Aerodynamics

AERODINÁMICA BÁSICA: ¿POR QUÉ VUELAN LOS AVIONES?

Estamos acostumbrados a ver volar a los aviones: varias toneladas de peso en el aire. La verdad es bastante extraño que tal cantidad de peso se pueda mantener en el aire como si fuera de papel. Más extraño resulta cuando estás dentro de un mastodonte de 400 Tm de peso (perdón masa, pero bueno creo que nos entendemos) y comienza la carrera, miras por la ventanilla, ves pasar la pista cada vez más deprisa y poco después ves cómo se aleja. Efectivamente, la física vuelve a tener razón y las 400 Tm de masa (casi 4.000 Nw de peso) están en el aire.

Claro si ahora comparas este pedazo avión con la avioneta de 500 Kg con la que vuelo, dices eso de, ¡bueno esto vuela solo! Sin embargo, los dos aviones siguen el mismo principio físico. Ya, pero, ¿cuál es ese principio físico?

La cosa no es tan sencilla, ni mucho menos, porque primero volamos y después buscamos las razones, dicen que con el fin de poder mejorar el vuelo o, más bien, para llenarnos de fórmulas que forman el “hueso” de la aeronáutica: la aerodinámica.

Principios Aerodinámicos

Comencemos por el principio, esto es, por la definición: Aerodinámica es la parte de la mecánica de fluidos que estudia los gases en movimiento y las fuerzas o reacciones a las que están sometidos los cuerpos que se hallan en su seno. De acuerdo con el número de Mach o velocidad relativa de un móvil con respecto al aire, la aerodinámica se divide en subsónica y supersónica según que dicho número sea inferior o superior a la unidad.

Hay ciertas leyes de la aerodinámica, aplicables a cualquier objeto moviéndose a través del aire, que explican el vuelo de objetos más pesados que el aire. Para el estudio del vuelo, es lo mismo considerar que es el objeto el que se mueve a través del aire, como que este objeto esté inmóvil y es el aire el que se mueve (de esta última forma se prueban en los túneles de viento prototipos de aviones).

Estas son la fuerza básicas a las que está sometido un avión. La masa del avión “tira” hacia abajo y la sustentación (lift) debe vencer esta fuerza. Para ello debemos impulsar un movimiento de aire a través de las alas para que aparezca el efecto Bernoulli y la sustentación supere a la masa del avión más el rozamiento (drag).

Sin embargo, los aviones despegan antes que, por la ecuación de Bernoulli, la sustentación supere la masa. Luego hay algo más.

Por supuesto, bastante más. Si nos fijamos en el perfil de ala sólo “funciona” Bernoulli cuando está volando boca arriba, es decir, normal. Pero, ¿qué ocurre en un vuelo invertido? ¿Por qué sigue sustentando?

Aún hay más. No todos los perfiles tienen esta forma, existen perfiles simétricos, es decir, son igualmente curvos por la parte superior (o extradós) que por la parte inferior (o intradós):

En la figura anterior vemos perfiles normalizados, quiere decir que vuelan realmente. Algunos son simétricos, si hacemos circular aire alrededor de ellos no aparece Bernoulli, ni Venturi por ninguna parte ¿cómo pueden volar?: ¡Necesitamos a Newton!

3ª Ley del movimiento de Newton

Para cada fuerza de acción hay una fuerza de reacción igual en intensidad pero de sentido contrario. O algo así. El caso es que así funciona la física. Caminamos porque la fuerza que ejercemos sobre el suelo produce una reacción en sentido contrario que nos empuja hacia adelante. Cuando empujas a alguien, esa misma fuerza de reacción te empuja hacia atrás. Una gran cantidad de aire expulsada a gran velocidad por la tobera de un reactor hace que siga volando.

De la misma forma el aire que choca contra un perfil plano, como el de la figura, produce una reacción que hace que se desplace hacia arriba.

Esto es muy fácil probarlo. Tan sólo hace falta sacar una mano por la ventanilla de un coche en marcha. Si la mano está horizontal no pasa nada, pero si giramos un poco la mano levantándola en sentido de la marcha ¡eureka! Newton tenía razón nuevamente.

