Els científics han mesurat la unitat de temps més curta, un zeptosegon.

Els científics han mesurat la unitat de temps més curta, un zeptosegon.

Un zeptosegon és una unitat de temps increïblement petita, equivalent a una bilionèsima d'una milmilionèsima de segon, escrit com a 0,000000000000000000001 segons o 10⁻²¹ segons. Per posar-ho en perspectiva, la relació entre un zeptosegon i un segon és la mateixa que la que hi ha entre un segon i uns 31,7 mil milions d'anys. Els científics utilitzen aquesta escala per mesurar processos que tenen lloc dins dels àtoms, com ara el moviment dels electrons quan la llum interactua amb la matèria. És el període de temps més curt que s'ha mesurat directament mai en experiments.

Aquesta escala és tan extremadament minúscula que, per exemple, el temps que triga la llum a creuar una única molècula d'hidrogen és d'aproximadament 247 zeptosegons. Per donar-te una idea de com de petit és, la llum violada, a l'extrem del espectre visible, té un període de 1,3 × 10⁻¹⁵ segons, que és aproximadament un milió de vegades més llarg que un zeptosegon. 

Aprofitem la ocasió per ampliar-vos la informació i adjuntem l'escala temporal del segon:

Dossier: Criptografia. i 12 Els mons d’Impagliazzo

Criptologia: els mons d’Impagliazzo

Fer que els codis secrets siguin irrompibles és el somni de tota la vida dels professionals de la seguretat. Des de l'antiguitat, els humans van inventar sistemes manuals i després mecànics abans de la revolució electrònica. Descobreix la criptologia i els seus usos, des del xifratge tradicional fins al xifratge RSA i la informàtica.

Sense problema difícil, no pot existir cap criptologia més enllà de la del xifrat d’un sol ús. A més, el titular de la clau ha de poder desxifrar fàcilment el missatge; per tant, els problemes de la criptologia han de ser fàcilment verificables.

Han de pertànyer a la classe NP. Un problema que pertanyi a la classe NP sense pertànyer a la classe P no seria necessàriament adequat. Es podria admetre l’existència d’un problema així, que seria difícil de resoldre en el pitjor dels casos, però fàcil en general. Aquest tipus de problema no permetria desenvolupar una criptologia aplicable. El criptograma ha de ser indesxifrable sigui quin sigui el missatge, i no només en el pitjor dels casos

Clic a la imatge per engrandir. El investigador nord-americà Russell Impagliazzo va imaginar mons (llistats en el text i apilats a la piràmide de la figura següent) segons els resultats futurs que la teoria de la complexitat ens aportarà. Crèdit: Bohmmartin, wikimedia commons, CC 4.0

Criptomanía

Criptomania és el món en què vivim virtualment. Hi existeixen funcions unidireccionals amb trampa. Es pot plantejar un problema difícil i donar una indicació només a alguns perquè el puguin resoldre. El problema continuarà sent difícil per als altres. És el que passa amb la funció RSA: el desxiframent és impossible, excepte per a aquells que coneixen la factorització del mòdul.

Minicrypt

Aquest món imaginari podria esdevenir real si es pogués demostrar que cap funció unidireccional no pot tenir trampa. Això posaria en qüestió el xifrat amb clau pública, però encara es podrien signar documents. La implementació d’una funció de signatura només requereix l’existència d’una funció unidireccional. En aquest món, un professor pot plantejar un problema difícil a la seva classe, però no pot donar una indicació només a alguns perquè el resolguin.

Pessiland

Segons Impagliazzo, aquest món imaginari seria el pitjor de tots. Hi existeixen problemes fàcils de verificar però difícils de resoldre, i no hi ha funcions unidireccionals. Totes les funcions fàcilment calculables també són fàcilment invertibles. Alguns problemes continuen sent difícils, però aquesta dificultat no es tradueix en cap avantatge per desenvolupar criptografia. En aquest món i en els següents, no és concebible cap criptologia més enllà del xifrat d’un sol ús.

Heurística

En aquest món, els problemes fàcils de verificar són de mitjana tan fàcils de resoldre, però poden continuar existint instàncies difícils. Això comença a ser satisfactori per a les aplicacions. Per exemple, en la majoria dels casos, el venedor de pomes podrà triar fàcilment els fruits de la seva parada per satisfer un client que li’n demana per a un cert pes.

Algorítmica

Aquest món és finalment aquell en què P = NP. Tot problema fàcil de verificar és fàcil de resoldre, inclòs en el pitjor dels casos

Els cinc mons d’Impagliazzo. Són mons imaginaris concebibles amb l’estat actual dels nostres coneixements. El desenvolupament de la teoria podria o bé fer-los reals o bé fer-los desaparèixer. Tota la criptografia, i en particular el xifrat amb clau pública, pertany a Criptomanía, que és el nostre món empíric actual. El xifrat simètric i la signatura amb clau pública pertanyen al món Minicrypt. L’única criptografia utilitzable en els altres mons és la criptografia incondicionalment segura, com el xifrat de Vernam amb cinta aleatòria. És sorprenent constatar que la signatura amb clau pública pertany al món Minicrypt, mentre que el xifrat amb clau pública pertany, en canvi, al món Crptomanía. Crèdit: P. Guillot. Infografia en català: Sci-Bit

Aquests mons constitueixen una jerarquia de mons possibles o impossibles segons que la teoria de la complexitat demostri l’existència de problemes difícils o la desmenteixi descobrint algorismes eficients per resoldre’ls.

Ho he vist aquí. 

Dossier: Criptografia. 11 Teoria de la complexitat en criptologia

Fer que els codis secrets siguin irrompibles és el somni de tota la vida dels professionals de la seguretat. Des de l'antiguitat, els humans van inventar sistemes manuals i després mecànics abans de la revolució electrònica. Descobreix la criptologia i els seus usos, des del xifratge tradicional fins al xifratge RSA i la informàtica.

La criptografia contemporània es basa en funcions unidireccionals. Aquestes funcions es calculen fàcilment, però és pràcticament impossible, donat un valor, trobar el paràmetre que ha portat a aquest valor. Per exemple, si es trien dos nombres primers grans, és fàcil multiplicar-los. Actualment, però, el producte per si sol no ens permet trobar els factors si aquests es trien perquè siguin prou grans. La multiplicació d'enters és una funció unidireccional. És un cas especial de problemes que no sabem com resoldre però, un cop coneguda la solució, és fàcil de verificar.

Si et repten, per exemple, a factoritzar el nombre 2.027.651.281, probablement tindries moltes dificultats per trobar els factors sense una eina de càlcul potent. D'altra banda, si et digués que aquests factors són 46.061 i 44.021, només necessitaries un minut per verificar que aquesta solució és correcta.

