martes, 22 de mayo de 2012

Metrónomos sincronizados

Un grupo de metrónomos se sincroniza solo

La sincronización es el procesos por el cual determinados fenómenos ocurren en un orden predefinido o a la vez. Se habla de sincronización en dinámica de sistemas físicos cuando dos o más sistemas interactúan entre sí para lograr un movimiento común, pero también hay ejemplos psicología: cuando los espectadores de una obra aplauden todos juntos a la vez, o en biología: los grillos y chicharras sincronizan sus cantos, las células en el corazón laten al unísono, algunas luciérnagas producen su destello en sincronía, etc.  


Los primeros análisis científicos conocidos de sincronización se remontan a 1657 cuando Christiaan Huygens construyó el primer reloj de péndulo funcional y estudió sistemas de dos relojes de péndulo montados sobre una base común. Observó que si los relojes empezaban a oscilar con la misma frecuencia pero fuera de fase, el movimiento se sincronizaba después de un transitorio de media hora, aproximadamente. Huygens pasó algún tiempo estudiando este fenómeno curioso. Hoy en día, la sincronización es un tema fundamental  de investigación en los fenómenos no lineales.

Una variante del sistema original de Huygens es el de los metrónomos de péndulo sobre una base plana. El sistema consta de un grupo de metrónomos de péndulo colocados sobre una tabla ligera de madera que se apoya sobre dos latas vacías, como en el siguiente vídeo:


Sistema de metrónomos  péndulo acoplados.
Radio Universidad Nacional del Litoral. Vídeo: fisicaalacarta.

Breve explicación

Se ajustan los metrónomos para que oscilen a la misma frecuencia (presstisimo, la más rápida a 208 pulsaciones por minuto), pero en contrafase (a destiempo). Los metrónomos oscilan de esta forma durante unos 10 a 20 segundos y a continuación, en el transcurso de un minuto, el sistema evoluciona hacia un estado estacionario de sincronización. La diferencia de frecuencia entre los péndulos se debe establecer con algo de cuidado, ya que si las frecuencias naturales de los dos péndulos difiere en más de un pequeño tanto por ciento, la sincronización no se producirá.



¿Cómo se sincronizan? Al colocar la base de madera sobre las latas, se forma un sistema traslacional en una dirección, es decir, la base puede desplazarse de izquierda a derecha. Cuando la mayoría de los péndulos se mueven hacia la derecha, la base se mueve hacia la izquierda a causa de la conservación del centro de masa del sistema (se conserva la cantidad de movimiento). Al moverse la base a la izquierda, empuja a los péndulos de los otros metrónomos hacia la derecha -es decir, en la misma dirección que los péndulos anteriores-. Así, el péndulo que anda más rápido les da un empujón (a través de la base) a los metrónomos más lentos logrando aumentar ligeramente su velocidad en cada ciclo. Al cabo de varios ciclos, terminan marchando al unísono. De esta manera, los metrónomos que antes funcionaban de forma individual, ahora quedaron acoplados entre sí formando un único sistema.

No debe confundirse este fenómeno de sincronización con el de resonancia, donde un oscilador responde a una excitación periódica conocida.

Cuando se quitan las latas de abajo, la tabla de madera que hace como base a los metrónomos queda fija, y el sistema no puede desplazarse más de un lado al otro. Como las frecuencias de los metrónomos no son exactamente iguales, sino que cada uno oscila con una frecuencia ligeramente diferente de los demás, esa diferencia hace que al cabo de un rato se observe que vuelven a perder la sincronía.





Fuentes:
J. Pantaleone, Synchronization of Metronomes, American Journal of Physics 70 (10) 992-1000 October (2002)

sábado, 19 de mayo de 2012

El fantasma del hospital y el pensamiento mágico


El fraude del fantasma del HECA

Desde hace unos días que se habla mucho de una foto donde aparece un supuesto fantasma en el Hospital de Emergencias de Rosario.


La fotografía de la polémica la había tomado un trabajador del Hospital de Emergencias Clemente Álvarez (HECA) de Rosario, de noche en los pasillos del centro de salud. El hombre dijo haber querido retratar con su celular a una silla de ruedas que se movía sola. Cuando revisó con detenimiento la foto se encontró con la imagen espectral de una mujer:  “Estábamos con un amigo y vimos una silla de ruedas que se movía. Entonces decidimos sacarle una foto y ahí se vio el fantasma; es posta, sacamos y salió eso”, contó Martín, uno de los protagonistas.
  

El "fantasma de HECA" esperando a ser atendido en los pasillos del Hospital. 



Si ya de por sí suena ridículo que un fantasma ande deambulando por los pasillos de un hospital público y que encima lo tenga que hacer en una silla de ruedas, más ridículo aún es que los noticieros y diarios le den cabida a "noticias" como estas.



La fotografía del fantasma es un muy poco elaborado fake. La imagen del supuesto fantasma es una copia digitalizada de una foto tomada el 10 de agosto de 1991 cuando miembros de Ghost Research Society, llevaron a cabo una investigación en el cementerio de Chicago. 



