Categoría: Astronomía

Retrogradando

Decía en el post anterior que me encontré por casualidad con la superstición del Mercurio Retrógrado buscando figuras o vídeos para explicar la retrogradación de los planetas. En realidad, ha habido tres tipos de explicaciones, y cada una marcó una época en la astronomía.

La primera fue la de Eudoxo de Cnido, un brillante matemático discípulo de Platón. Desde hacía tiempo los astrónomos griegos coincidían en que las estrellas estaban fijas a una gigantesca esfera celeste, concéntrica con la esfera terrestre y que giraba a su alrededor. Eudoxo imaginó al Sol fijo sobre una tercera esfera, cuyo eje estaba pinchado en la esfera celeste y que por tanto era arrastrada con ella, pero que tenía un lento movimiento propio en sentido contrario (una vuelta cada 365 días) que explicaba su retraso respecto de las estrellas. El eje de la esfera del Sol no coincidía con el de la esfera celeste, y esta inclinación explicaba que el Sol unas veces estuviera más lejos de la estrella Polar (en invierno) y otras más cerca (en verano, como en la figura siguiente).

EsferaCelesteYEsferaDelSol

El modelo de las dos esferas (celeste y terrestre) al que se ha añadido la esfera del Sol, como propuso Eudoxo. Como ésta gira en sentido contrario lentamente, el Sol tarda un poco más en dar una vuelta completa que las estrellas. Cada vuelta de estas, el retraso es de 1/365 de un día = 4 minutos. Por eso el el Sol tarda 24 horas en completar su vuelta en vez de 23 horas y 56 minutos, como las estrellas.

El movimiento de la Luna se explicaba de manera totalmente análoga, pero ¿qué hacer con los planetas? Ante todo, su movimiento promedio respecto a las estrellas se explicaba igual que el del Sol o la Luna: añadiendo una esfera con un movimiento propio, pinchada en la esfera celeste y arrastrada por ésta. Pero ¿cómo conseguir que “vagabundearan”, unas veces acelerándose y otras frenándose?

Aquí Eudoxo demostró su genialidad: ideó un mecanismo de dos esferas, girando una en sentido contrario de la otra, que producían una trayectoria en forma de ocho (técnicamente llamada hipópeda). Copio la explicación sacada de De Tales a Newton (el libro):

En la siguiente figura vemos une esquema con las dos esferas y el punto X, que representa un planeta, sobre el ecuador de la esfera interior. En (a) vemos los respectivos ejes EF y GH. Si los dos ejes coincidieran, como giran en sentidos contrarios, el movimiento de una esfera contrarrestaría al de la otra y X no se movería. Pero como los ejes forman un cierto ángulo, el punto X traza la figura en forma de 8 dibujada en (b) (donde ahora se ha cambiado el punto de visión de modo que el plano de los ejes es perpendicular al del papel). Al superponerse el movimiento de las esferas exteriores, el bucle proporciona las retrogradaciones.

HipopedaDeTalesANewton

(a) Las dos esferas de Eudoxo para conseguir una retrogradación. Ambas giran en sentidos contrarios con el mismo periodo. El punto X representa un planeta. (b) La misma construcción en la que el punto de vista ha girado 90º. Se ha dibujado la figura descrita por el planeta desde este punto de vista. La escala es la misma en ambos dibujos, pero la amplitud vertical del bucle se ha exagerado mucho.

Podemos ver esta construcción en movimiento aquí (no apto para propensos al mareo):

animated_hippopede_of_eudoxus

Las dos esferas de Eudoxo, que dibujan la hipópeda, en movimiento (para mejor visibilidad, sólo se ha dibujado un meridiano de cada una). El punto que representa al planeta está fijo en el meridiano rojo. Fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/Eudoxus_of_Cnidus

Ahora, como hemos dicho, si estas dos esferas se montaban sobre las dos anteriores, el “ocho” se superponía al movimiento promedio, y en el tramo que era recorrido hacia atrás daba lugar a la retrogradación. Eudoxo conseguía algo notablemente difícil, aunque al precio de usar cuatro esferas para cada planeta: explicar su movimiento irregular mediante la superposición de giros uniformes de esferas.

1280px-eudoxus27_homocentric_spheres

Las cuatro esferas que Eudoxo necesitaba para explicar el movimiento de un planeta. La más externa es la esfera celeste, la siguiente, la que da cuenta del movimiento promedio del planeta, y las dos interiores, las que dan lugar a la hipópeda. Fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/Eudoxus_of_Cnidus

Podemos ver todo el sistema en acción en este vídeo (pero ¡sólo hasta el minuto 1:30!)

Seguramente Platón, que por motivos filosóficos defendía que todos los movimientos astronómicos debían ser circulares y uniformes, estaría orgulloso del logro de su discípulo. Pero los astrónomos, apegados a las observaciones, pronto encontraron problemas en el modelo de Eudoxo. Aunque explicaba cualitativamente el vagabundeo de los planetas, no lo hacía cuantitativamente: no permitía hacer predicciones.

Los astrónomos no podían permitirse esas inexactitudes, y tuvieron que afrontar otra vez el rompecabezas. Un par de siglos después tenían una nueva solución: el modelo de epiciclos. Y, remarcablemente, seguía utilizando movimientos circulares y uniformes… ¡y era más sencillo!

Lo vemos en el mismo vídeo de antes, si lo abrimos a partir  del minuto 1:30: nos olvidamos de las esferas y el planeta gira en un círculo (epiciclo) cuyo centro gira a su vez en torno a la Tierra (en otro círculo, llamado deferente). Periódicamente, las velocidades sobre epiciclo y deferente van en sentido contrario, se restan, y se produce la retrogradación.

