Con este post inauguramos una nueva serie de artículos titulados “¿Cómo funciona?” y en ellos discutiremos el funcionamiento matemático y físico de algunas de las tecnologías que nos rodean hoy día. Tal y como dicen los que más saben, las cosas más simples y naturales no son siempre las mejor comprendidas. Es por ello que desde aquí vamos a profundizar en ellas.
Este primer artículo versará sobre cómo es posible que un globo estratosférico pueda volar (se denomina estratosférico porque sólo se desplaza por la estratosfera, localizada entre los 11 y los 50 km de altura). Además, este primer post nos servirá para introducir una serie de principios físicos que nos ayudarán a entender el siguiente artículo que publicaremos ¿Cómo vuela un avión?
Introducción
Todos hemos visto alguna vez un globo volando, ya sea en la televisión o en directo. La idea general que tenemos sobre su funcionamiento es la de una cesta donde se colocan los pasajeros y un enorme globo donde se calienta el aire. Gracias a este aire caliente, el globo sube. Ésta es la idea que todos tenemos pero, ¿por qué sube realmente el globo?
Arquímedes
El descubridor del principio físico que hace posible la elevación del globo fue Arquímedes. Un genio del siglo II a. C. que residía en Siracusa y del cual recordamos la famosa expresión “¡Eureka!” (el significado real de esta palabra griega es ¡lo conseguí!).
Arquímedes descubrió que si introducía un objeto en el agua y lo dejaba libre, éste sufría una fuerza hacia la superficie. Probad a meter una pelota de ping-pong en la bañera, soltadla y veréis como sube hacia la superficie.
De forma general, Arquímedes descubrió que al introducir un cuerpo en un fluido cualquiera, éste sufre una fuerza vertical hacia arriba (llamada empuje) equivalente al peso del fluido que ha desplazado. Así, la fuerza que sufrirá el objeto hacia arriba será igual al peso del volumen de agua que hayamos desplazado al introducir la pelota. Recordaréis de vuestros días de colegio, que la fórmula del peso era
Pero, ¿cómo podemos medir la masa de esa porción de agua desplazada? Se hace a través de otra fórmula que también recordaréis
ya que la densidad del aire es un dato conocido. De esta forma, la famosa fórmula de Arquímedes puede expresarse como
Aunque se conoce como el principio de Arquímedes, puede considerarse un teorema demostrable a partir de las ecuaciones de Navier-Stokes para un fluido en reposo (un principio es una ley de la naturaleza que no se puede demostrar).
Seguramente os estaréis preguntando qué tiene que ver todo esto con el funcionamiento de un globo. Pues todo, ¡ya que el aire es un fluido en sí mismo! Sin embargo, si el aire es un fluido, ¿Por qué no flotamos todos al igual que hace la pelota de ping-pong al introducirla en la bañera? Y en cualquier caso, ¿cómo vuela el globo al calentar aire? Eso es algo que veremos en la segunda entrada de este artículo.