Como Vuelan Los Aviones

¿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 qué 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 quecumple esa condición.

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

Si vemos un ala de un típico avión pequeño, que tiene una cara superior que es 1.5 – 2.5 % más 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 tránsito en tiempo equivalente.

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

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