¿Y si el cielo se cae sobre nuestras cabezas?

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¿Y si el cielo se cae sobre nuestras cabezas?

Mensajepor Tropelio » Lun Nov 07, 2016 5:36 pm

Hola,

Supongo que quien más quien menos leería en su tierna juventud (y ahora también, que son muy divertidas) las aventuras de Asterix el galo. Como recordareis, lo galos del pueblo irreductible de las Galias (estos franceses con su grandé que durante el siglo XX los alemanes le recordaban de tanto en tanto...) sólo temían una cosa: que el cielo se les cayera sobre su cabeza... Y es que no estaban muy equivocados, ¿no? Porque vamos a ver: nos han explicado que las nubes están hechas de muy pequeñas gotitas de agua (o, incluso, en las nubes altas como los cirros, de hielo) formadas al condensar el vapor de agua. Pero entonces la pregunta inmediata es: ¿cómo es que no se nos caen las nubes en la cabeza? Porque la densidad del aire es 1 kg/m^3 mientras que la del agua es 1000 kg/m^3. ¿Qué pasa con el maestro Arquímides? ¿Estaba equivocado?

Vamos a hacer un ejemplo. Tomemos una nube típica del cielo como el cúmulo de esta foto:

Imagen

Podemos aproximar razonablemente su forma por la de un cilindro de las dimensiones indicadas en la foto. Los estudios experimentales que se han hecho desde hace muchisimos años indican que una nube como la de esa foto tiene unas 100 gotitas de agua por cm^3 y el tamaño medio de esas gotitas es de 0,01 milímetros. La pregunta es entonces, ¿cuánto pesa (buenooooo, está bien, que masa tiene) esa nube de la foto?

Cuando hayas hallado la respuesta a la pregunta anterior (que me gustaría comentes aquí), me imagino que empezarás a tomarte en serio el temor de los galos... Y, sin embargo, no se conocen casos de gente defenestrada porque se les haya caido una nube sobre la cabeza. ¿Alguna explicación?

Vamos a hacer unos números para hacernos una idea más precisa de lo que estamos hablando:

El volumen de la nube es 1,5708x10^9 m^3, número que vamos a redondear como 1,6x10^9 m^3 pues estamos haciendo tan sólo estimaciones (no tiene mucho sentido ponerse estupendos con muchos decimales cuando estamos cubicando la nube aproximando su forma por un cilindro). Por otra parte, el volumen de una de las gotitas de agua que la forman es V = 4xPixR^3/3, siendo R el radio de la gotita. Eso nos da entonces un volumen de V=4x3,14x(1x10^-5)^3/3 = 4x10^-15 m^3 (de nuevo redondeando los decimales). Así que teniendo en cuenta la densidad del agua, la masa de una de esas gotitas es M=Vxdensidad = 4x10^-15x10^3=4x10^-12 kg. Ahora tengamos en cuenta que 1 m^3 = 10^6 cm^3, así que en 1 m^3 de nube hay 100x10^6 = 10^8 gotitas. La masa de agua de ese metro cúbico de nube es entonces 10^8x4x10^-12=4x10^-4 kg. La masa total de la nube es por tanto:

M = 4x10^-4x1,6x10^9 = 6,4x10^5 kg = 640 toneladas!

Nada menos que 640 toneladas y, sin embargo, no se nos cae en la cabeza, ¿o sí se cae?

Antes de contestar a esto, hagámosnos una idea de cuanta agua es esa comparado con el aire que contine la misma nube. Es decir, si suponemos que toda ese agua está en forma líquida en el fondo de la nube cilíndrica de las dimensiones de la foto, ¿qué altura alcanzaría el agua en ese recipiente cilíndrico? Esto es muy fácil de estimar. Se trata de calcular la altura H de un cilindro cuya base tiene un radio de 1 km y cuyo volumen ha de ser el volumen ocupado por 640 toneladas de agua, o sea, 640 m^3 porque cada metro cúbico de agua tiene una masa de 1 tonelada (la densidad del agua es 1000 kg/m^3). Así pues:

Pi (10^3)^2xH = 640 --> H = 640/PI/(10^3)^2 = 203x10^-6 m^3 = 0,2 milímetros

o sea, una miseria. Es decir, que esa nube de la foto, y todas las nubes claro, son prácticamente aire y, sin embargo, su masa de agua es de 640 toneladas.