Girl on the Gravestone.
La fotografía original.
Esta fotografía, llamada "Girl on the Gravestone" (La chica sobre la lápida), apareció tanto en el Chicago Sun-Times y el National Examiner.  Fue tomada durante una investigación en el cementerio de Bachelors Grove de Chicago, el 10 de agosto de 1991, con un grupo de miembros de la Ghost Research Society.  La imagen es una foto ampliada de infrarrojos en blanco y negro, tomada en un área en la que integrantes del grupo notaron algo inusual con los equipos que utilizaban.  Muestra a una mujer joven sentada en una tumba con partes de su cuerpo inferior y superior semitransparentes.  El vestido que lleva es anticuado para esa fecha.  Fue tomada por el miembro Jude Huff-Felz.


Como se ve, se trata de la misma figura de la foto que fue recortada con un programa de edición fotográfica y luego sobrepuesta a una imagen del pasillo del hospital. También se descubrió que la imagen fue editada con una aplicación de celular llamada GhostCAM, que permite colocar fantasmas en fotos que uno toma con el dispositivo móvil.




Con esto no estamos diciendo que la foto original sea una verdadera manifestación de un fantasma, lo más probable es que le hayan sacado una foto a una mujer que estaba visitando el cementerio (en el caso que haya sido obtenida honestamente) o que directamente se trate de un fraude. De todos modos, hasta el día de la fecha, la evidencia en favor de lo paranormal es nula .


En determinadas ocasiones, la evidencia en contra, puede terminar siendo considerada como favorable por las personas proclives al pensamiento mágico. Así, algo que parece atentar contra su argumento inicial, termina siendo usado por ellos mismos como confirmación. Pocos son capaces de aceptar el desenmascaramiento del fraude como evidencia en contra de las presencias fantasmales, por el contrario, hay quienes lo tomarán como una confirmación de sus ideas iniciales: la aparición de un espíritu. Tanto es así, que ayer le mostraba las fotos a modo de refutación a una persona que suele creerse cuanta historia paranormal, teoría conspirativa o terapia alternativa le presenten, siempre que sea lo suficientemente inverosímil (cuanto más peleada esté con la realidad, mejor le cae). Su respuesta me dejó anonadado y me demostró que verdaderamente hay personas que viven en un universo paralelo, en un mundo de fantasía. Uno, por lo general, tiene preparadas ciertas réplicas para adelantarse a algún posible argumento falaz en ese sentido, y a veces es conveniente hacer el ejercicio mental de ponerse en el lugar del magufo para prevenir algunas afirmaciones sin sentido sobre el asunto, pero aún así uno no puede predecir con qué le saldrán la próxima vez o hasta dónde llega el nivel de desconexión de esta gente con el mundo real. Pues bien, este conocido amante de lo halternatibo se despachó con el siguiente "razonamiento semicircular", que palabras más, palabras menos decía así:
..."Las entidades (a él le encanta usar esa palabra en lugar de espíritu o fantasma) tienen libertad de acción, pueden aparecer y desaparecer donde y cómo quieran y además son atemporales"...
..."es un alma en pena que dejó plasmada su energía en el lugar donde murió"...
..."esa energía vibratoria puede transmutarse en otra forma de energía universal"...
..."tranquilamente la entidad pudo mudarse de un cementerio de Chicago a un hospital de Rosario"... 
..."por la forma de vestir deduzco que la imagen de la foto parece ser la de una mujer de la década del '30"... 
..."y ¿cómo era conocida la ciudad de Rosario en la década del '30?"...
..."a Rosario le decían la Chicago argentina..."
... "No sé si ves la conexión... El círculo se va cerrando"...

Mientras tanto, yo, sin emitir una sola palabra,  lo señalaba con un dedo imaginario y en mi mente repetía la frase de Homero Simpson: "Mira Bart, este es un loquito".








Fuentes:
Notiexpress
Blogs TN

martes, 15 de mayo de 2012

lunes, 14 de mayo de 2012

¿Efecto Coriolis?

¿Demostración del efecto Coriolis o no?


En el Museo Intiñan, de Ecuador, se lleva a cabo un conocido experimento para comprobar el efecto Coriolis a cada lado de la línea del ecuador. A continuación veremos por qué es un mito el hecho de que el agua del lavabo gire en un sentido o en otro en cada hemisferio.


La creencia popular dice que el efecto Coriolis es responsable del sentido de rotación del agua en los desagües de lavabos. Según se afirma, el agua en los desagües gira en sentido horario en el hemisferio sur, mientras que en hemisferio norte debe hacerlo en sentido contrario a las agujas del reloj. Parece tener algo de lógica, ya que la Tierra es un sistema de referencia giratorio. Además, el efecto Coriolis se hace evidente en la las desviaciones que sufren las  trayectorias de las masas de aire y agua que se desplazan de un polo a otro. El efecto Coriolis desvía las corrientes en las cuencas marinas hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el hemisferio sur, de la misma manera que sucede con la circulación de los vientos. ¿Por qué no podría afectar también a los lavabos? 

En el Museo Intiñan de Ecuador, se realiza la particular experiencia que veremos a continuación. Previo a la demostración, el personal del museo explica a los visitantes de qué se trata el efecto de Coriolis, cómo afecta a las grandes masas de aire o agua del planeta y cómo se manifiesta en ciclones, huracanes, tornados y tifones. Luego, el guía aclara a los visitantes que la siguiente experiencia es sólo de carácter didáctico, recalcando que el efecto Coriolis sólo se hace apreciable a kilómetros de distancia del Ecuador, con grande masas de aire o agua, pero que su influencia es despreciable sobre el agua de un lavabo. A continuación, el experimento:

Experimento en el Museo Intiñan de la Mitad del Mundo, en Ecuador, 
en el cual se ilustra el efecto Coriolis sobre la línea del ecuador. 

