Vía En Placa

¿POR QUE VUELAN LOS AVIONES?

Una descripción física de la sustentación

Autores :

David Anderson es Físico del Fermi National Accelerator Laboratory USA

&

Scott Eberhardt es Associate Profesor in Aeronautics and Astronautics de la

University of Washington USA

Ambos son entusiastas pilotos civiles

Resumen, adaptación y traducción: Fernando Gunckel

Una pregunta que a menudo escuchamos los pilotos es.

“¿Porque vuelan los aviones? ” la respuesta que se obtiene normalmente es inexacta

o, lo que es peor, completamente errada.

Lo que se explicara a continuación es que es más fácil de entender la sustentación, si

uno comienza con las leyes de Newton, que con el principio de Bernoulli, y que las

explicaciones populares a las que estamos acostumbrados, están equivocadas,

siendo la desviación hacia abajo de la masa de aire, el origen de la sustentación.

Para empezar, analizaremos las tres definiciones de sustentación comúnmente

usadas en textos y manuales de instrucción de aerodinámica. La primera a la que

llamaremos Definición matemática de la aerodinámica es usada por ingenieros

aeronáuticos. Esta definición utiliza matemáticas complejas y/o simulaciones

computacionales para calcular la sustentación que genera un ala.

La segunda es la Explicación popular, que esta basada en el principio de Bernoulli. La

principal ventaja de esta definicion, es lo fácil que es de entender. Por su simplicidad

es usada habitualmente para describir el origen de la sustentación en los manuales de

vuelo. La mayor desventaja es que esta basada en el supuesto del ” principio del

transito en tiempo equivalente “ que supone que tanto el flujo de aire que circula por

la cara superior del ala como la que lo hace por la cara inferior, se encuentran en el

borde de fuga al mismo tiempo, lo cual esta demostrado que es incorrecto. Esta

definición se centra en la forma del ala, dejando de lado importantes fenómenos como

son el vuelo invertido, la potencia, el efecto suelo y la relación de la sustentación con

el ángulo de ataque del ala.

La tercera definición a la cual no abocaremos aquí, la llamaremos Definición física de

la sustentación. Esta definición esta basada primariamente en las leyes de Newton. La

definición física es útil para entender el vuelo y es fácil de comprender por todos los

interesados sin estudios específicos en el tema. Muy pocas matemáticas son

necesarias para entender los fenómenos asociados al vuelo. La definición física nos

da una clara e intuitiva forma de entender los fenómenos asociados a la sustentación

como son, la curva de potencia, el efecto suelo, el stall de alta velocidad, etc. Sin

embargo, a diferencia de la definición matemática de la aerodinámica, la definición

física no tiene capacidades de diseño o simulación.

Explicación popular de la sustentación

A los estudiantes de física y aerodinámica se les enseña, que los aviones vuelan

como resultado del principio de Bernoulli, que dice, que si la velocidad del aire

aumenta, la presión de este disminuye. Por esto un ala genera sustentación dado que

el aire circula a mayor velocidad por su cara superior, creando una zona de baja

presión, lo cual por equilibrio de presiones da como resultado la sustentación. Esta

explicación usualmente satisface la curiosidad de la mayoría, solo unos pocos

discuten esta conclusión. Algunos se preguntan, ¿por que el aire circula por la parte

de arriba de ala más rápido?, Es aquí donde la explicación popular de la sustentación

empieza a desmoronarse.

Para explicar porque sucede esto, se recurre al argumento geométrico, que la

distancia que recorre el aire esta directamente relacionada con la velocidad.

La explicación que se usa habitualmente es, que cuando el aire se divide al impactar

el borde de ataque del ala, separándose en un flujo que avanza por la cara superior y

otro que lo hace por la cara inferior, deben converger en el borde de fuga al mismo

tiempo. Esto es lo que se denomina “principio del transito en tiempo equivalente”.

Asumiendo que esta idea fuese correcta, la velocidad promedio del aire sobre y bajo

el ala, que se puede determinar fácilmente, porque podemos medir la distancia y

luego podemos calcular la velocidad mediante el principio de Bernoulli, podemos

determinar las fuerzas de presión y así la sustentación. Si hacemos un simple calculo,

encontraremos que en orden de generar la sustentación requerida para un típico

avión pequeño, la longitud de la cara superior del ala debiera ser, cerca de 50% mas

larga que la cara inferior, en la figura 1 vemos como se vería un perfil de ala que

cumple esa condición.

