PRINCIPIOS AERODINÁMICOS
¿Por qué vuelan los aviones?
Lo que hace posible que un avión vuele es la misma acción que hace viable el vuelo de todas las aves, y se denomina "principio de sustentación". La sustentación, llamada también principio de Bernoulli nos explica que "la
presión ejercida por un fluido es inversamente proporcional a su velocidad de
flujo”
La ciencia que nos enseña todo
esto es la “Aerodinámica” que es la
parte de la mecánica de fluidos que estudia los gases en movimiento y las
fuerzas o reacciones a las que están sometidos los cuerpos que se hallan en su
seno. A la importancia propia de la aerodinámica hay que añadir el valor de su
aportación a la aeronáutica. De acuerdo con el número de Mach o velocidad relativa
de un móvil con respecto al aire, la aerodinámica se divide en subsónica y
supersónica según que dicho número sea inferior o superior a la unidad.
Hay ciertas leyes de la
aerodinámica, aplicables a cualquier objeto moviéndose a través del aire, que explican
el vuelo de objetos más pesados que el aire. Para el estudio del vuelo, es lo
mismo considerar que es el objeto el que se mueve a través del aire, como que
este objeto esté inmóvil y es el aire el que se mueve, de esta última forma se
prueban en los túneles de viento prototipos de aviones.
Es importante que el piloto
obtenga el mejor conocimiento posible de estas leyes y principios para
entender, analizar y predecir el rendimiento de un aeroplano en cualesquiera
condiciones de operación. Los aquí dados son suficientes para este nivel
elemental, no pretendiéndose una explicación ni exhaustiva ni detallada de las
complejidades de la aerodinámica.
Teorema de
Bernoulli
Daniel Bernoulli comprobó
experimentalmente que "la presión interna de un fluido (líquido o gas)
decrece en la medida que la velocidad del fluido se incrementa", o dicho
de otra forma "en un fluido en movimiento, la suma de la presión y la
velocidad en un punto cualquiera permanece constante", es decir que p + v = k.
Para que se mantenga esta
constante
k, si una partícula
aumenta su velocidad v será a costa de disminuir su presión
p, y a la inversa.
Se puede considerar el teorema de
Bernoulli como una derivación de la ley de conservación de la energía. El aire
está dotado de presión p, y este aire con una densidad d fluyendo a una
velocidad v contiene energía cinética lo mismo que cualquier otro objeto en
movimiento (1/2 dv²=energía cinética). Según la ley de la
conservación de la energía, la suma de ambas es una constante: p + (1/2dv²) = constante. A la vista de
esta ecuación, para una misma densidad (asumimos que las partículas de aire
alrededor del avión tienen igual densidad) si aumenta la velocidad v disminuirá
la presión p y viceversa.
Enfocando este teorema desde otro
punto de vista, se puede afirmar que en un fluido en movimiento la suma de la
presión estática pe (la p del párrafo anterior) más la presión dinámica pd,
denominada presión total pt es constante: pt=pe+pd=k;
de donde se infiere que si la presión dinámica (velocidad del fluido) se
incrementa, la presión estática disminuye.
Otro científico, Giovanni
Battista Venturi, comprobó experimentalmente que al pasar por un estrechamiento
las partículas de un fluido aumentan su velocidad. La tercera Ley del
movimiento de Newton explica que para cada fuerza de acción hay una fuerza de
reacción igual en intensidad pero de sentido contrario.
Por qué vuelan los
aviones.
Un objeto plano, colocado un poco
inclinado hacia arriba contra el viento, produce sustentación; por ejemplo una
cometa. Un perfil aerodinámico, es un cuerpo que tiene un diseño determinado
para aprovechar al máximo las fuerzas que se originan por la variación de
velocidad y presión cuando este perfil se sitúa en una corriente de aire. Un
ala es un ejemplo de diseño avanzado de perfil aerodinámico.
Veamos que sucede
cuando un aparato dotado de perfiles aerodinámicos (alas) se mueve en el aire
(dotado de presión atmosférica y velocidad), a una cierta velocidad y con
determinada colocación hacia arriba (ángulo de ataque), de acuerdo con las
leyes explicadas.
El ala produce un flujo de aire
en proporción a su ángulo de ataque (a mayor ángulo de ataque mayor es el
estrechamiento en la parte superior del ala) y a la velocidad con que el ala se
mueve respecto a la masa de aire que la rodea; de este flujo de aire, el que
discurre por la parte superior del perfil tendrá una velocidad mayor (efecto
Venturi) que el que discurre por la parte inferior. Esa mayor velocidad implica
menor presión (teorema de Bernoulli)
Tenemos pues que la superficie
superior del ala soporta menos presión que la superficie inferior. Esta
diferencia de presiones produce una fuerza aerodinámica que empuja al ala de la
zona de mayor presión (abajo) a la zona de menor presión (arriba), conforme a
la Tercera Ley del Movimiento de Newton.