Esta explicación de las retrogradaciones duró más de 1700 años, pero se acabó abandonando cuando por la explicación actual Copérnico, Kepler y Galileo abrieron una nueva época en la astronomía. ¿Cuál es esa explicación? Como el post ya es bastante largo, no voy a entretenerme: miren el vídeo a partir del minuto 2:19 y  lo verán.

¡Peligro!¡Mercurio retrógrado!

No sé si lo sabrán, pero hace unos días (el pasado 17 de febrero) hemos entrado en el primer Mercurio Retrógrado del año. ¿Y eso qué significa? Aquí tienen la explicación de las páginas de ciencia del 20 Minutos, seguramente el diario más leído de España (¡es gratuito!):

Desde el pasado 17 de febrero y hasta el próximo 10 de marzo el planeta Mercurio se hallará retrógrado. Esto significa que el planeta, visto de la Tierra, dará la aparente sensación de que se mueve hacia atrás durante unas semanas para luego regresar a su movimiento normal (…)

Estas fases retrógradas de Mercurio suelen notarse sobre todo en las telecomunicaciones, correos o transportes, que pueden ver alterada su normalidad y sobre todo su rapidez (no es infrecuente que se produzca alguna huelga). También en los negocios y las operaciones comerciales que pueden verse entorpecidas, enlentecidas o paralizadas de modo pasajero.

Si esto es demasiado científico para ustedes, pueden consultar algo más trendy, como el Cosmopolitan, que nos advertía así sobre el anterior Mercurio Retrógrado:

¡Cuerpo a tierra! Quedan escasas horas para que entre en escena el acontecimiento astral más temido: Mercurio Retrógrado. “¿Otra vez?”, pensarás. “¡Es el tercero de 2019!”, gritarás mirando hacia el cielo. ¡Pues sí, querida chica Cosmo! La vida no es como una película, es como una serie, y en la temporada que estás viviendo ahora mismo te toca pasar por este fenómeno. Es lo que hay. Pero no creas que esto podrá contigo. Nada más lejos de la realidad. Para eso estamos nosotras aquí.

Lo primero que debes asimilar es que sí, habrá drama, dramones y dramón en las tres semanas que dura (hasta el 20 de noviembre) y que puede que la cosa se te haga un poco bola. No nos eches la culpa a nosotras; hazlo a Escorpio, astro sobre el que se va a producir. Este afecta directamente a la mente y la comunicación, aspectos que, si no fluyen bien, generarán los mayores conflictos.

Y si quieren algo más internacional,  en este enlace pueden ver como la revista Allure nos proporciona The Ultimate Guide to Surviving Mercury Retrograde in 2020

¿Cómo he llegado a enterarme de esta majadería palpitante cuestión? Pues buscando algún vídeo que explicara bien las retrogradaciones de los planetas. Porque sí, efectivamente retrogradan (no sólo Mercurio: todos). Pero si quiere saber qué es eso y cómo le influye a usted, no lea el Cosmopolitan: siga leyendo este blog.

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Cada noche, las estrellas giran majestuosamente en torno a la estrella polar: miles y miles de lucecitas, sin que ninguna se adelante o se atrase. Todas se mueven con la misma velocidad angular. Por eso las constelaciones no se han deformado lo más mínimo durante milenios, y por eso los antiguos las imaginaron fijas a una bóveda, un sólido rígido que gira en bloque.

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Estrellas sobre Cerro Paranal. Fuente: Wikipedia

He dicho que ninguna de esas luces se adelanta o atrasa, pero no es verdad: hay unas, muy pocas, que sí lo hacen, y por eso fueron distinguidas desde muy antiguo como especiales. Se les llamó πλανῆται (planētai), que en griego significa vagabundos, y aunque parecían estrellas no lo eran, porque no estaban fijas a la bóveda celeste. Había siete: el Sol, la Luna, Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno (¡tan especiales eran que dieron nombre a los siete días de la semana!).

La Luna gira cada noche un poco más despacio que las estrellas, de manera que se va retrasando respecto de ellas y al cabo de 27 días y 7 horas ha dado una vuelta completa sobre la esfera celeste. Aunque es más difícil de comprobar, porque de día no se ven las estrellas, el Sol también se retrasa, pero menos: tarda 365 días y 6 horas en dar la vuelta completa: justo un año… por definición.

Aunque el Sol y la Luna se mueven respecto de las estrellas fijas, siempre lo hacen a la misma velocidad, así que quizá no se merecen el nombre de vagabundos. Los cinco planetas propiamente dichos sí: estos generalmente se retrasan, como el Sol y la Luna, pero a veces, misteriosamente, aceleran y rebasan a las estrellas, para, al cabo de un tiempo, volver a su movimiento habitual. Este movimiento anómalo es lo que se llama retrogradación. Es más frecuente en Mercurio, pero ocurre en todos los planetas.

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Con esto ya sabemos qué son las retrogradaciones. Pero ¿cómo le influyen a usted? La respuesta breve es: de ninguna manera. No tiene que hacer nada para sobrevivir al Mercurio Retrógrado: esta palpitante cuestión es una majadería astrológica (¿o antológica?).

Pero hay una respuesta más larga. Durante siglos, milenios incluso, las retrogradaciones obsesionaron a los astrónomos. Cada sucesiva explicación que consiguieron darles marcó un hito en el progreso de la astronomía. De modo que si hoy sabemos dónde estamos en el cosmos, es en parte gracias al terco esfuerzo por entender esos misteriosos vagabundeos de los planētai por el cielo. Así que, a fin de cuentas, las retrogradaciones sí que le han influido a usted y a todos nosotros… y para bien.

