Los granos que nos rodean; estados conocidos y por conocer
Ignacio Venegas Castillo
http://pajarosnocturnos-ivc.blogspot.com/
ignacio.live4ever@gmail.com
INTRODUCCIÓN
Durante esta charla de introducción básica a los estados de la materia; haré referencia a los diversos estados conocidos de la misma y a los materiales granulares; que en la actualidad concertan gran cantidad de estudios, debido a sus particulares características que le permitiría ser considerado como un nuevo estado de la materia viva, que interactúa en la vida del hombre.
Para comprender todos estos sucesos, partiremos desde lo esencial; es decir, definiendo la materia: que es y puede ser todo aquello que constituye el mundo físico; ésta en si misma posee características físicas determinadas, las que se distinguen o diferencian por ser definidas, como la densidad, la resistencia, elasticidad, peso, dimensión y volumen, etc.
Ahora a dicha materia, con sus características propias; se le han determinado diversos estados según su comportamiento a ciertos factores como el calor y la presión entre otros, que provocan cambios físicos perceptibles para el hombre; siendo estos los más conocidos para el mundo escolar como Sólidos, Líquidos y Gaseoso, pero obviamente existen muchos más como el plasma, condensados etc. http://es.wikipedia.org/wiki/Estado_de_agregaci%C3%B3n_de_la_materia; http://en.wikipedia.org/wiki/State_of_matter que se pueden investigar y conocer.
El elemento que mejor nos demuestra la existencia de estos estados; es uno de vital importancia para la vida y existencia del hombre; hablamos del agua, conocida químicamente como H2O y que presenta diferentes pero interesantes características que veremos en el desarrollo de la charla.
Ahora todo esto, es lo que conocemos; lo que está establecido y que es enseñado en el colegio; Pero en los últimos años han surgido investigaciones que nos llevan a observar la arena, la sal, el azúcar y el maíz; esto es lo que se conoce como material granular; El material granular se ha llegado a considerar un nuevo estado de la materia, con la particular característica de adquirir o tener propiedades de todos los otros estados dentro de uno solo. ¿Qué son estos materiales?, ¿Cómo se comportan? ¿Qué utilidad tienen?, ¿Influyen en nosotros?; estas y otras interrogante son las que trataré de dilucidar con esta charla, que busca enseñar de una forma simple los cambios que se han descubierto con estos nuevos materiales
MATERIA
DE LAS PARTÍCULAS A LOS ELEMENTOS Y ALGO MÁS
Según la definición de diversos textos, la materia es todo lo que tiene masa y volumen y que ocupa un lugar en el espacio además de poseer inercia y generar una fuerza gravitatoria.
En palabras simples la materia es todo lo que vemos, tocamos y respiramos, es lo convive silenciosamente día a día con nosotros y que nos permite utilizar distintos utensilios o cosas.
Si bien ya sabemos qué es la materia, es probable que no se tenga claro de que está compuesta; como se comporta, como la apreciamos o como la vemos:
La materia está constituida por partículas imperceptible a nuestra vista, estos son los átomos; los átomos son las partículas más pequeñas de un elemento, sin incluir las partículas sub atómicas. Puede encontrarse independiente o junto con otros formando elementos combinados o moléculas que a su ves se agrupan y componen la materia progresivamente.
Para conocer y determinar el concepto de átomo tuvo que pasar mucho tiempo, muchas hipótesis y muchos científicos detrás de ellas, hasta que se estableció el modelo de Schrödinger. El que constituye la expresión más cercana a la realidad en la actualidad.
Ahora estos átomos al unirse con otros (estas uniones se catalogan enlaces, que pueden ser de diversos tipos), forman los elementos combinados que son unidades un poco más grandes ejemplo de esto es el cloruro de sodio (NaCl); para así continuar el proceso de uniones que dan origen a las moléculas; dentro de las cuales una de las más famosas es el H2O (agua).