Pero además, la corriente de aire
que fluye a mayor velocidad por encima del ala, al confluir con la que fluye
por debajo deflecta a esta última hacia abajo, produciéndose una fuerza de
reacción adicional hacia arriba. La suma de estas dos fuerzas es lo que se
conoce por fuerza de sustentación, que es la que mantiene al avión en el aire.
Como hemos visto, la producción
de sustentación es un proceso continuo en el cual cada uno de los principios
enumerados explica una parte distinta de este proceso. Esta producción de
sustentación no es infinita, sino que como veremos en capítulos posteriores
tiene un límite.
Un objeto plano, colocado un poco
inclinado hacia arriba contra el viento, produce sustentación; por ejemplo una
cometa. Un perfil aerodinámico, es un cuerpo que tiene un diseño determinado
para aprovechar al máximo las fuerzas que se originan por la variación de
velocidad y presión cuando este perfil se sitúa en una corriente de aire. Un
ala es un ejemplo de diseño avanzado de perfil aerodinámico.
Veamos que sucede cuando un
aparato dotado de perfiles aerodinámicos (alas) se mueve en el aire (dotado de
presión atmosférica y velocidad), a una cierta velocidad y con determinada
colocación hacia arriba (ángulo de ataque), de acuerdo con las leyes
explicadas.
El ala produce un flujo de aire
en proporción a su ángulo de ataque (a mayor ángulo de ataque mayor es el
estrechamiento en la parte superior del ala) y a la velocidad con que el ala se
mueve respecto a la masa de aire que la rodea; de este flujo de aire, el que
discurre por la parte superior del perfil tendrá una velocidad mayor (efecto
Venturi) que el que discurre por la parte inferior. Esa mayor velocidad implica
menor presión (teorema de Bernoulli)
Tenemos pues que la superficie superior
del ala soporta menos presión que la superficie inferior. Esta diferencia de
presiones produce una fuerza aerodinámica que empuja al ala de la zona de mayor
presión (abajo) a la zona de menor presión (arriba), conforme a la Tercera Ley
del Movimiento de Newton.
Pero además, la corriente de aire
que fluye a mayor velocidad por encima del ala, al confluir con la que fluye
por debajo deflecta a esta última hacia abajo, produciéndose una fuerza de
reacción adicional hacia arriba. La suma de estas dos fuerzas es lo que se
conoce por fuerza de sustentación, que es la que mantiene al avión en el aire.
Como hemos visto, la producción
de sustentación es un proceso continuo en el cual cada uno de los principios
enumerados explica una parte distinta de este proceso. Esta producción de
sustentación no es infinita, sino que como veremos en capítulos posteriores
tiene un límite.
A estas alturas y la vista de los
ingenios mecánicos que vemos volar, cada vez más grandes y desarrollando
mayores velocidades, se podría deducir que la mayoría de las cuestiones
relativas a la aerodinámica son más que conocidas. Seguramente, a nivel de
modelos y ecuaciones matemáticas así es, porque de otra forma no sería posible
el espectacular desarrollo de la aeronáutica. Pero otra cuestión distinta es
cuando se trata de ofrecer una visión desde el punto de vista de la física, al
menos una visión fácilmente comprensible para los que no poseemos los arcanos
de esta ciencia.
Existen a este respecto al menos
dos puntos de vista, a veces enfrentados y en ocasiones con virulencia, que
reclaman para sí la explicación más coherente, cuando no la "única",
sobre el proceso de sustentación. Uno de ellos se apoya principalmente en el teorema
de Bernoulli (baja presión encima del ala y alta presión debajo del ala)
mientras que el otro se basa en las leyes de Newton (el flujo de aire
deflectado hacia abajo "downwash" produce una reacción hacia arriba).
Ambas explicaciones no son tan incompatibles como a veces quieren hacernos
creer, y aunque mi conocimiento de la física es muy limitado, lo que el sentido
común me dicta después de haber leído unos cuantos artículos al respecto es que
posiblemente se trate de puntos de vista distintos, dos formas diferentes de
simplificar un único suceso complicado. Aunque el tema es excitante excede el
propósito de este "manual", no obstante a los interesados en
profundizar en el mismo les recomiendo visitar algunas de las páginas
propuestas en enlaces de interés.
