Los rayos y los riesgos que corremos durante las tormentas eléctricas

La foto anterior fue tomada por un profesional de nombre Martin Fischer

¿Pero qué son los rayos?

La etnia Navajo, formada por los habitantes originales de lo que pasó a ser el Estado de Arizona como consecuencia de la invasión anglosajona, tenía una leyenda acerca de los rayos que acompañan las lluvias de verano. En ella contaban que éste ocurría cuando un ave mítica batía sus alas para crear el trueno y al mismo tiempo reflejaba con sus ojos los rayos del Sol.

Ahora somos más prácticos, usamos la ciencia para explicar la naturaleza y desde hace más de 200 años sabemos que los rayos son de naturaleza eléctrica. Todos conocemos esas tormentas, que en el lenguaje común son conocidas como rayos. Se presentan principalmente en el verano y vienen acompañadas de un ruido atronador y de un pulso luminoso que llamamos relámpago.

Ocurren como resultado de las nubes de desarrollo vertical, las cuales surgen como consecuencia de las corrientes de convección alimentadas por el flujo de vapor de agua. Se llama así al movimiento ascendente de aire calentado en contacto con el suelo. Cuando está más caliente que el de su alrededor, su densidad es menor, por eso sube. Durante el ascenso ejecuta un proceso adiabático, nombre recibido porque casi no hay intercambio de calor entre la celda de aire ascendente y el medio circundante.

Ese aire que asciende se enfría mientras se expande, dando lugar a un aumento de su densidad, lo cual lo trae de regreso hacia el suelo, generando un proceso cíclico.

Durante esa circulación se forma una región donde la presión es ligeramente menor, dando lugar a que el vapor de agua fluya hacia allí, haciendo nacer una nube cuyo tamaño puede crecer, alcanzando en ocasiones más de 15 kilómetros de altura.

La forma precisa en la cual se carga eléctricamente la nube es un tema discutido a nivel de grupos de investigación sobre la física de las nubes. Hay varias propuestas que tratan de explicar cómo y por qué se carga de electricidad la nube, pero cada modelo tiene sus ventajas y sus críticas. Hasta ahora, no existe consenso entre los especialistas del ramo.

Cuando la nube está madura se encuentran en su parte baja una gran cantidad de cargas eléctricas negativas, mientras que las positivas se acumulan en la parte alta de la nube, donde se dispersan junto con el vapor de agua que se abre, como podemos ver con frecuencia en las nubes de verano.

Los rayos que nos preocupan son las descargas eléctricas que se transmiten entre una nube y la tierra y constituyen solamente el 10% de todas las que se generan en la nube. El otro 90% de rayos ocurren de un sitio a otro de la nube y pueden ser observadas en la noche en las tormentas relativamente lejanas. Obviamente, en la ciudad se complica esta observación.

La duración aproximada del rayo es de 5 diezmilésimas de segundo y en ese tiempo transmiten una energía de 500 megajoules de energía, que es equivalente a la energía gastada por  500 mil planchas eléctricas de las que se usan para planchar la ropa.

El rayo es una descarga eléctrica que se transmite a través de un canal que mide de 2 a 5 centímetros de grosor. Súbitamente calienta el aire hasta alcanzar una temperatura de 39 mil grados centígrados, más de seis veces superior a la de la superficie del Sol. La intensidad del trueno es mayor que los 120 decibeles, y por eso, es diez veces superior al ruido de un rotomartillo en acción.

La carga transferida varía desde 10 a 30 coulombs, con una corriente eléctrica de 30 mil amperes, que equivale a conectar en paralelo 500 baterías de automóvil de tamaño promedio. Por esa razón, la descarga sobre la tierra es capaz de fundir los granos de arena, formando minerales fundidos que reciben el nombre de fulguritas. Tienden a ser alargados y claramente se observa que son producto de temperaturas muy altas. Escribiendo la palabra: “fulgurita” en la sección de imágenes de google puedes encontrar muchas imágenes sobre cómo son. Una liga con muchas fotografías se inserta enseguida:

http://webecoist.momtastic.com/2009/11/03/fulgurites-high-glass-digs-where-lightning-goes-to-die/

¿Por qué corremos peligro durante las tormentas eléctricas?

