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Monografía Ciencia y cocina

Jenaro Guisasola Kristina Zuza Universidad del País Vasco

La física en la cocina

En este artículo se tratan las aplicaciones de los avances de la física en el diseño y evolución de las cocinas domésticas. Se comentan los fundamentos físicos de componentes de la cocina que han venido a ser cotidianos y familiares en nuestros hogares. El comentario de las bases científicas se contextualiza dentro del currículo de secundaria, de forma que se pueden presentar como aplicaciones tecnológicas de la física contemporánea. Palabras clave: física, diseño, cocina, electrodomésticos. Physics in cooking This article discusses the applications of physics in the design and evolution of domestic cooking. It looks at the physical foundations in the components of cooking that have become everyday and commonplace in our homes. The physics foundations are set in the context of the secondary curriculum, so that they can be presented as technological applications of contemporary physics. Keywords: physics, design, cooking, household appliances.

Cuando en los medios de comunicación y en las clases de ciencias se habla de cocina, todos se suelen referir a los fundamentos científicos relativos a conceptos y leyes de la química. Es usual relacionar la cocina de los alimentos y su conservación con transformaciones químicas y condiciones para ralentizar o acelerar estas transformaciones. En pocas ocasiones se hace referencia a la cocina en relación con los fundamentos de la física. Sin embargo, los descubrimientos en el campo de la física han hecho que el propio concepto de cocinar con «fuego» y los aparatos que componen la habitación llamada cocina hayan cambiado radicalmente en los últimos sesenta años. Algunos de estos nuevos aparatos, como los microondas, han suscitado una auténtica polémica social. Otros, en cambio, han sido aceptados como verdaderos facilitadores de la vida cotidiana. En este artículo pretendemos describir algunos de estos avances relacionándolos con los conceptos y leyes de la física que se estudian en el currículo de secundaria obligatoria y postobligatoria.

Hágase la luz blanca en la cocina: la lámpara fluorescente

Durante siglos la cocina ha estado mal iluminada sólo por el fuego del hogar. Sin embargo, desde el invento de las lámparas de descarga en gases como las fluorescentes, hemos podido disfrutar de una buena luz blanca en nuestras cocinas. Una lámpara incandescente normal tiene dos problemas serios para emitir luz blanca. El cerebro humano interpreta que la luz que está recibiendo es luz blanca cuando los tres tipos de células-sensoras del color (rojo, azul y amarillo) responden de forma igual a los diferentes colores. Las lámparas incandescentes emiten en 9 | Alambique

