19 noviembre 2010

Al calor de una estufa - ¿Se pierde más energía con un buen conductor eléctrico? (I)

Hemos pasado ya el ecuador del otoño y el invierno se acerca. Esta estación se caracteriza principalmente por la menor incidencia de radiación solar. Los rayos llegan más oblicuos y además tenemos menos horas de sol. En definitiva bajan las temperaturas. Los humanos ya desde nuestras primeras edades, hemos combatido el frío con diversos métodos que nos hacen únicos y que supusieron la supervivencia de nuestra especie en la última glaciación. Pieles que robamos a nuestras presas, la impresionante evolución que supuso el fuego, el cual se encargó de mantenernos calientes casi exclusivamente hasta hace relativamente poco.

Si amigos, el fuego hace tan bien su trabajo que incluso hoy un gran porcentaje de sistemas de calefacción lo utilizan. Pero a parte del fuego, si lo pensamos, somos capaces de convertir la energía del viento que sopla en una cordillera a kilómetros de nosotros en calor, simplemente enchufando una estufa. Me pregunto que cara pondrían nuestros tataratatara... abuelos, ¿calor a partir de viento? esto es magia y magia de la buena porque esta puede darme calor en invierno (lo cual seamos sinceros es más útil que hacer aparecer un conejo de una chistera).

La estufa eléctrica más sencilla es por supuesto una resistencia eléctrica conectada a la red. Pero aunque la red siempre es de 220V, nosotros podemos calentar más o menos. Si la tensión es siempre la misma, parece evidente que tiene que ser cambiando la resistencia. Pero ¿que tendríamos que hacer para calentar más? ¿aumentar o disminuir esa resistencia? Si fuésemos norte-americanos (empiristas hasta la muerte) simplemente probaríamos dos resistencias y elegiríamos la que diese más calor. Pero somos europeos y tenemos comprobado que usar lápiz y papel sale más barato.

Bueno, después de estas dos frases de crítica gratuita (pero de buen rollo) hacia los EUA, vamos al tajo. Eso sí avisar que hay dos formulitas de nada, muy sencillas, ¿no te asustarás por esto, verdad?.

El calor que desprende una estufa se calcula según la fórmula del efecto Joule:
P=R \times I^2

Es decir la potencia es igual a la resistencia por la intensidad al cuadrado. Si por ejemplo yo tengo una resistencia de 10 ohmios y una intensidad de 10 amperios tengo una potencia de
10 \times 10^2=10 \times 100 = 1000

1000 Watios es decir 1kW

Uno podría pensar que si duplico la resistencia a 20 ohmios tendré el doble de potencia, ya que:
20 \times 10^2=20 \times 100 = 2000

Pero no es así. ¿Donde esta la trampa?. La tensión de la red (el voltaje) es constante, siempre son 220V pero la intensidad depende de la resistencia según esta fórmula:
I=\frac{V}{R}

Si sustituyésemos el valor de I en la primera ecuación tenemos que
P=R\times I^2=R\times \left ( \frac{V}{R} \right )^2=
=R\times \frac{V^2}{R^2}=\not{R}\times \frac{V^2}{R^{\not{2}}}=\frac{V^2}{R}

Una mayor resistencia debería aumentar la potencia pero también hace que disminuya la intensidad que circula por ella. Además al estar la intensidad al cuadrado el aumento de potencia debido a una mayor resistencia se diluye debido a que el aporte de la intensidad disminuye mucho más.

Dicho de otro modo cuanta mayor es la resistencia más energía pierde cada uno de los electrones, energía que se transforma en calor, pero como les cuesta más pasar pasan menos. Te sale más a cuenta tener muchos electrones que cedan un poco de energía que tener muy pocos cediendo mucha energía. En realidad en este caso (como muy bien comenta Javier) al considerar constante la diferencia de potencial todos los electrones "pierden" la misma energía, así que cuantos más pasen mejor.

La conclusión es que cuanto más gordo sea el conductor y menor resistencia tenga más energía se pierde y por lo tanto más calor nos da.

Puede que esto te parezca antiintuitivo, ya que los cables de las redes de distribución tienden a ser gordos para mejorar su conductividad. Pero esto ya lo explicaremos en la próxima entrada.

