¿Por qué vuelan los aviones? Explicaciones físicas

GIF ¿Por qué vuelan los aviones? Explicación física En este post se explicará el funcionamiento básico de una avión y los fundamentos por los que es capaz de volar. Empezaremos introduciendo de forma muy simple, una serie de conceptos físicos como la presión atmosférica y la temperatura y densidad del aire, y algunos principios aerodinámicos. Finalmente se detallarán las fuerzas que actúan durante el vuelo y la estructura de un avión. Empecemos. Presión atmosférica La presión se define como cantidad de fuerza aplicada sobre unidad de superficie. Es decir, cuánta fuerza estamos ejerciendo sobre una superficie determinada: De esta forma, si aplicamos la misma fuerza sobre dos superficies diferentes, ejerceremos mayor presión en la superficie más pequeña. La presión atmosférica es la fuerza que ejerce la atmósfera (envoltura gaseosa que rodea al planeta compuesta por nitrógeno, oxígeno y otros gases), sobre una superficie. ¿Por qué ejerce fuerza la atmósfera? Debido al peso del aire. ¿Sobre qué superficie medimos esta fuerza?. De forma estándar definimos una columna imaginaria de base dicha unidad. Así, la altura de la columna imaginaria y por tanto el peso del aire que contiene, dependerá de la altura a la que nos encontremos. No es lo mismo medir la presión atmosférica a nivel del mar, que en la cima del Everest, ya que la cantidad de aire encerrada en nuestra columna imaginaria es mayor en el primer caso. De esta forma se concluye que a mayor altura, menor presión atmosférica. Debido a esta propiedad, y a la menor densidad del aire como veremos más adelante, cuando volamos en una avión por encima de una altitud determinada, necesitamos un sistema de presurazación en la cabina de pasajeros. Temperatura del aire Independientemente de la latitud (distancia angular entre el ecuador y un punto determinado del plante) en la que nos encontremos, a mayor altura la temperatura del aire será menor. Esto es debido a que los rayos que atraviesan la atmósfera procedentes del sol, no calientan de forma significativa su temperatura. No obstante, la Tierra absorve absorbe esta energía incidente y aumenta su temperatura, la cual es cedida de forma gradual a las capas de aire de la atmósfera. Así, cuanto más alejada esté la capa de aire de la superficie terrestre, menos calor recibirá. Relación entre temperatura y presión Cuando vemos las noticias del tiempo en la televisión, asociamos de forma automática altas presiones con calor y bajas presiones con frío. La ley de compresión de los gases de Gay-Lussac nos confirma que existe una relación directa entre la presión de un gas y su temperatura. Si encerramos una masa de gas en un recipiente y la calentamos, la presión que ejerce esta masa sobre el recipiente aumentará. De forma análoga, al comprimir un gas aumentamos su temperatura y al descomprimirlo lo enfriamos. Densidad del aire La densidad se define como la cantidad de masa por unidad de volumen: Es decir, si encerramos una cierta cantidad de aire en un volumen concreto, podremos calcular su densidad. De forma intuitiva podemos concebir que la densidad del aire (1.2 kg/m3) será menor que la del agua (1000 kg/m3), ya que en un metro cúbico tenemos una mayor cantidad de masa de agua que de aire. La diferencia de densidades es la responsable de que un objeto pueda elevarse en ciertos casos, por ejemplo un globo: ¿Por qué vuela un globo? ¿Cómo es posible que un globo estratosférico pueda volar? (se denomina estratosférico porque sólo se desplaza por la estratosfera, localizada entre los 11 y los 50 km de altura). La idea general que tenemos sobre su funcionamiento es la de una cesta donde se colocan los pasajeros y un enorme globo donde se calienta el aire. Gracias a este aire caliente, el globo sube. Ésta es la idea que todos tenemos pero, ¿por qué sube realmente el globo? Arquímedes El descubridor del principio físico que hace posible la elevación del globo fue Arquímedes. Un genio del siglo II a. C. que residía en Siracusa y del cual recordamos la famosa expresión “¡Eureka!” (el significado real de esta palabra griega es ¡lo conseguí!). Arquímedes descubrió que si introducía un objeto en el agua y lo dejaba libre, éste sufría una fuerza hacia la superficie. Prueben a meter una pelota de ping-pong en la bañera, suéltenla y verán como sube hacia la superficie. De forma general, Arquímedes descubrió que al introducir un cuerpo en un fluido cualquiera, éste sufre una fuerza vertical y hacia