¿Cómo funcionan estos globos gigantes? ¿Qué los hace más fáciles y más complicados que un globo de tamaño normal?
¿Alguna vez has?¿Has visto a un niño con un globo? Es divertido verlo. Los niños prestan atención al mundo que los rodea: saben que cuando se suelta algo, se cae. Los globos no siguen estas reglas, y es esa excepción la que los hace tan fascinantes.
Pero ¿qué pasa con los adultos? Todavía nos encanta ver cosas que no parecen seguir nuestras reglas habituales. Los globos de desfile parecen engañar a la física para poder moverse por el cielo. Por supuesto, no engañan a la física. Es gracias a la física que pueden flotar.
¿Por qué no cae el globo?
En efecto, existe una fuerza que tira hacia abajo sobre estos globos gigantescos. Esta fuerza gravitacional es proporcional a la masa del objeto. Tanto el material exterior como el gas que hay en el interior tienen una masa que da como resultado un peso de quizás 2.000 Newtons (450 libras). Sin embargo, incluso con una fuerza descendente tan grande, los globos se mantienen en el aire. Debe haber una fuerza ascendente que actúa sobre el objeto. Se trata de una fuerza de flotabilidad, y es causada por una presión de aire diferencial en la parte superior e inferior del globo.
Podemos pensar en el aire como un montón de pelotas que rebotan. Cuando estas pelotas de aire chocan contra una superficie (como el costado de un globo), rebotan. Como la pelota cambia de momento, debe estar empujando contra el globo con cierta fuerza. Esta fuerza depende entonces de la cantidad de pelotas de aire que chocan contra la superficie, así como de la velocidad y la masa de las pelotas de aire. Pero aquí viene la parte interesante. Para que todas estas pelotas de aire no se caigan al suelo, deben tener más colisiones en la dirección ascendente que en la dirección descendente. Esto significa que a medida que se desciende en la atmósfera, la densidad del aire aumenta, lo que resulta en una mayor presión.
Pero, ¿cuánto empuja este aire sobre un objeto como un globo? Lo más fácil es pensar en un bloque de aire flotando en el aire. Sí, puede parecer una tontería, pero hay una razón para ello. Si no hay viento, ese bloque de aire en el aire debería permanecer estacionario. Eso significa que la fuerza neta que empuja sobre este aire debe ser de 0 Newtons. Aquí hay un diagrama que muestra todas las fuerzas sobre este bloque de aire flotante.
Claramente, las fuerzas en los lados del bloque de aire se cancelan. La única forma de hacer que las fuerzas verticales se cancelen es si la fuerza ascendente neta del aire que empuja el bloque de aire es igual en magnitud al peso gravitacional del aire. Ahora reemplace ese bloque de aire con un globo. El resto del aire aún debería empujar al globo de la misma manera que lo hizo con el bloque de aire. Esto significa que la fuerza de flotabilidad debe ser igual al peso del aire desplazado por ese objeto. Sí, esto es lo que llamamos el principio de Arquímedes. Puede usarlo para objetos que desplazan agua o aire o cualquier otra cosa.
Pero ¿qué pasa con los humanos? ¿Tienen una fuerza de flotabilidad? Absolutamente, ya que los humanos desplazan aire, tienen una fuerza de flotabilidad. Entonces, ¿no deberían flotar los humanos? No. Si consideramos que un humano de 75 kilogramos tiene una densidad cercana a la del agua (1000 kg/m3 ) , esto daría un volumen corporal de solo 0,075 m3 y una fuerza de flotabilidad de 0,882 Newtons (0,2 libras). Aunque existe una fuerza de flotabilidad en los humanos, esta es demasiado pequeña en comparación con el peso. Por supuesto, si cambiamos a un medio mucho más denso (como el agua), entonces podemos flotar.
La única forma de hacer que los objetos gigantes floten en el aire es darles masas pequeñas. La forma más fácil de hacerlo es tomar una capa delgada de una envoltura y llenarla con un gas muy ligero como el helio (el hidrógeno y el aire caliente también funcionan). Podrías pensar que podrías simplemente dejar el interior del globo vacío; sí, eso funcionaría. Sin embargo, entonces tienes el problema de la presión atmosférica que empuja el globo y lo aplasta. En realidad, la única opción es llenarlo con gas. El helio es mejor que el hidrógeno porque no reacciona con el oxígeno como lo hace el hidrógeno (gran explosión).