Clic a la imatge per engrandir. Recreació artística de la màquina de Turing (sense la taula de transició). Crèdit: Schadel, DP

La preocupació és que l'existència d'aquests problemes no és certa. Els investigadors encara no han pogut demostrar que la factorització de nombres enters sigui realment un problema difícil. L'única observació que podem fer és que, en l'estat actual dels nostres coneixements, aquest problema està lluny de ser fàcil de resoldre. S'han fet nombrosos i impressionants avenços des que els matemàtics s'hi van interessar per primera vegada. La resolució en només unes dècades, d'una complexitat de la factorització ha passat d'exponencial a subexponencial depenent del nombre de dígits del nombre a factoritzar. El progrés s'aturarà aquí o encara cal esperar més avenços?

La màquina de Turing

Encara es desconeix si és simplement el nostre desconeixement d'algoritmes més eficients el que dificulta la factorització, o si aquesta dificultat rau en la naturalesa mateixa del problema. Les nocions de computabilitat i complexitat computacional van ser modelades per Alan Turing en una màquina abstracta. La màquina de Turing inclou:

- Una unitat central de càlcul que pot estar en un nombre finit d'estats;
- Una cinta il·limitada on inicialment es contenen les dades que s'han de processar i on s'escriuen els resultats; aquestes dades s'expressen mitjançant un alfabet de mida finita;
- Un capçal de lectura-escriptura que pot substituir un caràcter per un altre a la cinta o moure la cinta una posició cap a l'esquerra o cap a la dreta.

Clic a la imatge per engrandir. Diagrama esquemàtic d'una màquina de Turing, que consisteix en una cinta il·limitada que es pot moure a la dreta o a l'esquerra, un capçal de lectura/escriptura i una unitat central de processament que controla les accions. Crèdit: P. Guillot. Infografia en català: Sci-Bit.

El programa d'una màquina d'aquest tipus és una llista d'instruccions, cadascuna de les quals consta de quatre informacions: un estat q, un símbol s, un nou estat r i una acció a del capçal de lectura. Si la màquina es troba en l'estat q i llegeix el símbol s de la cinta, passa a l'estat r i realitza l'acció a, que consisteix a escriure un símbol a la cinta en lloc de s desplaçant la cinta en una direcció o altra.

Es diu que una màquina de Turing és "determinista" si el seu programa consisteix en només una instrucció per a un estat i símbol determinats. Un problema pertany a la classe P (de "polinomi") si existeix una màquina de Turing determinista que el resol executant un nombre d'instruccions delimitades per un polinomi de la mida de les dades. Un problema que no pertany a aquesta classe es considerarà difícil, almenys per a algunes dades.

Si, en canvi, hi ha diverses instruccions possibles corresponents a un estat i símbol determinats, es diu que la màquina és "no determinista". Una màquina no determinista resol el problema si existeix una seqüència d'instruccions que condueix al resultat, en altres paraules, si existeix un oracle que indica a la màquina quina instrucció ha d'executar d'entre diverses opcions possibles. Una màquina no determinista es pot simular amb un nombre il·limitat de màquines deterministes, cadascuna de les quals tria una de les instruccions per executar-la en un estat determinat. Un problema pertany a la classe NP si existeix una màquina de Turing no determinista que el resol en un nombre d'instruccions delimitades per un polinomi de la mida de les dades. Aquests són precisament els problemes que es verifiquen fàcilment, la solució actua com un oracle que indica l'elecció d'instruccions que condueixen al resultat.

Si un problema pertany a la classe P, aleshores també pertany a la classe NP. Un dels principals problemes oberts en la teoria de la complexitat és si la classe NP és estrictament més gran que la classe P o no, una qüestió que es pot resumir de la següent manera: existeix algun problema fàcilment verificable que sigui difícil de resoldre?

Si existeix un problema d'aquest tipus, que encara no s'ha demostrat, la factorització dels enters és un candidat probable.

Ho he vist aquí.

La Lluna i una forca

Avui us portem una magnífica imatge que junta l'astronomia amb una bona tècnica fotogràfica. L'autor de la imatge és en Manel Iglesias que ha comptat amb l'ajuda d'en Jordi B.. La Superlluna ho és per que estava plena a més de coincidir amb el seu perigeu.

Us deixem tal com ho defineix en Manel:

Des de Sant Julià de Cerdanyola (Berguedà) hem capturat aquest moment màgic, la Lluna encaixada a la enforcadura del Pedraforca i els seus pollegons.

Certament ha estat un regal de la natura. Aquesta imatge ha estat per a nosaltres la nostra imatge del dia, gaudiu-la.

Dossier: Criptografia. 10 Criptologia i informàtica (la Colossus)

Fer que els codis secrets siguin irrompibles és el somni de tota la vida dels professionals de la seguretat. Des de l'antiguitat, els humans van inventar sistemes manuals i després mecànics abans de la revolució electrònica. Descobreix la criptologia i els seus usos, des del xifratge tradicional fins al xifratge RSA i la informàtica.

La criptologia i la informàtica han conegut un desenvolupament des de la Segona Guerra Mundial. Creada per Claude Shannon, la teoria de la informació, que va conduir a la digitalització de branques tecnològiques senceres, va néixer de la qüestió del que podia aprendre un adversari observant la comunicació xifrada.

El matemàtic britànic Alan Turing, conegut per haver modelat la noció de computabilitat amb la màquina que porta el seu nom, va tenir un paper crucial dins de l'equip de Bletchley Park, responsable de desxifrar els missatges de l'exèrcit alemany.

Clic a la imatge per engrandir. L'interior d'una de les màquines electromecàniques Enigma, que va ser utilitzada per l'exèrcit alemany per xifrar missatges durant la Segona Guerra Mundial. Alan Turing va tenir un paper important en el desxiframent d'aquest codi. Crèdit: TedColes, Wikimedia Commons, DP.

Trobar les claus s'estava convertint en una tasca massa complexa per fer-la a mà, i s'havien de construir màquines cada cop més potents per provar les innombrables combinacions possibles. Les tècniques utilitzades per realitzar aquests càlculs van ser crucials per al desenvolupament dels primers ordinadors.

Clic a la imatge per engrandir. Retrat d'Alan Turing a la dècada del 1940. Crèdit: Criticalgamer

L'enginyer telefònic Tommy H. Flowers va tenir la idea d'utilitzar vàlvules de buit, utilitzades recentment per la commutació telefònica, per tal de construir una calculadora enorme, el Colossus, destinada a desxifrar el xifratge del teleimpressor alemany.

