martes, 30 de noviembre de 2010

Científicos (casi) olvidados: William Froude

El ingeniero naval inglés William Froude nació en Dartington (Devon, Inglaterra) hace doscientos años, el 28 de noviembre de 1810. Estudió en Oxford, donde se graduó en Matemáticas en 1832.

Comenzó a trabajar como topógrafo para los ferrocarriles del sureste de Inglaterra. EN 1837 fue encargado de la construcción de un tramo del ferrocarril de Bristol a Exeter; allí desarrolló un método empírico para el trazado de curvas de transición. Estas curvas permiten un aumento gradual de la curvatura de los raíles desde un tramo recto a otro circular, de manera que la variación de la fuerza centrífuga que sufren los pasajeros es también gradual.

En 1858 inventó un freno hidrodinámico industrial que lleva su nombre. Más tarde desvió su interés hacia el estudio de la estabilidad de los barcos. Fue el primero que formuló leyes fiables para calcular la resistencia que el agua ofrece al movimiento de los navíos y para predecir su estabilidad.

William Froude murió en Simonstown (Sudáfrica) el 4 de mayo de 1879.

Su principal aportación a la ingeniería naval fue el número de Froude, que relaciona las fuerzas de inercia y de gravedad que actúan sobre un fluido. Al ser un número sin dimensiones, permite realizar experimentos con modelos a escala en canales de ensayos hidrodinámicos y extender los resultados a barcos de tamaño real. El propio Froude construyó el primer canal de ensayos en Torquay. El número de Froude se sigue utilizando actualmente en el diseño de canales, embalses, puertos y navíos, así como en meteorología.

Una de las aplicaciones más curiosas del número de Froude es la de la dinámica de la locomoción bípeda: El sistema se aproxima como un péndulo invertido cuyo centro de masas recorre un arco circular centrado en el pie. El número de Froude es la razón entre la fuerza centrípeta que sufre ese péndulo y su peso:


donde m es la masa, l la longitud de la pierna, g la aceleración de la gravedad y V la velocidad. Teóricamente, la transición de la marcha (siempre al menos un pie en contacto con el suelo) a la carrera se produce alrededor de Fr = 0,5. Para una pierna de 1 metro de longitud, esa transición se produce a los 2,2 metros por segundo (casi 8 km/h). Pero la plusmarca mundial de los 20 kilómetros marcha, establecida en 1:17:21 por el ecuatoriano Jefferson Pérez en 2003, implica una velocidad de 4,3 metros por segundo (15,5 km/h). Evidentemente, se trata de una simplificación muy burda; al sustituir la pierna por un péndulo rígido, no se tienen en cuenta ni los movimientos del pie, ni la flexión de la rodilla ni el bamboleo de las caderas. De todos modos, queda claro que los marchadores caminan al límite; no es extraño, en estas circunstancias, que de vez en cuando los pillen con los dos pies en el aire. ¡No se puede luchar contra la física!

viernes, 26 de noviembre de 2010

Tyrannosaurus rex, el dinosaurio más popular

Desde su descripción científica en 1905, el tiranosaurio (Tyrannosaurus rex, que significa “lagarto tirano rey”) se ha convertido en un icono de la cultura popular. Barnum Brown, conservador adjunto del Museo Americano de Historia Natural, descubrió el primer esqueleto parcial de tiranosaurio en el este de Wyoming en 1900; dos años más tarde, encontró un segundo ejemplar en Montana. En 1905, Henry Fairfield Osborn, presidente del museo, describió ambos esqueletos, pero los asignó a especies diferentes, Dynamosaurus imperiosus y Tyrannosaurus rex respectivamente. En 1906, el propio Osborn reconoció que ambos pertenecían a la misma especie, y eligió Tyrannosaurus como nombre válido. Posteriormente se han identificado como pertenecientes al tiranosaurio varios dientes, fragmentos de vértebras y otros huesos descubiertos en varios yacimientos a finales del siglo XIX...


Sigue leyendo y escucha el podcast en Zoo de Fósiles.

martes, 23 de noviembre de 2010

¿Cómo llegaron a ser tan enormes los dinosaurios?

