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El molinillo de Luz, el engaño más grande de los museos de ciencia

La idea de esta nota no es aburrir a los lectores, sino contarles un par de curiosidades sobre este misterioso cosito.

Aunque formalmente se llama Radiómetro de Crookes, no mide nada, aunque tenga la desinencia -metro. A simple vista es una lamparita con el bulbo hacia arriba. Y en su interior tiene un eje vertical haciendo equilibrio sobre la punta de una aguja con cuatro paletas, plateadas de un lado y negras del otro. Aunque está herméticamente sellado, y casi al vacío en su interior. Cuando se le aplica luz comienza a girar como lo demuestra el video de abajo.

Lo que llama la atención de este instrumento, es para qué fue creado. Y su funcionamiento sigue estando parcialmente tras un velo de misterio.

El científico Sir Williams Crookes descubrió el elemento Talio en 1861, y para pesarlo utilizó una balanza de vacío muy precisa, donde notó que variaban las mediciones cuando le pegaba el sol a la balanza.

Crookes inventó el molinillo de luz que lleva su nombre y explicó que se debía a la presión de la luz. James Clerk Maxwell había predicho esa fuerza luego de explicar que la luz se comportaba como partículas y como ondas al mismo tiempo (es anti-intuitivo, pero la física a muy pequeña y muy gran escala no es compatible con nuestro sentido común).

Yo no se si Crookes veía mal, nunca observó su aparato o no quería darse cuenta de el ligero problema que había con su explicación. Pero no fue hasta 1876 que el físico Arthur Schuster notó que las aspas giraban en sentido contrario...



O sea, si Crookes estaba en lo correcto, la luz, al golpear la cara negra y la plateada al mismo tiempo, terminaría ejerciendo presión sobre la plateada, ya que ésta es la que refleja la luz, y la negra la absorbe.
Tal como funciona un molino de viento.
Pero por alguna razón, el molino, al ser expuesto a la luz, gira con la parte negra atrás, como se puede ver en ese video.

Luego vino Piotr Lébedev, un ruso que hizo la deducción lógica que si la presión de la luz era la responsable del giro del aparato, cuanto menos presión de aire tuviese giraría más rápido, ya que habría menos aire que lo frenase. Por lo que en 1901, con una bomba de mejor calidad extrajo más aire aun y notó que llegaba un punto en el que no giraba más. Y de paso midió la presión de la luz con otro aparato más complejo, descubriendo que era tan pequeña que era imposible que hiciese girar al molinillo de ese modo.

Entonces corrían principios de siglo XX y teníamos un cosito que al iluminarlo cuando tenía aire no giraba, con poco aire sí giraba, y con nada de aire se detenía nuevamente. Y encima giraba al revés de lo que se suponía debía hacerlo.
Y giraba más rápido cuanto mayor es la temperatura de la luz respecto de las aspas y cuanto mayor es la diferencia en el coeficiente de reflectividad de las aspas (mientras más opacas son unas y más plateadas las otras). Pero si la temperatura es demasiado alta (más de unos 1000ºC) no gira. Y si el molinillo se encuentra a más temperatura que el ambiente (metiéndolo en un freezer por ejemplo), gira en sentido opuesto al real, o lo que es lo mismo que como había predicho Crookes, pero no tiene sentido.

Continuando...

Se comenzó a esgrimir una teoría que decía que la luz calentaba las caras negras, excitando el gas de su superficie y haciendo que la vibración de éste empuje las paletas. Pero esto no tendría sentido porque aunque se movían más violentamente, disminuían su densidad, por lo que se equilibraría la fuerza ejercida por las moléculas de los dos lados de cada aspa.

El mismo Einstein se metió en esto también, y demostró que aunque la presión no se equilibraría exactamente de ambas caras en los bordes de las aspas, la fuerza resultante no alcanzaría para hacer girar tan rápidamente el molinillo.

Finalmente, la estuvo Osborne Reynolds que descubrió el efecto de transpiración térmica: que en superficies porosas, el gas fluye del lado frío al caliente. Y aunque las aspas de la vela no sean porosas, los bordes podrían generar un efecto similar a una porosidad.

Wikipedia en inglés dice que probablemente la fuerza resultante es una mezcla de la de Reynolds y Einstein.
Aunque si así fuese, habría Light-Mills cuyas paletas estén construidas con materiales porosos, o bien alguna forma que tenga más perímetro con la misma superficie. Para compararlos entre sí.

