Héroes y villanos: la ciencia de los superhéroes Teach article

Traducido por Lucas Baeyens. Haz que tus estudiantes desafíen la ficción investigando la ciencia detrás de, en principio, imposibles proezas de superhéroes de cómic, tales como Superman o los X-Men.

Probablemente, como buen científico, disfrutes al aplicar el conocimiento que posees sobre ciencia a temas cotidianos, debido a la visión que proporciona sobre el funcionamiento del mundo y la sutileza que proporciona decidir qué principios aplicar

Como profesor de física, me gusta aportar a mis estudiantes la libertad de escapar momentáneamente del currículo escolar y estudiar la ciencia que existe detrás de situaciones que les resulten especialmente interesantes. Inspirado por el libro La física de los superhéroes (Kakalios, 2009), decidí incorporar los superhéroes de cómic a mis clases de física para que el aprendizaje resultara más motivador. El experimento resultó todo un éxito, tanto por el entusiasmo mostrado por el tema, como por el trabajo y esfuerzo realizado sobre nociones científicas complejas.

En este artículo pretendo describir los materiales utilizados en las clases, con diferentes preguntas y sus respuestas, y un poco de información de trasfondo de los propios superhéroes para aquellos menos familiarizados con estos pintorescos personajes. Estos materiales son adecuados para estudiantes de entre 16 y 19 años, o incluso para desafiar a estudiantes más jóvenes y capaces. Los debates y cálculos podrían ocupar una lección de una hora de duración (o más).

Pero, ¿qué tiene que ver la ciencia con esto?

Posiblemente, el fenómeno de los superhéroes podría explotarse mejor en el aula como ejemplos de problema-solución, en los que la ciencia se aplica a las supuestas habilidades de los héroes para comprobar su coherencia y las consecuencias que podrían acarrear dichos superpoderes. Apreciar a estos personajes de cómic requiere un toque de ‘suspensión del descrédito, como con toda obra de ficción. Sin embargo, de acuerdo a las excepciones milagrosas que propone James Kakalios, los poderes de los superhéroes de ficción (en contraste con las obras fantásticas), podrían llegar a ser plausibles. Pongamos un ejemplo; si aceptamos que Superman puede saltar por encima de un rascacielos limpiamente, ¿qué nos dice esto sobre la fuerza de gravedad existente en su planeta de origen, Kryptón? Más adelante trataremos de responder a esta pregunta.

Otra posibilidad sería centrarse en un superpoder en concreto y utilizarlo como contexto para explicar o describir nociones científicas. En este artículo trataré de describir las posibilidades que ofrecen algunos personajes de los X-Men, de Marvel Comics, al igual que uno de los superpoderes más interesantes: la invisibilidad.

Los X-Men y sus superpoderes

Los X-Men (también conocidos como La Patrulla-X en España o Los Hombres-X en hispanoamérica) fueron creados en 1963 por el editor de Marvel Comics Stan Lee y el dibujante y co-guionista Jack Kirby. Los X-Men son una subespecie mutante de los humanos y nacen con diferentes superpoderes. Veamos algunos de los personajes principales.

• Charles Xavier, también conocido como Profesor-X, es el líder de los X-Men. Postrado en una silla de ruedas, posee el poder de la telepatía. Un debate en clase sobre la plausibilidad de un poder semejante podría centrarse en la naturaleza de los impulsos nerviosos, así como en el hecho de que la actividad cerebral implica el movimiento de iones dentro de las redes neuronales de nuestros cerebros. Se podría relacionar este fenómeno con el electromagnetismo, ya que dichos iones en movimiento constituyen una corriente eléctrica que genera un campo magnético, lo que haría que el cerebro emitiera ondas electromagnéticas de baja frecuencia. Todo esto conlleva que, en principio, podría ser posible leer la mente…otro aspecto muy diferente y debatible sería el nivel de detalle de dicha lectura.

• Magneto, el archienemigo de los X-Men, es un mutante capaz de generar y controlar campos magnéticos. Este superpoder nos proporciona un contexto perfecto para tratar en clase las diferentes clasificaciones del magnetismo: ferromagnetismo, paramagnetismo y diamagnetismo. Los estudiantes podrían estudiar también si, efectivamente, el diamagnetismo podría hacer levitar, por ejemplo, a una persona (respuesta: sí, si el imán fuera lo bastante potente: al menos 40 teslas, lo que supondría una potencia cuarenta veces mayor de la de un imán de los que se usan en chatarrerías para levantar coches).