Clic a la imatge per engrandir. Retrat de Tommy H. Flowers a la dècada del 1940. Crèdit: KPBS, BBC

La calculadora Colossus

El progrés aconseguit pels mitjans informàtics segueix una llei empírica, anomenada llei de Moore, que rep el nom del director de recerca del fabricant americà de circuits integrats Fairchild, qui ho va afirmar per primera vegada el 1965. Això afirma que la potència dels ordinadors electrònics es duplica cada 18 mesos, cosa que s'ha verificat fins avui. Mentre que l'ordinador ENIAC va trigar més de 70 hores a calcular 2.000 decimals del nombre π el 1949, l'ordinador més petit integrat en un telèfon mòbil actual realitza aquest càlcul en una fracció de segon. El 1977, la revista  Scientific American va presentar el RSA sota el nom de "un nou sistema que trigaria milions d'anys a trencar-se". Tanmateix, la clau pública que contenia va ser factoritzada el 1994, molt abans dels terminis anunciats!

Clic a la imatge per engrandir. El Colossus, la primera calculadora electrònica. Crèdit: Historyblog

Aquest progrés increïble i constant permet aplicar la força bruta per cercar la clau d'un procés en conjunts cada cop més grans. Tanmateix, és el xifrador i no el desxifrador qui es beneficia dels avenços en la potència de càlcul. Suposem que, en un moment donat, s'utilitzen nombres de 200 dígits com a mòdul RSA . Si la potència de càlcul es duplica, la mida del mòdul es pot augmentar a 250 dígits sense que l'usuari noti el més mínim canvi en la velocitat del càlcul. El treball de l'oponent per factoritzar aquest nou mòdul, però, segueix una llei donada per la fórmula c(n) = exp(k(ln(n))^1/3 (ln(ln(n)))^2/3) per a un nombre de n dígits. Per tant, aquest treball s'haurà de multiplicar per un factor de 36. Amb la seva potència de càlcul, que només s'haurà duplicat, haurà perdut un factor de 18 en el procés. Com més potents siguin les màquines, més gran serà l'asimetria entre el xifratge i l'atac dóna un avantatge al xifratge.

Ho he vist aquí.

Dossier: Criptografia. 9 El joc de l'adversari

Fer que els codis secrets siguin irrompibles és el somni de tota la vida dels professionals de la seguretat. Des de l'antiguitat, els humans van inventar sistemes manuals i després mecànics abans de la revolució electrònica. Descobreix la criptologia i els seus usos, des del xifratge tradicional fins al xifratge RSA i la informàtica.

El joc criptogràfic implica un oponent amb qui cal tenir en compte. El seu objectiu és el desxifratge de missatges, és a dir, un desxifratge sense la clau. Aquesta delicada tasca és essencial per garantir la robustesa d'un procés. Com ja va assenyalar Charles Babbage en un intercanvi al Journal of the Society of Arts, només es pot proposar un xifratge segur si s'han desxifrat xifratges molt difícils.

Clic a la imatge per engrandir. Part de la màquina diferencial de Charles Babbage. Crèdit: Andrew Dunn, Wikimedia Commons, CC 2.0

Actualment s'accepta que les substitucions simples incompleixen ràpidament l'anàlisi de freqüències. La tècnica utilitzada va ser exposada per primera vegada pel filòsof i matemàtic àrab Al-Kindi en el seu tractat sobre l'extracció de l'obscur ja al segle IX. El treball de desxifrat consta de dues fases:

• una, quantitativa, consisteix a comptar les aparicions de cada caràcter del text del qual volem trobar el significat;
• la segona, qualitativa, consisteix a utilitzar el coneixement del llenguatge i la intuïció.

Clic a la imatge per engrandir. Retrat del matemàtic àrab Abu Yusuf Yaqub ibn Ishaq al-Kindi (801–873). Crèdit: Dubsahara

L'escarabat d'or, un conte d'Edgar Allan Poe publicat el 1843, descriu detalladament la pacient tasca del desxifrador de codis. El mètode segueix gairebé paraula per paraula un article de David A. Conradus; Cryptographia Denudata, publicat a la revista Gentleman's Magazine el 1842.

Charles Babbage, Friedrich Kasiski i els seus mètodes de desxifrat

Les substitucions polialfabètiques han resistit l'anàlisi durant més temps. No va ser fins al segle XIX amb l'obra de Charles Babbage i després Friedrich Kasiski que va sorgir un mètode analític de desxifrat. El pas crucial és la determinació de la longitud de la clau. Es determina identificant repeticions en el criptograma. Aquest mètode va ser refinat per William Friedman a principis del segle XX, que va utilitzar l'índex de coincidència, definit com la probabilitat que un símbol xoqui en el criptograma. Aquesta quantitat, que és significativa de la informació que porten les lletres d'un text, es coneix avui dia com a "entropia de Rényi". Permet distingir els caràcters d'un llenguatge natural d'una seqüència purament aleatòria.

Sempre se suposa que l'adversari coneix els detalls del procés de xifratge. Aquest principi va ser enunciat pel lingüista Auguste Kerckhoffs el 1882, que defensava mètodes que no s'haurien de basar en el secret del procés, sinó només en el d'una clau fàcilment modificable. La seva tesi es basa en el principi que Jean-Robert du Carlet va posar com a lema al capdavant del seu treball sobre la criptografia:  Ars ipsi secreta magistro, «un art amagat al mateix mestre», la qual cosa significa que un xifratge només és bo si roman indesxifrable pel seu propi inventor.

Clic a la imatge per engrandir. Portada d'Ars ipsi secreta magistro de Jean-Robert du Carlet, publicat el 1644 a Tolosa. Crèdit: Tolosana.

A més del coneixement del procés, el joc criptogràfic ara proporciona a l'adversari un dispositiu que realitza l'operació de desxifrat. Pot observar-lo, realitzar mesures físiques i provocar errors operatius per tal d'extreure els secrets. De fet, no seria desitjable que un lector de targetes bancàries pogués extreure els secrets simplement observant el seu consum d'energia o el temps dedicat als càlculs.

Clic a la imatge per engrandir. Un banc de mesura per analitzar el consum d'energia d'una targeta intel·ligent durant càlculs criptogràfics: el consum d'energia del dispositiu es mesura i emmagatzema per a l'anàlisi estadística. Un banc similar pot mesurar amb precisió el temps d'execució. Crèdit: P. Guillot.

Per exemple, observar el consum d'una targeta intel·ligent pot revelar l'exponent privat utilitzat per al desxifratge RSA. Afortunadament, els fabricants de targetes han trobat maneres de resistir aquests atacs.

Clic a la imatge per engrandir. Anàlisi de consum en un dispositiu que realitza un càlcul RSA. La corba de consum ens permet discernir clarament les multiplicacions m a partir del quadrat de c. Això revela directament els dígits binaris de l'exponent privat. Crèdit: P. Guillot.

Ho he vist aquí.

Rentaplats: la ciència explica per què el plàstic s'asseca tan malament

El misteri dels estris de plàstic humits al rentaplats persisteix malgrat els cicles complets. Aquesta frustració diària sovint t'obliga a netejar-ho tot manualment. Per què els teus recipients de plàstic sempre romanen humits mentre que els teus plats de ceràmica i els coberts de metall estan perfectament secs?

