¿Como vuelan los aviones?

¿Cómo vuela un avión?

Este sitio explica el funcionamiento del avión, sus componentes y su entorno. Desde un punto de vista sencillo se desarrollan conceptos científicos de forma divulgativa de porqué vuelan los aviones. El propósito es aprender y divertirse con el transporte aéreo que está en auge.
Una máquina de cientos de toneladas, un avión que viaja cerca de los 1000Km/h a alturas de 12000 metros desde el nivel del  mar a temperaturas de -55ºC.

¿Porqué vuela el avión?
Para empezar: ¿qué es volar?, se entiende flotar y viajar de forma controlada por el aire sin estar apoyado en el suelo.Un avión cuando está en una pista de rodadura en el aeropuerto está pegado al suelo porque hay una fuerza gravitatoria que le empueja hacia abajo y el suelo equilibra esa fuerza. Ok, así que para que el avión empiece a volar debe de haber una fuerza que sea mayor que la gravitatoria y que empuje al avión hacia arriba. Esta fuerza es la sustentación. 

La sustentación empuja al ala (un avión típico de transporte tiene sólo un ala, no dos). El ala sostiene al fuselaje y resto de componentes del avión. Y el avión vuela.

Pero la pregunta en sí es ¿cómo es capaz de sostenerse el avión en el aire, una máquina que pesa del orden de cientos de toneladas?.

A primera vista parece que el aire es muy poca cosa como para que vuele un avión en el aire. Sin embargo, si sumas muchas pocas cosas tienes mucho aire, es decir:

• Si agitas la mano apenas sientes el aire.
• Si sacas la mano por la ventana del coche cuando va a 120 Km/h sientes una fuerza  importante.
• Si pudieras sacar la mano por la ventanilla de un avión de transporte (~850 Km/h) sentirías al menos una fuerza muy importante en tu mano.

Conclusión, para usar el aire como medio generador de fuerzas para que vuelen los aviones hay que trabajar con velocidades elevadas.

La sustentación es una fuerza que ejerce el aire sobre el ala de los aviones. Una fuerza es una presión por una superficie. El ala del avión al volar tiene una superficie por arriba, extradós, y por abajo, intradós. Hablando de fluidos es más cómodo pensar en presiones. Si el avión está en la pista de despegue con velocidad cero la presión tanto en extradós como en el intradós es la presión ambiente. Ahora mismo estás sometido a una presión atmosférica  en toda la superficie de tu piel. Y no te empuja hacia nigún lado porque es la mismo por toda tu piel. La fuerza resultante de esta presión atmosférica es nula.Cuando el avión vuela a ~850 Km/h la distribución de presiones en el ala es tal que hay una fuerza resultante hacia arriba que compensa la fuerza de la gravedad. Esa distribución de presiones hace que en el intradós haya más presión que la presión atmosférica y en el extradós hay menos presión que la atmosférica. El aire que está bajo el ala empuja al ala del avión hacia arriba y vuela. El aire que está sobre el ala succiona al ala hacia arriba. La succión supone ~66% de la sustentación, es decir, es importante el aire aire que hay por debajo y por arriba. Así que, la sustentación es la suma de la fuerza generada por el aire que empuja por debajo y la fuerza de succion del aire que está por arriba del ala del avión.

Esta distribución de presiones se consigue con la geometría del ala. El estudio de este fenómeno es muy complejo.

Desde el punto de vista analítico (matemático clásico). El perfil del ala del avión tiene tres componentes: el espesor, el ángulo de ataque y la curvatura.

El espesor es simétrico, no generará diferencia de presiones en el aire, no contribuye a la sustentación de los aviones. No vuelan por el espesor.
El ángulo de ataque. Hace que la presión en el extradós sea menos que en el intradós. Sí genera sustentación en el avión. Cuando sacas la mano por la venta del coche y la inclinas más o menos notas como a ángulo de ataque cero sólo hay una fuerza de resistencia hacia atras. Pero si aumentas el ángulo de ataque notas una fuerza hacia atras y hacia arriba.
Curvatura. Hace que la presión en el extradós sea menos que en el intradós. Sí genera sustentación en los aviones.

