martes, 29 de enero de 2019

El peso de una sombra #El Protón Escéptico #noticias


Ayer alguien anónimo me preguntaba a mi Curious Cat al respecto del peso de una sombra, y aunque es una pregunta que a priori parece no tener sentido, lo cierto es que si tiene su cierto sentido.

Para resolver esta pregunta necesitamos saber dos cosas principales. Una de ella es lo que entendemos por "peso", y la otra es el concepto de "presión de radiación".

Empecemos por el "peso". Habitualmente definimos el peso el términos de kilogramos, gramos o miligramos, todas unidades basadas en el gramo. Esta visión, aunque habitual, es incorrecta. El gramo, y por ende el kilogramo, es una unidad de medida de la masa. La masa es una propiedad intrínseca de un cuerpo, este cuerpo tendrá la misma masa en cualquier lugar del universo con independencia de la gravedad local. Por tanto, un objeto que "pesa" (cuya masa es) de 70 kg, como un ser humano promedio, tendrá esta misma masa incluso en un entorno de caída libre donde "no hay gravedad" como sería, por ejemplo, la ISS.

El peso no es la masa, sino que es una fuerza y depende de la masa y de la atracción gravitatoria. De hecho, lo que mide una báscula no es nuestra masa directamente, sino la fuerza que ejercemos sobre la superficie del aparato al situarnos sobre ella. Las unidades adecuadas para hablar del peso son el newton si usamos el Sistema Internacional de Unidades o el kilopondio, si usamos el Sistema Técnico de Unidades. Puesto que un kilopondio (o kilogramo-fuerza) es definido como la fuerza ejercida sobre un cuerpo de masa 1 kg por la gravedad terrestre promedio (9,80665 m/s²), este es equivalente al kilogramo de masa (en la Tierra) y equivale a 9'81 newtons. Por tanto, el peso de un ser humano promedio de 70 kg realmente es de 70 kilopondios si hablamos de peso, siendo el kilogramo lo adecuado para hablar de su masa. Esto será importante más adelante para la cuestión que nos ocupa, pues un cuerpo sin masa puede ejercer una fuerza medible en kilopondios.

El segundo factor que debíamos entender es el concepto de "presión de radiación" y este es algo más complejo de entender. La presión de radiación es la presión que ejerce la radiación electromagnética sobre una superficie.

Trataré de explicar este fenómeno sin entrar mucho en profundidad a riesgo de ganarme las malas miradas de algunos amigos y conocidos físicos. La radiación electromagnética carece de masa, sin embargo posee y puede transmitir energía y momento (cantidad de movimiento, una magnitud física fundamental definida como el producto de la masa por la velocidad). Si tomamos las leyes de Newton, tenemos que el momento se conserva, siendo esta transferencia de momento la responsable de que esta presión de radiación.

En resumidas cuentas podemos decir que la radiación electromagnética es capaz de transferir su cantidad de movimiento a una superficie, siendo este el origen de la presión de radiación, siendo esta muy débil aunque existente.

Añado,a modo de curiosidad, que las velas solares tan mencionadas últimamente se basan precisamente en este fenómeno.

Ahora que tenemos claro que es tanto el peso como la presión de radiación podemos calcular la presión que ejerce la luz del sol en promedio sobre la superficie terrestre. (No hay muchas matemáticas aquí).

Esta presión es el producto de la irradiancia (esto es, la potencia de una onda electromagnética en una superficie dada) por la velocidad de la luz. Este primer dato es, en promedio y en la superficie terrestre, de 1120W/m² (vatios/metro cuadrado), lo que nos da que en promedio la presión de radiación sobre la superficie terrestre es de 3,7359 micropascales. Esto es prácticamente nada, hasta una gota de agua genera una presión mayor, pero continuemos.

Si recordamos la explicación anterior sobre el peso, recordaremos que lo que habitualmente hablamos de "peso X kilogramos" realmente es "peso X kilopondios". Un pascal equivale a 0,102 kilopondios / metro cuadrado, por tanto la presión de radiación en la superficie terrestre también puede ser expresada como aproximadamente 0'000000381 kilopondios por metro cuadrado.

En este punto y según lo ya explicado podemos decir que cada zona iluminada por el sol está sometida a una presión por metro cuadrado equivalente a la de un objeto de masa 0'000000381 kilogramos, o lo que es lo mismo, un objeto de 0'381 miligramos. Esto significa que cada metro cuadrado de zona iluminada tiene la presión que tendría si hubiera sobre ella un objeto de 0'381 mg, el peso aproximado de dos mosquitos,y puesto que la zona iluminada es la sometida a esta presión, una sombra, al no estarlo, tiene un peso negativo en comparación.

Por tanto, podemos concluir que una sombra de un m2 pesaría teóricamente 0'381 mg menos que la zona iluminada, y por tanto si tomamos la zona iluminada como marco de referencia su peso sería negativo, de -0'381 mg.
En resumen, una sombra de un m² producida por la obstaculización de la luz solar pesaría -0'381 miligramos-fuerza.

Gracias por leerme.