Ciencia y Cómics. Flash: Energía, calorías y velocidad

Barry Allen era un químico, miembro de la policía, con escasa reputación debido a su mala costumbre de llegar tarde a todos lados. Una noche, mientras se preparaba para dejar el trabajo en el laboratorio, ocurrió un accidente. Un rayo dio de lleno sobre unos productos químicos que se derramaron sobre él. Como consecuencia Allen consiguió obtener reflejos extraordinarios y una velocidad sobrehumana, que le permite superar fácilmente la velocidad del sonido, llegando incluso a la velocidad de la luz. A partir de ese momento y usando un traje rojo con el símbolo de un rayo en el pecho, se autodenominó «Flash», y empezó a combatir el crimen y la maldad. Surgen algunas cuestiones a la luz de la ciencia: ¿Qué es la energía?, ¿De dónde saca Flash la energía para moverse a altas velocidades?, ¿Cuál es la velocidad del sonido y la de la luz? ¿Por qué son tan diferentes?

En primer lugar se debe sentar que todos aquellos organismos que se consideran vivos, deben acceder a un recurso primordial para ejercer sus actividades. Este recurso es una fuente de energía. En el caso de las plantas, algas y algunas bacterias, la fuente de energía vital (el sol) se usa en forma directa, mediante un proceso que se denomina fotosíntesis. Para el caso de organismos (no fotosintéticos) que comen otros seres vivos, la fuente de energía se toma en forma indirecta y el metabolismo (transformación) de los alimentos es quien abastece de energía al organismo.

Pasemos a las velocidades. La velocidad que tiene el sonido en un fluido común como el aire es de 340 m/s, mientras que la velocidad de la luz en el vacío es de 300.000 km/s. La diferencia fundamental radica en que el sonido está constituido por ondas que necesitan de un medio para desplazarse. La luz, en cambio, es radiación electromagnética (compuesta por dos ondas perpendiculares una de carácter eléctrico y otra con propiedades magnéticas) que puede moverse sin intervención de medio alguno. Siendo la diferencia en velocidades tan monumental es lógico pensar que una y otra suponen energías completamente diferentes

Solicitamos la ayuda de la física para definir el término energía y establecer sus formas y transformaciones. Energía es probablemente una palabra que se usa en exceso y sin conocimiento de lo que realmente significa. Una definición sencilla dice que la energía es aquello que se necesita para producir un cambio, se necesita energía para hacer que ocurra algo que no sucede por sí mismo.
La energía puede existir en varias formas: potencial, cinética y de la masa o nuclear. La energía cinética es aquella que se relaciona con el movimiento de un objeto que posee una determinada masa. La energía nuclear se relaciona con la cantidad de energía que se puede obtener a partir de una cierta cantidad de masa contenida en el núcleo atómico. Este tipo de energía se observa en forma notable en los reactores nucleares, pero también en forma desafortunada en las bombas, cuya energía destrozó las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki al final de la Segunda Guerra Mundial. Por otro lado, y solo como información general, debo decir que existe una forma extraña, y todavía incomprendida, de energía que se supone interviene en todo el Universo, llamada energía oscura. Además es importante establecer que “la energía total del universo no se crea ni se destruye, únicamente se trasforma”. Así reza el llamado primer principio de la termodinámica, que quiere decir que una forma de energía, independiente de su clase, pasa de una forma a otra hasta finalmente terminar en calor.

Por lo concerniente a Flash el tipo de energía que nos interesa es la llamada energía química, la cual se constituye en un tipo de energía potencial. La energía potencial, como su nombre lo indica, es energía en potencia, o sea que esta lista para ser utilizada. Este es el punto a tomar en cuenta para determinar la cantidad de energía que debe usar Flash para moverse. La comida ingerida por el superhéroe, que contiene energía potencial química, es la que debe ser transformada en energía de movimiento (cinética). Las moléculas de los alimentos se rompen, y en ese proceso generan energía. Al parecer la pregunta está resuelta, sin embargo ahora aparecen nuevas dudas: ¿Cuánta comida deberá ingerir Flash para desplazarse a la velocidad del sonido? ¿Cuánta a una velocidad relacionada con la de la luz?

