Un ala óptica genera fuerza de impulso a partir de la luz

Demostración del perfil fotodinámicoLos científicos esperan que este avance permita maniobrar a vehículos espaciales simplemente con los rayos del Sol.

Físicos de los Estados Unidos han demostrado el análogo óptico de un perfil aerodinámico – un perfil “fotodinámico” que genera fuerza de impulso cuando pasa a través de una luz láser.

La demostración, que llega más de un siglo después del desarrollo de los primeros aeroplanos, sugiere que el perfil fotodinámico algún día podría usarse para maniobrar objetos en el vacío del espacio exterior, usando simplemente los rayos del Sol. “Es casi como las primeras etapas de lo que hicieron los hermanos Wright”, dice el autor principal Grover Swartzlander, físico del Instituto Rochester de Tecnología en Nueva York, cuyo estudio aparece en Nature Photonics hoy1.

El principio del perfil fotodinámico es similar al del aerodinámico: ambos requieren que la presión sea mayor en un lado que en el otro, lo que genera una fuerza, o impulso, en esa dirección. Con el perfil aerodinámico, la diferencia de presión surge debido a que el aire debe pasar más rápido sobre el lado más largo y curvado para unirse de nuevo con el aire que pasa por debajo.

Con el perfil fotodinámico, la presión procede de la luz en lugar del aire. Tal “presión de radiación” fue teorizada por el físico James Clerk Maxwell y Adolfo Bartoli a finales del siglo XIX, y existe debido a que los fotones imparten momento a un objeto cuando se reflejan o pasan a través del mismo. Ésta es la razón, por ejemplo, de que la cola de un cometa siempre apunte en dirección contraria al Sol – los rayos solares la empujan.

Presión lumínica

Grover y sus colegas predicen que la presión de radiación podría generar impulso en un perfil fotodinámico, tras haber realizado análisis informáticos para aprender cómo la luz se refracta y refleja cuando entra en objetos de distintas formas. El éxito llegó en forma de bastón semi-cilíndrico, el cual mostró a partir de los análisis que una gran porción de rayos de luz incidentes deberían abandonarlo en dirección perpendicular. El lado que abandonan debería experimentar la mayor presión de radiación y, por tanto, impulsarse.

Para poner a prueba su predicción, Grover y su grupo dejó caer bastones semi-cilíndricos, de apenas unos micrómetros de longitud, en agua. Cuando los iluminaron con una luz láser desde abajo, los bastones se movieron hacia arriba – gracias a la fuerza de levitación directa del láser – pero también se movieron hacia un lado. Fue este posterior movimiento perpendicular el que, según afirman los investigadores, demuestra la existencia de un impulso óptico.

Una aplicación del perfil fotodinámico sería controlar la dirección de los vehículos espaciales que dependen de la presión de radiación para su impulso, tales como la nave de vela solar experimental LightSail-1, que la Sociedad Planetaria, una organización espacial pública estadounidense, está planeando lanzar el próximo año. La idea de perfil fotodinámico podría usarse también para propulsar micromáquinas, o trasportar partículas en líquidos.

Para estas últimas aplicaciones, Matt Eichenfield, físico especialista en sistemas a nanoescala ópticos mecánicos del Instituto Tecnológico de California en Pasadena, cree que sería más útil si el impulso pudiese darse en cualquier objeto transparente. Esto podría ser posible, dice, si el problema se considerase en sentido inverso, es decir, si la forma del haz láser, en lugar del objeto, es lo que se manipula.

Eichenfield añade, sin embargo que: “Es un efecto interesante. Y es clave, cuando este campo de la nanomecánica combinado con la óptica es más importante que revisar su fenómeno más simple, como hemos hecho aquí”.


Referencias:
1. Swartzlander, G. A., Peterson, T. J., Artusio-Glimpse, A. B. & Raisanen, A. D. Nature Photonics advance online publication doi:10.1038/NPHOTON.2010.266 (2010).

Autor: Jon Cartwright
Fecha Original: 5 de diciembre de 2010
Enlace Original

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Comments (20)

  1. Información Bitacoras.com…

    Valora en Bitacoras.com: Los científicos esperan que este avance permita maniobrar a vehículos espaciales simplemente con los rayos del Sol. Físicos de los Estados Unidos han demostrado el análogo óptico de un perfil aerodinámico – un perfil “fotodin…..

