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lunes, abril 24, 2006

Aviones y la rotación de la Tierra

Volvemos a la modalidad de consultorio. Oscar Hierro me ha enviado un correo electrónico con la siguiente pregunta:

Siempre pensé que un trayecto en avión entre dos puntos volando en el mismo sentido de rotación de la Tierra (para hacerlo más sencillo, en trayectoria paralela al Ecuador) tardaría más tiempo en realizarse que si ese mismo vuelo fuera en sentido inverso, es decir, volando en contra del movimiento rotatorio ("a contra corriente"). ¿Qué hay de cierto en ello? A simple vista tiene sentido, pero quizá estoy obviando alguna ley física que lo contradice.

Bueno, en principio, la rotación de la Tierra no debe afectar directamente al vuelo de un avión. Una avión básicamente se propulsa "empujando el aire hacia detrás". Bien mediante hélices, bien mediante reactores, el avión "tira" del aire, por decirlo de alguna manera, y lo "empuja" hacia atrás. Debido a la Tercera Ley de Newton (el famoso Principio de Acción y Reacción), el avión es empujado hacia delante. Es el mismo principio físico que se aplica en un barco o en un coche. El agua o el suelo es empujado hacia detrás por el vehículo, y éste resulta empujado hacia delante.

Así que la velocidad de un avión con respecto al suelo es la velocidad del avión con respecto al aire, más la velocidad del aire con respecto al suelo. Es decir, si suponemos que un avión mantiene la misma velocidad con respecto al aire (básicamente, mantener la misma fuerza de empuje, y suponer que las propiedades del aire circundante no varían), si no hay viento, la velocidad del avión con respecto al suelo será la misma en cualquier dirección. Pero si tenemos viento, el avión irá más deprisa si el viento es a favor, y más despacio si es en contra.

Por tanto, la pregunta que uno debe hacerse es A medida que la Tierra rota ¿se quéda atrás el aire?. Es evidente que en el suelo, y a bajas alturas no. Nuestra experiencia cotidiana nos demuestra que no existe un viento constante de Este a Oeste. ¿Y a la altura a la que viajan los aviones? Podríamos decir también que no. El movimiento de masas de aire en nuestra atmósfera está determinada por multitud de factores, como diferencias de presión, de temperatura... y sí, la rotación terrestre. No olvidemos que la rotación de nuestro planeta es la causa de la conocida fuerza de Coriolis, y que esta fuerza es la que hace que anticiclones y borrascas giren en el sentido en el que lo hacen (y por cierto, contrariamente a la creencia popular, no influye en bañeras y lavabos).

Así que la rotación de la Tierra influye indirectamente en el vuelo de los aviones. Pero he de hacer hincapié en lo de indirectamente. No es algo tan simple como una corriente de aire de Este a Oeste. De hecho, existe una corriente de aire casi en el límite con la estratosfera, llamada jet stream, con vientos de cientos de km/h, cuyo movimiento es precisamente en dirección opuesta sentido opuesto.

17 comentarios:

  1. Por lo que yo se (que no es mucho), la atmósfera rota junto a la Tierra, o lo que es lo mismo, Tierra+atmósfera se mueven como un todo. Por lo que, como bien dice Alf, la rotación no afecta directamente a la velocidad respecto al suelo de un avión.
    El jet stream es uno solo o existen varios? Tengo un amigo controlador aéreo y me dice que hay distintas corientes de aire (llamadas en castellano autopistas aéreas) que los aviones intentan alcanzar para 1) llegar más deprisa a destino y 2) ahorrar combustible. No se si estas autopistas son lo mismo que el jet stream. ¿alguna respuesta?

    Saludos,

    Nelor

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  2. Una cosnulta que podria haber hecho yo, ... gracias por la respuesta.

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  3. Muchas gracias por la respuesta Alf, como siempre, muy trabajada :)

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  4. Alf dijo: "Así que la velocidad de un avión con respecto al suelo es la velocidad del avión con respecto al aire, más la velocidad del aire con respecto al suelo".

    Sin entrar al fondo de la cuestión, lo que se dice ahí arriba no es exacto. Para nada.