Didáctica de las Ciencias Experimentales • n. 65 • pp. 9-16 • julio 2010

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una pequeña franja del espectro electromagnético que se relaciona con la temperatura que adquiere el filamento. Por ejemplo, la superficie del Sol emite una luz amarillenta que corresponde a la temperatura de la superficie (5.800ºC), y las lámparas incandescentes emiten en una longitud de onda más roja que la de la luz solar, ya que su temperatura es menor. Por eso la mayoría de su radiación electromagnética es luz infrarroja invisible para el ojo humano y su eficiencia energética es muy baja. La mejor alternativa son las lámparas de descarga de gases. Algunas lámparas de descarga dan un excelente juego al producir luz blanca y todas ellas son mucho más eficientes energéticamente que las incandescentes si se mantienen encendidas durante largo tiempo, ya que invierten la mayor parte de la energía en el encendido. Las más comunes y familiares de estas lámparas son las fluorescentes que se encuentran en el techo de nuestras cocinas. En vez de calentar el filamento hasta emitir luz blanca incandescente, la lámpara fluorescente usa electrones para excitar los átomos que cuando vuelven a su estado habitual emiten luz. Una lámpara fluorescente permanece fría mientras funciona, por tanto da poco calor a la habitación o emite poca radiación infrarroja. Una lámpara fluorescente suele ser un tubo estrecho y alargado que contiene Argon, neón y/o criptón a una presión 0,3% menor que la presión atmosférica del exterior. El tubo también tiene unas pocas gotas de mercurio, algunas de las cuales se encuentran en forma de vapor. Cerca de uno de cada mil átomos de gas del tubo es un átomo de mercurio y son esos átomos de mercurio los que producen la luz. La comprensión del fenómeno de la producción de luz implica el conocimiento de la teoría atómica de la materia y el modelo atómico de Bohr. El proceso explicativo de la emisión de luz blanca en un tubo fluorescente puede ser un buen ejemplo de aplicación tecnológica de la teoría atómica. Los extremos del fluorescente son dos electrodos de metal y la corriente eléctrica puede entrar por uno de ellos, atravesar el gas y salir por el otro. Pero como el gas no contiene cargas eléctricas móviles, no puede conducir la electricidad. Para hacer circular electrones se suelen utilizar dos técnicas: calentar los electrodos para que emitan electrones desde su superficie, o utilizar un alto voltaje que impulse los electrones a través del gas. Al circular a través del gas a baja presión, los electrones colisionan con los átomos del gas, pero debido a su pequeña masa rebotan contra los átomos de mercurio sin perder mucha energía. Como pelotas de ping-pong chocando contra un elefante, los electrones rebotan y continúan su camino. Sin embargo, algunos electrones colisionan contra un átomo de mercurio y éste absorbe parte de la energía cinética del electrón. El electrón rebota con menos energía que la que tenía antes y el átomo de mercurio emite una pequeña cantidad de luz (cuadro 1). 10 | Alambique

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Ciencia y cocina Cuadro 1. Funcionamiento de la lámpara fluorescente

Para entender cómo un átomo de mercurio funciona para transformar la energía cinética en luz, es preciso mirar la estructura de los átomos. Cuando un electrón choca violentamente con un electrón, los electrones del átomo de mercurio se reordenan. Uno o más electrones del átomo de mercurio se mueven hacia orbitales no ocupados y esta nueva reordenación se denomina «estado excitado» del átomo. Sin embargo, el átomo de mercurio no permanece mucho tiempo en este estado, tiende a volver a su «estado estable» y vuelve a reordenarse. En este reordenamiento se emite luz. En el caso del mercurio, cuando vuelve a su estado habitual después de haber sido excitado por un electrón emite fotones que corresponden principalmente al amarillo y al verde con algunas emisiones en el azul y el rojo; tal y como hemos dicho anteriormente, el ojo humano interpreta como blanca la luz que se emite por la mezcla de estos colores. Este proceso para generar luz se conoce como luminiscencia, mientras que la emisión de luz por calentamiento se denomina incandescencia. Debido a que la transmisión de luz por radiación sólo se imparte de forma muy limitada en 2.º de bachillerato, no vamos a entrar ahora en la energía emitida por la «partícula de luz» (E = hv), podemos dejar aquí esta explicación sobre átomos y luz blanca en la cocina.

Tostadoras y motores eléctricos

Siempre son de agradecer las tostadas calientes del desayuno o de los sándwiches para diferentes comidas. La tostadora es un buen invento y se basa en la transformación de la energía eléctrica en energía calorífica en las resistencias de cualquier circuito. La tostadora, independientemente del diseño más o menos atractivo, contiene en su interior resistencias metálicas que hacen que la energía eléctrica se transforme en calor para tostar el pan de molde. Este agradable y cómodo invento fue comercializado por primera vez por la General Electric Company en EEUU en el año 1909, aunque su popularización en España no se produjo hasta mediados del siglo XX . La tostadora está constituida por un circuito que lleva integrados alambres enrollados que se vuelven incandescentes y emiten calor cuando se hace pasar por ellos la corriente eléctrica. La explicación de este efecto se debe al señor James Prescott Joule (lo que el currículo conoce como efecto Joule), que en 1840 estableció que el rendimiento de la corriente eléctrica es proporcional al producto de la resistencia por el cuadro de la intensidad. Como 11 | Alambique