15 agosto 2010

1031tensai revival (IV)


Para no estar tanto tiempo con el blog en off. Os dejo estas entradas hechas en los inicios del blog ¡cómo pasa el tiempo! a ver si os gustan.

Tres hermanos y una hermanaEn una familia de 4 hermanos lo más probable NO es que sean mitad y mitad. ¿La naturaleza tiene alguna preferencia por alguno de los dos sexos? ¿O se debe a una consecuencia de la combinatoria?

Mover satélites Al padre de un colega cuando estudiaba ingeniería aeronáutica (hace bastante tiempo ya ^^) le preguntaron como saldría de la superficie helada de un pequeño lago si la fricción fuese de cero. La respuesta es la misma que para mover satélites despréndete de algo y lánzalo lo más lejos posible. Pero, ¿por que sucede esto?

Bolis en el espacio ¿Pueden los bolis escribir en ausencia de gravedad? ¿Cómo escriben los astronautas?

20 junio 2010

Los padres de nuestros padres

Se dice que Genhis Kan tiene una descendencia del 8% de la población de los territorios que conquistó, un porcentaje impresionante sin duda, pero no el mayor. Hay otros individuos (anónimos en su mayoría) con un porcentaje mucho mayor de descendientes.

El punto clave aquí es como siempre el crecimiento exponencial. Es decir, tenemos un padre y una madre (2 individuos), los cuales tienen respectivamente un padre y una madre cada uno (4 individuos). A su vez nuestros 4 abuelos y abuelas tenían una madre y un padre (8 individuos).

En el ejemplo la primera línea corresponde a los bisabuelos.



Cada generación nuestro número de ascendientes se duplica. Tras 10 generaciones tenemos 1024 ascendientes y tras 100 generaciones nuestro número de ascendientes es aproximadamente un quintillón (1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000) de individuos.

Si pensamos que cada generación está separada entre si por 30 años, 100 generaciones atrás son:



Resumiendo ¿hace tan sólo 3.000 años había tantos seres humanos en la Tierra? Eso es simplemente imposible, pero no hay ningún error de cálculo, 2 elevado a 100 es aproximadamente un uno seguido de 30 ceros, y es evidente que cada uno de nosotros tiene 2 ascendientes...

Pero hubo algo que no consideramos. Nuestros padres no tienen padres en común es decir no son hermanos, pero a lo mejor tienen abuelos en común, es decir son primos hermanos.



De esta manera el número de bisabuelos es de 6 en vez de 8 ascendientes. Puede que nuestros padres no tengan abuelos en común pero y bisabuelos o tatarabuelo o...

A medida que retrocedemos en el tiempo la probabilidad de tener un antepasado común con nuestra pareja aumenta. Es decir en nuestro árbol genealógico hay individuos que aparecen varias veces. Es como un sistema de votación, aquellas líneas que más prosperaron, o las más antiguas aparecen más veces en el árbol.

Un ejemplo simplista, y por lo tanto falso, pero que ayuda a ver esta idea: Supongamos que un individuo desarrolla un gen que le protege de una epidemia mortal que aun ni siquiera existe. Quinientos años después sólo las personas con ese gen sobreviven a esa nueva enfermedad en una época en la que la medicina aun no está desarrollada. El 100% de la población seria descendiente de esa persona.

22 abril 2010

Reguladores de presión

Muchas veces la complejidad de por ejemplo una máquina, empresa, o problema, puede dividirse en un conjunto de elementos más simples y numerosos, que a su vez están compuestos también de elementos aun más simples. A veces nos olvidamos de la importancia de estas piezas fundamentales, que han ido puliendo silenciosamente, su funcionalidad, fiabilidad, su calidad y su economía a lo largo de su existencia.

Y podríamos hablar de la rueda, de un botón de un teclado, del álabe del reactor de un avión, en definitiva de cualquier componente simple de un todo más complejo. Y hoy le ha tocado al regulador de presión.

Un regulador de presión es una pieza, normalmente metálica, con una membrana y un muelle, cuyo fin es dejar pasar un fluido a una presión constante. Punto.

Su funcionalidad es sencilla, pero su diseño tiene más "chicha". Un regulador de presión por dentro es tal como sigue.

