Nunca has tocado nada. La física del contacto

Cuando comienzas a estudiar la estructura de los átomos ves que la capa más externa de TODOS es una nube de electrones cargados negativamente. Si ahora intentas mirar a tu alrededor intentando imaginar esos átomos en todo lo que ves, podrías llegar a una pregunta muy lícita:

Si las cargas del mismo signo se repelen, y la parte más externa de todos los átomos tiene la misma carga (negativa), ¿se repelen los átomos entre sí? ¿Significa eso que nunca llegan a tocarse?

O en otras palabras más dramáticas…

¿NUNCA HE TOCADO NADA?

Como siempre, esta pregunta tiene mucha más miga de lo que pinta, y se puede profundizar enormemente en ella. Así que, si te has quedado con ganas de ello, clica en el «leer más» =)


Recuerdo aún cuando mi profesora de física y química en 4º de ESO nos dejó caer esta idea sin profundizar demasiado. Mientras que al resto de mis compañeros les entró por un oído y les salió por otro (o eso me pareció desde mi egolatría juvenil), para mí fue algo tal que así:

Ahora soy yo el profe. Y cómo no, también tenía que soltarlo en clase. Con catastróficos resultados, dicho sea de paso, con hits como «entonces nunca he comido nada» o «no te enfades, realmente no te estoy tocando al pegarte». Pero fliparlo lo fliparon.

Veamos si con la calma que da escribir desde el hogar podemos profundizar aun más en dicha idea y llevarla hasta sus últimas consecuencias.

Fuerzas en el día a día

Una fuerza es una interacción en dos cuerpos cuyo resultado es la modificación del estado de reposo o movimiento uniforme de estos (aunque le duela a Aristóteles).

Dicho en palabras llanas, llamamos fuerza al agente que aplicado sobre un objeto lo acelera (y acelerar implica tanto ganar velocidad como perderla y también cambiar la dirección de esta).

Por ejemplo, hace falta una fuerza para mover el carrito de la compra (venciendo el rozamiento del suelo), para empujar un coche que se ha quedado sin batería o para tomar una curva con la moto (en este último caso, el rozamiento con el suelo te ayuda a no seguir en línea recta con una fuerza centrípeta).

Todos estos ejemplos tienen algo en común: la fuerza se produce como resultado del contacto entre dos cuerpos. Por eso se les llama fuerzas de contacto.

Por contra, cuándo una manzana cae al suelo desde el árbol, la Luna orbita a la Tierra, o dos imanes se repelen, no es necesario el contacto entre dichos cuerpos para que la fuerza aparezca. Hablamos, pues, de fuerzas a distancia.

Pero volvamos al párrafo de inicio: si realmente la materia está hecha de átomos, y la interacción entre átomos ha de ser eléctrica (fuerza a distancia), ¿realmente existen las fuerzas de contacto?

A poco que lo pienses, verás que no.

Lo que realmente ocurre cuando empujas algo, es que los electrones de tus átomos más externos repelen a los electrones de los átomos más externos de ese algo. Esta repulsión los acerca a la siguiente capa de átomos, que se sienten repelidos a su vez, etc. Finalmente, ese algo se siente empujado como un todo ya que sus átomos están ligados entre sí, pero a escala atómica… ningún átomo ha contactado con ningún otro. Las fuerzas de contacto no existen, todas las fuerzas de contacto son fuerzas eléctricas vistas desde una perspectiva macroscópica.

Podrías decirme: bueno, si hago mucha fuerza, conseguiré que haya contacto entre átomos, de igual manera que consigo que dos polos iguales de dos imanes se toquen si aprieto lo suficiente.

La cosa es que la ley que gobierna la fuerza con la que se repelen (o atraen) las cargas es la ley de Coulomb:

    \[F=k\dfrac{q_1 q_2}{r^2}\]

y, como puedes comprobar, si la distancia entre las cargas r tiende a cero la fuerza F tiende a infinito.

¿Quiere decir eso que nunca he tocado nada?

Realmente no.

Lo que quiere decir es que lo que llamamos «tocar» es, en primera aproximación, que tus electrones más externos repelan a los electrones más externos del otro objeto.

En un capítulo de cosmos (el de Neil de Grasse Tyson) animaron esto para que lo veamos mejor:

Entonces, ¿cómo sostengo algo?

Si los electrones simplemente se repelieran, no podríamos sostener cosas. Piensa en un objeto en un plano inclinado: los electrones del plano repelen a los del objeto y viceversa y entonces el objeto caería por gravedad.

Pero existe la fricción.

Un primer acercamiento a la fuerza de fricción entre dos superficies sería apelar a las numerosas irregularidades que se manifiestan a escala microscópica. La imagen típica es la siguiente:

Sacada de aquí.

