Ni Broncano ni Pedroche: ¿qué pasaría si una física presentara las campanadas?
Cada Nochevieja se celebra la tradición de las uvas y la ciencia de lo predecible gracias a un nexo singular: el reloj de Sol
Uvas y con la Puerta del Sol de fondo. | Phatymak's studio | Shutterstock
Cada 31 de diciembre celebramos la tradición de las doce uvas y la ciencia de lo predecible gracias a un nexo singular: el reloj de la Puerta del Sol. Además, el mito se refuerza con el vestido de Cristina Pedroche, la capa de Ramontxu o si David Broncano será o no quien esté ante el reloj en el momento justo en el que toda España dirige hacia él sus miradas.
Pero ¿y si, por una vez, una física ocupara la pantalla? Una física, clásica, eso sí, tan clásica como la retransmisión de los doce segundos más populares del año. La física, antes de felicitar el nuevo año, comenzaría hablando de… ¡Péndulos!
De relojes y átomos
El reloj de la Puerta del Sol, como cualquier reloj mecánico tradicional, permite medir periodos de tiempo con una precisión exquisita. El corazón del sofisticado mecanismo es, a grandes rasgos, un simple péndulo. Y ya sabemos que la complejidad de un péndulo es sólo un poco superior a la de un chupete.
Un péndulo no es más que un objeto pesado que cuelga de una cuerda o cadena y oscila de un lado a otro describiendo un movimiento armónico simple. La regularidad de este fenómeno es la que se traduce en la precisión del reloj para medir el tiempo que dividimos en horas, minutos y segundos. Sobre esa humilde física oscilatoria se asientan los fundamentos de sistemas clásicos como un vulgar reloj, pero también los de muchos sistemas cuánticos, como un átomo atrapado en un pozo de energía.
Engranajes para mover un corazón
Siguiendo con el símil anatómico, igual que el corazón precisa de la colaboración de otros órganos, el péndulo del reloj se vale de un sistema de engranajes, poleas y pesas. Juntos forman el organismo del invento.
Los engranajes se mueven a la par que las pesas, que descienden muy pausadamente durante el día. Y el girar de los engranajes hace que las agujas se muevan solidariamente marcando el devenir del tiempo. Pero, lógicamente, las pesas no se elevan espontáneamente hasta su posición más alta cada día.
Las pesas del reloj de la Puerta del Sol son de entre 150 y 200 kilos. Para colocarlas en su posición más alta hay que darles energía potencial gravitatoria, y para eso ha de intervenir un agente externo. Bien puede ser un voluntarioso relojero que haya desayunado bien y transfiera a las pesas la energía química que saque de su alimentación.
En una versión antigua de este tipo de relojes, esta labor se hacía girando una manivela con un eje unido a un carrete en torno al cual se enrollaba una cuerda sosteniendo la pesa. Eso implica que, para funcionar, la energía química de los músculos del relojero se debía transformar en la energía cinética asociada con el movimiento de la manivela.
La energía del movimiento se transforma, a su vez, en la energía potencial que gana la pesa al ser izada. Lógicamente, en un mecanismo moderno es de suponer que será un motor eléctrico lo que (a la manera de un levantador de piedra vasco) se haga cargo de la ingrata labor de levantar las pesas.
La conservación de la energía
A lo largo de todo el proceso se manifiesta el hermoso principio de conservación de la energía. Y aquí podemos comparar la física de nuestro reloj con el mito de Sísifo. En ese relato de resonancias filosóficas era una piedra la que ganaba energía potencial al ser transportada por el condenado hasta lo alto de la cima. Pero el paralelismo es poéticamente ilustrativo: colocar en altura un cuerpo pesado cuesta sudores.
Mención aparte merecen las poleas, no muy distintas de las de los sistemas de riego que se usaban en la antigua Mesopotamia. Estos mecanismos, que también intrigaron a Arquímedes, reducen notablemente el esfuerzo de elevar las poleas. No obstante, se paga un precio asumible: aumentar la distancia que ha de viajar la cuerda que levanta la pesa.
Además, la polea mejora la ergonomía. Por poner un símil, levantar del suelo un saco de arena a pulso cuesta mucho porque hay que tirar hacia arriba. En cambio, una polea permite hacerlo tirando hacia abajo, lo que nos ahorra involucrar a las lumbares.
La pérdida de energía
Hay más ámbitos de la física en juego para que el reloj pueda dar las doce campanadas. Desde el punto de vista termodinámico, podemos añadir también que cada ciclo de subida y bajada es irreversible. Hay una parte de la energía que se pierde de forma muy entrópica, como parte del proceso. Por ejemplo, se disipa en forma del calor de los músculos de quien se ocupe de accionar la manivela. También se pierde con la subida de temperatura que ocurre en todos los puntos de fricción del mecanismo.
El estiramiento lento e irreparable de las cuerdas de las poleas contribuye a la irreversibilidad, dado que no son perfectamente elásticas. Y, por supuesto, la casi imperceptible resistencia del aire afecta al sistema.
Aunque elevar la pesa calienta el mecanismo, dar candela a los elementos del reloj no hará que la pesa suba espontáneamente. El fenómeno físico solo ocurre en una dirección. Y esto es crucial para establecer la flecha del tiempo.
Las doce campanadas
Finalmente, por si lo anterior ha sabido a poco, el maravilloso ingenio del popular reloj consigue que un martillo golpee la campana cada hora el número justo de veces. La noche de fin de año lo hará doce veces. Esta magia final despliega una fascinante manifestación de la rama de la física llamada acústica gracias a sus cuatro campanas de bronce. Su forma característica, que haría feliz al físico alemán Carl Friedrich Gauss, permite un sonido exuberante.
El tono principal y los sobretonos surgen de las vibraciones de las moléculas del metal a las que el golpe del martillo obliga a agitarse siguiendo la primera ley de Newton. Pero para poder distinguir horas y cuartos (y que no nos atragantemos) el golpe es más o menos fuerte, dando lugar a sonidos más agudos o menos. La posición de la torre y su diseño, además, amplifican el sonido haciendo de caja de resonancia.
Quizá estos apuntes nos distraigan de disfrutar de este reloj de antaño, como de año en año, que cantaba el grupo Mecano. O quizá (eso espero) nos motiven a seguir aprendiendo de ciencia brindando juntos.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.
