Física en la cocina

“La cocina es un laboratorio y cocinar es una ciencia experimental”, dice Peter Barham en un ameno artículo publicado en la revista Flavour el pasado enero. “Cuando cocinamos, por lo general seguimos una receta (sea escrita o memorizada); escogemos, cuantificamos y procesamos los ingredientes, y luego servimos la comida a nuestros amigos, parientes o invitados. Un buen cocinero (o científico) registrará en una bitácora exactamente qué hizo, a fin de poder repetir el experimento (la receta) cuando se necesite.”

Barham añade que, mientras comemos, tomamos nota de qué tan bueno quedó el platillo, qué le agrada más a los comensales y qué se puede mejorar. “De hecho, analizamos los resultados del experimento. El buen cocinero científico tomará nota de estas conversaciones y las usará para extraer conclusiones preliminares de cómo mejorar la receta. Tras someterla a prueba unas veces más, podemos empezar a derivar un modelo que explique nuestros resultados y permita entender cómo y por qué con pequeños cambios a la receta se producen platillos de calidades diferentes”.

Cocina Kate Hiscock

La cocina puede ser un laboratorio científico. Foto de Kate Hiscock (Flickr Creative Commons).

Pero Barham no sólo se propone convencernos de que es posible aplicar el método científico en la cocina, sino de que en la cocina se puede aprender física y que investigar la ciencia de la cocina es algo que realmente vale la pena. Honradamente, a mí no se necesita convencerme de que cuanto ocurre en la cocina es objeto digno de estudio científico, si bien yo vengo haciéndolo más bien desde el punto de vista de la química (más específicamente, la bioquímica), mientras que Barham lo aborda desde el punto de vista de la física.

Como dice Barham, una de las operaciones más básicas que se efectúan en la cocina es calentar los alimentos para modificar su textura, color y características químicas. Al seguir una receta, ¿cómo podemos estar seguros de que la temperatura en nuestra cocina es la misma que usó otro cocinero? Sin termómetros de precisión, la única manera es “recurrir a un cambio de fase que ocurra a cierta temperatura fija”, de lo cual el ejemplo más sencillo es el punto de ebullición del agua.

Así, ejemplifica Barham, un procedimiento común es cocinar verduras metiéndolas en agua hirviendo por determinado lapso. Esto nos ofrece la posibilidad de reproducir en cualquier lugar del mundo el mismo paso que han seguido otros cocineros… bueno, hasta cierto punto. “A los niños les enseñamos que el agua hierve a 100 °C, pero sólo mucho después los que pasan a niveles superiores de educación empiezan a aprender que el punto de ebullición del agua no es fijo, sino de hecho bastante variable”, pues depende de factores como la altura respecto al nivel del mar o la presencia de sales en el agua.

De ahí, Barham pasa a las papas hervidas, la cocción de un bistec y la confección de helados, ejemplos que le sirven para ilustrar su planteamiento de que la física puede ayudar a cocinar mejor y, a su vez, la cocina merece la atención de los físicos y los estudiantes de física. A su juicio, “el aspecto más importante de usar la cocina como laboratorio experimental es que ofrece un camino para animar a personas de todas las edades a ocuparse de la ciencia de una manera accesible”. Su propuesta de que al menos parte de las clases de ciencias a nivel de secundaria o bachillerato se den en la cocina de la escuela me parece muy digna de ponerse en práctica.

Referencia: Barham, P. Physics in the kitchen. Flavour 2013, 2:5

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Pero ¿qué es una caloría?

Cerebro en acción

Dibujo de Toca Boca.

