Física y Química AVANCES CIENTÍFICOS DEL SIGLO XXI Este material es una obra colectiva concebida , diseñada y creada en el Depar tamento de Ediciones de Santillana , bajo la dirección de Teresa Grence Ruiz. En su elaboración han par ticipado: David Sánchez Gómez EDICIÓN E JECUTIVA David Sánchez Gómez DIRECCIÓN DEL PROYECTO Antonio Brandi Fernández Las actividades de este material no deben ser realizadas en ningún caso en el propio material. Las tablas, esquemas y otros recursos que se incluyen son modelos que deberán ser trasladados a un cuaderno. 3 E S O
Pulseras de actividad........................... 4 Superordenadores para pronosticar el tiempo . .............................................. 6 Plantas desaladoras . ........................... 8 Coches eléctricos............................... 10 Biografía: Elon Musk Descubrimiento del bosón de Higgs . ............................................. 12 Biografía: Javier Santaolalla Baterías recargables........................... 14 Colisiones de agujeros negros.......... 16 Biografía: Alicia Sintes Índice 2
Exploración de otros mundos . ........ 18 Biografías: Svetlana Ivánovna Guerasimenko y Klim Ivánovich Churyumov Airbag.................................................. 20 La bicicleta del futuro ya está aquí .... 22 Nuevos materiales: grafeno............. 24 Biografías: Pablo Jarillo-Herrero y Rosa Menéndez Iluminación con ledes....................... 26 Biografía: Hiroshi Amano Pantallas con tecnología OLED . .... 28 Paneles solares eficientes................ 30 Biografías: Verónica Molina, Cecilia Moreno, Guillermina Barnett y Francisca Barnett 3
Pul seras de ac t iv idad Pocos podían augurar hace unos años el éxito que tendrían estos dispositivos. ¿Qué deportista no dispone ahora de una pulsera o de un reloj inteligente? Los comienzos no fueron nada fáciles. Fitbit solo tuvo dos empleados durante los primeros tres años de vida y hasta el cuarto no consiguió alcanzar beneficios. «El día de la demo, cuando lanzamos el primer producto, alguien me preguntó cuánta gente había preordenado el gadget y respondí que solo había cinco personas. Me dijeron que era bastante pesimista», rememora el CEO de Fitbit, James Park. www.itespresso.es En 2007 se comercializó la primera pulsera de actividad por parte de la empresa Fitbit. Las pulseras de actividad están dotadas de diversos sensores. Estos les permiten hacer acopio de di stintos tipos de datos informativos. Posteriormente s o n p r o c e s a d o s p a ra mo st ra r t e l a s su g e re n c i a s apropiadas mediante una app. ▶ ¿Cómo miden los pasos? La mayoría incluyen sensores llamados acelerómetros. Estos pueden medir el movimiento; normalmente cuentan con tres ejes que hacen posible que puedan percibir el movimiento en todas las direcciones. ▶ ¿Cómo miden la altura? Con un sensor altímetro determina la altura de una montaña que has subido. Con est e mi smo sensor pu ed e s sab er cuánto s p el daño s d e e scal eras has subido o bajado en el transcurso del día . ▶ ¿Cómo saben cómo duermo? A trav é s d e sens ore s capa c e s d e ha c er un segui - miento a los mov imientos de la muñeca . Cuando dormimos, la posición horizontal del cuerpo es interpretada como la fase de entrada al sueño. El ritmo cardi aco di sminuye , el cu er po sufre hipot ensi ón , l o s mú s cu l o s s e re l a j an y l o s mo v imi ent o s disminuyen . La pulsera de actividad también puede detectar la bajada del ritmo cardiaco y la ausencia de movimiento en la muñeca . ▶ ¿Cómo miden el pulso? Existen dos métodos: • Sensores ópticos. Usa sensores que emiten hace s de luz c ont inua qu e se di fumina en l a pi el i luminando los vasos sanguíneos mientras que otro sensor percibe la velocidad a la que la sangre es bombeada por el corazón . Este sistema es e sp e c i a lm e n t e ú t i l c u a n do n o s e j e r c i t amo s y nuestro ritmo cardiaco es muy fácil de percibir. • Sensores de bioimpedancia . Emiten impul sos eléctricos que disciernen la resistencia de la piel a dichos impul sos eléctricos. Esta bioimpedancia es interrumpida cada vez que el corazón late, y de allí se toma la lectura del pulso cardiaco. ▶ ¿Cómo miden las calorías? Se valen de los datos recopilados por los diferentes sensores de movimiento y temperatura . Así , pueden saber cuántos pasos hemos dado en el día , cuántos peldaños de escalera bajamos y subimos y qué distancia se ha recorrido. Luego esta información e s comparada usando al gor itmos con los datos que previamente se han introducido en la pulsera de actividad , como el peso, la altura , el sexo y la edad . El resultado se muestra como la cantidad de calorías que se han quemado en el día . pulseradeactividad .net > Busca información y explica qué funcionalidades le añade un sensor GPS a las pulseras de actividad. 4