En el vídeo, el guía realiza la demostración del efecto de Coriolis sobre un lavabo a uno y otro lado de la línea del ecuador. En la primera parte, el guía muestra que están parados sobre el paralelo 0º, correspondiente al Ecuador terrestre. Entonces, destapa un lavabo ubicado exactamente sobre la línea del ecuador y muestra cómo el agua fluye por el desagüe sin hacer remolinos. Luego, se mueve unos metros al sur del ecuador, colocando el mismo lavabo en el hemisferio sur y al quitar el tapón se observa una rotación en sentido horario. Por si algún turista todavía no  ha quedado convencido del poder de la fuerza de Coriolis, toma el lavabo y cruza la línea del ecuador hacia el hemisferio norte. Allí, repite el experimento y se puede apreciar que esta vez el agua sale por el orificio rotando en sentido contrario a las agujas del reloj, dejando sorprendidos a todos los turistas.

Esta experiencia parece contradecir todo lo antes dicho. Si dijimos que el efecto Coriolis no afecta al agua del desagüe, ¿por qué en el vídeo el agua sale del lavabo rotando en un sentido en el hemisferio norte y en otro sentido en el sur?

Antes de analizar qué pasa en el vídeo, recordemos qué es el efecto de Coriolis:
El efecto Coriolis es la desviación de los objetos en movimiento cuando se observan en un sistema de referencia giratorio. Si el marco de referencia rota en sentido de las agujas del reloj, la deflexión es hacia la izquierda del movimiento del objeto, y si rota en sentido antihorario, la deflexión es hacia la derecha. El siguiente vídeo es bastante elocuente mostrando el efecto:

Para un observador externo, el camino de la bola parece recto, mientras que para
un observador en el marco de referencia rotatorio, la bola se desvía hacia un lado. 

En este vídeo, el carrusel rota en sentido horario (visto desde arriba). Desde la perspectiva del lanzador que rota junto con el carrusel, la desviación de la bola es hacia la izquierda, pero para un observador fuera del carrusel la bola sigue un camino recto. Se suele decir (y con razón) que la fuerza de Coriolis es una fuerza ficticia, porque es una fuerza que se tiene que "inventar" el lanzador para explicar la desviación observada en su sistema de referencia giratorio. Aún así, dentro de ese marco de referencia giratorio produce exactamente los mismos efectos que una fuerza real: una aceleración. Sin embargo, no hay que perder de vista que la fuerza de Coriolis es una consecuencia de la inercia, y no es atribuible a otro cuerpo o interacción.

Ahora, analicemos el vídeo grabado cerca de la línea del Ecuador y veamos por qué el agua gira en un sentido o en otro en cada hemisferio:

Sobre la línea del ecuador, el lavabo había sido llenado con
 anterioridad, permitiendo que el agua quede en 
reposo por unos minutos.
1- Cuando hace la demostración sobre la línea del ecuador, el labavo había sido llenado previamente, lo cual es muy conveniente para dejar reposar el agua unos minutos y procurar así régimen estacionario. De esta manera, cuando luego retire lentamente el tapón evitando agitar el líquido, va a obtener el resultado esperado,  que el agua fluya sin producir vórtice alguno.







Al verter el agua desde la izquierda, induce un remolino 
que rota  hacia la derecha.
2- Luego se corre unos metros hacia el sur, junto con el lavabo que quedó vacío en la demostración anterior. Ya en el hemisferio sur, llena el lavabo con agua, donde se aprecia claramente que vierte el agua con un balde desde la izquierda, induciendo un giro del agua se sentido horario dentro del lavabo. A pesar de que tenía el tapón puesto y el líquido parece estar quieto, se produce un remolino en el recipiente que no se logra apreciar muy bien, pero las hojas verdes que hay flotando, indican un lento movimiento en sentido horario aún con el tapón puesto. Sólo es cuestión de retirar el tapón para que se forme un vórtice que gira en sentido horario a la salida del desagüe.

Al volcar el agua desde la derecha, 
se produce el vórtice en sentido anti horario 
3- Por último, se mueve hacia el hemisferio norte y repite la operatoria. Esta vez, vierte el agua desde la derecha (visto desde la perspectiva del guía turístico), produciendo un giro en sentido contrario a las agujas del reloj. Tenía el tapón puesto, pero aunque parece que el agua está en reposo, el chorro de agua vertido induce una corriente en el líquido que fluye en sentido antihorario. Las hojas que hay flotando, indican un ligero movimiento en sentido contrario a las agujas del reloj. Nuevamente, al retirar el tapón logra su cometido: que el remolino del desagüe gire en sentido anti horario.

En conclusión, descarga el balde de agua desde el lado en el que quiere impulsar el sentido de giro. Nada de efecto de Coriolis aquí. Como vemos, el truco está en imponer un ligero y casi imperceptible movimiento de rotación, convenientemente aplicado en la dirección deseada. 

Pero... si el efecto Coriolis existe, ¿por qué el agua de un lavabo no puede girar en un sentido y en el otro en cada hemisferio? Este truco del lavabo y el efecto Coriolis es en realidad una leyenda urbana. Es un error común pensar que el efecto de Coriolis determina la dirección de la rotación de los vórtices que se crean al destapar el desagüe de un lavabo. En realidad, prácticamente no tiene incidencia alguna en el sentido en que giran los remolinos de un lavabo, ya que la fuerza de Coriolis es demasiado pequeña o despreciable en un ejemplo así. 

