Casi me parece mentira… hace más de 10 años que empezó Sandglass, entonces parte de una web de historia llamada Seelowe, y 8 desde el inicio del blog… ¡y aún no teníamos ninguna entrada dedicada a esto tan básico si te gustan los aviones!
He visto en muchos blogs y páginas respuestas a esta pregunta, pero ninguna de todas ellas termina de satisfacerme. Así que voy a intentar explicar el funcionamiento del ala, y por qué algunas de las explicaciones dadas no me acaban de convencer.
¿Por qué vuela un avión? Respuesta corta: porque en la parte de arriba del ala hay menos presión que en la de abajo y eso hace que el avión suba.
Y algunos tendrán suficiente con esto.
Los que sean más curiosos, que se queden y me sigan, intentaremos explicarlo sin fórmulas ni ecuaciones.
Cuando un cuerpo se mueve en el aire aparecen sobre él un momento y una fuerza resultante. A esta última la descomponemos en una componente paralela a la velocidad relativa entre el cuerpo y el aire y la llamamos Resistencia (o Drag en inglés) y otra perpendicular a esta velocidad y la llamamos Sustentación (Lift en inglés). Es decir, que sustentación y resistencia están íntimamente ligadas, y siempre que exista sustentación habrá resistencia.
El origen de la sustentación: El ala sustenta porque el aire que circula por encima va más rápido que el aire que circula por debajo, y si aplicamos las ecuaciones de Bernouilli podemos ver con facilidad que hay más presión en una parte del perfil que en otra, y como resultante tenemos la sustentación.
Y hasta aquí todo el mundo se pone de acuerdo. El problema viene a la hora de explicar por qué el aire circula más rápido por un sitio y más lento por el otro. Y alguna teoría ni siquiera tiene en cuenta esto…
- [¡No!] La teoría del impacto
Según esta teoría el aire al impactar contra el objeto se comportaría como multitud de partículas rígidas impactando contra el objeto, algo así como muchos perdigones impactando contra una superficie rígida e irrompible, y esto causaría la sustentación.
Imagen tomada prestada de este otro blog
El problema de esta teoría es que no hay forma de ajustarla a los datos recogidos de manera práctica, y no explica por qué un perfil curvo da más sustentación que uno plano. Y ya sabéis que si una teoría no se ajusta bien a la realidad o necesita de excepciones y cosas raras para funcionar entonces no nos gusta
- [¡No!] La teoría de los tiempos iguales y aplicar después Bernouilli
Esta teoría dice que el aire tiene que llegar al borde de salida al mismo tiempo, recorra el perfil por el intradós (la parte menos curvada, la de abajo si hablamos de alas) y el extradós (la más curvada, la de arriba en un ala), así que tiene que ir más rápido por el lugar más largo, el más curvado. Y aplicando el teorema de Bernouilli con esas velocidades tenemos que en el extradós hay menos presión que en el intradós.
Esta teoría de los tiempos iguales tiene varios problemas. El principal es que al ensayar se comprueba que la hipótesis de que el aire del intradós y del extradós llega al borde de salida en el mismo tiempo es falsa. Además hay otros dos problemas, uno es que no explica el vuelo en invertido. La otra es que no explica por qué funcionan perfiles como los de abajo.
- [¡No!] Teoría del tubo de Venturi y aplicar después Bernouilli
Otra de las explicaciones prescinde del que el aire tenga que tardar el mismo tiempo en recorrer ambas partes del perfil. Lo que aplica es considerar que entre el perfil y las líneas de corriente “libre” aparece un tubo de Venturi, que hace que el aire circule más rápido en el extradós que en el intradós, y aplicando Bernouilli ya tenemos la diferencia de presiones famosa.
Y cuando se argumenta en contra que esta teoría no puede explicar el vuelo en invertido nos responden con que esto se debe a que si se le da un ángulo de ataque y la reacción del aire contra el perfil hace que éste vaya hacia arriba
Sin embargo, esto sigue teniendo problemas. ¿Qué ocurre con esos perfiles aerodinámicos que, aun teniendo ángulo de ataque negativo producen sustentación positiva?
- [¡Sí!]Torbellinos y circulación
Esta es la teoría que más nos gusta a los que hemos estudiado un poco de aerodinámica.
El aire es un fluido viscoso. Esto hace que al movernos a través del aire el aire se quede “pegado” a nosotros. Entre esa zona de contacto que el aire está “pegado” y no se mueve hasta la zona en la que el aire tiene la misma velocidad que la “corriente libre” se le llama capa límite.
Asi que cuando un cuerpo se mueve dentro del aire, el aire se adapta a su forma y se pega a su contorno. De ahí esas líneas de corriente con las que se suele representar el movimiento del aire entorno a un cuerpo.
Imaginemos ahora un cilindro dentro de esa corriente de aire.
Como el aire tiene viscosidad se “pega” al cilindro, rodeándolo hasta que llega a un sitio donde el aire se “desprende” porque ya no puede seguir adaptándose a la forma del cilindro.
