Un líquido descerebrado

12/05/2017 0 comentarios
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Cuando de pequeño montaba en los autos de choque, deseaba que nunca se acabara. Chocar con otros cochecitos sin más consecuencia que risas por parte de todos era lo más... lo que no sabía es que a partir de aproximadamente 30 minutos montado en la atracción la cosa ya empieza a no ser divertida. A desear que se acabe. Cuanto antes. Pero un experimento científico bien vale el sacrificio de conducir cochecitos de choque durante una hora ¡Todo sea por la ciencia!

Si pudiéramos ver cómo se mueven los átomos en un líquido o un gas veríamos un galimatías de partículas chocando unas con otras. Es difícil imaginar que se pueda estudiar tanto desorden... pero la ciencia está para eso: para intentar entresacar reglas simples que nos permitan explicar la realidad compleja. En el caso de líquidos y gases lo que podemos hacer para estudiarlos es crear un modelo de la substancia en un ordenador, comparar con lo que medimos experimentalmente, y dejar que Karl Popper haga el resto: si nuestro modelito representa la realidad hemos ganado (una batalla, no la guerra). En caso contrario, vuelta a empezar y a contrastar con los experimentos. Las reglas más sencillas que podemos usar para mover átomos son las leyes de Newton y para crear un modelo a partir de ellas podríamos utilizar la siguiente receta: 

  • Tome unos cuantos átomos y describa sus posiciones
  • Deles una cierta velocidad inicial a todos para que empiecen a moverse
  • Por último deje que el sistema evolucione siguiendo la segunda ley de Newton
  • Aderécelo todo con un análisis de datos consistente

Los tres primeros puntos describen, básicamente, una simulación llamada "de dinámica molecular". El último punto de la receta, el análisis de los datos es, quizás, el más importante.

Las simulaciones de dinámica molecular nos permiten 'ver' como se mueven los átomos.

Una forma de analizar las simulaciones es intentar obtener, de una interminable lista de números que nos describen las coordenadas de los átomos, alguna magnitud que nos indique si las partículas están dispuestas de alguna forma en especial. Como ya explicamos en otra entrada, esto lo conseguimos haciendo una estadística de la distancia entre partículas. Y a esto dedicamos el tiempo en nuestro laboratorio, entre otras cosas: a hacer modelitos y comparar con moléculas más o menos complejas, pero... ¿y si aplicáramos este método a otras partículas más "vivas"?

Parte del equipo de estudiantes que realizó el experimento para averiguar si hay algo en nuestra cabeza... o somos simples bolas de billar
Una fría mañana de abril, estudiantes de ingeniería física de la Universidad Politécnica de Catalunya se arman de valor y se disponen a darlo todo por la ciencia. Una vez en el parque de atracciones del TIBIDABO de Barcelona, se suben a los autos de choque. Se ajustan el cinturón de seguridad. Y empiezan a conducir los pequeños automóviles con cara circunspecta... bueno, tampoco tan circunspecta.

La idea de Jorge Buendía, Héctor López y Guillem Sanchís, era averiguar si es posible estudiar el movimiento de los autos de choque conducidos por alumnos con el modelo más sencillo que uno se pueda imaginar: bolas de billar chocando al azar. No creíamos que fuera posible, pero por intentarlo... Para ello montaron una cámara de vídeo y grabaron el movimiento de los autos de choque durante la duración de la atracción. En los siguientes experimentos, uno de los coches de choque se eliminaba de la pista, y se procedía de nuevo a dejar que los alumnos gozaran de los choques y de la ley de la inercia... así hasta quedarse con tan solo dos autos de choque. 

Una vez acabado todo el experimento, se calcularon las coordenadas de los coches en función del tiempo, se corrigieron algunos problemillas debido a la perspectiva, y se calculó la probabilidad de encontrar dos autos de choque a una determinada distancia.

Imágenes obtenidas después de la laaaarga filmación de los autos de choque
Por otro lado, los estudiantes hicieron un modelo en que los autos de choque eran considerados, sencillamente, como discos de un radio similar al de los cochecitos. Estos discos, además, se movían con una velocidad similar a la de los autos de choque. Además chocaban contra unas paredes que reproducían la forma de la pista real. Los choques se supusieron lo más sencillos posibles: choques en los que no había pérdida ni ganancia de energía. Se calculó entonces la probabilidad de encontrar dos discos a una cierta distancia. Y se obtuvo el siguiente resultado... que de momento no explicaré. Paciencia.

En la gráfica que veremos a continuación, los rombos representan la estadística de las distancias entre autos de choque, obtenidas partir del experimento, es decir, de estudiantes circunspectos conduciendo autos de choque con toda la seriedad e inteligencia que se les supone.

La línea discontinua describe la probabilidad asociada a los discos (descerebrados) chocando sin ton ni son unos con otros. Por favor, lector, no siga leyendo, mire la figura y saque sus conclusiones.

Datos obtenidos del experimento (rombos) y calculados a partir de un simple modelo de discos que chocan (linea discontinua)

¡Efectivamente! no parece haber diferencias. Y eso nos pilló por sorpresa. Esperábamos alguna diferencia... pero no la hay. La conclusión es que es posible describir el movimiento de los autos de choque, con un modelo extremadamente simple. El resultado de nuestra investigación fue un éxito (conseguimos describir el sistema) pero para algunos fue una decepción poder ser capaces de reducir a reglas tan sencillas el comportamiento humano. Pero esto no es verdad. Lo que nos dice este experimento es que el tamaño y forma de los autos de choque limita muchísimo más su movimiento que nuestra inteligencia... y esto es importante cuando se diseña una salida de emergencia.

Para simular cómo la gente huye de un lugar, el comportamiento de la gente también se puede describir con un modelo sencillo: cada una de las personas quieren salir pero, por mala suerte, cada uno ocupa un cierto espacio. Teniendo en cuenta estas dos reglas, es posible generar en un ordenador modelos y recrear situaciones de pánico que nos indiquen cómo poner elementos que faciliten la evacuación.

En cualquier caso el éxito más rotundo del experimento fue ver a los estudiantes recrear todo el proceso científico desde la realización del experimento y el análisis de los datos, hasta la escritura de un artículo científico publicado en European Journal of Physics. Y esto se lo debemos al parque de atracciones del TIBIDABO. Desde estas líneas ¡gracias! y al proyecto FISIDABO de los que hablaremos en otra entrada de este blog.

TIBIDABO: ¡¡el laboratorio más divertido del mundo!!

Para el que quiera saber más puede leer el artículo aparecido en el European Journal of Physics:

Jorge J. Buendía, Hector Lopez, Guillem Sanchis y Luis Carlos Pardo
Modelling human behaviour in a bumper car ride using molecular dynamics tools: a student approach, EPJ, Vol. 38, Num. 3,