EPÓNIMOS RELACIONADOS CON LA FÍSICA

 

El efecto Magnus, denominado así en honor al físico y químico alemán Heinrich Gustav Magnus (1802-1870), es el nombre dado al fenómeno físico por el cual la rotación de un objeto afecta a la trayectoria del mismo a través de un fluido, como por ejemplo, el aire. Es producto de varios fenómenos, incluido el principio de Bernoulli y la condición de no deslizamiento del fluido encima de la superficie del objeto. Este efecto fue descrito por primera vez por Magnus en 1853.

Un objeto en rotación crea un flujo rotacional a su alrededor. Sobre un lado del objeto, el movimiento de rotación tendrá el mismo sentido que la corriente de aire a la que el objeto está expuesto. En este lado la velocidad se incrementará. En el otro lado, el movimiento de rotación se produce en el sentido opuesto a la de la corriente de aire y la velocidad se verá disminuida. La presión en el aire se ve reducida desde la presión atmosférica en una cantidad proporcional al cuadrado de la velocidad, con lo que la presión será menor en un lado que en otro, causando una fuerza perpendicular a la dirección de la corriente de aire. Esta fuerza desplaza al objeto de la trayectoria que tendría si no existiese el fluido. En el espacio o en la superficie de los cuerpos celestes que carecen de atmósfera (como la luna) este fenómeno no se produce.

En la imagen, en la que una esfera observada lateralmente se está desplazando hacia la izquierda (mientras que el flujo de aire circundante respecto de la esfera va hacia la derecha) y gira en el sentido de las agujas del reloj, la velocidad del aire en el punto más alto de la esfera aumenta por el arrastre de ese giro. Asimismo, en el punto más bajo, el giro de la esfera se opone a la corriente de aire y frena esta corriente. De ahí que en el punto más alto de la esfera aparezca una pérdida de presión respecto del más bajo, lo que impulsa a la esfera hacia arriba.

Fuerza asociada al gradiente de presión

La fuerza asociada al gradiente de presión es la fuerza que resulta cuando hay una diferencia de presión a través de una superficie. En general, una presión es una fuerza por unidad de área, a través de una superficie. Una diferencia de presión a través de una superficie implica entonces una diferencia de fuerza, que puede resultar en una aceleración de acuerdo con la segunda ley de Newton del movimiento. La fuerza resultante siempre se dirige desde la región de mayor presión hacia la región de menor presión. Cuando un fluido está en un estado de equilibrio (es decir, no hay fuerzas netas ni aceleración), el sistema se denomina en equilibrio hidrostático. En el caso de la atmósfera, esta fuerza se equilibra con la fuerza gravitatoria, manteniendo el equilibrio hidrostático. Por ejemplo, en el caso de la atmósfera terrestre, la presión del aire disminuye a altitudes por encima de la superficie terrestre, con lo que aparece una fuerza asociada a dicho gradiente que contrarresta la fuerza de la gravedad sobre la atmósfera.

La fuerza de Magnus de un objeto giratorio se define como la diferencia de presión entre los lados opuestos del objeto escalada por el área de sección transversal:

${\displaystyle F_A=\mathrm{\Delta }p\cdot A=c_A\cdot \frac{\varrho }{2}(u_1^2-u_2^2)\cdot A}$

donde ${\displaystyle c_a}$ es un escalar dependiente de la forma y el material del objeto giratorio, ${\displaystyle u}$ es la velocidad del fluido relativa a cada superficie y ${\displaystyle \varrho }$ es la densidad del fluido.^[1]

Física

Una comprensión intuitiva del fenómeno proviene de la tercera ley de Newton, que establece que la fuerza sobre el cuerpo es una reacción a la deflexión que el cuerpo impone al flujo de aire. El cuerpo "empuja" el aire en una dirección, y el aire empuja al cuerpo en la dirección opuesta.

Lyman Briggs^[2] realizó un estudio en un túnel de viento del efecto Magnus en pelotas de béisbol, y otros han producido imágenes del efecto.^[2][3][4][5] Los estudios muestran que una estela turbulenta detrás de la pelota giratoria causa arrastre aerodinámico, además de que hay una notable deflexión angular en la estela, y esta deflexión es en la dirección del giro.

