El ángulo de ataque

1.7.1 Definición.

En este capítulo se detalla con más profundidad un concepto fundamental en aviación desde sus comienzos, el ángulo de ataque (AOA, siglas de Angle Of Atack), cuya definición ya vimos en el capítulo dedicado a la sustentación. En dicho capítulo se denía el ángulo de ataque como “el ángulo agudo formado por la cuerda del ala y la dirección del viento relativo”, o sea, el ángulo con que la cuerda del ala se enfrenta al viento relativo o viceversa.

Para cada aeronave el valor del AOA tiene en general unos límites especícos; debe ser lo sucientemente reducido como para permitir que el aire que uye por arriba y abajo del ala produzca sustentación, pero no tan grande como para perturbar ese ujo y provocar la pérdida.

1.7.2 El ángulo de ataque.

El ángulo de ataque es quizá uno de los conceptos más usados e importantes en aviación, debido a que muchos de los números críticos relativos al rendimiento del avión están íntimamente relacionados con el ángulo de ataque.

La pérdida ocurre con un determinado ángulo de ataque.
El mejor ángulo de ascenso es un ángulo de ataque.
La mejor velocidad de ascenso se da con un ángulo de ataque concreto.
El mejor ratio de planeo ocurre con un ángulo de ataque determinado.
Cuando se compensa en profundidad el avión, en realidad se está seleccionando un ángulo de ataque.
La tasa de descenso más baja en planeo ocurre con un ángulo de ataque particular.

En un sentido real, el ángulo de ataque afecta a casi todo: cambiando el ángulo de ataque el piloto controla la sustentación, la velocidad, la resistencia, la distribución de presiones arriba y abajo del ala, etc.

Aunque la densidad del aire, la supercie alar, los factores de velocidad, etc. hacen variar la sustentación y la resistencia de la misma manera en cualquier perl aerodinámico, la variación de sustentación y resistencia con distintos ángulos de ataque es una característica propia de cada uno de estos perles. El gráco de la g.172 muestra un ejemplo de la variación de los coecientes de sustentación y resistencia en función del ángulo de ataque, para un perfil concreto.

La curva azul que representa el coeciente de sustentación alcanza su máximo para este ala en particular a los 20º de ángulo de ataque y después decae rápidamente; 20º es por tanto su ángulo de ataque crítico.

La curva roja del coeciente de resistencia aumenta velozmente a partir de los 12-13º de ángulo de ataque y rebasa completamente a la curva de sustentación a 21º de ángulo de ataque. La curva verde que representa el ratio sustentación/resistencia alcanza su máximo en los 6º signicando esto que en este ángulo de ataque es donde mayor sustentación se obtiene con la menor resistencia.

Obsérvese que el máximo ratio sustentación/resistencia ocurre con unos determinados coecientes de sustentación (C ) y ángulo de ataque. Si el vuelo es recto y nivelado con velocidad constante la resistencia total es mínima, pero con un ángulo de ataque menor o mayor se reduce el ratio y por tanto se incrementa la resistencia total del aeroplano dado.

1.7.3 Ángulo de ataque crítico.

El gráfico de la Fig.173 nos muestra el coeficiente de sustentación (C ) como una función sencilla del ángulo de ataque y cómo ese coeciente va aumentando hasta alcanzar el punto de mayor sustentación (C max.) a partir del cual decae rápidamente. Pues bien, se denomina ángulo de ataque crítico a aquel que produce la mayor sustentación y a partir del cual un aumento de dicho ángulo no se traduce en un incremento de la sustentación, sino que esta comienza a disminuir. Cada perl tiene su propio ángulo de ataque crítico.

Sabemos que la sustentación se produce por la diferencia de presiones entre las partes superior e inferior del ala, más la reacción hacia arriba que produce la acción del ujo de aire deectado hacia abajo en el borde de salida del ala. A medida que se incrementa el ángulo de ataque la diferencia de presiones es mayor debido a que presentamos a la corriente de aire una mayor curvatura; además, al ser mayor el ángulo del aire deectado en el borde de salida, mayor es la reacción hacia arriba, por tanto, tenemos más sustentación (y también más resistencia). Pero este proceso no es innito, cuando el ángulo de ataque excede el ángulo crítico (zona amarilla de la g.173) comienza a disminuir la sustentación hasta llegar a un punto en que se produce la entrada en pérdida.

1.7.4 Percepción del ángulo de ataque.

Los hermanos Wright tenían un único instrumento en su primer aeroplano, un indicador del ángulo de ataque. Este consistía en un simple palo que sobresalía hacia adelante en el borde de ataque del ala, con una tira de tela en la punta; la tira se alineaba con el viento relativo, sirviendo el palo como referencia y también como sostén de la tira en una región de aire no alterada por el ala. El ángulo entre la tira y el palo indicaba el ángulo de ataque.