Conclusiones

-Parece que este pequeño invento generó más problemas que soluciones, ya que al día de hoy no se sabe exactamente qué fuerza lo hace girar.
Y tampoco parece tener ninguna aplicación práctica, salvo los sistemas de propulsión basados en velas solares, o sea, ninguna aplicación práctica.

-En internet no encontré más nada, Wikipedia en inglés y español está incompleta en este tema. Hay trabajos prácticos de experimentos de universidades en varios idiomas pero son ejercicios y no llegan a nada, por eso yo concluyo que no se estudió más nada. Y si se hubiera sabido algo más los blogs hambrientos de novedades científicas hubieran hecho eco al respecto.

-Más de una vez escuché de algún profesor o leí en algún libro que el molinillo gira por la presión de la luz, aunque no sabría citar fuentes respecto a esto.
Incluso Wikipedia en inglés dice que se siguen vendiendo Molinillos Solares que en cuya caja se explica que giran por la presión de la radiación, que si bien no se sabe exactamente por qué, se sabe que no es así desde el siglo IXX.
Incluso creo haber visto uno de éstos instrumentos en el Museo de Ciencias Experimentales de la ciudad de Rosario, pero no podría poner las manos en el fuego sobre qué explicación dan ellos del aparato. Llamé por teléfono pero no había ningún guía que me pudiese contestar, mañana a las 17 me dijeron que podía llamar de nuevo y confirmar la información.

(Ver los comentarios)

Sería interesante si consiguen contactar a algún físico que esclarezca esto, o que llamen a sus museos para ver qué dicen.

Mientras tanto, seguirá siendo un misterio.

Varias fuentes que se contradicen entre sí
Ciencia.net
Experimentos sobre el radiómetro de la Universidad de Cantabria en PDF
Wikipedia Ingles, radiómetro de crookes
Phisycs FAQ
Cuaderno Mental, un blog con una explicación medio rara


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17 comentarios:

  1. Lo puse en menéame
    Formalmente se llama Radiómetro de Crookes, pero no mide nada. Parece una lamparita con el bulbo hacia arriba. Y en su interior tiene un eje vertical haciendo equilibrio sobre la punta de una aguja con cuatro paletas, plateadas de un lado y negras del otro. Estando casi al vacío en su interior, cuando se le aplica luz comienza a girar, al revés de como debería, y en los últimos 150 años ni Einstein, ni Maxwell, ni Crookes pudieron explicarlo.

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  2. Además, teniendo las paletas tan poco espesor, y siendo metálicas (alto coeficiente de transferencia térmica por conducción), la temperatura de ambas caras debería ser la misma (o diferir demasiado poco) y la disipación que se produce hacia el aire se produce por conducción y convección, por lo que el color no tiene mucho que ver.

    Y el aire se debería calentar igual de los dos, lados. Y no serían válidas las explicaciones que hablan de corrientes convectivas.

    La única forma por la cual se disipa diferenciadamente el calor en ambos lados, es por radiación, y ésto al aire no lo afecta.

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  3. tremendo blog¡¡ muy interesante¡¡¡ (te descubri por un comentario que hiciste en el escaparate de rosa)

    pasate por el mio a escuchar buena música ya me contaras si me gusta

    republica libertaria de las tortugas

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  4. Finalmente llamé al Museo Experimental de Ciencias, como comentaba en el artículo. Y sí pudieron explicarme, aunque tendría que sacarme algunas dudas con un físico que sepa sobre el tema (veo que no es un tema tan popular, ya que le pregunté a una Doctora en Física y no conocía el radiómetro de Crookes).

    El hombre (que olvidé preguntar su nombre) tan didáctico me explico lo siguiente:

    Hay dos formas de hacer girar un radiómetro:

    -La más común de todas, la de la mayoría de los radiómetros es por un efecto convectivo en el cual se calientan más los gases sobre la cara negra que los otros, lo que significa que al estar más excitados, golpean el aspa, y generan una cierta presión que se traduce en rotación.
    Aparentemente en un recinto tan pequeño no llega a observarse una diferencia de densidad de los gases.

    Aparentemente los gases se calientan por la mayor emisión de calor de la cara negra. Siempre creí que el aire era transparente al calor, pero bueno, se ve que no en su totalidad.