Clic a la imatge per engrandir. Assecar els envasos de plàstic és un problema per al rentaplats. Crèdit: SaevichMikalai, iStock

Obre el rentaplats per descobrir que els estris de plàstic que hi ha a dins, encara estan humits és una experiència familiar per a molts de nosaltres. Aquest fenomen quotidià s'explica mitjançant principis científics fonamentals relacionats amb els materials i les seves interaccions amb l'aigua. La diferència de comportament entre el plàstic i altres materials com ara la ceràmica o el metall no es deu a l'atzar, sinó a propietats físiques específiques que influeixen directament en el procés d'assecat.

Capacitat tèrmica i comportament dels materials

El motiu principal pel qual els estris de plàstic surten humits del rentaplats és la seva capacitat tèrmica, també coneguda com a massa tèrmica. Materials com la ceràmica, el vidre i el metall tenen una alta capacitat tèrmica, la qual cosa significa que poden emmagatzemar més calor.

T'has adonat que els teus plats de porcellana encara estan calents quan obres el rentaplats? Aquesta calor residual juga un paper crucial en el procés d'assecat. Per tant, l'evaporació de l'aigua requereix energia, i aquesta calor emmagatzemada en materials ceràmics o metàl·lics proporciona precisament l'energia necessària.

Contràriament, els plàstics tenen una baixa capacitat calorífica i es refreden ràpidament després que el cicle s'hagi completat. Sense aquesta reserva de calor, l'aigua de la seva superfície no es pot evaporar de manera eficient. Aquest fenomen explica per què els recipients de plàstic romanen humits mentre que els plats estan perfectament secs.

Clic a la imatge per engrandir. Per què els envasos de plàstic sempre surten del rentaplats mullats? Per als fabricants, el problema d'assecar les superfícies hidrofòbiques és un autèntic maldecap. Crèdit: JulPo, iStock

Propietats superficials i tensió superficial

El segon factor que explica aquesta diferència en l'assecatge és el comportament de l'aigua en diferents superfícies. Els materials es poden classificar segons la seva afinitat per l'aigua:

• Superfícies hidròfiles (ceràmica, metall): l'aigua s'escampa fàcilment en una capa fina.
• Superfícies hidròfobes (plàstic): l'aigua forma gotes.
• Superfícies tractades amb agents especials: modifiquen el comportament natural.
  
  

En superfícies hidròfiles com la ceràmica, l'aigua es distribueix en una pel·lícula fina, proporcionant una superfície més gran de contacte amb l'aire, aquesta configuració facilita enormement l'evaporació. En canvi, en superfícies hidrofòbiques com el plàstic, l'aigua s'acumula en gotes que s'evaporen més lentament.

Aquest fenomen s'amplifica per l'acció del detergent. Durant el cicle de rentat, els tensioactius presents en el producte redueixen la tensió superficial de l'aigua, permetent que s'estengui millor per totes les superfícies. D'altra banda, durant l'esbandida final, aquests agents s'eliminen i l'aigua torna al seu comportament natural: s'estén sobre la ceràmica però forma gotes sobre el plàstic.

Solucions pràctiques per a estris perfectament secs

Davant d'aquest problema comú, hi ha diverses solucions efectives disponibles per millorar l'assecat dels vostres estris de plàstic:

• L'ús d'un abrillantador és la solució més eficaç. Aquests productes contenen tensioactius específics que redueixen la tensió superficial de l'aigua fins i tot després de l'esbandida final. Així, eviten la formació de gotes a les superfícies de plàstic i afavoreixen l'escolament de l'aigua, reduint significativament les ratlles i els residus humits.
  
  
• Un mètode senzill és obrir-lo a la meitat la porta del rentaplats tan bon punt s'hagi completat el cicle. (Probablement aquest mètode ja l'heu descobert per vosaltres mateixos, felicitats!) Aquesta tècnica permet que el vapor d'aigua s'escapi en lloc de condensar-se a les superfícies refredades. En evitar aquest fenomen de condensació, similar a la formació de rosada al matí, redueixes significativament la humitat residual dels teus estris.
  
  
• Per optimitzar l'assecatge, col·loqueu estratègicament els estris de plàstic al prestatge superior, inclinats per facilitar el drenatge de l'aigua. Aquesta senzilla disposició millora significativament l'eficiència de l'assecatge evitant zones de retenció d'aigua.

Avenços tecnològics en l'assecat

La recerca constant per millorar els rentaplats ha portat els fabricants a desenvolupar tecnologies específiques per abordar aquest problema persistent. Els models recents sovint incorporen sistemes d'assecat optimitzats que s'adrecen específicament als estris de plàstic.

Alguns electrodomèstics d'alta gamma ofereixen actualment cicles d'assecat prolongats a temperatures moderades, dissenyats específicament per a plàstics. Aquest mètode permet que l'aigua s'evapori gradualment sense distorsionar els materials sensibles a la calor. Altres models utilitzen sistemes de ventilació actius que fan circular l'aire calent per accelerar l'evaporació en totes les superfícies.

Comprendre la física que hi ha darrere d'aquest fenomen quotidià et permet adaptar els teus hàbits i optimitzar l'ús del rentaplats. Amb aquest coneixement i uns quants ajustos senzills, finalment pots dir adéu als estris de plàstic humits i a les sessions d'assecat manual després de cada cicle.

Ho he vist aquí.

Dossier: Criptografia. 8 Criptologia a la vida quotidiana

Fer que els codis secrets siguin irrompibles és un somni de tota la vida dels professionals de la seguretat. Des de l'antiguitat, els humans van inventar sistemes manuals i després mecànics abans de la revolució electrònica. Descobreix la criptologia i els seus usos, des del xifratge tradicional fins al xifratge RSA i la informàtica.

Per il·lustrar quanta targeta intel·ligent està present a la nostra vida quotidiana, aquí teniu una petita història sobre criptologia una història ordinària que explica les aventures d'Alícia, una paisatgista de meravelles a mode de relat.

L'Alícia estima la seva feina com a paisatgista a Thagem, on dissenya l'entorn de treball per als 1.500 empleats de la planta de Palombes-sur-Seine. La major part de la seva feina la fa a l'aire lliure. És primavera, els bedolls estan perdent el seu esplendor pol·len, i tot aniria bé si no fos per aquesta maleïda febre del fenc que ha estat arrossegant des de la seva adolescència.

Clic a la imatge per engrandir. Les targetes intel·ligents emmagatzemen dades. Crèdit: Ailes, Pixabay, DP.

Aquesta tarda, quan surti de la feina, haurà d'anar al metge perquè li recepti un medicament per a l'al·lèrgia. Mentre baixa les escales des del seu apartament parisenc, encén el mòbil.