Sin embargo, hoy en día muchos aviones no tienen ningún instrumento que dé una indicación directa del ángulo de ataque. Aunque parezca extraño, incluso muchos aviones de línea que tienen sensores de ángulo de ataque no tienen dispositivos que den esa información a la tripulación, solo al piloto automático. Por eso, desde el primer contacto con el avión los instructores insisten en que el alumno perciba la actitud del avión (morro arriba, morro abajo, morro nivelado) por referencias visuales, como una forma de percibir de manera indirecta el ángulo de ataque. A pesar de esta carencia, debemos ser capaces de mantener el ángulo de ataque que llevamos en cada momento mediante:

a. Nuestras percepciones: debemos acostumbrarnos a reconocer las posiciones de morro, jarnos en la posición de las alas, tomar referencias con partes del aeroplano, etc. La idea de controlar la actitud del avión mientras se mira fuera es muy importante. Es común encontrar estudiantes que vuelan bien mirando al frente, pero que descontrolan la actitud del avión cuando miran a los lados; esto les hace complicado mirar si hay otros trácos o encontrar los puntos de una ruta. Además, siempre existe la posibilidad de que uno o más instrumentos se averíen y tengamos que controlar el ángulo de ataque basándonos en nuestras sensaciones.

b. El indicador de velocidad, que nos da la mejor información sobre el ángulo de ataque.

Una regla que proporcionan algunos instructores para reconocer "grosso modo" el ángulo de ataque es: "si el avión tiene una actitud de morro arriba y está ascendiendo el ángulo de ataque es bajo, pero con esa misma actitud si el avión está descendiendo el ángulo de ataque es alto". Esta aseveración es cierta, pero ¡cuidado! porque es incompleta, por ejemplo, podemos estar descendiendo con una actitud de morro abajo y sin embargo tener un ángulo de ataque alto.

Debemos tener claro que, aunque la actitud del avión (morro arriba, abajo o nivelado) y el ángulo de ataque están relacionados, no son lo mismo. La actitud se mide respecto al horizonte, el ángulo de ataque respecto a la dirección del viento relativo. En cualquier situación donde el viento relativo no es horizontal debemos ser precavidos.

1.7.5 Relación con otros ángulos.

A pesar de la dificultad de percibir el ángulo de ataque, hay otros ángulos relacionados con el mismo que nos ayudan a percibirlo. Estos son: ángulo de actitud, de incidencia, y de ascenso/descenso. La fórmula que relaciona estos ángulos es la siguiente:

Actitudº + Incidenciaº = Ataqueº + Ascensoº

Quizá el caso más sencillo sea el vuelo recto y nivelado a velocidad constante; la actitud es 0º, el ángulo de ascenso es 0º y el ángulo de ataque es igual al ángulo de incidencia.

Normalmente el ángulo de incidencia es constante, por lo que el ángulo de ataque depende solo de la actitud y la dirección de vuelo (ascenso/descenso). Si los instructores insisten durante las lecciones prácticas en que aprendamos a percibir y controlar la actitud del avión, se debe precisamente a que de esta manera percibimos y controlamos indirectamente el ángulo de ataque, tal como se ha explicado.

Sin embargo, en las maniobras con flaps (despegue y aterrizaje) se ha de tener en cuenta que desplegarlos tiene el efecto de incrementar la incidencia en varios grados Al aumentar uno de los valores de la izquierda de la fórmula (incidencia), o minoramos el otro valor (actitud) para seguir manteniendo la igualdad, o la suma de la derecha (ataque + ascenso) aumentará en la misma cantidad. Resumiendo: la percepción del ángulo de ataque por la actitud habitual en vuelo cambia cuando se tienen los aps extendidos, y este cambio de percepción es mayor cuanto mayor es el grado de deflexión de los flaps.

1.7.6 Cambiando el ángulo de ataque.

En el capítulo dedicado a los mandos de control, vimos como el volante (o la palanca) de control provoca el movimiento de cabeceo del avión (morro arriba o abajo). Este movimiento de cabeceo hace variar el ángulo de ataque; o sea que el ángulo de ataque se controla mediante el volante de control. En el capítulo sobre control de altura y velocidad, veremos el efecto que tiene la variación del ángulo de ataque sobre la velocidad y la altura.

Para realizar un cambio en el ángulo de ataque, simplemente levante o baje el morro del aeroplano actuando sobre el volante de control. Una vez conseguida la actitud adecuada para el nuevo ángulo de ataque, libere un poco la presión y mueva el compensador hasta notar que no es necesario ejercer fuerza sobre el volante, lo que se llama "volar sin manos".

