¿Por qué el aire caliente sube en una columna en lugar del aire frío que presiona hacia abajo?

Question

Bien, esto mira como una pregunta tonta o incluso casi trolling, pero realmente no lo entiendo.

Cuando el aire se calienta sobre una placa de horno, se eleva. Obviamente, puedo comprobarlo echando un poco de humo.

La explicación común es que el aire caliente tiene menos densidad que el aire frío y, en consecuencia, se eleva.

Es justo que el aire caliente termine por encima del aire frío, pero ¿por qué sube en columna?

Con el mismo argumento, podría deducir ( y sé que está mal ) que el aire frío de arriba es más denso, por lo que bajará, presionando el aire caliente hacia los lados.

¿Qué hecho adicional me falta (y la explicación común)?

(Estoy bastante seguro de que las etiquetas que he encontrado no son óptimas).

Edición: en mi mente me imagino una imagen de moléculas de aire caliente (rojas) más separadas que las moléculas frías (azules) que se deslizan entre las rojas. Soy consciente de que esto es una muy modelo burdo, y además termina en una predicción errónea.

Editar (sobre el duplicado): No estoy seguro de que la otra pregunta se refiera a la forma en que se eleva el aire caliente. Al menos, las respuestas de allí no abordan (o no claramente) este aspecto.

La respuesta aceptada aquí explica lo que ocurre indicando las fórmulas para la presión por encima de la placa térmica así como al lado de la misma.

Answer 1

Lo que te falta es la gravedad.

Tienes razón: el aire caliente es menos denso que el aire frío. Intentando ceñirme a una explicación visual: Imagina un elemento de pequeño volumen (un cubo) del aire caliente. La fuerza gravitatoria que actúa sobre él es $F = gm = gV \rho_{\textrm{warm}} < gV \rho_{\textrm{cold}}$ ya que $\rho_\textrm{warm} < \rho_\textrm{cold}$ . El aire frío circundante es atraído hacia abajo con más fuerza que el aire caliente, por lo que el aire caliente sube y es sustituido por aire frío.

Básicamente, es flotabilidad .

Además, no existe ese efecto en el espacio. Tal vez haya visto un efecto similar en algunas películas educativas, en las que el aceite y el agua se mezclan en el espacio: Tampoco se separan en dos capas como lo harían en la Tierra.

Por lo tanto, la respuesta es: te faltaba la gravedad que impone una dirección preferente a tu sistema investigado.

Answer 2

El aire caliente no sube porque esté caliente, y el aire frío no baja porque esté frío. El aire caliente sube porque es empujado hacia arriba por el aire más frío, y eso es porque el aire en masa tiene un gradiente de presión, y eso se debe a la gravedad. El aire que está debajo de cualquier objeto empuja más hacia arriba que el aire que está encima empuja hacia abajo. Si el peso del objeto es menor que la fuerza neta hacia arriba, entonces se elevará.