El físico responde: ¿Porqué volar de España a América es más rápido que de América a España?

Me parece una iniciativa genial y voy a aprovechar para hacerte una pregunta que creo que de primeras parece muy estúpida pero tiene su jugo.

¿Porqué volar de España a América es más rápido que de América a España?

Es evidente que el motivo es la rotación de la Tierra, pero entrando un poco en detalle y haciendo un supuesto la cosa queda menos clara:
¿Qué ocurriría si dejáramos un globo aerostático “flotando” a 500 metros del suelo y no hubiera viento? ¿Se movería hacia el Este? Es cierto que la Tierra rota, pero al dejar el globo “flotando” este se mueve con la misma velocidad que la superficie de la Tierra.

Alcanzo a imaginarme la respuesta pero soy incapaz de plasmarla, ¿podrías ayudarme?

¡Gracias!”

Bueno, empecemos por los hechos. Todo aquel que haya hecho un viaje transatlantico entre América y Europa (por ejemplo, Madrid-Nueva York que es el que yo he hecho 🙂 ) se habrá dado cuenta de que el viaje cuando vas en dirección América tarda unas horas menos que cuando vas en dirección Europa. Y esto se puede generalizar fácilmente a todo el globo: viajar en avión en dirección Oeste es más rápido que hacerlo en dirección Este. Como dicen en la propia pregunta, es evidente e intuitivo que la rotación de la Tierra tiene algo que ver; sin embargo la respuesta completa es más complicada de lo que parece. Para entenderla tenemos que tener en consideración 2 cosas: cómo se mueve la Tierra y cómo se mueve el aire.

Supongo que todos sabemos cómo se mueve nuestro planeta: la Tierra rota sobre su eje norte-sur a una velocidad de una vuelta por día. Sabiendo esto vamos a ver a qué velocidad se está moviendo (en km/h) la superficie del planeta que es donde nosotros vivimos: un punto en el ecuador de la Tierra recorre el perímetro del planeta (alrededor de 40.000 km) en 24 h, entonces la superficie del ecuador se está moviendo a unos 1668 km/h. Impresionante ¿verdad? ¡Y parece que no nos movemos en absoluto! Eso es en el ecuador, a medida que nos movemos más al sur o al norte la distancia que recorre un punto cuando la Tierra da una vuelta es menor, por lo que la velocidad de superficie disminuye hasta llegar a los polos en los que la velocidad de la superficie es 0 km/h. Por si alguien está interesado, un rápido cálculo nos dice que la velocidad a la que se mueve un punto de la superficie en una latitud L del planeta es v(km/h) = 1668*cos(L); por ejemplo, en Madrid, España (L=40°) el suelo se mueve a v=1278 km/h).

Ahora vamos a ver cómo se mueve el aire. El mi último artículo os hablé de porqué ocurria el viento, pero el fenómeno del que vamos vamos a hablar ahora es diferente, lo podemos seguir llamando viento pero no tiene nada que ver con la meteorología. Además, los aviones vuelen a la suficiente altura como para que las nubes y el viento meteorológico no lo afecten prácticamente (aunque a veces pasa). Para entender el viento con el que se encuentra un avión tenemos que hablar de un concepto de mecánica de fluidos llamado flujo laminar. Un viento puede estar en dos regímenes, el viento en régimen turbulento se mueve en todas dirección aleatoria y caóticamente; en contraposición en viento en régimen laminar se mueve de forma ordenada en una dirección. El agua en cañerías se mueve en régimen laminar, por ejemplo. Además gracias a que los fluidos tienen una propiedad llamada viscosidad (algunos, como la miel tienen mucho, otros como el agua tienen poca, pero todos tienen algo) ocurre un fenómeno curioso, los fluidos tienden a pegarse a las superficies con las que están en contacto. Por ejemplo, en las tuberías el agua que pasa justo por el centro de la cañería va mucho más rápido que el agua que toca las paredes que está practicamente quieto; al final, el agua que pasa por una cañería se mueve como en la siguiente imagen.

Y algo parecido pasa con el aire de nuestra atmósfera, este aire se encuentra entre dos “superficies”: la Tierra que como hemos visto se mueve a 1668 km/h y el vacío del espacio que está quieto. Pues el aire que está a nivel de suelo se moverá a 1668 km/h (nosotros no notamos esto porque también nos estamos moviendo a esa velocidad), el que está casi en el espacio exterior permanecerá quieto, y todo lo que se encuentre entre estas dos superficies tendrá una velocidad intermedia: más baja cuanto más nos alejemos de la superficie terrestre.

Bueno, y sabiendo todo esto ya podemos hablar de los viajes transoceánicos en avión. Desde un punto de vista del espacio al planeta analizar la situación es complicada, por un lado tenemos que la Tierra esta rotando y, por tanto, el destino se acerca al avión (si va hacia el Oeste) o se aleja (si va hacia el Este). Pero por otro lado hay vientos fortísimos (generados por la propia rotación) que nos empujan en dirección Este; a los 10 km que vuela el avión el viento, aunque no es tan intenso como a nivel de suelo, sigue siendo muy fuerte. Desde este punto de vista tenemos que tener en cuenta dos factores que compiten (el viento y la rotación), y es difícil responder quien puede más y por tanto saber porqué se tarda menos en ir hacia el Oeste que en ir hacia el Este.
Ahora vamos a probar otro sistema de referencia, el de una persona que está en tierra, para esta persona el planeta está quieto y esto hace que, en este sistema de referencia el sistema de nuestro flujo laminar se invierta haciendo que a nivel de tierra el viento sea nulo pero a grandes altitudes el viento sea fortísimo y además que vaya en sentido opuesto, en dirección Oeste. Así que ya lo tenemos, un observador desde tierra lo tiene claro, un avión tarda menos en ir a Nueva York que en volver porque a 10 km de altitud hay un viento que lo empuja.

Respecto a lo del globo aerostático, la respuesta es la misma: un observador en tierra lo ve claro, a medida que el globo asciende se va encontrando vientos cada vez más fuertes en dirección Oeste que es la dirección en la que se moverá.