Si un aeroplano es desplazado del ángulo de ataque para el cual está compensado, por ejemplo, por una ráfaga de aire, intentará volver a su posición de equilibrio, pero no lo conseguirá inmediatamente, sino que oscilará hasta encontrarla. Estas oscilaciones son suaves y pueden corregirse fácilmente actuando sobre el volante de control. En aire no turbulento Vd. puede compensar el avión y dejarlo solo, pero si el aire es turbulento provocará bastantes oscilaciones y tendrá que intervenir sobre los mandos de forma más frecuente.

Aunque el compensador ahorra esfuerzo y facilita el trabajo, no es un procedimiento adecuado iniciar un cambio de actitud, velocidad o ángulo de ataque con el compensador, pues ello provocará un montón de oscilaciones. Haga los cambios mediante el volante de control y una vez conseguidos, actúe sobre el compensador para deshacerse de la presión sobre los mandos.

Conclusión: La forma mejor y más simple para que un avión vuele con un ángulo de ataque constante es compensarlo y dejarlo solo. Un aeroplano, por su propia estructura y diseño, está compensado para un ángulo de ataque definido. Los estudiantes primerizos, tienen la sensación equivocada de que ha de desarrollarse una gran habilidad y estar interviniendo en los mandos continuamente para mantener el aparato bajo control.

Otra sensación equivocada de los aspirantes a piloto es que hay que mantener los controles firmemente sujetos, hasta el punto de que algunos bajan de las clases prácticas con los nudillos blancos. Producto de este "agarrotamiento" en los mandos, es que cada vez que se mira a algún lugar que no sea al frente, el avión realiza un movimiento incontrolado; si el piloto mira hacia atrás, tira a la vez de los mandos y el avión se encabrita; si mira a un lado y abajo, allá que va el avión, etc. Un piloto experimentado sujeta ligeramente los mandos y los mueve con suavidad y firmeza.

1.7.7 Relación entre ángulo de ataque y velocidad.

En el capítulo dedicado a la fuerzas que intervienen en vuelo, vimos la fórmula de la sustentación L=C_L *ρ*S donde C_L es el coeficiente de sustentación, directamente proporcional al ángulo de ataque; ρ la presión aerodinámica (½dv² donde d es la densidad y v la velocidad del viento relativo) y S la superficie alar. Como en vuelo normal la sustentación es siempre muy cercana al peso y puesto que la superficie alar es invariable (salvo que se extiendan flaps), la fórmula anterior podría escribirse: Sustentación (L) = Coeciente de sustentación (C_L )* ½dv²

La igualdad reflejada en esta fórmula pone de relieve que:

. En la sustentación total producida L los principales ingredientes son la velocidad y el ángulo de ataque, relacionados de forma que,
. Para mantener una misma cantidad de sustentación, si la velocidad v disminuye, el coeficiente de sustentación C (que depende del ángulo de ataque) debe incrementarse y viceversa, tal como muestra el gráfico de la Fig.177.

Puesto que los gráficos de las figuras 173 y 177 tienen en común el coeficiente de sustentación, combinando ambos vemos la correspondencia existente entre velocidades y ángulos de ataque, tal como se muestra en la Fig.178; a mayor coeficiente de sustentación mayor ángulo de ataque y menor velocidad; cuando este coeficiente ha alcanzado su máximo la velocidad está en el mínimo; este mínimo es la velocidad de pérdida (Vs).

¡OJO! Este gráfico solo trata de mostrar la relación entre velocidad y ángulo de ataque, y asume condiciones estándar en cuanto a sustentación necesaria y a los factores que afectan a la velocidad (densidad, etc.). Por ejemplo, en condiciones de mayor necesidad de sustentación, como por ejemplo en un viraje cerrado, la curva de velocidad se desplazaría hacia la izquierda (la velocidad de pérdida es mayor).

Una idea intuitiva que podemos extraer tanto de la fórmula anterior como de este último gráco es que altas velocidades implican bajos ángulos de ataque mientras que bajas velocidades implican ángulos de ataque altos. Teniendo en cuenta que el factor velocidad, v en la fórmula, interviene elevado al cuadrado, se comprende que volar con velocidades muy bajas implica un coeficiente de sustentación (C_L ) muy elevado, o sea ángulos de ataque muy pronunciados.

Si a un coeficiente de sustentación determinado le corresponde un ángulo de ataque y una velocidad concreta, podemos armar que, para una misma cantidad de sustentación, a cada ángulo de ataque le corresponde una velocidad del indicador y viceversa, lo cual nos corrobora que el indicador de velocidad es realmente un buen indicador del ángulo de ataque.

