actualizado el 29.01.2004

La gravitación o la atracción terrestre : ¡ muy útil para llegar "al suelo" !

El peso, es la fuerza vertical dirigida hacia abajo que provoca la gravitación terrestre sobre un cuerpo.
P = m . g donde m es la masa del cuerpo, es decir, la cantidad de materia que la compone.
La masa de un globo, es básicamente la masa del aire caliente contenido en la envoltura.
La masa de un m³ de aire a 35°C es aproximadamente 1,145 kg.
Ejemplo del globo de 14,5 m de diámetro : se tienen 1735 m³ de aire en el globo...
¡ La masa de un globo solar de 14,5 metros de diámetro es de aproximadamente 2 toneladas ! .
Al cual hay que agregar la masa de la envoltura (polietileno + adhesivo + cuerdas + círculo de carga + silla), y la masa de la carga transportada (lastre, piloto, paracaídas, accesorios de vuelo).

El principio de Arquímedes :

¡ Principio enunciado por Arquímedes hace más de 22 siglos ! :
"Todo cuerpo sumergido en un fluido recibe una fuerza opuesta a su peso y del mismo valor al peso del fluido desplazado". ¡ El cuerpo sumergido en el fluido es el globo !.
Esta fuerza es llamada el empuje de Arquímedes. Su dirección es siempre vertical, su sentido es dirigido hacia arriba (debido a que es opuesto al peso), su intensidad es igual al peso del aire a temperatura ambiente desplazado por el globo.

Balance de las fuerzas :

- En atmósfera estable, el globo asciende si la resultante de las fuerzas aplicadas al globo, Fa, es una fuerza dirigida hacia arriba:
Empuje de Arquímedes > peso del aire caliente contenido en la envoltura + peso de la envoltura del globo (peso vacío) + peso de la carga transportada.
- En atmósfera estable, el globo vuela nivelado (en equilibrio) si la resultante de las fuerzas aplicadas al globo Fa es cero :
El empuje de Arquímedes = peso del aire caliente contenido en la envoltura + peso de la envoltura del globo (peso vacío) + peso de la carga transportada.

La masa volumétrica y el diferencial de temperatura :

La masa volumétrica, es la cantidad de materia por m³ (unidad de volumen). Por ejemplo, la masa volumétrica del aire a 15 °C es 1,225 kg/m³. Un globo fabricado con una película plástica negra e inflado con aire seco absorbe una cantidad de energía solar suficiente para elevar significativamente su temperatura interior. El aire se dilata, se hago más ligero. Esto reduce significativamente la masa volumétrica del aire en el interior del globo (debido a que existen menos moléculas por m³). Esta burbuja de aire caliente es más ligera que el aire ambiente. Por lo tanto ésta asciende debido a la diferencia de las masas volumétricas.

A nivel del mar y bajo una presión atmosférica de 1013 milibares, se puede comprobar entonces que :

• masa de un m³ de aire ambiente a 15°C : 1,225 kg
• masa de un m³ de aire a 35°C : 1,145 kg
• para una diferencia de temperaturas de 20°C entre el aire caliente (en el interior de la envoltura) y el aire ambiente (en el exterior), la diferencia de las masas volumétricas es entonces de 80 gr por m³ lo cual produce la fuerza aerostática
  (de acuerdo a los valores de la International Standard Atmosphere - ISA).
• Si el diferencial de temperatura aumenta, la fuerza aerostática aumenta: es así que el globo solar de 4 m de diámetro levantó mas de 3 kg a una temperatura exterior de -8°C, mientras que en verano solo levanta aproximadamente 2 kg.

Para su información, la masa volumétrica del helio es de 0,176 kg/m³. La diferencia de las masas volumétricas entre el aire ambiente y el helio es de 1,1 kg/m³ aproximadamente
pero el helio es caro y además se fuga.

Otros efectos presentes en el globo solar :

• La radiación térmica del sol : Es más intensa cuando la atmósfera se vuelve más rara (con la altitud) y cuando se esta más cerca de la perpendicular a la superficie. Esta es de 1360 W/m² fuera de la atmósfera (constante solar) y de 1000W/m² en el suelo (cuando el sol esta en el cenit y el cielo esta despejado). La potencia de la radiación solar (promedio al año y tomando en cuenta la alternancia día/noche y los periodos nublados) es de 120 a 260W/m².
• La radiación solar reflejada : de acuerdo al tipo de suelo o de nube (si se esta arriba...) una fracción de la radiación solar es reflejada. El albedo es la proporción de la radiación solar que es reflejada : el hielo, la nieve fresca de 0,6 a 0,8 - suelos llanos, desiertos de 0,3 a 0,4 - bosquetes y zonas agrícolas de 0,1 a 0,15 - agua de 0,05 a 0,1 - sobre las nubes: estratos 0,4 - cúmulos 0,8. Entre más clara es la superficie más será la reflexión de la radiación. El albedo del polietileno negro es muy próximo a cero, es decir que éste absorbe toda la radiación térmica recibida (la radiación reflejada es nula).
• La transmisión térmica : Es el intercambio térmico entre la pared calentada por la radiación térmica y el aire en el interior del globo. Es también el intercambio térmico entre la pared calentada por la radiación térmica y el aire en el exterior del globo: fenómeno de convección libre o forzado en el exterior del globo.
• La convección térmica : Las diferencias locales de temperatura en el globo originan variaciones locales de densidad del aire. Aparecen movimientos que "agitan" el aire en el interior del globo y provocan una transferencia térmica que tiende a unificar la temperatura del aire.
• Efecto de la porosidad del polietileno (despreciable) y las fugas en la envoltura.
• El escape térmico por la parte inferior (círculo de carga) o por la parte superior del globo (válvula).

Vocabulario específico :

• La resultante de las fuerzas aplicadas al globo, Fa : Es el resultado de : Empuje de Arquímedes - peso del aire caliente contenido en la envoltura - peso de la envoltura del globo (peso vacío) - peso de la carga transportada.
• El empuje de Arquímedes o fuerza de Arquímedes : Es el peso del aire ambiente desplazado por el globo.
• El peso de un globo solar : Es la suma de los pesos del aire contenido en la envoltura, más el de la envoltura (polietileno + pegamento + cuerdas + círculo de carga + silla), más la carga transportada (lastre, piloto, paracaídas, accesorios de vuelo).
• Peso vacío : es el peso de la envoltura (polietileno + pegamento + cuerdas + círculo de carga + silla).
• Carga efectiva : es el peso de todo lo que transporta el globo: peso del piloto, del paracaídas, del lastre, de los accesorios de vuelo.
• Carga útil o capacidad de levantamiento del globo : Es la carga que puede levantar el globo. Es la diferencia entre la fuerza aerostática del globo y el peso de vacío del globo. ¡ Atención ! la carga útil varía en función del volumen del globo, del diferencial de temperatura, de la altitud y de la presión atmosférica.
• La carga útil máxima : Es la capacidad máxima de levantamiento del globo bajo condiciones óptimas: volumen máximo, etc.

• La fuerza aerostática : Es el efecto directo de la diferencia de las masas volumétricas : masa volumétrica del aire ambiente - masa volumétrica del aire caliente.
  Es el resultado de : El empuje de Arquimedes - peso del aire caliente contenido en el globo. Como el aire caliente es más ligero que el aire ambiente, la resultante de estas 2 fuerzas es una fuerza vertical dirigida hacia arriba.
  La fuerza aerostática de un globo es proporcional al volumen de la envoltura y al diferencial de temperatura. Esta varía con la altitud y la presión atmosférica.