Los globos más grandes son más fáciles
Supongamos que quisieras hacer un desfile del Día de Acción de Gracias para hormigas. ¿No sería genial? Bueno, sería prácticamente imposible hacer globos del tamaño de una hormiga. Es más fácil hacer globos más grandes. ¿Por qué? Echemos un vistazo a dos globos esféricos, donde uno tiene el doble del radio del otro.
Si duplicas el radio de un globo, aumentas el volumen por un factor de ocho (ya que el volumen es proporcional al radio al cubo). Pero ¿qué pasa con el material del exterior del globo? Digamos que quiero que todo sea justo y aumento el grosor del material por un factor de dos para el globo más grande. Como este material solo cubre el área de la superficie del globo, su área aumentaría por un factor de cuatro. Si incluyes el doble de grosor, el material del globo más grande también tiene ocho veces la masa del más pequeño.
Pero llega un momento en que ya no es necesario seguir haciendo capas de globos cada vez más gruesas. Puedo conseguir un material (por ejemplo, goma) que sea muy resistente con tan solo un milímetro de espesor. Esto significa que si aumento el radio de un globo por un factor de 10, el volumen aumentará en 1000, pero tal vez la masa de la capa solo aumente en 100. El volumen es importante porque de ahí obtengo mi fuerza de flotabilidad.
Ahora, vayamos por el otro lado. Hagamos un globo para hormigas. Si reduzco el radio de un globo de fiesta normal por un factor de 100 (en realidad, debería ser incluso más pequeño que eso), el grosor de la carcasa también tendría que disminuir en 100. Estos globos ya son bastante delgados. Si lo reduzco demasiado, no tendría una estructura capaz de mantener el globo unido. Si aumentamos un poco el grosor, la masa se vuelve demasiado alta para flotar. Lo siento, no hay globos de desfile para hormigas.
Los globos más grandes son más difíciles
¡Genial! Tengo un globo gigante y flota. ¿Qué podría ser más asombroso? Ah, claro, voy a necesitar un montón de gente para sujetarlo (junto con un par de vehículos), pero sigue siendo un globo gigante. Pero espera. Los globos gigantes siguen teniendo problemas. Hacer las cosas más grandes puede hacer que floten más fácilmente, pero añade otros problemas.
El primer problema es el viento. Claro, esa brisa en tu pequeño globo portátil es molesta. Pero ¿qué sucede cuando aumentas el tamaño del globo? Esta fuerza que empuja al globo es proporcional al área de la sección transversal. Si duplicas el radio de tu globo, aumentas esta área por un factor de cuatro, lo que da cuatro veces la fuerza del aire.
¿Qué tal una estimación rápida? Si tomamos un globo como Dora la Exploradora , mide aproximadamente 16 metros por 13 metros (mirándolo de lado). Si fuera una esfera perfecta con un radio de solo 6,5 metros, podemos estimar la fuerza del aire asumiendo un modelo típico de resistencia del aire. Con un viento de 10 mph (4,5 m/s), la fuerza del aire horizontal sería de aproximadamente 760 Newtons. No es demasiado para que lo maneje un grupo de 30 a 50 adultos. Pero si duplicamos la velocidad del viento, aumentaríamos la resistencia del aire por un factor de 4 hasta 3000 Newtons. Ahora estamos perdiendo el control.
Y aquí está el segundo problema. Los globos fuera de control son malos. Se podría pensar que están flotando y por lo tanto son inofensivos, pero estos globos aún tienen masa. Si un globo utiliza 12.000 pies cúbicos de helio, eso equivale a unos 55 kilogramos de masa. Si a eso le sumamos la masa del globo, fácilmente tenemos más de 200 kilogramos. Cuando un globo de 200 kilogramos se estrella contra un poste de luz, este puede caerse fácilmente y causar lesiones (como ha sucedido en el pasado).
Si estos globos son peligrosos, ¿cómo se pueden introducir en el desfile de forma segura? Siempre existe algún riesgo, pero se minimiza con la formación de los pilotos (sí, los globos tienen pilotos) y con la puesta a tierra de los mismos en condiciones meteorológicas adversas. Con suerte, esto dará lugar a una experiencia segura y agradable en el desfile de Acción de Gracias.