Principios básicos

1.2   PRINCIPIOS AERODINAMICOS. Aerodinámica es la parte de la mecánica de fluidos que estudia los gases en movimiento y las fuerzas o reacciones a las que están sometidos los cuerpos que se hallan en su seno. A la importancia propia de la aerodinámica hay que añadir el valor de su aportación a la aeronáutica. De acuerdo con el número de Mach o velocidad relativa de un móvil con respecto al aire, la aerodinámica se divide en subsónica y supersónica según que dicho número sea inferior o superior a la unidad. Hay ciertas leyes de la aerodinámica, aplicables a cualquier objeto moviéndose a través del aire, que explican el vuelo de objetos más pesados que el aire. Para el estudio del vuelo, es lo mismo considerar que es el objeto el que se mueve a través del aire, como que este objeto esté inmóvil y es el aire el que se mueve (de esta ultima forma se prueban en los túneles de viento prototipos de aviones). Es importante que el piloto obtenga el mejor conocimiento posible de estas leyes y principios para entender, analizar y predecir el rendimiento de un aeroplano en cualesquiera condiciones de operación. Los aquí dados son suficientes para este nivel elemental, no pretendiéndose una explicación ni exhaustiva ni detallada de las complejidades de la aerodinámica. 1.2.1   Teorema de Bernoulli. Daniel Bernoulli comprobó experimentalmente que "la presión interna de un fluido (líquido o gas) decrece en la medida que la velocidad del fluido se incrementa", o dicho de otra forma "en un fluido en movimiento, la suma de la presión y la velocidad en un punto cualquiera permanece constante", es decir que  p + v = k. Para que se mantenga esta constante k, si una partícula aumenta su velocidad v será a costa de disminuir su presión p, y a la inversa. El teorema de Bernoulli se suele expresar en la forma p+1/2dv² = constante, denominándose al factor p presión estática y al factor 1/2dv² presión dinámica.(1) p + 1/2 dv² = k;       1/2 dv² = pd p=presión en un punto dado.      d=densidad del fluido.      v=velocidad en dicho punto.      pd=presión dinámica. Se puede considerar el teorema de Bernoulli como una derivación de la ley de conservación de la energía. El aire esta dotado de presión p, y este aire con una densidad d fluyendo a una velocidad v contiene energía cinética lo mismo que cualquier otro objeto en movimiento (1/2 dv²=energía cinética). Según la ley de la conservación de la energía, la suma de ambas es una constante: p + (1/2dv²) = constante. A la vista de esta ecuación, para una misma densidad (asumimos que las partículas de aire alrededor del avión tienen igual densidad) si aumenta la velocidad v disminuirá la presión p y viceversa. Enfocando este teorema desde otro punto de vista, se puede afirmar que en un fluido en movimiento la suma de la presión estática pe (la p del párrafo anterior) más la presión dinámica pd, denominada presión total pt es constante: pt=pe+pd=k; de donde se infiere que si la presión dinámica (velocidad del fluido) se incrementa, la presión estática disminuye. En resumen, que si las partículas de aire aumentan su velocidad será a costa de disminuir su presión y a la inversa, o lo que es lo mismo: para cualquier parcela de aire, alta velocidad implica baja presión y baja velocidad supone alta presión. Esto ocurre a velocidades inferiores a la del sonido pues a partir de esta ocurren otros fenómenos que afectan de forma importante a esta relación. 1.2.2   Efecto Venturi. Otro científico, Giovanni Battista Venturi, comprobó experimentalmente que al pasar por un estrechamiento las partículas de un fluido aumentan su velocidad. 1.2.3   3ª Ley del movimiento de Newton. Para cada fuerza de acción hay una fuerza de reacción igual en intensidad pero de sentido contrario. 