—Pero ¿qué, las calorías no son como las vitaminas?
—No. Las calorías no son sustancias, no son compuestos químicos, nada de eso.
—Entonces, ¿qué son?
—Estrictamente hablando, una caloría no es más que una unidad de medición, como el metro o el kilogramo.
—No entiendo.
—Te voy a dar un ejemplo. Un metro no es un alambre ni es un hilo, pero sirve para medir el alambre, el hilo y muchas cosas más. Cuando queremos decir cuánto mecate tenemos, podemos expresarlo en metros; digamos, veinte metros de mecate. El metro es la unidad con la que medimos la longitud del mecate. ¿Estamos de acuerdo?
—Sí, pero ¿qué se mide con las calorías? ¿La cantidad de comida?
—No. Las calorías sirven para expresar la cantidad de energía.
—¿La cantidad de energía de la comida?
—O de lo que sea. Así como podemos tener kilos de manzanas o de clavos o de cemento, también podemos expresar una cantidad de energía sin importar en qué esté contenida.
—¿Y cuánta energía es una caloría? Yo sé cuánto es un metro…
—¿Estás seguro de que sabes cuánto es un metro?
—Sí, un metro son cien centímetros.
—Ajá, y también es mil milímetros. Pero centímetro quiere decir la centésima parte de un metro, y milímetro quiere decir la milésima parte de un metro. Así que no me has dicho qué es un metro.
—Bueno, y entonces ¿qué es?

cinta métrica

Cinta métrica común. Foto de Jan Glas (Flicker Creative Commons).

—Quizá te sorprenda lo que te voy a decir. El metro no siempre ha sido lo mismo. En 1791, la Academia de Ciencias de Francia definió esta unidad como la diezmillonésima parte del cuadrante de un meridiano terrestre, pero los científicos no tardaron en darse cuenta de que no era una definición muy precisa. Así que en 1889 se fijó un patrón convencional: una barra de iridio y platino depositada en la Oficina de Pesas y Medidas de París.
—¿Y de esa barra se sacan todos los metros del mundo?
—Por lo menos de ahí se han sacado por mucho tiempo los metros patrones oficiales de cada país, y nuestras cintas de medir corresponden bastante cercanamente a lo que mide la barra aquélla. Pero la ciencia necesita mayor precisión y para eso es mejor un patrón basado en una constante física. Así que en 1960, en una conferencia internacional, se definió el metro a partir de la longitud de onda de la radiación naranja del átomo del kriptón 86. Hoy en día decimos que un metro es la distancia que recorre la luz en el vacío durante un intervalo de 1/299,792,458 de segundo.
—¡Uy! ¿Y así de complicado es lo de las calorías?
—Pues sí y no. De hecho, la definición es muy sencilla, porque la caloría no es una unidad básica, sino una unidad derivada. Lo complicado es definir las unidades básicas.
—¿Y cómo se define una caloría?
Una caloría es la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua a presión atmosférica normal.

fuego

La energía calorífica necesaria para elevar un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua a presión atmosférica normal: eso es la caloría. Dibujo: dominio público (Pixabay).

—A ver si le entendí. Si caliento un gramo de agua y su temperatura sube un grado centígrado, ¿gasté una caloría? No suena tan complicado.
—No, no es complicado. Claro que si te fijas, la definición supone que ya sabemos lo que es un grado centígrado, un gramo, la presión atmosférica…
—Mejor vamos a suponer que ya sé eso y acláreme otra cosa. ¿Qué tiene que ver todo esto con la comida?
—Bueno. Muchos de los componentes de nuestros alimentos nos proporcionan energía y esta energía la expresamos en calorías o, para ser más exactos, en kilocalorías.
—¿Por qué en kilocalorías?
—Porque, si te fijas, la caloría es una unidad muy chiquita. No es práctico medir en centímetros la distancia entre dos ciudades; usamos kilómetros. Así que actualmente las etiquetas de los alimentos expresan el contenido energético en kilocalorías, cuyo símbolo es kcal. Por lo común, se dice cuántas kilocalorías contiene ese alimento en cada 100 gramos o en una porción de determinado tamaño.
—He visto otro símbolo en esas etiquetas, una ka y una jota. ¿Qué es eso?
—Ah, el kilojulio, simbolizado, efectivamente, kJ. Es otra unidad de medida de la energía. ¿Quieres que te explique cómo se define?
—Mejor otro día, maestra, gracias. Me voy a comer mi torta. Es baja en calorías.

