Definición de Globo Aerostático

globoaerostaticoEl globo aerostático es un vehículo aéreo que hace uso del principio de Arquímedes para elevarse y flotar, transportando pasajeros e incluso carga, sin necesidad de motor, aunque hay globos cuyo diseño lo incluye, conocidos como dirigibles. Ambas clases de globos se conocen genéricamente como “aerostatos”.

Básicamente, un globo consiste en una gran bolsa de tela, llamada vela, la cual se llena de aire caliente o de algún otro gas más liviano que el aire, como el helio. Sujeta al globo mediante cuerdas, va la barquilla, una canasta que transporta a los tripulantes y a la carga. El globo asciende gracias al principio de flotabilidad, enunciado por Arquímedes de Siracusa (siglo III a.C).

La maniobrabilidad del globo aerostático no dirigible es algo limitada, ya que solo dispone de mecanismos para subir o bajar, mientras que para el desplazamiento horizontal se aprovechan las corrientes de aire. Durante mucho tiempo fueron una verdadera atracción debido a la incapacidad del hombre de utilizar otro medio de transporte aéreo.

Es difícil demostrar cuando se realizaron las primeras pruebas con globos aerostáticos tal como los conocemos en este momento. Existen afirmaciones que datan a la primera demostración de uno de estos dispositivos en el año 1709, cuando un sacerdote brasileño llevó a cabo la primera elevación ante la corte real del rey de Portugal.

La primera demostración en público fue llevada a cabo en el año 1783 en un mercado de Francia, por los hermanos Joseph y Jacques Montgolfier y el físico Jean Pilatre de Rozier. Este último falleció pocos años después, mientras intentaba cruzar en globo el canal de la Mancha. La prueba solo permitió una elevación del globo en alrededor de diez metros. La gente quedó sorprendida ante el suceso, y ellos pudieron comprobar la teoría que esbozaron cuando vieron la elevación del humo en una fogata.

En el mismo año volvieron a hacer otra prueba, esta vez incorporando animales como tripulantes. Nuevamente las pruebas resultaron exitosas y los espectadores volvieron a quedar sorprendidos, habiendo entre ellos personajes de renombre. En cuanto al primer tripulante humano, esta experiencia se llevó a cabo en octubre del mismo año.

Tipos de globo

Los globos se clasifican en diversas categorías, según dispongan o no de algún tipo de motor que los ayude a impulsarse. Otros criterios de clasificación incluyen la presencia o no de tripulantes, el tipo de bolsa utilizado en el diseño, que puede ser abierta o cerrada y si el globo está libre o atado a la tierra.

El dirigible

También denominado “zepelín”, tiene un compartimiento que se llena con un gas más ligero que el aire, como el helio, gracias al cual obtienen la sustentación necesaria para elevarse, y adicionalmente posee un motor que lo impulsa horizontalmente, con el cual puede moverse incluso contra el viento.

Los dirigibles tuvieron un gran auge a comienzos del siglo XX, tanto en el ámbito militar como para transporte de pasajeros. Sin embargo, cayeron en desuso porque empleaban hidrógeno, que es altamente inflamable, lo que dio lugar a accidentes catastróficos, y también porque el avión finalmente resultó ser más confiable y seguro.

El accidente más conocido es el del Hindenburg, el mayor dirigible construido para el transporte de pasajeros, que se incendió y estrelló en Nueva Jersey en mayo de 1937. En el siniestro fallecieron 36 de las 97 personas que iban a bordo.

Actualmente los dirigibles se utilizan con fines publicitarios, pero en vez de llevar hidrógeno, emplean helio, más escaso y costoso, pero que, a diferencia del hidrógeno, no es inflamable.

No dirigibles, y mixtos

Los no dirigibles son los globos más utilizados y se elevan gracias al aire caliente menos denso, empleando las corrientes de aire para desplazarse horizontalmente. Disponen de lastre y quemadores para calentar el aire, para así elevarse y descender.

Se utilizan actualmente como medio de transporte no utilitario, en paseos turísticos, competiciones y como medio publicitario. También se usan mucho en meteorología, portando diversos sensores para medir la velocidad del viento, la temperatura y más.