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vemos, entre el descubrimiento científico y una de sus aplicaciones tecnológicas pasa cierto tiempo. Este intervalo se fue acortando a lo largo del siglo XX. En general, cada vez se procede con mayor rapidez a la fabricación de instrumentos tecnológicos basados en nuevos avances científicos, aunque esto depende de la aportación científica concreta. Asimismo, la tecnología es imprescindible para el desarrollo científico, y son multitud los instrumentos de laboratorio que utilizan instrumentos tecnológicos basados en el efecto Joule. Éste es uno de los ejemplos de este artículo en los que ciencia y tecnología son dos caras de una misma moneda. Pero en la cocina nos encontramos con electrodomésticos (como, entre otros, la lavadora-secadora o la batidora) que llevan incorporados uno de los inventos más útiles del siglo XX , el motor eléctrico (Hewitt, 2004). A la hora de explicar el funcionamiento del motor eléctrico es necesario tener en cuenta que puede funcionar con corriente continua o con corriente alterna. Un verdadero motor de corriente continua no admite corriente alterna, ya que su dirección de giro se invertirá con cada mitad de ciclo de la corriente alterna y simplemente vibraría pero no daría el giro completo. Asimismo, un verdadero motor de corriente alterna no admite corriente continua porque depende del cambio de sentido de la corriente alterna. Así pues, habrá que tener en cuenta este hecho cuando se explique el motor eléctrico en aquellos cursos donde el currículo sólo contempla contenidos conceptuales de corriente continua. No obstante, siempre se puede explicar el motor eléctrico a partir de lo que se conoce como motor universal. Este motor funciona tanto con corriente continua como con alterna. La única diferencia con los otros motores es que se han sustituido los imanes permanentes por electroimanes asociados al circuito del generador. Puesto que los imanes son realmente electroimanes, el rotor no se da cuenta de los cambios en el sentido de la corriente porque al cambiar el sentido de la corriente cambian también los polos de los imanes. Una vez que hemos analizado el problema del tipo de corriente, el motor eléctrico se puede explicar como un motor de corriente continua en sus fundamentos más básicos en cursos de secundaria obligatoria y con las puntualizaciones que acabamos de hacer para cursos de bachillerato. El cuadro 2 muestra un motor de corriente continua simple. La corriente procedente de la batería imanta el rotor de hierro dulce que gira libremente alrededor del eje AA’ y tiende a alinearse con el campo producido por los polos llamados N y S. Al ejercer el imán un par de fuerzas sobre el rotor, éste gira junto con el colector. Los segmentos del colector proporcionan el medio para invertir el sentido de la corriente cuando el rotor alcanza su punto de equilibrio. La inercia de la masa del rotor garantiza que seguirá girando y que sobrepasará la posición de equilibrio. 12 | Alambique

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Ciencia y cocina Cuadro 2. Motor de corriente continua simple

Entonces, al invertirse la polaridad, existe otro impulso de giro de otra media revolución. Como el colector invierte el sentido de la corriente cada 180º, se obtiene una rotación continua. De esta forma se realiza un trabajo en el eje del motor, como por ejemplo en la batidora, que nos pone la clara del huevo a punto de nieve o nos hace la masa de un pastel.

Cocinar los alimentos sin «fuego»: microondas y cocinas de inducción

Los electrodomésticos descritos hasta ahora no han provocado polémica y, en general, han sido acogidos como avances de la ciencia que nos facilitan la vida cotidiana en la cocina. Sin embargo, no en todos los casos ha sucedido así. No hay ninguna razón para creer que los microondas, a los niveles utilizados para calentar la comida o cocinarla, perjudiquen nuestra salud. Sin embargo, desde la década de 1970 se han producido campañas en contra de los hornos microondas con el argumento de que es un hecho conocido que las ondas microondas ejercen un profundo efecto en el sistema nervioso central y posiblemente provocan cáncer. ¿Conocido por quién? Los efectos de los microondas fueron investigados desde la década de 1940. Las investigaciones se iniciaron en la segunda guerra mundial con el desarrollo del radar, cuando un técnico que hablaba cerca de un transmisor experimental descubrió que una barra de chocolate que tenía en el bolsillo se había derretido. El ejército norteamericano estableció un programa de investigación para evaluar posibles peligros de operadores expuestos directamente a la radiación de rádares de gran potencia. Los hornos microondas fueron un producto de aquella investigación y se empezaron a comercializar en los años 60 del siglo XX . Las microondas constituyen una forma de radiación electromagnética, ondas de campos eléctricos y magnéticos que viajan a la velocidad 13 | Alambique

