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Academia de Ciencias

Martes 09 de Julio del 2019
¿Porque vuela un avión?
Un matemático, un físico y un ingeniero, quieren construir un avión. El matemático lo construye pero no vuela y no sabe por que. Llega el físico construye uno que tampoco despega, pero sabe por que. Finalmente llega el ingeniero construye un aeroplano que asombrosamente despega, le preguntan al ingeniero como lo ha hecho, responde todo orgulloso: no lo se.
La aerodinámica es la parte de la física olvidada en los manuales deenseñanza, sin embargo, cuantas veces los padres o profesores escuchanla eterna pregunta de sus hijos o alumnos ¿Por qué vuela un avión?,la respuesta a esta pregunta es uno de los retos más fascinantes con los que me he encontrado a lo largo de mi labor de divulgador científico y hace mucho..participe en cursos de pilotos de un AERO CLUB. Después de dar vueltas al tema he llegado a la conclusión que la mayoría de los textos de enseñanza, divulgación e incluso tratados especializados cuando dan respuesta a la pregunta emplean explicaciones conceptualmente erróneas o al menos contradictorias, esto ha generado una serie de preconceptos muy arraigados entre pilotos, ingenieros y físicos que son la causa de fuertes polémicas verbales y escritas. En este trabajo intentaré mostrar una aproximación histórica de cómo se ha llegado a la situación actual y que vías hay que seguir para intentar explicar conceptualmente los principios físicos implicados en el vuelo de un avión.

¿Porqué vuela un avión?

Existen numerosos testimonios del interés del hombre por imitar el vuelo de los pájaros,desde tiempos remotos. Para no extendernos en demasía, obviaremos el detalle delos distintos intentos que para volar realizará a través de los siglos,solamente, y a manera de ejemplo, podemos citar a Leonardo Da Vinci,quien en el siglo XV diseñó un helicóptero, demostrando una extraordinaria comprensión de los principios del vuelo, los mismos que hoy posibilitan lautilización deesas aeronaves. Pero fue Daniel Bernoulli (1700-1782) quien,experimentando conel flujo de los líquidos a través de tubos de variadas formas estableció elsiguiente enunciado: "Si en un tubo determinado, la velocidad delfluidoque lo recorre es incrementada en algún punto, la presión se reduciráen esepunto”.

           Este enunciado explica por sí solo la teoría de la sustentación, y bien puede decirse que es la teoríafundamental del vuelo. Toda aeronave de alas fijas tiene éstas diseñadas deforma  tal que el flujo de aire se incremente en su parte superior, provocando la sustentación.

          Otra de las teorías de la sustentación se basa en la leyde acción y reacción de Newton que establece: “Para cada acción hay una reaccióndel mismo valor y de sentido opuesto”. Con referencia a la sustentación, estaley encuentra aplicación al establecer que el ala mantiene al avión haciaarriba, al empujar el aire hacia abajo. El empuje del aire hacia abajo es laacción a la que se opone una reacción, o sea, la sustentación.  

 

          Estateoría explica también la sustentación a diferentes velocidades. Observandola figura se comprueba, que el aire que pasa por la parte superior del ala,efectúa un recorrido más largo que el que lo hace por la parte inferior, y porlo tanto, aquél deberá moverse a mayor velocidad que éste, a fin de reunirseambos a la salida, obteniendo como resultado, una zona de baja presión en laparte superior del ala, de acuerdo a la teoría de Bernoulli.     

Ángulode ataque

        Otro factor importante a considerar, es el ángulo de ataque, que es la posición delala con relación al viento relativo,es decir el viento que se origina con respecto a un cuerpo, al desplazarseéste dentro de una masa de aire (Trayectoriade vuelo).

 

         Acualquier velocidad, el ángulo de ataque determina la sustentación que el alapuede generar. A pequeños ángulos, la sustentación es mínima.

         Dadoque el ángulo de ataque es una relación entre la posición del ala y el vientorelativo, no debe medírselo con respecto al suelo, sino con referencia a la trayectoriade vuelo.

