domingo, 9 de julio de 2017

De cine, hornos microondas, comunicaciones redioeléctricas, queso y la velocidad de la luz

Hace algún tiempo publiqué un artículo dedicado a los aspectos básicos que se deben entender cuando se habla de emisiones radioeléctricas en aviación. En dicho artículo titulado "Ondas en el aire: fundamentos básicos de radionavegación", se exponían de forma gráfica y muy resumida los principios de una emisión de radiofrecuencia.

Una de las cosas más curiosas que se exponían, es que las ondas radioeléctricas viajan a la velocidad de la luz, que es una de las constantes más conocidas del Universo. Calcular la velocidad de la luz no fue tarea fácil. Los primeros astrónomos de la antigua Grecia pensaron (sin pruebas que lo avalaran) que la velocidad de la luz era infinita o tan rápida, que no podría ser medida. Cuando Galileo en el siglo XVI utilizó dos faroles provistos de obturadores que dispuso en distintos puntos separados por una distancia conocida de varios kilómetros no obtuvo resultados concretos. La luz era excesivamente rápida como para poder ser medida con métodos convencionales. 

Esta idea persistió hasta el siglo XVII. Entonces, un tal Ole Rømer, observaba las lunas de Júpiter y se percató de que el lapso de tiempo entre los eclipses de Júpiter con sus lunas era más corto cuando la Tierra se movía hacia Júpiter, y más largo cuando la Tierra se alejaba. Este comportamiento anómalo tan sólo tenía sentido con una velocidad de la luz finita. Basándose simplemente en esas observaciones, Ole Rømer fue la primera persona en estimar la verdadera velocidad de la luz. El resultado de 214.000.000 m/s es excepcionalmente certero considerando la antigüedad de la medición, y sabiendo que por aquel entonces se desconocía la distancia exacta que separaba a Júpiter de la Tierra. Luego llegaron muchos otros experimentos complicados e ingeniosos y hoy en día con el avance de la técnica sabemos que la velocidad de la luz es de 299.792.458 m/s.

No dejan de tener gracia alguno de los muchos guiones con ideas extravagantes que se han escrito en el cine, como por ejemplo, que hubiera pasado si en la edad media apareciese un astronauta, inspirada en la novela: Un Yanqui en la Corte del Rey Arturo de Mark Twain. En esta película, el ingeniero Tom Trimble es enviado accidentalmente al espacio en un novedoso transbordador espacial que emplea campos magnéticos. La activación de los mismos provocará resultados imprevistos... retrocediendo en el tiempo hasta la época medieval del Rey Arturo. Pensando en esta idea, yo imaginaba lo que podría ser para el hombre primitivo contar con algún cachibache moderno de los que tenemos por casa. Si los antiguos griegos hubieran conocido el principio de funcionamiento de uno de estos aparatos podrían haber calculado la velocidad de la luz con gran precisión simplemente fundiendo un poco de queso (...o pasta, o cualquier otra cosa parecida). 

Las microondas

Este tipo de radiación electromagnética se aplica en RADAR, TV, radio y comunicaciones via satélite. En los años 40 se descubrió que podía ser útil para desarrollar un nuevo tipo de horno. 


El principio de funcionamiento de uno de estos aparatos es hoy en día sobradamente conocido por cualquier persona. Un magnetrón convierte la energía eléctrica en microondas de radio de alta frecuencia, estas ondas son "absorbidas" por los alimentos. 


El horno microondas es una cavidad resonante donde se producen ondas estacionarias, que una vez rebotadas por las paredes inciden en los alimentos. La onda tiene unas características, como su longitud y la frecuencia o ciclos por segundo.


En la imagen de abajo se puede ver la longitud de una onda dentro de la cavidad, con sus picos y sus valles. La distancia entre las dos paredes está cubierta por dos ciclos y medio.
Existen puntos dentro de la cavidad (nodos) donde las ondas ofrecen la más baja intensidad posible. En estos puntos no se produce calor.


Por contra, existen picos y valles de onda donde la intensidad es máxima. En estos puntos o anti-nodos, se produce un máximo de calentamiento.


Traducido a algo práctico, lo arriba expuesto explica la necesidad de poner un plato giratorio en el interior de un microondas. Caso de dejar la comida estacionaria ocurriría lo que se puede ver en el plato de pasta que se ha dejado dentro de un microondas durante varios segundos. 


Como se puede apreciar, existen puntos donde la comida se ha fundido y otros donde  apenas se ha calentado. Si medimos las distancias entre dichos puntos derretidos, lo que estaremos haciendo no es ni más ni menos que medir la distancia entre los puntos máximos y mínimos de la onda, o donde la onda calienta más (esto es el equivalente a media longitud de onda). 






Calcular la velocidad de la onda es tarea fácil si sabemos la fórmula: v = λ x f . Dicha fórmula nos dice que la velocidad de la radiación es directamente proporcional a su frecuencia (f) y a su longitud de onda llamada lambda (λ). Hemos calculado la longitud de la onda fundiendo queso.


Lo único que nos queda por saber es la frecuencia a la que operan estos aparatos. Por suerte, si echamos un vistazo a la etiqueta de nuestro horno, que se encuentra generalmente en la parte trasera del aparato, encontraremos que la frecuencia (en mi caso es de 2.450 MHz ó 2,45 GHz)


Haciendo los cálculos pertinentes:

λ = 0,128 metros ( 6,4 x 2 centímetros)
f = 2,45 x 10 elevado a 9 hercios
v = 313.600.000 metros por segundo

Lo que nos da un poco más de lo esperado, pero muy próximo para lo burdo del experimento. Si repitiéramos la operación varias veces y con diferentes puntos podríamos sacar la media y acercarnos un poco más al valor real. Calcular cosas a ojo de buen cubero a veces es más ilustrativo de lo que nos imaginamos y nos ayuda a entender un poco mejor las cosas complejas. Ver artículo relacionado: Mach 1 y conos de condensación

2 comentarios:

  1. Respuestas
    1. Muchas gracias Álvaro, todavía estoy bastante liado, pero procuraré poner algún post de vez en cuando :)

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