Claro para ello es necesario levantar un poco la mano, es decir, hacer que el perfil alar tenga un "ángulo de ataque".

Si ahora juntamos todas las teorías tenemos sustentación.

Ahora, con una explicación a lo “Bernoulli” para el perfil simétrico y para el vuelo invertido.

Si tenemos un perfil simétrico en horizontal en el túnel del viento, ocurre lo siguiente:

La corriente de aire por la parte superior es igual que por la inferior, en principio no tiene sustentación. Bueno esto es algo discutible pero la explicación queda un poco lejos de algunos. No importa, si a este perfil de damos un poco de ángulo de ataque, se convierte en:

Ahora ya está “Benoullizado”. Si aplicamos, Bernoulli, Venturi o, incluso, Newton, en perfil sustenta. Pero ¿qué ocurre en un vuelo invertido?:

¡No hombre, no! Así no se vuela en invertido. Levanta el morro (o bájalo según mires) hasta conseguir que el perfil alar se parezca al anterior y tendrás sustentación, todo el tiempo que quieras. Así vuelan los acrobáticos en invertido. Ya ves un simple “truco”.

Por cierto, sólo pueden volar en invertido los aviones diseñados para ello, la mayoría de los aviones “normales” no resistirán su estructura la inversión de fuerzas y… se partirán. Algo así hizo Denzel Washington en la película “El Vuelo” con un MD-80, desgraciadamente este tipo de aviones no pueden hacer esta maniobra, se partirían en el intento (casi seguro), pero se trataba de una película.

Dispositivos hipersustentadores

Con las explicaciones físicas dadas hasta ahora ya sabemos el porqué vuelan los aviones, sin embargo, no pueden despegar por lo menos a la velocidad a la que lo hacen.

Para ellos utilizan los dispositivos hipersustentadores: los flaps y slats.

Estos dispositivos tienen como misión aumentar la superficie del ala (que es la sustenta el avión), es decir, más ala, más sustentación, conclusión: despego a menor velocidad. Si despego a menor velocidad, ¿también puedo utilizarlo para aterrizar a menor velocidad? Pues claro que sí, así tendrás un aterrizaje más seguro.

Los flaps funcionan alargando el perfil del ala y produciendo más curvatura en el perfil. Si aquí aplicamos lo aprendido en Bernoulli, Venturi y Newton vemos fácilmente que conseguimos más sustentación. Si te fijas en las aves también utilizan sus “flaps” cuando quieren posarse en tierra. Una de las aves que mejor lo utilizan es la gaviota que puede, con un poco de viento en cara, pararse en el aire antes de lanzarse a por su comida.

Por cierto, el A-380, el avión de pasajeros más grande del mundo con sus 560 Tm a plena carga despega a menor velocidad que cualquier otro avión, esto es debido a que sus alas tienen forma de gaviota.

Sustentación

Sin entrar en demostraciones matemáticas, simplemente se puede demostrar matemática y físicamente que la fórmula correspondiente a la sustentación es: L=CL*q*S donde CL es el coeficiente de sustentación, dependiente del tipo de perfil y del ángulo de ataque; q la presión aerodinámica (1/2dv² siendo d la densidad y v la velocidad del viento relativo, que ya vimos antes) y S la superficie alar.

De los términos de la fórmula anterior el coeficiente de sustentación (Cl) es el más importante, porque cada perfil tiene el suyo propio, el resto de los términos dependen de la velocidad, presión (que veremos que depende de la altura) y del tamaño del ala. Este coeficiente de sustentación se halla de forma experimental en el túnel de viento. Existen unas expresiones matemáticas llamadas ecuaciones de Navier-Stokes que, bien aplicadas, nos pueden dar el valor de este coeficiente de manera teórica. Pero los ingenieros somos muy brutos en términos matemáticos y nos es mucho más sencillo montar un túnel de viento que aplicar las ecuaciones de Navier-Stokes.

Aquí hay un par de imágenes de túneles de viento que encontré por la red, por cierto el de abajo es de Ferrari (bueno, se ve). Está claro que esto es infinitamente más emocionante que aplicar ecuaciones de matemáticos.

