Quizás se pregunte sobre el asunto (apenas por un momento) cada vez que abra un nuevo paquete de café envasado al vacío para hacer esa codiciada taza matutina.
Interesante, podría pensar usted, cuán duro y resistente es el paquete antes del sonido "sss" al cortarlo, y cuán rápidamente se convierte después en suave y flexible. Es como si los propios granos molidos de café se hubieran transformado de un sólido en un momento dado, a polvo en el siguiente.
Los granos de café molido tienen formas dentadas irregulares (mire algunos a través de una lente y lo comprobará). En una bolsa envasada al vacío, la presión ejercida hacia adentro por la atmósfera aprieta los granos de café molido desde todos los lados, sus extrañas formas se entrelazan para mantenerlos en su lugar. Como cada partícula resiste fieramente el movimiento, el paquete de café será rígido en su conjunto. Cuando se abre la bolsa y la presión disminuye, los granos molidos pueden desplomarse y fluir como polvo.
Simple. Sin embargo, los científicos no pueden predecir por alguna teoría, exactamente cuán duro debería ser un paquete de café... o cuándo cambiará de sólido a polvo.
No hay misterio en cuanto a un grano individual de café molido. Podemos determinar rápidamente su composición química, su forma dentada, su densidad, su estructura cristalina, y todo lo demás. Los granos individuales no son el problema. Son los millones de granos individuales frotándose juntos los que resultan tan difíciles de predecir.
El café es un ejemplo de material granular, sustancias que son tan comunes como la arena bajo sus pies, pero que no tienen una teoría física completa que describa su comportamiento. La NASA está interesada en materiales granulares por varias razones:
"Es probable que grandes cantidades de materiales granulares sean procesadas para proveer de oxígeno y combustible a los humanos en Marte y en la Luna", explica el profesor de física James Jenkins, un investigador de la Universidad de Cornell apoyado por la NASA. "También son importantes los flujos granulares en la formación de características geofísicas tales como dunas y depósitos de avalancha observados en lunas y planetas distantes. Una mejor comprensión del flujo granular podría proporcionar una indicación de las condiciones bajo las cuales se formaron esos rasgos". Los anillos planetarios son granulares, y a los astrónomos también les gustaría entenderlos mejor.
"Los flujos granulares aparecen en muchos lugares de la Tierra", agrega Jenkins. Las avalanchas de rocas y de nieve granular son dos ejemplos. Los flujos de materiales granulares que se asemejan a las avalanchas son importantes en las usinas de energía a carbón, en la manufactura de productos farmacéuticos, en el procesamiento del aluminio, y en la producción de plásticos a partir de gránulos. Es difícil pensar en alguna industria que no emplee un flujo granular durante alguna operación de procesamiento.
Desgraciadamente, la física de los materiales granulosos no se puede reducir a ecuaciones simples tan fácilmente como la de otros fenómenos. El helio de un globo, por ejemplo, también está compuesto de millones (billiones, en realidad) de partículas. Sin embargo, una simple ecuación gobierna todas sus características importantes: presión, volumen y temperatura (¿recuerda usted el PV=nRT de la física del colegio?).
La diferencia estriba en que los átomos de helio están separados ampliamente (en una escala molecular). Un átomo de helio es prácticamente idéntico a cualquier otro. No tiene bordes irregulares o complicadas interacciones átomo-átomo. Es realmente simple.
En una bolsa de café, sin embargo, los granos chocan, frotan y presionan uno contra otro. Cada grano es único e interactúa fuertemente con sus vecinos. Como estas interacciones no pueden ser fácilmente ignoradas, el café debe ser considerado como más que la simple suma de sus partes. ¡Es en realidad, la suma de sus partes más sus interacciones!
Los computadores son ideales para resolver estos problemas, pero hay un inconveniente: hay suficientes interacciones en una sola bolsa de café como para exceder la capacidad de un supercomputador.
Cuando los científicos e ingenieros necesitan trabajar con materiales granulares como tierras y polvos, normalmente encaran el problema empíricamente, es decir, miden cómo se comportan los materiales en la vida real y hacen predicciones de acuerdo con ello. Pero la aproximación empírica se limita a las cosas que pueden ser medidas fácilmente. Algunas cosas no pueden serlo. Por ejemplo, ¿qué mecanismo dispara las avalanchas en la Luna?- ¿Cuánta tierra puede descargar un vertedero en Marte? O aquí mismo en la Tierra, ¿qué le sucede a la arena húmeda bajo un edificio durante un terremoto? Para responder a estas preguntas, necesitamos una teoría, una "PV=nRT" para flujos granulares, que pueda hacer predicciones correctas bajo un gran espectro de circunstancias.