1.2.4   Porqué vuelan los aviones. Un objeto plano, colocado un poco inclinado hacia arriba contra el viento, produce sustentación; por ejemplo una cometa. Un perfil aerodinámico, es un cuerpo que tiene un diseño determinado para aprovechar al máximo las fuerzas que se originan por la variación de velocidad y presión cuando este perfil se sitúa en una corriente de aire. Un ala es un ejemplo de diseño avanzado de perfil aerodinámico. Veamos que sucede cuando un aparato dotado de perfiles aerodinámicos (alas) se mueve en el aire (dotado de presión atmosférica y velocidad), a una cierta velocidad y con determinada colocación hacia arriba (ángulo de ataque), de acuerdo con las leyes explicadas. El ala produce un flujo de aire en proporción a su ángulo de ataque (a mayor ángulo de ataque mayor es el estrechamiento en la parte superior del ala) y a la velocidad con que el ala se mueve respecto a la masa de aire que la rodea; de este flujo de aire, el que discurre por la parte superior del perfil tendrá una velocidad mayor (efecto Venturi) que el que discurre por la parte inferior. Esa mayor velocidad implica menor presión (teorema de Bernoulli). Tenemos pues que la superficie superior del ala soporta menos presión que la superficie inferior. Esta diferencia de presiones produce una fuerza aerodinámica que empuja al ala de la zona de mayor presión (abajo) a la zona de menor presión (arriba), conforme a la Tercera Ley del Movimiento de Newton. Pero además, la corriente de aire que fluye a mayor velocidad por encima del ala, al confluir con la que fluye por debajo deflecta a esta última hacia abajo, produciéndose una fuerza de reacción adicional hacia arriba. La suma de estas dos fuerzas es lo que se conoce por fuerza de sustentación, que es la que mantiene al avión en el aire. Como hemos visto, la producción de sustentación es un proceso continuo en el cual cada uno de los principios enumerados explican una parte distinta de este proceso. Esta producción de sustentación no es infinita, sino que como veremos en capítulos posteriores (1.7.3) tiene un límite. 1.2.5   Discutible. A estas alturas y la vista de los ingenios mecánicos que vemos volar, cada vez más grandes y desarrollando mayores velocidades, se podría deducir que la mayoría de las cuestiones relativas a la aerodinámica son más que conocidas. Seguramente, a nivel de modelos y ecuaciones matemáticas así es, porque de otra forma no sería posible el espectacular desarrollo de la aeronáutica. Pero otra cuestión distinta es cuando se trata de ofrecer una visión desde el punto de vista de la física, al menos una visión facilmente comprensible para los que no poseemos los arcanos de esta ciencia. Existen a este respecto al menos dos puntos de vista, a veces enfrentados y en ocasiones con virulencia, que reclaman para sí la explicación más coherente, cuando no la "unica", sobre el proceso de sustentación. Uno de ellos se apoya principalmente en el teorema de Bernoulli (baja presión encima del ala y alta presión debajo del ala) mientras que el otro se basa en las leyes de Newton (el flujo de aire deflectado hacia abajo "downwash" produce una reacción hacia arriba). Ambas explicaciones no son tan incompatibles como a veces quieren hacernos creer, y aunque mi conocimiento de la física es muy limitado, lo que el sentido común me dicta después de haber leido unos cuantos artículos al respecto es que posiblemente se trate de puntos de vista distintos, dos formas diferentes de simplicar un único suceso complicado. Aunque el tema es excitante excede el propósito de este "manual", no obstante a los interesados en profundizar en el mismo les recomiendo visitar algunas de las páginas propuestas en enlaces de interés. Si conviene destacar varias y severas equivocaciones usualmente asociadas con la explicación "bernoulliana" respecto a la producción de sustentación que enfrentadas con los hechos y con pruebas realizadas, transforman esta explicación en un sistema de malentendidos. Para evitar confusiones conviene contrastar algunos detalles: Se mantiene a veces, que un ala produce sustentación debido a que la forma del perfil (curvado por arriba y plano por abajo) obliga al aire que pasa por encima a recorrer más distancia que el que pasa por debajo con el fin de recombinarse con este en el borde de salida, cosa que solo puede hacerse, lógicamente, a mayor velocidad. Resulta atractivo ¿verdad?. Esta teoría implica: primero, que es necesario que un perfil tenga diferencia de curvatura entre su parte superior e