arriba (llamada empuje) equivalente al peso del fluido que ha desplazado. Así, la fuerza que sufrirá el objeto hacia arriba será igual al peso del volumen de agua que hayamos desplazado al introducir la pelota. Recordarán de la escuela: Peso = masa * gravedad Pero, ¿cómo podemos medir la masa de esa porción de agua desplazada? Se hace a través de otra fórmula que también recordarán: Densidad = masa / volumen ya que la densidad del aire es un dato conocido. De esta forma, la famosa fórmula de Arquímedes puede expresarse como Empuje vertical = Peso Desplazado = m * g = Densidad * Volumen agua desplazado * Gravedad Aunque se conoce como el principio de Arquímedes, puede considerarse un teorema demostrable a partir de las ecuaciones de Navier-Stokes para un fluido en reposo (un principio es una ley de la naturaleza que no se puede demostrar). Seguramente se estarán preguntando qué tiene que ver todo esto con el funcionamiento de un globo. Pues todo, ¡ya que el aire es un fluido en sí mismo! Sin embargo, si el aire es un fluido, ¿Por qué no flotamos todos al igual que hace la pelota de ping-pong al introducirla en la bañera? Y en cualquier caso, ¿cómo vuela el globo al calentar aire? ¿por qué la pelota no sigue subiendo cuando sale a la superficie del agua? ¿no acabas de decir que el aire es un fluido? La lógica nos dice que los objetos no pueden volar, pero veamos matemáticamente por qué la fuerza de empuje en el aire parece no tener efecto. Cuando la pelota está introducida en el agua, se ve sometida a dos fuerzas. Por un lado el efecto de la gravedad que la empuja hacia abajo y por otro, tal y como vimos en el primer artículo, una fuerza de empuje vertical hacia arriba equivalente al peso del fluido desplazado. Empuje vertical = densidad del agua * volumen agua desplazado * gravedad Fuerza de la gravedad = masa de la pelota de ping-pong * gravedad Como sabemos que la pelota de ping-pong tenderá a subir, la fuerza de empuje vertical deberá ser mayor que la fuerza gravitatoria. Hagamos de todas formas los cálculos para comprobarlo. Empezaremos por la fuerza de empuje. La pelota de ping-pong está rellena de aire y su volumen es 20 cm3. Si lo convertimos a metros cúbicos obtenemos 0,00002 m3. La densidad del agua puede considerarse como 1000 kg/m3 y el valor de la gravedad estándar 10 metros por segundo al cuadrado. Para poder calcular el peso, tendremos que sumar la masa del material plástico del que está hecho la pelota de ping-pong y la del aire contenido en ella. En nuestro ejemplo, despreciaremos la masa de plástico y sólo calcularemos el peso del aire contenido en la pelota. Nos encontramos ahora con un problema, ¿cómo calculamos el peso del aire encerrado dentro de la pelota? Ya vimos en la primera entrega de este artículo que a través de la siguiente relación podemos calcular la masa del aire conociendo su densidad (1,2 kg/m3) y el volumen de la pelota de ping-pong (20×10E-6m3). Si tiramos de la calculadora, obtenemos: Como ven, la fuerza que actúa en sentido ascendente es muy superior al peso, por lo que la pelota tiende a subir. Además, más de uno se habrá fijado en que lo realmente importante a la hora de comparar las dos fuerzas es la densidad de los dos fluidos, ya que el volumen y la constante de gravitación aparecen en ambos términos y pueden simplificarse. No obstante, cuando la pelota alcanza la superficie penetra en otro fluido y por tanto cambia la densidad del fluido que desplaza (antes desplazaba agua y ahora aire). Como la densidad del aire es 1,2 kg/m3, los cálculos quedan: Y como el peso de la pelota de ping-pong sigue siendo el mismo, la fuerza de empuje no puede superar el efecto gravitatorio. Podemos deducir a raíz de estos resultados que los fluidos mas livianos (menor densidad) tienden a ubicarse por encima de los mas pesados (mayor densidad) debido a estas fuerzas de empuje. Hemos visto el principio de Arquímedes y cómo una pelota de ping-pong introducida en agua se elevaba hasta la superficie. Veamos ahora cuál es la aplicación práctica y cómo poder utilizar este concepto para elevar nuestro globo. Imaginen que queremos levantar un peso de unos 100kg (la cesta y una persona). Colocaremos dentro del globo un fluido que tenga una densidad menor que la del aire para que tienda a colocarse encima de éste. Generalmente se suele utilizar el gas helio, cuya densidad 0,18 kg/m3 es inferior a la del aire 1,2 kg/m3. Con estos datos, ¿cuál será el volumen de helio que necesitaremos para levantar esos 100kg? Vemos