Pero realmente la fuerza de fricción es mucho más complicada y no se debe (únicamente) a estas irregularidades. Cuando la distancia entre átomos es muy pequeña se repelen, pero resulta que a distancias mayores se pueden atraer (por ejemplo, por fuerzas Van der Waals, entre otras). Esto es lo que explica que tus átomos puedan mantenerse juntos entre sí (pese a que no se toquen), y que cuando dos superficies deslicen una sobre otra aparezca una fricción debido al ingente número de atracciones entre átomos que surgen para luego desaparecer, pero efectuar a nivel macroscópico una fuerza que sintetizamos en una fórmula empírica bien sencilla: F_r=\mu N (la fuerza de fricción es proporcional a la reacción del plano al objeto que se le apoya).

Ganando complejidad

La idea simple, que surge de combinar la estructura de la materia con lo que sabemos de las fuerzas eléctricas, es que no existe el contacto tal y como lo imaginamos.

El problema es que la estructura de la materia a nivel atómico no es tan sencilla como la hemos presentado (o como se suele presentar cuando se discute esta idea).

Ya hemos visto en el blog que los electrones, y en general todas las partículas, no son bolitas de radio y bordes definidos. Se pueden entender más bien como nubes (de probabilidad) dispersas por el espacio, con regiones donde es más probable encontrarlas y regiones donde menos (aunque se manifiesten como partículas cuando los detectamos). Algo tal que así:

Sacada de aquí.

Cuando dos átomos se enlazan (algún día dedicaremos una entrada al enlace químico), las nubes de probabilidad de las partículas implicadas se llegan a solapar, y por tanto, en cierto sentido, ocupan regiones del espacio comunes (sin que esto signifique que se «toquen»).

Enlace covalente en la molécula de hidrógeno. Esto es realmente una manera aproximada de describirlo, ya que de manera exacta se tiene una única función de onda para ambos electrones. Sacada de aquí.

Pero es que aun podemos ir más allá, ya que la física moderna nos ha dado una nueva visión de cómo son las interacciones a nivel fundamental.

Cuando dos partículas interactúan, lo que realmente está ocurriendo es que intercambian partículas mensajeras de la interacción en cuestión. Por ejemplo, cuando dos electrones interactúan repeliéndose lo hacen mediante el intercambio de un fotón (realmente lo hacen de muchas más maneras, siendo la más importante -es decir, la que más contribuye a la probabilidad- esta).

Diagramas de Feynman para la interacción entre nucleones por el intercambio de piones.

Pareciera que aquí sí que está teniendo lugar un contacto, pero hay que recordar que estos famosos diagramas no representan realmente los procesos, son formas de transcribir ecuaciones a diagramas y viceversa para facilitar el cálculo.

Más aún, cuando transcribes a ecuaciones el proceso tienes en cuenta la posibilidad de que la emisión de la partícula mensajera haya sido con cualquier velocidad (momento realmente). Y encima, las partículas que conectan dos vértices en estos diagramas no tienen «realidad física» al mismo nivel que el resto: se les llama partículas virtuales por ser indetectables ya que no cumplen la relación de Einstein entre masa, momento y energía (te dejo un vídeo al respecto).

En resumen

En resumidas cuentas, nunca hemos tocado nada, pero realmente sí lo hemos tocado todo. Simplemente tocar, a nivel fundamental, consiste en la interacción por intercambio de partículas mensajeras entre nuestras partículas y las del objeto tocado. No existe otro tipo de interacción, todas las fuerzas son «a distancia» (entendiendo que son mediadas por partículas mensajeras).

Aprender consiste en añadir capas de complejidad continuamente a lo que ya considerábamos aprendido. Y que me aspen si no es bonito el proceso.

8 comentarios en «Nunca has tocado nada. La física del contacto»

  1. Artículo interesantísimo, pero da lugar a un sinnúmero de dudas (al menos para mí). Si es cierto que nunca hemos tocado nada, dado que los electrones de dos superficies cualesquiera se repelen, ¿cómo es que al «tocar» algo podemos distinguir con el tacto de nuestro dedos si estamos tocando una tela, la superficie de una mesa, la piel de la chica que nos gusta, etc.? ¿Es sólo a través de las irregularidades en el proceso de fricción lo que nos permite distinguir un objeto de otro, una superficie de otra? Es cierto que con los ojos cerrados, dos superficies pueden parecer muy semejantes o idénticas, induciéndonos a error, pero todo el mundo es capaz de distinguir sin equivocarse la diferencia entre tocar la tela de un pantalón vaquero, una lija de carpintero o tocar la superficie de un cristal incluso aunque no los veamos.