inferior (mayor longitud en la parte superior), y segundo, que la parcela de aire dividida por el perfil recorra este por arriba y por abajo en el mismo tiempo para encontrarse en la parte posterior de dicho perfil. Veamos lo que muestra el mundo real: Las fotografias tomadas en tuneles de viento a perfiles sustentadores revelan que la capa de aire que recorre la parte superior (a pesar de la mayor distancia) lo hace en un tiempo sensiblemente menor que la capa que recorre la parte inferior, además de que ambas no vuelven a coincidir en el borde de salida, quedan permanentemente divididas. Todo esto se produce incluso en perfiles planos. En vuelo invertido la forma del perfil del ala es más curvada por abajo que por arriba y sin embargo produce sustentación. Algunas alas finas y curvadas tienen la misma longitud por ambos lados del perfil, como por ejemplo las montadas en algunos planeadores o el ala usada por los hermanos Wright en su primer aeroplano. Esta era delgada, muy curvada y algo cóncava por la parte inferior. No tenía diferencia significativa de curvatura entre la parte superior e inferior y sin embargo producía sustentación debido a los mismos principios que las alas de hoy en día. Las alas diseñadas para aviones de alta velocidad y aeroplanos acrobáticos (Pitts, Decathlon) mantienen un perfil simétrico (misma curvatura arriba y abajo) y vuelan perfectamente, sin olvidar que otros perfiles simétricos (timones, estabilizadores, etc...) operan bajo los mismos principios aerodinámicos. Es más, la NASA ha experimentado exóticos perfiles "supercríticos" que son casi planos por arriba y curvados por abajo. ¿Adónde nos lleva esto?. A que aunque el principio de Bernoulli es correcto, los principios reseñados de porqué vuela un avión son válidos independientemente de la simetría o asimetría del perfil y de la diferencia de curvatura entre las superficies superior e inferior. Si la sustentación dependiera únicamente de la forma del ala, puesto que esta forma no cambia con el vuelo, no habría forma de variar la sustentación; el aeroplano solo soportaría su peso a una velocidad determinada y además sería inestable e incontrolable. Veremos más adelante como el piloto regula la sustentación mediante el control del ángulo de ataque y la velocidad. De no ser así, los hermanos Wright no hubieran podido volar, ni se mantendrían en el aire los aviones de alta velocidad, los acrobáticos o los planeadores. Para terminar, decir que los diseños de alas curvadas y con diferencia de curvatura entre la parte superior e inferior responden a razones eminentemente prácticas, pues estos perfiles mejoran la sustentación y tienen mejores características ante la pérdida (Ver 1.3.2) Sumario: Según Bernoulli, alta velocidad implica baja presión y viceversa. Venturi demostró que un fluido al pasar por un estrechamiento es acelerado. A una fuerza de acción se le opone otra de reacción de igual intensidad pero de sentido contrario, dice la 3ª Ley del Movimiento de Newton. Un ala es muy efectiva cambiando la velocidad del aire: el que fluye por encima es acelerado mientras que el que fluye por debajo es retardado; incluso aunque el que pase por arriba tenga un camino más largo, alcanzará el borde de salida antes que el que pasa por abajo. La disminución de presión por encima del ala es mucho más pronunciada que el aumento de presión por debajo de la misma. Cada parcela de aire sufre un cambio temporal en su velocidad al ser incidida por el ala; al alcanzar el borde de salida tenderá a recuperar la velocidad del aire libre. Un ala moviéndose a través del aire produce un flujo circulatorio proporcional al ángulo de ataque y la velocidad con que incide sobre este aire. Este flujo circulatorio es más rápido por la parte superior que por la inferior del ala. La diferente velocidad produce diferente presión y esta presión diferencial produce sustentación. La deflexión hacia abajo del flujo de aire en el borde de salida del ala, produce una fuerza de reacción hacia arriba que también genera sustentación. Es deseable, pero no imprescindible, que la parte superior del ala sea más curvada que la parte inferior.