facilmente que si utilizamos 1.000m3 de helio el empuje vertical será De esta forma, al igual que en el caso de la pelota de ping-pong donde el aire encerrado dentro de ella tiende a subir por encima del agua, nuestro globo lleno de helio, al tener una densidad menor que el aire, tenderá a subir hasta cierta altura. ¿Por qué sólo hasta cierta altura? Pues debido a que la densidad del aire no es constante en todos los puntos, y va descendiendo a mayor altura. De esta forma nuestro globo dejará de subir allí donde la densidad del fluido dentro del globo (helio) y fuera de él (aire) se equiparen. A este punto se le conoce como altura de flotación. Seguro habrán visto alguna vez que este tipo de globos también cuentan con una pequeña caldera para calentar el gas. Al igual que en el caso del aire, la densidad del helio no es constante y se verá modificada (además de por otros factores) por la temperatura. Es por ello por lo que los globos disponen de una fuente de calor para calentar el gas en caso necesario. Con esto ponemos fin a este artículo sobre el funcionamiento de un globo. Retomamos el vuelo del avión Ya vimos recién en "¿Cómo vuela un globo?" que la diferencia de densidades era la responsable de que un objeto se elevase. Y también analizamos que la presión y la temperatura del aire dependen de la altura. No obstante, ¿se ve afectada también la densidad del aire por algún otro factor o permanece constante? Según la ley de Bolye, a temperatura constante, los volúmenes ocupados por un gas son inversamente proporcionales a las presiones a las que está sometido. Y como hemos visto que la densidad relaciona la masa con el volumen, la densidad de un gas aumentará o disminuirá en relación directa con la presión. Por otro lado, la ley de dilatación de los gases de Gay-Lussac afirma que la dilatación de los gases depende de la temperatura. Si aplicamos calor a un cuerpo, éste se dilatará y ocupará más volúmen. Así, si una misma masa ocupa más volumen, su densidad será menor y podemos concluir que la densidad del aire cambia en proporción inversa a la temperatura: a mayor temperatura, menor densidad. No obstante nos encontramos con el primer problema. En la primera entrada vimos que al aumentar la altura, la presión atmosférica disminuye y por tanto la densidad también. Sin embargo, la temperatura también disminuye con la altura y por tanto la densidad aumenta. ¿Cuál es la variación total? La repuesta es que el cambio de presión influye en mayor medida que el de la temperatura, por lo que concluimos que a mayor altura, menor densidad del aire. Atmósfera tipo La atmósfera tipo, definida por la Organización de Aviación Civil International (OACI), es una atmósfera hipotética basada en medidas climatológicas y que sirve como patrón de referencia. Define una serie de valores como por ejemplo, temperatura de 15º C y presión 760 mm al nivel del mar o un gradiente térmico de 1,98º por cada 1000 pies. Principios aerodinámicos que hacen posible que el hombre surque los cielos. Tal y como se recoge en la Real Academia Española, la aerodinámica es la parte de la mecánica que estudia el movimiento de los gases y los movimientos relativos de gases y sólidos. Hay ciertas leyes de la aerodinámica, aplicables a cualquier objeto desplazándose a través del aire, que explican el vuelo de objetos más pesados que el aire. Veremos alguna de ellas. Teorema de Bernoulli 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 X puntos diferentes, comprobaríamos como, en todos los casos, la suma de las tres energías es siempre la misma. Este teorema, enunciado por Daniel Bernoulli en su obra Hidrodinámica en el siglo XVIII, establece que en un fluido en movimiento, la presión y velocidad en un punto cualquiera permance constante. De forma simple podemos decir que en cada punto se cumple De esta forma, como K es un valor constante, si en un punto cualquiera del fluido la velocidad disminuye, la presión debe aumentar, y viceversa. Podemos entender el teorema de Bernoulli como una derivación de la ley de la conservación de la energía. No obstante todo esto está muy simplificado ya que la expresión general de este teorema, conocido como Trinomio de Bernoulli, considera los términos de presión estática y presión dinámica que aquí estamos omitiendo: donde podemos afirmar que en un fluido en movimiento, la suma de presión estática más la presión dinámica es constante, de donde se infiere que si la presión dinámica (velocidad del fluido) se incrementa, la presión estática