Visto así, con la pieza seccionada "a pelo", uno no entiende nada de nada, así que iremos por partes.

Imaginemos que queremos inyectar aire a presión que será la fuerza motriz de una máquina. Esa máquina se compone de unos mecanismos diseñados para una presión nominal, es decir, a una presión determinada y fija, de igual modo a todo lo que nos rodea: lavadora (con su carga de ropa óptima), un enchufe de toda la vida (que está diseñado para 16 amperios máximo), etc.

Supongamos que éstos mecanismos funcionan todos a una presión de 20 bar. Para conseguir esa presión necesitamos un compresor, es decir un motor (como el que suena cuando la nevera "funciona"). Sin embargo si la demanda de flujo comprimido es considerable el motor tendría que estar todo el rato encendiéndose y apagándose. Además, los motores tienen también su par y su velocidad óptimas, en las que el rendimiento es máximo. Si queremos hacer un buen diseño no podemos dejar que el compresor trabaje constantemente ya que su vida útil se acortaría y su consumo se elevaría. Lo ideal seria ir almacenando el aire comprimido en un depósito (con un grosor suficiente para que aguante la presión) e ir utilizándolo a medida que lo necesitásemos.

Como decíamos era necesaria una presión de 20 bar, así que llenamos el depósito hasta llegar a una presión de 20 bar. El problema es que al cabo de 10 segundos de usar el aire el depósito habrá perdido presión (ya que el volumen es constante), y la máquina se parará.

Si aumentamos la presión hasta 200 bar tendremos presión de sobra para que se pueda ir "desinchando" pero nos cargaremos la máquina. Y aquí llega nuestro "protagonista" el regulador de presión (alias reductor de presión).

Si miráis el esquema de abajo veréis que hay dos zonas una azul oscuro donde la presión es de 200 bar en nuestro ejemplo y que llamaremos zona de alta presión. La otra, azul claro, tiene una presión de 20 bar (la llamaremos zona de baja presión). Estas dos zonas están separadas por una válvula (en el esquema se llama poppet).

Lo que pone Diaphragm es una membrana circular (normalmente) de goma, esa membrana se "hincha" como un globo a medida que la presión aumenta. Esa membrana va unida a un muelle (me refiero al más grande, el pequeño imagina que no está) que como todos los muelles, cuanto más lo comprimes más fuerza ejerce.

Supongamos que la membrana tiene una superficie de 10 cm2, y que el muelle tiene ejerce una fuerza de 20kg por cada milímetro que se comprime.

Si el regulador está bien regulado, cuando la presión de la zona azul claro llega a los 20 bar la membrana hace una fuerza de F=20bar x 10cm2=200kg así que el muelle se comprimirá 200/20=10mm= 1 cm y la válvula quedará pegada al agujero impidiendo el paso de aire de alta presión.

En el momento que la presión de la zona de baja presión quede a un valor de, por ejemplo, 18 bar la fuerza de la membrana quedará reducida a F=18*10=180kg, y el muelle estará solamente 180/20=9mm, quedando la válvula ligeramente abierta y permitiendo el paso de algo de fluido de alta presión que volverá a hinchar la zona de baja presión hasta que la fuerza de la membrana y del muelle se igualen.

Si el consumo se disparase de tal manera que la presión de la zona de baja presión cayera hasta los 16 bar, el muelle se comprimiría aun menos (sólo 8mm) y la válvula se abriría aun más haciendo que la presión se recuperase más rápido.

Y todo esto en todo momento, totalmente automático y autónomo, sin ninguna electrónica que demandase unas pilas que habría que cambiar cada cierto tiempo.

Estas piezas están por todos lados, en nuestra casa también hay algún que otro regulador de presión.

El capuchón de las bombonas de butano, sin ir más lejos, que por cierto tiene una durabilidad de decenas años de vida útil, decenas de años haciendo que la presión del gas nunca pase los 30 mbar y todo, por sólo 10€. Si es que, en estas pequeñas cosas también, la ciencia avanza que es una barbaridad.

31 marzo 2010

¡Interactua!

¿Por qué caminar sólo pudiendo pasear en buena compañía?

Es decir, puede que alguien esperando a esa persona con la que se ha quedado en el parque y que siempre llega tarde, se haya fijado en que el césped es menos tupido cerca de los árboles.