Escucha el podcast

(Publicado originalmente en Madrid Sindical)

Los saurópodos, los dinosaurios cuadrúpedos de cuello largo como el brontosaurio y el diplodocus, fueron los animales terrestres más grandes que han existido. Ningún mamífero ha alcanzado, ni de lejos, las enormes tallas de aquellos gigantes. ¿Por qué? La respuesta está en la alimentación.

Un elefante de nueve toneladas necesita invertir dieciocho horas al día para alimentarse. Aún así, en otros tiempos han existido elefantes más grandes, como el mamut del río Songhua, de nueve metros de longitud, 5,3 de altura y 17 toneladas de peso, que vivió en el norte de China hace 280.000 años; e incluso éste se ve superado en altura por el mayor mamífero terrestre conocido, el indricoterio, un pariente cuellilargo y sin cuernos de los rinocerontes que vivió en Asia hace entre 29 y 23 millones de años, y que alcanzaba los seis metros de altura en la cruz. Pero ése debe de ser el tamaño máximo que puede tener un mamífero terrestre. ¿Cómo pudieron crecer tanto los saurópodos? El argentinosaurio llegaba a pesar cien toneladas, y hay indicios de especies mayores, que quizá podrían superar las doscientas toneladas.

Hay una diferencia fundamental entre el modo de alimentarse de los saurópodos y el de los mamíferos: los mamíferos mastican, mientras que los saurópodos se tragaban la comida sin masticar. La masticación, al dividir la comida en trozos más pequeños, ayuda a acelerar la digestión, pero por otra parte requiere tiempo, y una cabeza grande para alojar las anchas muelas y los músculos necesarios. Por eso los elefantes tienen una cabeza tan enorme. Los dinosaurios, sin embargo, carecían de dientes masticadores. La cabeza de los saurópodos era pequeña y ligera, con dientes que sólo servían para arrancar la vegetación de la que se alimentaban. Gracias a esto, pudieron desarrollar el largo cuello con el que podían pacer en un área muy amplia sin necesidad de mover su pesado cuerpo. A un mamífero, con sus muelas y músculos masticadores, le sería imposible sostener la cabeza sobre un cuello tan largo.

Una parte importante de la dieta de los saurópodos eran los equisetos, unas plantas muy nutritivas, pero también muy abrasivas. Contienen una elevada proporción de silicatos, que desgastan los dientes con rapidez. Como sus dientes no eran grandes, los saurópodos podían permitirse reemplazarlos con frecuencia; algunos incluso los renovaban todos los meses. Un mamífero, con sus dientes grandes y especializados, no podría sobrevivir con una dieta tan abrasiva.

Como no masticaban, la digestión de los saurópodos era lenta; probablemente duraba varios días. Pero gracias a su enorme aparato digestivo y a su sofisticado sistema respiratorio, con sacos aéreos que se extendían por el interior de las vértebras y de otros huesos, y válvulas que optimizaban el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono, su metabolismo era muy eficaz. Un metabolismo que han heredado las aves, y que les ha permitido conquistar los cielos.

En resumen, sus dientes primitivos permitieron a los saurópodos desarrollar un cuello largo y aprovechar los nutritivos pero abrasivos equisetos. Gracias al cuello largo, podían alimentarse sin gastar energía en desplazarse; y su sofisticado aparato respiratorio les otorgaba un metabolismo muy eficaz. La combinación de todos estos factores hizo posible la existencia de aquellos titanes.

miércoles, 17 de noviembre de 2010

Científicos olvidados: Asa Gray

Asa Gray (John A. Whipple, 1864)
Asa* Gray, considerado el botánico estadounidense más importante del siglo XIX, nació en Sauquoit (Nueva York) el 18 de noviembre de 1810.

En 1831 se doctoró en Medicina, pero abandonó esa carrera por la Botánica. Desde 1842 hasta 1873 fue profesor de Historia Natural en la Universidad de Harvard. Allí reunió una inmensa colección de libros y especímenes vegetales, y creó el departamento de Botánica.

Su trabajo fue fundamental para la unificación de la taxonomía de las plantas de Norteamérica. Realizó dos viajes de investigación botánica por el oeste de los Estados Unidos, y publicó varios libros sobre Botánica.

