¿Cómo vuelan los aviones?
Al igual que los barcos están diseñados para flotar, los aviones lo están para volar- ¿Cuál es su truco? (Foto: Renato Serra Fonseca)
La respuesta más sencilla sería decir que los aviones vuelan porque están diseñados para volar. De la misma manera que un barco transatlántico, de más de 100.000 toneladas, tiene una determinada forma y diseño interior que le permite mantenerse a flote, un avión tiene una forma que le permite mantenerse en el aire. No se trata de algo mágico. Lo raro y mágico sería que los aviones no pudiesen volar teniendo la forma que tienen. La clave de su forma está en las alas y en el diseño que éstas tienen.
Una respuesta un poco más elaborada sería decir que un avión vuela gracias al flujo de aire que pasa por las alas. Por lo que ya podemos deducir que, para que un avión vuele, se necesita un flujo de aire, o lo que es lo mismo, una velocidad respecto al aire. Cuando el aire fluye a través de las alas se genera una fuerza hacia arriba, llamada sustentación, que si es suficiente compensa al peso del avión.
¿Tanta capacidad tiene el aire en movimiento?
De alguna forma se tiende a menospreciar la capacidad del aire. Es cierto que si tiramos una piedra al suelo parece como si hubiese un vacío, nada frena a la piedra. Lo mismo ocurre si levantamos la mano estirando el brazo y lo dejamos caer. Parece que el aire no está por la labor de evitar que los objetos caigan al suelo. Pero todos hemos comprobado lo difícil que resulta andar cuando hace bastante viento, hemos visto imágenes de los devastadores efectos de los tornados siendo capaces de levantar coches, camiones o incluso casas y, alguna vez, hemos sacado nuestra mano por la ventanilla del coche para “jugar” a mantenerla en el aire gracias a la velocidad del vehículo.
¿Cómo generan las alas sustentación?
¿Por qué vuelan los aviones? Por el mismo motivo que la mano se mantiene en el aire: el flujo de aire. (Foto: TijanaM/shutterstock)
Siguiendo con el ejemplo anterior, uno puede comprobar cómo nos resulta más fácil mantener nuestra mano suspendida en el aire cuanto mayor sea la velocidad del vehículo. Con las alas de un avión ocurre lo mismo: cuanto mayor sea la velocidad del avión respecto al aire, mayor es la fuerza de sustentación. Por este motivo, para despegar, los aviones necesiten una pista en donde poder acelerar hasta alcanzar una determinada velocidad.
También podemos comprobar cómo variando la inclinación de nuestra mano podemos actuar sobre la fuerza que la eleva. Lo mismo ocurre con las alas de los aviones, y esa inclinación es conocida como el ángulo de ataque. Para variar el ángulo de ataque se hace rotar todo el avión, subiendo o bajando el morro, gracias a unas superficies de control situadas en la cola: es lo que se hace en el despegue al alcanzar la velocidad de “rotación”.
Conseguir sustentación no es complicado. Lo complicado es conseguirlo de manera eficiente, que permita elevar pesos considerables sin generar mucha resistencia que nos frene. Nuestras manos no tienen la forma ideal. Sin embargo, las alas de los aviones tienen un diseño muy estudiado para lograr una gran eficiencia. Una característica muy importante en el diseño de las alas es la forma del llamado perfil alar, que consiste en una sección transversal del ala vista desde un lateral. El perfil alar no es algo fijo, dependerá de las características del avión y según el uso que se le vaya a dar (acrobacia, transporte de pasajeros, combate, recreación, etc), pero suele haber una característica común: la parte delantera (borde de ataque) redondeada y su zona opuesta (borde de salida) más afilada.
(a) ángulo de ataque pequeño (b) ángulo de ataque grande
(Foto: How do wings work / Holger Babinsky)
Para entender mejor lo que ocurre en el ala de un avión, lo mejor que podemos hacer es cambiar nuestro sistema de referencia e imaginarnos un perfil alar fijo y una corriente de aire que se desplaza de izquierda a derecha incidiendo sobre él (al fin y al cabo, lo importante es el viento relativo). Esto es lo que se realiza en los túneles de viento y, añadiendo un poco de humo en distintos puntos, podemos apreciar lo siguiente:
El flujo de aire se divide tomando dos caminos, uno que pasa por encima del perfil alar y otro por debajo. La forma y la inclinación del perfil alar respecto a la corriente de aire (ángulo de ataque) consiguen que los dos caminos no sean simétricos, que las partículas de aire tomen trayectorias curvas, que varíen su velocidad y que aparezca una distribución de presiones peculiar. En concreto, debajo del perfil alar la presión aumenta y las partículas de aire se ven frenadas, y por encima del perfil la presión disminuye y las partículas aceleran. Esta diferencia de presiones entre los dos lados, más presión abajo y menor presión arriba, crea un desequilibrio que da lugar a una fuerza hacia arriba que llamamos sustentación.