El acelerómetro Uno de los sensores que primero se incorporó a los teléfonos móviles es el acelerómetro, un dispositivo capaz de medir aceleraciones, es decir, la variación en la velocidad por unidad de tiempo. En un acelerómetro mecánico se sitúa una masa dentro de un armazón . Esta masa se encuentra suspendida mediante un mecani smo elástico, por ejemplo, un muelle, de manera que aún pueda desplazarse desde su posición de equi librio. Aquí entran en juego la ley de la elasticidad de Hooke y la segunda ley de Newton . Al aplicar una fuerza para desplazar el armazón, la masa sísmica, conectada a él mediante un material elástico (el muelle), se desplaza una distancia proporcional a la fuerza aplicada ( ley de Hooke), que, a su vez, es proporcional a la aceleración aplicada al armazón (segunda ley de Newton). Como sabemos que el sistema debe obedecer las dos leyes y la fuerza en ambos casos es la misma, a partir de las ecuaciones podemos establecer que: m · a 5 k · x, con lo que, finalmente, a 5 (k/m) · x. Por lo tanto, se puede obtener el valor de la aceleración, ya que k es la constante de elasticidad del muelle (y que conocemos, ya que lo hemos puesto nosotros), m es la masa desplazada (la masa sísmica) y x es la distancia desplazada, que podemos medir. Además, se cumple que la aceleración es proporcional al desplazamiento. Este dispositivo tan solo mide la aceleración en su eje longitudinal. Dado que vivimos en un mundo tridimensional, necesitaremos replicar este sistema en tres ejes perpendiculares entre sí (x, y, z). Con el valor de esas tres componentes se puede calcular el valor de la aceleración en cualquier dirección espacial. Seguro que has pensado en la dificultad que debe suponer conseguir que este sistema mecánico tan pequeño forme parte de nuestros modernos y miniaturizados teléfonos. Existen diferentes tipos de acelerómetros, que utilizan la misma idea, pero diferentes fenómenos físicos que hacen que cada uno de ellos resulte más idóneo para determinados usos. En los acelerómetros capacitivos se obtienen variaciones en la señal eléctrica proporcionales a la fuerza aplicada y, por lo tanto, a la aceleración . Al ser electrónicos, pueden ser extremad ament e p equ eño s y se pu ed en fabr i car i nt eg rado s en chips de silicio en tu smartphone. Como la fuerza de la gravedad actúa en todo momento y conocemos su valor (9,8 m/s2), es fácil utilizar los valores de cada eje del acelerómetro para determinar el ángulo de inclinación y, por tanto, la posición del dispositivo. De esta forma se puede mostrar el contenido con l a ori entación correcta y rotarl a cuando esta cambie. De la misma forma, las variaciones en sus valores pueden ser utilizadas como señal de entrada para aplicaciones, por ejemplo, para simular un volante en los juegos de conducción. atomosybits.com > Piensa en algunas apps de tu teléfono móvil e identifica para qué usan el acelerómetro. En 2019 Google anunc ió l a compra de Fi tb i t por 2 100 mi l l ones de dól a res . Al aplicar aceleración Distancia menor entre placas Acelerómetro en reposo 5
E sp aña c ont ará a p ar t i r d e l próx imo me s d e may o [2021] con un nuevo superordenador. La Agencia Est at al de Met e oro logí a (AEMET) e st á de sar ro l l ando Ci r r us , qu e será el segundo sup erc omput ador má s potente del país —solo por detrás del MareNostrum, del Centro Nacional de Supercomputación en Barcelona—, y sustituirá al que la institución tiene actualmente en su Centro de Proceso de Datos de Madrid . Este superordenador será el nuevo cerebro y la base de información de AEMET. En él , además de realizar predi c c i on e s m e t e o ro l ó g i c a s g ra c i a s a l emp l e o d e modelos de predicción , está almacenada toda la información climatológica de los últimos 125 años. Seri es hi stóricas que permiten obtener la información necesaria para hacer nuevos modelos o usarlos para ser vicios climáticos que se deseen desarrollar. En otras palabras, un big data climático que permite conocer el clima de España del último siglo y hacer proyecciones y simulaciones de cara al futuro. www.thisistherealspain .com Superordenadores para pronos t icar el t iempo La teoría del caos El