La aceleración de Coriolis en términos vectoriales es:


Si el cuerpo se mueve sobre la superficie de la Tierra, se puede describir con la expresión:



donde: es la velocidad del cuerpo y ω es la velocidad angular del sistema en rotación (la Tierra) θ es el la latitud (la componente radial de la velocidad a la cual el cuerpo se acerca o se aleja del eje de rotación terrestre depende de la latitud).

Sobre los polos, el vector velocidad v es perpendicular a ω por lo que el vector aceleración a está dirigido hacia dentro de la pantalla. La fórmula anterior se reduce a:   a = 2 ω vEn el ecuador, los vectores vω también son perpendiculares entre sí, pero la aceleración es radial hacia el centro de la Tierra, por lo que no produce desviación horizontal sobre la superficie.

La velocidad angular de rotación de la Tierra se puede calcular fácilmente sabiendo que hace una vuelta completa sobre su eje en 1 día, es decir, gira 360º en 24 horas, o lo que es lo mismo 2π radianes en 86400 segundos:


Si, por simplicidad, consideramos que el agua se aproxima al centro del desagüe del lavabo con una velocidad de 1 m/s, y que además, estamos en la latitud de Buenos Aires, o sea θ=34º. La aceleración de que produciría la fuerza de Coriolis  allí es:

En el peor de los casos, el valor máximo de la aceleración de Coriolis se daría en los polos y es:

En donde se ve que la aceleración de Coriolis es del orden de  70.000 veces menor que la de la gravedad cuanto mucho.  Peor aún, en el vídeo, apenas se mueven unos pocos metros del ecuador, por lo que la latitud sigue siendo prácticamente 0º y la componente horizontal de la aceleración de Coriolis es despreciable. 

El efecto obtenido mediante el cálculo de la acción de la fuerza de Coriolis en un sistema ideal es de varios órdenes de magnitud más bajos que en muchas otras contribuciones. En realidad predominan otros factores como la geometría del lavabo, el tamaño de la salida de agua o un ligero desnivel, vórtices provocados durante el lavado, etc. 

No sólo eso, sino que además se puede hacer la prueba en un mismo lavabo y comprobar que el agua a veces gira en un sentido y a veces en otro, debido a los factores antes mencionados, echando por tierra este mito.





viernes, 11 de mayo de 2012

Ahorradores energía: un engaño

Los ahorradores de energía y lo que dice la ciencia.

En los programas de televenta y en sitios de compra por Internet se ofrece una amplia variedad de aparatos que dicen ahorrar energía, reducen gastos en electricidad y contribuyen con el medio ambiente. Su uso es, en apariencia, muy sencillo: se compra, se enchufa y se comienza a ahorrar dinero. 

En el mercado existe una amplia variedad de marcas y modelos de dispositivos que dicen hacer exactamente eso, ahorrarnos desde un 20% hasta un 40% de la energía que consumiríamos si no lo hubiéramos comprado. Los más conocidos son G-Ner-G Saver, Mister Plugins, Power-Save, Electricity-Saving Box, Lightzer, Power Saver, entre otros. La mayoría de ellos exponen entre sus atributos:

 Ahorra electricidad
•  Distribuye equitativamente energía parásita residual.
•  Reduce la factura de la electricidad.
•  No necesita instalación, simplemente enchufarlo y listo.
•  No requiere mantenimiento.
•  Ayuda a mantener la vida útil de sus electrodomésticos.
•  Estabiliza la corriente eléctrica.
•  Reduce las subidas de tensión.
•  Proporciona protección.
•  Cumple los estándares técnicos.
•  Ayuda a mantener el medio ambiente.
•  Protege contra ondas electromagnéticas dañinas.
•  Puede usarse las 24 horas al día, 365 días al año, conservando sus propiedades.

A simple vista parecen una excelente inversión. ¿Quién no quiere ahorrar energía, pagar menos, cuidar el medio ambiente? ¿Qué más le podríamos pedir... que nos traiga el periódico a la cama? Pero, no nos entusiasmemos antes de tiempo. ¿Acaso serán ciertas las afirmaciones de ahorro energético? ¿Si lo compro voy a pagar menos en las cuentas de luz? Suena demasiado bueno para ser cierto y en ocasiones así se deben prenden las luces rojas de "alerta". 

Las publicidades de este tipo, suelen estar plagadas de términos técnicos, llenas de información irrelevante y de testimonios falsos con los que buscan abruman al espectador. Asimismo, brillan por su ausencia los ensayos técnicos realizados por algún organismo independiente. De esa manera terminan persuadiendo al televidente de realizar la compra. ¿Un dispositivo que permite consumir menos energía y pagar menos en su factura eléctrica? Vamos analizar estos aparatos y comprobemos si se trata de un nuevo engaño. Veamos el vídeo de la publicidad de uno de ellos, llamado G-ner-G Saver:



Notemos el parecido clónico con el anterior, casi como si hubiesen sido separados al nacer. Gner-G Saver promete ahorrarnos hasta un 25% en la factura de la energía eléctrica. Lo vende la empresa de compras por TV Sprayette y esto es lo que publica:

G-ner-G Saver permite reducir hasta un 25% sus facturas mensuales de electricidad! Novedoso dispositivo para conectarse a través de una tecnología digital revolucionaria, que le permite ahorrar electricidad. Elimina los residuos de energía parásita, filtrando y dividiendo equitativamente el excedente en forma digital. Su tecnología inteligente optimiza el consumo de energía eléctrica, ayudando a prolongar la vida de los electrodomésticos. Ahorre dinero, reduzca el consumo de energía y proteja el medio ambiente con el G-NER-G Saver. En un momento en que la economía es esencial, G-NER-G Saver es el número uno en ahorro de energía y el producto de este rubro más exitoso, con más de 10 millones de unidades vendidas en todo el mundo. Ventajas: Ahorra electricidad. Reduce los campos electromagnéticos (CEM). Distribuye equitativamente energía parásita residual. Ayuda a cuidar el medio ambiente. 




A continuación, haremos un paréntesis para una explicación técnica sobre algunos conceptos que podrían ser de utilidad para entender el posible fraude. Si resulta larga y aburrida, puede saltearla e ir directamente al título "Tan solo un capacitor".



Energía y potencia
En primer lugar debemos recordar qué significa energía: "La energía es la capacidad para realizar un trabajo". En el caso de la energía eléctrica ese trabajo es el que debe hacer el campo eléctrico para desplazar las cargas (electrones) dentro de los conductores. La energía, en unidades del Sistema Internacional, se mide en un Joules, pero por razones prácticas la energía eléctrica se usa frecuentemente el kWh (kilowatt hora) que es el que se ve en las boletas de luz. Ahora bien, para que los aparatos eléctricos que usamos a diario  funcionen correctamente, deben consumir una cierta cantidad de energía por segundo, que la absorben de la línea eléctrica (o sea del tomacorrientes). Ese flujo de energía, es decir esa cantidad de energía consumida cada segundo se denomina potencia eléctrica. La potencia eléctrica se mide en Watts y éste es el número que vemos en todos los aparatos eléctricos, por ejemplo: una lámpara inacandescente de 60W, una estufa 2500W, un televisor 100W. Es decir, la potencia (los watts) nos dan una idea del consumo de energía; si multiplicamos la potencia por el tiempo que tenemos encendido ese aparato obtenemos la energía consumida. Dicho de otra forma, la energía eléctrica consumida E es igual al producto de la potencia activa P y el tiempo t.

 Así, una lámpara de 100W encendida durante 270 horas al mes consume una energía de:
Con lo antes explicado, vemos claramente que cada aparato consume la potencia indicada (nominal) para funcionar con normalidad. Si, por ejemplo, a una lámpara le aportamos menos potencia (reduciendo la tensión) veremos que enciende de forma tenue, con poco brillo o que directamente no enciende. No podemos pretender que con menor potencia ilumine igual que antes. Por lo tanto, para que un aparato producza un trabajo determinado debe consumir una cierta cantidad fija de energía eléctrica. No hay otra. No hay forma de modificar externamente el consumo de un aparato, porque no hay forma de modificar sus requerimientos de energía para poder hacer un mismo trabajo. En resumen: si buscamos que a los electrodomésticos se les suministre menos energía,  lo único se consigue es un mal funcionamiento. Los requerimientos de potencia de los aparatos eléctricos son fijos.

Triángulo de potencias
Los dispositivos eléctricos de corriente alterna (la que llega a nuestros hogares) utilizan la energía de un modo particular:
  • Una parte de esa energía es realmente consumida por el aparato para realizar un trabajo, por ejemplo para que el motor de una bomba eleve el agua hasta el tanque, o para calentar el filamento de una lamparita. Esa potencia se conoce como potencia activa, se mide en Watts y se la designa con la letra P.
  • Otra parte de la energía tomada de la red no es "gastada" por los aparatos électricos, sino que la fuente (compañia eléctrica) entrega esa energía y el dispositivo la almacena momentáneamente y luego se la devuelve a la fuente.  De esta manera se produce un intercambio de energía entre la fuente y el dispositivo, que en promedio resulta ser cero, por lo que no produce trabajo útil. Esta forma de potencia se conoce como potencia reactiva sólo aparece cuando existen componentes reactivos en el circuito (bobinas o condensadores) y es el flujo de energía almacenada temporalmente en forma de campo eléctrico o magnético en dichos elementos. La potencia reactiva se mide en voltamperes reactivos (VAr) y se designa con la letra Q.
Triángulo de potencias.
Lo dicho hasta aquí se puede visualizar en el triángulo de potencias. Si graficamos a la potencia activa P como el cateto horizontal y a la reactiva Q como el cateto vertical, se obtiene la composición de ambas: la hipotenusa S o potencia aparente, que es un número complejo, y se mide en voltamperes (VA).