Con una excepción: hay un amplio rango de ángulos de ataque cercanos al ángulo critico que producen el mismo coeficiente de sustentación, circunstancia que se observa en las Fig.175 y 177 donde vemos que la curva se hace casi plana en las cercanías del ángulo de ataque crítico. Estos ángulos corresponden a velocidades muy cercanas a la velocidad de pérdida.

En casi todos los regímenes de vuelo, incluyendo especialmente la aproximación final, el indicador de velocidad nos da la mejor información sobre el ángulo de ataque. Pero durante la recogida en el aterrizaje, estamos en velocidades cercanas a la pérdida y este indicador no nos dice nada que necesitemos conocer.

Notas:

En el rango de ángulos de ataque correspondientes a vuelo normal (entre unos 3º y 10º) sucede que:

El coeficiente de sustentación es proporcional al ángulo de ataque.
El coeficiente de resistencia inducida es proporcional al cuadrado del ángulo de ataque, y
El coeficiente de resistencia parásita es esencialmente constante.

Con ángulos de ataque más altos, lo anterior deja de tener validez. El coeficiente de resistencia parásita aumenta muy rápidamente, y el de resistencia inducida se incrementa algo, no hay en estos casos razones de proporcionalidad.

Se puede sostener un vuelo recto y nivelado en un amplio abanico de velocidades, ahora bien, si aumentamos la velocidad y mantenemos el ángulo de ataque, el avión no puede seguir volando nivelado y a una altitud constante porque la sustentación aumentaría, en cuyo caso el aeroplano comenzaría a ascender. Por tanto, para mantener el avión en vuelo recto y nivelado (sin acelerar) y en equilibrio, si aumentamos la velocidad, para mantener la sustentación constante debemos reducir el ángulo de ataque (bajando el morro) en la proporción adecuada. Por el contrario, si la velocidad se reduce, esto implica menor sustentación y se debe incrementar el ángulo de ataque para seguir manteniendo el vuelo recto y nivelado, por supuesto que sin llegar a provocar la pérdida. Concluyendo: con todos los demás factores de la ecuación de la sustentación L=C_L *½dv² *S en valores constantes, para cada ángulo de ataque se requiere una velocidad determinada para mantener vuelo recto y nivelado a velocidad constante.

Dado que un ala siempre entra en pérdida con un mismo ángulo de ataque, si aumenta el peso del avión la sustentación necesaria debe ser mayor. El único método para ello es incrementar la velocidad o se entrará en pérdida antes de alcanzar el ángulo de ataque crítico (asumiendo no aps u otros dispositivos hipersustentadores).

Sumario:

El ángulo de ataque es el ángulo agudo formado por la cuerda del ala y la dirección del viento relativo.
La variación de la sustentación y la resistencia con el ángulo de ataque es propia de cada perl aerodinámico. Lo mismo el ángulo de ataque crítico.
Actitudº + Incidenciaº = Ataqueº + Ascensoº.
Angulo de ataque crítico es aquel que produce la mayor sustentación y a partir del cual un aumento del ángulo de ataque no se traduce en un incremento de la misma.
El coeficiente de sustentación es un ratio que mide básicamente la efectividad del ala para convertir la presión aerodinámica en sustentación; es un número dimensional y no tiene unidad de medida. Se compone de un valor fijo según el tipo de perfil (coeficiente aerodinámico) más otro variable con el ángulo de ataque. Este coeficiente aumenta con el ángulo de ataque hasta llegar al C máximo a partir del cual comienza a disminuir.
Un ala típica puede tener un coeficiente de sustentación de alrededor de 1.5 sin extender flaps; es muy difícil conseguir un coeficiente mayor de 2.5 incluso con flaps extendidos.
El coeficiente de sustentación (C_L ) es una función simple del ángulo de ataque.
En la sustentación total producida los principales ingredientes son la velocidad y el ángulo de ataque.
Para una misma cantidad de sustentación, a cada ángulo de ataque le corresponde una velocidad y viceversa, es decir que si se aumenta el ángulo de ataque habrá de aminorarse la velocidad y a la inversa.
El indicador de velocidad es el dispositivo que mejor información nos da sobre el ángulo de ataque, excepto en velocidades cercanas a la pérdida.
La aseveración “con una actitud de morro arriba si el avión está ascendiendo el ángulo de ataque es bajo y si está descendiendo el ángulo de ataque es alto” es cierta, pero !ojo! incompleta.
Por su estructura y diseño, si se compensa un avión para un ángulo de ataque específico, este debe mantenerlo sin necesidad de estar haciendo correcciones continuamente.
Sujetar los mandos con suavidad y firmeza. El volante de control además de servirnos para efectuar modificaciones en el ángulo de ataque debe servirnos para "sentir" los cambios de ángulo de ataque.