El perfil se va probando para distintos ángulos de ataque, ya que según Newton, a más ángulo de ataque mayor sustentación:

Ya pero esto tiene un límite marcado por otros parámetros: resistencia del aire, rozamiento, etc.

Hay un ángulo en el que deja de sustentar, de forma brusca. Se produce el efecto de entrada “en pérdida” (stall) que, desgraciadamente, se produce de forma brusca y es uno de las causas más importante de accidentes aéreos.

La otra propiedad del aire es la densidad que es simplemente la cantidad de aire que hay (masa) en una unidad de volumen, cuando más densidad mejor, más sustenta, si hay poca densidad, no hay aire, no se sustenta nada.

El aire es más denso a nivel del mar y con anticiclón. La presión barométrica que vemos en los mapas del tiempo nos indica la densidad del aire que tenemos en un determinado lugar.

Los aviones vuelan lo más alto posible. A esa altura hay poco aire, luego sustentan poco, pero también consumen poco porque hay poco aire. La velocidad a esa altura compensa la sustentación, luego no hay problema.

A ver..., problema hay y gordo, pero otro. A medida que ascendemos hay menos densidad de aire y menos temperatura. La velocidad del sonido es directamente proporcional a la temperatura. Cuanto más frío el sonido va más despacio. A nivel de mar y 20ºC el sonido viaja a 1.190 km/h, pero a 36.000 pies (unos 12 km) va a 1.038 km/h parece poca diferencia, pero es crucial.

Como hay que volar más rápido nos podemos acercar antes a la velocidad del sonido y aparecen problemas (ya hablaremos de la velocidad del sonido) estos problemas son sencillamente la entrada en pérdida (stall) brusca por aparecer fenómenos de “compresibilidad del aire”. Efectos como los de la figura siguiente:

No es necesario llegar a Mach uno (M=1) para que aparezcan ondas de choque que nos tiran por tierra al avión y a toda la teoría de sustentación.

Los aviones comerciales tienen un triángulo de velocidad y altura de vuelo del cual no pueden salir. Una cosa como la de la figura siguiente:

(Digo aviones comerciales, porque los de combate suelen ser supersónicos y no les afecta y a los deportivos les queda muy lejos.)

En esta figura el avión negro vuela dentro del triángulo y alejado de los vértices: no tiene problema. Pero el avión rojo vuela muy cerca de la Coffin Corner (esquina ataúd). El nombre lo dice todo, prácticamente no hay salida: si acelera se pasa a la derecha, entra en la zona de compresibilidad del aire, pierde sustentación y cae. Si frena se va a la izquierda, se sale de la zona de sustentación y cae.

Afortunadamente los aviones comerciales los pilotan ordenadores que “saben” perfectamente estas y otras limitaciones porque los hemos programado los ingenieros aeronáuticos y no vamos a dejar que se estrelle un avión porque nos meten en la cárcel.

A modo de conclusión

Como en otros muchos campos de la ciencia y la tecnología, en aeronáutica la práctica fue por delante de la teoría y los primeros diseños de aviones, sin ninguna base matemática, resultaron ser buenos “voladores”. Durante más de 100 años de historia de la aviación los diseños subsónicos (los supersónicos van por otro camino) no han variado de forma especial, en términos aerodinámicos. Sí que ha habido muchas mejoras pero su fundamento es el mismo. Desde que Claude-Louis Navier en el siglo XVIII y George Gabriel Stokes entre el XIX y XX, introdujeron las famosas ecuaciones de Navier-Stokes, que tanta lata nos dieron en la asignatura de aerodinámica, con las que se puede estudiar el comportamiento de los fluidos, hasta ahora nada ha cambiado, porque ni la física ni la química cambia y la forma de volar, de momento, tiene que ser la misma que hace un siglo.

No se me olvida la fórmula uno, porque todo lo dicho para aeronáutica vale para la alta competición. Un vehículo de carreras debe tener en cuenta desde Bernoulli, Venturi, Newton hasta Navier-Stokes,pero para no volar y para luchar contra su principal enemigo: el viento y convertirle en un aliado: hacer que el viento sea parte de su propulsor. Por eso las escuderías que quieren ganar deben dejar que los ingenieros aeronáuticos les digan cómo hacerlo.