El proceso por el cual se desarrolla una estela turbulenta detrás de un cuerpo en un flujo de aire es complejo, pero bien estudiado en aerodinámica. La delgada capa límite se separa ("separación del flujo") del cuerpo en algún punto, y aquí es donde comienza a desarrollarse la estela. La propia capa límite puede ser turbulenta o no, y eso tiene un efecto significativo en la formación de la estela. Variaciones bastante pequeñas en las condiciones superficiales del cuerpo pueden influir en el inicio de la formación de la estela y, por lo tanto, tener un efecto marcado en el patrón de flujo aguas abajo. La influencia de la rotación del cuerpo es de este tipo.

Se dice que Magnus mismo postuló erróneamente un efecto teórico con flujo laminar debido a la fricción superficial y la viscosidad como la causa del efecto Magnus. Tales efectos son físicamente posibles pero pequeños en comparación con lo que produce el efecto Magnus propiamente dicho.^[2] En algunas circunstancias, las causas del efecto Magnus pueden producir una deflexión opuesta a la del efecto Magnus.^[5]

Simulación del Efecto Magnus en una partícula.

El siguiente diagrama muestra la producción de sustentación en una pelota con retroceso. La estela y el flujo de aire posterior han sido desviados hacia abajo. El movimiento de la capa límite es más violento en la parte inferior de la pelota, donde el movimiento giratorio de la superficie de la pelota es hacia adelante y refuerza el efecto del movimiento translacional de la pelota. La capa límite genera turbulencia en la estela después de un corto intervalo.

En el béisbol, este efecto se utiliza para generar el movimiento hacia abajo de una curva, en la que la pelota de béisbol está rotando hacia adelante (con 'efecto topspin'). Los participantes en otros deportes jugados con una pelota también aprovechan este efecto.

El cilindro que gira hacia arriba "tira" del flujo de aire hacia arriba y el aire, a su vez, tira del cilindro hacia abajo, según la Tercera Ley de Newton.

En un cilindro lo suficientemente largo (flujo 2-D), la fuerza de sustentación debido a la rotación se conoce como sustentación de Kutta-Joukowski. Puede analizarse en términos del vórtice producido por la rotación. La sustentación en el cilindro por unidad de longitud, ${\displaystyle F/L}$, es el producto de la velocidad del flujo libre, ${\displaystyle v_{\mathrm{\infty }}}$ (en m/s), la densidad del fluido del flujo libre, ${\displaystyle {\rho }_{\mathrm{\infty }}}$ (en kg/m³), y la circulación del fluido establecida por la rotación, ${\displaystyle \mathrm{\Gamma }}$, debido a efectos viscosos:.^[6]

${\displaystyle F/L={\rho }_{\mathrm{\infty }}{v}_{\mathrm{\infty }}\mathrm{\Gamma }}$

donde la fuerza del vórtice (suponiendo que el fluido circundante cumpla la condición sin deslizamiento) se da por

${\displaystyle \mathrm{\Gamma }=2\pi \omega r^2}$

donde ω es la velocidad angular del cilindro (en rad/s) y r es el radio del cilindro (en m).

Símbolo	Nombre	Fórmula
${\displaystyle F/L}$	Sustentación por unidad de longitud
${\displaystyle v_{\mathrm{\infty }}}$	Velocidad del fluido
${\displaystyle {\rho }_{\mathrm{\infty }}}$	Densidad del fluido
${\displaystyle \mathrm{\Gamma }}$	Intensidad del vórtice establecida por el movimiento de rotación	${\displaystyle \mathrm{\Gamma }=2\pi \omega r^2}$
${\displaystyle \omega }$	Velocidad angular del cilindro
${\displaystyle r}$	Radio del cilindro

Ejemplos en deportes

A menudo se hace referencia a este efecto a la hora de explicar movimientos extraños pero comúnmente observados en deportes que hacen uso de bolas y pelotas en rotación con forma esférica regular, especialmente en el golf, béisbol, fútbol, tenis, tenis de mesa, billar o cricket, o en los búmeran. Sin embargo el efecto Magnus no es el responsable del movimiento de la bola de cricket visto en el swing bowling.

