Desde el rayo al viaje del trueno - Ejercicios de física y matemática

Desde el rayo al viaje del trueno
En épocas invernales, o cuando se dan las circunstancias necesarias, ocurren
una serie de fenómenos atmosféricos, siendo uno de ellos la caída de rayos.
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el resplandor luminoso que provoca, que se llama relámpago, y
el ruido que se produce, que se llama trueno.
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En la literatura relacionada con física, pero
quizás no muy experta, es común que se
diga que el ruido del trueno se propaga con
la velocidad del sonido que existe en el lugar.
Sin embargo, eso no es cierto y en dicha
literatura se comete un error que puede
perdurar en los aprendizajes de las
personas, ya que se relaciona con un
fenómeno que es parte de los conocimientos
significativos que se adquieren con facilidad.
Para entender dónde está el error, es
necesario comprender primero el cómo se
produce el ruido llamado trueno.
Y aquí surge otro conocimiento que se
transmite con cierta frecuencia:
Thor: Dios del trueno
“Que el ruido que sigue a la caída de un rayo es producido por el choque de las
nubes que origina un rayo”, o algo similar, pero siempre referido a un choque
de nubes.
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Entonces, ¿cómo se produce un trueno?
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Las nubes son, en esencia, una gran cantidad de gotas de agua de tamaños
micrométricos, y que al acercarse una a otra provoca una fusión entre ambas,
es decir no ocurre un choque propiamente tal. Sin embargo, bajo ciertas
condiciones, esta fusión puede provocar un fenómeno atmosférico conocido
como “cumulonimbo”, y éste sí puede ser el origen de una tormenta, que puede
incluir lluvia, rayos y otros fenómenos que muy bien explica la meteorología.
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Veamos su explicación, además de algunos datos referidos a los rayos.
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Esa situación también es errónea, el trueno no se produce por colisión o
choque de nubes.
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Cuando cae un rayo ocurren dos cosas muy llamativas:
Como ya se mencionó antes, un trueno es una consecuencia de la ocurrencia
de un rayo. Y un rayo es una descarga de tipo electrostática que ocurre
especialmente cuando hay una tormenta eléctrica que, muchas veces, es
Hernán Verdugo Fabiani
Profesor de matemática y física
www.hverdugo.cl
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acompañada de lluvias, al menos así es en nuestro país. Es un fenómeno
natural muy frecuente y que siempre ha existido en la Tierra.
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Hay básicamente tres tipos de rayos: los que van de una nube a la tierra, los
que se dirigen desde la tierra a la nube y los que ocurren al interior de las
nubes.
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La cantidad de energía involucrada en un rayo es muy grande, tan grande que
podría equivaler a la cantidad de energía que en la Tierra se consume durante
varios años. ¿Por qué no se utiliza entonces?, bueno, simplemente porque aún
no existe la posibilidad de “atrapar” esa energía, almacenarla y luego ponerla a
disposición de las necesidades energéticas de la humanidad.
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¿De qué está compuesto un rayo? Es plasma. Y también se puede agregar
que es una corriente eléctrica a través de moléculas de aire, que se ionizan con
su paso.
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En orden de frecuencia, los que más ocurren son los que ocurren al interior de
las nubes, luego están los que se dirigen de las nubes a tierra y en menor
medida ocurren los que ascienden desde tierra a las nubes.
Los rayos no viajan en línea recta
entre
dos
lugares,
es
característico
en
ellos
su
trayectoria zigzagueante o con
ramificaciones. Un rayo, además,
puede alcanzar una distancia que
puede superar los 2 kilómetros.
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El porqué ocurre un rayo no es
materia de éste artículo, pero sí
puedo mencionar que hay más de
una hipótesis que explica su origen.
Hernán Verdugo Fabiani
Profesor de matemática y física
www.hverdugo.cl
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El rayo, al desplazarse, calienta
rápidamente al aire que está en su
entorno, entonces, el aire con la
gran temperatura que alcanza, por
absorción de energía, se dilata
también de manera muy rápida,
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Una característica más de un
rayo, y que resulta determinante
para la ocurrencia de un trueno,
es la alta temperatura que tiene.
Rayos en la erupción del volcán Chaitén. 2008
Su temperatura puede alcanzar
sobre los 25000 °C. Esta temperatura, entre otras cosas, es lo que hace que no
sea posible su control y manipulación para usarlo como fuente de energía.
expandiéndose en todas las direcciones a partir del lugar en que ocurre el rayo.
Pero al ir expandiéndose se va encontrando con masas de aire frío, lo que le
provoca el efecto contrario, es decir: una contracción.
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Y, aquí viene lo más interesante, y tal vez novedoso para más de alguien, el
sonido del trueno no viaja como una onda sonora más, sino que viaja junto a la
onda de choque. Y, una onda de choque puede alcanzar velocidades muy
superiores a los 10000 m/s. Es decir sobre las 30 veces la velocidad del sonido
en el aire.
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Ahora bien, considerando que el sonido viaja junto a la onda de choque, ¿es
posible determinar la distancia a que ocurre un rayo, desde la posición de un
observador que mide el tiempo
que hay entre el relámpago y el
trueno? Esto es lo que se
propone en la literatura poco
experta.
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La ocurrencia de esa expansión y contracción de la masa de aire que rodea al
rayo, es una onda de choque, y en el inicio de su surgimiento provoca un gran
ruido, como una fuerte explosión, ese es el ruido conocido como trueno.
No, no es posible utilizar el
tiempo que hay entre el
relámpago y la recepción del
sonido del trueno por un
observador. ¿Por qué?
Hernán Verdugo Fabiani
Profesor de matemática y física
www.hverdugo.cl
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Dibujo que está en
http://salonhogar.net/Enciclopedia/Naturaleza_y_rec
ursos/Rayos_relampagos.htm
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Tarea para la casa: atrapar un rayo, almacenarlo y solucionar los problemas de
energía de la sociedad actual. ¡Ah!, cuidado con quemarse al intentar atraparlo.
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Porque la velocidad de una
onda de choque no es constante, como sí puede considerarse la velocidad del
sonido, la onda de choque se inicia velozmente pero luego su velocidad
disminuye. Disminuye hasta que la onda de choque es completamente
absorbida por el aire donde se propaga, recién a partir de ahí puede utilizarse
la velocidad del sonido en el aire.