El ángulo φ del triángulo nos dice cuánta potencia reactiva "pide" una instalación eléctrica o un dispositivo en particular. A mayor φ, mayor Q. El coseno del ángulo φ se denomina factor de potencia  y por trigonometría podemos ver que es relación entre el cateto adyacente (la potencia activa P) y la hipotenusa (la magnitud de la potencia aparente S) :


El factor de potencia es un indicador del correcto aprovechamiento de la energía eléctrica. Es una magnitud adimensional y puede tomar valores entre cero y uno (0 ≤ fdp ≤ 1). Nos da una medida de cuánta de la energía absorbida va a ser convertida en trabajo.  Si una carga (se llama carga a un dispositivo conectado a la red eléctrica) tiene Q nulo o muy pequeño, entonces el ángulo φ se aproxima a 0º y el  factor de potencia se acerca a uno (porque el cos(0º)=1). Estas cargas con fdp1 utilizan mejor la potencia entregada. Por ejemplo, un factor de potencia de 0,95 nos indica que, del total de la energía abastecida por la empresa distribuidora, sólo el 95% de la energía es utilizada por el usuario, mientras que el 5% restante es energía que se desaprovecha. Las cargas con fdp bajos consumen mucha Q, (el ángulo φ es grande) y se dice que la carga es reactiva. Estos tipos de cargas desaprovechan mucho la energía eléctrica.

En la industria y en el hogar, tenemos todo tipo de aparatos eléctricos que consumen de los dos tipos de potencia P y Q, cada uno aportaría lo propio alargando uno y otro cateto. Así, una lámpara incandescente, un calentador de agua o una estufa, sólo consumen potencia activa (son resistivos puros) y sólo modifican el largo de P (en rojo);  mientras que los tubos fluorescentes, los aparatos con motor como ventiladores, acondicionadores, bombas de agua, al poseer bobinas, además de consumir potencia activa P consumen potencia reactiva Q, por lo tanto alargan un poco el lado Q y otro tanto al lado P. Es decir que los motores y tubos fluorescentes, empeoran el factor de potencia, alejándolo cada vez más del valor ideal de uno.

Afortunadamente, a los clientes hogareños las empresas de energía nos cobran únicamente la energía activa (asociada con P) y no la energía reactiva (asociada con Q). A los clientes industriales se les cobran las dos energías y se les exige que mantengan un factor de potencia por encima de 0,96. Esto es así porque con un fdp bajo, por los cables circulan corrientes muy grandes y esto representa pérdidas de energía y de dinero para la empresa. Pero, ¿cómo hace la industria para corregir el factor de potencia a los valores exigidos?

Bueno, hay algo que no contamos todavía. La potencia reactiva Q puede tomar valores positivos o negativos, dependiendo del tipo de carga. Suena raro que una potencia sea negativa y parece no tener significado físico, pero debemos recordar que dijimos que la potencia aparente S es un número complejo. Las cargas inductivas como los motores requieren potencia reactiva Q positiva, mientras que las cargas capacitivas requieren potencia reactiva negativa. Otra forma de decirlo sería que las cargas inductivas "piden" potencia reactiva y las cargas capacitivas "aportan" potencia reactiva. Esto es la base de la corrección del factor de potencia. En instalaciones donde hay muchos motores, la potencia reactiva Q es grande, lo que empeora el factor de potencia. Si se conecta una cierta cantidad de capacitores en esa instalación, éstos podrían aportar potencia reactiva de signo opuesto, contrarrestándola.



Veamos esto en el triángulo de potencias. En una instalación con motores funcionando se tiene una gran potencia reactiva +que, como dijimos, aumenta el ángulo φ, y achica al factor de potencia, lo cual no es querido, pues provoca los problemas antes mencionados.




Para corregir esos inconvenientes 
se colocan uno o varios capacitores en paralelo en la instalación de manera de que su "consumo negativo" de potencia reactiva (o aporte) produzca una reducción neta de la potencia reactiva totalEn azul se ve la potencia reactiva +Q que consume la instalación. En violeta, la potencia reactiva del capacitor, que es de signo opuesto a la de la instalación.                    


Al restarse una con la otra, se produce como resultado la línea de color marrón, la resultante y como vemos es de menor valor que la potencia reactiva Q original.         

               
Hay que dejar en claro que en ningún momento ningún dispositivo consume menos potencia reactiva. La potencia reactiva que necesita un motor o un electrodoméstico es la que es y no puede modificarse. Cada dispositivo conectado sigue absorbiendo la misma cantidad de potencia reactiva, pero, como luego conectamos un banco de capacitores, éstos contrarrestan el efecto de esos dispositivos ya que suman potencia reactiva negativa. Así, que lo que estamos modificando es la potencia reactiva que "ve"  la empresa de energía que le estamos pidiendo. Compensando la potencia reactiva estamos reduciendo el ángulo φ y hacemos al fdp de la instalación más cercano a la unidad.

Dijimos que una gran potencia reactiva es perjudicial para las instalaciones. Veamos por qué. Si bien, la potencia reactiva Q no representa trabajo realizado, el problema con ella es que hace que se necesite una corriente mayor por los conductores. Es importante que factor de potencia sea muy cercano a la unidad, para que Q sea chica, de lo contrario se producen algunos problemas que tienen que ver con la instalación eléctrica. La potencia aparente S aumenta con Q, según el teorema de Pitágoras

Pero, la potencia aparente S se puede calcular como el producto de la tensión V y la corriente I:

Si reemplazamos S en la expresión del factor de potencia:
Nos queda:

Pero, como el voltaje V es fijo en 220V, podemos despejar el valor de la corriente I:

Es decir, la corriente de una instalación depende de forma inversamente proporcional al factor de potencia. Con el máximo factor de potencia (fdp=1) se tendría la corriente mínima por los cables, pero si el factor de potencia es cada vez menor (0<fdp<1) la corriente se haría cada vez mayor. Las corrientes grandes son indeseables porque los cables de las líneas de transmisión deben soportar esa gran a corriente y para ello deberían ser de gran diámetro, lo cual encarecería su costo por tener más cobre. Pero eso no es todo, los generadores y transformadores de la compañía eléctrica también deben sobredimensionarse para aportar la potencia aparente S necesaria. Y el peor de los problemas son las pérdidas por efecto Joule, donde parte de la energía generada se termina disipando como calor en los conductores y a mayores corrientes mucho mayores son las pérdidas.