O alguien a quien le regalaron una cámara de fotos réflex, que no sabía ni que era, ahora es a quien consultan antes de comprarse una.

En definitiva gente a quien le gusta charlar de estas cosas que a todos nos parecen curiosas o útiles. Puede que esta gente haya dado con este blog, y sea alguien que ahora mismo está leyendo esto. Seguramente lea otros blogs mucho más interesantes que éste, haya decidido empezar uno, o simplemente quiera compartir lo que sabe.

Por eso, para hablar un poco de los temas que nos interesan he colocado dos enlaces en el lateral del blog, para que puedas enviar emails o para encontrarnos en twitter.

Por otra parte se ha añadido un nuevo gadget en el lateral del blog que permite ver los elementos compartidos de google reader, es decir los post que más me van gustando de los blogs que sigo. De cualquier manera si también sois usuarios de google reader podéis buscarme con el mismo usuario que gmail es decir proximo.1031tensai, y así podré descubrir nuevos blogs gracias a vosotros ^^

¡Espero haber animado a alguno! Nos vemos por aquí

28 marzo 2010

V edición 1031tensai awards

Imagen con copyright
Grandes blogs, grandes bloggers, enormes posts, y lo único que puedo ofrecer es una basura de premio en forma de link... pero algo es algo ^^

La cicloide ¿cuál es el camino más corto? Este post pertenece al blog gaussianos, el blog en general puede parecer un poco espeso a los que no estén metidos mucho enlas mates. Pero es un blog 100% recomendable. Esta entrada en particular es muy amena, y un muy buen ejemplo de braquistocronía, y tautocronía. ¡No dejéis de leerla!

Medir la velocidad de la luz en casa
del blog 2geek2curious Un clásico ya, no se como no tienen más suscriptores, siempre lo digo, tal vez es porque sus entradas van desde recetas de cocina, hasta curiosidades científicas, pasando por aplicaciones para el PC o experimentos, no sé. Lo que sí sé es que esta entrada bien vale una suscripción.
El demonio de Maxwell y el precio del olvido del blog historias de la cienciaHistorias de la ciencia, es otro clásico, Omaled un crack, y sencillamente no haría falta ni que estuviese aquí el link porque doy por supuesto que todos seguís su blog, pero me encantó esta entrada. Puede que al empezar y leas "Hace tiempo os hablaba de la flecha del tiempo que relacionaba con la estadística y la entropía: en todo sistema aislado, la entropía aumenta" y cosas así creas que va a ser super espesa, pero te aseguro que para nada es así, continúa hasta el final del artículo.

Y estos son los 3 de hoy. Me dejo un montón Centpeus, Genbeta, el tamiz, juandelacuerva (que volvió a mostrar señales de vida después de la entrega del proyecto de Lyd ¡enhorabuena ingeniera!), etc etc

23 marzo 2010

¿Cuánta energía desprende la humanidad?

Como quiero obligarme a escribir un poco en el blog, aunque sea poco, voy a echar mano de la serie haciendo números

Partimos de la suposición que de media que todo ser humano "quema" 2.000 kcal al día. Pasando kcal a julios obtenemos que 2.000kcal = 8373600 Julios al día. Pero para calcular lo que gasta cada segundo debemos dividir esa cifra entre 24horas, luego entre 60 minutos y luego entre 60 segundos obteniendo unos 97 J cada segundo.

Resulta que 1J/s es lo que normalmente llamamos Vatio, es decir que una persona desprende 100W de media.



Como ya habíamos calculado en la entrada somos bombillas con piernas(tengo que mejorar los títulos de las entradas).

Si cogemos esa cifra y la multiplicamos por el número de humanos resulta que desprendemos 700.000.000.000 W, o lo que es lo mismo 700.000 MW en todo momento.

Aproximadamente lo mismo que la potencia térmica de 230 reactores nucleares funcionando juntos.

17 febrero 2010

Protección catódica

tractor1 realizada por goofup bajo una licencia Creative Commons
Antes de nada quisiera declararme fan de los objetos oxidados. No sabría explicar muy bien el por qué pero transmiten una sobrecogedora referencia al pasado y al olvido por decirlo así.

