jue. Jul 18th, 2019

¿Cómo vuelan los aviones?

No es sólo magia. Los aviones pueden levantar el vuelo y recorrer hasta 13.000 kilómetros sin repostar porque hay una serie de principios aerodinámicos y de ingenios mecánicos que lo permiten.

Hay cuatro fuerzas que actúan sobre el avión durante el vuelo: resistencia ➡, empuje ⬅, sustentación ⬆ y peso ⬇. Actúan en pares: la resistencia es opuesta al empuje y la sustentación es opuesta al peso. Cuando el avión se mantiene a flote, empuje=resistencia y sustentación=peso, así que la fuerza neta equivale a cero.

La resistencia es la fuerza que actúa en dirección contraria al movimiento de un objeto en el fluido que lo rodea, en este caso el aire. La energía que usamos para impulsar el avión a través del aire genera una resistencia que disminuye su velocidad (es fácil notar esta fuerza si sacas la mano por la ventanilla de un coche en marcha). Los aviones pliegan el tren de aterrizaje después del despegue para reducir su resistencia al aire.

El empuje o tracción es la fuerza que hace que el avión avance y contrarreste la resistencia al aire. Los aviones comerciales usan motores a reacción, pero también hay aviones de hélices y otros que usan cohetes como propulsión. Un motor a reacción o motor jet descarga un chorro de gas para generar el empuje con ayuda de la tercera ley de Newton: el gas, que se expulsa hacia atrás a gran velocidad, empuja el motor hacia adelante, lo que hace que el avión avance.

¿Tanta capacidad tiene el aire en movimiento?

De alguna forma se tiende a menospreciar la capacidad del aire. Es cierto que si tiramos una piedra al suelo parece como si hubiese un vacío, nada frena a la piedra. Lo mismo ocurre si levantamos la mano estirando el brazo y lo dejamos caer. Parece que el aire no está por la labor de evitar que los objetos caigan al suelo. Pero todos hemos comprobado lo difícil que resulta andar cuando hace bastante viento, hemos visto imágenes de los devastadores efectos de los tornados siendo capaces de levantar coches, camiones o incluso casas.

La parte principal de un avión son sus alas, porque producen la fuerza de sustentación que le permite volar. Para ello se diseñan con un perfil aerodinámico especial llamado airfoil. Al desplazarse a través del aire, las alas desvían el aire a su parte inferior. Con una presión del aire mucho mayor abajo que arriba, las alas generan la fuerza de sustentación que eleva el avión durante el despegue y lo mantiene a flote durante el vuelo. En el aire, la fuerza neta es cero porque la sustentación es igual al peso del avión, que incluye a la gravedad.

Para entender mejor lo que ocurre en el ala de un avión, lo mejor que podemos hacer es cambiar nuestro sistema de referencia e imaginarnos un perfil alar fijo y una corriente de aire que se desplaza de izquierda a derecha incidiendo sobre él (al fin y al cabo, lo importante es el viento relativo).

El flujo de aire se divide tomando dos caminos, uno que pasa por encima del perfil alar y otro por debajo. La forma y la inclinación del perfil alar respecto a la corriente de aire (ángulo de ataque) consiguen que los dos caminos no sean simétricos, que las partículas de aire tomen trayectorias curvas, que varíen su velocidad y que aparezca una distribución de presiones peculiar. En concreto, debajo del perfil alar la presión aumenta y las partículas de aire se ven frenadas, y por encima del perfil la presión disminuye y las partículas aceleran. Esta diferencia de presiones entre los dos lados, más presión abajo y menor presión arriba, crea un desequilibrio que da lugar a una fuerza hacia arriba que llamamos sustentación.

¿Cómo generan las alas sustentación?

Siguiendo con el ejemplo anterior, uno puede comprobar cómo nos resulta más fácil mantener nuestra mano suspendida en el aire cuanto mayor sea la velocidad del vehículo. Con las alas de un avión ocurre lo mismo: cuanto mayor sea la velocidad del avión respecto al aire, mayor es la fuerza de sustentación. Por este motivo, para despegar, los aviones necesiten una pista en donde poder acelerar hasta alcanzar una determinada velocidad.

También podemos comprobar cómo variando la inclinación de nuestra mano podemos actuar sobre la fuerza que la eleva. Lo mismo ocurre con las alas de los aviones, y esa inclinación es conocida como el ángulo de ataque. Para variar el ángulo de ataque se hace rotar todo el avión, subiendo o bajando el morro, gracias a unas superficies de control situadas en la cola: es lo que se hace en el despegue al alcanzar la velocidad de “rotación”.

Conseguir sustentación no es complicado. Lo complicado es conseguirlo de manera eficiente, que permita elevar pesos considerables sin generar mucha resistencia que nos frene. Las alas de los aviones tienen un diseño muy estudiado para lograr una gran eficiencia. Una característica muy importante en el diseño de las alas es la forma del llamado perfil alar, que consiste en una sección transversal del ala vista desde un lateral. El perfil alar no es algo fijo, dependerá de las características del avión y según el uso que se le vaya a dar (acrobacia, transporte de pasajeros, combate, recreación, etc.), pero suele haber una característica común: la parte delantera (borde de ataque) redondeada y su zona opuesta (borde de salida) más afilada.

En la cola del avión están el estabilizador horizontal y el estabilizador vertical. Son elementos que aseguran la estabilidad del avión; es decir, su tendencia a regresar a un estado inicial tras una perturbación. El horizontal se encarga de estabilizar los movimientos de arriba a abajo del morro del avión (eje lateral) y el vertical los movimientos de izquierda a derecha (eje vertical).

Los mandos de vuelo son los mecanismos que permiten cambiar la orientación y la posición del avión. Las tres superficies de mando principales son los elevadores, los alerones y el timón de dirección.

¿Hasta qué punto son importante los motores?

Para generar suficiente sustentación evitando que el avión caiga como una piedra, lo que se necesita es un flujo de aire que pase por las alas, es decir, tener velocidad respecto al aire. A las alas les da absolutamente igual cómo se logre la velocidad respecto al aire. Una forma de lograrlo es empujando al avión hacia adelante gracias a los motores, de la misma manera que sentimos aire pedaleando en una bicicleta. Pero no es la única manera de conseguirlo.

Otra forma de conseguir el flujo de aire es intercambiando altitud por velocidad; de la misma manera que en nuestra bicicleta anterior podemos sentir, sin pedalear, el mismo aire de antes si nos desplazamos cuesta abajo. Esto permite que el avión, tenga el peso que tenga, pueda planear. Es cierto que al mantener una “cuesta” hacia abajo, sacrificando altitud por velocidad, en algún punto llegaremos al suelo. Pero el avión no cae como una piedra, sino que desciende poco a poco, y la distancia horizontal que se puede recorrer planeando desde la altitud de crucero supera los 150 kilómetros. Los descensos que se efectúan en los vuelos comerciales, en realidad, son tremendamente parecidos a los planeos; pues al querer descender, se suele hacerlo con los motores al ralentí (encendidos, pero al mínimo).

Fuentes: volandosinmiedo.com y es.gizmodo.com

Temática sugerida por: locomotive1580