1. Por qué la gota que dibujamos con punta arriba no se parece a la lluvia real
Cuando dibujamos un día de lluvia, muchas personas dibujan una forma de "gota" que es puntiaguda arriba y redonda abajo. La explicación del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) señala que esta forma de lágrima es una imagen imaginaria creada por la cultura popular y que las gotas de lluvia reales no se parecen en absoluto a ella [1]. Entonces, ¿cuál es la forma real? Según las explicaciones de los meteorólogos japoneses, las gotas de lluvia que caen no son de "tipo gota de lágrima", sino de "tipo manju" (un dulce japonés redondo y aplanado), y adoptan esa forma debido a la resistencia del aire mientras caen [2]. Sin embargo, la forma de manju no es la forma de todas las gotas de lluvia. Las gotas pequeñas son casi esféricas debido a la tensión superficial. El USGS clasifica las gotas con un radio menor a 1 mm (diámetro menor a 2 mm) como esféricas, y las más grandes como de forma similar a un pan de hamburguesa; la versión en japonés de Wikipedia también establece el límite en un diámetro de 2 mm [1][4]. Por otro lado, la explicación de los meteorólogos indica otras estimaciones: las gotas que parecen redondas tienen un diámetro de aproximadamente 0,5 mm, y las que adoptan la forma de manju tienen un diámetro de alrededor de 5 mm [2]. Estas cifras son estimaciones aproximadas y no están fijadas en un único valor. Una gota de agua redonda se aplana mientras cae. ¿Qué fuerzas interactúan allí?
2. Cómo la tensión superficial y la presión del aire dan forma a la gota
El USGS explica que la forma de la gota de lluvia está determinada por una "batalla de fuerza" entre la tensión superficial del agua y la presión del aire que empuja la parte inferior de la gota que cae [1]. La tensión superficial es la propiedad del agua que intenta hacer que su superficie sea lo más pequeña posible. Como la esfera es la forma con la menor superficie para un mismo volumen, si solo actuara la tensión superficial, la gota sería esférica [3]. ScienceABC también afirma que las gotas con un diámetro menor a aproximadamente 1 mm son esferas casi perfectas sostenidas por la tensión superficial. Sin embargo, las gotas que caen son empujadas desde abajo por el aire. Si la gota es pequeña, su velocidad de caída es lenta y el empuje es débil, por lo que la tensión superficial gana y la gota permanece redonda. A medida que la gota se hace más grande, su velocidad de caída aumenta y la presión en la base se vuelve mayor, aplastando la parte inferior. A veces incluso se forma una depresión [1]. Imagina un globo de agua colocado en la palma de tu mano siendo empujado desde abajo. El globo redondo se aplana en la superficie que recibe el empuje. Pero las gotas de lluvia no tienen una piel de goma; la tensión superficial mantiene unida a la gota hecha solo de agua. La analogía llega hasta ahí. Entonces, ¿a qué velocidad caen las gotas más grandes que se mueven más rápido?
3. Cómo crecen las gotas desde las nubes y a qué velocidad caen
Las gotas de lluvia no son grandes desde el principio. Las gotas de agua recién formadas en las nubes (gotas de nube) tienen un radio de 1 a 20 µm (0,001 a 0,02 mm), mientras que el radio promedio de una gota de lluvia es de aproximadamente 1 mm [4]. Al comparar los radios, la gota de lluvia es 50 a 1000 veces más grande que la gota de nube. Este factor de multiplicación se calcula a partir de los números de la fuente. La fuente también menciona un diámetro de alrededor de 1 mm, por lo que el promedio debe leerse con un margen de variación. La lluvia formada por gotas menores a 0,5 mm se llama llovizna. La velocidad de caída aumenta cuanto más grande es la gota. Convirtiendo los valores publicados en la versión japonesa de Wikipedia a diámetros: con un diámetro de 0,2 mm, la velocidad es de 0,7 m/s; con 1 mm, 4 m/s; con 2 mm, 6,5 m/s; y con 4 mm, alrededor de 9 m/s [4]. En kilómetros por hora, esto equivale aproximadamente a 2,5 km/h, 14 km/h, 23 km/h y 32 km/h. 6,5 m/s es la velocidad a la que se corren 50 m en unos 8 segundos. Por encima de 4 mm, la velocidad apenas cambia. Si lo relacionamos con la batalla de fuerza del capítulo anterior, los números nos muestran por qué las gotas más grandes caen más rápido y son empujadas con más fuerza en la base, aplanándose. Entonces, ¿qué sucede en la batalla de fuerza si la gota es aún más grande?