  2. Alvaro

    Hay un error, el ala no vuela por diferencia de presión debida a la longitud de un lado del ala y el otro, ya que así los aviones no podrían volar cabeza abajo, si no por ángulo de ataque de ésta…

    • OzzyBulla

      Ambas cosas son ciertas: el ángulo de ataque produce un impulso del tipo acción-reacción aunque también genera un delta de presión entre el lomo y la parte inferior del ala. Este tipo de impulso es difícil de controlar (equilibrarlo con el peso de la nave) y predomina en el despegue y el aterrizaje. El diferencial de presión, producto del perfil del ala, es el que mantiene al avión en vuelo estable.
      En este link hay una explicación de los principales temas de la aerodinamica del vuelo: http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?p=66643793

    • Carlus

      En cuanto a p.q. la presión en el aire es inversamente proporcional a la velocidad, recomiendo el artículo de la wikipedia sobre el principio de Bernoulli, aplicable a cualquier fluido.

  3. OzzyBulla

    En el fondo de este tema hay algo que siempre me ha intrigado: si la energía cinética es la masa por la velocidad al cuadrado, y si los fotones no tienen masa y cualquier número, por grande que sea, si se multiplica por 0 el resultado es 0.
    Si alguien me da una clave me regalará horas de suelo adicionales ;)

    • Esa ecuación que indicas se aplica al caso de partículas masivas en un entorno no relativista. Para partículas no masivas se aplica esto. Espero que duermas bien ;)

    • CensorCosmico

      No tienen masa pero sí cantidad de movimiento (cosas de la teoría de la relatividad). La cantidad de movimiento varía en forma inversa a su longitud de onda. Como tienen cantidad de movimiento, pueden interactuar con la materia.

  4. OzzyBulla

    Claro, ahora me encaja. Una vez mas el maldito Demócrito. Para mi esa es la prueba de la inexistencia de dios: si él hubiese creado todo, no hubiese sido tan perverso y habría hecho la materia continua, un gelatina seguiría siendo gelatina hasta lo infinitamente pequeño.

    Gracias, de verdad, a ambos

  5. mmm creo que no eso es por el viento solar que está formado por partículas no por los fotones

  6. anonimo

    Un avión vuela en invertido por poco tiempo y porque el piloto se sirve de las superficies de control del ala además de la velocidad al iniciar la maniobra. Y sobre todo el motor se acaba parando al vaciarse los carburadores al quedar en posición invertida.

    No queda claro en que modo ha incidido el láser, de todos modos. Habla de bastoncillos así ======= vistos de lado y D en sección. No explica el proceso. Cómo va a existir una diferencia de presión de fotones…

    • piper

      me parece que los motores actuales ya no usan carburadores, son de inyección, por lo que funcionan en cualquier posición.

  7. anonimo

    Los fotones se refractan en distintas direcciones, no se unen en un supuesto borde de fuga. No hay un medio de fotones de presión uniforme. Nada de ala.

    • reneco

      Me parece que el bastón semi-cilíndrico guía la luz del láser para obtener ese efecto análogo al aerodinámico, siendo así se puede manipular el momento lineal del fotón para que se manifieste en una interacción mecánica con la materia, aunque esta fuerza es muy pequeña. También se menciona la nave de vela solar experimental LightSail-1, pero aquí tenemos la propulsión del viento solar que son mas que fotones.

  8. [...] Un ala óptica genera fuerza de impulso a partir de la luz http://www.cienciakanija.com/2010/12/23/un-ala-optica-genera-fue…  por cdevita1978 hace 5 segundos [...]

  9. Juan Quijano

    Sobre el tema de porqué vuelan los aviones recomiendo esta excelente entrada: http://www.lapizarradeyuri.com/2010/12/16/asi-vuela-un-avion/

  10. Un ala óptica genera fuerza de impulso a partir de la luz…

    Un estudio sobre la posibilidad de usar la luz del sol para maniobrar naves espaciales (Lo que de hecho ya hizo Hayabusa)…

  11. [...] Un ala que se impulsa por la luz. (ojo, que eso es distinto a cómo vuelan los aviones). [...]

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