    Las cosas son aún más complicadas que todo eso, de tal forma que lo de encima puede ser, en la realidad, completamente erróneo. Y eso pasa por ignorar la fuerza de rozamiento y que el aire en sí mismo lleva o puede llevar cierta velocidad. Vamos, que fuerza de rozamiento, viento y variabilidad de su dirección en función del lugar y de la altura, la diferencia de presión según altura --que hace variar la fuerza de rozamiento... y el empuje-- pues qué quieres que te diga... que complica un pelín las cosas.

    Que por poner el ejemplo, podríamos encontrarnos que un avión que se enfrenta a un temporal, tenga un desplazamiento negativo --o sea, que vuele de cola-- debido a que la fuerza de propulsión es menor que la fuerza de rozamiento del aire sobre el fuselaje y el borde de ataque de las alas, debido a la enorme velocidad del viento, lo cual desmonta la afirmación de arriba.

    Os recomiendo una lectura nada técnica pero realmente hermosa sobre la experiencia de volar, donde se narra la vivencia de un episodio como el que os comento: "Biplano", de Richard Bach; sí, el de "Juan Salvador Gaviota", descendiente de Johann Sebastian, el compositor.

    http://es.wikipedia.org/wiki/Richard_Bach

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  5. Sólo hacer dos comentarios, Alf:

    De este a oeste apenas tendrá importancia, pero si el avión fuera desde un Polo hacia el Ecuador, a medida que bajara, la Tierra giraría el suelo se movería bajo dicho avión. El resultado sería una desviación que más se notaría cuando más durara el vuelo.

    Por otro lado, dices en el párrafo final "movimiento de dirección opuesta". Debo puntualizar (ya que es malaciencia :), que una dirección tiene dos sentidos. Sería "en sentido opuesto".

    Salud!

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  6. Pablojota, estás hablando de fuerzas, pero en la frase solo menciono las velocidades. La afirmación es cierta en cualquier caso imaginable (bueno, a velocidades relativistas no estoy seguro, pero no es el caso). Generalizando más, la velocidad de A con respecto a C, es igual a la velocidad de A con respecto a B más la velocidad de B con respecto a C (siempre de forma vectorial, claro), independientemente de que haya o no relación entre los tres cuerpos. Es una cuestión de sistemas de referencia.

    De hecho el caso que comentas del temporal, reafirma lo dicho. La velocidad del aire con respecto al suelo es mayor que la del avión con respecto del aire (y en sentido opuesto), y por eso el avión se desplaza "hacia atrás" con respecto al suelo.

    Por supuesto, en el caso que nos ocupa, la velocidad del avión con respecto al aire está relacionada con muchos factores, como el empuje, el rozamiento, etc. Pero lo que quería destacar es que el avión sólo puede "actuar" sobre el aire que le rodea, independientemente de lo que le ocurra al suelo, y que además, ese aire puede desplazarse con respecto al suelo de muchas maneras, y no necesariamente "quedarse atrás" a medida que la Tierra rota.

    El párrafo anterior también contesta en parte a Omalaled. El suelo no se desplaza por debajo del avión, sólo por efecto de la rotación terrestre. Para que eso ocurriese, las capas de la atmósfera de vuelos comerciales (más o menos en en límite entre troposfera y estratosfera) tendrían que permanecer estáticas, de alguna manera, con respecto a las estrellas o al Sol. Es decir, que la Tierra gire, pero la atmósfera no. Y eso no es así.

    Imaginad un experimento: un globo en la estratosfera, en condiciones en las que no haga nada de viento. EL globo permanecería estacionario con respecto al suelo.

    Hagamos un pequeño cálculo, que tal vez tendría que haber puesto en el envío: El ecuador terrestre tiene una longitud de 40.075 km. Un punto cualquiera en el mismo, debido a la rotación de la Tierra, recorre esa distancia en 24 horas, lo que nos da una velocidad de casi 1.670 km/h. A 40º de latitud (más o menos la de Madrid), la circunferencia del paralelo es de casi 30.700 km (la longitud del ecuador por el coseno de 40º). Eso nos da una velocidad de casi 1.280 km/h. La velocidad de crucero de un avión de pasajeros es de unos 900 km/h (más o menos). Si la atmósfera no siguera solidariamente el movimiento terrestre, los aviones no podrían volar de Madrid a Roma, dado que no podrían "alcanzar" la velocidad del suelo.

