Patadas a la ciencia: Los aviones NO vuelan gracias a la curvatura de sus alas

En la mayor parte de los libros de texto y webs didácticas, se puede leer que los aviones consiguen sustentarse en el aire gracias a la especial curvatura que tienen éstos en el perfil de sus alas, lo que genera un fenómeno conocido como "Efecto Bernoulli", y según el cuál, el aire que fluye por encima de las alas lo hace a mayor velocidad que el que fluye bajo ellas, lo que disminuye la presión superior. Pero sabiendo que los aviones son capaces de volar boca abajo (con las alas invertidas), esta explicación resulta, a todas luces, incorrecta.

Ciertamente, esta explicación basada en el efecto Bernoulli es la que más se ha utilizado desde siempre para explicar la sustentación de los aviones. Pero lo cierto es que los efectos que hacer planear a un avión son múltiples, siendo el efecto Bernoulli sólo uno de ellos, pero no el más importante. Aquí abajo mostramos uno de los tantos lugares en los que se menciona al efecto Bernoulli como causa principal de la sustentación, encontrado en la Revista Eroski

Entre las causas que provocan la sustentación de un avión, se encuentran:

 

EFECTO VENTURI: Cuando un fluido es obligado a circular por una zona de menor sección, la velocidad de sus moléculas, aumenta.

 

EFECTO BERNOULLI: Cuando la velocidad de un fluido aumenta, su presión interna disminuye.

 

EFECTO COANDA: Un fluido en circulación tiende a adherirse a la superficie del conducto sólido sobre el que circula.

 

ACCIÓN Y REACCIÓN: Toda acción o fuerza contra un objeto, provoca un efecto de reacción de idéntica intensidad y sentido contrario

 

MOMENTO DE FUERZA (TORQUE en inglés): Es la fuerza que se aplica a un sistema que puede girar sobre un determinado centro de masas

     *Nota para los puristas del idioma: si no te gusta que emplee la expresión "torque", ten en cuenta que en multitud      de escritos técnicos de diversa índole, los anglicismos son de uso libre y común: "loop" en lugar de giro o vuelta,        "flap" en lugar de solapa, o simplemente "personal computer" en lugar de ordenador personal.

 

Los efectos Venturi, Bernoulli y Coanda tan sólo intervienen en un porcentaje pequeño de la sustentación. Según ellos, en la parte superior del ala (llamada Extradós) se experimenta una menor presión que en la parte inferior de la misma (Intradós). Dicha diferencia de presión "empuja" al avión hacia arriba. Pero, ¿es suficiente esa diferencia de presión para hacer que un avión de varias toneladas se eleve por los aires?: Realmente, NO. El efecto Bernoulli apenas supone un pequeño porcentaje del empuje ascendente que experimenta el avión.

De hecho, si el secreto fuera la forma curva de las alas, el efecto Bernoulli impediría que los aviones volaran boca abajo (vuelo acrobático) y tampoco permitiría que los aviones de papel (con alas planas) volaran.

 

El Principio de Bernoulli no es difícil de entender. Viene a decir símplemente, que la Energía total que posee un fluido en movimiento, se mantiene constante en todos los puntos de su recorrido. Esta energía es la suma de otras tres: la Energía cinética (debida a su movimiento), la Energía Potencial (debida a las variaciones de la altura del recorrido), más la Energía debida a la Presión a la que está sometida dicho fluido. Veamos el dibujo de abajo: si calculáramos los tres tipos de energías del fluido (Cinética, Potencial y de Presión), en tre puntos diferentes, comprobaríamos como, en todos los casos, la suma de las tres energías es siempre la misma

 

 

Este principio puede representarse matemáticamente con la siguiente fórmula:

 

ENERGÍA TOTAL EN CUALQUIER PUNTO (ET) = CONSTANTE (CTE)

 

ET = CTE = ENERGÍA CINÉTICA + ENERGÍA POTENCIAL + PRESIÓN

 

ET=CTE= EC + Ep + P

 

Sustituyendo cada tipo de energía por su equivalente, se obtiene la siguiente fórmula:

En la cuál, la parte amarilla es la que corresponde a la Energía cinética

 

V2  es la velocidad del fluido al cuadrado

r  es la densidad del fluido

 

La parte verde corresponde a la Energía Potencial:

 

g  es la aceleración de la gravedad

r  es la densidad del fluido

 

h  es la diferencia de alturas de las zonas

 

Y finalmente, la zona azul es la correspondiente a la Presión del Fluido en un punto dado:

 

P es la Presión

 

 

 

Pues bien, haciendo los cálculos necesarios, comprobaríamos que cuando el aire circula por ambas zonas del ala del avión (el extradós y el intradós), la diferencia de presión entre ambos puntos es muy pequeña y a todas luces insuficiente para levantar el tonelaje de un avión.

 

Entonces, ¿ Qué es lo que eleva al avión, o cúal es la fuerza más importante en este fenómeno ?

 

La respuesta es doble: La acción-reacción, y el Torque

 

 

ACCIÓN-REACCIÓN

 

Se refiere al hecho de que el aire a gran velocidad, impacta contra el ala y la "empuja" hacia arriba. Dicho impacto, que será más fuerte cuanto mayor sea la velocidad del aire, se produce en la base del ala, cuando ésta se encuentra a un determinado ángulo (ángulo de ataque). Cada molécula de aire es como un proyectil que impacta contra el ala y la impulsa en un ángulo ascendente. Lo vemos mejor en el dibujo de abajo

Es importante notar que si el ángulo de ataque es nulo (alas paralelas al suelo), el avión no se eleva, sino que planea sólo en horizontal, manteniendo una cierta tendencia a caer lentamente por efecto de su peso, igual que lo haría un paracaidista, cuyo ángulo de ataque (el de la superficie del paracaídas) también es nulo. La velocidad del descenso del paracaidista depende, no sólo del peso de éste, sino de la gran superficie que posee la tela: cuanta más superficie, más moléculas de aire chocan contra el paracaídas en su descenso, y más se oponen éstas al "avance" del mismo hacia abajo.

La gran diferencia entre un paracaidista y un avión, es que este último genera una fuerza de empuje (por medio de sus hélices o turbinas) que es redireccionada hacia abajo por medio del ángulo de ataque de las alas, mientras que el paracaidista no dispone de dicha fuerza. Es decir, cuando las hélices propulsan al avión hacia adelante, las alas desvían parte de ese empuje hacia abajo, y al propulsar aire hacia abajo, se genera una reacción de sentido contrario en dichas alas, impulsando al avión hacia arriba (Ley de Acción-Reacción).

 

Por supuesto, cuando sucede que la presión del aire que existe debajo de las alas es mayor que el peso de todo el conjunto y que la presión encima de las alas, el empuje resultante tiene una dirección ascendente, lo que obliga al avión a ascender.

 

En el video de abajo observamos a un parapentista que es capaz de sustentarse a poca altura del suelo, usando sólo la fuerza del aire ascendente

 

 

TORQUE (MOMENTO DE FUERZA)

 

Pero, qué pasa cuando las alas de los aviones no presentan un ángulo de ataque significativo? Por ejemplo, los aviones de papel poco elaborados suelen presentar una superficie alar paralela al cuerpo del avión, y aún así, son capaces de planear bastante lejos. ¿Puede un avión de alas paralelas remontar el vuelo). La respuesta es SI. Se puede hacer que un avión vuele usando el Torque (momento de Fuerza)

El "Torque" es cualquier fuerza que se aplique en el extremo de un objeto que puede girar sobre un eje. La fuerza que aplicamos a una manivela mecánica es un Torque, una fuerza que se aplica en el extremo de una rueda que gira sobre un eje

Diferentes ejemplos de manivelas

 

 

El "eje" sobre el que puede girar un avión en pleno vuelo, no es otra cosa que su Centro de Masa (su punto de equilibrio). Incluso, cuando el avión se encontrara en el espacio profundo, sin apoyarse en ningún suelo sólido, La masa inercial permitiría que el avión se "apoyara" en su centro de masa. Cualquier Fuerza que se haga fuera del Centro de Masa, obliga al avión a girar, convirtiéndose en un Torque. En el dibujo de aquí abajo vemos un avión de papel, con su centro de masa sañalado con un punto rojo. Hemos dibujado unos "alerones" en la parte trasera de las alas