¿como vuelan las aves?

Si trataste de hacer la actividad del papel que describimos al principio de este artículo, te habras sorprendido por lo que pasó. La mayoria de las personas piensan que el papel se movera hacia abajo y no se levantara cuando soplas a través de la parte de arriba.
Quiza esto no es lo que tú esperabas, pero esto es lo que las aves y los aeroplanos hacen para levantarse del suelo y volar. Al soplar por la parte de arriba de la hoja de papel haces que el aire se mueva mas rapido y esto reduce la presión de aire sobre el papel. Ahora la presión del aire debajo del papel es más alta y crea un impulso. Este impulso es el que permite que los objetos se levanten.

¿Cómo hacer que el aire se mueva más rápido?

Con la hoja de papel tu soplo de aire sobre la parte superior redujo la presion. Pero eso no lo puedes hacer ni con la saves ni con los aviones. En el caso de las alas de las aves y de los aviones lo que provoca el cambio de presion del aire es la forma. La parte superior de las alas tiene una mayor superficie por lo que el aire que pasa por la parte superior debe viajar una mayor distancia que el que pasa por la parte inferior y esto provoca que el aire de arriba se mueva mas rapido generandose asi la reduccion de presion en la parte superior del ala.

¿Cómo hacer que el aire se mueva a través del ala?

Para que el aire se mueva a traves del ala es necesario que el ala se mueva. Esto se llama empuje. El empuje es creado cuando el ave mueve sus alas usando sus fuertes músculos pectorales. En el caso de los aeroplanos se requiere otro método de empuje, se utilizan motores ya sea de helice o de chorro. El empuje en aves y aviones, es otro requisito para poder elevarse y volar. Así que tanto la forma del ala y la capacidad de moverla por el aire son dos cosas necesarias para el vuelo de las aves y de los aviones.
 
Las aves usan sus fuertes músculos pectorales para mover sus alas y desarrolar el empuje para moverse a través del aire y volar. En cierta forma, las aves usan un movimiento de nado para conseguir el ascenso que necesitan para volar. Las alas de los aviones tienen una forma similar a las de las aves, pero en lugar de agitar sus alas, utilizan los motores que los empujan en el aire y crean la elevación necesaria para volar.

Física del vuelo

La física del vuelo está asociada con la dinámica de gases. Para ver aspectos puramente físicos sin referirse específicamente al vuelo véase dicho artículo.
Las leyes del movimiento de gases se estudian en un aparato concido pomo tubo aerodinámico, hoy día más conocido como túnel de viento o túnel aerodinámico principalmente por el tamaño que tiene hoy día. El primer tubo aerodinámico fue construido por el inventor del motor pohete en 1897 Ziolkovsky. Para los detalles del funcionamiento del tubo y su utilización ver dicho artículo. Aquí referiremos exclusivamente un punto de vista elemental necesario para comprender otros aspectos en las siguientes secciones.

El tubo aerodinámico

El tubo aerodinámico se emplea como modelo de estudio del comportamiento de los fluidos.

• El tubo aerodinámico fue la base para comprender la física del vuelo primero y la dinámica de gases en general después. El mismo, en la forma en que lo elaboró Ziolkovsky es un tubo que forma un circuito cerrado, un motor por lo general eléctrico mueve un compresor el cual impulsa el gas en el interior del tubo, el tubo tiene 2 zonas significativamente diferenciadas, la zona de trabajo y la zona de retorno por donde el aire retorna a ser impulsado por el compresor (éste como se ha aclarado es el tubo diseñado por Ziolkovxky, otros tubos pueden no utilizar un circuito cerrado y por tanto tener exclusivamente la zona de trabajo). En la zona de trabajo, en su longitud está dividido en cámaras cuya división se manifiesta por engrosamientos o estrechamiento del tubo. Cada cámara suele tener algún sensor para determinar la presión y/o la velocidad del fluido.