disminuirá. En resumen, para cualquier parcela de aire en movimiento, ya que el aire es un fluido, alta velocidad implica baja presión y baja velocidad supone alta presión. (Todo esto ocurre a velocidades inferiores a la del sonido, a partir de ésta ocurren otros fenómenos aerodinámicos diferentes) Efecto Venturi En el año 1797, el físico italiano Giovanni Battista Venturi (1746-1822), descubrió que un fluido en movimiento dentro de un conducto cerrado disminiuye su presión al aumentar la velocidad después de pasar por una zona de sección menor. Así, si el caudal de un fluido es constante pero la sección disminuye, forzosamente la velocidad aumentará tras atravesar esta sección. Generalmente, damos por asumido que al colocar frente a una corriente de aire un objeto plano con un cierto ángulo hacia arriba, éste se elevará. Intuitivamente pensamos que el aire está empujando hacia arriba el cuerpo, y como puede con él, éste se eleva. Esa idea nos puede parecer acertada en el vuelo de un avión de papel, ya que su peso no es muy elevado. Sin embargo, esta suposición nos choca un poco más cuando pensamos en un avión capaz de elevar unos 80.000kg. Entremos un poco en materia. Un perfil aerodinámico se puede definir como un cuerpo diseñado de tal forma que, las fuerzas que se originan por la variación de velocidad y presión del aire, le ayudan a elevarse. ¿Qué sucede cuando un perfil aerodinámico (es decir, las alas) se mueven por un fluido (el aire dotado de presión atmosférica y velocidad), a una cierta velocidad y con una determinada orientación hacia arriba (el denominado ángulo de ataque). El ala de un avión produce un flujo de aire que es proporcional a su ángulo de ataque, es decir, a su orientación hacia arriba, y a la velocidad que con la que se desplaza respecto a la masa de aire que le rodea. Podéis imaginar un símil hidráulico, donde por una tubería llena de agua colocáis un travesaño con una cierta inclinación. Parte de la corriente de agua discurrirá por arriba y otra parte por abajo. Como vimos, debido al efecto Venturi, cuando un fluido que circula por una sección atraviesa un estrechamiento, aumenta su velocidad. De esta forma, la masa de aire que discurre por la parte superior del perfil aerodinámico tendrá una velocidad mayor que la que discurre por la parte inferior. Además, tal y como vimos en el teorema de Bernoulli, esa mayor velocidad implica una menor presión. Nos encontramos con una situación donde la corriente superior posee más velocidad y menor presión y la corriente inferior justo lo contrario. Recuerden sin embargo que, en cada uno de los puntos debe cumplirse que la suma de presión y velocidad debe permanecer constante. Esta diferencia de presiones produce una fuerza aerodinámica que empuja al ala desde la zona de mayor presión (abajo) hacia la zona de menor presión (arriba), conforme a la Tercera Ley del Movimiento de Newton. En cierto modo, la fuerza ascendente que actua sobre el avión y contrarresta su peso, es la causante de que el avión se eleve. Esta fuerza se llama sustentación y la crean las alas del avión cuando éste se desplaza a través de una corriente de aire. Podemos decir que el flujo de aire que atraviesa el ala por la zona inferior empuja con más fuerza sobre el ala hacia arriba, que el flujo superior hacia abajo. Pero el teorema de Bernoulli no lo explica todo 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. 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 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. 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 Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: quiere decir que las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto. 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 link: https://www.youtube.com/watch?v=JOS42VSvoNE En mecánica newtoniana, se denomina momento de una fuerza (respecto a un punto dado) a una magnitud (pseudo)vectorial, obtenida como producto vectorial del vector de posición del punto de aplicación de la fuerza (con respecto al punto al cual se toma el momento) por el vector fuerza, en ese orden. También se denomina momento dinámico o sencillamente momento. Ocasionalmente recibe el nombre de torque a partir del término inglés (torque), derivado a su vez del latín torquere (retorcer). 