¿Por qué flotan las nubes? Autor: Andrés Pinar

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19/08/2017

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El secreto de las nubes. ¿Por qué flotan?

Este artículo esta tomado del blog de AEMET (AEMETblog.es) . Enlace al ARTICULO ORIGINAL

Al mirar al cielo y verlas allí tumbadas flotando sin esfuerzo como hipopótamos panza arriba, podemos preguntarnos: ¿Cómo algo muchísimo más pesado que un hipopótamo puede sostenerse allí arriba y no caer sobre nuestras cabezas, como temían los irreductibles galos? La respuesta es: no puede. Sin embargo, una combinación de efectos hacen que en apariencia las nubes surquen el cielo impasibles, sabedoras de que su secreto volador está a salvo en las alturas. Hasta ahora.

Para empezar, todos conocemos la composición de una nube: gotitas de agua. Bien, esto es cierto, y no lo es. Sí que el vapor condensado se compone de moléculas de agua agregadas en torno a un núcleo de condensación (como una mota de polvo) formando gotas de diferentes tamaños, pero no existen de manera indefinida. Una nube es un ente cambiante, las gotas pueden crecer, disolverse, fragmentarse y unirse a otras o helarse, dependiendo de si ascienden, se mezcla con aire más o menos cálido o frío, húmedo o seco. Por ello los bordes de las nubes son difusos, allí la cantidad de vapor es menor y podemos visualizar mejor su constitución evolutiva. Una nube aparece solamente en la región del cielo cuyas variables termodinámicas (temperatura, presión y humedad relativa) son favorables. Si el aire las transporta fuera de estas zonas, las nubes se deshacen disolviéndose entre el aire de la atmósfera o condensándose y precipitando. En definitiva, distan mucho de ser una masa compacta y algodonosa.

Nube artificial

Dicho esto, conviene aclarar el concepto fundamental de velocidad límite, que es uno de los culpables de que las nubes se sostengan arriba, y también de que los paracaidistas puedan volver a casa para contar sus aventuras.

La velocidad límite es la velocidad mayor a la que un cuerpo puede caer en el seno de un fluido. Una vez alcanzada esta velocidad, el cuerpo continuará sin aceleración hasta que concluya su desplazamiento.

¿Qué significa todo esto? Pensemos por un momento en Galileo encaramado a la torre de Pisa, arrojando una esfera y observando que conforme caía, el objeto recorría más espacio en menos tiempo, es decir, la masa caía con mayor velocidad cada vez, por lo tanto se aceleraba. Como sabemos, todos los objetos situados bajo la influencia del campo gravitatorio terrestre somos atraídos con una aceleración idéntica (obviando que la gravedad varía con la forma de la Tierra ligeramente y también con la altura), esto es, recorreremos el mismo espacio en el mismo tiempo tanto si me arrojo yo como si se arroja Galileo o una piedra pómez por un barranco; los tres tocaremos el suelo en el mismo instante, aunque con diferente energía.

Galileo en su demostración

Me explico. Igual que es más esforzado subir un elefante que un limón, porque pesa más, también impactará en el suelo con mayor energía, aunque con la misma velocidad. Es decir, a la Tierra le cuesta más atraer objetos más pesados, pero todos ellos son atraídos con la misma aceleración.

En teoría. En la práctica, hay que tener en cuenta el fluido que nos envuelve y nos permite respirar: el aire. Por supuesto, el aire es orgulloso, y para que un objeto se mueva, primero hay que desplazar el aire que lo rodea, y es un gas perezoso, se aferra a los bordes de los cuerpos para impedir su traslado, tanto más como más rugoso se presente el cuerpo. Cuesta trabajo, aunque ínfimo, atravesar el aire. Esto es el rozamiento, la oposición al movimiento en el seno de un fluido.

Fricción del aire y turbulencia

No obstante, el rozamiento no es siempre el mismo; cuanto mayor es la velocidad del movimiento, más se opone el aire. Por ello apenas puedes sujetar un pañuelo al sacarlo por la ventana del coche, y por ello la aerodinámica juega un papel tan importante en deportes como la fórmula uno: a determinada velocidad, el efecto del rozamiento es tan grande que supera todas las demás fuerzas en cuanto a causa y efecto. A esto hay que añadir que la superficie del objeto es ahora de vital importancia: mayor superficie implica un mayor rozamiento. Lógico.

Resumiendo, el rozamiento del aire depende de la velocidad y la superficie del objeto. Así pues, cuando lanzamos un cuerpo, la gravedad lo acelera aumentando cada vez más su velocidad. Pero cuidado, a la par que la velocidad, también aumenta el rozamiento que desea frenar su bajada. Al final las fuerzas se equilibran y el objeto ya no puede acelerar más, ha alcanzado la velocidad límite y viajará a esta velocidad hasta el final de su trayecto. Esto no implica que se detenga, sino que no acelera. Cuando se abre el paracaídas, su superficie es tan enorme que la velocidad límite disminuye a unos cuarenta kilómetros por hora, permitiendo un descenso progresivo y un impacto relativamente suave (comparado con el impacto sin el paracaídas).

Diagrama de fuerzas en distintos momentos del vuelo del paracaidista

Volviendo de nuevo a las nubes, imaginemos en un primer momento una masa de aire con moléculas de agua disueltas en su interior. El vapor es más ligero que el aire, por lo que ningún fenómeno es necesario para su sustentación. Pongamos ahora que algunas moléculas se reúnen en torno a un grano de polvo formando una gotita. Su densidad aumenta conforme se unen más moléculas, hasta que su peso es suficiente como para superar al del aire que la rodea, y cae. Sin embargo, su peso y su superficie son tan ridículos que alcanza la velocidad límite en cuestión de centímetros, y en su recorrido la gota ha podido ser dispersada o fragmentada. Por esto las nubes “flotan”: la velocidad límite de las gotitas es diminuta.

Aparte de esto, cabe apuntar que las nubes se forman generalmente por procesos convectivos que empujan el aire húmedo y cálido hacia capas más altas, frías y secas, y estas corrientes ascendentes empujan a la nube hacia arriba. Por otro lado, el otro efecto fundamental que permite a la nube flotar es su densidad: es cierto que la nube pesa miles de kilogramos en agua, pero está disuelta en muchos miles de kilogramos más de aire, y este coloide es estable.

¿Qué le ocurre entonces a una gota cuando llueve? La gota se crea y cae, y en su caída arrastra más gotas con ella, de manera que su peso aumenta a la par que su superficie, pero de manera descompensada, permitiendo la caída. Si la superficie es demasiado grande, la gota lo compensa fraccionándose en dos y continuando su caída, donde puede congelarse en algunos puntos para después volver a su forma líquida e impactar contra nuestro paraguas.

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