• Entender el funcionamiento del tubo se remite a entender que si el compresor transmite una presión está varía al llegar a una cámara cuya sección es diferente, observándose que si la sección se estrecha la velocidad aumenta y al revés, el caudal se mantiene constante, por tanto se mantiene en todo momento la ecuación que regula que varían la presión cuando varía la sección (la cantidad de flujo del fluido). Si se realiza una medida en el manómetro , se observa que la presión ha caído en el estrechamiento. Dado que la parte ancha tiene más presión, el fluido es empujado con mayor velocidad hacia la parte estrecha. el mismo principio observado en el terreno de la hidráulica se conoce como el principio de Bernoulli. La principal diferencia con los gases es que estos pueden comprimirse y dilatarse más fácilmente. Al disminuir la presión, el aire se dilata y la densidad baja, esto conlleva un cambio de velocidad. Colocando varios manómetros a los largo de las cámaras, puede observarse dicho comportamiento. La sección más estrecha del tubo es conocida como sección crítica y presión crítica a la presión que registra en dicha zona el manómetro.

¿Por qué vuela un avión?

Al citar este cuestionamiento son muchas las respuestas y definiciones que se orientan al objeto en sí del vuelo de un avión. Es difícil de interpretar y explicar, pero a su vez implica un avance muy importante para el diario vivir, defensa aeroespacial, transporte, salvamento, etc. Es así que el vuelo propiamente tal se interpreta como el efecto físico que se ve con respecto a un cuerpo u objeto al ser su normal igual a cero. De acuerdo a lo anterior hago referencia a uno de los componentes que intervienen en la elevación de un aeroplano, llamamos a este concepto sustentación. Este término hace referencia a un teorema que posee directa relación con el efecto de Bernoulli este consiste en un principio básico del comportamiento de fluidos. En efecto lo anterior sugiere que producto de una diferencia de presiones en un perfil alar del avión o aeroplano, debe cumplirse lo siguiente:

1. Producto del paso o corte del movimiento de la corriente de aire relativa a un perfil alar su velocidad es igual y en sentido opuesto a la velocidad de la aeronave. Es por ello que al pasar el fluido por un estrechamiento las partículas aumentan su velocidad.
2. Las alas están diseñadas para que obliguen al viento a fluir con mayor velocidad sobre la superficie superior que sobre la superficie inferior, por lo que la presión sobre esta última es mayor que sobre la superior.

Esto hace un fiel reflejo a la fuerza aerodinámica generada cuando una corriente de aire fluye sobre y por debajo de un perfil. El punto donde este se divide se le designa “punto de impacto”. La fuerza aerodinámica es la resultante de dos fuerzas que desempeñan un rol importante y estas son: sustentación y resistencia al avance.

El principio de Bernoulli

Artículo principal: Principio de Bernoulli

El principio de Bernoulli puede representarse mediante la siguiente fórmula:

${\displaystyle P_{+}{\tfrac {1}{2}}\rho (V_{1})^{2}=P_{2}+{\tfrac {1}{2}}\rho (V_{2})^{2}}$

• Si poseemos un perfil alar con sus superficies iguales a la aeronave, necesariamente deberá aumentar su ángulo de ataque.
• De este modo podemos hacer referencia que la presión es preponderante en la producción de la sustentación lo que se desprende del análisis de la siguiente ecuación:

${\displaystyle L={\tfrac {1}{2}}C_{L}\rho V^{2}S}$

donde: L es la sustentación; ${\displaystyle C_{L}}$, el coeficiente de sustentación, ρ, densidad del aire; V, la velocidad del aeronave; y S, la superficie alar.
Además a mayor altura la densidad del aire disminuye; por lo cual la sustentación disminuye, para mantener el vuelo recto y nivelado se deberá aumentar la velocidad.
Demostrando el efecto que se produce para elevar un aeroplano podemos afirmar que a través de los inicios de la conquista de los cielos el avión y otros vehículos voladores, más pesados que el aire, todavía están en su juventud. Es por esto que podemos decir que tras los decenios pasados y los que quedan por vivir se esperan progresos notables en este campo, es por ello que para que vuele un avión prevalecerá que:

${\displaystyle L=W}$

y, por tanto, la sustentación iguala al peso.

Teoría

Definición de vuelo 

El vuelo es una actividad tan compleja que los hombres no hemos conseguido dominar sus mecanismos hasta el siglo pasado. Sin embargo existen varios tipos de animales que vuelan desde hace mucho tiempo. Cuatro grupos de animales poseen sendos modos de vuelo bien diferenciados: las aves, los pterosaurios, los murciélagos y los insectos.