En el fútbol, este fenómeno es responsable del llamado "efecto". Un gran ejemplo es el famoso tiro libre de Roberto Carlos vs Francia en 1997 o algunas otros tiros libres de jugadores como Ronaldinho, Zico, David Beckham, etc. Sin embargo, en lugares con una altura considerable sobre el nivel del mar este efecto es notablemente menor, de aquí el famoso "la pelota no dobla", de Daniel Passarella.

En física y química, el efecto Nernst (también conocido como primer efecto Nernst–Ettingshausen, en honor de Walther Nernst (1864–1941) y Albert von Ettingshausen (1850–1932)^{[Nota 1]}) es un fenómeno efecto termomagnético observado cuando una muestra que permite la conducción eléctrica se somete a un campo magnético y a un gradiente de temperatura normal al campo. En estas circunstancias, se inducirá un campo eléctrico normal a ambos.

Este efecto se mide a través del coeficiente de Nernst |N|, que se define como

${\displaystyle |N|=\frac{E_y/B_z}{dT/dx},}$

donde E_y es la componente y del campo eléctrico que resulta de la componente z del campo magnético B_z y del gradiente de temperatura dT/dx.

El proceso inverso se conoce como efecto Ettingshausen o como segundo efecto Nernst-Ettingshausen.

Ambos efectos fueron descubiertos en 1886 por Ettingshausen, entonces profesor en la Universidad de Graz y Nernst, entonces su estudiante de doctorado en Graz.

Imagen física

Los portadores de energía móviles (por ejemplo, los electrones en la banda de conducción en un semiconductor) se moverán a lo largo de los gradientes de temperatura debido a la estadística y a la relación entre temperatura y energía cinética. Si existe un campo magnético transversal al gradiente de temperatura y los portadores están cargados eléctricamente, estos experimentarán una fuerza perpendicular a la dirección del movimiento (que es la misma que la dirección del gradiente de temperatura) y al campo magnético. Por esta razón se inducirá un campo eléctrico.

Ejemplos

Los semiconductores presentan el efecto Nernst. Esto ha sido estudiado en los años 1950 por Krylova, Mochan y muchos otros. Sin embargo, en los metales, este fenómeno es prácticamente inexistente. El efecto aparece en la fase vortical de semiconductores tipo II debido al movimiento de los vórtices; esto ha sido estudiado por Huebener et al. Los superconductores a altas temperaturas presentan el efecto Nernst tanto en la fase superconductiva como en la fase de pseudobandas, de acuerdo a Xu et al. Los superconductores de fermiones pesados pueden presentar una fuerte señal del efecto Nernst, la cual posiblemente no se debe a los vórtices, como mostraron Bel et al.

La dispersión Raman (también, efecto Raman) es una dispersión inelástica de un fotón. Cuando la luz de un átomo o molécula se dispersa, la mayoría de los fotones se dispersan elásticamente (dispersión de Rayleigh). Los fotones dispersados tienen la misma energía (frecuencia) y, por lo tanto, la misma longitud de onda que los fotones incidentes. Sin embargo, una pequeña fracción de la luz (aproximadamente 1 en 10⁸ fotones) se dispersa ópticamente a frecuencias diferentes (normalmente inferiores) que la frecuencia de los fotones incidentes. En un gas, la dispersión Raman suele ocurrir por un cambio en los estados vibracionales, rotacionales o electrónicos de una molécula (véase nivel de energía).

Historia

El científico sir Chandrasekhara Venkata Raman, un importante físico que fue laureado con el Premio Nobel en 1930.

En 1922 el físico indio Chandrasekhara Raman publicó su trabajo basado en la "Difracción molecular de la luz" siendo el primero de una serie de investigaciones con sus colaboradores hasta que el día 28 de febrero de 1928 se hizo el descubrimiento de la radiación poniéndole el nombre de dispersión Raman en su honor. El efecto Raman fue reportado inicialmente por C. V. Raman y K. S. Krishnan e independientemente por Grigory Landsberg y Leonid Mandelshtam en 1928. Raman recibió el Premio Nobel en 1930 gracias a su trabajo sobre la investigación realizada sobre el fenómeno de la dispersión de la luz. En 1998 el efecto Raman fue designado por la ACS National Historical Chemical Landmark en reconocimiento por su significancia como herramienta para el análisis de la composición de líquidos, gases y sólidos.^[1]

La dispersión Raman: Stokes y anti-Stokes

La interacción de la luz con la materia en un régimen lineal permite simultáneamente la absorción y la emisión de luz que se ajusta a los niveles de energía ya definidos por los electrones. El efecto Raman corresponde en la teoría de perturbaciones de la mecánica cuántica a la absorción y consecuente emisión de un fotón mediante cambio de estado intermedio de un electrón, pasando por un estado virtual (véase también: diagrama de Feynman). Entonces existen las siguientes posibilidades:

Emisión causada por la dispersión Stokes y anti-Stokes.

