¿POR QUÉ VUELA UN AVIÓN?
IMPORTANTE: El ángulo varía en función de la dirección del viento relativo y de la posición de las alas con respecto a éste, un cambio que puede controlar el piloto. Cuando el ángulo de ataque supera los límites del avión (es muy elevado), se produce una pérdida de sustentación (en inglés, “stall”). Cuanto más rápido vuela el avión, menor es el ángulo de ataque.
Del mismo modo, a menor velocidad tendremos que aumentar el ángulo de ataque si queremos que el avión mantenga la misma altitud. El ángulo de ataque no es infinito, una vez superado el llamado ángulo de ataque crítico, el avión no ganará más sustentación y entrará en pérdida.
Los aviones se mantienen en vuelo debido a la fuerza de sustentación que se produce a una determinada velocidad por el empuje del aire sobre las alas. La sustentación es la fuerza generada sobre un cuerpo que se desplaza a través un fluido, de dirección perpendicular a la de la velocidad de la corriente incidente.
La fórmula matemática que define la sustentación (L) es la siguiente:
Es decir, que la SUSTENTACIÓN (L, medida en Newtons) depende de la DENSIDAD DEL AIRE (ro, griega) que a su vez es función de la temperatura, la altitud y la presión, de la VELOCIDAD (V) al cuadrado, de la SUPERFICIE ALAR (S) y del COEFICIENTE DE SUSTENTACIÓN (CL) que es un coeficiente adimensional, específico para cada avión. De sopetón, vemos que la velocidad es crucial para conseguir sustentación. Además de las otras varables como EL ANGULO DE ATAQUE que luego veremos .
El fenómeno de la sustentación es tan complejo que hay varias posturas que pretenden demostrarlo. Unos se inclinan por la ecuación o teorema de Bernoulli, otros por las leyes de Newton y otros que suman la dos o parte de ellas, dándole a cada una un determinado valor. Antes de entrar someramente en cada una de ellas, veamos primero, las cuatro principales fuerzas que actúan sobre un avión:
Cuerda : Es la línea recta que une el borde de ataque con el borde de fuga. Es una dimensión característica del perfil.
Línea de curvatura media: Es una línea equidistante entre el extradós e intradós.Eestablece la curvatura del perfil. Si la línea de curvatura media, pasa por encima de la cuerda se dice que la curvatura es positiva, si va por debajo es negativa y de doble curvatura si va en un tramo por arriba y en otro por debajo.
Ordenada máxima de la línea de curvatura media (COMBA): Es la máxima distancia entre la línea de curvatura media y la cuerda; este valor y su posición a lo largo de la cuerda ayuda a definir la forma de la línea de curvatura media. El valor de la ordenada máxima, y su posición suelen darse en forma de % de la cuerda.
El espesor máximo se expresan en % de la cuerda. El valor del espesor varía desde un 3% en los muy delgados hasta un 24% en los muy gruesos.
El radio de curvatura del borde de ataque: Define la forma del borde de ataque y es el radio de un círculo tangente al extradós e intradós, y con su centro situado en la línea tangente en el origen a la línea de curvatura media.
El ángulo de ataque es el que existe entre la cuerda y la dirección del vector velocidad de la corriente libre de aire.
La fuerza de empuje o tracción debe superar a la de resistencia, mientras que la de sustentación debe ser mayor que el peso para que el avión se eleve. A medida que el empuje es mayor, el avión irá más rápido, por lo tanto, el aire que circula por las alas también será más rápido y se generará sustentación.
Conozcamos ahora la terminología sobre la que podemos medir un ala:
OTROS CONCEPTOS
• Actitud del avión: Es la orientación angular de los ejes longitudinal y transversal del avión con respecto al horizonte, y se especifica en términos de posición de morro (cabeceo) y posición de las alas (alabeo). No confundir con el ángulo de ataque.
• Trayectoria de vuelo: Línea que siguen las alas durante su desplazamiento en el aire. Existen una serie de factores que afectan a la sustentación y que están relacionados con elementos del propio diseño del avión y con las condiciones atmosféricas.
• Perfil del ala: Cuanto más curva sea la parte superior de un ala en comparación con la inferior, mayor será la sustentación (y menor la velocidad que alcanzará el avión). Esto implica que el ángulo de ataque necesario para entrar en pérdida será menor cuanto más curva sea la parte superior del ala.