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 momento de una fuerza F, aplicada en un punto P con respecto de un punto O viene dado por el producto vectorial del vector OP, por el vector fuerza; esto es, Mo = OP x F = r x F Donde r es el vector que va desde O a P. Por la propia definición del producto vectorial, el momento M, es un vector perpendicular al plano determinado por los vectores F, y r. El término momento se aplica a otras magnitudes vectoriales como el momento lineal o cantidad de movimiento p, y el momento angular o cinético, L, definido como Lo =OP x p = r x p El momento de fuerza conduce a los conceptos de par, par de fuerzas, par motor, etc 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 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 link: https://www.youtube.com/watch?v=rZgx0cDI_us 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, CUELGO UN VIDEO DE LA UNIVERSIDAD DE CAMBRIDGE SOBRE LA SUSTENTACIÓN DE LAS ALAS link: https://www.youtube.com/watch?v=6UlsArvbTeo Redondeando: 4 fuerzas Hay cuatro fuerzas que actúan sobre el avión durante el vuelo: resistencia ➡, empuje ⬅, sustentación ⬆ y peso ⬇. Actúan en pares: la resistencia es opuesta al empuje y la sustentación es opuesta al peso. Cuando el avión se mantiene a flote, empuje=resistencia y sustentación=peso, así que la fuerza neta equivale a cero. Vamos por partes. La resistencia es la fuerza que actúa en dirección contraria al movimiento de un objeto en el fluido que lo rodea, en este caso el aire. La energía que usamos para impulsar el avión a través del aire genera una resistencia que disminuye su velocidad (es fácil notar esta fuerza si sacas la mano por la ventanilla de un coche en marcha). Los aviones pliegan el tren de aterrizaje después del despegue para reducir su resistencia al aire. El empuje o tracción es la fuerza que hace que el avión avance y contrarreste la resistencia al aire. Los aviones comerciales usan motores a reacción, pero también hay aviones de hélices y otros que usan cohetes como propulsión. Un motor a reacción o motor jet descarga un chorro de gas para generar el empuje con ayuda de la tercera ley de Newton: el gas, que se expulsa hacia atrás a gran velocidad, empuja el motor hacia adelante, lo que hace que el avión avance. La parte principal de un avión son sus alas, porque producen la fuerza de sustentación que le permite volar. Para ello se diseñan con un perfil aerodinámico especial llamado airfoil. Al desplazarse a través del aire, las alas desvían el aire a su parte inferior. Con una presión del aire mucho mayor abajo que arriba, las alas generan la fuerza de sustentación que eleva el avión durante el despegue y lo mantiene a flote durante el vuelo. En el aire, la fuerza neta es cero porque la sustentación es igual al peso del avión, que incluye a la gravedad. En la cola del avión están el estabilizador horizontal y el estabilizador vertical. Son elementos que aseguran la estabilidad del avión; es decir, su tendencia a regresar a un estado inicial tras una perturbación. El horizontal se encarga de estabilizar los movimientos de arriba a abajo del morro del avión (eje lateral) y el vertical los movimientos de izquierda a derecha (eje vertical). Los mandos de vuelo son los mecanismos que permiten cambiar la orientación y la posición del avión. Las tres superficies de mando principales son los elevadores, los alerones y el timón de dirección. Los elevadores están en la parte trasera del avión. Hacen ascender o descender la aeronave, un movimiento que se conoce como cabeceo. Elevarlos incrementa la fuerza descendente, lo que produce un cabeceo hacia arriba, y lo contrario produce un cabeceo hacia abajo. GIF Los alerones están en las alas y se activan en sentidos opuestos para que el avión se incline hacia un lado, lo que se conoce como alabeo. Si el piloto quiere inclinar el avión hacia la izquierda, tendría que flexionar el alerón izquierdo hacia arriba y el del ala derecha hacia abajo. GIF El timón de dirección está en la cola del avión y hace que el morro del avión gire hacia la izquierda o la derecha, lo que se conoce como la maniobra de guiñada. Funciona como el timón de un barco: un giro de la superficie hacia la derecha cambia de dirección a la derecha. GIF Así que, la próxima vez que te subas a un avión y mires por la ventanilla, sabrás qué fuerzas te mantienen flotando en el aire y por qué el alerón se mueve hacia arriba y abajo. Lo de los flaps, los slats y otras mil preguntas que surgen tras ver este vídeo lo dejamos para otro post link: https://www.youtube.com/watch?v=URJWcceup8A&feature=youtu.be Eso fue todo. Espero que les haya gustado. 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