4. Por qué las gotas de lluvia demasiado grandes se deforman como una bolsa y se rompen
Las gotas de lluvia grandes se hunden en la base mientras caen. Según el USGS, la depresión se expande casi explosivamente en forma de bolsa y se divide en pequeñas gotas de agua. La estimación de cuándo ocurre esta división es un radio de aproximadamente 4 a 4,5 mm (diámetro de 8 a 9 mm) [1]. Este proceso ha sido registrado mediante fotografía de alta velocidad. En 2009, el equipo de investigación francés de Villermaux y Bossa informó que las gotas de lluvia grandes se aplanan en forma de panqueque mientras caen, capturan aire en la parte frontal, se hinchan como una "bolsa al revés" y se rompen en un tamaño determinado, convirtiéndose en numerosas gotas pequeñas [5]. También afirman que la variación en el tamaño de las gotas de lluvia puede explicarse por esta división de una sola gota. Las cifras del tamaño en el que comienza la división varían según la fuente. ScienceABC dice que se vuelve inestable con un diámetro de aproximadamente 4 a 5 mm [3], mientras que la versión japonesa de Wikipedia indica que el tamaño normal de las gotas de lluvia es de un diámetro de 0,2 a 6 mm, con un máximo de alrededor de 8 mm [4]. La estimación del inicio de la división y el tamaño máximo comúnmente observado son cifras de situaciones diferentes. Los indicadores de inicio de división en cada fuente difieren, situándose entre 4 y 9 mm de diámetro. Hasta ahora, todas las explicaciones sobre la forma se refieren a gotas que están cayendo. Entonces, ¿cómo ha podido la gente ver la forma de las gotas que caen a esa velocidad?
5. Cómo Magono Choji confirmó con fotografías la forma de las gotas al caer
Las gotas de lluvia que caen son rápidas y su forma no se ve claramente a simple vista. Según la versión japonesa de Wikipedia y otras fuentes, Magono Choji (孫野長治) de la Universidad de Hokkaido fotografió gotas de lluvia en caída en 1951, y se dice que confirmó la forma de "manju" por primera vez en el mundo [4]. El artículo que resume sus resultados, "On the Shape of Water Drops Falling in Stagnant Air" (Sobre la forma de las gotas de agua que caen en aire estancado), fue publicado en la revista en inglés de la Sociedad Meteorológica de Japón en 1954. Es importante no confundir las fechas: la fotografía fue en 1951 y el artículo en 1954. Más de medio siglo después, en 2009, Villermaux y Bossa, mencionados en el capítulo anterior, registraron mediante fotografía de alta velocidad el proceso de hinchazón en forma de bolsa y ruptura [5]. La idea es que, incluso para eventos que ocurren a velocidades invisibles, la forma se puede entender si se ingenian métodos de captura. La forma de gota en los dibujos es familiar, pero difiere de la real. Que la forma de las gotas de lluvia reales sea diferente se supo gracias a esta acumulación de fotografías.
6. Cómo observar y comparar las gotas de lluvia en una ventana o en las hojas
En un día de lluvia, busca desde el interior de la ventana las gotas que resbalan por el cristal o las gotas sobre las hojas del jardín. ¿Hay gotas redondas? ¿Hay algunas que parezcan tener forma de lágrima? ¿Hay diferencias en la forma entre las gotas grandes y las pequeñas? Sin embargo, las gotas de agua sobre el cristal o las hojas tienen su forma determinada por la gravedad y el contacto con la superficie, siendo diferentes de las gotas de lluvia en caída. La forma de las gotas de lluvia en caída no se ve a simple vista. Aun así, la tendencia de las gotas pequeñas a mantenerse redondas puede servir como pista para imaginar el fenómeno a través de las gotas en las superficies. Comparar la llovizna con la lluvia normal también es una observación sencilla. Intenta sentir la relación entre el tamaño de las gotas y su velocidad de caída a partir de cómo llueve. Cuando salgas, usa paraguas y ten cuidado de no resbalar en las calles mojadas. Para quienes quieran investigar más, hay recursos en japonés como las explicaciones de meteorólogos japoneses [2] y artículos destacados de investigación en japonés [5].