Ejemplo
Veamos esto con un ejemplo. Supongamos que tenemos dos aparatos conectados a la línea de 220V y que consumen la misma potencia activa P,  pero uno de ellos tiene un factor de potencia bajo (indeseable) y el otro un factor de potencia alto (deseable):

Aparato 1:   fdp=0,97,  P=2500W, V=220V.  La corriente resulta:

Aparato 2:   fdp=0,30,  P=2500W, V=220V.  La corriente resulta:
Aquí se ve claramente cómo el Aparato 2, con bajo factor de potencia, necesita una corriente mucho mayor que el Aparato 1, a pesar de que los dos están produciendo el mismo trabajo eléctrico (dado por la potencia activa que es igual para ambos).




Tan sólo un capacitor
Pues, volviendo al tema en cuestión, con lo dicho anteriormente dejamos claro que estos ahorradores no pueden reducir los requerimientos de energía de nuestros electrodomésticos. En cuanto a lo de producir un ahorro, hay testimonios de personas y organizaciones de defensa del consumidor que han probado los dispositivos ahorradores de energía y no han notado ningún ahorro. ¿Entonces qué es lo que hacen estos aparatos? El despiece de uno de estos dispositivos nos devela el "misterioso mecanismo" que permite los mágicos ahorros en el hogar.

La pobre calidad del manual de instrucciones de tan "sofisticado aparato".
Desarme del dispositivo.

Ahorrador Practical-Energy-Saver.
Interior de un "ahorrador" de energía.
En el interior del supuesto ahorrador nos encontramos con una plaqueta cuya única función es alimentar dos leds que quedan siempre encendidos haciendo las veces de luz piloto en el frente  y que no cumplen otra función que mostrar que el aparato está enchufado. La cajita de negro con inscripciones en blanco de la parte superior es un capacitor de 12μF. Eso es todo. Los fabricantes venden un simple capacitor como innovador dispositivo de ahorro de energía. No hay ninguna tecnología digital, ni funcionamiento inteligente, ni nada novedoso ahí adentro. Además, ese capacitor se puede comprar por un precio cercano a 1 dólar en cualquier casa de productos eléctricos, no por los 40 dólares que piden por internet.  ¡Menos aún por lo que cuesta en las teletiendas! 

La idea detrás de colocar un capacitor en la instalación eléctrica, viene de la técnica de corrección del factor de potencia de cargas reactivas. El factor de potencia es un indicador del aprovechamiento de la energía eléctrica. Es un número entre cero y uno (0 ≤ fdp ≤ 1) y  nos da una medida de cuánta de la energía absorbida va a ser convertida en trabajo. Las cargas con bobinas, como los motores y tubos fluorescentes, tienden a desaprovechar la energía, es decir empeoran el factor de potencia (lo hacen más pequeño).  Por ejemplo, si una fábrica trabajara con factor de potencia de 0,70 nos indica que, del total de la energía suministrada por la distribuidora, sólo el 70% de la energía es utilizada, mientras que el 30% restante es energía que se desaprovecha. Por este motivo las compañías eléctricas exigen que el factor sea lo más cercano posible a uno.

Las empresas eléctricas les cobran a todos los usuarios la energía activa, que es la que realmente consumen. Pero, a los clientes industriales, además les cobran la energía reactiva. Las distribuidoras de energía miden el factor de potencia de las instalaciones industriales y si ese valor es bajo les aplican multas o sobrecargos. Para evitar esos inconvenientes, las empresas deben corregir el factor de potencia de su instalación mediante grandes bancos de capacitores que actúan automáticamente, conectando el número de capacitores que sean necesarios en cada momento para producir la compensación. Dicho esto, un simple capacitor de bajo valor no produciría una corrección apreciable, descartando el uso de estos "ahorradores" a nivel industrial. A nivel domiciliario, las distribuidoras sólo facturan la energía activa consumida (los kWh), no tienen en cuenta el factor de potencia en los hogares, por lo tanto no es necesario corregirlo en los domicilios. Los capacitores aportan parte de la potencia reactiva que necesitan las bobinas (de un motor, por ejemplo). Tener un capacitor conectado todo todo el tiempo podría corregir el factor de potencia cuando hay un ventilador o un aire acondicionado en marcha, pero lo empeoraría en los momentos en que no haya ningún motor conectado, volviéndose contraproducente. Por eso, tampoco sería útil en una casa una compensación fija como la que hacen estos "ahorradores", en todo caso debería ser controlada como en la industria, según sea lo que tengamos enchufado en cada instante. Aún así no notaríamos ni siquiera un centavo de diferencia en la boleta de la luz porque los kWh que consumimos no se modifican agregando capacitores.

Videos para convencer a los escépticos
Muchas de las empresas que comercializan estos "ahorradores" grabaron vídeos demostrativos donde enseñan cómo su producto logra el supuesto ahorro de energía. A continuación, un par de vídeos, donde quieren mostrar que el "ahorrador" funciona midiendo las corrientes en la línea antes de conectar el ahorrador y después. 