En la comida, las moléculas biológicamente activas se clasifican dentro de cuatro clases: glúcidos (mal denominados todavía como carbohidratos o hidratos de carbono), lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Los glúcidos son la fuente principal de energía metabólica para todas las actividades de los organismos no fotosintéticos, esto incluye actividades especializadas como la construcción de otras moléculas o la cantidad de energía necesaria para crecer, para hacer funcionar los músculos (como el corazón), producir calor corporal y desplazarse, en definitiva todo lo que se necesite para sobrevivir.
Para calcular cuánto debe comer Flash para desplazarse a supervelocidad lo primero que tenemos que definir es su contenido como energía cinética. Tal como ya lo apuntamos, este tipo de energía depende de la masa del objeto, en este caso Flash, además se debe agregar el parámetro de movimiento, esto es la velocidad a la cual se mueve nuestro héroe. Lo anterior nos lleva a la relación Ec = (1/2) m·v². En donde Ec se refiere a la energía cinética, m es la masa de Flash y v su velocidad de movimiento, elevada al cuadrado. Finalmente, para concretar el problema debemos relacionar la cantidad de energía química suministrada por los alimentos con la energía de movimiento. Para sortear las complicaciones, lo que haremos es calcular la energía cinética para moverse por ejemplo al 1 % de la velocidad de la luz (3.000 km/s) y llevarlo hacia la energía suministrada por un solo tipo de alimento bastante energético. Acordemos que el total de la energía adquirida por Flash solo se debe a la digestión (combustión) de las proteínas contenidas en la carne.

Normalmente las unidades de energía se refieren a sistemas físicos: automóviles, pelotas, maquinaria, animales, personas y por supuesto Flash; y a sistemas nutritivos que se relacionan con alimentos en general. En forma usual, en el primer caso se evalúa energía cinética, y en el segundo energía potencial química. Como ya se dijo, los dos tipos de energía se transforman una en otra. En las personas, la energía química de los alimentos se usa para obtener la energía necesaria para desarrollar las funciones vitales, al igual que la energía química del combustible se usa en los automóviles para su funcionamiento. La unidad de energía de los físicos se llama Julio (o joules, dependiendo del lugar) y es equivalente a 1 kg· m²/s² en unidades del Sistema Internacional. Para los bioquímicos y nutricionistas, en cambio, la unidad de energía es la Caloría. La letra C mayúscula no es un error de tipografía, quiere decir que se refiere a 1.000 calorías (pequeñas o c) que es la unidad intermediaria entre los sistemas físico y nutricionista, de tal manera que 1 caloría (pequeña) es igual a 4,18 Julios. Una caloría pequeña es la cantidad de energía (en Julios) que se necesita para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1 grado centígrado. Una Caloría (grande o alimentaria) será la cantidad de energía necesaria para elevar en 1 grado centígrado 1 kilogramo de agua. La conversión parece complicada pero no lo es, la clave del asunto es:

1 Caloría (alimentaria) = 1.000 calorías (pequeñas)· 1 caloría (pequeña) = 4,18 Julios.

Es importante saber que cuando consumimos diferentes alimentos, estamos ingresando diferentes cantidades de energía; ésta es la razón por la cual un trozo de chocolate puede tener muchas más calorías que un trozo de tomate de similar tamaño. Sin embargo, ya que las calorías son una medida de energía, no pueden existir diferentes tipos de calorías, como erróneamente lo afirman algunos artículos e incluso libros sobre recetas para bajar de peso. Una caloría de grasa proporciona exactamente la misma cantidad de energía que una caloría de proteína o de glúcidos.
Regresando a la pregunta, y suponiendo que la masa de Flash sea de 70 kg, para un viaje al 1% de la velocidad de la luz (en metros), su energía cinética será:

!Asombroso! Este resultado quiere decir el número 315 seguido de 12 ceros (315.000.000.000.000); la cantidad de energía que se requiere para obtener supervelocidad es realmente monstruosa. Ahora transformemos esta cantidad de energía en energía potencial química, usando la caloría (pequeña) como intermediaria: El resultado representará el número de Calorías grandes o alimentarias.

Lo que corresponde a 75 mil millones de Calorías. ¡Realmente impresionante! 

Ahora vamos al cálculo final. Si se sabe que 100 g de carne de vacuno proveen aproximadamente 150 Calorías alimentarias, suponiendo una ración generosa de unos 300 g y más unas 50 Calorías adicionales debidas al proceso de cocción, podremos suponer que Flash estará ingresando a su organismo 500 Calorías alimentarias por ración. Con esto en mente podemos calcular (ya era hora) el número de porciones de carne que Flash deberá consumir para moverse al 1% de la velocidad de la luz.