¿Cómo fueron esas sucesivas explicaciones? Lo veremos enseguida: en el próximo post.

De la elipse en el suelo a la elipse en el cielo

En el post anterior vimos que podíamos estimar el tamaño de la iglesia de San Petronio de dos maneras: a partir del eje menor (D) de la elipse luminosa que el pequeño orificio del techo proyecta sobre el suelo y también a partir de la velocidad con la que esa elipse se mueve (v). Pero necesitábamos dos datos adicionales: en el primer caso, el tamaño angular del Sol (\theta), y en el segundo, su velocidad angular (\omega); recordemos que si r es la distancia del orificio a la elipse, D=r \theta y v=r \omega.

Naturalmente Giovanni Domenico Cassini no se tomó la molestia de construir la meridiana para medir la altura del techo de la iglesia… que conocía perfectamente. Ni siquiera su objetivo principal era construir el reloj más preciso del mundo. Era una obra cara, y si la Iglesia estaba dispuesta a pagarla (sabemos que costó 2500 liras de la época, al cambio, entre 200.000 y 250.000 euros de hoy) era por una buena razón: el papa Gregorio XIII había decretado de la reforma del calendario hacía ya más de 70 años, en 1582, y era hora de verificar su corrección. Había que medir la duración del año con mucha precisión, y Cassini podía hacerlo mediante la determinación de dos equinoccios consecutivos, porque en el equinoccio la trayectoria de la mancha de luz es una recta, perpendicular a la meridiana (¡realmente es un instrumento muy completo!).

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Giovanni Domenico Cassini (Génova, 1625 – París 1712)

Pero el auténtico propósito de Cassini era otro. Buscaba algo mucho más interesante científicamente: medir un parámetro que nosotros hemos dado por sabido, el tamaño angular del Sol. Precisamente por las enormes dimensiones de la meridiana, se podía medir con gran precisión, dando la vuelta a la fórmula que pusimos al principio: \theta =D/r. Y esta medida precisa prometía dar un dato decisivo para resolver la gran pregunta de la astronomía de la época: decidir entre “los dos máximos sistemas del mundo”, el Tolemaico y el Copernicano; en definitiva, entre el geocentrismo y el heliocentrismo. Era la cuestión que veinte años antes había llevado a Galileo a juicio, así que no es de extrañar que Cassini fuera reservado.

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El Sol se mueve respecto de las estrellas, volviendo a la misma posición al cabo de un año. Pero desde la antigüedad se sabe que este movimiento aparente es un poco más rápido en invierno que en verano. En el siglo II a.d.C, Hiparco de Nicea lo explicó suponiendo que el Sol se mueve en realidad a velocidad constante en torno a la Tierra, pero su círculo está un poco descentrado, de modo que en invierno está más cerca y parece por eso moverse más deprisa.

Pero si el Sol estaba más cerca, también parecería más grande, así que la hipótesis de Hiparco podía verificarse midiendo el tamaño aparente del Sol. Desgraciadamente, se trata de una medida muy difícil de hacer con precisión. No podemos mirar al Sol directamente, y aunque desde muy antiguo se le ha observado proyectando su imagen en una cámara oscura (la mejor manera, por ejemplo, de mirarlo en un eclipse) el tamaño de la imagen es tan pequeño que no hay manera de apreciar una variación entre verano e invierno. Salvo, claro está, que la cámara oscura fuera gigantesca, tan grande como una catedral… ¡o como la iglesia de San Petronio!

Cassini, en efecto, podía poner a prueba la hipótesis de Hiparco. Pero lo que hacía realmente interesante la cuestión es que ahora había una hipótesis alternativa. En 1609 Kepler había publicado dos leyes sobre el movimiento de los planetas. La primera decía que las órbitas no eran circulares sino elípticas; la segunda afirmaba que el aumento de velocidad del Sol en invierno no era sólo un efecto de la mayor cercanía, sino que había una aceleración real. Eran dos ideas revolucionarias, que rompían con dos mil años de astronomía en los que siempre se había considerado que todos los movimientos celestes eran circulares y uniformes (o, al menos, combinación de movimientos circulares y uniformes).

Kepler esquema

En concreto, Kepler decía que si consideramos los tramos recorridos en dos periodos breves e iguales de tiempo, uno (L1) cuando la Tierra está a la distancia mínima al Sol (d1) y otro (L2) cuando está a la distancia máxima (d2), las áreas de los dos triángulos de la figura deben ser iguales: L_1 d_1/2=L_2 d_2/2, o lo que es equivalente, \frac{L_1}{L_2}=\frac{d_2}{d_1}.

Naturalmente, desde el punto de vista de la Tierra quien se movería sería el Sol. Su velocidad aparente (la llamaremos v_a) es una velocidad angular, y es proporcional el cociente entre el arco recorrido  y la distancia. Así que, según Kepler,

\frac{v_{a1}}{v_{a2}}=\frac{L_1/d_1}{L_2/d_2}=\frac{d_2/d_1}{d_1/d_2}=\frac{d_2^2}{d_1^2}

Mientras que según Hiparco las velocidades son iguales en 1 y 2, así que L_1=L_2=L y

\frac{v_{a1}}{v_{a2}}=\frac{L/d_1}{L/d_2}=\frac{d_2}{d_1}

Las velocidades aparentes del Sol v_{a1} y v_{a2} se conocían con precisión en la época de Cassini. La novedad era que ahora él podía medir la proporción de distancias, porque es la inversa de la proporción de tamaños aparentes del Sol: \frac{d_2}{d_1}=\frac{\theta_1}{\theta_2}, y el tamaño aparente del Sol \theta se obtiene fácilmente de la longitud de los ejes de la elipse de luz sobre el suelo. La meridiana de Cassini permitía obtener el valor numérico de \frac{d_2}{d_1}. Si este número coincidía con \frac{v_{a1}}{v_{a2}}, tenía razón Hiparco; si era el cuadrado de este número el que coincidía con \frac{v_{a1}}{v_{a2}}, tenía razón Kepler. ¡Podía decir entre Hiparco y Kepler, entre los “dos máximos sistemas del mundo”, midiendo el tamaño de una elipse!