         Por ello es que se habla de vientorelativo, o sea, si bien es cierto que a mayor ángulo de ataque mayor sustentación, el aumento de dicho ángulo encontrará un punto de máximasustentación, traspasado el cual ésta comienza a disminuir hasta desaparecer,si se insiste en el aumento de aquél ángulo.

        Estadisminución de la sustentación es consecuencia de la ruptura del flujo de airesobre el perfil alar, ya que ahora, en lugar de un paso continuo de aire, sepresenta una turbulencia  en formade burbujas, que lógicamente no produce las condiciones de sustentaciónrequeridas.

 

          Enla mayoría de los aviones, el punto de mayor sustentación se logra con un ángulode ataque de 20°. Por otra parte, un ángulo de ataque negativo (o sea con lanariz del avión por debajo de la línea de vuelo horizontal), reducirá tambiénla sustentación.

  Asimismo,cuando se aumenta el ángulo de ataque, las partículas de aire que actúan enla superficie inferior del ala ayudan a la sustentación, aunque el valor realde esa sustentación adicional no pasa de un 25 %.  

Fuerzas que actúan sobre un avión en vuelo

          Como los aviones se construyen para volar, a fin de cumplir ese propósito, laprimera fuerza que se debe conseguir que actúe es la sustentación. Pero hayotras tres fuerzas que actúan sobre un avión en vuelo.

          Elavance de un avión dentro de una masa de aire provoca un viento relativo que alcircular por sobre sus alas produce la sustentación. Al avanzar el avión porefecto de la tracción, automáticamente aparece otra fuerza, la carga o laresistencia al avance, que actúa en contraposición de la anterior. Por último,la fuerza de gravedad, a la que se opone la arriba nombrada sustentación.

Tracción

          Latracción, que es la fuerza que produce el avance del avión, se obtiene de laplanta de poder, pudiendo ser ésta un motor a pistón, turbohélice, turbofan,turbina pura. Aquí se considerará el motor a explosión o a pistón que mueveuna hélice, que es el elemento que finalmente producirá la tracción.Estees el tipo de avión que se usa actualmente para la instrucción de alumnospilotos civiles.

Carga o resistencia al avance

          Sellama así a la reacción al avance que producen las partículas de aire alfriccionar contra toda la estructura del avión. La resistencia al avance esmayor cuando menor sea la altitud a que se vuele, y disminuirá a medida que seascienda, debido a que la densidad atmosférica es inversamente proporcional ala altura.

Fuerzas de gravedad

          Estaes la cuarta de las fuerzas que actúan sobre un avión en vuelo, debiendo sercontrarrestada por la sustentación, siendo, por lo tanto el peso total del avión,la primera fuerza a superar para que el vuelo sea posible. El valor de la fuerzade gravedad entre dos cuerpos depende de la masa de éstos y de la distancia quelos separa. Cuánto mayor sea la distancia menor será la atracción entreellos, pues aquella fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de ladistancia que los separa. Cuando se habla de la atracción por gravedad entre uncuerpo y la tierra, se la denomina “peso” de ese cuerpo.

          Lasactuaciones del avión pueden deducirse fácilmente analizando la naturaleza delas fuerzas que actúan sobre él en la condición que se desee estudiar, vuelohorizontal, subida, viraje, etc.

 

          Enla figura se representan las fuerzas que actúan sobre un avión, en vuelohorizontal y sin aceleración.

Donde:

T= Tracción (Thrust)

D= Arrastre   (Drag)

L=  Sustentación (Lift)

W =  Peso (Weight)

Desarrollo de Fuerzas en un perfil

Fuerza Aerodinámica

          Lafuerza aerodinámica (AF) es el resultado de todas las presiones estáticasque actúan en una superficie aerodinámica, multiplicado por el área afectadapor las presiones. La línea de acción de la fuerza aerodinámica pasa a travésde la cuerda en un punto denominado centro de presión (CP). Debeobservarse que las fuerzas que actúan sobre un avión, o sobre una superficieaerodinámica, lo hacen dentro de un sistema de coordenadas rectangulares. Unode estos sistemas podría definirse por los ejes longitudinal y vertical del avión.Otro puede ser el formado por ejes paralelos y perpendicular a la superficieterrestre, y un tercer sistema de coordenadas viene definido por la direccióndel viento relativo y un eje perpendicular al mismo. Este último sistema es elque se elige para definir las fuerzas de sustentación y resistencia aerodinámica.