• No existe intercambio de energía entre los fotones incidentes y las moléculas (y por lo tanto no existe efecto Raman).
• Los cambios de energía se producen entre los fotones incidentes y las moléculas. Las diferencias de energía son iguales a las diferencias de los estados vibracionales o rotacionales de la molécula. En los cristales, solo ciertos fonones son admitidos por la estructura cristalina (las soluciones de las ecuaciones de onda hacen que se cancelen unos con otros), de forma que el efecto de dispersión Raman puede aparecer solo a ciertas frecuencias. Por ejemplo, en los materiales amorfos como los vidrios, se permiten más fonones y por lo tanto los estados discretos admitidos son más amplios.
• Las moléculas absorben la energía: a esto se le denomina dispersión Stokes. El fotón resultante es de inferior frecuencia y genera una línea de Stokes en el lado rojo del espectro incidente.
• La molécula pierde energía: dispersión anti-Stokes. Los fotones incidentes son desplazados a frecuencias más elevadas (azul) del espectro, y generan por lo tanto una línea que se denomina anti-Stokes.

Las diferentes posibilidades de una luz dispersada: dispersión de Rayleigh (sin efecto Raman), la dispersión Stokes (la molécula absorbe energía) y la dispersión anti-Stokes (molécula pierde energía).

Estas diferencias en la energía medida mediante la sustracción de la energía de un láser mono-energético de luz de fotones dispersados. Los valores absolutos, sin embargo, no dependen del proceso (bien sea dispersión Stokes o anti-Stokes), debido solo a que la energía de diferentes niveles de vibración es de cierta importancia. Por lo tanto, el espectro Raman es simétrico respecto de la banda de Rayleigh. Además, las intensidades de las bandas de Raman solo dependen del número de moléculas que ocupan los diferentes estados vibracionales cuando el proceso comienza. La distribución de Boltzmann condiciona el número de moléculas en los estados inferiores:

${\displaystyle \frac{N_1}{N_0}=\frac{g_1}{g_0}{e}^{-\frac{\mathrm{\Delta }{E}_v}{kT}}}$ con los siguientes valores: ${\displaystyle N_0}$: Número de átomos en el estado inferior de vibración ${\displaystyle N_1}$: Número de átomos en el estado superior de vibración ${\displaystyle g_0}$: degeneración del estado inferior de vibración (número de modos vibracionales de la misma energía) ${\displaystyle g_1}$: degeneración del estado superior de vibración (número de modos vibracionales de la misma energía) ${\displaystyle \mathrm{\Delta }{E}_v}$: diferencia de energía entre estos dos estados vibracionales k: Constante de Boltzmann T: Temperatura en kelvin

Por lo tanto, el espectro de Stokes es más intenso que el espectro de anti-Stokes.

Aplicaciones

Una de las aplicaciones más conocidas es la espectroscopia Raman, que emplea el efecto Raman para el análisis de los materiales. La frecuencia de la luz dispersada de una molécula se puede cambiar según las características estructurales de los enlaces moleculares. Se requiere para estos casos la iluminación de una fuente de luz monocromática (láser), y el espectrograma de la luz dispersada mostrará las desviaciones causadas por los cambios de estado en las moléculas.^{[cita requerida]}

La espectroscopia Raman también se emplea en problemas de determinación y diagnóstico de procesos de combustión. Se la considera una técnica no intrusiva para la detección de especies y distribución de temperatura dentro de los combustibles y en las llamas, sin perturbar el flujo principal durante el examen.^{[cita requerida]}

Los estados estimulados de Raman se emplean ampliamente en la determinación de los niveles de energía de los iones atrapados, y constituyen la base de los estados qubit, en los iones atrapados en computación cuántica.

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