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Pero como siempre, las cosas son más complicadas en la realidad que sobre el papel. Las dos distancias son bastante parecidas: hoy sabemos que d_1=147,1 \cdot 10^6 km  y d_2=152,1 \cdot 10^6 km), así que su cociente resulta ser:
\frac{d_2}{d_1}=1,034
un número muy cercano a uno, y por tanto muy parecido a su cuadrado:
\frac{d_2^2}{d_1^2}=1,069
¡Una diferencia de poco más del 3%! La medida del tamaño de la elipse tenía que tener como mínimo esa precisión para poder decidir entre Hiparco y Kepler. Recordemos el aspecto de la elipse de luz sobre el suelo:
EscalaMancha1
Gracias a que el agujero es muy pequeño, la elipse está muy bien definida: en el primer post dijimos estimamos un eje menor de 30 cm, con una incertidumbre de 1 cm. Un error relativo de 1/30: aproximadamente un 3%, justo lo que Cassini necesitaba: sabía lo que hacía al construir una meridiana tan enorme.

Las medidas de Cassini dieron la razón a Kepler: su elipse en el suelo ratificó las elipses en el cielo. Fue la primera confirmación independiente de las leyes de Kepler, y aunque este resultado no demostraba que la Tierra se movía (es compatible con que sea el Sol el que se mueve en una elipse a velocidad variable), el sistema de Kepler aplicado al sistema solar en su conjunto sólo podía entenderse de modo heliocéntrico.

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(Epílogo) Las cosas son siempre más complicadas en la realidad que sobre el papel, decía, y esta historia no es una excepción. Cassini había demostrado la superioridad de la hipótesis de Kepler sobre la de Hiparco, pero las órbitas elípticas no le convencían, y prefirió postular otra figura geométrica, los óvalos de Cassini. No tuvo mucho éxito, y cuando entró en escena Newton cualquier duda quedó despejada, porque las leyes de Kepler se deducían como una consecuencia natural de la gravitación universal… pero no para Cassini, que no aceptó la teoría de de Newton.

Unos años después de la construcción de la meridiana, Cassini fue fichado por Jean-Baptiste Colbert, para fundar el observatorio de París. No se limitó a hacerlo, sino que demostró un singular talento organizativo, y fundó una dinastía de astrónomos, que fueron conocidos como Cassini II, Cassini III y Cassini IV… pero eso es otra historia, y debe ser contada en otra ocasión.

 

Midiendo el tamaño del instrumento de medida

En el post anterior admirábamos la meridiana de San Petronio, en Bolonia, que resultaba ser el reloj más preciso de su época. Un reloj de sol, en realidad, pero que por sus gigantescas dimensiones transforma el lento giro del astro rey (15º por hora) en un rápido desplazamiento de una elipse de luz sobre el suelo (12 cm por minuto). El otro ingrediente para conseguir la precisión es un orificio de entrada de la luz muy pequeño y muy regular, para que la mancha luminosa esté muy bien definida. Así puede determinarse el momento en que está centrada sobre la línea con poca incertidumbre, del orden de 1 cm, que se transforma en 1/12 de minuto: 5 segundos.

La elipse de luz se mueve tan rápido porque la velocidad angular del rayo (la del Sol) se traduce en la velocidad lineal de la mancha multiplicando por la longitud del rayo, y esta longitud es enorme en San Petronio. ¡Si queremos precisión, hay que hacer las cosas a lo grande!

La relación entre tamaño y precisión es común a todos los instrumentos astronómicos (y la meridiana lo es). Por lo menos, a todos los anteriores al telescopio: en gran Tycho Brahe realizó, a finales del siglo XVI, unas observaciones astronómicas de una exactitud sin precedentes a base de usar instrumentos de una escala colosal (pude verse alguno aquí)

Pero (atención: entramos en modo cuantitativo) quizá lo más interesante es que esta relación entre velocidad angular y velocidad lineal nos permite medir nuestro propio instrumento, es decir, el tamaño de la iglesia de San Petronio. En efecto, si r es la longitud del rayo y \omega la velocidad angular, la velocidad lineal de la mancha de luz sobre el suelo es simplemente

v=\omega {\cdot} r , y por tanto r=\frac{v}{\omega}

Antes de hacer la cuenta, expresamos la velocidad angular en radianes por minuto:

\omega=15\left(\frac{grados}{hora} \right) \left(\frac{1\, hora}{60 \, min} \right) \left(\frac{\pi \, rad}{180 \, grados} \right)=\frac{\pi}{720}\left(\frac{rad}{min} \right)

Y recodamos que en el post anterior vimos que v=12,6 cm/min, así que

r=\frac{12,6 \cdot 720}{\pi}=2888 \, cm \approx 29 \, m

Pero hay más. No sólo la velocidad de la elipse el proporcional a r: también su tamaño. Así que podemos hacer otra estimación independiente de r. El haz de luz es un cono, cuyo vértice es el agujero, porque los rayos de sol no son completamente paralelos; y no lo son porque el Sol no es un punto, sino un pequeño disco, con un tamaño angular aparente \theta:

Meridiana esquema

Esquema de la meridiana de San Petronio. Los rayos del Sol (S) entran por el agujero A, a un altura h sobre el suelo, produciendo la elipse de ejes D1 y D2 (representada esquemáticamente arriba).