El agua es un elemento con caracteriscas muy definidas que le permiten ser catalogada como disolvente universal, elemento conductor, y generadora de vida; el agua esta presente en ¾ partes de La Tierra, es la que nos provee de diversos minerales que aportan beneficios al organismo; de este elemento podemos decir que es un dipolo debido a su composición de hidrogeno + oxigeno, por tanto tiende a disociar ( separar) elementos que interactúan con ella (sal = sodio/cloruro), una molécula de agua al unirse con otra, genera espacios intermoleculares que permiten que otros elementos sean disueltos en ella (azúcar), también contiene un alto poder de almacenar calor característica importante para los estados de la materia y la fuerza de tensión superficial que le permite adquirir la imagen de gota en una superficie, entre otras.
Debemos contemplar que la materia para preciarse de tal, cuenta con lo siguiente:
Volumen: Corresponde al espacio que ocupa un sistema material sea este sólido, liquido o gaseoso.
Masa: Cantidad de materia que contiene un cuerpo, se mide por su inercia, es decir por su resistencia a cambiar su estado de movimiento cuando se le aplica una fuerza
Peso: Fuerza de atracción gravitacional que ejerce la Tierra sobre la masa de la materia, varía según la posición del cuerpo en la Tierra.
Habiendo revisado lo que puede ser elemental respecto de la materia y como ésta está representada en la vida cotidiana, podemos comentar que factores la afectan para llegar a ser conocida como los estados de la materia a los cuales estamos familiarizados. Los principales factores de alteración de la materia son:
Presión: científicamente se define como la fuerza ejercida perpendicularmente por unidad de área, en palabras sencillas es la “fuerza” que uno ejerce sobre un espacio, ejemplo de esto es cuando nos apoyamos en una mesa, o cuando un karateka rompe una tabla, o cuando uno se coloca sobre arena húmeda en un pie. Este factor afecta al agua y a otros materiales en sus 3 estados; al presionar un sólido, este se comprime más, es decir sus partículas se juntan mas dándole mayor densidad al sólido, en el caso de los líquidos se puede aplicar ejerciendo presión con un recipiente (tetera) o con algún objeto ajeno (naranja en un vaso) , pero con consecuencias no muy alentadoras, debido a que la fuerza de cohesión entre los enlaces de un liquido tiene una resistencia no muy elevada; en el caso de los gases la presión se aplica por medio de la compresión del mismo por medio de un recipiente (gas, oxigeno) lo que permite su transporte y utilización.
Densidad:
Masa/Volumen. , En simples palabras se define como la masa que corresponde a la unidad de volumen, además se utiliza para distinguir diferentes materias según su relación de masa y volumen. La densidad de un sólido tiene directa relación con cuanto pueda llegar a masar el mismo (multiplicando densidad x volumen); En el caso de los líquidos la densidad tiene directa relación con el espesor que está puede presentar; finalmente en el gaseoso la densidad va a tener relación con la movilidad o características de este, ya que un gas más o menos denso determina su capacidad de dispersión, de movilidad o de posicionamiento.
http://www.raulybarra.com/notijoya/archivosnotijoya4/4gravedad_especifica.htm
Calor:
Se define como una forma de energía que puede ser de mayor o menor fuerza calórica dependiendo de la movilidad que presente las partículas del componente utilizado (agitación térmica), generando así una mayor temperatura del compuesto (hacer diferenciación entre temperatura/calor); para hacerlo más simple se puede expresar como la energía liberada del roce de una partícula de material con otra, que cotidianamente experimentamos al frotar nuestras manos
El calor es uno de los factores de cambio más importante para los estados, ya que la variación de este permite los cambios de estado expresado en la siguiente imagen.
El calor provoca distintos cambios en el agua, para su cambio de estado tal como lo demuestra el cuadro y que se expresa con cambios transitorios en el volumen del mismo, estos cambios se denominan: dilatación (aumento de calor, aumenta el volumen) y contracción (disminuye el calor, disminuye en volumen); además este factor se transmite de distintas maneras, las más comunes se representan por medio de la Conducción (propia de los sólidos, al aplicar calor este se concentra en un punto, donde las partículas adquieren mayor movilidad (agitación térmica) y así transmiten calor a las partículas adyacentes); Convección (ocurre en los tres estados, al adquirir calor, las moléculas adquieren mas energía separándose entre sí, aumentando el volumen) y Radiación (conducción calórico que no necesita un medio material para su fin, es decir, puede suceder en el vació)
Vale la pena mencionar que estos son conceptos básicos de termodinámica, que estudiada en profundidad es conocida como la teoría del calor y dentro de los círculos universitarios como la teoría del terror, ya que sufre bastante en el estudio de ella.
