¿Que Hace Volar A Los Aviones? Entrá!

¿POR QUE VUELAN LOS AVIONES?


“¿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.


Sustentacion


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


Para que un objeto permanezca en vuelo, simplemente la fuerza vertical que lo eleve tendrá que ser igual o mayor que la fuerza de su peso.
¿Que Hace Volar A Los Aviones? Entrá!


Cómo se crea esa fuerza vertical que sostendrá al avión? El ala tiene una forma de sección especial, el perfil alar, que al paso del aire crea la fuerza de sustentación. La curvatura de este perfil obliga al aire pasar a mayor velocidad por encima que por debajo causando una diferencia de presiones, más baja arriba que abajo, con lo cual el ala tenderá a subir.
Como


Como hemos visto, la condición para que esto ocurra es que el aire pase a una cierta velocidad por el ala. Cuanto mayor la velocidad mayor la sustentación (dentro de unos límites físicos, claro está). Asi que será necesario impulsar el avión hacia delante con una fuerza de tracción, en contra de la resistencia al aire, para que el ala pueda crear la fuerza de sustentación necesaria para vencer el peso del avión y pueda elevarse. La fuerza de sustentación siempre será perpendicular al perfil alar.
vuela


Y esto en fondo es todo el secreto... Cuando la tracción, la resistencia al aire, la sustentación y el peso están en equilibrio, el avión volará a una velocidad y altura constante.

Como ya se mencionó más arriba, la velocidad con la que pasa el aire por el ala, influye la sustentación. A su vez, para que el avión se eleve, la sustentación deberá de ser mayor que el peso. Ahora se entiende que es importante que el avión sea lo más ligero posible. Asi la potencia de tracción podrá ser menor. Por otro lado, cuanto más aerodinámica sea la forma del avión, menos resistencia al aire tendrá y menos potencia se derrochará.

avion


Y en un helicópero? Básicamente sucede lo mismo. La diferencia reside en que el paso del aire para crear sustentación no se consigue impulsando todo el aparato hacia delante, sino impulsando las alas circularmente. Es por esto que ya no se habla del ala, sino del rotor.
un


Y ahi también está la razón por la cual un helicóptero es capaz de elevarse verticalmente sin necesidad de una pista de despegue para ganar velocidad previamente. Ahora se puede pensar que un helicópero es mucho más simple que un avión, sin embargo, la complejidad surge a la hora de controlar el vuelo. Aqui hay grandes diferencias entre los aviones y los helicópteros, por lo cual se tratan en dos capítulos por separado.

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 Sustentacion


¿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 ala como una bomba


Como las leyes de Newton sugieren, el ala debe cambiar algo en la masa de aire,
para obtener sustentación. Cambios en el momento del aire resultan en fuerzas sobre
el ala. Para generar sustentación el ala debe dirigir aire hacia abajo, mucho aire!.
La sustentación de un ala es igual al cambio de momento del aire dirigiéndolo hacia
abajo. La sustentación de un ala es proporcional a la cantidad de aire desviado hacia
abajo por la velocidad de descenso del aire. Es tan simple.
Para conseguir mas sustentación el ala debe desviar una mayor cantidad de aire o
aumentar su velocidad hacia abajo. Este flujo de aire dirigido hacia abajo es llamado
“downwash” Mientras mayor es el ángulo de ataque mayor será la velocidad vertical de la
masa de aire, manteniendo el ángulo de ataque, pero aumentando la velocidad del ala
también se lograra un aumento de la sustentación.