    No me supo decir específicamente sobre las ideas de Reynolds ni Einstein.

    -Y la predicha por Crookes, si bien la presión de la radiación sí existe, y se puede medir, es tan pequeña que el rozamiento que produce el eje y el poco aire de su radiómetro es mucho mayor a la fuerza generada por los corpúsculos de luz de una fuente común y corriente.
    Este efecto se puede observar en radiómetros muchos más precisos que el construído por Crookes y con emisiones muy potentes, y en este caso sí se observa que la luz "empuja" a las caras plateadas, y no a las negras como parece en el original.


    =================================================


    Básicamente Crookes tuvo una teoría (que era correcta al fin y al cabo) pero al construir el aparato para hacer el experimento, la falta de precisión y calidad no lo llevó al fracaso directo, sino a observar un efecto totalmente desconocido y muchísimo más complejo de lo que nadie se pudo imaginar ni entender por muchos años. Un proceso raro que hacía que gire hacia el otro lado.

    Al margen de las idas y venidas y de todo lo que se pueda decir sobre esto, creo que la historia completa (algo que intenté relatar aquí) es una gran historia de la ciencia.

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  5. Creo recordar que el problema fue resuelto por Lord Rayleigh. El molinillo gira en el sentido en que lo hace pues junto a la cara negra de las paletas el gas que contiene el tubo se calienta más que junto a la brillante y la dilatación diferencial produce la diferencia de presión que produce el movimiento. Por eso no funciona si el vacío es muy bueno.

    En algún lugar de Internet está bien detallada la explicación, que busquen mejor.

    Te adjunto la hoja de datos de un radiómetro de crookes comercial.

    Dr. Ricardo Julio Tinivella
    Universidad Nacional de Rosario
    Facultad de Ciencias Exactas Ingeniería y Agrimensura Laboratorio de Materiales Eléctricos
    Av. Pellegrini 250
    S2000BTP - ROSARIO - ARGENTINA

    (recibí esto en un e-mail de un Dr. en Física y lo puse como comentario para contribuir con información - ezeqdb)

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  6. Mirá, parece que con esto pasa lo mismo que con una cantidad de otras cosas: lanchita pof-pof, motor pulsorreactor, máquina de Stirling, máquina de Whimshurst, motor unipolar, etc, etc. La web está atestada de expertos en "tirar cualquier verdura" haciéndose pasar por expertos, que al final no saben nada de nada.

    Osvaldo Julio Schiavoni

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  7. "James Clerk Maxwell había predicho esa fuerza luego de explicar que la luz se comportaba como partículas y como ondas al mismo tiempo".
    ¿Alguna referencia para esta frase?. Pregunto puesto que la solución para las ecuaciones de Maxwell son ondas, así que no creo que se le ocurriera pensar de esa forma, y la teoría de corpuscular-ondas no llegaría hasta después de 1901, con Max Planck, por la radiación de cuerpo negro, y Albert Einstein, por el efecto fotoeléctrico.

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  8. Siglo IXX? no será XIX?

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  9. Muy interesante.... me ha encantado...

    al final no sabremos porque pero funciona.jajaj

    yo me decanto por lo de que las caras negras absorven creando calor que excita al gas que lo empuja....

    pero debe ser un efecto muy pequeño ... tarda mucho en alcanzar velocidad

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  10. Teorico:

    Está en alguna de las fuentes ahí abajo citadas, puede ser lo que dices, pero insisto en que todo el tema es muy confuso y todas las fuentes dicen cosas diferentes, sería bueno conseguir la opinión de algún físico experto en el tema.

    Darío:

    Ups! es cierto xD

    paluego:

    Sí de que funciona no cabe duda.. pero no deja de ser interesante, me gustaría ver una representación en 3D como las de Discovery de las moléculas deslizándose alrededor de la lámina. O una infografía, pero como que no hay mucho sobre el tema por ahí.