En Hermosillo Sonora es común esta clase de formaciones nubosas, en el verano de 2012, por ejemplo, se presentaron muchas nubes de desarrollo vertical. Una de ellas es la siguiente:

El golpe directo de los rayos es evidente, pues si pueden fundir los minerales de la tierra, también pueden acabar con la vida de las personas o destruir propiedades y generar incendios. Sin embargo, los efectos más frecuentes, porque el área de influencia es más grande, son los de tipo indirecto, que se presentan en lugares separados varias decenas de metros del punto donde el rayo cae. Explicaremos esto último enseguida:

En la siguiente imagen vemos una recta vertical anaranjada que indica una varilla, un árbol, o cualquier otro objeto prominente que se alza por encima del suelo. A la derecha de la imagen se encuentra una línea quebrada de color rojo que representa el rayo. En el suelo hemos dibujado elipsoides que significan círculos concéntricos en el suelo, cada uno de los cuales representa una línea en la cual una cantidad llamada “potencial eléctrico” se mantiene constante. En el lenguaje de la física lo anterior quiere decir que, de un círculo a otro, ese potencial es diferente, a lo cual se le asigna el nombre de voltaje.

En la vida cotidiana aprendemos que cuando existe un voltaje entre las puntas de dos baterías, al conectar ambas con un alambre conduce una corriente eléctrica.

Cuando una persona se encuentra a algunas decenas de metros de un rayo, puede ser sorprendida caminando como se indica en la siguiente figura. En ella se demuestra que cada pie está en contacto con un círculo diferente, de modo  que entre dos partes de su cuerpo aparece un voltaje como consecuencia de la acción del rayo, aunque no le golpee directamente.

En el caso de una persona cuyo paso sea de 50 centímetros, puede haber entre sus dos pies un voltaje de 500 voltios, y cuando el suelo está seco, casi toda la corriente se mueve a través de su cuerpo, provocando que se electrocute, causándole lesiones que pueden llevarlo a la muerte. En cambio, si el suelo está mojado, las posibilidades de sobrevivir mejoran.

Lo anterior puede generalizarse a varias situaciones diferentes.

Pondré como ejemplo el caso de una casa, o instalación comercial, donde se encuentran personas mientras se desarrolla una tormenta eléctrica durante en época de lluvias de verano. Tomo de Panoramio una foto de René Trujillo, quien muestra en google earth varias fotografías de San Pedro de la Cueva, un pueblo de Sonora en la orilla de la Presa del Novillo.

Supongamos que existe allí servicio de agua por tubería y también un poste cercano de cualquier otro servicio. También podría tratarse del árbol que se observa a la derecha de la foto, hacia atrás de la vivienda.

Supongamos que cae sobre ese árbol, o algún poste cercano, un rayo en el momento en que se lava las manos una persona, o bien, quien atiende el restaurante está lavando los platos. Aunque el rayo no golpea sobre la estructura de la casa, la distancia desde del sitio donde cae la descarga eléctrica hasta la tubería del agua es diferente de la distancia desde ese sitio hasta los pies de la persona en contacto con el agua. El resultado es que el voltaje de esa agua que sale por la llave es casi el mismo que en el sitio de la tubería más cercano al punto donde pega el rayo. Esto da por consecuencia que hay un voltaje de miles de voltios entre las manos de la persona y sus pies. La descarga electrocutará a quien resulte sorprendido(a).

 El mismo fenómeno se presenta si alguien usa el teléfono tradicional cuando ocurre una tormenta eléctrica. Un rayo sobre un poste del servicio eléctrico generará un voltaje casi igual en la punta del auricular que usa la persona, en cambio donde tiene sus pies, habrá otro diferente. El resultado es similar al mencionado arriba.

Datos de personas accidentadas por los rayos

Hay algunos datos interesantes en el portal mimeteo.com, desarrollado por la empresa EcimTech, dedicada a servicios informáticos, en compañía de Mauricio Saldívar & Asociados, en la cual se dedican a asesoría y servicios sobre ciencias de la atmósfera y ambientales.  Allí se afirma que México es una de las naciones con más alta densidad de rayos en tierra. Afirman que entre 2005 y 2011 ocurrieron 320 fallecimientos como consecuencia de este fenómeno. A su vez, los heridos por la misma razón fue de 12 mil 200 personas.

http://www.mimeteo.com/blog/tuttifrutti/muerte_rayos_mex/

Citan como fuente de su afirmación a Arturo T. Juárez, de la Asociación nacional de Normalización y Certificación del Sector Eléctrico (ANCE).