Las alas de este avión de papel tienen un ángulo de ataque nulo y un perfil completamente plano (sin curvatura). Sin embargo posee un alerón trasero casi perpendicular al aire en circulación. Es en este alerón donde chocan las moléculas de aire en movimiento. Dicho choque constante fuerza al avión a girar sobre su centro de masas, generando una fuerza de giro (torque). Este torque obliga a que el morro del avión se eleve, por encontrarse delante del centro de masa, y cuando esto sucede, el plano completo del avión se convierte en un "ala" con ángulo de ataque positivo, como se muestra aquí abajo:

Y qué ocurre cuando el avión de papel carece de alerones traseros elevados? En este caso, es el centro de masas atrasado el que provoca un ángulo de ataque apropiado. Si el centro de masas está detrás, todo el avión tiende a inclinarse hacia atrás, lo que obliga a su morro a elevarse. El avión seguirá sintiendo el efecto de la sustentación mientras tenga impulso hacia adelante. Normalmente, los aviones de papel pierden pronto su impulso porque carecen de hélices... pero no siempre:

En el video de abajo, vemos un avión de papel (imagino que será un cartón duro o madera fina) cuyas alas carecen de toda curvatura. Aún así, el avión realiza un vuelo muy largo porque su constructor le ha dotado de un motor

 

Pero los aviones de papel no son los únicos ingenios voladores cuyas alas carecen de perfil curvado. Podemos también fijarnos en el diseño alar de los misiles Sidewinder aire-aire, capaces de orientarse y perseguir en pleno vuelo a sus objetivos. Sus alas son simétricas, absolutamente planas y a pesar de ello, suben, bajan y vuelan a placer simplemente cambiando el ángulo de ataque. En este caso, el 99,99999% de la sustentación es fruto del efecto de acción/reacción de su propulsor (las aletas sólo cambian la trayectoria)

 

Recordemos: Los efectos Bernoulli, Coanda y Venturi  proveen al avión de una pequeña sustentación "suplementaria" pero no son los responsables principales de ésta. Es cierto que tienen un cierto grado de participación, pero la influencia de la explicación "Newton" (acción/reacción) es bastante mayor. Un avión con alas planas y simétricas puede volar perfectamente sin que sus alas deban presentar una curvatura especial. Lo que sí es imprescindible es un ángulo de ataque positivo, bien porque las alas sean capaces de girar sobre sí mismas, o bien por la presencia de unos alerones traseros que provoquen un Torque en todo el aparato.

 

Aquí abajo se adjunta un dosier en pdf más detallado, por si interesa profundizar en el asunto:

 

sustentacion de aviones.pdf
Documento Adobe Acrobat 770.0 KB

 

 

AQUÍ ABAJO, CUELGO UN VIDEO DE LA UNIVERSIDAD DE CAMBRIDGE SOBRE LA SUSTENTACIÓN DE LAS ALAS

 

 

 

 

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A: Lee este artículo del físico y catedrático de Matemáticas Francisco Villatoro, que viene a confirmar lo mismo que aquí se ha dicho (que para explicar la sustentación de los aviones, el principio de acción/reacción es mucho más importante que el efecto Bernoulli): "Bernoulli no explica por qué vuelan los aviones"

 

B: En este otro, el catedrático Arturo Quirantes deja ambos efectos con un empate técnico, dando casi la misma importancia a los efectos de acción/reacción, Bernoulli, Venturi, Coanda, etc...: "Así vuela un avión, y ojalá que por fin se aclare el tema de una vez por todas"

 

C: En este artículo, se da más importancia de Bernoulli que al principio de acción/reacción. No se olvida de este último, pero se hace una mención muy de pasada. Manual de vuelo del Piper PA11, aerodinámica, por Juan Zitnik: Aquí en pdf