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Ya sabemos que factores alteran los estados, ahora veremos los que los mantienen, la concepción de los estados en la forma que los conocemos depende de distintos factores como que:
Muchos átomos y moléculas se atraen entre sí como resultado de varias fuerzas intermoleculares, como lazos de hidrógenos, fuerzas van der Waals y otras. Los átomos y moléculas que tienen relativamente pequeñas cantidades de energía (y movimiento) interactuarán fuertemente entre sí, mientras que aquellos con relativamente altas cantidades de energía interactuarán poco. Esto se relaciona directamente con la Teoría Molecular Cinética de la Materia. Entonces los sólidos se forman cuando las fuerzas de atracción entre moléculas individuales son mayores que la energía que causa que se separen. Las moléculas individuales se encierran en su posición y se quedan en su lugar sin poder moverse. Aunque los átomos y moléculas de los sólidos se mantienen en movimiento, el movimiento se limita a una energía vibracional y las moléculas individuales se mantienen fijas en su lugar y vibran unas al lado de otras. A medida que la temperatura de un sólido aumenta, la cantidad de vibración aumenta, pero el sólido mantiene su forma y volumen ya que las moléculas están encerradas en su lugar y no interactúan entre sí. De igual manera se constituye en los líquidos y más escasamente en los gases debido a su característica de moléculas muy distanciadas.
He comentado respecto a los factores de que alteran a los estados, pero ¿Cuáles son las características propias de esto? Para eso haremos una aclaración rápida y sencilla:
Sólidos: Las partículas están muy próximas entre sí y vibran sin desplazarse; las oscilaciones de las partículas alrededor de su posición de equilibrio se hacen mayores al aumentar la temperatura y disminuye con al descenso de esta como explicábamos anteriormente.
Líquidos: Las partículas están próximas unas de otras, pero no ocupan posiciones fijas. Las partículas se mueven constantemente pero sin separase excesivamente unas de otras.
Gaseoso: Las partículas están muy alejadas unas de las otras, se encuentran en continuo movimiento y tienden a llenar todo el espacio del recipiente que contiene.
MATERIALES GRANULARES
Los materiales granulares están formados por un conjunto de corpúsculos sólidos individuales, sin importar si ellos son minerales o vegetales, grandes o pequeños, livianos o pesados; lo importante es que se trate de granos semejantes y perfectamente identificables como elementos constitutivos de la materia. Además los granos no interactúan a través de fuerzas conservativas como sucede con los átomos, los granos pierden energía y crean fricción a partir de la interacción de los mismos, lo cual veremos más adelante; contienen en si mismo variadas características como la dilatacia, distribución de fuerzas, la segregación, etc. Dependiendo de la energía cinética de los granos, un conglomerado de ellos puede adoptar el comportamiento de un sólido, un líquido o un gas. Un conjunto de granos se comporta como un sólido cuando están en reposo. Si los granos son cinéticamente más activos, su comportamiento se asemeja al de un fluído. Una actividad cinética aún mayor da lugar a un comportamiento gaseoso.
La historia del análisis de estos materiales proviene desde hace algunos siglos, comenzando por físicos célebres como Coulomb (1773), Faraday (1831) y Reynolds (1885) que estudiaron algunas de sus propiedades, como la dilatancia y la fricción entre los granos. En años recientes, ha resurgido el interés entre los físicos por realizar estudios en este campo, debido a sus múltiples aplicaciones prácticas; sin contar los grandes desafíos que presentan para los hombres fuera del planeta. La NASA está con stantemente estudiando estos materiales, para determinar el comportamiento de la arena en el vecino planeta de Marte, "Si se excava una zanja en Marte, ¿qué tan pendientes pueden ser las paredes para que permanezcan estables sin que se derrumben hacia adentro?.
Entrando de lleno en materia, el comportamiento de los granulares no es un comportamiento similar a uno solo de los estados tradicionales de la materia, sino a una combinación de todos ellos, lo que hace difícil describirlo y, por tanto, predecirlo; Todas estas características del material granular explican fenómenos cotidianos muy singulares. Por ejemplo, ¿por qué la arena se seca alrededor de nuestro pie cuando caminamos por la orilla de una playa? ¿O por qué, en un envase de palomitas de maíz, los granos que no han reventado siempre están abajo?, además juegan un importante rol en muchos procesos sean productivos, geológicos como las avalanchas o deslizamientos, la erosión y, a mayor escala, las placas tectónicas.
