Hace tiempo que no los oímos como antes, cuando surcaban el cielo más seguido. Por ahí el ruido molestaba y quizás extrañes escuchar el rugir de las turbinas. Estamos hablando de los aviones, aquellos ingenios con los que pudimos remontarnos al cielo, casi como las aves, y hasta un poco más allá. Pero ¿cómo logran esto? Algunos alcanzan velocidades hipersónicas de casi ¡¡1 km por segundo!! Otros pueden elevarse pesando ¡¡640 toneladas!! Y algunos llegan tan alto como para ver la curvatura de la tierra. Acompañanos a desvelar parte del misterio que oculta la magia del vuelo.
Para empezar, pensemos en que, para mantener un objeto en el aire basta sostenerlo ejerciendo una fuerza hacia arriba igual o superior a su peso. En el caso de una aeronave esta fuerza se llama sustentación y es producida por el paso de aire sobre las alas. Es de importancia notar la forma característica de gota que tiene la sección del ala llamada perfil aerodinámico.
Arriba: fuerzas que actúan en vuelo. Abajo: perfil del ala en una cámara de humo donde se ven las lineas de corriente del flujo de aire. Mientras mas cercanas menor presión y por ende mayor velocidad.
Sin embargo, no hay una explicación sencilla y completa, ni existe un consenso respecto a los mecanismos y fenómenos involucrados para producirla. Esto ha suscitado un debate con posturas defendidas a veces de manera fervorosa. Algunas resultan más complicadas o más rigurosas mientras que otras han resultado ser incorrectas.
Presentaremos entonces de manera escueta y simplificada, y a la luz de nuevos ensayos computacionales, los principios que se proponen como generadores de sustentación.
Mayor velocidad de flujo y principio de Bernoulli
La explicación más popular entre estudiantes de física y aerodinámica es la que involucra el principio de Bernoulli. Si imaginamos el aire como compuesto por laminas horizontales, paralelas a su movimiento, a lo largo de cada una de esas líneas de corriente existe una relación inversa entre la presión y la velocidad del fluido. Entonces si conocemos la velocidad entre dos puntos podremos determinar el salto de presión sufrido por el flujo y viceversa.
Debido a la curvatura del perfil el aire en la parte superior del ala se mueve más rápido que el aire en la superficie inferior. Por lo tanto, la presión en la parte superior es menor que en la inferior. Este desequilibrio de presiones da como resultado una fuerza hacia arriba que es la que llamamos sustentación. El mismo efecto ocurriría durante un huracán, la diferencia de presiones entre el aire fuera de la casa a mayor velocidad y el aire dentro de la casa con menos velocidad produciría una fuerza ascendente que arrancaría el techo.
Sin embargo, este principio no constituye una explicación completa del fenómeno. Falla cuando se considera el vuelo invertido de un avión acrobático, barriletes y aviones de papel cuyas alas no poseen curvatura o la sustentación producida por perfiles simétricos.
Leyes de movimiento de Newton
A medida que pasa por el perfil el flujo de aire cambia de dirección curvándose hacia abajo (este flujo descendente se denomina downwash). La primera ley de Newton, o de inercia, postula que este cambio en la dirección del flujo se debe a una fuerza descendente aplicada por el ala (acción)
Luego, la tercera ley de Newton, o de acción y reacción, requiere que el aire reaccione ejerciendo una fuerza ascendente sobre el perfil que llamamos sustentación.
Esta explicación se aplica a alas de cualquier forma, curvas o planas, simétricas o no y es válido para aviones que vuelan invertidos. La fuerza de esta deflexión puede corroborarse por experiencias ordinarias, por ejemplo, si al sacar la mano de un automóvil en movimiento se la inclina hacia arriba, el aire se desvía hacia abajo y la mano se eleva. Por estas razones, las leyes de Newton son una explicación más universal e integral que el teorema de Bernoulli.
El hecho que perfiles planos sin curvatura puedan elevarse se explica mediante el ángulo de ataque, formado entre el cuerpo y el aire incidente. Estos perfiles están presentes en los barriletes, en las alas de las aves y eran usados en los primeros aeroplanos por los pioneros de la aviación.
Sin embargo, este principio sigue sin explicar por qué en la parte superior del ala existe una zona de mayor velocidad (o baja presión) independientemente de la curvatura del perfil y que sólo desaparece una vez que la aeronave se detiene.
Ángulo de ataque en el ala de un ave.
Un jet volando sobre neblina muestra la cantidad de aire que impulsa hacia abajo.
Hacia una explicación física más completa
Para entender esto es necesario preguntarse algo que nos parece intuitivo ¿por qué el flujo de aire sigue la curvatura del perfil? ¿Por qué simplemente no pasa de largo?
Al comenzar el movimiento las primeras líneas de corriente pasan de largo, es decir tangente a la superficie del perfil, formando momentáneamente un vacío entre el flujo y el ala. Este vacío succiona la línea de corriente más cercana forzándola a seguir la superficie del perfil. La siguiente línea de flujo se deflectará para seguir a la primera por el mismo proceso, y así sucesivamente. Esta es la razón por la cual el aire es acelerado y obligado a moverse siguiendo el contorno del ala provocando la disminución de presión.
Como conclusión podemos decir que estos tres mecanismos actúan simultáneamente y de forma sinérgica colaborando en una relación recíproca de causa y efecto. Ninguno existiría sin los demás y por sí solos no pueden explicar el fenómeno de la sustentación. Es esta interrelación la que permite a aeronaves gigantes, aviones de papel, bumerangs, barriletes y aves remontar vuelo y conquistar los cielos.
Gabriel Ferrario. Estudiante de Ingeniería Aeronáutica.