Esto puede ser demostrado observando el denso flujo de aire que desplaza una hélice
en movimiento, un ventilador o, bajo el rotor de un helicóptero, todos Los cuales son
alas que giran. Si el flujo de aire saliese de la hélice en un ángulo el flujo de la hélice
tendría una forma cónica y no una sólida columna. Si un avión volara sobre una gran
pesa, esta pesa registraría el peso completo del avión.
Si estimamos la componenta vertical promedio de downwash de un avión Cessna
172, volando a 110 nudos, debe ser de aproximadamente 9 nudos, luego para
generar Los 1000 kilos de sustentación el ala debe bombear la increible cantidad de
2.5 toneladas por segundo de aire !!! .De hecho, como discutiremos mas adelante,
este estimado puede estar subestimado y puede ser bastante mayor. La cantidad de
aire que hay que bombear hacia abajo, para un avión Boeing 747, para crear la
sustentación necesaria para levantar sus 400 toneladas de peso de despegue,
resulta a todas luces increíble.
Bombeando, o dirigiendo una cantidad de aire tan grande hacia abajo, es un gran
argumento en contra de la sustentación generada solo como un efecto de superficie,
como esta implícita en la explicación popular, basada en el principio de Bernoulli. De
hecho para poder bombear 2.5 ton/seg. El ala del Cessna 172 debe acelerar todo el
aire sobre el ala, hasta aproximadamente 3 mts por sobre ella.
¿Cómo puede un ala tan delgada desviar hacia abajo un flujo de aire tan grande?
Cuando el flujo de aire es desviado por sobre la cara superior del ala, esta arrastra la
masa de aire que se encuentra sobre esta, desviándola hacia abajo tambien. Este
arrastre reduce la presión de aire sobre el ala. Es la aceleración del aire por sobre el
ala con dirección hacia abajo la que produce la sustentación. ¿Cómo el ala desvía la
masa de aire con suficiente fuerza para generar sustentación?, Lo veremos mas
adelante.


Un observador ubicado en el suelo, vería el flujo de aire saliendo del ala en forma
casi vertical. Pero¿ qué esta haciendo el flujo de aire arriba y abajo del ala?,
Recordemos que el aire inicialmente esta quieto
y es el ala la que se desplaza. Adelante del borde de ataque, el aire se desplaza
hacia arriba (upwash). En el borde de fuga el aire es dirigido hacia abajo (downwash).
Sobre el ala el aire es acelerado hacia el borde de fuga. Abajo del ala el aire es
acelerado hacia adelante ligeramente si es que no queda como estaba.

6 comentarios - ¿Que Hace Volar A Los Aviones? Entrá!

@Oloca
ingenieros aeronauticos que diseñan los motores
@H1N1V
Las Turbinas?
@LuckyLucciano
¿Que Hace Volar A Los Aviones? Entrá!

El fueloil!
@gato2669
no entendi, el viejo de aerodinamica nos desia, que la forma del perfil alar no era la unica causa de sustentacion, ya que los aviones modernos tenian perfiles casi simetricos (osea hay una misma distancia entre el intrados y la cuerda, y el extrados y la cuerda) pero no entiendo a que quiere llegar. puesto que esta comprobado que el aire que pasa por el ala no sigue la misma direccion si no que baja, eso explica, entre otras cosas el efecto suelo.


nose ahora estudio ing en sistemas de informacion, a pesar que me fasinaba aerodinamica, no hay laburo aca de esto...
@nachi250
gato2669 dijo:no entendi, el viejo de aerodinamica nos desia, que la forma del perfil alar no era la unica causa de sustentacion, ya que los aviones modernos tenian perfiles casi simetricos (osea hay una misma distancia entre el intrados y la cuerda, y el extrados y la cuerda) pero no entiendo a que quiere llegar. puesto que esta comprobado que el aire que pasa por el ala no sigue la misma direccion si no que baja, eso explica, entre otras cosas el efecto suelo.


nose ahora estudio ing en sistemas de informacion, a pesar que me fasinaba aerodinamica, no hay laburo aca de esto...


no, se supone que el extrado tiene una mayor distancia que el intrados y por eso las particulas se aceleran, quiza te referis a un avion de papel que no vuela (osea no sesustenta) sino que se resiste. Y sino seran casi simetricos porque van a los pedos entonces no necesitan tanta diferencia y asi disminuyen la resistencia total para volar lento ahora tiene miles de cosas flaps, slats y demaas