Lo que muestran los videos es cierto, no hay ningún truco, lo que si hay son intenciones de engañar a la gente. Como vimos, los ahorradores no son ni más ni menos que un capacitor dentro de una linda caja. El capacitor sirve para corregir el factor de potencia. No es casualidad que hicieran la demostración con un motor o con una heladera (que también es un motor) ya que los motores poseen bobinas que, dijimos, empeoran el factor de potencia. Al conectar el ahorrador/capacitor...  voilà... se reduce la corriente por la línea. Otros equipos eléctricos como estufas o lámparas incandescentes, al ser resistivos puros, tienen un factor de potencia de 1. Si la demostración la hubiesen hecho con una lamparita, ¡hubiesen medido una corriente mayor después de conectar el capacitor! Vamos a demostrar que la compensación hace justamente eso: modifica la corriente por la línea, pero que eso no significa ningún ahorro de billetes. Ya habíamos explicado antes que la corriente es inversamente proporcional al factor de potencia:


En el primer video, con el "ahorrador" desconectado, el vendedor mide la corriente de línea, que es igual a la del motor porque no hay otra cosa conectada y le da 13A. 


Hagamos unos números a modo de ejemplo. Supongamos que el motor del vídeo tiene un factor de potencia de fdp=0,62 y una potencia P=1750W a tensión de línea de U=220V. La corriente por la línea I, resulta:




Luego, conecta el "ahorrador" (capacitor para los amigos) y mide una corriente de 9,4A (la mide antes  del capacitor). Luego mide la corriente por el motor (después del capacitor), pero esta sigue siendo de 13A. Entonces, la adición de un simple capacitor logró una reducción de la corriente en la línea, pero no en el motor (si así fuera, el motor no funcionaría como corresponde).

En realidad, al conectarle el capacitor, el factor de potencia del conjunto motor-capacitor, se  hace más cercano a uno, digamos que pasa de valer 0,62 a  0,85. Entonces, ahora tendremos:




Después de conectar el "ahorrador" (es decir el capacitor), la corriente medida en la línea se redujo, porque la potencia reactiva del capacitor aporta esa diferencia, pero la corriente del motor sigue siendo la misma. Una reducción de corriente en la línea es muy importante porque, como ya comentamos, reduce la pérdidas en los cables. Pero eso afecta más a la empresa de energía que al usuario residencial. La compensación produce beneficios, pero no a los usuarios domiciliarios, a los que no se les cobra energía reactiva. En este caso el vendedor, al darle el nombre de "ahorrador" a lo que en realidad es un compensador, pretende mostrar algo habitual como es la corrección del factor de potencia, como un invento que nos reportará un ahorro de energía en nuestros hogares, cuando en verdad no es así. 




Conclusiones
  1. Los requerimientos energéticos de cualquier aparato eléctrico son inamovibles, no se pueden modificar adicionándoles algún otro dispositivo.
  2. Los supuestos ahorradores de energía no son más que un simple capacitor dentro de una caja elegante, nada de tecnología espacial, ni microprocesadores, ni innovación científica.
  3. Si bien, los capacitores se usan para corregir el factor de potencia de elementos reactivos como motores y reducir la corriente que circula por las líneas, al usuario común domiciliario no le reporta beneficio alguno en su boleta de electricidad, ya que se le cobra la energía consumida (los kWh), que no pueden reducirse conectando un condensador.
  4. La compensación del factor de potencia es de utilidad para usuarios de gran consumo, si es que se les cobran cargos extra por factor de potencia es bajo. Para evitar pagar multas, utilizan un sistema de corrección automática con bancos capacitores, de valores muy superiores a los de un "ahorrador" de los aquí mencionados. El uso de un ahorrador en un gran comercio o industria, no reportaría una corrección significativa.
  5. La única forma de reducir la energía consumida es utilizando lo menos posible los artefactos eléctricos.

¿Cómo ahorrar energía de verdad?
Si quiere ahorrar dinero, el primer consejo es no comprar ninguno de estos productos que prometen mucho, pero hacen poco. Una forma más efectiva de ahorrar dinero en las facturas de energía puede lograrse adoptando hábitos de consumo racionales con los siguientes consejos:
  • Apague por completo los dispositivos que no utiliza. No los deje en stand by.
  • Sustituya focos comunes y fluorescentes por lámparas ahorradoras de bajo consumo o led. Estos darán el mismo nivel de iluminación, duran 10 veces más y consumen 4 veces menos energía que los comunes.
  • Coloque la heladera lejos de fuentes de calor como estufas, calentadores, ventanas al sol, etc. Abra la puerta lo menos posible. Revise los burletes de goma y la correcta posición del termostato.
  • En el lavarropas, no lave pequeñas cantidades o de a una prenda, júntelas y cargue su lavadora con el máximo posible.
  • Planche la mayor cantidad de ropa cada vez. No deje la plancha conectada innecesariamente.
  • Mantenga el termostato del aire acondicionado en 25ºC. Cierre puertas y ventanas cuando use el acondicionador de aire. Limpie los filtros por lo menos una vez al mes. Cuando salga de la habitación apáguelo.




NotaLas imágenes del Practical-Energy-Saver fueron tomadas de halondisparado.com