Gray fue uno de los más acérrimos partidarios de Darwin en los Estados Unidos, y le proporcionó datos sobre la distribución de diversas especies de flores americanas que fueron muy útiles para el desarrollo de la teoría de la evolución.

En 1859 fue elegido miembro de la Real Academia Sueca de Ciencias, y fue presidente de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia (AAAS) en 1871. Dos montañas estadounidenses, Grays Peak en Colorado y Gray Peak en Nueva York, fueron bautizados en su honor. También lleva su nombre la grayanotoxina, un diterpeno presente en algunos rododendros y otras plantas de la familia de las ericáceas, que cuando contamina la miel provoca en el hombre la intoxicación de la miel loca. En 1984, la Sociedad Americana de Taxónomos Vegetales instituyó el Premio Asa Gray, que se otorga a un botánico vivo por el conjunto de su carrera.

Asa Gray murió en Cambridge (Massachusetts) el 30 de enero de 1888.

Entre las incontables especies vegetales descritas por Gray se encuentran el zumaque hawaiano (Rhus sandwicensis), el frijol tépari (Phaseolus acutifolius), el albarraz (Delphinium staphisagria), el olivo del desierto (Forestiera neomexicana), el cuajiote (Bursera microphylla), la ortiga acuática (Cabomba caroliniana), el guayule (Parthenium argentatum), la escoba amarga o romerillo (Baccharis sarothroides), el arrayán chileno (Luma apiculata) y el chequén (Luma chequen).

* Asa es un nombre bíblico. Su equivalente español es Asá.

jueves, 11 de noviembre de 2010

125 años del nacimiento de dos grandes matemáticos

(Contribución de El neutrino al XIII Carnaval de la Física, organizado por Gravedad Cero)

El 9 de noviembre de 1885 nacieron dos grandes matemáticos y físicos alemanes, Theodor Kaluza y Hermann Weyl, cuyo trabajo tuvo una gran relevancia en el desarrollo de la física del siglo XX.

Theodor Franz Eduard Kaluza nació en la ciudad polaca de Opole, que en aquel entonces formaba parte del Imperio Alemán. Estudió Matemáticas en la Universidad de Königsberg (hoy Kaliningrado), donde se doctoró y ejerció de profesor hasta 1929. Desde 1929 fue profesor de Física en la Universidad de Kiel, y en 1935 se trasladó a la Universidad de Gotinga, donde permaneció hasta su muerte, el 19 de enero de 1954.

Hermann Klaus Hugo Weyl nació en Elmshorn, cerca de Hamburgo. Estudió Matemáticas y Física en Múnich y Gotinga. Fue catedrático de Matemáticas en la Escuela Politécnica Federal de Zúrich hasta 1930, cuando sustituyó a David Hilbert en la cátedra de Matemáticas de la Universidad de Gotinga. Con la ascensión al poder de los nazis en 1933, huyó con su esposa, judía, a los Estados Unidos. Trabajó en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton hasta su jubilación en 1951. Murió en Zúrich el 8 de diciembre de 1955.

Kaluza y Weyl compartieron el afán de encontrar una Teoría del todo, una única formulación que pudiera explicar de un modo simple todos los fenómenos físicos de la Naturaleza. Entre 1919 y 1921, Kaluza desarrolló las ecuaciones de la Relatividad General de Einstein en cinco dimensiones y consiguió derivar de las mismas las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo. Esta teoría, refinada más tarde por Oskar Klein, se conoce por el nombre de teoría de Kaluza-Klein, y sentó las bases para el desarrollo posterior de las teorías de cuerdas.

Weyl, por su parte, generalizó la geometría de Riemann, en la que se basa la Relatividad General, incluyendo el electromagnetismo como un campo de gauge. Los campos de gauge son campos que exhiben alguna simetría interna abstracta, lo que se denomina invariancia de gauge. Aunque esta geometría infinitesimal fue abandonada poco después, el principio de invariancia de gauge resultó muy fructífero en las posteriores teorías cuánticas de campos.

martes, 9 de noviembre de 2010

Smilodon populator, el tigre de dientes de sable sudamericano

Los tigres de dientes de sable del género Smilodon (“diente-cincel”) aparecieron hace unos dos millones y medio de años en América del Norte. La especie más antigua, Smilodon gracilis (“diente-cincel grácil”), pesaba entre 50 y 100 kilos, y vivió en Norteamérica hasta hace medio millón de años. Fue sustituido por Smilodon fatalis (“diente-cincel funesto”), que vivió desde hace un millón y medio hasta hace unos 12.000 años, y se extendió por el oeste de América del Sur; medía un metro de altura en la cruz y pesaba entre 150 y 300 kilos, más o menos como un tigre siberiano. Pero una especie aún mayor, Smilodon populator (“diente-cincel devastador”), apareció hace un millón de años en América del Sur, al este de los Andes...