Clic a la imatge per engrandir. Les targetes amb xip formen part de la nostra vida quotidiana. S'utilitzen en targetes bancàries, entre altres coses. Crèdit: Thomas Kohler, Flickr, CC by 2.0.

Targeta bancària, targeta Salut i targeta Sim

- Hola, doctor? Puc venir a veure'l aquesta tarda cap a les 2/4 de 5 (17:30)

La cita es concerta ràpidament. El dia comença bé. Passa pel davant del carter que ha vingut a repartir el correu al vestíbul de l'edifici sense adonar-se'n i corre cap al metro, passant mecànicament la bossa pel torniquet, i ja pensant en les aventures de l'inspector Evenberg, l'heroi de la novel·la que va començar abans-d'ahir, cosa que farà que el seu trajecte passi més ràpid.

Després de lliurar la seva bossa a les portes d'accés de Thagem, la seva ment ja està centrada en les tasques del dia. Engega la furgoneta de servei per recollir els nous rosers destinats a decorar les vores del llac artificial, l'orgull i l'alegria de la directora, que va guanyar el premi al millor entorn empresarial de la regió.

Al migdia, comprova el saldo de la seva targeta "Moneix", que li permet pagar el seu àpat sense haver de preocupar-se de rebre el canvi exacte a la caixa: 1,23 euros. L'ha de recarregar.

Clic a la imatge per engrandir. Com funciona una targeta bancària amb xip: autenticació dinàmica. La targeta amb xip signa les dades bancàries basant-se en un valor aleatori proporcionat pel terminal. Això autentica el xip i evita la clonació de la targeta. Crèdit: P. Guillot

El dia passa ràpid. Ella repassa el pòrtic cap a la sortida. És hora d'anar al metge. Fa bon temps. Decideix agafar una bicicleta d'autoservei amb el seu abonament "Circulo" (sic).

Clic a la imatge per engrandir. La targeta Sim i el centre de difusió comparteixen una clau K_i pròpia per a cada abonat. Quan se sol·licita una connexió de xarxa, el centre d'autenticació transmet dades RAND, SQN i MAQ-A que la targeta Sim pot controlar amb K_i. Alhora, torna una resposta XRES que garanteix l'autenticitat de l'abonat. Aquestes dades també permeten calcular una clau de xifratge CK i una clau d'integritat IK que es faran servir per protegir les dades emeses i rebudes per ràdio. Aquestes claus són transmeses al telèfon per la targeta Sim perquè aquest pugui xifrar el senyal i combinar-lo amb una figura f_i de control d'integritat a l'emissió, així com desxifrar el senyal i comprovar-ne la integritat a la recepció. Crèdit: P. Guillot

- Em pots donar la teva targeta "Vitalix"?

Alice es deixa auscultar, i espera amb ànsies alleujar el nas tapat, la picor i la irritació insuportable dels ulls.

- Només tens una greu al·lèrgia al pol·len, no he notat res més, prendràs Rhumactin en cas de producció nasal abundant.

L'Alícia va somriure interiorment en pensar en el vocabulari mèdic.

- Això seran 23 euros.

- Accepteu targetes de crèdit?

- Sí, fins i tot ho prefereixo! Tenint menys efectiu a la meva oficina em tranquil·litza. Ja m'han robat.

Clic a la imatge per engrandir. Principi del descodificador de senyals audiovisuals, que es compon de diverses informacions: el contingut xifrat amb la CW (Control Word), els missatges de control del títol d'accés ECM i els missatges de gestió del títol d'accés EMM. Els missatges ECM i EMM es transmeten a la targeta intel·ligent que, depenent dels títols d'accés, retorna o no la paraula de control en clar al descodificador per al desxifratge del contingut mitjançant l'algoritme DVB-CSA. Crèdit: P. Guillot.

De tornada al seu apartament, es connecta a l'ordinador recordant de sobte que avui és la data límit per validar la declaració de la renda de les famílies.

"Hi ha una actualització disponible per al teu ordinador, la vols descarregar?"

- De nou!

Accepta l'actualització, l'ordinador es reinicia. Finalment, valida la declaració de la renda. Aprofita l'ocasió per demanar la seqüela de les aventures de l'inspector Evenberg, que acaben de sortir, a Mississipi.fr. Això és tot pel que fa a les preocupacions del dia. És hora de relaxar-se amb en Bob encenent la televisió. Hi ha una bona pel·lícula italiana dels anys 70 al canal especialitzat al qual estan subscrits.

Aquesta part de la vida implica unes quinze situacions durant les quals es van dur a terme una o més operacions criptogràfiques. Això demostra fins a quin punt la criptologia ha envaït la nostra vida quotidiana sense que en siguem conscients. Esmentem tres tècniques que utilitzen una targeta intel·ligent:

- La veu es xifra al telèfon mòbil abans de ser transmesa.
- Les dades s'autentiquen abans de validar una transacció amb targeta bancària.
- El programa de televisió de pagament està xifrat perquè només hi puguin accedir els subscriptors.

 Ho he vist aquí.

Dossier: Criptografia. 7 Signatura digital i xifratge

Fer que els codis secrets siguin irrompibles és un vell somni dels professionals de la seguretat. Des de l'antiguitat, els humans han inventat sistemes manuals i després mecànics abans de la revolució electrònica. Descobriu en aquest dossier la criptologia i els seus usos, des de l'encriptació tradicional fins a l'encriptació RSA i l'ús de la informàtica.

Les activitats humanes depenen en gran mesura de la confiança en els compromisos dels diferents actors entre ells. Aquesta confiança es materialitza mitjançant una signatura col·locada en un document. Calia trobar un equivalent digital de la signatura, produïda per una persona determinada i verificable per tots: la signatura digital.

Clic a la imatge per engrandir. Signatura digital: validació en format digital. Crèdit: Luckystep, Adobe Stock

Un mecanisme de clau pública com la RSA autoritza la producció d'aquesta signatura digital. Per comprometre's, simplement aixequeu el document que voleu signar a la potència de l'exponent privat mòdul n. El resultat constituirà la signatura del document. Qualsevol pot verificar la signatura elevant-la a la potència de l'exponent públic mòdul n, però ningú pot produir la signatura sense conèixer l'exponent privat.

Clic a la imatge per engrandir. Signatura de clau pública: la producció de la signatura requereix una clau privada i canvis per a cada document. La seva verificació només requereix una clau pública accessible per a tothom. Crèdit: P. Guillot

Una signatura numèrica

Aquest exemple de la signatura RSA que consta de xifratge amb clau privada va portar als investigadors a preguntar-se si aquesta propietat era consubstancial a la noció de signatura. La signatura és doble al xifratge de clau pública? La resposta és no. No és necessari tenir una funció unidireccional amb trapa per aconseguir aquest mecanisme. Una simple funció unidireccional sense trapa és suficient. Es diu que una funció és "unidireccional" si és fàcilment calculable, però donat un valor, és pràcticament impossible trobar un paràmetre que doni aquest resultat.