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Ciencia y cocina Cuadro 3. El espectro electromagnético Frecuencia (Hercios)

103

1

10-3

10-6

10-9

1021

Rayos Gamma

1018

Rayos X

Infrarrojo Visible Ultravioleta

1015

Infrarrojo lejano

1012 Ondas milimétricas

VHF television FM Radio UHF television Microondas

109 Onda corta radio

AM Radio

106

10-12

Longitud de onda (metros)

de la luz y que se diferencian de la luz visible únicamente en la frecuencia en la que estos campos oscilan. La frecuencia de las microondas es más baja que la de la radiación infrarroja, cuyas frecuencias se sitúan inmediatamente por debajo de la del espectro visible (cuadro 3). Así como podemos sentir la radiación infrarroja –por ejemplo, advertimos que una estufa está caliente antes de tocarla–, las microondas no podemos sentirlas directamente; éstas son absorbidas por determinadas moléculas del cuerpo, con lo que se incrementa la amplitud de las vibraciones atómicas. Para entender cómo calienta la comida un microondas es necesario recordar los efectos del campo eléctrico sobre las moléculas polarizadas de agua (Bloomfield, 1997). Si ponemos agua en un espacio que tiene un fuerte campo eléctrico, las moléculas de agua que están orientadas arbitrariamente tienden a girar y a alinearse con la dirección del campo eléctrico (véase el cuadro 4). Al girar las moléculas chocan entre ellas y se transfiere parte de su energía potencial eléctrica en calor. Lo mismo sucede en una fiesta con mucha gente que baila y se mueve, donde se transfiere parte de la energía en calor, aumentando la temperatura de la sala. Como en los microondas el campo eléctrico cambia de dirección cada cierto tiempo, las moléculas de agua giran y chocan entre ellas continuamente, por lo que se produce un aumento de temperatura del alimento. Si algo hemos aprendido acerca del medio ambiente en las últimas décadas es que no podemos tomarnos las advertencias de las investigaciones científicas a la ligera (Montero y Guisasola, 2008) ni aceptar de forma acrítica las palabras de las autoridades. Además, el hecho de que la mayoría de las investigaciones sobre los efectos biológicos de los microondas haya sido desarrollada por la industria militar nos lleva a preguntarnos: ¿existen investigaciones científicas contrastadas de que los hornos microondas no son perjudiciales para la salud? El efecto de todos los agentes inductores de cáncer conocidos, como las radiaciones ionizantes (rayos X o rayos ultravioleta) o los cance14 | Alambique

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Ciencia y cocina Cuadro 4. Comportamiento de las moléculas de agua sin campo eléctrico y en un campo eléctrico variable