En números claros resulta que Flash deberá comer 150 millones de raciones cárnicas para poder alcanzar el 1% de la velocidad de la luz. Como dato importante se debe aclarar que estamos suponiendo que el 100% de la energía suministrada por la carne se transforma en energía cinética. En sistemas alejados de los cómics (como el cuerpo humano) esta conversión apenas ocurre en un 15 %, lo cual quiere decir que como máximo este porcentaje de energía química puede transformarse en energía de movimiento. Por consiguiente, el número de raciones a consumir por el superhéroe será notablemente mayor. En la vida real este último comentario es muy importante, ya que sin duda, se debe a otro principio fundamental del Universo denominado segundo principio de la termodinámica, que nos indica las limitaciones en la conversión de la energía. Esto lleva a que los sistemas en forma inevitable siempre terminen con alguna pérdida de energía que se manifiesta como calor.
Ahora, si se trata “sólo” de moverse a la velocidad del sonido, cosa fácilmente lograda por el superhéroe escarlata, la cantidad de raciones que deberá consumir asumiendo el 15% de conversión será “apenas” de 13. Este resultado nos demuestra que moverse a la velocidad del sonido o a la velocidad de la luz son cosas notablemente diferentes, y el superhéroe seguramente preferiría la primera para preservar la existencia de las vacas del planeta.
Sin embargo, si de obtener energía de una forma rápida se trata, una muy buena opción es consumir azúcar. Azúcar, es el nombre genérico que se da a un tipo de glúcidos (sustancias formadas por átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno), que en general presentan sabor dulce. Como lo muestra la figura, el azúcar de mesa es una combinación de dos azucares simples (monosacáridos): glucosa y fructosa. La glucosa es el azúcar que las células del organismo metabolizan para obtener energía y que circula en nuestro torrente sanguíneo (por lo cual también se conoce como azúcar de la sangre). Metabólicamente hablando la fructosa y la glucosa se descomponen de la misma manera y son utilizadas para cubrir las necesidades energéticas inmediatas en un organismo. Cuando se consume una dosis grande de sacarosa es muy probable que el exceso que no se consume rápidamente se almacene como glucógeno, una reserva de energía, o se convierta en lípidos (grasa) y se acumule en el tejido adiposo.

Sacarosa formada a partir de unidades de glucosa y fructosa (Adaptado de Brown, LeMay, Bursten y Murphy).

El glucógeno es un polímero ramificado de unidades de glucosa conectadas entre sí. Una cantidad limitada de glucógeno puede guardarse en el hígado y en el tejido muscular. En caso de necesitarse, a partir de allí puede obtenerse una cantidad de energía de fácil y rápida disposición. Para personas que realizan ejercicio regularmente, grandes cantidades de azúcar sanguíneo se consumen rápidamente, por ejemplo, una persona de 75 kg que juega una hora de baloncesto puede consumir hasta 450 Calorías que se suministran principalmente a través del azúcar contenido en la circulación.

Desde este punto de vista Flash debería disponer de cantidades prácticamente ilimitadas de energía que deberían, a su vez, obtenerse de reservas de glucógeno a partir de sacarosa. En definitiva la sangre de Flash debería contener grandes cantidades de glucosa, lo cual nos lleva al problema de un superhéroe con alta probabilidad de adquirir diabetes. ¡Malas noticias para él!

Alexis Hidrobo

 *Notas: Flash es un personaje de DC Comics.

Esta entrada participa en la XXI Edición del Carnaval de la Química que en esta ocasión se aloja en el blog:  Pero eso es otra historia y debe ser contada en otra ocasión, de nuestra compañera Ununcuadio; y también en la III Edición del carnaval de Humanidades que por este periodo reposa en El cuaderno de Calpurnia Tate. 

Para Saber más:

• Brown, T. L. LeMay, H. E. Bursten, B. E. y Murphy, C. J. (2009). Química: La Ciencia Central. México, D.F: Pearson Educación.

• Hill, J. W. y Kolb, D. (2000). Química para el nuevo milenio. México, D. F: Pearson Editores.

• Kakalios, J. (2005). La Física de los superhéroes. Barcelona. Ediciones Robinbook

• Córdova Frunz, J. L. (2007). La química y la cocina. México, D.F: Fondo de Cultura Económica.

• Golombek, D. y Schwarzbaum, P. (2005). El cocinero científico. Buenos Aires: Universidad Nacional de Quilmes Ediciones y Siglo Veintiuno Editores.

• Graham, I. Taylor, B. Farndor, J. y Oxlade, C. (2005). El libro de la ciencia. Barcelona. Parragon Editores.

• Suplee, Curt. (1996). Everyday science explained. Washington, DC: National Geographic Society.

• Wolke, R. (2005). Lo que Einstein le conto a su cocinero 2. Barcelona. Ediciones Robinbook.

Alexis Hidrobo

Invierto mi tiempo en la enseñanza de Química en la Universidad San Francisco de Quito. Además me apasiona la divulgación científica y la ciencia ficción.