El portal de noticias e-consulta afirma, en una nota de Oscar Rodríguez fechada el 15 de julio de 2012, informa sobre la muerte de dos campesinos y de una mujer que colaboraba con ellos en una parcela. Estos hechos ocurrieron como consecuencia de la caída de un rayo sobre un árbol en el que se guarecían de la lluvia que los había sorprendido mientras cita una información vertida por Felipe Reyna, titular del Instituto de Protección Civil del Estado de Oaxaca.

Datos como los anteriores hay miles. Lo que se requiere es tomar las medidas preventivas necesarias para proteger a las personas.

La prueba del maratón, el agua y la energía de los corredores.

La prueba del Maratón cierra los juegos olímpicos y consiste en correr una distancia de 42 kilómetros más 195 metros.

Su nombre proviene de la leyenda acerca del soldado griego Filípides, quien habría recorrido la distancia de 42 kilómetros que separa al Valle de Maratón de la Ciudad de Atenas.

De acuerdo a la leyenda, Filípides corrió esa distancia después de viajar varias veces entre Atenas y Esparta para pedir ayuda, siendo su última carrera el trayecto entre el valle que se llama Maratón y la ciudad, con el encargo de avisar que habían vencido.

En realidad, el dato histórico más preciso parece ser que fue todo el ejército griego el que corrió desde el valle hasta Atenas para defenderla antes de que los persas le dieran vuelta a la península a bordo de sus barcos y la atacaran.

¿Pero qué tan grande es el esfuerzo que realizan los atletas cuando corren esta prueba olímpica? Veremos enseguida que hay dos grandes riesgos a superar cuando se corre el Maratón.

El primer problema a enfrentar es la fuente de energía para los músculos. La base de energía para las células de este tejido es el glicógeno, que resulta fundamental para los atletas de distancias cortas, como 100 o 200 metros planos.

El ser humano puede sintetizar el glicógeno y almacenarlo para su uso. En el caso de los corredores de largas distancias, pueden almacenar hasta 2 mil kilocalorías en sus cuerpos, lo cual les permite recorrer alrededor de 30 kilómetros de competencia.

Cuando la cantidad de glicógeno escasea, el cuerpo empieza a utilizar la grasa almacenada, lo cual ocurre con lentitud, hasta que ésta también se agota. Entonces ocurre un fenómeno de fatiga extrema que los corredores de maratón llaman: la pared.

Modernamente los corredores utilizan unos gels que proporcionan energía mientras corren. Se trata de sustancias energéticas con cantidades variables de sodio y de potasio que se ingieren con pequeñas cantidades de agua. Y quienes no disponen de esta tecnología sofisticada utilizan dulces sólidos, galletas y otras formas de azúcar concentrada.

El consumo de alimentos diferentes a los anteriores suele enfermar a los atletas y por esa razón se les recomienda no introducir sustancias diferentes a las de su dieta usual.

El segundo problema que enfrentan es el consumo de agua. Mientras corre durante un día caluroso, un corredor promedio pierde, por hora, hasta un litro y seiscientos mililitros de este líquido. Esta es la cantidad de agua que cabe en un poco más de seis tasas y media de café.

Para reponerlo, el atleta toma agua periódicamente, pero ésta no pasa desde el estómago al flujo sanguíneo, sino que, una vez allí, necesita pasar al intestino antes de ser absorbida por el organismo, lo cual ocurre a una velocidad de 0.6 litros por hora y da por consecuencia que el corredor de maratón tenga siempre un déficit de aproximadamente un litro de agua cada hora.

Este déficit de líquido repercute en el rendimiento del atleta, pues da lugar a que corra 3% más lento después de la primera hora y 6% más lento después de la segunda.

La táctica más recomendada consiste en tomar aproximadamente 400 mililitros de agua (casi el doble de una tasa común), cerca de 20 minutos antes del iniciar la carrera y mantenerse ingiriendo 100 mililitros de agua (un tercio de una tasa) cada 10 minutos durante la carrera para mantener al estómago cerca de su tope.