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  11. Eso es cosa del diablo dijera mi awelita jajajajaja

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  12. Creo que si esto se estudia mas en terminos comerciales,en poco tiempo veremos como le sacan beneficios.-

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  13. Sigo insistiendo Maxwell no dijo eso de que la luz se comporta como una onda y al mismo tiempo como una partícula, y la verdad tampoco lo dijeron Planck o Einstein sino Luis-Victor de Broglie, utilizando las ideas de estos dos genios de la física.
    http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_wave_equation
    http://en.wikipedia.org/wiki/Maxwell%27s_equations
    http://es.wikipedia.org/wiki/De_Broglie
    http://es.wikipedia.org/wiki/Dualidad_onda_corp%C3%BAsculo

    Y pues si algo, podéis consultar este libro sobre campos y ondas electromagnéticas:
    Física Vol II de Alonso Finn.

    Dejando de lado la discusión sobre si Maxwell hablo sobre la dualidad onda-corpúsculo, pues voy a ver si les pregunto a mis profesores de la facultad que se dedican a estudiar fenómenos ópticos y electromagnéticos, sobre el radiómetro de Crookes.

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  14. cuando la energía de la fuente de luz supera cierto umbral la longitud de onda de la mayoría de los fotones no interactuan con el material a mas de 1000ºC esto hace que las aspas se detengan.
    la interacción entre los fotones y la superficie negra requiere un rango de energías específicos, fotones con longitudes de onda muy grandes sederan su energía a las moléculas de aire que todavía quedan en el vacío (por esta razón no es posible mover las aspas en presencia de aire ambiental)
    fotones con longitudes de onda muy pequeñas atraviesan la superficie negra sin calentarla lo sufisinete.

    si se logra exponer las partes negras de las aspas a fotones con longitudes de onda adecuados, las superficies se calientan e interaccionan con el poco aire que queda en el bulbo generando el giro correspondiente.
    el efecto que predijo Crookes es posible pero debido a las minúsculas fuerzas de empuje el
    radiómetro debe ser mucho mas preciso para observar este efecto que es encubierto por el
    efecto de las superficies negras y las pocas
    moléculas de aire en el bulbo.

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  15. Hay un satélite creado por radioaficionados argentinos que funciona utilizando el llamado "viento solar", es el LUSAT-1, fue puesto en órbita en Enero de 1990. (La radio baliza aún se puede escuchar en 437.125Mhz.)

    El "viento solar" sobre cuatro antenas de cinta
    metálica de su transmisor, puestas alrededor de su eje de giro, y pintadas cada una con un lado blanco y el otro negro en forma correlativa.

    El sol dá sobre todas ellas. Los fotones solares se absorben en los lados negros y rebotan en los blancos.

    En estos, por reacción, se produce un empuje, que sumándose una y otra vez produce un giro contínuo del satélite, sobre el eje central de sus antenas, regulado a 0,1 rpm por histérisis magnética en varillas ante el campo terrestre
    En todos,el giro sobre sí mismo es: o sobre el eje de traslado (órbita) o sobre un eje que apunta hacia tierra, o paralelo al eje terrestre, dependiendo de la posición necesaria de antenas o de otros giros necesarios como en los meteorológicos geoestacionarios que lo aprovechan para "leer" la superficie terrestre.

    Muy bueno el blog, saludos cordiales.

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  16. Muy interesante. Así que al final se descubrió un fenómeno "nuevo" por esto?

    Una gran parte de los avances de la ciencia son fortuitos, aparenciendo en los experimentos por casualidad y siendo descifrados por mentes atentas y despiertas.

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  17. No será la diferencia de calor inducido por la luz? Me explico.
    En un medio con aire, tenemos la densidad del medio y la transferencia de calor entre las moléculas del medio es casi la misma. En un medio con vacío absoluto (jajaja) no hay elementos o moléculas calientes. En ambos casos el radiómetro no se movería.
    Ahora bien, también sabemos que el color negro tiene la particularidad de favorecer el intercambio de calor (de ahí que los aviones a reacción como el blackbird estén pintados de negro, no solo por el camuflaje), mientras que los plateados o blancos tienden a rechazar o "entorpecer" dicho intercambio.
    Cuando se hace incidir la luz, se genera un pequeño calentamiento del medio, de ahi que la superficie oscura, busque favorecer dicho intercambio, desplazándose hacia la superficie con mayor nivel calorímetro, mientras que la plateada realiza la labor contraria. Algo similar a lo que ocurre con los elementos magnéticos y paramagnéticos, solo que en este caso a nivel térmico.

    Creo yo. Son meras especulaciones de mi parte. Y la verdad no pienso ponerme ahorita a hacer fórmulas.

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