• Lobezno (conocido en Hispanoamérica como, entre otros, Glotón, Guepardo, o Wolverine, su nombre original en inglés) es un mutante con un potente factor curativo y seis garras de hueso retráctiles recubiertas de adamantium, un material indestructible. Esta aleación metálica ficticia podría ayudar a los estudiantes a plantearse cómo sería realmente un material ‘indestructible’. Los materiales poseen tres propiedades mecánicas básicas: resistencia (aguante del material ante cargas pesadas), dureza (resistencia de un material a cambiar de forma o ser rayado por otro) y tenacidad (resistencia a la rotura). Aunque la seda de araña es un material de gran tenacidad, no es duro. El diamante, en cambio, es extremadamente duro pero no posee la misma tenacidad. Los estudiantes podrían investigar qué materiales (naturales o sintéticos) destacan en estos campos y por qué, al igual que estudiar las propiedades de nuevos materiales actualmente en desarrollo

La capa de invisibilidad

Un episodio de Star Trek en 1966 desveló por primera vez la teoría de utilizar un ‘dispositivo de ocultación’ para alcanzar la invisibilidad. Los estudiantes podrían debatir: ¿podría ser posible? De ser así, ¿cómo? ¿Qué haría falta para que una capa volviera invisible a su portador? Los estudiantes podrían crear diagramas de rayos para mostrar cómo podría lograrse.

En principio, si la luz pudiera doblarse alrededor de un objeto en lugar de reflejarse o refractarse, podría parecer que dicho objeto es invisible. Actualmente, se están desarrollando metamateriales (materiales reales diseñados con propiedades distintas a los materiales naturales) que, mediante el paso de radiación electromagnética alrededor de un objeto ‘camuflado’, podrían lograr precisamente este efecto: un observador que mirase el objeto camuflado vería la luz desde detrás, lo que haría parecer que el objeto es invisible, como un río fluyendo alrededor de una roca. Aunque este enfoque parece prometedor, de momento solo han podido camuflarse con éxito objetos diminutos.

Superman: todo un ejercicio de solución de problemas

Los superhéroes son una fuente inagotable de preguntas sobre movimiento de proyectiles y otras nociones físicas. Superman realizó su debut en el primer número de Action Comics en 1938. Los lectores quedaron asombrados al saber que podía dar saltos de 200m de altura. Este poder podría usarse como punto de partida para averiguar otros fenómenos físicos, si añadimos ciertas premisas plausibles.

A continuación presento diversas preguntas sobre Superman para realizar a los estudiantes, junto con sus soluciones.

1. Si Superman puede dar saltos de 200 m de altura, demuestra que su velocidad de despegue es de aproximadamente 60 ms^-1

Se puede llegar a la solución de este problema mediante dos enfoques: mediante una ecuación o por conservación de la energía. Tal vez los estudiantes podrían resolverlo de ambas maneras, como forma de comprobar la respuesta. Esto les acercaría al trabajo de físicos profesionales: si enfoques diversos llevan a la misma respuesta, el resultado resultará más convincente.

Enfoque ‘ecuación de movimiento’

Las ecuaciones de movimiento se utilizan en física e incluyen las siguientes variables:

s = esplazamiento

u = velocidad inicial

v = velocidad final

a = aceleración

t = tiempo

Recuerda a los estudiantes que, si Superman salta verticalmente, cuando llegue a su altura máxima se detendrá momentáneamente por lo que su velocidad final (v_f) sería de 0 ms^-1. Si asumimos que el movimiento hacia arriba es positivo, el valor de las variables sería:

s = 200 m

u = ?

v = 0 ms^-1

a = -10 m^{-2 (aceleración gravitacional)}

t = irrelevante

La ecuación más adecuada resulta

v² = u² + 2ax

Si trasladamos los valores, la ecuación quedaría:

0 = u² + 2 (-10 x 200)

u² = 4000

u = 63.2 ms^-1

Enfoque ‘conservación de la energía’

Podemos asumir que en el punto más alto del salto de Superman, toda energía cinética se ha transformado en energía gravitacional potencial. De modo que:

1/2 mv² = mgh

donde m es la masa de Superman, v es la velocidad de despegue y h es la altura que obtiene con el salto.

Si sustituimos los valores, la ecuación queda:

2. Cuando saltara, ¿cuál es la fuerza que experimentaría Superman al despegar del suelo?

Se define la fuerza, F, como la tasa de cambio del momento, p¸(o ‘cantidad de movimiento’). El momento es el producto de la masa por la velocidad, de modo que la tasa de cambio del momento es la masa de Superman m multiplicada por la velocidad de despegue v, dividido por el tiempo, t.