Per exemple, per a un nombre primer p, és fàcil elevar qualsevol nombre a la potència n mòdul p amb una successió de multiplicacions i elevacions al quadrat. Tanmateix, trobar l'exponent n a partir del resultat és un problema que avui dia no sabem resoldre de manera eficient. Aquest és el problema del logaritme discret.

Per signar un document amb una funció unidireccional, només cal tenir una clau secreta formada per dos parells de valors  x₁,... x _n i  y₁,... y_n. La clau pública corresponent està formada per les imatges a_i =  f (x_i) i  b_i = f (y_i) per una funció unidireccional f. Signar un missatge  m = m₁ ,... m_n on cada m_i és una informació binaria sent 0 o 1, poso al missatge la revelació de les dades  x_i si  m_i és 0 i  y_i si  m_i és 1. El destinatari pot comprovar fàcilment, utilitzant la clau pública, que  f (x_i) =  a_i si m_i és 0 i  f (y_j) =  b_j si  m_i és 1. Com que la funció és unidireccional, serà difícil que un adversari conegui el valor de l'absència del coneixement dels paràmetre x₁ i y₁.

Aquesta signatura només té interès teòric per la seva total ineficàcia. Signar un document és molt més "pesat" que el propi document i la clau privada no es pot reutilitzar per a un altre document. Tanmateix, l'interès teòric és fonamental: la signatura digital es pot construir a partir d'una funció unidireccional. No cal una trapa per signar un document.

Ho he vist aquí.

Dossier: Criptografia. 6 Xifratge RSA: la revolució de la clau pública

Fer que els codis secrets siguin irrompibles és un vell somni dels professionals de la seguretat. Des de l'antiguitat, els humans han inventat sistemes manuals i després mecànics abans de la revolució electrònica. Descobriu en aquest dossier la criptologia i els seus usos, des de l'encriptació tradicional fins a l'encriptació RSA i l'ús de la informàtica.

La nostra necessitat de comunicar-nos de manera segura s'està satisfent avui en dia amb ordinador amb persones que no hem conegut mai, i probablement mai ho farem, ja sigui una comanda en un lloc de comerç electrònic o la transmissió d'un full d'atenció al centre de la Seguretat Social. En aquest context, l'intercanvi previ d'una clau, operació obligatòria en criptografia tradicional, no és possible.

Clic a la imatge per engrandir. RSA, un algorisme de xifratge. Crèdit: Futura 

A mitjans de la dècada de 1970, la invenció de la criptografia de clau pública, vinculat al desenvolupament de les comunicacions informàtiques, va resoldre el problema.  El seu principi es basa en un parell de claus asimètriques: una per a xifrat, que pot ser pública, i l'altra per a desxifrar, que ha de romandre privada.

Per comunicar-me en secret amb un destinatari, consulto la seva clau pública en un directori i la faig servir per xifrar el missatge que se li adreça. Quan rebi aquest criptograma, utilitzarà la seva pròpia clau per reconstruir-lo en text clar, un desxifrat que guarda en secret.

Clic a la imatge per engrandir. Il·lustració del xifratge de clau pública: la clau pública és un cadenat obert que qualsevol remitent pot tancar per protegir un missatge del destinatari. La clau privada, que només té el destinatari, és la que pot obrir el cadenat. Crèdit: P. Guillot. Infografia en català: Sci-Bit.

El més utilitzat d'aquests mecanismes és RSA , un acrònim extret dels noms dels seus tres inventors Ronald Rivest, Adi Shamir i Leonard Adleman que el van publicar el 1978.

La clau pública

La clau pública està formada per un mòdul n públic, igual al producte de dos factors primers desconeguts, i un exponent públic e, sovint igual a 3. Així, per xifrar un missatge m, codificat com un nombre entre 0 i  n − 1, l'elevem a la potència e mòdul  n. Si  e és 3, això equival a elevar al cub mòdul n. L'operació inversa, és a dir, extreure l'arrel cúbica mòdul n, es diu que és un problema difícil en absència de coneixement de la factorització de n.

Clic a la imatge per engrandir. Una funció unidireccional amb una trampa és computable en una direcció per tothom, però requereix informació addicional per realitzar el càlcul invers. Crèdit: P. Guillot. Infografia en català: Sci-Bit

La clau privada està formada pels factors p i q de n. Coneixent aquests factors, és possible determinar un exponent privat d que ens permetrà trobar el missatge corresponent a un criptograma determinat. L'exponent privat d és igual al recíproc de l'exponent públic e mòdul el mínim comú múltiple de  p − 1 i  q − 1. Per a aquest càlcul es requereix el coneixement dels factors p i q del mòdul.

El missatge es reconstrueix augmentant el criptograma a la potència de l'exponent privat mòdul n.

La funció de xifratge RSA és el que s'anomena funció unidireccional amb trampa. Qualsevol persona pot xifrar un missatge amb paràmetres públics. No obstant això, per invertir el procés, és a dir per trobar el missatge del criptograma, cal disposar d'informació addicional: la trampa o clau privada, mantinguda en secret.

Clic a la imatge per engrandir. L'ús de nombres enters grans a la criptografia ha fet un avenç significatiu en uns quinze anys, amb gairebé el doble del nombre de dígits decimals. Crèdit: DR, Infografia en català: Sci-Bit

La seguretat d'aquest mecanisme es basa fonamentalment en la dificultat de trobar els factors p i q del producte n = p × q. Això va reactivar la recerca per resoldre aquest problema, tal com es mostra a la taula anterior que mostra l'any en què es podrien factoritzar els nombres enters grans.


Capítol anterior: 5 Màquines de xifrat: Enigma, xifratge de rodes i targeta intel·ligent

Capítol següent: 7 Signatura digital i xifratge (en preparació)

Ho he vist aquí.

Dossier: Criptografia. 5 Màquines de xifrat: Enigma, xifratge de rodes i targeta intel·ligent

Fer que els codis secrets siguin indesxifrables és un vell somni dels professionals de la seguretat. Des de l'Antiguitat, la gent ha inventat sistemes manuals i després mecànics abans de la revolució electrònica. Descobriu en aquest dossier la criptologia i els seus usos, des del xifratge tradicional fins a l'ús d'ordinadors, inclòs el xifratge RSA. 

Les operacions de xifratge i de desxifrat, es consideren, amb raó, que són especialment tediosos, fet que ha portat al disseny de màquines de criptografia per facilitar l'operació i sense errors. És el cas d'Enigma, del xifrat Alberti.

Clic a la imatge per engrandir. Enigma és potser la màquina de xifratge més famosa. Crèdit: Greg Goebel, Wikimedia Commons, DP

Màquines manuals: el xifrat Alberti i el xifrat de roda

El xifrat numèric consta d'un botó moletejat que us permet girar l'alfabet mòbil al voltant d'un eix. La rotació regular del xifrat mòbil permet variar la correspondència dels alfabets.

