Cañones de la ciencia (I)

Hay algunos inventos que usan los científicos que tienen nombres muy rimbombantes y en ocasiones son usados en películas de ciencia-ficción. A pesar de su nombre, no tienen fin bélico, pero su nombre puede ayudar a recordarnos. Hoy presentamos las armas que se pueden ver en algunos laboratorios:

PISTOLA DE GAUSS

Tiene nombres alternativos a este, como cañón de Gauss, mass driver, rifle de Gauss, coilgun y alguno más que se me escapa. Se trata de acelerar un bola, en general de hierro, gracias a la ayuda de unos imanes. En muchos sitios veréis que estos imanes son de Neodimio, el cual presenta unas propiedades magnéticas superiores a otros materiales.

Como siempre, un vídeo vale más que 1M palabras.

El funcionamiento de esta arma es muy simple, y sigue el mismo principio que ya usamos para explicar el péndulo de Newton. Se trata de conservación del momento lineal y una sucesión de electroimanes para acelerar magnéticamente un proyectil a una gran velocidad.

Al dejar la bola de acero, ésta es atraida por el imán, creándose una cierta cantidad de movimiento que en el choque será transferida a la última bola, que saldrá despedida con la misma energía con la que chocó la primera. La bola despedida será atraída por un segundo imán, generándose mayor velocidad y mayor cantidad de movimiento que será transferida en el choque a la siguiente bola de acero, y así sucesivamente (fuente).

Existe una manera alternativa de crear el efecto de los imanes, y es mediante bobinas alrededor de un conducto por el que circula la bolita de acero, tal y como se ve en las siguientes imágenes (fuente).

En este caso, no se aprovecha el momento lineal que crea una bola, sino que ocurre lo siguiente: al circular una corriente por la bobina, se crea un campo magnético en su centro que atrae a la bola. Cuando la bola se acerca a este punto, la bobina se desconecta y se enciende la siguiente, de manera que acelera la bolita hasta el nuevo destino, y así sucesivamente, de manera que la bola se acelera.

Este es la versión más compleja de construir, aunque hay muchos tutoriales, como el de Wisphysics, o éste de Ikkaro.

Por cierto, la razón por la que se menta a uno de los mas grandes, sino el más, matemático es porque dedujo la demostración matemática del efecto electromagnético presente en este cañón. Este efecto podría tener aplicaciones reales, aunque un poco peregrinas en mi opinión. Concretamente, DARPA construyó una mega pistola de Gauss, aunque el rendimiento energético no era nada bueno (22%). (Aquí). Aunque parece que su principal potencial estaría en el lanzamiento de naves espaciales (aquí). En cualquiera de las dos alternativas, la cantidad de energía a emplear es ingente.

CAÑÓN DE RIEL

Tiene un funcionamiento parecido al invento precedente. Se trata de tener dos rieles en paralelo, y una bolita metálica haciendo contacto entre ellos. Los rieles tienen un voltaje, por lo tanto, lo que consigue el proyectil es cerrar el circuito y que la corriente circule a través de ella y a través de los rieles. Un dibujo explicativo:

Para entender esto, vamos a recurrir a unos conceptos técnicos. Por la ley de Biot, alrededor de una corriente se genera un campo magnético, que son los líneas no continuas azules del dibujo. Por otro lado, hay que usar ahora la regla de la mano izquierda

Esta ley nos ayuda a calcular las direcciones de las magnitudes que aparecen dibujadas (corriente, campo magnético y fuerza). Ahora mismo conocemos el sentido de B, que va hacia arriba, y de I. Por lo tanto, poniendo la mano de la misma manera que aparecen en el eje de coordenadas de la penúltima figura, descubrimos que la fuerza va paralela a los rieles! (no funciona con la mano derecha, eh!)

Esta arma sirve para obtener energías mucho más instantáneas y explosivas. De hecho, la armada norteamericana desarrolló un cañón de este tipo en el que consiguió lanzar proyectiles a Match 8.

Y unas imágenes del invento (fuente):

La armada aún sigue interesada en estas ideas, como demuestra esta noticia de 2012.