Cómo la búsqueda de oro nos dio destellos en el cielo.
Los espectáculos pirotécnicos modernos son realmente espectaculares. ¡Hay tantos colores, sonidos y formas diferentes! Pero, ¿sabías que los fuegos artificiales no son un invento moderno? Hace más de mil años que se utilizan para grandes celebraciones. Esa sensación especial de contemplar con asombro un espectáculo pirotécnico, con una multitud de personas a tu alrededor mirando al mismo cielo oscurecido, la han compartido millones de personas a lo largo de la historia.
Índice:
Un interés chispeante
Se cree que los fuegos artificiales datan del año 200 a.C. en China. La gente se dio cuenta de que al arrojar trozos de bambú al fuego se producía una explosión y un fuerte "bang". Se creía que estos sonidos ahuyentaban a los malos espíritus.
La propia explosión es causada por los segmentos huecos del interior del bambú. Al arrojarlo al fuego, el aire del interior del bambú se calienta rápidamente y se expande, rompiéndolo estrepitosamente.
Alquimia y la Búsqueda Eterna
Antes de que existiera la química, existía la alquimia. Los alquimistas se inspiraron en mitos y leyendas sobre un elixir de la vida que podía convertir cualquier metal en oro y aumentar la esperanza de vida de quien lo bebía. Con el fantástico objetivo de crear este elixir, los alquimistas se pusieron a trabajar combinando sistemáticamente minerales y elementos naturales, observando sus reacciones y esperando encontrar oro. Aunque los alquimistas nunca lograron descubrir la fórmula del elixir de la vida (si lo hicieron, ¡son muy buenos guardando el secreto!), muchos de los productos de sus experimentos acabaron siendo útiles de otras maneras. A pesar de estar motivados por un objetivo tan descabellado, los alquimistas siguieron procesos cuidadosos que sentaron las bases del Método Científico.
Así que la gente sabe cómo hacer el "¡bang!" de los fuegos artificiales desde hace mucho tiempo. Pero, ¿qué hay del cohete que sale disparado por los aires o de los bellos colores? Eso no se consiguió hasta muchos siglos después.
Alrededor del año 900 de nuestra era, un alquimista mezcló salitre (un mineral que ahora se conoce más por su nombre químico: nitrato potásico), carbón vegetal (los trozos oscuros de carbono que quedan después de un incendio) y azufre (un elemento que huele a huevos podridos). El alquimista probablemente intentaba crear una sustancia mítica que diera a una persona la vida eterna. En lugar de ello, crearon una mezcla altamente inflamable y explosiva: la pólvora. Ahora, los brotes de bambú o los tubos de papel podían llenarse de pólvora y prenderse fuego para provocar sonidos y luces aún más excitantes.
Y en el siglo XIV, los científicos chinos descubrieron una forma de crear humo coloreado. En el siglo XVII, se registraron recetas de hogueras que producían humo de varios colores, e incluso una receta de humo con destellos de plata.
También registraron recetas de llamas amarillas, verdes y blancas. Todas estas reacciones procedían de la adición de compuestos metálicos específicos a las llamas. Por ejemplo, el sulfuro de arsénico crea llamas amarillas y el acetato de cobre, verdes.
Al igual que muchas otras tecnologías compartidas por todo el mundo a través de la Ruta de la Seda, los fuegos artificiales pronto se extendieron por Asia Central y Occidental y Europa. Se convirtieron en una parte popular de las principales fiestas y celebraciones de todo el mundo, aunque en su mayor parte eran de color naranja, ya que nadie había descubierto todavía cómo añadir colores a estos cohetes explosivos.
No fue hasta finales del siglo XVIII cuando los químicos europeos empezaron a darse cuenta de que añadiendo trozos de ciertos metales se podía cambiar el color de las chispas de pólvora. Hasta entonces, cambiar el color de las chispas dependía de encontrar el compuesto adecuado en la naturaleza. Pero en el siglo XIX se produjo una revolución: los químicos empezaron a descubrir cómo sintetizar compuestos químicos que eran raros o no se daban en la naturaleza. Esto abrió la puerta a los fuegos artificiales brillantes y coloridos que conocemos.
