¿Por qué flotan las nubes si están hechas de agua?

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Cúmulo de nubes. (Imagen creative commons vista en Pixabay).
Cúmulo de nubes. (Imagen creative commons vista en Pixabay).

Seguro que os habéis quedado “embobados” mirando pasar las nubes sobre vuestras cabezas, jugando a imaginar qué representan sus formas flotantes. Desde el punto de vista de la ciencia las nubes son cualquier cosa menos sencillas. Todos sabemos que están formadas de gotitas de agua en suspensión, y que tienen dos formas de “morir”. Si las nubes son pequeñas, dispersas y poco cargadas, pueden desvanecerse a medida que el calor evapora las micro-gotitas que las componen. Otras veces, cuando las circunstancias son las idóneas, las gotitas tienden a juntarse formando gotas más grandes, capaces de romper el estado de equilibrio que las mantenía inmóviles, y es entonces cuando comienzan a precipitarse hacia el suelo en forma de nieve o lluvia. Esa es la razón por la que los meteorólogos hablan de “precipitaciones” cuando llegan las nevadas o los aguaceros.

Pero volvamos sobre el titular de este artículo, enunciado en forma de pregunta. La respuesta más breve y concisa sería decir que en realidad las nubes no flotan, pero para llegar a entender qué las mantiene en ese estado “suspendido”, conviene antes explicar algunos conceptos como el de la flotabilidad.

Consideremos una de las características del aire, un compuesto gaseoso que tiene masa (probad a sacar una mano cuando vayáis en coche y la notaréis) pero que aun así consigue flotar. Imaginaos un bloque de aire en forma de cubo, cuyas aristas miden exactamente un metro (es decir un metro cúbico). Dado que al aire tiene masa, se ve sometido a la fuerza de la gravedad que tira de él hacia abajo. Si nuestro m3 de aire estuviera situado cerca del suelo, esta fuerza tendría una magnitud igual al producto de su masa (1,2 Kilos) por el campo gravitatorio (9,8 newtons por kilo). El resultado sería 11,8 newtons, o si lo preferís 1,2033 kilogramos fuerza.

Pero si no hay viento y observamos que nuestro m3 de aire se mantiene en su sitio, entonces la suma de fuerzas sobre él debe ser cero newtons, es decir debe existir otra fuerza en sentido inverso (hacia arriba) que se oponga a la gravedad. A esta fuerza elevadora la llamamos flotabilidad.

Podríamos decir que esta fuerza ascendente se produce como resultado del efecto que la presión del aire ejerce alrededor de nuestro m3 de gas (porque en efecto hablamos de aire flotando en aire) en todas las direcciones. Dado que la densidad del aire se incrementa a medida que nos acercamos al suelo, la fuerza que el aire ejerce sobre nuestro cubo desde abajo es mayor que la que se ejerce desde arriba, y por tanto el resultado es una fuerza neta ascendente: la flotabilidad.

Así pues, en el caso del aire de nuestro cubo estático la fuerza de la gravedad y de la flotabilidad son iguales en magnitud, 1,22033 kilogramos fuerza, aunque en sentidos opuestos.

Cambiemos ahora el contenido de nuestro cubo imaginario y llenémoslo de agua. Todos sabemos lo que va a pasar si liberamos un m3 de agua, se desparramará hacia el suelo y no habrá forma de que la flotabilidad (que existe y tiene la misma magnitud que en el caso del aire) se equilibre con la de la gravedad, ya que la masa del agua contenida por nuestro cubo sería de 1.000 kilos. Si hacéis los cálculos, veréis que la gravedad atraería al suelo nuestro cubo con una fuerza de 9.800 newton, o 999.322 kilogramos fuerza. La flotabilidad simplemente no es rival para la gravedad y pierde en una desproporción aproximada de 1000 a 1, así pues en lo referente a agua casi podemos descartarla en la ecuación.

De hecho, para que la flotabilidad venza a la gravedad lo que necesitamos es llenar nuestro cubo imaginario con una sustancia cuya densidad sea menor que el aire. En nuestro día a día conocemos dos formas de hacer esto, una es llenarlo de helio y la otra de aire caliente (que es menos denso que el aire a temperatura ambiente). Seguro que habéis visto globos elevarse con cualquiera de estos dos métodos.

Pero ahora empieza lo interesante, porque si llenamos nuestro cubo imaginario del material que compone las nubes, que básicamente es aire con gotitas de agua muy pequeñas en suspensión, el sentido común nos dicta que este cubo “nuboso” también debería mostrar la victoria de la gravedad en la suma de la fuerzas ya que contiene agua, que es más densa que el aire. ¡Y sin embargo las nubes parecen flotar!

¿Cómo es posible? Bien, o lo había dicho a comienzos del artículo, en realidad las nubes no flotan. El tamaño de las gotitas (realmente diminutas) que conforman las nubes es importante. Aunque tengan la misma forma (asumamos que esférica) y el mismo tamaño, no se comportan de igual manera. Llegado este punto debemos incluir otro concepto en el relato: la resistencia que las gotitas ejercen contra el que las rodea. (La misma que mueve tu mano cuando la sacas por la ventanilla del coche).

Al igual que la flotabilidad, la fuerza del rozamiento depende de la densidad del aire, pero también depende del área de la sección transversal del objeto (nuestras gotas esféricas), un parámetro que básicamente tiene que ver con su tamaño, forma y velocidad.

Para simplificar, podríamos decir que para que las gotas se mantenga en suspensión estas deben lo suficientemente pequeñas como para que el rozamiento del aire que hay a su alrededor (y que tira de ellas hacia arriba) las mantenga en equilibrio. Siempre que el peso de la gota sea inferior a la fuerza de rozamiento, estas flotarán.

Pero, nuestras gotitas de aire tienden a chocar las unas con las otras, agregándose y formando gotas más grandes. Y como hemos visto, en el caso de las gotitas que forman las nubes el tamaño importa y mucho. Cuando el peso de nuestras gotas es superior a la fuerza de rozamiento que el aire ejerce a su alrededor, esta comienza a caer.

¿Es o no es fascinante? Una vez que uno conoce estos conceptos comienza a mirar las nubes de un modo diferente, casi reverencial. ¡La física es simplemente increíble!

Me enteré leyendo Wired.

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