Fuerzas que actuan en vuelo

En este capítulo, se detalla de un modo sucinto y elemental cuales son las principales fuerzas que afectan a un avión en vuelo, tanto aquellas que hacen posible que este se mantenga en el aire y avance a través del mismo como aquellas otras que tiran del avión hacia el suelo o retardan su avance. Además, veremos qué factores les afectan en mayor o menor medida y de que forma puede el piloto controlar su intensidad.

1.3.1 Cuatro fuerzas.

Sobre un aeroplano en vuelo actúan una serie de fuerzas, favorables unas y desfavorables otras, siendo una tarea primordial del piloto ejercer control sobre ellas para mantener un vuelo seguro y eficiente.

De todas las fuerzas que actúan sobre un aeroplano en vuelo, las básicas y principales porque afectan a todas las maniobras son cuatro: sustentación, peso, empuje y resistencia. Estas cuatro fuerzas actúan en pares; la sustentación es opuesta al peso y el empuje o tracción a la resistencia.

En vuelo recto y nivelado a velocidad constante, la suma de cada fuerza con su opuesta es cero, una fuerza anula el efecto de la otra.

Un aeroplano, como cualquier otro objeto, se mantiene estático en el suelo debido a la acción de dos fuerzas: su peso, debido a la gravedad, que lo mantiene en el suelo y la inercia o resistencia al avance que lo mantiene parado. Para que este aeroplano vuele será necesario contrarrestar el efecto de estas dos fuerzas negativas, peso y resistencia, mediante otras dos fuerzas positivas de sentido contrario, sustentación y empuje respectivamente. Así, el empuje ha de superar la resistencia que opone el avión a avanzar, y la sustentación superar el peso de avión manteniéndolo en el aire.

1.3.2 Sustentación.

Es la fuerza desarrollada por un perfil aerodinámico moviéndose en el aire, ejercida de abajo arriba y cuya dirección es perpendicular al viento relativo y a la envergadura del avión (no necesariamente perpendiculares al horizonte). Debido a que es una fuerza, es una cantidad vectorial que tiene una magnitud y una dirección asociadas a ella. Se suele representar con la letra L, inicial del término inglés Lift = Sustentación.

En el capítulo anterior hemos visto las leyes aerodinámicas que explican la sustentación; ahora veremos con detalle cuales son los factores que afectan a la misma, dando entrada de paso a algunos conceptos nuevos.

Actitud del avión. Este término se reere a la orientación o referencia angular de los ejes longitudinal y transversal del avión con respecto al horizonte, y se especica en términos de: posición de morro (pitch) y posición de las alas (bank); por ejemplo: el avión está volando con 5 de morro arriba y 15 de alabeo a la izquierda.

Trayectoria de vuelo. Es la dirección seguida por el perl aerodinámico durante su desplazamiento en el aire; es decir, es la trayectoria que siguen las alas y por tanto el avión.

Viento relativo. Es el flujo de aire que produce el avión al desplazarse. El viento relativo es siempre paralelo a la trayectoria de vuelo y de dirección opuesta. Su velocidad es la relativa del avión con respecto a la velocidad de la masa de aire en que este se mueve.

Es importante destacar que no debe asociarse la trayectoria de vuelo, ni por tanto el viento relativo, con la actitud de morro del avión; por ejemplo: una trayectoria de vuelo recto y nivelado puede llevar aparejada una actitud de morro ligeramente elevada.

Ángulo de incidencia. El ángulo de incidencia es el ángulo agudo formado por la cuerda del ala respecto al eje longitudinal del avión. Este ángulo es fijo, pues responde a consideraciones de diseño y no es modicable por el piloto (1).

Ángulo de ataque. El ángulo de ataque es el ángulo agudo formado por la cuerda del ala y la dirección del viento relativo. Este ángulo es variable, pues depende de la dirección del viento relativo y de la posición de las alas con respecto a este, ambos extremos controlados por el piloto. Como es conveniente tener muy claro el concepto de ángulo de ataque, pues el vuelo está directa y estrechamente relacionado con el mismo, se dedica mas adelante un capítulo dedicado al mismo.

Importante: tal como muestra la Fig.135, el ángulo de ataque se mide respecto al viento relativo y no respecto a la línea del horizonte. En la parte de la izquierda el avión mantiene una trayectoria horizontal (el viento relativo también lo es) con diferentes ángulos de ataque (5º y 10º); a la derecha y arriba, el avión mantiene una trayectoria ascendente con un ángulo de ataque de 5º, mientras que a la derecha y abajo la trayectoria es descendente también con el mismo ángulo de ataque.

