Hermanos Montgolfier
Un globo aerostático es un vehículo poco práctico si lo que se quiere es llegar a alguna parte, ya que no se puede dirigir y sólo se desplaza a la velocidad del viento. Pero si lo que quiere es disfrutar de la experiencia de volar, no hay nada que se le parezca. Muchos dicen que volar en globo es una de las actividades más serenas y agradables que han experimentado.
Los globos aerostáticos son también una ingeniosa aplicación de principios científicos básicos. En este artículo veremos qué hace que estos globos se eleven en el aire, y también descubriremos cómo el diseño del globo permite al piloto controlar la altitud y la velocidad vertical. Le sorprenderá la hermosa sencillez de estas primeras máquinas voladoras.
Los globos aerostáticos se basan en un principio científico muy básico: el aire caliente asciende en el aire frío. Esencialmente, el aire caliente es más ligero que el aire frío, porque tiene menos masa por unidad de volumen. Un pie cúbico de aire pesa aproximadamente 28 gramos. Si calentamos ese aire a 100 grados F, pesa unos 7 gramos menos. Por tanto, cada pie cúbico de aire contenido en un globo aerostático puede elevar unos 7 gramos. No es mucho, y por eso los globos son tan grandes: para levantar 1.000 libras se necesitan unos 65.000 pies cúbicos de aire caliente.
¿Utilizan helio los globos aerostáticos?
Los globos aerostáticos tienen una larga historia que se remonta a principios del siglo XVIII. Pero lo que mucha gente no sabe es que estos humildes artilugios fueron los primeros vehículos utilizados para la exploración espacial. SpaceX, Blue Origin, Virgin Galactic y la NASA se apoyan en los hombros de hombres que exploraron la atmósfera y el espacio sin tecnología moderna. Con el lanzamiento de la misión lunar del Artemis 1, es un buen momento para echar la vista atrás y comprender qué hizo posible los primeros vuelos al espacio.
Los globos acabaron ganando la carrera espacial y contribuyeron enormemente al éxito del Apolo. Los globos fueron los primeros en llegar a la estratosfera, los primeros en llevar al hombre a 100.000 pies sobre la tierra. Los militares los utilizaron para operaciones de espionaje, lanzamiento de satélites y, en 1964, para lanzar la mayor nave espacial del mundo con la NASA.
A principios del siglo XX, un científico suizo llamado Auguste Piccard empezó a experimentar con cápsulas presurizadas en un esfuerzo por hacer posibles los viajes espaciales. Su trabajo conduciría al primer vuelo espacial tripulado y sentaría las bases para la futura exploración espacial.
¿Cómo funcionan científicamente los globos aerostáticos?
El principio básico de la física de los globos aerostáticos es el uso de aire caliente para crear flotabilidad, lo que genera sustentación. Un globo de aire caliente consiste en una gran bolsa, llamada envoltura, con una góndola o cesta de mimbre suspendida debajo. En la cesta hay un quemador (cuya potencia suele ser de varios megavatios) que calienta el aire del interior de la envoltura a través de una abertura. Este aire calentado genera sustentación mediante una fuerza de flotación. La figura siguiente muestra un quemador típico.
El aire caliente del interior de la envoltura es menos denso que el aire circundante (más frío). Esta diferencia de densidad hace que el globo de aire caliente se eleve del suelo debido a la fuerza de flotación creada por el aire circundante. El principio de Arquímedes afirma que cualquier objeto (independientemente de su forma) suspendido en un fluido sufre una fuerza de flotación hacia arriba igual al peso del fluido desplazado por el objeto. Así, un objeto que flota en el agua se mantiene flotando según el mismo principio que un globo aerostático. La figura siguiente ilustra el principio de Arquímedes para un objeto completamente sumergido en un fluido (como el agua o el aire).
¿Qué ley rige el funcionamiento de un globo aerostático?
El objeto volador más simple creado por el hombre es un globo. Al llenar un globo muy ligero con algo más ligero que el aire, como aire caliente, hidrógeno o helio, el globo flota. La gravedad tira del globo hacia abajo, pero no con mucha fuerza porque el globo es muy ligero. Un globo de helio también se eleva debido a algo llamado flotabilidad.
El problema de un globo de helio es que se puede hacer muy poco para controlar hacia dónde va el globo que no sea hacia arriba. Imagínate que colocas un par de ventiladores en el globo. Un globo lo suficientemente grande equilibrará el peso adicional de los ventiladores y éstos proporcionarán empuje. El empuje es una fuerza que empuja el globo en la dirección deseada. Cuando el globo empiece a moverse hacia delante debido al empuje, también empezará a experimentar resistencia.
Aunque este dibujo parezca una tontería, es exactamente como funcionan los dirigibles: La resistencia es el efecto de la resistencia del aire sobre el globo. Cuando el globo empieza a moverse por el aire, tiene que empujar el aire para apartarlo de su camino, y el aire le devuelve el empujón. Puedes sentir la resistencia del aire si mueves la mano rápidamente por el aire. Cuanto más rápido se mueva un objeto por el aire, más resistencia experimentará. La resistencia del aire, o arrastre, es siempre una fuerza en la dirección opuesta al movimiento del objeto: