Tercer Milenio
En colaboración con ITA
Detective de la ciencia
La medición de la gravedad y las ranas que flotan
Ya hay batracios que flotan en el aire y un novedoso gravímetro portátil y de gran sensibilidad. Descubre qué tienen que ver.
¿Alguna vez podremos medir el valor de la gravedad con total precisión en cualquier instante y lugar? Sí, cuando las ranas críen pelo… o cuando leviten. Pues bien: ya hay batracios que flotan en el aire y un novedoso gravímetro portátil y de gran sensibilidad.
Aunque se suele asumir que el valor de la gravedad es constante y de 9,81 m/s², en realidad esto no es así. La aceleración de la gravedad fluctúa ligerísimamente dependiendo de múltiples factores: la posición de la Luna y el Sol con relación a la Tierra, la ubicación (longitud y latitud), la altitud o la actividad y la composición del subsuelo. Y esto último resulta fundamental a la hora de localizar depósitos de petróleo y gas, y más aún para monitorizar la actividad volcánica y sísmica.
En este contexto, el Santo Grial de la gravimetría –la disciplina que estudia la gravedad– es poder medir con la mayor precisión posible el valor de g en cualquier instante y situación. Un reto aún por conquistar por cuanto los gravímetros actuales o no son lo suficientemente sensibles y/o estables (los basados en osciladores mecánicos), o bien presentan un tamaño y unos requerimientos de refrigeración extrema (los basados en superconductores) que los condenan a permanecer aislados en laboratorios y centros de investigación.
Por todo lo anterior es tan relevante que investigadores chinos de la Universidad de Nanjing hayan conseguido ir un paso más allá al diseñar un prototipo de gravímetro compacto, pequeño, que opera a temperatura ambiente y con una sensibilidad que supera con creces la de los aparatos actuales.
Un instrumento para el futuro que, irónicamente, está inspirado por un concepto desarrollado hace ya un cuarto de siglo y demostrado por una rana: la levitación diamagnética.
También se suele asumir que las sustancias diamagnéticas, como la madera, el plástico o el agua no reaccionan en presencia de un imán, no sienten su presencia –en contraposición a los ferromagnéticos, que son atraídos por los imanes–. Pero en realidad, y por contraintuitivo que resulte, los cuerpos o materiales diamagnéticos sí reaccionan en presencia de un imán (mejor dicho, de un campo magnético externo). Experimentan una débil repulsión (tan débil que muchas veces no es apreciable: si acercas un imán casero a una taza o un lápiz aparentemente no pasa nada). Un comportamiento conocido desde el año 1845, cuando Michael Faraday observó que un trozo de bismuto era repelido por cualquiera de los dos polos de un potente imán.
Pero no fue hasta finales del siglo XX cuando científicos neerlandeses confirmaron que, atendiendo a este comportamiento, en presencia de un campo magnético suficientemente fuerte, cualquier cuerpo puede levitar y flotar manteniéndose quieto en el espacio. Algo que demostraron de forma muy llamativa y publicitada en el año 2000 haciendo levitar a una rana. La levitación diamagnética se explica a partir del magnetismo atómico.
De forma muy sencilla y sintética: en presencia de un campo magnético, los electrones atómicos ‘reaccionan’ generando un campo magnético opuesto. Así, cada átomo de un material diamagnético se comporta como un diminuto imán que es repelido por el campo aplicado. Cuando este ejerce su acción desde abajo y es suficientemente fuerte, dicha repulsión (que empuja a los átomos hacia arriba) compensa la atracción de la gravedad (que tira de los átomos hacia abajo) y la anula y el objeto en cuestión puede levitar o flotar en el espacio. De hecho, este es el fundamento en el que se basan los gravímetros de superconductores (que manifiestan un diamagnetismo perfecto, por lo que pueden levitar incluso en presencia de imanes y campos magnéticos débiles).
Pero el nuevo dispositivo da una vuelta de tuerca a la aplicación de la levitación diamagnética, ya que en este caso el objeto que flota es un pequeño imán permanente.
El prototipo en cuestión consiste en dos imanes, uno potente y que permanece fijo a la parte superior del equipo y otro más pequeño y ligero situado unos centímetros por debajo y rodeado por una carcasa de grafito, un material fuertemente diamagnético.
La fuerza atractiva ejercida (hacia arriba) por el potente imán fijo contrarresta la atracción gravitatoria (que tira del imán pequeño hacia abajo) y hace levitar el imán pequeño. Y las débiles fuerzas de repulsión diamagnética de este con el grafito que lo rodea lo estabilizan en el espacio de tal forma que el imán oscila arriba o abajo cuando la gravedad fluctúa.
Por lo demás, el mecanismo se completa con un pequeño hilo de cobre que cuelga del imán flotante y cuyo extremo interrumpe un haz láser dirigido a un fotodetector. Así, cualquier mínima variación de la gravedad provoca que el imán oscile, que el extremo del cable haga lo propio y, con ello, que varíe la cantidad de luz detectada por el fotorreceptor; gracias a lo cual se puede saber en cada momento el valor de g con enorme precisión y sensibilidad.
La conexión neerlandesa de los gravímetros
El nuevo gravímetro habría hecho las delicias de Felix Vening Meinesz, el geofísico holandés que a principios del siglo XX inventó el primer gravímetro de la historia. Se basaba en un mecanismo en muchos aspectos paralelo al del prototipo chino, pero, al mismo tiempo, inspirado en gran medida en el interferómetro de Michelson: consistía en tres péndulos que oscilaban fuera de fase de tal modo que, en conjunto, todas las fuerzas externas se anulaban excepto la gravedad, cuyas variaciones eran medidas a partir del patrón de interferencia producido por haces de luz dirigidos a los péndulos y que eran detectados por un sistema de espejos tras rebotar en aquellos.
Curiosamente, Meinesz también recurrió a un objeto flotante para hacer sus mediciones: se dedicó a medir la gravedad por todo el planeta a bordo de submarinos. Con los motores apagados, la fuerza de empuje o flotabilidad contrarrestaba la atracción gravitatoria y el submarino permanecía flotando inmóvil.
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