En la Fig.136 se muestran distintas fases de un avión en vuelo, en cada una de las cuales podemos apreciar de una manera gráca los conceptos denidos: la trayectoria; el viento relativo, psaralelo y de dirección opuesta a la trayectoria, y la sustentación, perpendicular al viento relativo.

Si se fija en dicha figura, notará que los dos aviones de la izquierda tienen la misma actitud y sin embargo distinta trayectoria (y naturalmente, diferentes sentidos de sustentación y viento relativo); el ángulo de ataque del avión de la parte superior es moderado mientras que el de la parte inferior tiene un valor elevado. Por contra, los dos aviones de la derecha tienen la misma trayectoria y sin embargo su actitud y ángulo de ataque son diferentes.

1.3.3 Factores que afectan a la sustentación.

La forma del perfil del ala. Hasta cierto límite, a mayor curvatura del perfil mayor diferencia de velocidad entre las superficies superior e inferior del ala y por tanto mayor diferencia de presión, o lo que es igual mayor fuerza de sustentación.

No obstante y tal como hemos visto en el anterior capítulo, no hay que confundirse pensando que es necesario que el ala sea curvada por arriba y plana o cóncava por abajo para producir sustentación, pues un ala con un perfil simétrico también la produce. Lo que ocurre que un ala ligeramente curvada entra en pérdida con un ángulo de ataque mucho mayor que un ala simétrica, lo que signica que tanto su coeficiente de sustentación como su resistencia a la pérdida son mayores.

La curvatura de un ala típica moderna es solo de un 1% o un 2%. La razón por la cual no se hace más curvada, es que un incremento de esta curvatura requeriría una superficie inferior cóncava, lo cual ofrece dificultades de construcción. Otra razón, es que una gran curvatura solo es realmente beneficiosa en velocidades cercanas a la pérdida (despegue y aterrizaje), y para tener más sustentación en esos momentos es suciente con extender aps y slats.

La superficie alar. Cuanto más grandes sean las alas mayor será la superficie sobre la que se ejerce la fuerza de sustentación. Pero hay que tener en cuenta que perfiles muy curvados o alas muy grandes incrementan la resistencia del avión al ofrecer mayor superficie enfrentada a la corriente de aire. En cualquier caso, tanto la forma como la superficie del ala dependen del criterio del diseñador, que tendrá que adoptar un compromiso entre todos los factores según convenga a la funcionalidad del avión.

La densidad del aire. Cuanto mayor sea la densidad del aire, mayor es el número de partículas por unidad de volumen que cambian velocidad por presión y producen sustentación (factor ρ del teorema de Bernoulli).

La velocidad del viento relativo. A mayor velocidad del flujo sobre el perfil, mayor es la sustentación. Es importante destacar que la sustentación es proporcional al cuadrado de la velocidad (factor v² del teorema de Bernoulli), siendo por tanto este factor el que comparativamente afecta más a la sustentación, tal como se deduce de la fórmula que veremos a continuación. En la siguiente figura (Fig.137) se observa un ejemplo de cómo aumentando la velocidad un 50% (de 120 mph a 180 mph) la sustentación se incrementa un 125% (1.5 = 2.25; 2.960 * 2.25 = 6660).

Obviamente el piloto solo puede tener inuencia en la sustentación actuando sobre los factores velocidad y ángulo de ataque, pues el coeficiente aerodinámico y la superficie alar están predeterminadas por el diseño del avión, y la densidad del aire depende del estado de la atmósfera.

La ecuación anterior insiste matemáticamente en la armación de que la sustentación es proporcional al cuadrado de la velocidad del avión, de lo cual podemos inferir que tanto la velocidad como el ángulo de ataque son componentes de la mayor importancia e íntimamente ligados a la producción de sustentación.

En el capítulo dedicado a las superficies de mando y control) se verá que el avión dispone de dispositivos hipersustentadores (aps y slats) que accionados por el piloto modican la curvatura del ala y la supercie alar, pero estos dispositivos están diseñados para posibilitar maniobras a baja velocidad (aterrizaje, despegue, etc.) más que para aumentar la sustentación a velocidades normales de operación.

1.3.4 Centro de presiones.

Se denomina centro de presiones al punto teórico del ala donde se considera aplicada toda la fuerza de sustentación. La figura 139 muestra un ejemplo de distribución de presiones sobre un perfil moviéndose en el aire. Aunque la presión actúa sobre la totalidad del perfil, a efectos teóricos se considera que toda la fuerza de sustentación se ejerce sobre un punto concreto en la línea de la cuerda (resultante).