Hasta antes de la Olimpiada de Londres, en el año 2012, la marca más rápida del mundo se debe al corredor keniano Patrick Makau, quien el 25 de septiembre de 2011 cubrió la distancia del maratón en 2 horas 3 minutos y 38 segundos.

Entre las mujeres, la mejor marca del mundo, hasta antes de la Olimpiada de Londres, en el año 2012, es el de la corredora inglesa Paula Radcliffe, quien el 13 de abril de 2003 corrió el maratón en 2 horas, 15 minutos y 25 segundos.

El material de la pista de atletismo

En los juegos olímpicos de Beijing ocurrieron resultados en las marcas del atletismo que mostraban mejores tiempos en las competencias de distancias cortas.

Nuestra pregunta es: ¿influye de alguna manera las instalaciones olímpicas utilizadas?

La respuesta es sí, porque la pista es construida con una nueva clase de poliuretano que puede mejorar el rendimiento de los atletas.

A diferencia del antiguo sistema a base de arena volcánica, que facilitaba a los corredores hundir los picos de sus zapatos para carrera y usarlos como ganchos que les permiten impulsarse, el nuevo material utilizado se deforma de manera elástica para devolverle al atleta la energía gastada. Así, en lugar de desperdiciar energía que se disipa como calor en la pista, la respuesta elástica del suelo hacia el atleta lo ayuda a impulsarse.

La última olimpiada con pista de atletismo a base de arena volcánica fue la de Tokio, en 1964. La marca mundial de 10.0 segundos, del estadounidense Bob Hayes, se logró sobre esa clase de superficie que ahora es obsoleta. En cambio, la primera olimpiada con superficie sintética fue la de México, en 1968, donde se inauguró el conocido tartán.

La construcción de una pista de tartán implica serias consideraciones previas para tomar una decisión:

1. La pista puede ser muy dura y respaldar el traslado de los corredores de velocidad, quienes se ven beneficiados por la respuesta elástica de la superficie sintética.
2. A diferencia del interés de los velocistas, los corredores de largas distancias se sienten afectados por la extrema dureza de la pista, lo cual se traduce en dolores de los tobillos y pantorrillas, con riesgo de lesión como consecuencia del impacto tan alto que produce una pista sintética dura.
3. Por el contrario, los corredores de distancias largas están felices cuando la pista es relativamente blanda, con una respuesta elástica moderada que no pone en peligro sus piernas.

Con las técnicas modernas, la construcción de una pista de atletismo inicia con la instalación de un piso firme de asfalto, seguido de un material que se llama elastómero, llamado así porque tiene propiedades elásticas similares a las de las ligas que se venden en las papelerías. Finalmente se aplica una capa granulada que evita los deslizamientos.

El elastómero y el granulado se untan sobre la superficie de asfalto y ya no necesitan del uso de mercurio, que cuando ingresa a nuestro organismo se comporta como una neurotoxina que daña el sistema nervioso central en los adultos y produce impedimentos en el desarrollo neurológico de los fetos.

La pista del estadio “Nido de Pájaro” de Beijing fue hecha con un material suficientemente duro como para facilitar el desplazamiento de los velocistas. En cambio, los corredores de largas distancias se quejaron de dolor en los tobillos, especialmente las damas.

En algunas pruebas de damas, las corredoras tomaron precauciones, por ejemplo la competencia de 5 mil metros femeninos fue corrida con una lentitud extrema por parte de las corredoras finalistas, quienes trataban de evitar una lesión, cuidando su organismo para cerrar los últimos mil 200 metros a gran velocidad. En este caso, la única prioridad era estar en condiciones de un cierre muy rápido sin arriesgarse a quedar fuera de la carrera por lesiones.

En el caso de las competencias de Londres en 2012 es interesante esperar si las mejores marcas en la pista de atletismo ocurren en las pruebas de velocidad, o en las carreras más largas.

Física del salto con garrocha

El salto con garrocha es una competencia de atletismo que consiste en tratar de saltar por arriba de una varilla colocada horizontalmente a cierta altura. El procedimiento consiste en tomar impulso durante una carrera de 50 a 60 metros sosteniendo una vara larga que el atleta coloca en una cavidad que detiene su carrera y permite transferir la traslación horizontal en una vertical.

