¿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.