efecto mariposa está vinculado a la teoría del caos. Esta teoría dice que el aleteo de un insecto en Hong Kong puede llegar a desatar toda una tempestad en Nueva York. Se trata de un si stema no determini sta con pequeños cambios que pueden l legar a conducir a consecuencias totalmente diver - gent es. De forma inici al se empi eza con una pequeña per turbación . Mediante un proceso de amplificación , esta pequeña perturbación puede l l egar a generar un efecto considerabl e a medio y cor to plazo. [...] El concepto de efecto mariposa comenzó con las experiencias del meteorólogo Edward Lorenz. Este meteorólogo generó el término de «efecto mariposa» en el año 1973 a causa de la imposibilidad de poder realizar predicciones meteorológicas totalmente fiables a largo plazo. Esto se debe a que en el clima se van acumulando la acción de diversas variables que son capaces de modificar el comportamiento atmosférico. www.meteorologiaenred .com > Visita algunas páginas web y contesta. ¿Cuáles son los ordenadores más potentes que hay en España? ¿Forman alguna red conjunta? ¿Para qué se usan, además de para pronosticar el tiempo? En 202 1 l a Agenc i a Est at al de Meteorol og í a , AEMET, anunc ió que iba a ac t ual iza rs e y a est rena r un nuevo supercomput ador. 6
[...] La ciencia de la predicción meteorológica ha avanzado en la última década y media de forma f u l gu rant e g ra c i a s a do s c a ra s d e un a mi sma moneda : las cada vez mayores fuentes para obtener datos y la capacidad de procesarlos. Dicho en l enguaje met eoro lógico: recopi l ación y asimi lación . [...] «Donde hace 15 años un ordenador necesitaba de 5 a 6 horas para procesar un modelo met e oro lógi c o s o lo para l as próxi - mas horas, ahora lo puede hacer, para el mismo nivel de detalle, en pocos minutos», cuenta José Miguel Viñas, meteorólogo de Meteored , quien afirma que, ahora mismo, «aunque siempre puede fallar», se puede decir que una predicción tiene muchas posibilidades de acertar en un horizont e de 72 horas . «A par tir de ahí , l a lín ea se difumina y no deberíamos darle tanta conf ianza , aunque cada vez son más fiables también los modelos de entre 5 días y una semana», explica . Todos estos avances no solo han redundado en que los hombres y mujeres del ti empo puedan apo st ar ant e l a audi enc i a c on más segur i dad , sino tambi én en el f in último de l as predicciones: evitar grandes desastres por causas meteorológicas. [...] Durante el reciente episodio de la borrasca Fi l o m e n a [ 2 0 2 1 ] , l a p r e d i c c i ó n m e t e o r o l ó g i c a a c e r t ó e n gran medida gracias a la c o n t i nu a re v i s i ó n d e los modelos y las distintas probabi li dad e s y e l u s o d e l Nowcasting, técnica que consi ste en ir revisando la prev i si ón a muy c or to plazo —hablamos de apenas horas— gracias a la llegada de nuevos datos casi de forma continua. [...] Para Marta Ferri Llorens, meteoróloga en la D e l e g a c i ó n d e l a C o mu n i d a d Va l e n c i a n a d e AEMET, algo que ha cambiado con rotundidad desde que comenzó a trabajar en 2008 es la cantidad de antiguas «zonas oscuras» que ahora sí que aportan datos a los modelos globales. «Hasta hace no mucho, África y buena parte de los océanos eran puntos ciegos en los que no se podía extraer información porque no había estaciones o sistemas de medición adecuados. O, si los había , no estaban conectados. Ahora , los satélites y las mejores conexiones gracias a internet han permitido que el volumen de datos sea muc h o m a y o r » , c u e n t a . [...] « Jamás habrá una predicción meteorológica 100 % segura», apunta José Miguel Viñas, una f ra s e q u e t a mb i é n s e re pi t e b a st ant e a l ha - blar de meteorología , y n o p o r s a l v a r a l o s hombres y mujeres del ti empo, sino porqu e es uno de los campos de la ciencia donde más fácilmente se aplica la teoría del caos. [...] www.xataka .com > Reflexiona sobre la importancia de la predicción meteorológica en diversos ámbitos. ¿Por qué es importante aunque no sea precisa al 100 %? B B A A A 1032 1028 1024 1020 1020 1016 1016 1012 1012 1012 1008 1008 1004 1004 1000 996 226371_01_p07_prediccion_meteorologica Sol o el pr ime r ordenador meteorol óg ico res olv ió una e cuac ión en l a que debe r í an habe r t rabajado 64 000 pe rs ona s pa ra l lega r a t iempo. Predicción de la tormenta Filomena publicada el 5 de enero de 2021, tres días antes de su llegada. 7
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