Pilas, electricidad animal y las baterías de Bagdad

En las últimas clases comenzamos a estudiar circuitos eléctricos de corriente continua. Entre los componentes esenciales de estos circuitos aparecen las fuentes de tensión. Una fuente de tensión continua puede ser por ejemplo una batería. Las baterías son dispositivos que proveen una fuerza electromotriz a los portadores de carga del circuito (generalmente electrones) a partir de la energía química que almacenan.

La unidad de potencial eléctrico, el Voltio (V), es en honor a Alessandro Volta quien fue el creador de la primera batería que tenía la capacidad de proveer una corriente estable. La pila voltaica, como se la conoce, consiste en pares de discos de cobre y zinc apilados uno encima del otro (de ahí el nombre de pila), separados por una capa de algún material absorbente impregnado en salmuera. Volta tenía una teoría errónea acerca del motivo por el cual la corriente se producía: creía que aparecía por el mero hecho de poner en contacto dos materiales diferentes y no por el resultado de reacciones químicas.

Es curioso que, según se cree, Volta comenzó a pensar en sus ideas al enterarse de unas interpretaciones desacertadas de Luigi Galvani (nada que ver con Mario Bros) sobre sus experimentos. Galvani es popularmente conocido por haber realizado un experimento en el que mostró que la aplicación de electricidad a la médula espinal de una rana muerta generaba un espasmo en los músculos de dicho animal. Aparentemente, Galvani dio con este fenómeno al tocar accidentalmente con su bisturí un gancho de bronce que colgaba de una de las patas de la rana que estaba disecando. En esa ocasión, se produjo una pequeña descarga que ocasionó que la pata de la rana se contrajera. Galvani repitió la experiencia y se convenció de que lo que estaba observando era producto de un nuevo tipo de electricidad, electricidad animal, que era intrínseca a los animales – la fuerza vital que los animaba.

La historia de los experimentos de Galvani es muy interesante y les recomendamos que la investiguen (en el documental que les pasamos se menciona bastante sobre el tema, y también pueden encontrar referencias a estos experimentos en la literatura de terror de la época); en este post sin embargo vamos a volver a Volta, quien conocía los experimentos de Galvani y no creía que la descarga se producía debido a la “electricidad animal”. Volta pensaba que la descarga había sido producto del contacto entre dos metales diferentes que estaban unidos por una conexión húmeda y fue esta idea lo que impulsó sus trabajos posteriores relacionados con este tema, culminando eventualmente en la creación de la pila. Volta estaba equivocado también ya que, como mencionamos previamente, el fenómeno se daba no sólo por el mero contacto entre los metales si no a causa de reacciones químicas.

Galvani estaba equivocado en su interpretación. Volta también. Pero es innegable que esta serie de experimentos supuso un impulso muy grande en la historia de la electricidad. Al estar lidiando con situaciones que no entendemos, es muy común equivocarse y eso no debe asustarnos: es una parte fundamental de lo que implica hacer ciencia.

Para terminar con esta historia vale aclarar que antes de la pila de volt se conocían otras formas de almacenar cargas eléctricas (busquen por ejemplo material sobre la botella de Leyden – año 1746). El mérito de la pila de Volt frente a los otros dispositivos que ya se conocían en su época era su capacidad para aportar una corriente muy estable para los estándares de la época. Si nos vamos mucho más atrás en la historia vamos a encontrar un hallazgo curioso: los primeros indicios documentados de dispositivos capaces de almacenar cargas eléctricas datan del segundo siglo. En el año 1936, durante excavaciones alrededor de Bagdad se encontraron unos recipientes de arcilla. Dichos recipientes, que se estima se confeccionaron alrededor del año 200, contenían en su interior un cilindro de cobre que rodeaba a una varilla de hierro. Estas curiosas vasijas, que se conocen como Batería de Bagdad (ver figura del boceto), son aparentemente las primeras “pilas” que desarrolló la humanidad, aunque se cree que estos dispositivos se utilizaban principalmente para restaurar objetos de plata. Las baterías de Bagdad formaron parte de la exposición del Museo Nacional de Irak hasta 2003, año en el cual desaparecieron luego de un saqueo.

Simetrías

Como ya hablamos en clases, el estudio de las simetrías es fundamental en física teórica. Ha costado muchísimo trabajo encontrar las simetrías que se esconden en la naturaleza, pero el esfuerzo ha dado sus frutos y gracias a ello hoy en día tenemos un modelo que describe satisfactoriamente la física asociada a la interacción electromagnética, a la fuerza nuclear débil y a la interacción nuclear fuerte. Dicho modelo se conoce como Modelo Estándar de la física de partículas y lo estudiarán en Estructura 4. Por ahora, con la excusa de estar hablando de simetrías, les dejo este extracto del libro “Antimateria, magia y poesía” de José Edelstein y Andrés Gomberoff (más información sobre el libro):

Belleza y simetría: el lunar de Marilyn

Los elementos básicos de la simetría son operaciones espaciales que dejan invariante al objeto sobre el que actúan. Por ejemplo, las rotaciones o la reflexión especular. La estrella de David, símbolo de los judíos, resulta inalterable si se la rota 60 grados. La cruz cristiana, en cambio, quedará inmutable si intercambiamos sus lados derecho e izquierdo respecto de una imaginaria línea vertical que pase por su eje central. No es casual la elección de objetos simétricos, dotados de una propiedad asociada a la belleza y a la perfección, como símbolos religiosos. Un rostro bello es, ante todo, simétrico. Ligeras asimetrías, sin embargo, como el mítico lunar que lucía Marilyn Monroe en su mejilla izquierda, pueden ser muy atractivas y un ejemplo de la complejidad del sentido estético humano.