Sigue leyendo y escucha el podcast en Zoo de Fósiles.

miércoles, 3 de noviembre de 2010

¿Está aumentando el número de terremotos?

Daños causados en Puerto Príncipe por el terremoto de Haití de 2010
(Jeremy Lock, USAF, 2010)
(Publicado originalmente en Madrid Sindical)

Haití, Chile, China, México, Indonesia… parece que en los últimos tiempos los grandes terremotos se suceden sin interrupción. ¿Qué está pasando? ¿Qué le ocurre a nuestro planeta? La respuesta más corta es: nada. O, más exactamente, nada nuevo.

De acuerdo con el Servicio Geológico de los Estados Unidos, la frecuencia de los grandes terremotos se ha mantenido constante a lo largo del último siglo, e incluso parece que ha empezado a disminuir en los últimos años. Según los registros, todos los años se producen de media unos 16 terremotos de magnitud 7 o superior, de los que uno supera la magnitud 8. Aunque los valores varían bastante de año a año: en 1986 y 1989 sólo hubo 6, mientras que en 1943 hubo 32. El número de terremotos en lo que llevamos de 2010 es compatible con esos valores. ¿Por qué entonces tenemos esa percepción de que cada vez hay más terremotos destructivos?

En primer lugar, en los últimos años, la red mundial de sismógrafos ha crecido enormemente, lo que ha permitido aumentar el número de terremotos localizados. Desde 1931, el número de estaciones sismológicas repartidas por el mundo ha pasado de 350 a más de 4000. Muchos terremotos que antes pasaban desapercibidos, sobre todo en el fondo marino, donde no producen daños ni víctimas directas pero pueden provocar tsunamis, quedan ahora registrados.

Por otra parte, la población en las zonas de riesgo sísmico ha aumentado. En países como Japón, las nuevas edificaciones construidas para absorber el incremento de población están mejor protegidas contra los terremotos, pero en muchos otros países, sobre todo del Tercer Mundo, no es ese el caso. Ahora, los mismos terremotos de antaño producen muchas más víctimas. También se han incrementado los daños materiales: las zonas urbanas y las redes de infraestructuras (carreteras, vías férreas, presas, etc.) son cada vez más densas y extensas por todo el mundo. Además, las comunicaciones son hoy prácticamente instantáneas (Internet, satélites…), lo que permite hacer llegar la información muy rápidamente a un público más interesado por los desastres naturales en todo el mundo. Hace unas décadas, la noticia de la muerte de un centenar de personas en un terremoto en algún país remoto tardaba días o semanas en llegar al resto del mundo, cuando la inmediatez de la noticia se había perdido. Hoy, la información llega instantáneamente a los medios de comunicación de todo el mundo.

Por último, los seres humanos tendemos a recordar la agrupación de fenómenos como los terremotos con más facilidad que su ausencia. Según diversos modelos estadísticos, confirmados por los datos experimentales, los terremotos tienden a agruparse en el tiempo, aunque ocurran en lugares muy alejados unos de otros y no tengan ninguna relación causal entre ellos. (Sólo existe relación causal entre un gran terremoto y las réplicas de menor intensidad que le siguen en la misma región.) Cuando en un corto periodo de tiempo se suceden varios terremotos, tendemos a recordarlo con más facilidad que cuando en un periodo semejante no ocurre ninguno. Estos periodos de mayor o menor actividad sísmica, sin embargo, no influyen en la probabilidad de que ocurran nuevos terremotos; forman parte de la variación estadística natural. Todavía no sabemos predecir ni cuándo ni dónde ocurrirá el próximo gran terremoto.