    Hablando de otra cosa, Omalaled tiene razón con lo de la dirección y el sentido. Desde un punto de vista matemático, la dirección es la recta sobre la que se apoya el vector, y el sentido es la orientación (una dirección tiene dos sentidos). En el lenguaje coloquial, no se realiza esta distinción (el el código de circulación se habla de direcciones prohibidas, por ejemplo), y de hecho, la tercera acepción ´de "dirección" según la RAE es "Camino o rumbo que un cuerpo sigue en su movimiento", así sin más. Pero creo que tienes razón, si aquí se habla de ciencia, hay que utilizar el sentido matemático de esas dos palabras.

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  7. Error!

    Los jet-streams van tanto de este hacia oeste como al contrario. Es cierto que la mayoria van hacia el este pero, hay un jet-stream que va hacia el oeste: el jet-stream ecuatorial. Que se suele encontrar entre las latitutes 7N.

    En total podemos encontrarnos 4: el artico, el subtropical, el ecuatorial y el de el frente polar.

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  8. Hola.. tengo una pregunta, aunque no tiene nada, o casi nada que ver :)

    Supongamos que todos los vehículos que tenemos en la superficie terrestre acordaran en acelerar todos en la dirección de rotación de la tierra, y todos ellos en el mismo sentido, en el mismo instante de tiempo. Mi duda es: variaría ligeramente la velocidad de rotación de la tierra?
    Sería como una manera de aceleración por propulsión?

    Gracias por vuestras respuestas :)

    Boyan

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    1. Jajajaj y si todos los chinos saltaran a la vez??

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    2. Jajajaj y si todos los chinos saltaran a la vez??

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  9. Entiendo los puntos de vista y al mismo tiempo no lo entiendo. Llegué por aqui por pura curiosidad, pero ahora me doy cuenta que realmente la rotación de la tierra no influye a ningún lado. Pongo como ejemplo una mosca dentro de un automovil. Si en realidad influyera la velocidad de este mientras la mosca vuela adentro, esta debería quedarse pegada en el vidrio trasero. Pero no es así porque este es tratado como parte de la fuerza que empuja el vehículo y todo lo que está adentro. Igual creo debe ocurrir con la tierra. Todo lo que está adentro se mueve con ella aunque este se mueva solo de un punto a otro. Que curioso !!!

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    1. Jajaja no había caído, a efectos prácticos una mosca es casi como un avión, no toca en suelo. Tienes razón que bueno

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    2. Jajaja no había caído, a efectos prácticos una mosca es casi como un avión, no toca en suelo. Tienes razón que bueno

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  10. Si un avion viaja en sentido de la rotación terrestre. La velocidad real seria la suma de la velocidad de rotación mas la velocidad del avión?

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  11. Sin duda, la masa de aire que existe alrededor de la Tierra (atmósfera) gira con ella, de lo contrario tendríamos que "atarnos" al suelo para no salir despedidos por la velocidad del aire. Por otro lado, es lógico pensar que la capa más cercana a la Tierra, por rozamiento, es arrastrada por ella y por eso no notamos el giro de la Tierra. Ahora bien, existe una zona llamada Capa Límite que es esa zona desde la Tierra hasta una altura x que está influenciada por el giro de la Tierra. ¿Hasta qué altura (lógicamente es variable en función de diversos factores) llega esta Capa Límite? Es lógico pensar que cuanto más alto vuele un avión, menos influencia tendrá el giro de la Tierra; la duda es a partir de qué altura influye realmente menos o si es igual de efectivo el efecto de dicho giro en toda la atmósfera.

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  12. Por la altura a la que viaja el a avión no le afecta. Tierra, atmósfera y avión se mueven como lo todo. Dentro de ese todo el avión se mueve. Dicho en otras palabras y ojalá aclaren más, el avión se mueve por dos fuerzas, una por el movimiento de la tierra pero como esta a relativamente baja altura se mueve a la misma velocidad que la tierra y la atmósfera (en conjunto) y la otra fuerza es la de sus turbinas que hacen que se desplace de un punto a otro "dentro de la tierra" (tierra y atmósfera)

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  13. Para comprobar esto empíricamente sin acudir a la nasa, seria observando los meteoritos.
    aquellos que entran con dirección al giro del planta generarían un rose menor a aquellos que entran en dirección contraria,
    así como aquellos que entren en dirección norte o sur deberían experimentar una desviación en su cola.
    Esto debido a que teóricamente la atmósfera gira en conjunto con la tierra como una masa.

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