Así que el diámetro del cono a una distancia r es \theta r , que se corresponde con el eje menor D_1 de la elipse (el mayor está alargado por la oblicuidad de los rayos, como muestra la figura). Por tanto, recordando que habíamos medido un eje menor de 0,3 m, y sabiendo que \theta vale un poco más de medio grado (redondeando, una centésima de radián), tenemos que

D_1=\theta r \Rightarrow r=D_1 / \theta =0,3/10^{-2}=30 \, m

…que está en muy buen acuerdo con el resultado anterior.

Pero si queremos medir el tamaño de la iglesia lo que interesa no es la longitud del rayo (que depende de su oblicuidad) sino la altura del techo, es decir, la altura a la que está situado el agujero…¡y también esto lo podemos medir! A la vista de la figura, el cociente de los dos ejes de la elipse es

D_1/D_2= sen(\beta)=h/r

Vimos que D_1=30 \, cm y D_2=36 \, cm luego, usando nuestra última (y más redonda) estimación de r,

h=r D_1/D_2=30 {\cdot}30/36=25 \,m

AlturaSanPetronio.png

Nuestra estimación de la atura del techo de San Petronio. Comparando con la persona que se ve cerca de la base de la flecha, no parece inverosímil…

¿Hemos acertado con la altura? En esta página he encontrado el dato: Cassini puso el orificio del techo a una altura de 1000 pulgadas francesas, lo que equivale a 27,07 m. No está mal, para una estimación tan burda como la nuestra: menos del 10% de error.

Una moraleja para alumnos: cuando en las prácticas de laboratorio tenemos un error importante, la culpa casi nunca está en la falta de precisión de los aparatos. Aquí sólo hemos usado un móvil para hacer dos fotos y un papel (el plano que nos servía para marcar la escala) con el que hemos estimado las distancias a ojo.

Pero en la investigación científica a veces hace sí hace falta mucha precisión, y la meridiana de Bolonia la puede proporcionar, si la usamos como profesionales y no como turistas con un móvil y un plano. En el próximo (y último post de la serie, lo prometo), veremos cómo lo hizo el gran Giovanni Domenico Cassini.

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(Propina para expertos) Hemos encontrado que sen(\beta)=D_1/D_2= 0,83 \, \Rightarrow \, \beta=56,4 ^{\circ}. Esta es la inclinación de los rayos, es decir, la altura del Sol sobre el horizonte, y a partir de ésta podemos obtener la latitud \alpha  del lugar de observación. En efecto, en el equinoccio, el Sol a mediodía está a una altura \beta=90^{\circ}-\alpha (por ejemplo, para el ecuador, \alpha=0^{\circ}  y \beta=90^{\circ}: sol en el cénit; para el polo norte, \alpha=90^{\circ} y \beta=0^{\circ}: sol rasante con el horizonte). Así que si mis observaciones se hubieran hecho el 21 de septiembre a mediodía, deduciríamos que la latitud de Bolonia es \alpha=90^{\circ}-\beta=90^{\circ}-56,4 ^{\circ}=33,6^{\circ}.

Pero en el solsticio de verano, el 21 de junio,  el sol está 23,5^{\circ} más alto: \beta=90^{\circ}-\alpha+23,5^{\circ}, lo que nos daría \alpha=90^{\circ}-56,4 ^{\circ}+23,5^{\circ}=57.1^{\circ}. Como mis medidas se hicieron a mediados de agosto, vamos a poner el valor medio de los dos resultados: la latitud de Bolonia sería \alpha=(33,6^{\circ}+57.1^{\circ})/2=45,3^{\circ}. La latitud real es 44,5^{\circ}: un acuerdo muy bueno teniendo en cuenta lo burdo de nuestras aproximaciones (no era exactamente mediodía, y la interpolación entre el solticio y el equinoccio es más complicada).

El reloj más preciso del mundo, en 1655

Cuando Charles Dickens visitó Bolonia dejó escrito que lo único que le gustó fue la gran meridiana en el suelo de la iglesia de San Petronio. Yo debo ser menos exigente que Dickens, porque este verano he encontrado muchas cosas atractivas en Bolonia… pero tengo que reconocer que nada me ha gustado tanto como su meridiana.

Pero ¿qué es una meridiana? A simple vista, esto:

meridiana

Un raíl metálico, muy delgado y muy largo, incrustado en el suelo de la iglesia. El turista típico seguramente le echará un vistazo rápido y continuará visitando San Petronio. Pero si se acerca a mirar verá unos intrigantes números, fechas y símbolos astronómicos a lo largo de la línea. Y si picado por la curiosidad explora los alrededores, pronto encontrará algunas pistas…

Quizá le llame la atención un círculo de luz sobre uno de los pilares vecinos, cerca del capitel (marcado como 1):

Mancha de luz

Si se queda mirando un rato, notará que la mancha de luz se mueve (en la foto, la mancha dobla una arista del pilar; unos segundos antes todavía no lo hacía), y deducirá que esa luz entra por un pequeño agujero en el techo, decorado con un hermoso sol (marcado en la foto como 2). Así que  el movimiento de la mancha de luz es consecuencia del movimiento del Sol. Un poco después, la luz da sobre el suelo de la iglesia… y se va aproximando a la línea metálica del suelo.

