Por que vuela un avion

¿Cómo vuelan los aviones?

A través del tiempo el ser humano ha desarrollado grandes y sorprendentes maquinas para poder desplazarnos con mayor rapidez, desde las carretas tiradas por caballos hasta los automóviles, barcos y los que mas nos interesan los aviones. Una parte de la población ha viajado en este ultimo; todos alguna vez nos hemos preguntado ¿cómo es que un transporte tan pesado puede volar y llegar a ser mas seguro que un transporte en tierra?; esta pregunta puede ser tan compleja de entender, la primera vez que escuche sobre el tema fue con la conocida Descripción Popular de sustentación o levantamiento (The popular description of lift) de una manera sencilla pero errónea, mas adelante discutiremos sobre esta descripción la cual esta basada en el principio de Bernoulli.

Con la ayuda del físico David Anderson (del Fermi National Accelerator Laboratory)  y del profesor en aeronáutica de la Universidad de Washington Scott Eberhardt, abordaremos de la sustentación o levantamiento (Lift)  considerando principalmente las leyes de Newton y el principio de Bernoulli.

Existe una Descripción Matemática de la Aerodinámica sobre la sustentación (Mathematical Aerodynamics Description) en la cual es usada por los ingenieros aeronáuticos, utilizando matemáticas avanzadas y complejas además de simuladores para calcular la sustentación.

Continuando abordaremos dos descripciones diferentes, las cuales llamaremos la Descripción Popular y La descripción Física de levantamiento respectivamente. La primera se basa en el famoso Principio de Bernoulli. En la segunda la sustentación esta basada principalmente en las leyes de Newton y otros factores que influyen en el vuelo. La descripción física nos proporciona una clara e intuitiva forma de entender los fenómenos asociados con la sustentación como lo son: el efecto suelo, el aumento de potencia con la carga, el aumento de la velocidad “stall” con la altitud, etc.  

La descripción popular esta es muy fácil de entender (basa en el principio de Bernoulli), la primera vez que la aborde me parecía razonable pero mientras más la analizaba más lejos de la realidad parecía y te preguntaras ¿por qué?, primero comenzare explicando esta descripción, para ello hay que mencionar el principio de Bernoulli, que nos dice que si la velocidad de un fluido aumenta su presión disminuye.

La descripción popular nos menciona que al estar en contacto el aire con el ala este se divide en dos flujos que pasan por el intradós y extradós, y el principio de transito en tiempo equivalente supone que tanto el flujo que transita por el intradós y el extradós se encuentran en el borde de fuga al mismo tiempo en la figura1 podemos observar claramente la división de flujos. Suponiendo los dos principios anteriores tenemos que el flujo que pasa por la parte superior del ala (extradós) recorre una distancia mas larga que la que pasa por la parte inferior del ala y como el principio de transito equivalente dice que deben llegar las dos al mismo tiempo al borde de fuga, como consecuencia tenemos el aumento de velocidad en el flujo extradós  por lo que según Bernoulli tiene como consecuencia una disminución de presión en la parte superior, mientras que en la parte inferior como el flujo va a una velocidad mas lenta y recorre una menor distancia y genera una mayor presión lo que por equilibrio de presiones da como resultado la sustentación.

Comúnmente esta respuesta es suficiente para entender el vuelo de una manera sensilla, pero, ¿por qué el flujo de aire que circula por la parte superior del ala va mas rápido? Y es aquí donde la descripción popular empieza a desmoronarse. Para responder esta cuestión la descripción popular recurre al argumento geométrico el cual menciona que la distancia que recorre el flujo esta directamente relacionada con la velocidad.

Anderson y Scott nos dicen que “Si hacemos un simple calculo, encontraremos que para 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”, lo que ocasionaría perfiles muy gordos o bien con una combadura muy grande.

Desde mi punto de vista esta definición de sustentación no concuerda con la realidad, para demostrarlo se observa la figura 2 que representa el flujo de aire en un túnel de viento simulado, descrito en el ensayo de Anderson y Scott.

En la figura 2 podemos ver que el aire que circula por el extradós del ala llega al borde de fuga considerablemente antes que el que lo hace por el intradós de esta. De hecho una inspección muestra que el aire que circula por la parte inferior del ala, fluye en forma más lenta que el viento relativo. Lo que muestrea que el principio de transito en tiempo equivalente no se esta cumpliendo.

Otro claro ejemplo para desmantelar esta descripción, es que si se cumplen ambos principios tanto el de Bernoulli como el de Transito en tiempo equivalente el vuelo invertido seria imposible debido a que el flujo de aire que pasa por el ala haría que este se desplomara dado que el flujo que recorre la mayor distancia va a menor velocidad estaría en la parte inferior lo que provocaría una sustentación negativa. Por lo que 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.

También la explicación popular ignora el trabajo realizado, es decir, la fuerza de levantamiento requiere de una potencia, ya que esta es clave para entender otros fenómenos de la sustentación.

A hora abordando la cuestión de ¿cómo vuelan los aviones? Partiendo de la descripción física del levantamiento de un ala, y como es que esta definición contradice la descripción popular obteniendo una mejor explicación, mas coherente y más real, al principio puede ser un poco difícil de entender. Al abordar el tema por primera vez me resulto un poco difícil de entender, pero conforme mas leía sobre el tema mas lograba dejar claro los conceptos importantes que refleja esta descripción para saber por que es que vuelan los aviones, puede que esta sea una de las descripciones mas complejas para abordar el tema a comparación de la descripción popular pero cuando se tienen claro los conceptos importantes será más fácil de entender.

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