Los mixtos, como su nombre lo indica, combinan la bolsa llena de gas liviano, un mecanismo de quemadores para calentar el aire y pueden disponer de algún tipo de motor para impulsarse, según el diseño.

El principio de Arquímedes

Es el responsable de que el globo se eleve. Se sabe que un cuerpo sumergido en el agua es impulsado hacia arriba gracias a que la presión aplicada sobre el fondo del objeto, es mayor que la presión que la masa del fluido ejerce hacia abajo, sobre la parte superior.

Lo mismo pasa en el aire, que es un fluido, como lo es el agua: la presión del aire por debajo de un objeto inmerso en él, es mayor que la presión que actúa por encima, que lo empuja hacia abajo.

El principio de Arquímedes, válido para cualquier fluido, incluyendo un gas como el aire, establece que la flotabilidad iguala en magnitud al peso del fluido desplazado. Por lo tanto, un globo rodeado de aire, se eleva mediante la fuerza de flotabilidad, cuya magnitud iguala al peso del aire que el globo desplaza.

Fuerzas sobre el globo

El siguiente diagrama de cuerpo libre muestra las fuerzas que actúan sobre el centro de masas CM de un globo, que se encuentra a cierta altura sobre el suelo, flotando en equilibrio. El empuje \(\vec{B}\), producido por el aire que rodea al globo, se dirige verticalmente hacia arriba, mientras que el peso \(\vec{W}\), ejercido por la Tierra, se dirige verticalmente hacia abajo.

Si el globo está en equilibrio, la segunda ley de Newton establece que:

\(\vec{B}+\vec{W}=~\vec{0}\)

Esta ecuación vectorial es válida siempre y cuando el globo esté en reposo, o ascienda o descienda con velocidad constante, pero si lo hace aceleradamente, entonces:

\(\vec{B}+\vec{W}=~M\vec{a}\)

Donde M es la masa total del sistema conformado por el globo, los tripulantes y la carga y \(\vec{a}\) es la aceleración experimentada.

Por su parte, la magnitud del empuje equivale al peso del aire desplazado por el sistema. Si la densidad del aire es \({{\rho }_{{aire}}}\), entonces:

\(B={{\rho }_{{aire}}}\cdot V\cdot g\)

Aquí V es el volumen del sistema y g es la aceleración de la gravedad. En equilibrio estático, la segunda ley de Newton para el globo es:

\({{\rho }_{{aire}}}\cdot V\cdot g-Mg=0\)

Donde se asignó el sentido negativo al peso del sistema. La masa M del sistema se puede expresar a través de su densidad \({{\rho }_{{globo}}}\) y su volumen V:

\({{\rho }_{{globo}}}=\frac{M}{V}\)

\(M={{\rho }_{{globo}}}\cdot V\)

Sustituyendo esta expresión en la segunda ley de Newton, resulta:

\({{\rho }_{{aire}}}\cdot V\cdot g-{{\rho }_{{globo}}}\cdot V\cdot g=0\)

Como V y g se cancelan, en el globo en equilibrio ocurre que las densidades se igualan:

\({{\rho }_{{aire}}}-{{\rho }_{{globo}}}=0\)

Por lo tanto, las densidades del aire y del globo son iguales, pero si se quiere que el globo ascienda, entonces:

\({{\rho }_{{aire}}}>{{\rho }_{{globo}}}\)

Es decir, la densidad del aire tiene que ser mayor, y para que el globo descienda, debe ocurrir lo contrario:

\({{\rho }_{{aire}}}<{{\rho }_{{globo}}}\) El globo se prepara para que ascienda al extenderlo y llenarlo de aire frio con la ayuda de un ventilador, luego se calienta mediante el calor de una hornilla encendida con gas propano. De esta forma, el globo se expande, quedando listo para soltar las amarras y ascender. El ascenso se produce hasta que el aire dentro del globo y el aire circundante adquieren la misma temperatura, en este caso las densidades se igualan y el globo queda en equilibrio, como se mostró en el diagrama.

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Autora

Escrito por F. Zapata para la Edición #102 de Definición MX , en 08/2021. Lic. en Física por la UCV, con especialización en Física Experimental

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