Investigadores apoyados por la NASA están trabajando para desarrollar una teoría que resuelva el problema, a través de la combinación de experimentación y matemáticas. Jenkins, por ejemplo, está estudiando ecuaciones diferenciales que describen gases moleculares. Podría ser posible, dice, adaptarlas a los flujos granulares. Planea probar algunas de sus ideas utilizando una cámara rotatoria llena de cuentas; el aparato está programado para ser lanzado a la Estación Espacial Internacional (EEI) en el año 2007.
Hacemos todo esto en la EEI", explica, "porque los flujos granulares son afectados tanto por la gravedad como por las colisiones internas. Necesitamos quitar la gravedad terrestre de la escena para crear un sistema más simple".
Izquierda: Una columna de arena es comprimida durante un experimento MGM a bordo del vuelo del Transbordador STS-79. La velocidad de la película es engañosa: la secuencia completa toma alrededor de una hora.
Por la misma razón, el profesor de ingeniería Stein Sture de la Universidad de Colorado está al frente de una serie de experimentos llamada "Mecánica de los Materiales Granulares" (MGM) a bordo del Transbordador Espacial. Su aparato comprime repetidamente una columna de arena húmeda y registra lo que sucede. La meta, explica Sture, es entender el comportamiento tipo-líquido del suelo durante algunos terremotos. MGM ha volado antes en las misiones del Transbordador STS-79 y STS-89, y está programado para otro vuelo en 2003 a bordo del Transbordador Columbia (STS-107).
Terremotos, avalanchas, anillos planetarios, minas de carbón... incluso bolsas de café. Desde lo extraño a lo ordinario, los entenderemos un poco mejor cuando esta investigación haya terminado.
El Directorio de Ciencias del Centro Marshall para Vuelos Espaciales de la NASA patrocina el Portal de Internet de Science@NASA que incluye a Ciencia@NASA. La misión de Ciencia@NASA es ayudar al público a entender cuán emocionantes son las investigaciones que se realizan en la NASA y colaborar con los científicos en su labor de difusión.
Interesante, podría pensar usted, cuán duro y resistente es el paquete antes del sonido "sss" al cortarlo, y cuán rápidamente se convierte después en suave y flexible. Es como si los propios granos molidos de café se hubieran transformado de un sólido en un momento dado, a polvo en el siguiente.
Los granos de café molido tienen formas dentadas irregulares (mire algunos a través de una lente y lo comprobará). En una bolsa envasada al vacío, la presión ejercida hacia adentro por la atmósfera aprieta los granos de café molido desde todos los lados, sus extrañas formas se entrelazan para mantenerlos en su lugar. Como cada partícula resiste fieramente el movimiento, el paquete de café será rígido en su conjunto. Cuando se abre la bolsa y la presión disminuye, los granos molidos pueden desplomarse y fluir como polvo.
Simple. Sin embargo, los científicos no pueden predecir por alguna teoría, exactamente cuán duro debería ser un paquete de café... o cuándo cambiará de sólido a polvo.
No hay misterio en cuanto a un grano individual de café molido. Podemos determinar rápidamente su composición química, su forma dentada, su densidad, su estructura cristalina, y todo lo demás. Los granos individuales no son el problema. Son los millones de granos individuales frotándose juntos los que resultan tan difíciles de predecir.
El café es un ejemplo de material granular, sustancias que son tan comunes como la arena bajo sus pies, pero que no tienen una teoría física completa que describa su comportamiento. La NASA está interesada en materiales granulares por varias razones:
"Es probable que grandes cantidades de materiales granulares sean procesadas para proveer de oxígeno y combustible a los humanos en Marte y en la Luna", explica el profesor de física James Jenkins, un investigador de la Universidad de Cornell apoyado por la NASA. "También son importantes los flujos granulares en la formación de características geofísicas tales como dunas y depósitos de avalancha observados en lunas y planetas distantes. Una mejor comprensión del flujo granular podría proporcionar una indicación de las condiciones bajo las cuales se formaron esos rasgos". Los anillos planetarios son granulares, y a los astrónomos también les gustaría entenderlos mejor.
