me puede dar luz sobre este trabajillo, ¿dónde muestran los datos atípicos estos estadísticos con bata y estetoscopio? 

Los mismos autores afirman que esta clase de estudios de epidemiología nutricional son comunes, son fuente de debate y muy atractivos por los medios masivos de comunicación. En otras palabras, dan para comer al científico.  Estos estudios influencian la dieta de la gente, la política de salud y por ello hay que ser más profesionales, más científicos. Aunque ellos los mismos caen en los típicos errores de sus hermanos de campo de conocimiento.

Mario Bunge, el filosofo de renombre, afirma que esta clase de estudios son mala ciencia, pues solo buscan correlaciones, jamas la causa-efecto, que distraen a los estudios basados en bioquímica y de nivel molecular en organismos superiores. 

En fin... me doy cuenta que este tipo de investigaciones se puede hacer con una tableta sobre las rodillas... creo que debo de hacer una investigación similar. Después de todo, si critico que parece fácil y facilona, pues debo sacarla a bailar para comprobar. Y eso será otro articulo para este su blog.

Gracias Gabriel por la inspiración. Mientras tanto beberé otras 3 tazas de café expreso, ¿que?, la tabla muestra que el café es amigo ;)

Videos sexys, ligeros y de divulgación científica con Daniela Bos

¿Te gusta el sarcasmo envuelto en una playera mojada? Entonces debes seguir al canal de Youtube de Daniela Bos.

Esta youtuber es joven e inteligente, suficiente para crear un canal en Internet con muchos seguidores, usando un sentido del humor peculiar: de auto burla feminista basado en  un tono de princesa superficial de la Anáhuac  y con contenidos juveniles. Así que Frederic Martel, escritor del libro Cultura mainstream, le pondría un 10 por su influencia en la masa; Molière, el genial comediógrafo, le aplaudiría por su refinado personaje, y mis amigos le pondrían departamento por sus lindas curvas.

Pero ella esta más allá del resto de adolescentes celebridades en YT. Daniela se arriesga con sus contenidos; se atreve a salir de su primera caja de personaje para saltar entre otros estereotipos y seguir ganando clics, likes y shares.

En un principio, usando su estilo princesil y banal, ella presentaba temas como: novias locas y aprendiendo a ser sexy en la noticia. Y luego, salta a ser una divulgadora de temas de física.

!WTF¡ Y lo hace bien. Este video es la muestra.



Es puro edu-entretenimiento, es una comedia con salpicaduras de ciencia, es pasar un rato de ocio y oír algo que te decía tu profesor de preparatoria, al que poca atención le dabas.

Pero que nadie se confunda, estos videos jamas te servirán para estudiar ese examen final, o para enterarse de la profundidad de un concepto y menos para adentrarse en un debate científico o tecnológico. Estos videos son para entretenerse de un modo más geek, que cuando lo haces viendo un partido de fútbol.

Yo comienzo a ver un movimiento donde el edu-entretenimiento gana más adeptos, más espacio y más atención entre estudiantes. Y es que hay que ver el dato duro: el canal de Dirección General de Divulgación de la Ciencia, en su más reciente video, ha logrado 169 vistas en un mes, con una obra de media hora. En contraste, Daniela Boss logra 63,585 vistas en dos días, con una obra de 6 minutos. Lo que significa que alguien esta haciendo muy mal su trabajo u otra persona sabe lo que se debe hacer.

Ya dirán los troles sofistas con plaza academica: "es que en realidad vende carne", "esa no sabe de ciencia", "no tiene idea de lo que dice". Si la envidia fuera tiña...

Lo que nos falta es impactar en la gente, y los youtubers saben llegar mejor a la gente que los académicos. Pues el objetivo de los primeros es sobrevivir en base a las vistas e interacciones de los cibernautas; los segundos, en cumplir con la evaluación de final de año de la universidad. 

Si lo que realmente deseamos es crear materiales multimedia de divulgación o de enseñanza de las ciencias, creo que quienes están inmersos en la academia deben de ver lo que pasa afuera, en la sociedad; Daniela Bos es un buen de trabajo bien hecho.
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