Características propias de los granulares son:
En un comienzo no podemos dejar de mencionar que los granulares adaptan caracteres de otro estados, ejemplo de esto sn las piedras; las piedras o gravilla vistas por si solas o en un pequeño conjunto son sólidos; ahora si son almacenadas en un envase adquieren la propiedad de adaptarse a este y además de fluir a través de algún conducto, al igual que un liquido y finalmente si se les aplica vibración o movimiento para quitarles el estado de inercia, se comportan como un gas dispersándose en el lugar o en un sólido conformando alguna duna.
Ahora esto descrito se debe a caracteres específicos tales como:
Dilatancia: También conocido como auto segregación Es la capacidad de expandirse como un todo. Los materiales granulares pueden separarse espontáneamente ya sea por peso, forma o tamaño. También ocurren cosas interesantes cuando queremos hacer lo opuesto, o sea mezclarlos como lo demuestra el siguiente práctico.
Además este concepto se puede asociar con la agitación de las partículas (en este caso poco cohesionas aunque depende de cómo se encuentre el material) que ayuda a romper las uniones cohesivas que mantienen unidos a los suelos compactados y también puede ayudar a mitigar el riesgo de que los suelos vayan a colapsar. Siendo conocido esto como las propiedades de presión y licuación que queda explicito al experimentar con la arena; en ésta bajo compresión, la resistencia es casi dos veces mayores de lo que normalmente se habría estimado. Cuando se produce un terremoto, el suelo húmedo que se encuentra por debajo de la superficie, a veces se licua convirtiéndose repentinamente en algo parecido más a arenas movedizas
Esto sucedió durante el terremoto de Loma Prieta en 1989 en San Francisco. Las vibraciones licuaron el suelo empapado en agua en Marina District, causando el hundimiento de edificios hasta que el tercer piso alcanzó el nivel del suelo.
Segregación: Es la separación de las partículas por tamaño, lo que queda demostrado de la siguiente forma
Arcos de fuerza: Entre ellos existe rozamiento, lo que les permite apoyarse unos sobre otros y formar estructuras que se conocen como arcos o puentes. Estas estructuras determinan muchos de los fenómenos característicos de estos sistemas. Por ejemplo, la presión ejercida sobre el fondo de un silo es constante, sin importar la altura de la columna de trigo; Un arco tiene la propiedad de transmitir el peso de todo lo que se encuentra sobre él hacia los lados, del mismo modo en que, sobre una puerta, el peso de los ladrillos superiores se transmite hacia las paredes laterales. Esta característica hace que buena parte del peso del cereal dentro de un silo se trasmita a las paredes y no al fondo del silo. El resultado es una gran presión sobre las paredes del silo y una presión constante en el fondo, independientemente de lo lleno que esté el silo. De ahí que la velocidad de salida de grano por una boquilla en el fondo de un silo sea constante al igual que el descenso de la arena en un reloj de vidrio y a diferencia que el agua, ya que esta depende del la presión que ejerce el peso de la misma; lo anecdótico es que la gran mayoría de los arcos tiene forma de gusano. El arco es una especie de cadena de esferas sostenida por patas a los lados.
Si bien lo descrito anteriormente es la parte teórica de la charla, en lo práctico podemos apreciar algo que nos entrega bastante información de los materiales granulares; un análisis realizado por la NASA arroja entre otros datos lo siguiente:
-“Físicamente hablando, los castillos de arena están construidos de granos, es decir, miles de millones de pequeñas partículas de bordes afilados que rozan y giran todas juntas. La resistencia de un castillo de arena depende de la interacción de los granos entre sí. La arena húmeda se pega debido a que el agua forma pequeños puentes entre los granos. La tensión superficial - la misma fuerza que permite a algunos insectos caminar sobre la superficie de un charco - actúa como bandas de goma entre los granos. El agregado de agua a la arena húmeda llena los espacios entre los granos. Los puentes se desvanecen y la arena comienza a fluir más fácilmente.”-