El turista curioso se pregunta ¿por dónde cruzará la línea? Y se le enciende la bombilla: había fechas marcadas sobre ella… ¿no cruzará precisamente por la fecha de hoy? ¡La meridiana sería entonces un calendario? Tiene sentido, porque en verano, con el sol más alto, los rayos llegan al suelo cerca de la vertical del agujero del techo y en invierno los rayos más oblicuos llegan más lejos. Y eso cuadra con la posición de las fechas marcadas en suelo.

Efectivamente: la meridiana es un calendario. Es una línea recta orientada exactamente en dirección norte-sur, y en su vertical hay un agujero por el que entra un delgado haz de luz del Sol. De este modo, a mediodía, cuando el Sol está justo en dirección sur, el delgado haz de luz que entra por el agujero incide sobre la línea, en una posición que depende de la altura del Sol a mediodía, y por tanto, del día del año.

Pero si los rayos cruzan la línea exactamente a mediodía, es que la meridiana es también un reloj. ¿Qué precisión tiene este reloj? Para saberlo no sirve esperar a ver si el cruce se produce exactamente a las 12 del mediodía, porque la hora que nos marca la meridiana es la hora solar, que no coincide con la hora oficial. No sólo por el famoso cambio de hora entre verano e invierno, sino porque la hora oficial es la misma en todo un huso horario y la hora solar varía continuamente al desplazarnos  de este a oeste: no es la misma en Venecia, Bolonia o Génova (¡y mucho menos en Madrid, pese a que tenga la misma hora oficial!).

En realidad, el error de este reloj vendrá dado por la precisión con la que consigamos determinar el cruce de la mancha de luz con la línea meridiana. Y aquí es cuando yo, que no puedo evitar ser físico también en vacaciones, entro en modo cuantitativo. Como no tenía una regla, puse en el suelo el plano que llevaba en el bolsillo como referencia e hice esta foto (lo más vertical que pude, para evitar efectos de perspectiva):

EscalaMancha1

El lado largo del plano, casi en contacto con la mancha de luz, mide 21 cm, así que esta es una elipse de aproximadamente 36 x 30 cm. Está muy bien definida, y es muy simétrica, así que yo diría que podemos determinar a ojo si está bien centrada en una línea con un error del orden de 1 cm.

Pero ¿a cuánto tiempo corresponde un centímetro? Tenemos que determinar a qué velocidad se mueve la elipse de luz. Basta con esperar un rato sin mover el plano y tomar otra foto:

EscalaMancha2

Entre las dos fotos han pasado 5 minutos, y la mancha se ha movido una distancia que es más o menos el triple de la longitud del lado largo del plano, o sea, unos 63 cm. Por tanto su velocidad es de 63/5= 12.6  cm/minuto. Vamos a redondearla a 12 para decir que en recorrer 1 cm tarda aproximadamente 1/12 de minuto, es decir, 5 segundos. Ese es el error en la determinación del mediodía con esta meridiana.

Hoy puede parecernos mucho, pero cuando Giovanni Domenico Cassini la construyó, en 1655, la meridiana de San Petronio era el reloj más preciso del mundo, y con mucha diferencia: lo habitual era que los relojes mecánicos de entonces se adelantaran o atrasaran unos 15 minutos al día. Justo al año siguiente Christiaan Huygens inventaba el reloj de péndulo, que fue una revolución en la medida del tiempo: en lugar de 15 minutos, su error era del orden de 15 segundos al día… ¡pero todavía era mayor que el de la meridiana de Bolonia!

Todavía podemos aprender más de la principal atracción de Bolonia, según Charles Dickens. Será en el próximo post.

Nota: no me pude quedar hasta en San Petronio hasta que la mancha de luz cruzara por la meridiana, pero en las fotos de esta página se ve muy bien.

Cuestión de punto de vista

Todos hemos visto esos bonitos vídeos en time-lapse que resumen unas horas en pocos segundos: las nubes se mueven a toda velocidad, las estrellas giran majestuosamente a lo largo de la noche…

Este gif le da un giro (nunca mejor dicho) inesperado al tema:

El autor simplemente ha estabilizado las estrellas, que aquí están literalmente fijas, y la consecuencia es vemos que la Tierra se mueve: es sólo un cambio de punto de vista, pero es el  que nos llevó de Ptolomeo a Copérnico.

(Lo encontré aquí, parece que la fuente es ésta)

Receta para fotografiar una Superluna, cualquier día del año

Decíamos ayer que la “superluna” sólo es ligeramente más grande que la Luna normal de todas las noches, pero ¿cómo medimos su tamaño aparente? Desde luego no en centímetros…

Recuerdo, de pequeño, oír decir a mi padre que “la Luna es como un queso”. Se refería a su tamaño, y siendo yo mayor, recuerdo también quererle convencer de que eso no tiene sentido: un queso parece más grande o más pequeño según lo veamos más cerca o más lejos (sin embargo, parece que es una tradición campesina decir que ese es el tamaño de la Luna). De hecho, para que un queso de 20 cm de diámetro pareciera “igual de grande que la Luna” tendríamos que verlo desde unos 23 metros: a esa distancia, el ángulo que determina el queso con nuestro ojo es el mismo que la Luna; aproximadamente, medio grado.

En efecto, la única manera que tiene sentido de medir el tamaño aparente de la Luna es como un ángulo. Es un ángulo, por cierto, bastante pequeño: como el arco completo del cielo tiene 360º, cabrían 720 lunas llenas puestas una al lado de la otra; o 720 soles porque, casualmente (como se ve de manera espectacular en los eclipses de Sol) el tamaño angular de la Luna y el Sol es el mismo.