Por un momento imaginemos como se verían las alas de un Boeing 747!!

FIGURA 1 Perfil

Si vemos un ala de un típico avión pequeño, que tiene una cara superior que es 1.5 –

2.5 % mas larga que la cara inferior, podemos calcular que un Cessna 172 necesitaría

volar a 400 nudos, para generar la sustentación suficiente.

Claramente algo en esta definición de sustentación no concuerda con la realidad.

Pero, quien dice que el aire que choca con el borde de ataque del ala y se divide en

una parte que circula por la cara superior y otra por la cara inferior, deban encontrarse

en el borde de fuga al mismo tiempo? .La figura 2 muestra el flujo de aire sobre un

ala, en un túnel de viento simulado. En la simulación, humo coloreado es introducido

en forma periódica. Podemos ver que el aire que circula por la cara superior del ala

llega al borde de fuga considerablemente antes que el que lo hace por la cara inferior

de esta. De hecho una inspección acuciosa muestra que el aire que circula por la cara

inferior del ala, fluye en forma más lenta que el viento relativo. Esto comienza a ser

demasiado para el principio de transito en tiempo equivalente.

FIGURA2 Flujo simulado aire

La explicación popular implica que el vuelo invertido es imposible. Esto ciertamente no

explica el vuelo de aviones acrobáticos, con alas con perfil simétrico, o como un ala se

ajusta a los grandes cambios de carga como en la recuperación de una picada o en

un viraje escarpado.

Nos preguntamos, ¿por qué la explicación popular ha prevalecido por tanto tiempo?

Una respuesta es que el principio de Bernoulli es fácil de entender. No hay nada malo

en el principio de Bernoulli, o de la definición, que el flujo de aire por la parte superior

del ala circula más rápido. Pero, como sugiere el análisis, nuestro entendimiento no se

completa con esta explicación. El problema es que estamos perdiendo una pieza vital,

cuando solo aplicamos el principio de Bernoulli. Podemos calcular la presión de aire

alrededor del ala, si sabemos la velocidad del aire por las caras inferior y superior del

ala, pero ¿cómo determinamos esta velocidad?.

Otro atajo fundamental de la explicación popular es que ignora el trabajo realizado.

La sustentación requiere potencia (que es trabajo por tiempo), como veremos mas

tarde el entendimiento de potencia es clave para entender muchos de los fenómenos

de la sustentación.

Leyes de Newton y la sustentación

¿Cómo un ala genera sustentación?. Para empezar a entender lo que es la

sustentación debemos revisar la primera y tercera ley de Newton (luego veremos la

segunda). La primera ley de Newton dice que –Un cuerpo en reposo tratara de

mantenerse en reposo, un cuerpo en movimiento se mantendrá sin cambiar su

condición, hasta que se le aplique una fuerza externa sobre él. Esto significa que si

uno ve una deformación en el flujo de la masa de aire, o si una masa de aire

originalmente en reposo es puesta en movimiento, quiere decir que hay una fuerza

actuando sobre ella. La tercera ley de Newton dice que a toda acción existe una

reacción igual y opuesta. Para lograr generar sustentación una ala debe hacer algo a

la masa de aire. Lo que el ala hace a la masa de aire es la acción mientras que la

sustentación es la reacción.

Comparemos las dos figuras siguientes que muestran los flujos de aire alrededor del

ala en la figura 3 el flujo del aire llega en forma recta al ala se desplaza alrededor del

ala, una parte por arriba y otra por abajo, para salir por la parte posterior en la misma

forma que llego. Todos nosotros hemos visto anteriormente esquemas similares,

incluso en manuales de aerodinámica. Pero el flujo de aire deja el ala de la misma

forma como estaba antes. No hubo una acción especifica en el flujo de aire dado esto

no puede haber sustentación, la figura 4 muestra el flujo de aire como debe ser

dibujado. El flujo de aire pasa por la parte superior del ala y es desviado hacia abajo.

El desvío del aire es la acción. La reacción es la sustentación producida por el ala. El

aire que sube en la parte delantera del al lo llamaremos “upwash” y el que desciende

por la parte posterior del ala lo llamaremos “downwash”.

FIGURA 3 Descripción del flujo

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