Otra simetría importante está dada por las traslaciones: un patrón que se repite a intervalos regulares suele ser placentero. Lo que resulta particularmente incuestionable en una distribución temporal y está en la raíz de la existencia y relevancia del ritmo de la música. Menos evidente que las operaciones de simetría anteriores resulta la reflexión seguida de un deslizamiento a lo largo del plano de reflexión. Como en cualquier pared de ladrillos o en la inquietante obra <<Caballeros>>  de Maurits Cornelis Escher.

Las traslaciones, rotaciones, reflexiones especulares y reflexiones desplazadas son los ingredientes básicos que nos permiten clasificar los distintos tipos de simetría de un mosaico plano. ¿Cuántas posibilidades distintas existen? ¡Exactamente diecisiete! Ni una más, ni una menos. Así lo demostró el matemático ruso Evgraf Stepanovich Fedorov en 1891. Más sorprendente es el hecho de que los artistas medievales de al-Ándalus, varios siglos antes, fueran capaces de plasmar estas diecisiete posibilidades en los majestuosos mosaicos de la Alhambra. Esos que Dan Shechtman puede reproducir de memoria.

 

Oliver Heaviside y el análisis vectorial

Extracto del libro “Las teorías de los campos de fuerza. Desde Faraday hasta Einstein”, W. Berkson (1985):

Sería perfectamente posible escribir toda la historia de la teoría de campos (en cuanto relacionada con problemas metafísicos) sin hablar de Heaviside salvo unas notas de pie de página. La mayor parte de su obra sobre problemas metafísicos fue realizada simultáneamente por otros científicos que en algunos casos se le anticiparon; y la parte más importante de su trabajo es ajena al objetivo de este libro (resolvió problemas difíciles en la aplicación de las ecuaciones de Maxwell a la circuitería eléctrica, problemas importantes para la naciente tecnología eléctrica). No obstante, Heaviside es una personalidad harto interesante, y sus libros poseen un gran interés filosófico y literario. Probablemente jamás se escriba una biografía personal y científica suya, porque el grueso de su obra es extremadamente técnica y difícil.

Heaviside nació en 1850 en Camden Town, Londres. Hasta los dieciséis o diecisiete años, cuando trabajó durante un tiempo de telegrafista, recibió una educación corriente. Las matemáticas que aprendió en la escuela llegaban sólo hasta la trigonometría, pero hacia los veinticinco años había adquirido ya por su cuenta un nivel muy alto de matemáticas superiores. Pasó el resto de su vida solo, como huésped en una humilde pensión de un pueblo pequeño, dedicado por completo al desarrollo de la teoría electromagnética. Toda su obra fue recopilada en cinco volúmenes, dos de ellos con el título de “Electrical Papers”, y los otros tres bajo el título de “Electromagnetic Theory”.

Heaviside nunca ocupó puestos académicos ni científicos, y siempre estuvo a la margen de la corriente dominante de la comunidad científica. La mayor parte de su trabajo se publicó en una revista llamada Electrician, dirigida, parece ser, a la pujante industria eléctrica, y no disponible en el continente. Tenía fama de persona excéntrica y su obra entrañaba una gran dificultad de comprensión. Hertz, que le escribía frecuentemente, le rogaba que hiciera sus artículos más accesibles, y lo mismo Lord Kelvin y Lord Rayleigh, que eran dos linces de la matemática. De entre los científicos de primera fila, los que conocían su obra le respetaban, y aprendieron mucho de él; pero en general nadie le leía.

Heaviside reunía todas las características de un maniático: sus obras eran difíciles de entender, no tenía una educación común, chocaba continuamente con el “establishment” científico, y era terriblemente y maravillosamente sarcástico con sus “enemigos”. Aparte de eso, tuvo dificultades para publicar sus trabajos. Cuando Electrician cambió de editores, el nuevo director se negó a publicar los artículos de Heaviside; había puesto una nota en la revista preguntando si alguien leía sus artículos y nadie contestó. Heaviside utilizaba una notación matemática propia, que él denominaba “análisis vectorial” y cuyo uso preconizó.

Les dejamos aquí nuestro humilde homenaje a Heaviside: una hoja con algunas relaciones del cálculo vectorial y de distintos sistemas de coordenadas que utilizaremos con frecuencia en la materia.

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