• Superficie de las alas A mayor superficie, mayor sustentación y a su vez, menor velocidad.
• Centro de gravedad Es el punto de equilibrio del avión. La situación del centro de gravedad de una aeronave influye de manera determinante en su comportamiento.
Alas: Las principales superficies de control son las siguientes:
• Alerones: Superficies móviles situadas en la parte posterior del ala; permiten al avión girar sobre su eje longitudinal (alabeo).
• Flaps: Superficies articuladas situadas en la parte posterior del ala y que se accionan desde la cabina. Su misión es aumentar la sustentación de la aeronave a velocidades bajas, por lo que se emplean en maniobras de despegue y aterrizaje.
• Stats: Al igual que los flaps, aumentan la sustentación, pero a diferencia de estos, se sitúan en la parte anterior del ala y se accionan de forma automática en función de la presión que el
aire ejerce sobre las alas.
• Aerofrenos: Componentes móviles que permiten disminuir la velocidad del avión al aumentar la resistencia. A diferencia de los flaps, no generan más sustentación, sólo frenan el avión en el aire.
CONTROL DEL AVIÓN
• Compensadores: Mecanismos que hacen que las superficies de control adopten una posición determinada para corregir la trayectoria del avión. Los compensadores los controla el piloto y se usan en los alerones, en el timón y en el timón de profundidad.
• Timón de profundidad o elevadores: Controlan el ascenso y el descenso de la aeronave. Cuando el piloto tira de la palanca de control hacia atrás, los elevadores suben y el aparato asciende. Cuando empuja la palanca, el avión desciende.
• Timón de dirección: Controla el giro del avión a izquierda o derecha. A este movimiento se le denomina guiñada.
La inclinación del avión hacia arriba o hacia abajo. El piloto tira de la palanca del avión para inclinarlo hacia arriba y la empuja para inclinarlo hacia abajo.
Ved la cola, como se mueve el timón de profundidad.
Alabeo (roll):
Al inclinar el avión hacia los lados, éste tenderá a girar lentamente en la dirección hacia la que está inclinado el aparato, pero también tenderá, si el morro no está algo levantado, a perder altura.
Observa los alerones de una y otra ala.
Guiñada (yaw):
Para conseguir este movimiento el piloto hace uso de los pedales, apretando el derecho para guiñar a la izquierda y el izquierdo para guiñar a la derecha. Al realizar esta maniobra, el avión tiende a alabear.
Observa el timón de dirección, en la cola.
Al girar el timón hacia la derecha provoca que la cola tire hacia la izquierda, girando el aparato hacia la derecha y viceversa.
ALABEO (ROLL)
CABECEO (PITCH)
GUIÑADA (YAW)
LAS POSICIONES SOBRE LA SUSTENTACIÓN
Analicemos cada una de las teorías, efectos o principios mencionados a la hora de explicar la sustentación:
1) PRINCIPIO DE BERNOULLI: Este físico y matermático suizo dijo en 1738 que cuando la velocidad de un fluido aumenta, su presión interna disminuye. Según la fórmula de abajo, si la P1 es mayor que la P2, la V1 es menor que la V2.
He eliminado de la ecuación los conjuntos de la energía potencial (pgh, densidad, gravedad y altura) al no haber altura en el diagrama que representa este tubo estrechándose. De este modo, veo que si aumentamos P1 deberemos disminuir V1 para que la igualdad se cumpla.
2) ACCIÓN Y REACCIÓN: Esta tercera ley de Newton, nos dice que si hay una fuerza que se ejerce sobre la parte inferior del ala, provoca otra en sentido contrario idéntica en intensidad. En este sentido, los que sostienen que le elevación se produce por la tercera ley de Newton sostienen que detrás del ala de una aeronave en vuelo existe una clara fuerte corriente de aire descendente que forzada hacia abajo produce una reacción hacia arriba.
Es indudable que las partículas del aire relativo ejercen una fuerza contra el avión, es decir, que chocan contra él como su fueran perdigones impactando contra la superficie inferior del ala, produciéndo una acción de abajo hacia arriba que provoca algo de sustentación.
