Principios del vuelo en globo
por Wasim Quadir
MICDS
¿Qué hace flotar a un globo de aire caliente?
La respuesta más común a esta pregunta sobre un globo de aire caliente es que "el aire caliente es más liviano que el aire frío." ¿Qué quiere decir esto realmente? Quiere decir que el aire caliente es menos denso que el aire frío. Recuerde que la densidad es igual a la masa dividida por el volumen. Una substancia de menor densidad flotará arriba de otra de mayor densidad. Cuando el aire que está en el interior de un globo aerostático es calentado, el movimiento molecular aumenta, y el volumen del globo se expande. Por lo tanto, su densidad disminuye. El globo flotará hasta que la densidad del gas sea igual a la densidad del aire circundante. La densidad del aire disminuye cuando aumenta la altitud; debido a la gravedad; las moléculas de gas son poco densas a gran altura. El aire es más "delgado" a grandes altitudes. El piloto puede aumentar su altitud calentando el gas en el interior del globo, disminuyendo así su densidad.
¿Cómo flota el Solo Spirit?
Un globo que dependiera completamente de aire caliente para flotar, tendría que llevar una enorme cantidad de combustible para un viaje de larga distancia. Un vuelo alrededor del mundo sería imposible. El helio es un gas que es menos denso que el aire (que es 79% nitrógeno y 20% oxígeno) y, por lo tanto, se eleva sin necesidad de ser calentado. Pero un globo aerostático que dependiera completamente de helio para flotar, tampoco funcionaría bien; el piloto no tendría control ninguno sobre la altitud del globo y, en la noche, el helio se enfriaría y el globo descendería. El globo Solo Spirit usa una combinación de aire caliente y helio para mantener flotabilidad y cambiar de altitud; un diseño conocido como globo Roziere. Un núcleo interior de helio es rodeado por una envoltura de aire caliente, permitiendo al piloto cierto control sobre el ascenso y el descenso del globo, sin requerir un permanente consumo o quema de combustible.
Datos: Relación entre presión y temperatura y cómo flota el globo.
La densidad de un gas depende de su temperatura y presión. Específicamente, la densidad de un gas es inversamente proporcional a la temperatura y directamente proporcional a la presión. Mientras más alta sea la temperatura, más baja será la densidad, si el volumen y la presión son mantenidos constantes. Mientras más grande sea la presión, más grande será la densidad, si el volumen y la temperatura son mantenidos constantes.
Si el globo entra en una región de aire frío, su poder de ascenso aumenta. La diferencia entre la densidad del gas en el globo y el aire circundante es mucho más grande cuando el globo está en aire frío que cuando está en ambientes más cálidos. La densidad relativa del gas en el globo es mucho menor que el aire circundante cuando el ambiente es frío que cuando es cálido.
La presión de la atmósfera también fluctúa. Según las leyes del gas, si el globo viaja en un área con una mayor presión atmosférica, tenderá a elevarse; y si viaja en un área con una menor presión, entonces descenderá. Sin embargo, esto no siempre es verdad en la vida real. Generalmente, en sistemas de alta presión, se crea una convección que arremolina el aire hacia abajo. Esto causa que el globo se hunda. A la inversa, en un sistema de baja presión, la convección es dirigida hacia arriba, causando que el globo se eleve.
Actividades:
Trace un gráfico de presión versus altitud durante el ascenso inicial del globo Solo Spirit, en las primeras 24 horas del vuelo, usando por lo menos una medición por hora. (Ud. puede obtener los datos aquí). ¿Están la presión y la altitud directa o inversamente relacionadas una a la otra? Entre los datos en una calculadora de registro gráfico (TI81 o mejor) y trate de encontrar la mejor función regresiva. ¿Es una tendencia lineal o exponencial? Utilice la ecuación para determinar cuál sería la presión a 15.000 metros. Extrapolado de ese resultado, ¿cuál sería la presión a 100 km de altitud?
Trace un gráfico de temperatura versus altitud durante la ascensión inicial del globo Solo Spirit, en las primeras 24 horas del vuelo, usando, por lo menos, una medición por hora. (Ud. puede obtener los datos aquí). ¿Qué cambios en la temperatura nota Ud. cuando el globo asciende? Trate de explicar la tendencia que Ud. observa.