🌠Por qué vuelan los aviones

Este artículo es por petición popular. Sin embargo, me alegro mucho de haber investigado más a fondo sobre esto porque he aprendido un montón cosas interesantes. He dejado lo fundamental en la primera parte (para aquellas personas con menos tiempo), y cosas más detalladas—pero admisibles y muy chulas—en el apartado EXTRA.

LOS AVIONES

En los aviones actúan cuatro fuerzas fundamentales: 

• El empuje/tracción: proviene del impulso de los motores.

• El peso: es lo que pesa el avión debido a la gravedad.

• El arrastre/resistencia: Se debe al rozamiento del avión con el aire.

• La sustentación: Es, en esencia, lo que hace volar al avión. Ahora la explicaremos un poco más a fondo.

El aire se estudia como un fluido, igual que el agua y el aceite, porque prácticamente se comportan de la misma forma.

La aerodinámica es la parte de la mecánica de fluidos encargada de estudiar el comportamiento de los gases sobre los cuerpos (coches, aviones, bolas de golf, cascos de moto, etc.)

La sustentación. ¿Por qué las alas elevan al avión? 

Por la forma del canto, llamado perfil aerodinámico. La forma está diseñada específicamente para que el aire que choca con el ala se distribuya de forma distinta por encima y por abajo.

Por arriba el aire fluye más rápido, y hace que la presión encima del ala sea menor.

Por abajo, sin embargo, el aire fluye más despacio creando una zona de mayor presión. (Más detalles sobre esto en el apartado Extra. Ley de Bernoulli y la tercera de Newton).

La naturaleza tiende a ordenar ciertas cosas, como por ejemplo la temperatura. Si dejas un refresco frío en una terraza a 30ºC, tras unas horas el refresco adquirirá esa temperatura. Y si tiras una bolsa de hielos en una habitación, la temperatura tanto de la habitación como el agua de los antiguos hielos alcanzarán el equilibrio térmico unas horas más tarde.

Pues lo mismo pasa con esto del ala. La presión alta de abajo intenta compensar la presión baja de la parte de arriba. Eso conduce a una fuerza hacia arriba en el avión, provocando lo que se llama, una sustentación.

Nota: Esta fuerza de sustentación se produce en las alas—la inmensa parte—, pero también en la cola e incluso en el cuerpo (fuselaje) del avión.

El avión solamente volará cuando la fuerza de sustentación sea mayor a la de gravedad. Y la fuerza de sustentación depende de la velocidad que lleve el avión.

Pero aquí surge algo interesante: ¿la velocidad con respecto a qué? ¿A tierra? 

Pues no.

La velocidad con respecto a tierra es a la que estamos acostumbrados. Es la velocidad de los coches y de los atletas. No obstante, la velocidad importante en un avión es la velocidad respecto al aire.

Por ejemplo, si el avión está totalmente parado en pista pero una corriente de 20 km/h aire le da de morro, la velocidad relativa del avión es de 20 km/h. Y esa es la que nos interesa a la hora de trabajar con la sustentación (más detalles en el apartado Extra).

De tal manera que: si viniendo el viento de cara, el avión adquiere más velocidad relativa, ¿no interesaría despegar siempre hacia esa dirección?

Sí. De hecho los aviones siempre despegan y aterrizan con el viento al frente. 

--> Eso explica la existencia de numerosas pistas de despegue en direcciones diferentes, que los portaaviones también se orienten hacia el viento de frente, y de que antes siempre colocaran bandas de viento para conocer su dirección.

¿Qué pasa si se apagan los motores?

Depende. Si se rompe un solo motor de un avión comercial, éste podrá volar, pues así lo han diseñado. Si los dos dejan de funcionar el avión caerá ya que no está diseñado para planear. Necesita mucha velocidad para volar y si los motores dejan de entregar potencia no llegará a los valores mínimos de sustentación.

Eso sí, el piloto puede llegar a salvarlo (ya que un poco sí planea), como ocurrió en el caso Sully. Pero eso depende de la habilidad del piloto y las condiciones atmosféricas (corrientes calientes y frías de alrededor, vientos favorables, etc.) 