Si conviene destacar varias y
severas equivocaciones usualmente asociadas con la explicación
"bernoulliana" respecto a la producción de sustentación que
enfrentadas con los hechos y con pruebas realizadas, transforman esta
explicación en un sistema de malentendidos. Para evitar confusiones conviene
contrastar algunos detalles:
Se mantiene a veces, que un ala
produce sustentación debido a que la forma del perfil (curvado por arriba y
plano por abajo) obliga al aire que pasa por encima a recorrer más distancia
que el que pasa por debajo con el fin de recombinarse con este en el borde de
salida, cosa que solo puede hacerse, lógicamente, a mayor velocidad. Resulta
atractivo ¿verdad?
Esta teoría implica: primero, que
es necesario que un perfil tenga diferencia de curvatura entre su parte
superior e inferior (mayor longitud en la parte superior), y segundo, que la
parcela de aire dividida por el perfil recorra este por arriba y por abajo en
el mismo tiempo para encontrarse en la parte posterior de dicho perfil. Veamos
lo que muestra el mundo real:
•
Las fotografías tomadas en túneles de viento a
perfiles sustentadores revelan que la capa de aire que recorre la parte
superior (a pesar de la mayor distancia) lo hace en un tiempo sensiblemente
menor que la capa que recorre la parte inferior, además de que ambas no vuelven
a coincidir en el borde de salida, quedan permanentemente divididas. Todo esto
se produce incluso en perfiles planos.
•
En vuelo invertido la forma del perfil del ala
es más curvada por abajo que por arriba y sin embargo produce sustentación.
•
Algunas alas finas y curvadas tienen la misma
longitud por ambos lados del perfil, como por ejemplo las montadas en algunos
planeadores o el ala usada por los hermanos Wright en su primer aeroplano. Esta
era delgada, muy curvada y algo cóncava por la parte inferior. No tenía
diferencia significativa de curvatura entre la parte superior e inferior y sin
embargo producía sustentación debido a los mismos principios que las alas de
hoy en día.
•
Las alas diseñadas para aviones de alta
velocidad y aeroplanos acrobáticos (Pitts, Decathlon) mantienen un perfil
simétrico (misma curvatura arriba y abajo) y vuelan perfectamente, sin olvidar
que otros perfiles simétricos (timones, estabilizadores, etc...) operan bajo
los mismos principios aerodinámicos. Es más, la NASA ha experimentado exóticos
perfiles "supercríticos" que son casi planos por arriba y curvados
por abajo.
¿Adónde nos lleva esto? A que
aunque el principio de Bernoulli es correcto, los principios reseñados de porqué
vuela un avión son válidos independientemente de la simetría o asimetría del
perfil y de la diferencia de curvatura entre las superficies superior e
inferior. Si la sustentación dependiera únicamente de la forma del ala, puesto
que esta forma no cambia con el vuelo, no habría forma de variar la
sustentación; el aeroplano solo soportaría su peso a una velocidad determinada
y además sería inestable e incontrolable. Veremos más adelante como el piloto
regula la sustentación mediante el control del ángulo de ataque y la velocidad.
De no ser así, los hermanos Wright no hubieran podido volar, ni se mantendrían
en el aire los aviones de alta velocidad, los acrobáticos o los planeadores.
Para terminar, decir que los
diseños de alas curvadas y con diferencia de curvatura entre la parte superior
e inferior responden a razones eminentemente prácticas, pues estos perfiles
mejoran la sustentación y tienen mejores características ante la pérdida
Resumen:
•
Según Bernoulli, alta velocidad implica baja
presión y viceversa.
•
Venturi demostró que un fluido al pasar por un
estrechamiento es acelerado.
•
A una fuerza de acción se le opone otra de
reacción de igual intensidad pero de sentido contrario, dice la 3ª Ley del
Movimiento de Newton.
•
Un ala es muy efectiva cambiando la velocidad
del aire: el que fluye por encima es acelerado mientras que el que fluye por
debajo es retardado; incluso aunque el que pase por arriba tenga un camino más
largo, alcanzará el borde de salida antes que el que pasa por abajo.
•
La disminución de presión por encima del ala es
mucho más pronunciada que el aumento de presión por debajo de la misma.
•
Cada parcela de aire sufre un cambio temporal en
su velocidad al ser incidida por el ala; al alcanzar el borde de salida tenderá
a recuperar la velocidad del aire libre.
•
Un ala moviéndose a través del aire produce un
flujo circulatorio proporcional al ángulo de ataque y la velocidad con que
incide sobre este aire. Este flujo circulatorio es más rápido por la parte
superior que por la inferior del ala. La diferente velocidad produce diferente
presión y esta presión diferencial produce sustentación.
•
La deflexión hacia abajo del flujo de aire en el
borde de salida del ala, produce una fuerza de reacción hacia arriba que
también genera sustentación.
•
Es deseable, pero no imprescindible, que la
parte superior del ala sea más curvada que la parte inferior.