Clic a la imatge per engrandir. La esfera Alberti consta d'una esfera fixa i una esfera mòbil. Les lletres de l'esfera fixa s'escriuen en majúscules i representen les lletres del text pla. Les lletres del xifrat mòbil s'escriuen en minúscules i representen les lletres del criptograma. Crèdit: DP

La regla lliscant de Saint-Cyr, que porta el nom de l'acadèmia militar, va estar en ús entre 1880 i principis del segle XX.

Clic a la imatge per engrandir. L'anomenat regle de Saint-Cyr i la seva corredissa (al centre). En moure, seguint una llei pactada, l'alfabet de la corredissa davant de l'alfabet de la regla, obtenim diferents correspondències entre les lletres del text pla (majúscules) i les que les representen en el criptograma, o missatge xifrat. Crèdit: DR

Thomas Jefferson (1743-1826), abans de ser elegit president dels Estats Units d'Amèrica, havia desenvolupat un dispositiu anomenat  xifrat de roda, format per 26 discos a les vores dels quals s'escrivien alfabets desordenats. Per xifrar un missatge, feu girar les rodes perquè aparegui el missatge. El criptograma està format per qualsevol de les seqüències de les altres lletres. Per desxifrar, només cal tenir el mateix cilindre format pels mateixos 26 discos, alinear el criptograma i llegir en un altre lloc l'únic text que sembla tenir sentit. Podeu canviar la clau canviant l'ordre dels cilindres.

Clic a la imatge per engrandir. El xifrat de roda de Thomas Jefferson. Crèdit: Ciphermachines.

Màquines electromecàniques: Enigma

El xifratge poli alfabètic no s'utilitzarà habitualment fins a principis del segle XX amb l'aparició de màquines electromecàniques de rotor. Van ser presentats gairebé simultàniament per quatre inventors de diferents països: l'americà Edward Hugh Hebern, l'holandès Hugo Alexander Koch, el suec Arvid Damm i l'alemany Arthur Scherbius. Aquest últim és l'inventor de la famosa màquina Enigma, que serà adoptada i millorada per l'exèrcit alemany a partir de 1928.

Clic a la imatge per engrandir. La màquina Enigma: aquesta vista oberta revela els tres rotors així com els llums que indiquen la lletra que substitueix la que s'activa al teclat. Crèdit: DP

Les instruccions per utilitzar la màquina Enigma són molt senzilles: l'operador prem un botó al teclat alfabètic i un llum indica quina lletra substituir en el criptograma. L'ús per al desxifrat és similar.

Clic a la imatge per engrandir. Soldats alemanys utilitzant una màquina Enigma durant la Segona Guerra Mundial. Crèdit: DP

El cor d'aquestes màquines està format per una sèrie de rotors que són cilindres giratoris a la vora dels quals es col·loquen 26 contactes, cadascun representant una lletra de l'alfabet. Un rotor realitza una permutació entre els contactes de cada vora. Diversos rotors es col·loquen en sèrie per multiplicar les permutacions així compostes. Cada lletra fa que els rotors giren, la qual cosa canvia la permutació realitzada.

Clic a la imatge per engrandir. Principi de funcionament en una màquina Enigma de dos rotors basat en la seqüència alfabètica ABCDEF. Cada lletra de text fa que els rotors giren, la qual cosa canvia la permutació feta cada vegada. Crèdit: P. Guillot

La targeta intel·ligent

Un pas tecnològic important per a la criptologia s'aconseguirà amb la patent l'any 1974 per Roland Moreno d'un "objecte de memòria portàtil que reclama mitjans inhibidors, un comparador amb comptador d'errors i mitjans d'acoblament amb el món exterior". Aquest dispositiu es convertirà en la targeta intel·ligent amb l'addició d'un processador de càlcul de l'enginyer de telecomunicacions Michel Ugon. Això conté claus secretes que permeten autenticar les dades facilitades, i així donar accés als serveis de manera fiable i segura.

L'aparició d'aquest dispositiu tindrà un impacte considerable en el desenvolupament de la criptologia pel públic en general, perquè múltiples aplicacions l'utilitzen a gran escala: targeta bancària, Carnet Identificatiu, targetes d'abonament de televisió de pagament, Targetes SIM, telèfons mòbils, etc.

Capítol anterior: 4 Xifrat i càlcul, d'Ibn Dunaynir a Lester Hill.

Capítol següent: 6 Xifratge RSA: la revolució de la clau pública (en preparació)

Ho he vist aquí.

Coneixeu l'efecte Rehbinder?

L'Efecte Rehbinder mostra com la resistència de certs sòlids, com la ceràmica i el vidre, es veu modificada en interactuar amb líquids. A la demostració pràctica, s'observa que una tassa de ceràmica es fractura per complet en copejar-la a l'aire amb un clau, mentre que submergida en aigua només es forma un forat. Aquest comportament es deu a la capacitat de l'aigua per reduir la tensió superficial dels sòlids, disminuint l'energia necessària per iniciar i propagar fractures de manera controlada.

Crèdit: @ViralVideoLab, YouTube

 

Aquest fenomen és crucial en la ciència de materials i l'enginyeria, ja que permet comprendre com els líquids poden influir a la integritat estructural dels sòlids, facilitant processos de tall i manipulació més precisos. La presència de líquids com l'aigua redueix la propagació descontrolada de fractures, permetent un control més efectiu de la integritat de materials com la ceràmica i el vidre, cosa que té aplicacions directes en diverses indústries. 

Descobertes 23 tauletes d’un misteriós calendari en una tomba de 2000 anys a la Xina

Trobat un conjunt de 23 petites tauletes de fusta en una tomba a la Xina. Datat de més de 2.000 anys, aquest objecte seria la primera còpia descoberta d'un calendari antic que permetia identificar un any en un cicle de 60 anys.

Clic a la imatge per engrandir. S'ha descobert un calendari xinès sorprenent en una tomba que data de més de 2.000 anys. Crèdit: Tryfonov, Adobe Stock

Va ser mentre exploraven una antiga tomba que data de fa més de 2.000 anys, al sud-oest de la Xina, que els arqueòlegs van fer un descobriment sorprenent. Entre els diferents objectes presents, 23 taules de fusta rectangulars, totes de la mateixa mida (10 cm de llarg per 2,5 cm d'ample) i amb caràcters xinesos.

Clic a la imatge per engrandir. Un conjunt de 23 tauletes de fusta, que podrien formar part d'un calendari astronòmic tradicional xinès, ha estat trobat entre els més de 600 artefactes recuperats d'una tomba de cambra de fusta inundada de 2.000 anys d'antiguitat al sud-oest de la Xina. Crèdit: Archaeology Magazine, X.