Qué es un modelo científico

En todas las ramas de la ciencia, incluida desde luego la física, empleamos modelos para representar nuestras ideas de cómo funciona una parte determinada del universo.

Por supuesto, un modelo es solamente una aproximación; ningún modelo, por detallado que sea, puede abarcar la totalidad de un fenómeno. Además, conforme progresa nuestro conocimiento de los fenómenos, también refinamos nuestros modelos. A veces nos vemos obligados a desechar nuestros modelos, cuando nos damos cuenta que no corresponden a toda la evidencia conocida.

La representación puede ser conceptual (por ejemplo, una ecuación) o puede ser material (por ejemplo, una maqueta o un mapa). Hay modelos fijos, como los que acabo de mencionar, y hay otros que intentan representar hasta cierto punto, en forma activa, la dinámica de los fenómenos que representan.

El siguiente enlace te llevará a una presentación de Power Point sobre los modelos en la ciencia, con referencia específica al modelo cinético de la materia.

Modelo científico (haz clic en este ENLACE)

Hydrodynamica cover

Portada de Hydrodynamica, obra de Daniel Bernoulli. (Wikimedia Commons.)

Dependiendo de la configuración de tu navegador, lo podrás abrir directamente o bajar en tu equipo. Una vez que lo abras, para pasar las diapositivas usa las flechitas de tu teclado.

Como verás en la presentación, desde la Antigüedad se han propuesto varios modelos para explicar cómo está constituida la materia.

El matemático suizo Daniel Bernoulli fue el primero en proponer la idea de que los gases están formados de partículas en movimiento incesante y al azar.

Explicó que las moléculas del gas están muy alejadas entre sí por lo que no ejercen fuerzas entre ellas, salvo cuando chocan. Cuando esto ocurre, además, no hay pérdida de energía cinética. Son colisiones elásticas. De ahí nació, a la larga y con algunas fuertes peleas, la teoría cinética de las partículas que se usa actualmente. Pero es mejor que veas la presentación de diapositivas, donde hago una exposición más detallada.

Si después de ver la presentación de diapositivas todavía tienes preguntas, escríbelas como comentario aquí mismo y procuraré responderlas. Si te sirve esta nota, compártela en tus redes; a otros también les puede servir.

Magnetismo

Seguramente cuando ustedes oyen la palabra imán se imaginan uno de ésos que hay en forma de herradura. En realidad, los imanes pueden tener muchas formas, no sólo la de herradura; en el laboratorio hemos usado imanes en forma de barra. Los imanes pueden ser naturales, como la magnetita, que es un óxido de hierro, o artificiales, que se obtienen por lo general imantando un trozo de hierro sometiéndolo a un campo magnético creado por otro imán o por una corriente eléctrica. Lo importante es que manifiestan de modo apreciable la propiedad o fenómeno que llamamos magnetismo.

¿Cómo definiríamos el magnetismo? En términos sencillos, podemos decir que es ese fenómeno por el cual los materiales atraen o repelen a otros materiales. Ciertos materiales —como el níquel, el hierro y sus aleaciones, etc.— son capaces de manifestar propiedades magnéticas fácilmente detectables, y por eso los imanes se fabrican con esos materiales. Pero en realidad todos los materiales son afectados en alguna medida por la presencia de un campo magnético.

¿Cómo se explica el magnetismo? Cada electrón que gira en un átomo es, de hecho, un imán en miniatura. Ordinariamente, los innumerables electrones de un material se orientan en todas direcciones, sin orden ni concierto. En un imán todos los electrones tienden a orientarse en la misma dirección, creando una fuerza magnética. El magnetismo de la magnetita y otros materiales magnéticos de origen natural se debe a que han estado expuestos al campo magnético de la Tierra por un lapso muy prolongado y, siendo susceptibles por su estructura, se han magnetizado.