Las garrochas usadas a fines del siglo XIX eran de madera, pero a principios de los años 1900 fueron cambiadas por otras de bambú, que tenían la misma resistencia pero eran más livianas. Después se usaron garrochas de acero y de aluminio.

En lo referente al salto con garrocha, las reglas de la Federación Internacional de Atletismo Amateur son muy flexibles. No hay restricción sobre longitud de la garrocha, ni sobre el material que se usa para construirla, tampoco sobre la capacidad para almacenar energía en caso de deformación. La única estipulación es que la superficie sea suave en general y no tenga demasiada cobertura con cintas adhesivas.

A principios de los años 1960 se empezó a utilizar un nuevo tipo de garrochas a base de fibra de vidrio rellena de un polímero que es una forma de resina.

La característica de este tipo de garrochas fue incrementar la flexibilidad y permitir al atleta la realización de un movimiento gimnástico en el que se coloca con la cabeza hacia abajo, combando el cuerpo en torno a la varilla que no debe derribar, logrando así que su cuerpo arqueado pase por arriba mientras su centro de masa puede pasar por debajo de ella.

Si un saltador de 80 kilogramos alcanza una velocidad de 10 metros por segundo, que equivale a 36 kilómetros por hora, gana una energía cinética de 4,000 joules, lo cual puede convertir en una altura de 5 metros, si realiza los movimientos de acuerdo a la técnica correcta.

Sin embargo, los ganadores de la prueba de salto con garrocha logran marcas cercanas a los 6 metros, lo cual nos lleva a preguntarnos de dónde surge el metro restante.

La respuesta está en que, además de convertir el impulso horizontal logrado durante la carrera en otro impulso vertical, el atleta dobla la garrocha con los músculos del tronco y de los brazos, haciendo que, al combarse, ésta almacene una energía elástica que impulsa al saltador hacia arriba.

En condiciones ideales, la energía elástica de la garrocha puede llegar hasta los 1,250 joules, lo cual permitiría casi un metro con 60 centímetros adicionales, que sumados a los 5 metros ya mencionados, alcanzaría para llegar hasta alturas de 6 metros con 60 centímetros.

Lo anterior explica por qué antes de 1960 los mejores saltadores con garrocha estuvieron siempre por debajo de los 4 metros con 80 centímetros, logrando superar los 5 metros hasta el año de 1963.

En 1912 el mejor saltador del mundo alcanzaba los 4 metros con 2 centímetros, mientras que en 1960 se encontraban en los 4 metros con 80 centímetros. Esto nos dice que, en 48 años, apenas habían incrementado la mejor altura en 78 centímetros.

En cambio, bastaron 17 años, desde 1963 hasta 1980, para que alguien alcanzara una altura de otros 78 centímetros, lo que indica que el material y el diseño de la nueva garrocha de fibra de vidrio jugó un papel importante en el incremento súbito de la altura en esta prueba del atletismo. Lo hizo el polaco Wladyslaw Kozakiewics el 30 de julio de 1980 en Moscú.

Como ya mencionamos, el resultado teórico es que, si se aprovecha al máximo la energía elástica que puede almacenar la garrocha, para luego transferirla al impulso hacia arriba, los mejores saltadores lograrían una altura de 6.50 metros.

Serguei Bubka logró saltar 6.15 metros el 21 de febrero de 1993, pero el record mundial reconocido lo alcanzó en Italia en 1994, con 6.14 metros, siendo éste el que se mantiene hasta la fecha.

Bubka alcanzaba una velocidad de 9.9 metros por segundos, casi como un corredor de cien metros, y disponía de una técnica que es considerada la secuencia de posiciones de mejor calidad hasta la fecha.

En el caso de las damas, la competencia del salto con garrocha es dominada desde el año 2003 por la rusa Yelena Isinbayeva, de quien el entrenador Steve Rippon ha dicho que es de las pocas mujeres cuya técnica es tan buena como la de los varones, superándolos en la segunda parte del salto debido al enorme control que tiene sobre los movimientos de su cuerpo, lo cual se adjudica a que siendo niña y adolescente fue gimnasta, deporte del cual fue dada de baja por ser demasiado alta: ahora ella mide 1 metro con 75 centímetros.

La marca más alta lograda por Yelena Isibayeva es de 5 metros con 6 centímetros, que superó el 28 de agosto de 2009 en Zurich, Suiza.