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Sustentación. ¿Cómo vuelan los aviones?

publicado a la‎(s)‎ 21 oct. 2009 10:29 por Pedro J. Hernández   [ actualizado el 21 oct. 2009 10:42 ]

A continuación puedes ver la animación de las web consumer.es explicando de manera sencilla el proceso de vuelo de un avión

El misterio fundamental del vuelo de un avión está en por qué el aire por el extradós viaja más rápido que por el intradós.

La teoría de los tiempos iguales de tránsito es una de las teorías más populares. El extradós es más largo que el intradós y por tanto el aire por el extradós tiene que hacer mayor recorrido para encontrarse con el aire que va por el intradós y en consecuencia moverse a mayor velocidad. El principio de Bernoulli implica que un fluido que se mueve a mayor velocidad ejerce menor presión. Entonces la diferencia de presión en el extradós y intradós explica la sustentación.

Pero esta teoría simple tiene una pega bien sencilla. La teoría predice que los aviones invertidos no pueden volar. ¡Pero lo hacen!.

En el siguiente applet, se puede ver y experimentar con un ala de perfil simétrico inmersa en un fluido cuyo movimiento es una simulación realizada a partir de las soluciones de las ecuaciones de euler, que no son más que un grupo de ecuaciones resultado de la aplicación simultánea al fluido de la conservación de la masa, el momento y la energía (puedes echar un vistazo a la pinta tan complicada que tiene. Cuando ves el applet estás visualizando la solución para el perfil del ala de esas ecuaciones)

Se pueden ver en primer lugar que, como predice la teoría de los tiempos iguales de tránsito, un perfil simétrico paralelo a la dirección de movimiento del fluido no presenta fuerza de sustentación.

  • Cuestión 1. ¿Por qué?
  • Si introducimos un ángulo de ataque, la propia teoría nos predice perfectamente que los recorridos serán distintos y que la velocidad del aire será mayor por el extrados.

    Podemos medir dicha velocidad con el applet moviendo la sonda por el extradós y el intradós y ver que efectivamente es de esa manera. Lift significa sustentación. Lo ponemos en Newton y medimos la velocidad en diferentes puntos del ala. También medimos la presión en Pa.

  • Actividad 1. Haz una tabla de medidas de velocidad y presión en puntos delante del borde de ataque, en la parte superior del borde de ataque y en varios puntos del extrados e intrados. ¿Qué deduces?.
  • ¿Entonces en qué falla la teoría?. En un aspecto obvio y en uno más sutil.

    El aspecto obvio es que que las masas de aires por el extradós y el intradós no toman el mismo tiempo en alcanzar el borde de salida del ala. Podemos verlo en el applet pulsando en direction, eligiendo far view y siguiendo las líneas del mismo color –que representan grupos de partículas que parten a la misma velocidad y paralelas a la misma distancia del borde de ataque- moviendo la barra de desplazamiento rake release point.

    Uno de los aspecto sutiles es que además las velocidades que se alcanza en el extradós es máxima en la zona más ancha del perfil, lo que es un indicativo de que un efecto fundamental es el cambio de dirección de la curva del perfil que acelera las partículas de aire.

    Lo que acabamos de hacer es una descripción grosso modo de los que ocurre. Pero no es una explicación del porqué último de la sustentación. El porqué último se puede ver de dos maneras que llamaremos Bernoulli y Newton:

  • Bernoulli. Como la fuerza resultante vertical que proviene de la diferencia de presiones entre el extrados y el intrados.
  • Newton. Como la componente vertical de la fuerza resultante de reacción al cambio de dirección del fluido que proviene de la contribución global de todos los cambios locales de velocidad.
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    Actividades
    2. Mide la sustentación para ángulos de ataque de 3, 6, 9 y 12 grados. ¿Es la sustentación proporcional al ángulo de ataque?
    Cuestiones
    2. ¿Cuál es un factor relevante en el cambio de velocidad del aire por el extrados?.
    3. ¿Son las alas de los aviones de perfil simétrico como en el simulador?. Explícalo.
    4. Fíjate en la actividad 2 y explica qué ocurre si el ángulo de ataque es negativo. ¿Se te ocurre un ejemplo de una situación práctica donde un ángulo de ataque negativo resultase práctica?.
    5.Cuando el ángulo de ataque es elevado (>20º) se pueden producir pérdidas. Describe el proceso de pérdida en el ala. Explica lo que es una turbulencia y la diferencia entre el fluido laminar y el turbulento. Para contestar utiliza este enlace y este otro. ¿Es el flujo del fluido de la simulación anterior laminar o turbulento?. ¿Entra el perfil de ala de la simulación en pérdida en algún momento?.
    6. Si alguien te pregunta por qué vuela en un avión, cómo contestarías de manera breve y concisa.

    Referencias

  • Theories of Lift . NASA Beginner’s Guide to Aeronautics
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