Ahora en Technicolor
Pero, ¿por qué la adición de estas sales metálicas a la pólvora produce color en primer lugar? En realidad, tiene que ver con la estructura atómica de las propias sustancias químicas. Cuando la pólvora se enciende, libera un montón de energía, parte de la cual excita los electrones de los compuestos metálicos. Poco después de absorber la energía, los electrones la liberan en forma de luz. Los colores de la luz emitida por los electrones se denominan "espectro". Cada tipo de molécula o átomo tiene una "huella" espectral única que viene determinada por la estructura de sus electrones.
"Huellas" espectrales
La "huella" espectral única de un átomo o molécula viene determinada por la estructura de sus electrones. Como el hidrógeno es el átomo más simple, con un solo protón y un electrón, utilicémoslo como ejemplo. Normalmente, el electrón orbita muy cerca del protón. Ésta es la energía más baja que podría tener (y la naturaleza siempre prefiere la energía más baja), por lo que se denomina "estado básico" (n = 1). Pero también hay otros "estados excitados" (n > 1) en los que el electrón salta a una órbita diferente. Para llegar a los estados excitados, el electrón necesita un impulso de energía, pero el impulso debe proporcionarle precisamente la cantidad de energía adecuada para llegar al otro nivel. ¡La luz puede proporcionar este impulso!
La luz viaja en pequeños paquetes llamados fotones, y cada fotón tiene una cantidad específica de energía. Si un fotón tiene exactamente la cantidad de energía que el electrón necesita para realizar el salto, ¡entonces el electrón absorberá el fotón y saltará al estado excitado! Hay muchas combinaciones diferentes de estados energéticos entre los que puede saltar un electrón, y cada salto requiere su propia cantidad de energía. Por lo tanto, si haces incidir la luz sobre un montón de hidrógeno, cada uno de estos saltos energéticos se producirá a veces, y algo de luz saldrá por el otro lado del hidrógeno. Pero a la luz sobrante le faltarán algunas bandas. Esto se llama espectro de absorción, ya que las bandas que faltan fueron absorbidas por el hidrógeno para alimentar su salto.
Con el tiempo, el electrón desprenderá la energía extra que absorbió anteriormente. Recuerda que a la naturaleza le gusta estar en el estado de menor energía posible. Y cuando el electrón salta de nuevo al estado fundamental, libera de nuevo la energía en forma de fotón. El color de esa luz depende de la energía del fotón (que corresponde a la diferencia de niveles energéticos entre los que saltó el electrón). Todos estos fotones emitidos forman el espectro de emisión, y son todas las bandas que faltaban en el espectro de absorción.
Ambos tipos de espectros son "huellas dactilares" del hidrógeno: es el único elemento con líneas espaciadas exactamente así. Del mismo modo, todos los átomos y moléculas tienen sus propias "huellas" espectrales, lo que permite a los científicos descifrar la composición exacta de un gas. Para ello, basta con iluminar el gas y ver qué colores absorbe (huella de absorción) o qué luz emite (huella de emisión).
Como podemos identificar los compuestos químicos por sus "huellas" espectrales, podemos diseñar el color de un fuego artificial añadiendo las sustancias químicas que emiten la luz que queremos ver. Si queremos fuegos artificiales rojos, elegiremos moléculas que tengan "huellas dactilares" rojas, como el estroncio. Si los queremos azules, necesitaremos "huellas" azules, como el cobre. Y así sucesivamente para cualquier color que deseemos.
Bang, Crujido, Silbido
La primera forma de fuegos artificiales, los trozos de bambú arrojados al fuego, no eran más que ruidos. A día de hoy, una parte importante de la experiencia de los fuegos artificiales es un "boom" tan fuerte que se puede sentir como sacude el cuerpo. Los fuegos artificiales son conocidos sobre todo por su color y su aspecto, pero no serían lo mismo sin sus sonidos.
Las mezclas de pólvora y metales cambian el color de los fuegos artificiales, pero también la velocidad, la energía y, en última instancia, el sonido de la explosión. Un fuego necesita tres ingredientes para arder: combustible, oxígeno y una chispa. En el caso de los fuegos artificiales, el combustible es la pólvora (aunque se descubrió hace más de 1000 años, desde entonces se ha ido retocando y mejorando). La adición de un oxidante (un compuesto químico que tiene varias moléculas de oxígeno unidas, como el nitrato o el clorato) proporciona oxígeno para mantener el fuego. Y, por supuesto, encender la mecha de un fuego artificial proporciona la chispa que desencadena la explosión.
Si todos estos ingredientes se encuentran en un espacio muy reducido, el fuego consumirá todo el combustible muy rápidamente. Como resultado, los gases de la reacción se calientan y se expanden rápidamente. Esto provoca un enorme "bang".