rígenos químicos (humo del tabaco, algunos virus…) es que dañan el ADN. El daño consiste en alterar los enlaces químicos, creando una cadena de ADN mutante. Uno de los mayores logros de la mecánica cuántica fue el descubrimiento de que la radiación electromagnética transmite energía sólo en paquetes discretos de energía denominados fotones. Los fotones de la radiación electromagnética tienen una energía que depende de la frecuencia de la misma (E = hv). Los fotones de las radiaciones ionizantes, las de la región ultravioleta del espectro justo después de la luz visible (véase el cuadro 3), son los que debido a la frecuencia de la radiación tienen energía suficiente para romper los enlaces químicos. El hecho de poder romper los enlaces sólo depende de la energía de cada fotón, no de su número o de la intensidad de la radiación. Dicho de otra forma, romper enlaces con un fotón es como intentar lanzar una piedra por encima de un muro. Si uno no logra pasar la altura del muro, da igual cuántas piedras arroje. Pues bien, romper enlaces químicos con microondas es como tratar de arrojar una piedra por encima de un rascacielos. En definitiva, que según la física que conocemos es imposible que las ondas microondas produzcan cáncer, aun en el caso improbable de que el horno microondas tuviera un pequeño escape. Otro de los avances tecnológicos es el de la cocina de inducción, que ha hecho que cocinar sea más seguro, cómodo y limpio. A menudo, estas cocinas se confunden con las cocinas vitrocerámicas por su apariencia pero son totalmente diferentes en su funcionamiento. Estas cocinas son una de las muchísimas aplicaciones que tiene la inducción electromagnética que descubrió Faraday en 1831. Debemos mencionar que el descubrimiento de la inducción electromagnética supuso una gran revolución en la tecnología y sus aplicaciones son innumerables e imprescindibles en la sociedad actual. Como ejemplo, podemos mencionar la producción de energía eléctrica. Casi la totalidad de la energía eléctrica que se produce en el mundo se basa en este principio, que produce corrientes eléctricas en dos casos: si tenemos un circuito en un campo magnético que varía con el tiempo o si tenemos un circuito que se mueve dentro de un campo magnético. Esto es lo que ocurre dentro de los generadores que producen electricidad, independientemente de que el agente exterior que genera el movimiento sea el vapor generado en una central nuclear o el viento en una estación eólica. 15 | Alambique

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En el caso de la cocina, el funcionamiento es el mismo. Mediante unas bobinas, se genera un campo magnético variable con el tiempo y la variación del campo magnético, a su vez, genera un campo eléctrico no conservativo. Este campo eléctrico actúa generando corrientes inducidas sólo cuando tiene un conductor cerca (una cazuela). Las cazuelas adecuadas para este tipo de cocinas son de materiales ferromagnéticos de gran resistencia. La combinación del efecto Joule, donde la corriente eléctrica se disipa generando calor, y el ciclo de histéresis hace que la cazuela se caliente y aumente la temperatura de los alimentos que haya en su interior, a pesar de lo cual la placa se mantiene fría. El ciclo de histéresis es un concepto que no contempla el currículo de secundaria, pero la inducción electromagnética es una parte importante del currículo de bachillerato. Ejemplos como éste pueden ayudar a los profesores a acercar a los estudiantes un fenómeno tan importante como la inducción electromagnética, el cual a menudo resulta abstracto y lejano para los estudiantes. En conclusión, pensamos que los ejemplos que hemos presentado pueden ayudar a discutir con los estudiantes las relaciones C/T/S y a interesar a los estudiantes por la física y su estudio. Hemos procurado ser rigurosos en la contextualización de las aplicaciones ajustándonos a los contenidos del currículo. En este sentido, pensamos que las necesarias simplificaciones que según el nivel de enseñanza se realizan en la ciencia escolar deben ser tenidas en cuenta por el profesorado y se deben advertir al alumnado. De esta forma, los estudiantes no se encontrarán con que conforme van avanzado en el currículo de física las explicaciones parecen «cambiar» y a veces hasta parecen contradictorias. Referencias bibliográficas

BLOOMFIELD, L.A. (1997): How things work . Nueva York. John Wiley & Sons. HEWITT, P.G. (2004): Física conceptual. 9.ª ed. México. Pearson-Adisson Wesley, 1997. MONTERO, A.; GUISASOLA, J. (2008): «La enseñanza de los circuitos eléctricos en contexto: las pilas no son un residuo cualquiera». Alambique. Didáctica de las Ciencias Experimentales, núm. 55, pp. 78-87.

Direcciones de contacto

Jenaro Guisasola Kristina Zuza Universidad del País Vasco [email protected] [email protected] Este artículo fue solicitado por A LAMBIQUE . D IDÁCTICA DE LAS C IENCIAS E XPERIMENTALES en diciembre de 2009 y aceptado en abril de 2010 para su publicación. 16 | Alambique

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