Pasemos a la cuestión de si se caen o no se caen las nubes. La respuesta es que sí se caen, pero se caen tan despacio que antes de llegar al suelo han sufrido seguro algún proceso que las ha disipado o, simplemente, el viento se las ha llevado a dónde ya no la vemos. Veamos porqué:

Cuando un cuerpo se mueve en el interior de un fluido (como es el caso de una gota de agua cayendo a través del aire) sufre una fuerza de rozamiento que se opone a ese movimiento. Esta fuerza de rozamiento depende de la velocidad a la que se mueve el cuerpo (es mayor cuanto mayor es la velocidad), de la forma del cuerpo (por eso los aviones, los coches, los barcos, etc tienen una forma determinada, para reducir la resistencia hidrodinámica) y de las carasterísticas (la viscosidad) del fluido a través del que se produce el movimiento. En concreto, para una esfera de radio R moviéndose con velocidad v en el seno de un fluido cuyo coeficiente de viscosidad es k, la fuerza de rozamiento es:

F_r = 6 Pi k R v

ecuación que se conoce como la ley de Stokes. La viscosidad es una medida de la fricción interna del fluido, es decir, de la fricción entre sus distintas capas o, en otras palabras, una medida de su resistencia a fluir. La ecuación anterior indica que las unidades de k son las de fuerza dividido por las de longitud y velocidad: [k]=N/(m x m/s)=N x s/m^2=Pa x s (o sea, unidades de presión x tiempo, pascales x segundo). En el caso que nos ocupa el fluido es el aire. Su viscosidad depende fuertemente de la temperatura, como de hecho ocurre con la viscosidad de todos los fluidos. A 20º C la viscosidad del aire es 1,8x10^-5 Pa s. A modo de comparación, la viscosidad del aceite de motor a 30ºC es aproximadamente 0,2 Pa s, cuatro órdenes de magnitud mayor.
La gota de agua cae a través del aire sometida entonces a su peso, a la fuerza de rozamiento hidrodinámico y, también, al empuje, E, debido al principio de Arquímides cuyo valor es el peso del volumen de la gota de agua rellena de aire. A medida que la gota acelera en su movimiento de caida, aumentando su velocidad, aumenta progresivamente la fuerza de rozamiento. Cuando las fuerzas verticales en sentido ascendente (F_r más el empuje) igualen al peso de la gota habremos llegado a una situación en la que la fuerza neta es nula de modo que, a partir de ese momento, la gota caerá con velocidad constante. Esta velocidad máxima, o velocidad límite, v_max, alcanzada por la gota será entonces:

mg=6 Pi k R v_max+E

donde m es la masa de la gota de agua y g la aceleración de la gravedad. Si rho_l es la densidad del agua y rho_a la del aire, entonces la masa de la gota de agua es m = V rho_l y el empuje es, de acuerdo con el principio de Arquímedes, E = V rho_a g donde V = 4 Pi R^3/3 es el volumen de la gota de agua (R es su radio). Así que si ahora introducís estas expresiones en la ecuación anterior y dspejáis la velocidad máxima de caida de la gota de agua obtenéis:

v_max = 2 (rho_l - rho_a) g R^2 /(9 k)

Y esta es la clave de la cuestión porque si ahora ponemos valores a las variables en esa ecuación (densidad del agua, densidad del aire, aceleración de la gravedad, radio de la gota y viscosidad del aire) obtenemos que las gotitas de agua de nuestra magnífica nube de 640 toneladas caen a una velocidad máxima de:

v_max = 2(10^-3 - 1) x 9,8 x (1x10^-5)^2 / (9 x 1,8x10^-5) = 0,012 m/s

Así que en caer 1 metro la gotita tarda un tiempo t = 1/0,012 = 83 segundos. Si nuestra nube está a, digamos, 2km de altura tardaría en caer 2000x83=166000 segundos, unos 2 días. Y aquí es donde intervienen otras cosas como las corrientes ascendentes de aire en la atmósfera: la velocidad máxima de caida de la gota, 0,012 m/s, es mucho menor que las velocidades típicas de ascenso del aire debido a las corrientes convectivas generadas por el calentamiento del aire en contacto con la superficie del planeta. No es de extrañar pues que esas corrientes las mantengan a flote de manera prácticamente indefinida hasta que cualquier proceso de calentamiento las disipe por evaporación de las gotitas de agua. Más aún, el radio que hemos supuesto para las gotas de esta nube es en realidad bastante mayor de la media de tamaño que se observan en una nube que es en torno a 6 micras, es decir 6x10^-6 metros. Si te molestas en repetir la cuenta con este radio verás que la velocidad máxima de caida de las gotas es aun mucho menor (porque el radio aparece al cuadrado en la ecuación de v_max).

En resumen, las nubes sí se caen, como no podía ser de otro modo (bien por acción de la gravedad y si no hubiese gravedad se caerían por su propio peso, como decía aquél sabio). Pero lo hacen tan lentamente (debido a que el tamaño de sus gotitas es tan pequeño que la viscosidad del aire es capaz de frenarlas) que tardan tanto en caer que antes, aburridas, deciden suicidarse.

Saludos,
Tropelio
A la tripulación hay que putearla que si no se amaricona.

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