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    • Sí, a nivel físico es eso, diferencias de presión a nivel microscópico debido a rugosidades y fricción. Ahora, la parte biológica debe ser mucho más complicada (y se investigan), pero ahí ya no nos metemos… 😛

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  2. Es una pena que las diferentes «ciencias» se hallen todavía tan desconectadas entre sí en el proceso de interpretación de los fenómenos que experimentamos. El cerebro, ese órgano maravilloso que tan poco entendemos y apenas sabemos interpretar por ahora, debe realizar una ingente tarea de sensibilidad y transmisión neuronal para, en un lapso de tiempo de segundos, ser capaces de distinguir esas rugosidades microscópicas y la fricción e interpretarlas como objetos o superficies diferentes. Mejor que lo haría cualquier megacomputadora con 5.000 servidores dedicados a cálculos matemáticos. Y digo que es una lástima porque sería estupendo que tanto físicos, biólogos, neurólogos, matemáticos, médicos especialistas en anatomía, etc., tuvieran más predisposición a colaborar juntos en materias como ésta porque la explicación física está muy clara, pero a nivel cotidiano todos sabemos que el proceso de «tocar» es mucho más complejo que reducirlo a cambios de presión o a diferencias en la fricción. De hecho, mientras escribía esta respuesta a tu comentario, he tocado la superficie de la mesa donde escribo e incluso con los ojos cerrados soy capaz de distinguir partes de ella que está totalmente limpia de otros lugares más pequeños donde hay microscópicas motas de polvo, todo en cuestión de microsegundos. Lo más curioso de todo es que los ciegos, sin haber visto jamás ni una mesa, tienen mejor sensibilidad táctil que nosotros los videntes. Repito: muy buen artículo. Enhorabuena.

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    • No te creas que se encuentran tan desconectadas, hay físicos en todas las ramas (biofísicos, geofísicos, econofísicos…). El problema, en mi opinión, es que la física es una ciencia muy «sencilla», y eso es lo que la hace grande. Es capaz de simplificar las complejidades que aparentan los fenómenos naturales con modelos sencillos que, precisamente por no ocuparse del detalle fino, acaban siendo universales y capaces de incorporar más adelante dichos detalles. Esta manera de trabajar es casi exclusiva de la física, en cualquier otra ciencia, si obvias los detalles para modelar, acabas con modelos que se alejan mucho de los resultados. Pero no es por falta de ganas, ya digo, físicos hay en todos lados =)

      Me alegro de que te guste el artículo, Fernando =)

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  3. Veo que te lo pasas bien en clase jajaja

    Lo del movimiento que escribiste el otro día, tammbién se trae las suyas. Porque para cualquiera parece una chorrada pensar que el movimiento no existe, o sólo exista como a apariencia, y que en realidad no hay multiplicidad, ni cambio, ni diferencias, etc sino que todo es uno. Sin embargo, son muchos los pensadores, científicos y sabios que han terminado pensando en ello. Sin ir más lejos, Einstein mismo, que al final parecía el digno heredero de Parménides (Zenon fue su dicípulo).

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    • Sí, sí, estas cosillas dan mucho juego. A veces no sabe uno cuando parar jajaja Eso que comentas es muy interesante también llevarlo a clase, pero claro, tienes que esperar a que los alumnos tengan los conceptos asentados para no liarlos (aunque a veces cuando se lo presentas de primeras surgen respuestas interesantes).
      Un saludo RDC.

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  4. Hola! Me ha gustado mucho esta entrada y quisiera hacerte una pregunta, ya que no soy físico, pero estoy interesado en comprender cómo se produce el sonido si no hay contacto, es decir, por ejemplo: si al caminar realmente no estoy tocando el piso ¿cómo se produce el sonido de las pisadas? Desde ya, gracias!

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    • Buenas Gonzalo. Gracias por comentar. Intento responderte.

      Dentro de la filosofía de que no tocamos nada y todo son repulsiones electromagnéticas (que tampoco es cien por cien correcta, como se explica en la entrada), simplemente cuando caminas tus átomos repelen bruscamente a los del suelo. Este movimiento brusco se transmite (también por repulsión electromagnética) al resto de átomos del suelo (de capa en capa), y a los átomos del aire circundante (de capa en capa, estos repeliéndose a su vez).

      Este movimiento que se transmite capa a capa en un material es lo que llamamos onda sonora. Cuando la perturbación llega a tu oído, los átomos del aire más cercanos a tu tímpano empujan a los átomos de tu tímpano y le transmiten la perturbación, poniéndolo a vibrar de la misma manera, lo que hace que escuches el sonido.

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