Sin embargo a parte del lirismo (o las tonterías que acabo de soltar en el párrafo anterior), el óxido y sobretodo la corrosión en los proyectos de ingeniería es un cáncer el cual debe combatirse.
La corrosión tiene lugar cuando la estructura o el objeto de metal actúa como una pila galvánica, para ser más exacto cuando actúa como el ánodo de una pila. Si no habéis oído hablar nunca de reacciones de este tipo, el proceso resumido es el siguiente.

Si sumergimos dos metales diferentes en una solución, uno siempre "tiene más ganas" de desprenderse de sus electrones que otro, así que este metal siempre intentará colarle los electrones al otro al que no le importa tanto tenerlos. Por ejemplo, el hierro soporta bastante menos los electrones que el cobre así que si sumergimos los dos metales en cierta solución, el hierro empujará los electrones hacia el cobre, creando así una corriente eléctrica. Lo que acaba de ocurrir aquí es que se ha creado una pila, donde el hierro hace de ánodo y el cobre de cátodo.

El problema es que el hierro al perder los electrones es más reactivo, y consecuentemente pierde su integridad (al combinarse con otros elementos) y se corroe. El resultado al principio es un pequeño defecto que al repetirse este proceso miles de veces pondrá en serios aprietos las propiedades físicas del objeto en cuestión, que puede ser un pilar de un puente o muelle, un depósito de un gas muy explosivo, un residuo tóxico, en definitiva algo que pueda poner en peligro a una cantidad importante de humanos, o al medio ambiente.

¿Nos tenemos que resignar a que todo tenga un envejecimiento y al cabo de X años se deba sustituir todo un entramado metálico? ¿Qué medidas podemos tomar? Aquí entraríamos a hablar de lo que se llama protección catódica. La idea es la siguiente.

Sabemos que el cátodo no se oxida, que el que se oxida es siempre el ánodo. ¿Cómo asigna la naturaleza qué metal debe ser el ánodo y cual el cátodo?, pues mira cual de ellos tiene un potencial más "negativo" (por decirlo así), entonces si unimos hierro (que tiene un potencial de -0,44 respecto al hidrógeno), con cobre (que tiene un potencial de +0,35) el hierro hará de ánodo porque -0,44 < +0,35.

Pero que pasaría si lo unimos al zinc (que tiene un potencial de -0,8) como -0,8 < -0,44 el hierro hace de cátodo. ¡Ahora la corriente circula al revés! y así lo hará hasta que el zinc se degrade para lo cual tardará unos años. Y cuando eso pase, es mucho mas barato cambiar unos cuantos clavos de zinc que un depósito o una estructura completa. Este método se llama ánodo de sacrificio.

Por otra parte, puede que se de el caso que no nos convenga colocar ánodos de sacrificio, por el propio diseño de la instalación. Pero sin embargo no podamos evitar realizar uniones soldadas entre diferentes metales o bien que un mismo metal este sumergido en medios con diferentes electrolitos, etc. En este caso se utiliza el método de protección catódica por corriente impresa. ¿Cómo funciona? Los metales que queremos proteger crean una pila, de un voltage determinado y los electrones van del ánodo al cátodo. Pero si yo coloco entre el ánodo y el cátodo una batería con la polaridad invertida y con un voltage superior. Los electrones se verán obligados a ir en dirección contraria y lo que antes era el ánodo (y cediese electrones) ahora se convierta en el cátodo y evitaré así su corrosión.


Como curiosidad. Hay metales tan nobles que es prácticamente imposible encontrarlos formando un compuesto con otros elementos. El oro tiene un potencial de +1,24 respecto al hidrógeno y no se oxida. Si veis algún objeto de oro creado hace miles de años por alguna antigua civilización lo veréis tal cual era entonces.

En el otro extremo el sodio tiene un potencial de -2,71 respecto al hidrógeno. Es tan reactivo que se oxida inmediatamente en contacto con el agua rompiendo la molécula de H2O para quedarse con el oxígeno y liberando el hidrógeno y gran cantidad de calor (debida a la oxidación). Él resultado de: calor + hidrogeno + oxigeno (el de aire de alrededor) es una considerable explosión.

Por eso hay pepitas de oro, pero jamás habrá pepitas de sodio en la naturaleza.