"Los flujos granulares aparecen en muchos lugares de la Tierra", agrega Jenkins. Las avalanchas de rocas y de nieve granular son dos ejemplos. Los flujos de materiales granulares que se asemejan a las avalanchas son importantes en las usinas de energía a carbón, en la manufactura de productos farmacéuticos, en el procesamiento del aluminio, y en la producción de plásticos a partir de gránulos. Es difícil pensar en alguna industria que no emplee un flujo granular durante alguna operación de procesamiento.
Desgraciadamente, la física de los materiales granulosos no se puede reducir a ecuaciones simples tan fácilmente como la de otros fenómenos. El helio de un globo, por ejemplo, también está compuesto de millones (billiones, en realidad) de partículas. Sin embargo, una simple ecuación gobierna todas sus características importantes: presión, volumen y temperatura (¿recuerda usted el PV=nRT de la física del colegio?).
La diferencia estriba en que los átomos de helio están separados ampliamente (en una escala molecular). Un átomo de helio es prácticamente idéntico a cualquier otro. No tiene bordes irregulares o complicadas interacciones átomo-átomo. Es realmente simple.
En una bolsa de café, sin embargo, los granos chocan, frotan y presionan uno contra otro. Cada grano es único e interactúa fuertemente con sus vecinos. Como estas interacciones no pueden ser fácilmente ignoradas, el café debe ser considerado como más que la simple suma de sus partes. ¡Es en realidad, la suma de sus partes más sus interacciones!
Los computadores son ideales para resolver estos problemas, pero hay un inconveniente: hay suficientes interacciones en una sola bolsa de café como para exceder la capacidad de un supercomputador.
Cuando los científicos e ingenieros necesitan trabajar con materiales granulares como tierras y polvos, normalmente encaran el problema empíricamente, es decir, miden cómo se comportan los materiales en la vida real y hacen predicciones de acuerdo con ello. Pero la aproximación empírica se limita a las cosas que pueden ser medidas fácilmente. Algunas cosas no pueden serlo. Por ejemplo, ¿qué mecanismo dispara las avalanchas en la Luna?- ¿Cuánta tierra puede descargar un vertedero en Marte? O aquí mismo en la Tierra, ¿qué le sucede a la arena húmeda bajo un edificio durante un terremoto? Para responder a estas preguntas, necesitamos una teoría, una "PV=nRT" para flujos granulares, que pueda hacer predicciones correctas bajo un gran espectro de circunstancias.
Investigadores apoyados por la NASA están trabajando para desarrollar una teoría que resuelva el problema, a través de la combinación de experimentación y matemáticas. Jenkins, por ejemplo, está estudiando ecuaciones diferenciales que describen gases moleculares. Podría ser posible, dice, adaptarlas a los flujos granulares. Planea probar algunas de sus ideas utilizando una cámara rotatoria llena de cuentas; el aparato está programado para ser lanzado a la Estación Espacial Internacional (EEI) en el año 2007.
Hacemos todo esto en la EEI", explica, "porque los flujos granulares son afectados tanto por la gravedad como por las colisiones internas. Necesitamos quitar la gravedad terrestre de la escena para crear un sistema más simple".
Izquierda: Una columna de arena es comprimida durante un experimento MGM a bordo del vuelo del Transbordador STS-79. La velocidad de la película es engañosa: la secuencia completa toma alrededor de una hora.
Por la misma razón, el profesor de ingeniería Stein Sture de la Universidad de Colorado está al frente de una serie de experimentos llamada "Mecánica de los Materiales Granulares" (MGM) a bordo del Transbordador Espacial. Su aparato comprime repetidamente una columna de arena húmeda y registra lo que sucede. La meta, explica Sture, es entender el comportamiento tipo-líquido del suelo durante algunos terremotos. MGM ha volado antes en las misiones del Transbordador STS-79 y STS-89, y está programado para otro vuelo en 2003 a bordo del Transbordador Columbia (STS-107).
Terremotos, avalanchas, anillos planetarios, minas de carbón... incluso bolsas de café. Desde lo extraño a lo ordinario, los entenderemos un poco mejor cuando esta investigación haya terminado.
El Directorio de Ciencias del Centro Marshall para Vuelos Espaciales de la NASA patrocina el Portal de Internet de Science@NASA que incluye a Ciencia@NASA. La misión de Ciencia@NASA es ayudar al público a entender cuán emocionantes son las investigaciones que se realizan en la NASA y colaborar con los científicos en su labor de difusión.