Por otro lado, podrían esparcirse pequeños trozos de combustible por toda la mezcla. Cada trozo de combustible arderá rápidamente, pero en una región mucho más pequeña. Estas explosiones más pequeñas producen los fuegos artificiales más suaves y crepitantes.
¿Cómo funcionan los silbidos?
Un silbido es el resultado de soplar aire a través de un tubo. Pero eso no significa que cualquier tubo sirva; para producir un sonido se necesita una onda estacionaria. El aire se desplaza en ondas oscilatorias (es decir, el aire tiene picos y valles a intervalos regulares y repetidos).
Cuando estos picos y valles se alinean entre sí, hemos encontrado una onda estacionaria. En un tubo de cierta longitud sólo caben longitudes de onda específicas de estas oscilaciones del aire, por lo que las ondas que caben son las ondas estacionarias de ese tubo.
Cada onda estacionaria tiene asociada una frecuencia, y el movimiento del aire producido por estas ondas es lo que nuestros oídos perciben como sonido. De hecho, la mayoría de los sonidos se describen por su frecuencia. Dependiendo de la forma del tubo y de cómo se desplace el aire a través de él, el tubo producirá frecuencias específicas. Así es como funcionan la mayoría de los instrumentos. Por ejemplo, al tapar diferentes agujeros de una flauta dulce, cambias la forma de la onda estacionaria en su interior, lo que da lugar a un tono diferente.
Los fuegos artificiales que emiten silbidos están especialmente formulados para quemar su combustible de modo que los gases liberados por la reacción de combustión creen ondas estacionarias en el interior de su tubo. Esta onda estacionaria produce el silbido. Si se modifica la forma del tubo o el ángulo del orificio de escape, los sonidos varían.
Para Auld Lang Syne
Los fuegos artificiales existen desde hace muchísimo tiempo. Han sido parte importante de celebraciones y ceremonias religiosas en todo el mundo y durante todo el año. Los alquimistas crearon accidentalmente la pólvora (y, por consiguiente, los fuegos artificiales) durante un intento fallido de fabricar el elixir de la vida. Pero este fracaso acabó siendo una gran innovación. La pólvora se convirtió rápidamente en un arma en forma de cohetes, bombas y, por supuesto, combustible para armas. Éste es un ejemplo de cómo la curiosidad y los experimentos científicos sencillos pueden tener consecuencias de largo alcance. La gente puede utilizar los nuevos conocimientos científicos para hacer cosas terribles, pero también cosas hermosas.
Un buen espectáculo de fuegos artificiales es divertido y emocionante, con multitud de colores y sonidos que atraen la atención de ojos y oídos. Junto con el olor del humo y la sensación de un "bang" especialmente grande que resuena en todo el cuerpo, los fuegos artificiales son realmente una experiencia sensorial completa. Pero también se enmarcan en un panorama mucho más amplio sobre la historia de los seres humanos, nuestras relaciones mutuas y nuestra fascinación por el mundo natural. Eso hace que los fuegos artificiales sean aún más especiales para mí.
Escrito por Madelyn Leembruggen
Editado por Ella King y Caroline Martin
Ilustraciones por Sachi Weerasooriya
Traducción por Salvador Rosauro-Alcaraz
Principales fuentes y lecturas adicionales:
The Evolution of Fireworks por Alexis Stempien del The Smithsonian Science Education Center
The Chemistry of Fireworks: Bangs, Crackles & Whistles de Compound Interest
The Chemistry of Firework Colours de Compound Interest
Por favor, no construyas tus propios fuegos artificiales... ¡pero sí puedes aprender más sobre todas las cosas que hacen especiales a los fuegos artificiales!
Investiga (30-45 minutos): Recrea el Espectro de absorción del hidrógeno cuando la luz de una estrella cercana atraviesa una nube de gas hidrógeno.
Visualiza (5-10 minutos): ¡Observa el sonido con este generador de ondas de sonido! Ajusta la frecuencia y la amplitud de una onda sinusoidal para observar cómo la forma de una onda afecta al sonido que oyen nuestros oídos.
Construye (1-1.5 horas): Los fuegos artificiales se lanzan al cielo gracias a la fuerza de propulsión de los cohetes. Crea un mini pop rocket para explorar los fundamentos de la cohetería en su propio patio trasero.
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