En este caso la velocidad del aire sobre el cilindro y bajo él es la misma, así que está claro que la distribución de presiones será simétrica y por tanto la resultante de fuerzas verticales será cero, esto es, aunque haya resistencia no habrá sustentación.
¿Que ocurre si al cilindro le dotamos de una rotación sobre su eje? Como el aire se queda “pegado” al cilindro y el cilindro está rotando, el aire se acelerará donde la velocidad de rotación y la del aire tienen el mismo sentido, y se frenará donde tienen sentido contrario. Ahora sí, si aplicamos Bernoulli veremos que hay una diferencia de presiones cuyo resultado es la sustentación
Es como si el movimiento del aire entorno al cilindro se descompusiera en un movimiento de translación y otro de rotación, un movimiento lineal y un “torbellino” que genera una “circulación” entorno al cilindro.
Ya. Pero un ala no es un cilindro rotando. Y aun así en ella aparece ese torbellino que hace que parte del aire se acelere y parte del aire se frene. Primero se intentó modelar reemplazando el ala completa con una sola línea de torbellinos, y después se modeló con la superposición de varias de ellas.
Hay quien nos dice que esto no es más que un artificio matemático para calcular las alas, que esos torbellinos no pueden visualizarse en la realidad. Nada más lejos de la verdad…
Ahora queda demostrar que ese torbellino se produce y por qué.
Al moverse el perfil dentro del aire se generan torbellinos.
Si cogemos un volumen de control que incluya el perfil del ala y el aire que le rodea, y aplicando diversos teoremas, nos encontraremos que la “circulación” total dentro de ese volumen de control debe ser cero. Al empezar a moverse el ala observamos que se produce un “torbellino de arranque” por detrás del ala, y para que la circulación siga siendo cero tiene que aparecer otro torbellino igual y de sentido contrario sobre el perfil alar. Y ese torbellino es el que genera el campo de velocidades alrededor del perfil que genera la diferencia de presiones que da la sustentación.
Y cuando uno tiene en cuenta esto matemáticamente, al resolver las ecuaciones se encuentra que existen muchas posibles soluciones, y que el aire podría seguir diversos caminos que llevarían a distribuciones de presiones que no darían sustentación, o que no darían tanta.
Y ahí es donde interviene la importancia del borde afilado del perfil aerodinámico.
Si el borde de salida no fuera tan afilado y fuera redondeado, haría que el punto de remanso no estuviera justo en el punto de salida, creando un campo de velocidades cuya distribución de presiones no daría como resultante una fuerza de sustentación, al menos no suficientemente grande como para permitirnos volar. Pero como descubrió el matemático alemán Martin Wilhelm Kutta: “Un cuerpo con un borde de salida afilado que se mueve a través de un fluido creará a su alrededor una circulación que es suficientemente fuerte como para mantener el punto de remanso en el borde de salida”.
Y resumiéndolo en un párrafo del profesor de aerodinámica Meseguer “La realidad de un borde de salida anguloso es que el punto de remanso posterior se instala justamente en el borde de salida, donde confluyen las capas límite de extradós e intradós, que abandonan el perfil fundidas en una estela viscosa que se extiende corriente abajo del perfil. Así pues el funcionamiento aerodinámico básico de un perfil reside en el diseño apropiado del borde de ataque y el de salida, el primero redondeado y el segundo afilado, configuración que provoca la aceleración de la corriente en el extradós y la deceleración en el intradós.”
Los resultados obtenidos calculando la sustentación con la circulación se ajustan razonablemente bien a las observaciones y mediciones con modelos reales con ángulos de ataque bajos: la sustentación depende del ángulo de ataque del perfil/ala, de la densidad del gas en el que se mueva, de la velocidad con que lo haga y de la geometría del perfil, tanto de su curvatura como de su espesor. A partir del ángulo de ataque de entrada en pérdida la capa límite se desprende, deja de haber circulación y el perfil no sustenta, así que a partir de eso ángulos de ataque este modelo matemático no da resultados aceptables.
Además de permitir estudiar la sustentación y la resistencia de todos los tipos de perfiles, sean simétricos o no, también permite explicar el vuelo en invertido o por qué un perfil alar con ángulo negativo tiene sustentación positiva. Y es suficientemente general como para poder explicar también por qué un cilindro que rota sobre su eje de simetría mientras tiene una velocidad relativa al genera sustentación, recordemos el avión de alas cilíndricas, las fuerzas que aparecen sobre pelotas lanzadas con cierto movimiento de rotación o cómo vuelan engendros como el FanWing en el que unas paletas inducen la circulación del aire sobre el perfil alar.
- Explicaciones con más formulas y otros enlaces recomendados:
Una explicación completa, incluidas fórmulas
Algunas consideraciones de carácter docente sobre la circulación en los perfiles aerodinámicos y la posición del punto de remanso anterior, J. Meseguer, G. Alonso, A. Sanz-Andrés e I. Pérez-Grande
Apuntes de aerodinámica de la EUITA