Unos prismáticos, o un teleobjetivo, aumentan el tamaño angular con el que vemos los objetos, y por eso parecen estar más cerca. Y esa es la manera también de obtener fotos como ésta:

superlunacompostela

Vemos la Luna enorme no porque sea enorme sino porque hemos usado un potente teleobjetivo. Pero, ¿por qué no vemos la catedral enorme? En realidad sí la vemos: el truco está en que la foto está hecha desde muy lejos.

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Lo más interesante es que podemos calcular desde qué distancia está hecha la foto. Sólo necesitamos saber el tamaño real del objeto, en este caso, la distancia entre las dos agujas de la Catedral de Santiago de Compostela. Lo buscamos en Google Maps y, usando la utilidad de medir distancias, encontramos que son 33 metros. Y ahora razonamos de la siguiente manera:

  1. El tamaño angular de la Luna (¡y el de la superluna!) es, redondeando, de medio grado.
  2. El diámetro en píxeles de la Luna de la foto es de 196.
  3. Entre las agujas de la catedral hay 295 píxeles.
  4. Si 196 píxeles son medio grado, una regla de tres nos dice que 295 son 0.75 grados
  5. Sólo falta calcular a qué distancia hay que ponerse para que los 33 metros de distancia entre las agujas de la catedral se vean como 0.75 grados.

Este último problema es trivial si conocemos el concepto de radián (lo conté en este post), pero tampoco es necesario. Basta darse cuenta de que si un círculo centrado en nosotros y con radio r tiene una longitud  2 \pi r, la longitud que corresponde a un ángulo que en vez de 360º sea sólo de \alpha es L = 2 \pi r \frac{\alpha}{360} . Y por tanto, la distancia r a la que hay que situarse para que una longitud L abarque \alpha grados es

r=\frac{L 360}{2 \pi \alpha} .

Con nuestros datos (\alpha = 0.75, \, L=33 \, m) obtenemos que r=2520 m: ¡el fotógrafo estaba situado a 2 kilómetros y medio!

En resumen: si quiere sacar fotos en las que se vea una Luna enorme contra la Catedral de Santiago de Compostela, la Acrópolis o la Torre Eiffel, la receta es: cómprese un teleobjetivo muy potente y váyase a un par de kilómetros o tres del monumento en cuestión. Y no espere a que sea el día de la Superluna: lo más que va a conseguir es que el diámetro sea un 9% mayor que en un día normal.

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Ejercicio 1 (matemático): Ahora seguro que puede usted calcular a qué distancia se ha tomado esta foto:

superlunaplazaespana

Pista: estamos hablando de órdenes de magnitud, así que aunque Google Maps no nos diga el tamaño de esos balcones y ventanas (que, por cierto, son los de la Torre de Madrid) podemos tomar la figura humana como referencia de tamaños. Las distancias en píxeles se obtienen abriendo la foto con cualquier editor (hasta el Paint de windows vale). Ah, y para que se animen a hacer la cuenta: a mí me salen unos 2 km.

Ejercicio 2 (filosófico): Para pensar: ¿qué nos dice el caso de la Superluna y sus superfotos sobre los medios de comunicación, la visión del mundo que podemos sacar de ellos, la comunicación de la ciencia, la ética periodística y otras grandes palabras similares?

¿Superluna?¡Na!

Seguro que ustedes, como yo, han oído hablar mucho de la “superluna” estos días. Los medios nos han bombardeado con noticias como ésta…

superlunabbc

…acompañadas invariablemente de imágenes como ésta:

superlunaelpais

Impresionante, ¿verdad? Pero si usted ha salido por la noche a contemplar ese disco gigantesco, se habrá llevado una desilusión. Aquí tienen la foto que hice yo hace un par de noches, desde mi calle:

superlunadesdemicalle

Es curioso que en esta sociedad en la que parece reinar el descontento nadie haya protestado: ¿Dónde está la Superluna que nos prometieron? ¡Esto es un timo!… etc. Parece que lo que dice “la ciencia” merece la misma fe ciega que en otros tiempos se reservaba a la religión: se acepta que la Luna era enorme estos días incluso en contra de la evidencia de los sentidos (salvo para unos cuantos irreductibles en twitter…)

Como suele pasar con las noticias científicas de los periódicos o la TV, el caso de la Superluna nos enseña poco sobre ciencia y mucho sobre los medios. La ciencia aquí es muy sencilla: como la órbita de la Luna es ligeramente elíptica, su distancia a la Tierra (en miles de km) varía entre un mínimo de 357 (perigeo) y un máximo de 406 (apogeo). Si el perigeo coincide con la Luna llena, ésta se verá más grande, porque está más cerca. El efecto es pequeño: la distancia media de la Tierra a la Luna son 384,4 miles de km, así que en el perigeo sólo está un 9,3% más cerca y su radio aparente es un 9.3% mayor que el radio promedio. Como el área es proporcional al cuadrado del radio, la superficie que parece tener la Luna (y por tanto la luz que refleja) es un 14% mayor del promedio.

Nada del otro mundo, la verdad… Aquí tienen una imagen sacada de la wikipedia comparando una “Superluna” con una Luna promedio:

superlunawikipedia

Entonces, ¿a qué tanto bombo en los medios? Hay una explicación breve, tan breve que sólo requiere una palabra: sensacionalismo. Con un hecho trivial (la Luna está un poco más cerca y parece un poco más grande) fabricamos una historia que nos tiene entretenidos varios días, ocupa espacio y consigue clicks. Y cuando ha pasado el boom, podemos hacer nuevos artículos comentando que no era para tanto… Un chollo para el periodista, que puede crear todo este contenido sin tener siquiera que levantarse de la silla.

Hay añadir también que, como se explica aquí, en este sensacionalismo tiene su parte de culpa la NASA, cada vez más presionada para vender ciencia con cualquier excusa (¿Cuántas veces se ha encontrado agua en Marte?)