Mediante métodos empíricos se ha demostrado que a medida que se incrementa el ángulo de ataque, el centro de presiones se desplaza gradualmente hacia adelante. En un punto más allá del ángulo de ataque para vuelo ordinario, comienza a moverse hacia atrás de nuevo; cuando llega a un punto lo sucientemente atrás, el morro del avión cae porque el ala está en pérdida.

1.3.5 Peso.

El peso es la fuerza de atracción gravitatoria sobre un cuerpo, siendo su dirección perpendicular a la supercie de la tierra, su sentido hacia abajo, y su intensidad proporcional a la masa de dicho cuerpo. Esta fuerza es la que atrae al avión hacia la tierra y ha de ser contrarrestada por la fuerza de sustentación para mantener al avión en el aire.

Dependiendo de sus características, cada avión tiene un peso máximo que no debe ser sobrepasado, estudiándose en el capitulo dedicado a la carga y centrado como debe efectuarse la carga de un avión para no exceder sus limitaciones y poner en peligro al pasaje y la aeronave.

1.3.6 Centro de gravedad.

Es el punto donde se considera ejercida toda la fuerza de gravedad, es decir el peso. El C.G es el punto de balance de manera que si se pudiera colgar el avión por ese punto especíco este quedaría en perfecto equilibrio. El avión realiza todos sus movimientos pivotando sobre el C.G. y su ubicación viene determinada por el diseño de cada aeronave en particular.

El CG no es necesariamente un punto fijo, sino que su posición más desplazada a un lado u otro, o hacia adelante o atrás, está en función de la distribución del peso (tripulación, pasaje, combustible cargado, carga transportada, etc.). Los límites a esta posición para distintos pesos están jados en el Manual de Vuelo por el constructor.

La situación del centro de gravedad respecto al centro de presiones tiene una importancia enorme en la estabilidad y controlabilidad del avión. El piloto debe ser consciente que si el C.G. está desplazado hacia adelante respecto al eje longitudinal el avión resultará pesado de morro; por el contrario, si el desplazamiento es hacia atrás el avión resultará pesado de cola. Es posible no solo que el aeroplano sea difícil de pilotar si el desplazamiento es muy acusado sino que se vuelva incontrolable si el C.G. está fuera de los límites fijados. En el capítulo dedicado a la carga y centrado del avión se explica con mayor detalle los efectos del centro de gravedad desplazado respecto del centro aerodinámico.

1.3.7 Resistencia.

Es un hecho físico establecido que ningún sistema es 100% eficiente; cualquiera que sea su naturaleza, el trabajo requerido se obtiene a expensas de cierto trabajo adicional que se disipa o se pierde. Cuanto más eficiente sea el sistema, menor será esta pérdida. En nuestro caso esa pérdida de eficiencia se debe a la resistencia.

Esta fuerza es la que impide o retarda el movimiento de un aeroplano y actúa de forma paralela y en la misma dirección que el viento relativo, aunque también podríamos armar que la resistencia es paralela y de dirección opuesta a la trayectoria.

La resistencia total del avión es pues la suma de dos tipos de resistencia: la resistencia inducida y la resistencia parásita. En la figura 13e se muestra como aumentan las fuerzas de sustentación y de resistencia respectivamente a medida que aumenta el ángulo de ataque para un perfil en concreto.

Resistencia inducida. La resistencia inducida, indeseada pero inevitable, es un producto de la sustentación, y se incrementa en proporción directa al incremento del ángulo de ataque.

Esta resistencia debe su existencia a que la distribución de la fuerza de sustentación no es uniforme a lo largo del ala, sino que varía desde la raíz más cercana al fuselaje hasta el extremo contrario, así como a la existencia de presión diferencial entre las supercies superior (extradós) e inferior (intradós) del ala.

Al pasar el ala sobre el viento relativo, el ujo de aire del extradós se desvía hacia el cuerpo de la aeronave mientras que en el intradós se desvía hacia afuera. El ujo desviado hacia el fuselaje es parado por este y da lugar a un vórtice inapreciable, pero el desviado hacia afuera al llegar a la punta del ala tiende a subir hacia la zona de menor presión donde la mayor velocidad del aire lo deecta, creando vórtices que se desvían hacia abajo a una razón de 500 pies/min constituyendo una fuerza opuesta al empuje.

La magnitud de esta resistencia depende de la cantidad de sustentación generada y de su distribución a lo largo de la misma. Las alas delgadas con cuerdas largas producen poca resistencia inducida mientras que las alas cortas con mucha cuerda producen mucha resistencia.

Para reducir este efecto (entre otros benecios) desde hace unos años los aviones comerciales montan unos dispositivos de punta alar denominados "winglets" o "sharklets".

