30, May, 2024

¿Porqué vuelan los aviones?

Thunderbolt A10 (avión de combate)

La respuesta puede ser simple, pero a la vez complicada, todo depende de la profundidad que se le dé al tema ya que fácilmente se puede decir «por las alas», pero. ¿Qué fenómeno pasa en ellas para que le den la capacidad a las aves y a los aviones de volar? Aquí es cuando cambia la cosa, cuando los curiosos se preguntan el porqué. Esta misma pregunta se hicieron los hermanos Wright, que en 1903 emprendieron vuelo por alrededor de 10 segundos. Puede no sonar mucho, aunque fue un gran paso para la ciencia y para la humanidad.

Gracias a la naturaleza

Como mencionamos, los hermanos Wright fueron los primeros en preguntarse del porqué la capacidad de volar de un halcón o cualquier pájaro. Para ello, se enfocaron en sus alas, pero no como cualquier persona lo haría, ya que a simple vista parecen simplemente deflectores de aire sin ninguna geometría en especial. La respuesta está en el área o geometría transversal, pues tiene a lo que hoy se le conoce como un perfil aerodinámico, que es el que está encargado de que en este caso, las aves vuelen pero también de los aviones.

Principios básicos

Este concepto se puede explicar fácilmente con la ecuación de Bernoulli, la cual establece que en un fluido si la presión disminuye, la velocidad aumenta. Esto se puede comprobar con la ecuación de física básica: Velocidad es igual a distancia sobre tiempo (V=D/t). ¿Pero esto cómo se puede incorporar al perfil de un avión? Dado a que existe un diferencial de geometría y longitud entre la parte cóncava (inferior) y convexa (superior). Al pasar el aire alrededor del perfil se genera un diferencial de presión, ya que al recorrer al mismo tiempo toda la geometría pero con diferente longitud entre la parte superior e inferior, se genera la sustentación del perfil alar.

En las imágenes siguientes, se puede ver vectorial y gráficamente todo lo que pasa en el perfil alar, en la derecha se observa la gráfica y ploteo de presión en Kilopascales (1 atm=101Kpa) en donde claramente se puede notar una reducción de presión en la parte superior y por consecuencia, un aumento de velocidad. También se observa una parte de presión máxima, a ella se le conoce como punto de estancamiento, pues es donde la velocidad del aire es igual a cero. Volviendo al perfil alar, si se le incorpora un ángulo de ataque, este diferencial de presión se incrementará y generará mucho mayor fuerza de sustentación. Pero como todo, existe un límite, pues si se le otorga un ángulo de ataque demasiado grande, el flujo pasará de ser laminar a turbulento, haciendo que se desprenda de la superficie del perfil alar y por lo tanto perdiendo toda la capacidad de sustentación.

Representación vectorial de fuerzas alrededor de un perfil alarSimulación de fluidos de un perfil alar con 0 grados de ataque

Ángulo de ataque

Comparación de ángulos de ataque en un perfil alar

Anteriormente comentamos sobre el ángulo de ataque, este es el grado de inclinación que tiene el perfil alar para que un avión pueda generar mayor sustentación con la misma área existente. Dicho factor cambia totalmente dependiendo del avión del que se está hablando, pero a grandes rasgos se pueden clasificar entre comerciales y de combate.

. Los comerciales al recorrer grandes distancias por mucho tiempo tienen alerones móviles. Es muy común notar su funcionamiento al aterrizar y al despegar, en donde se puede cambiar completamente el flujo a través del ala en dichos eventos. ¿Cómo lo hacen sin cambiar el ángulo de inclinación? Para ello existen alas secundarias o flaps, las cuales hacen que el flujo genere menor o mayor sustentación, al igual que mayor o menor fuerza de arrastre. Esto último es exclusivo del aterrizaje, al ir a grandes velocidades se puede jugar con el viento para que genere mayor resistencia al aire.

Aunque al contrario, cuando se está en pleno vuelo es favorable que la fuerza de arrastre quede lo como lo mínimo posible. Ya que de ser excedente el consumo de combustible será mayor y por lo tanto haría más costosos los viajes en avión. Es por ello que la simulación de fluidos o CFD por sus siglas en inglés, ha tomado mucho mayor importancia en los últimos años. Dado que la capacidad de evaluar y optimizar modelos geométricos y llegar a un punto en donde sea el más eficiente. Ya no es tan necesario crear prototipos para poder ver cómo actúan los fenómenos del aire en un concepto.

kilyanocampo@gmail.com

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