El magnetismo se conoce desde hace miles de años, pues existen en la naturaleza materiales que manifiestan magnetismo de por sí, como lo mencioné arriba. En algún momento, varias civilizaciones antiguas observaron los efectos del magnetismo terrestre, es decir, el hecho de que la Tierra se comporta como un enorme imán. Aunque el físico y filósofo natural inglés William Gilbert fue el primero que señaló explícitamente esa similitud en 1600, los efectos del magnetismo terrestre se habían utilizado ya mucho antes en las brújulas primitivas.

El estudio sistemático de los fenómenos magnéticos comenzó hace algunos siglos. El astrónomo, matemático y físico Carl Gauss figura entre los primeros investigadores que hicieron contribuciones de importancia. En 1820 el físico y químico danés Hans Christian Ørsted descubrió la relación entre la electricidad y el magnetismo con un experimento que hoy nos parece muy sencillo, y que llevó a cabo ante sus alumnos: demostró que una corriente eléctrica que pasa por un conductor puede mover la aguja imantada de una brújula. Ørsted publicó enseguida el resultado de sus experimentos, que fueron muy criticados. Sin embargo, el físico francés André-Marie Ampère se dio cuenta de inmediato de la enorme importancia del experimento del científico danés y elaboró la teoría que sería el punto de partida de la ciencia del electromagnetismo. El trabajo de Ampère hizo que se reconociera el gran valor de la observación de Ørsted.

Los imanes y sus polos

Una de las peculiaridades de los imanes es que presentan polos. En un imán de barra observamos fácilmente que los objetos de hierro son atraídos con mayor fuerza hacia los extremos. A un extremo se lo denomina polo norte y al otro polo sur. Ello proviene del comportamiento de un imán en presencia del campo magnético de la Tierra, en el cual se basa la construcción de brújulas sencillas.

Polos de un imán

Los polos de un imán ejercen atracción o repulsión unos sobre otros. Es fácil demostrar con dos imanes de barra que los polos iguales se repelen y los polos diferentes se atraen. Lo curioso es que si partimos en dos un imán (permanente), los dos trozos vuelven a manifestar la presencia de dos polos. No importa cuántas veces lo trocemos, cada fragmento tendrá siempre un polo norte y un polo sur. Algunos científicos postulan la posibilidad teórica de que haya en la naturaleza monopolos magnéticos, pero nadie los ha encontrado.

Otra característica de los imanes es que entre los dos polos se crean líneas de fuerza. Son éstas líneas cerradas, que por el interior del imán también van de un polo al otro. Claro que son invisibles. Para “verlas”, se esparcen limaduras de hierro sobre una cartulina colocada encima de una barra imantada. Luego se golpea suavemente la cartulina, con lo que las limaduras se orientan en la dirección de las líneas de fuerza.

¿Qué pasa si sobre un cuerpo actúa más de una fuerza?

Podemos obtener sólo una fuerza que produzca el mismo efecto que todas actuando a la vez. Esto se consigue sumando las fuerzas actuantes. ¿Cómo?

  • Fuerzas con la misma dirección y el mismo sentido: se suman los módulos. La fuerza resultante tiene la misma dirección y sentido y su módulo es la suma de las actuantes.
  • Fuerzas de la misma dirección pero sentido contrario: se restan los módulos. La fuerza resultante tiene la misma dirección y su sentido viene dado por el signo resultante: si es positivo apunta en el sentido que se ha considerado como tal y si es negativo en sentido contrario.

¿Por qué un cuerpo modifica su velocidad?

Un cuerpo modifica su velocidad si sobre él se ejerce una acción externa.

Las acciones externas se representan por fuerzas.La variación de la velocidad viene medida por la aceleración.

Luego si sobre un cuerpo se ejerce una fuerza, éste modifica su velocidad. Las fuerzas producen variaciones en la velocidad de los cuerpos. Las fuerzas son las responsables de las aceleraciones.

La unidad de fuerza usada en el S.I. es el Newton (N)