Perfil Kármán–Trefftz , con valores µx = –0.08, µy = +0.08 y n = 1.94. Ángulo de ataque 8°, flujo potencial. Autor: Kraaiennest
Efecto Venturi: Es una consecuencia de la ecuación de Bernoulli; el color es más azulado cuando hay más presión, tal como se obserba en el manómetro de la izquierda. Autor: Thierry Dugnolle
A330-203 MRTT
Los que rechazan el efecto Bernoulli, siguen utilizando la tercera ley de Newton para explicar la sustentación y argumentan que el ala en su parte trasera expulsa una gran masa de aire hacia abajo lo que provoca, precisamente por esa ley newtoniana, un empuje hacia arriba. Este masa de aire hacia abajo se produce por el llamado efecto Coanda, que se basa en la viscosidad de los fluidos que se adhieren a las superficies con las que entran en contacto.
¿CUÁL ES LA VERDAD?
Todo está relacionado y todo interviene en mayor o menor medida y no se puede excluir ningún fenómeno. Quienes rechazan el principio de Bernoulli porque argumentan que entonces un ala invertida (el avión boca abajo) no gozaría de las mismas consecuencias del citado principio, olvidan que existe el ángulo de ataque que bien podría el piloto aumentar incluso boca abajo, sin olvidar que ningún avión que no fuera acrobático haría semejante imprudencia de volar invertido; y hay que recordar que los aviones acrobáticos tienen los perfiles alares simétricos por lo que el principio de Bernoulli funcionaría exactamente igual en una u otra posición.
Lo verdaderamente importante y esencial para que un avión vuele es la velocidad y el ángulo de ataque. Con un ángulo de ataque negativo el avión ni despegaría, y sin velocidad lo mismo. Con la velocidad, el avión consigue elevarse (independientemente de que tenga flaps o cualquier tipo de sustentadores) y luego mejorará la sustentación con el ángulo de ataque. Después, intervendrán los demás principios y leyes, sin duda. Decir, finalmente, que la curvatura del ala es importante, pero no esencial para el vuelo.
Y no olvidemos que la velocidad produce resistencia como consecuencia de las leyes de acción y reacción, que a su vez hace disminuir la sustentación.
Es decir, (ver animación a la izquierda) aplicando este principio de Bernoulli tenemos que las partículas de aire van más rápido por encima del ala (extradós) que las de abajo , por lo que la presión es menor; y por el contrario, debajo del ala (intradós) al haber menor velocidad la presión es mayor que en el extradós, con lo que se produce un empuje hacia arriba que provoca parte de la sustentación del avión.
La inclinación afecta de manera muy importante a la velocidad del aparato. De este modo, cuando lo inclinemos hacia abajo el avión ganará velocidad de manera importante y cuando lo inclinemos hacia arriba la perderá. Es importante controlar esto, pues ambas situaciones, en exceso, pueden ser peligrosas: bajar muy bruscamente puede llevarnos a un exceso de velocidad que dañaría seriamente el aparato y tratar de subir con demasiada brusquedad puede hacernos perder tanta velocidad que comprometamos la capacidad del aparato para mantenerse en vuelo.
También es importante tener en cuenta otro factor: el ángulo de ataque. El avión no siempre avanza en la velocidad en la que apunta su morro; más bien se desliza por el aire. De este modo, cuando ‘levantamos’ el morro (lo inclinamos hacia arriba), el ala ‘atacará’ el aire en un ángulo más pronunciado, lo que generará más fuerza de sustentación por parte del viento, haciendo que el avión suba. Lo mismo, pero a la inversa, ocurre al ‘bajar’ el morro.
Esto es cierto hasta determinado ángulo de ataque… Si inclinamos demasiado el ala con respecto al viento, se producirán fuertes turbulencias y el ala dejará de ‘sujetarse’ en el aire, produciéndose lo que se conoce como ‘entrada en pérdida’.
En realidad, el piloto al tirar de la palanca lo que hace es mover el timón de profundidad, situado en las aletas horizontales de la cola, para alterar el flujo de aire que pasa por las mismas y que la cola tire hacia arriba (inclinando el avión hacia abajo) o hacia abajo (inclinando el avión hacia arriba).
Hay cuatro fuerzas fundamentales que afectan al avión: el empuje, la resistencia, el peso y la sustentación.
Si el avión estuviera parado, estaría afectado por sólo dos fuerzas, el peso (gravedad terrestre) y la resistencia (que impide el movimiento). Para que vuele el avión hay que vencer esas dos fuerzas: la resistencia con el empuje del motor, que es lo que genera la sustentación que vence al peso del aparato.