¿Por qué aparece una “nube” encima del ala? No solo acelera y disminuye la presión del aire que circula por encima, también desciende su temperatura (descenso de presión -> descenso de temperatura). En determinadas condiciones meteorológicas, esa disminución local en la temperatura puede ser justo la necesaria para que el vapor de agua se condense. La foto no es más que una demostración de la diferencia de presiones existente, que explica por qué vuelan los aviones
(Foto: BriYYz/Flickr)
Uhm, ¿y no hay otra forma aún más sencilla de entender por qué vuelan los aviones?
(Foto: Bombardier)
Para generar sustentación se necesita desviar aire hacia abajo. Se trata de una explicación diferente, pero relacionada con la anterior.
Cuando el avión vuela, las alas empujan el aire que les rodea hacia abajo. Si las alas empujan aire hacia abajo (acción), según la tercera ley de Newton (Con toda acción ocurre una reacción igual y contraria), el aire, a su vez, debe empujar las alas hacia arriba (reacción). ¿Y cómo consigue empujar las alas hacia arriba? Entonces deberíamos volver a la explicación anteriormente comentada: mediante la diferencia de presión entre los dos lados del perfil alar. Todo está relacionado entre sí y una cosa no sería posible sin la otra.
Por lo tanto, una manera sencilla e intuitiva de entender la sustentación sería imaginarnos que las alas son “deflectores” de aire, que mantienen al avión arriba empujando aire hacia abajo. Cuanto mayor sea la velocidad, más partículas de aire son empujadas hacia abajo por unidad de tiempo, aumentando así la sustentación. También podemos apreciar la importancia del ángulo de ataque: aumentar el ángulo de ataque no es más que empujar el aire “más hacia abajo”, por lo tanto, la reacción se genera “más hacia arriba”.
El truco de las alas reside en ser muy eficientes empujando aire hacia un mismo lado, algo que no ocurre con otros objetos. Conviene destacar que se consigue desviar hacia abajo tanto las partículas de aire que pasan por debajo del perfil, como las que pasan por encima. Además, no solo las que están inmediatamente cerca de las alas, también las que se encuentran un poco más alejadas. Las alas son muy eficientes empujando aire hacia abajo.
Ambas explicaciones no pretenden ser explicaciones completas. Para ello tendríamos que dedicarle bastante más que unos pocos párrafos, y no vendría a cuento. Lo más destacable de todo, y con lo que una persona se debería de quedar, es que la sustentación no se genera apretando un botón que ponga en marcha algún tipo de mecanismo mágico: La sustentación aparece de manera natural mientras el aire fluya a través de las alas.
¿Hasta qué punto son importante los motores?
Para generar suficiente sustentación evitando que el avión caiga como una piedra, lo que se necesita es un flujo de aire que pase por las alas, es decir, tener velocidad respecto al aire. A las alas les da absolutamente igual cómo se logre la velocidad respecto al aire. Una forma de lograrlo es empujando al avión hacia adelante gracias a los motores, de la misma manera que sentimos aire pedaleando en una bicicleta. Pero no es la única manera de conseguirlo.
(Foto: Ljupco Smokovski /Shutterstock)
Otra forma de conseguir el flujo de aire es intercambiando altitud por velocidad; de la misma manera que en nuestra bicicleta anterior podemos sentir, sin pedalear, el mismo aire de antes si nos desplazamos cuesta abajo. Esto permite que el avión, tenga el peso que tenga, pueda planear. Es cierto que al mantener una “cuesta” hacia abajo, sacrificando altitud por velocidad, en algún punto llegaremos al suelo. Pero el avión no cae como una piedra, sino que desciende poco a poco, y la distancia horizontal que se puede recorrer planeando desde la altitud de crucero supera los 150 kilómetros. Los descensos que se efectúan en los vuelos comerciales, en realidad, son tremendamente parecidos a los planeos; pues al querer descender, se suele hacerlo con los motores al ralentí (encendidos pero al mínimo).
Conviene quitarse de la cabeza la idea que se suele tener pensando que es muy fácil que un avión caiga como una piedra, porque eso no es así ni en casos tan extremadamente improbables de estar sin ningún motor funcionando. Debajo del avión está lleno de aire, y es precisamente el aire, junto con la velocidad, lo que impide que el avión caiga como una piedra; y para conseguir tal velocidad, basta con bajar un poco el morro del avión (como en un descenso).
Al igual que se hace en los túneles de viento, un avión estacionado en el suelo podría llegar a elevarse si el viento de cara es suficientemente alto. De hecho, en los días de viento, hay que atar al suelo a las avionetas pequeñas para evitar que se eleven, pues estas necesitan una menor velocidad respecto al aire para volar.
Curioso vídeo de un Boeing 747 estacionado en un “desguace de aviones” en un día de mucho viento. No hay pilotos, no hay instrumentación y no tiene ni los motores, pero el avión sigue manteniendo la forma y las alas (“un avión vuela porque tiene la forma para volar”), y por lo tanto, sigue queriendo elevarse si hay un flujo de aire que pasa por sus alas.
Otra forma de energía potencial es la que está almacenada en los alimentos, bajo la forma de energía química. Cuando estos alimentos son procesados por nuestro organismo, liberan la energía que tenían almacenada.