Un calendari que representa cicles de 60 anys

És l'anàlisi d'aquestes inscripcions la que finalment revelarà la utilitat original de les tauletes. De fet, els textos fan referència al Tiangan Dizhi, que representa un sistema de numeració i datació utilitzat habitualment en l'astrologia xinesa. Compost per deu "tiges celestes" i dotze "branques terrestres", aquest sistema de mesura del temps va aparèixer cap a l'any 1250 aC a la dinastia Shang. Forma un cicle de 60 anys, basat en determinades observacions astronòmiques.

Clic a la imatge per engrandir. Les dotze branques terrestres utilitzades en el calendari sexagesimal xinès. Crèdit: Jakub Hałun, Wikimedia Commons , CC by-sa 4.0

Per tant, les tauletes trobades probablement haurien servit de calendari, fins i tot si encara no s'entén gaire el seu funcionament. Una perforació en una cantonada de cada tauleta suggereix que originalment estaven enllaçats entre si. En qualsevol cas, és la primera vegada que es troba un objecte d'aquest tipus. Segons informa el lloc Space.com, per a alguns experts aquest calendari podria haver servit per il·lustrar cada any del cicle sexagesimal xinès.

La tomba d'una persona rica i important

La tomba també contenia més de 600 objectes culturals més com bols, caixes, olles, plats lacats, diversos instruments musicals i estris de bambú, figuretes de fusta i objectes de bronze i terracota. També es va trobar una llista amb tots els objectes a la tomba, construïda amb fusta i excepcionalment ben conservada.

tots els elements trobats suggereixen que aquesta devia ser la tomba d'un individu important i ric, que havia viscut durant l'anterior dinastia Han. Segons la llista dipositada a la tomba, va morir l'any 193 aC.

Ho he vist aquí.

No se t'evaporen les gotes d'aigua quan cauen a una paella calenta? No t'amoïnis és l'efecte Leidenfrost.

Clic a la imatge per engrandir. L'efecte Leidenfrost. Crèdit: Revista Española de Física.

L'efecte Leidenfrost és un fenomen físic que passa quan un líquid entra en contacte amb una superfície molt més calenta que el punt d'ebullició. El líquid es vaporitza ràpidament i forma una capa de vapor que l'aïlla de la calor, evitant que s'evapori del tot. El líquid pot surar i lliscar sobre la superfície gràcies a aquesta capa de vapor.

Aquest efecte es pot observar fàcilment a la cuina, quan es tiren gotes d'aigua sobre una paella calenta. En lloc de bullir i desaparèixer, les gotes es mouen com si tinguessin vida pròpia. També es pot veure quan s'aboca nitrogen líquid sobre el terra o quan es toca una planxa calenta amb el dit mullat.

L'efecte Leidenfrost té moltes aplicacions pràctiques i interessants. Per exemple, es pot fer servir per crear motors tèrmics que funcionen amb el moviment de les gotes, per generar electricitat a partir del vapor, per refredar superfícies calentes o per protegir materials d'altes temperatures.

Si vols saber més sobre aquest efecte i com es produeix, t'invito a continuar llegint aquest article aquí, on t'explico amb més detall els principis físics i químics que el regeixen. També us recomano que veieu aquest vídeo aquí, on podeu veure alguns experiments sorprenents i divertits amb l'efecte Leidenfrost.

Què és l'efecte Leidenfrost i com es produeix?

L'efecte Leidenfrost és un fenomen físic en què un líquid, en entrar en contacte amb una superfície molt més calenta que el seu punt d'ebullició, forma una capa de vapor que l'aïlla i evita que s'evapori ràpidament. Per exemple, quan col·loqueu una gota d'aigua sobre una paella molt calenta, la gota no s'evapora a l'instant, sinó que es mou sobre la superfície durant un temps, fins que finalment desapareix. Això és perquè la part inferior de la gota es vaporitza en tocar la paella, creant una capa de gas que eleva i protegeix la resta de la gota, impedint que es transfereixi calor entre l'aigua líquida i la paella.

Qui va descobrir l'efecte Leidenfrost i per què es diu així?

L'efecte Leidenfrost va ser descrit per primera vegada pel físic alemany Johann Gottlob Leidenfrost el 1756, encara que ja havia estat observat per Hermann Boerhaave el 1732. El nom ve del cognom de Leidenfrost, que significa “gebre de Leiden” en alemany. Pierre Hippolyte Boutigny (1798-1884) va realitzar estudis de l'efecte Leidenfrost i va pensar que les gotes que quedaven suspeses sobre la superfície de la placa calenta constituïen un nou estat de la matèria, que va anomenar estat esferoïdal.

Quines aplicacions té l'efecte Leidenfrost en la ciència i la tecnologia?

L'efecte Leidenfrost té moltes implicacions a l'enginyeria tèrmica, ja que afecta el flux de calor entre les superfícies i els líquids. També té aplicacions a la ciència de materials, la química, la biologia i la medicina.

Alguns exemples d'ús de l'efecte Leidenfrost són:

•      El nitrogen líquid pot lliscar pel terra gràcies a l'efecte Leidenfrost.
•      Els motors de vapor poden funcionar més eficientment si evita l'efecte Leidenfrost, ja que s'aprofita millor la calor de les superfícies metàl·liques.
•      Els gekkos poden caminar sobre l'aigua perquè les potes generen una capa de vapor similar a l'efecte Leidenfrost.
•      Els bombers poden entrar en contacte amb flames sense cremar-se si porten un vestit especial que crea una barrera de vapor al voltant del cos.

Clic a la imatge per engrandir. Un gekko de sorra del Namib (Pachydactylus-rangei). Crèdit: Stefan Kuemmel.

Quina temperatura cal perquè es produeixi l'efecte Leidenfrost?

La temperatura a la què es produeix l'efecte Leidenfrost no és fàcil de predir. Depèn de les propietats del líquid, de la superfície i de les possibles impureses. Tot i això, es pot estimar mitjançant una fórmula matemàtica que relaciona el flux de calor mínim amb l'entalpia de vaporització, l'acceleració gravitacional i les densitats del líquid i del vapor. Pel cas de l'aigua sobre una placa horitzontal gran, el punt de Leidenfrost se situa al voltant dels 200 °C.

Quins altres líquids poden mostrar l'efecte Leidenfrost a més de l'aigua?

L'efecte Leidenfrost no és exclusiu de l'aigua, sinó que pot passar amb qualsevol líquid volàtil que tingui un punt d'ebullició menor que la temperatura de la superfície. Alguns exemples són l'alcohol, el mercuri, l'heli líquid o fins i tot l'oxigen líquid. Tot i això, cada líquid tindrà un punt de Leidenfrost diferent segons les seves propietats termodinàmiques.

 

Ho he vist aquí.