Supongamos que Superman tiene una masa de 100 kg. Para el valor tiempo, t, un valor estándar de ‘tiempo de despegue’ utilizado con frecuencia en libros de texto es 0,25 s

Todo esto nos lleva a la siguiente ecuación:

3. Si Superman puede saltar 200 m en la Tierra, ¿cuál sería la fuerza gravitacional de su planeta de origen, Kryptón?

En general, cuando la gente salta, aplica una fuerza aproximadamente similar a su peso de pie. En la Tierra, el peso de Superman de pie, W, es su masa, m, multiplicada por la fuerza gravitacional, g, (que sería de, aproximadamente, 10 Nkg^-1). Supongamos de nuevo que Superman posee una masa de 100 kg, por lo que:

W = 100 kg x 10 Nkg^-1 = 1000 N

De la pregunta anterior, sabemos que cuando Superman salta, aplica una fuerza de 2.53 x 10⁴ N, lo que sugiere que ese es su peso en Kryptón. Todo ello nos lleva a que el campo gravitatorio de Kryptón es unas 25 veces más fuerte que el terrestre.La vida en Kryptón adaptó fisiológicamente a Superman a una fuerza gravitatoria superior. En su planeta de origen parecería uno más, pero en la Tierra, parece todo un superhombre.

4. ¿Qué podemos deducir de Kryptón por su gravitación?

Esta pregunta podría utilizarse como introducción a los modelos matemáticos para estudiantes de 16 años en adelante. Si la densidad de un planeta es uniforme, la fuerza de su campo gravitatorio será proporcional a su radio, de modo que los estudiantes podrían reflexionar sobre esta relación, si tenemos en cuenta las ecuaciones sobre fuerzas de campos gravitacionales: g = Gm/r² y del volumen de una esfera: V = 4/3pr³

Todo esto nos indica que si la Tierra y Kryptón poseen una densidad similar, y si el campo gravitatorio de Kryptón es unas 25 veces más fuerte que el terrestre, su radio también será 25 veces mayor que el de la Tierra.

Esta reflexión nos llevaría a poder calcular la masa de Kryptón. Si nuevamente damos por sentado una densidad similar, la masa de un planeta es proporcional al cubo de su radio. Por tanto, un planeta con un radio 25 veces mayor al terrestre vería su masa incrementada en 25³ = 1.56 x 10⁴

Por tanto, si la masa de la Tierra tiene un valor de 5.97 x 10²⁴ kg, la masa de Kryptón sería:

5.97 x 10²⁴ kg x 25³ = 9.33 x 10²⁸ kg

Estaríamos hablando de una masa unas 15000 veces mayor a la terrestre, y unas 50 veces la de Júpiter. De hecho, si Kryptón fuese un gigante gaseoso (en lugar de un planeta rocoso como la Tierra), su masa se acercaría a la requerida para la fusión termonuclear del hidrógeno, el proceso que produce la energía solar. Es decir, si los creadores de Superman lo hubieran diseñado tan solo un poquito más poderoso, su ‘planeta’ de origen podría haber sido perfectamente una estrella.

Ant-Man y otras conjeturas

Podrían utilizarse otros muchos personajes de cómic para originar preguntas y conjeturas para incentivar la imaginación científica de los estudiantes. Tomemos como ejemplo el personaje del  biofísico Dr. Henry ‘Hank’ Pym, quien descubre una sustancia química conocida como las partículas Pym, que le permiten reducirse al tamaño de un insecto, convirtiéndose así en Ant-Man (conocido en el mundo hispanoparlante como El Hombre Hormiga). Si Ant-Man fuese aspirado por una aspiradora, ¿podría romper la bolsa de un puñetazo y escapar?

Esta pregunta supone un ejercicio de escalas. La fuerza con la que alguien puede dar un puñetazo es proporcional a la sección transversal de los músculos del brazo. Si la fuerza del puñetazo de Ant-Man y el área de su puño se reducen en el mismo factor, la presión que podría ejercer sobre la bolsa quizá pudiera, sorprendentemente, ser la misma que la del Dr. Pym.

Por supuesto, esta conjetura requeriría la excepción milagrosa de que el volumen del Dr. Pym se redujera sin que afectara al resto de atributos, masa incluida, manteniéndolos constantes. Este escenario nos llevaría a otro terreno científico completamente diferente: la estructura atómica. Todo esto demuestra que, con un poco de imaginación, los superhéroes pueden llevarte a cualquier lugar. ¡Disfruta del trayecto!

Download

Download this article as a PDF