Ahora bien, quizá esté usted pensando que, si la Superluna es un timo, ¿de dónde salen esas fotos tan espectaculares?

La solución, en el próximo post.

Del mapa al calendario

Lector: Quería preguntarle una cosa

Autor: Hombre, lector, hacía tiempo que no se pasaba por aquí. ¿De qué se trata?

L.: Verá, un amigo mío me ha pasado esta imagen y me ha preguntado si sería capaz de decir a que día del año corresponde y qué hora es en Madrid. Y tengo alguna idea, pero me parece que no se puede saber con tanta precisión como él dice.

A.: ¿Con qué precisión dice?

L.: Por lo visto se lo han preguntado en un examen, y le pedían el mes y la hora aproximada.

A.: Sí, eso es fácil. Saber el día exacto no, pero para saber el mes no hay problema. Y la hora, si es aproximada, también. En realidad, la hora se puede saber con bastante precisión.

L.: Pues ya me explicará cómo. Yo con esta imagen lo único que puedo decir es que es invierno y que es más o menos a media tarde…

A.: ¿Cómo lo sabe?

L.: Es invierno… bueno, voy a ser más preciso: es invierno en el hemisferio norte porque en el Polo Norte es noche perpetua. Y es más o menos a media tarde porque veo que ya es de noche en Turquía, así que en dos o tres horas se hará de noche en España.

A.: No está mal. Mucha gente no se habría dado cuenta de lo de la noche perpetua en el Polo…

L.: Eso es fácil, porque las distintas longitudes (es decir más o menos a la izquierda o la derecha en el mapa) corresponden a horas distintas, y aquí se ve que para todas las posiciones el Polo Norte está en oscuridad.

A.: Pero con eso que ha dicho ya puede precisar más: la extensión completa del mapa en horizontal son 24 horas, así que podemos ver cuantos píxeles corresponden a una hora. El tamaño de la imagen es 605×301, así que si 24 horas son 605 píxeles, 1 hora son 25,2 píxeles.

L.: Ya veo. Eso me sirve para saber diferencias de horas: por ejemplo, voy a mirar cuantos píxeles hay entre Estambul y Madrid… unos 54… dividiendo entre 25,2, sale 2,14: eso serían dos horas y diez minutos de diferencia. Yo había dicho a ojo dos o tres horas, así que no estaba mal, pero veo que se puede hacer con mucha más precisión. Lo que pasa es que esto me sirve para calcular diferencias de hora entre dos lugares, no la hora que es en un sitio concreto.

A.: No se crea: hay una manera de saberlo. Le doy una pista: ¿En qué sitio sería mediodía?

L.: Pues en el punto medio de la zona en la que es de día, claro. En el mapa quedaría más o menos en el Atlántico… bueno, podríamos decir que en el extremo este de Venezuela.

A.:¡Pues con eso ya puede calcular la hora!

L.:¡Claro: ahí son las doce del mediodía! Voy a ver la distancia en píxeles… Me salen justo 100, o sea que la distancia en horas sería 100/25,2, casi cuatro: en Madrid son las 4 de la tarde, hora solar.

A.:¿Y en Estambul?

L.: Hombre, pues unas dos horas más, hemos dicho: las 6 de la tarde, más o menos.

A.: Fíjese que ahí se está poniendo el Sol… Como son horas solares, si se pone a las 6 de la tarde significa que salió a las 6 de la mañana, así que el día ha durado 12 horas.

L.: Bueno, eso no tiene nada de raro, ¿no?

A.: No digo que sea raro, pero fíjese que si el día es igual de largo que la noche, es que estamos en el equinoccio, y usted me dijo que era invierno, ¿no?

L.: Ya estamos buscando problemas… Espere que lo piense. En el equinoccio, la noche y el día son igual de largos en todo el planeta, eso seguro. Pero aquí se ve que las noches son un poco más largas que los días en el hemisferio norte, así que no hay duda de que todavía no es el equinoccio. O para ser más precisos, que estamos en un día entre el solsticio de invierno y el equinoccio. Pero hay dos equinoccios, más o menos el 20 de marzo y el 20 de septiembre. O sea que estamos antes del 20 de marzo y después del 20 de septiembre. Vale, rectifico: puede que no sea invierno, también podría ser otoño.

A.: Pero ¿entonces no estamos en el equinoccio?¿Y por qué en Estambul el día dura doce horas entonces?

L.: Y dale… A ver, esto es un poco aproximado… quizá he medido los píxeles un poco mal. Y, mire, la línea que separa la noche el día es casi vertical salvo cerca del Polo. Eso significa que en casi todas las latitudes la duración del día y la noche es muy parecida, pero desde luego no lo es cerca de los Polos, y desde luego en el Polo Norte es noche perpetua. Supongo que lo que pasa es que no estamos en el equinoccio pero falta muy poco…

A.: Bueno, veo que al final me va a decir el día y la hora exacta…

L.: Pues sí, me voy a atrever. Apuesto a que el mapa corresponde más o menos al 10 de marzo o el 1 de octubre, y que son las cuatro de la tarde, hora solar. ¿Acierto?

A.: Bueno, lo mejor es que lo mire usted mismo en esta web: http://www.skyviewcafe.com. Busque la pestaña “map” y juegue con ella… pero no olvide que que el horario oficial en España va adelantado una hora o dos respecto del solar (según estemos en el “horario de invierno” o en el “horario de verano”, respectivamente).

L.: Ya me podía dar la respuesta directamente… y encima tengo que actualizar el java para que funcione. En fin, que le vamos a hacer.