Hay otros aviones diseñados para planear. Las alas son más grandes y la estructura (o fuselaje) más pequeño.

¿Por qué se dan las turbulencias?

Las turbulencias se dan cuando el aire alrededor del avión se comporta irregularmente. Eso pueden ser corrientes viento a distintas velocidades, corrientes ascendentes, descendentes...

Es viento desordenado en medio del cielo que hace temblar al avión. De todas maneras, las turbulencias no suponen un gran riesgo y los aviones están muy preparados para ello.

Navegación. ¿Qué son las aletas que se abren y cierran a mitad del vuelo?

Esas aletas, en las que seguramente os habréis fijado si habéis viajado en avión, tienen numerosos usos para la navegación por el cielo. Son como las ruedas del avión. 

• Alerones: direccionan el vuelo (como un volante), acompañados, en la cola, del timón de dirección y de profundidad. Es decir, sirven para girar hacia arriba y a los lados.

• Flaps: ayudan en la sustentación en caso de ir a baja velocidad.

• Spoilers/ aerofrenos: sirven para perder velocidad/altura.

Aviones supersónicos. Ondas de choque.

Cuando un objeto traspasa la velocidad del sonido, es decir, alcanza una velocidad supersónica, se forman ondas de choque. Estas no son más que ondas de presión que viajan a una velocidad supersónica. La diferencias extremas de presión que producen (el frente de onda comprime el aire a medida que avanza), estruendos como los que se pueden escuchar en el despegue de un cohete. A veces también se pueden ver porque el aire de alrededor se condensa. Alcanzan temperaturas muy altas. Son ondas muy energéticas y pueden producir daños.

Cuando un avión alcanza esas velocidades (mach 1, mach 2, mach 3,... como en Top Gun) se forman alrededor de él ondas de choque. La aerodinámica del avión se diseña minuciosamente para que no perjudique al avión.

Detalles de la sustentación

Recordemos: en la parte de arriba el aire circula más deprisa creando una zona de presión baja, y al contrario abajo. Esto es lo que determina el Principio de Bernoulli.

Lo que indica esta imagen: en el mismo tiempo, una molécula de aire tendría que recorrer más camino por arriba que por abajo. Por tanto debe ir más deprisa por arriba.

Otra forma de ver la sustentación es mediante la tercera ley de Newton. El aire de arriba fluye más deprisa. Por la forma del ala, justo en el final, el aire cae hacia abajo, produciendo una propulsión. Además, en la parte inferior del ala, el aire abajo choca contra ella, ejerciendo una fuerza hacia arriba que ayuda a la sustentación.

A la hora de estudiar la sustentación debe tenerse también en cuenta el ángulo de ataque. Este es el ángulo que forma el perfil del ala con el aire. Si el ángulo es demasiado inclinado, no sustentará. Es como si el aire de la parte superior se “despegara”, creando corrientes turbulentas a sus espaldas

Como las alas no rotan, se instalan accesorios para modificar los flujos de aire en los distintos ángulos de ataque que adquieren las alas del avión, sobre todo cuando despega y aterriza.

Parecidos con un Fórmula 1

Mientras lo que busca un avión es despejarse del suelo para volar, lo que busca un coche de carrera es estar muy pegado a él. Para eso se instalan alerones.

¿No tendría sentido que aplicase en ellos el principio de sustentación de los aviones pero al revés?

Pues sí, tendría sentido, y eso es exactamente lo que se hace, los alerones refinados tienen la forma de un ala invertida. La sustentación se produce en sentido contrario. La podríamos llamar a-sustentación.

La forma en el ala del avión es así:

Mientras que la de un alerón de coches es más o menos así:

Como veis, la forma es muy parecida, solo que al revés.

Más:

• Detalles sobre la velocidad relativa: https://greatbustardsflight.blogspot.com/2019/09/velocidades-relativas-y-puntos-de.html 

• Aerodinámica de las alas: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/pber.html#airf 

• Detalles sobre los alerones y timones de dirección, entre otras cosas: https://biblus.us.es/bibing/proyectos/abreproy/70336/fichero/Cap%C3%ADtulo+2.pdf 

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