Representadas de forma gráfica la sustentación y la resistencia, la fuerza aerodinámica se descompone en dos fuerzas: una aprovechable de sustentación y otra no deseada pero inevitable de resistencia (Fig.13g).

De la explicación dada se deduce claramente que la resistencia inducida aumenta a medida que aumenta el ángulo de ataque. Pero si para mantener la misma sustentación ponemos más velocidad y menos ángulo de ataque, la resistencia inducida será menor, de lo cual deducimos que la resistencia inducida disminuye con el aumento de velocidad. La figura 13h nos muestra la relación entre la resistencia inducida, la velocidad, y el ángulo de ataque.

En la resistencia inducida también tiene influencia la forma de las alas; un ala alargada y estrecha tiene menos resistencia inducida que un ala corta y ancha.

Resistencia parásita. Es la producida por las demás resistencias no relacionadas con la sustentación, como son: resistencia al avance de las partes del avión que sobresalen (fuselaje, tren de aterrizaje no retráctil, antenas de radio, etc.), entorpecimiento del flujo del aire en alas sucias por impacto de insectos o con formación de hielo, rozamiento o fricción supercial con el aire, interferencia del flujo de aire a lo largo del fuselaje con el flujo de las alas, el flujo de aire canalizado al compartimento del motor para refrigerarlo (que puede suponer en algunos aeroplanos cerca del 30% de la resistencia total), etc. También, la supercie total del ala y la forma de esta supercie afecta a la resistencia parásita; un ala más alargada presenta mayor supercie al viento, y por ello mayor resistencia parásita que un ala más corta. Lógicamentemente, cuanto mayor sea la velocidad, mayor será el efecto de la resistencia parásita. La resistencia parásita aumenta con la velocidad.

Si la resistencia inducida es un producto de la sustentación, y en la resistencia parásita tienen inuencia la supercie alar y la forma del ala, es obvio que prácticamente todos los factores que afectan a la sustentación afectan en mayor o menor medida a la resistencia.

1.3.8 Control del piloto sobre la resistencia.

La resistencia inducida depende del ángulo de ataque, por lo tanto el piloto puede reducir la resistencia inducida si para lograr más sustentación incrementa la velocidad en vez de incrementar el ángulo de ataque. A mayor velocidad menor resistencia inducida. El peso inuye de forma indirecta en esta resistencia, puesto que a más peso más sustentación se necesita y por tanto mayor ángulo de ataque para mantener la misma velocidad. Disminuyendo el peso disminuye la resistencia inducida.

Por el contrario, la resistencia parásita se incrementa con la velocidad del avión. La única forma que tiene el piloto para disminuirla es aminorar la velocidad, porque en lo demás, esta resistencia depende sobre todo del diseño del avión y el piloto no dispone apenas de capacidad de acción para modicarla (mantener las alas limpias, impedir la formación de hielo en las mismas, etc.).

Si con el aumento de velocidad disminuye la resistencia inducida y se incrementa la resistencia parásita, tiene que haber un punto en que la suma de ambas (resistencia total) sea el menor posible. Este punto de velocidad viene tabulado por el fabricante en el manual del avión.

A baja velocidad la mayoría de la resistencia es inducida, debido al incremento del ángulo de ataque para producir suciente sustentación para soportar el peso del avión. A medida que la velocidad sigue bajando, la resistencia inducida se incrementa rápidamente y la resistencia parásita apenas tiene influencia.

Por el contrario, a alta velocidad la resistencia parásita es la dominante mientras que la inducida es irrelevante.

Resumiendo:

• A mayor velocidad menor resistencia inducida.

• A mayor ángulo de ataque mayor resistencia inducida.

• A mayor velocidad mayor resistencia parásita.

1.3.9 Empuje o tracción.

Para vencer la inercia del avión parado, acelerarlo en la carrera de despegue o en vuelo, mantener una tasa de ascenso adecuada, vencer la resistencia al avance, etc. se necesita una fuerza: el empuje o tracción. Se suele emplear habitualmente la palabra empuje por derivación del inglés thrust.

Esta fuerza se obtiene acelerando una masa de aire a una velocidad mayor que la del aeroplano. La reacción, de igual intensidad pero de sentido opuesto (3 ley del movimiento de Newton), mueve el avión hacia adelante. En aviones de hélice, la fuerza de propulsión la genera la rotación de la hélice, movida por el motor (convencional o turbina); en reactores, la propulsión se logra por la expulsión violenta de los gases quemados por la turbina.

Esta fuerza se ejerce en la misma dirección a la que apunta el eje del sistema propulsor, que suele ser más o menos paralela al eje longitudinal del avión aunque no siempre es así.