          Lafuerza  AF (AerodinamicForce) puede descomponerse en otras dos: una paralela al viento relativo ydenominada resistencia, y otra perpendicular a dicho viento y denominadasustentación. En la figura se muestra la descomposición de la fuerza aerodinámicaAF en sus componentes L (Lift) y D (Draft).

          Cuandovaría el ángulo de ataque o velocidad del avión, varía también la magnitudy dirección de la fuerza AF, así como la localización del centro depresión CP (Center Pressure).

Factores que afectan al vuelo

          Elprimer elemento o factor que afecta al vuelo de un avión es a velocidad. ¿Cómoafecta la velocidad a la sustentación, resistencia al avance, tracción ygravedad?. Cuanto más rápido vuele un avión, mayor será el efecto que sobreél producirá el principio de Bernoulli, o sea, que cada vez será menorla presión sobre la parte superior del ala. También se produce un mayorimpacto de moléculas de aire en la parte inferior del ala. En esta forma, lavelocidad incrementa la sustentación. Pero, consecuentemente, un aumento de lavelocidad de vuelo incrementa también la resistencia al avance.

Ángulo de ataque

          Otrofactor que afecta el vuelo es el ángulo de ataque. Con un ángulo de ataque decero grado, el impacto de las moléculas de aire en la parte inferior del ala esmínimo, pero también es mínima la sustentación que se obtiene. Se vioanteriormente que la variación del ángulo de ataque incide en la sustentación.

Altitud

           Estees un factor que por su importancia no debe ser descuidado por ningún piloto. Anivel del mar, como consecuencia de la mayor atracción que ejerce la tierrasobre la atmósfera, ésta es más densa y logra mayor sustentación. Es poreste motivo que la operación en aeropuertos situados en zonas de elevadaaltitud, exige carreras más largas de los aviones que allí aterricen odespeguen. En otras palabras, para alcanzar la mínima sustentación requerida,es necesario mayor velocidad, a fin de compensar el enrarecimiento del airedebido a la altitud.

Temperatura

          Otroefecto que tiene considerable efecto sobre el vuelo es la temperatura. En díasmuy calurosos, las moléculas de aire estarán expandidas y desplazadas haciaarriba por efecto térmico, creando una zona de menor presión en la baja atmósfera.En caso opuesto, el clima frío determinará una mayor densidad atmosférica,facilitando, en consecuencia, la sustentación.  

Peso y balanceo

          El peso, balanceo y carga es un conjunto de factores que también tiene sumaimportancia dado que cualquier cambio o variación en alguno de ellos modificarálas condiciones de vuelo del avión. El peso, esto es la carga que puede llevarun avión entre combustible lubricantes, tripulación, pasajeros, equipaje,etc., a lo que se suma el peso de la aeronave vacía, nunca debe exceder losvalores que el fabricante indique en el respectivo manual, para las distintascondiciones de vuelo.

          Encuanto al balanceo, que es la distribución de las cargas en una aeronave, tienemuchísima importancia, dado que una sobrecarga en cualquier zonairremediablemente provocará un desequilibrio cuyas consecuencias pueden serirreparables. Si bien el peso nunca aumentará una vez que halla despegado, alcontrario irá disminuyendo paulatinamente, el balanceo puede modificarsenegativamente para la seguridad del vuelo, una vez que se halla iniciado éste,siendo la causa de esta modificación, el desplazamiento de la carga de abordo,por lo que se hace imperativo comprobar su correcta aplicación antes deemprender un vuelo.

         Nose debe olvidar nunca que la capacidad que tiene una superficie sustentadora noes ilimitada. La principal superficie sustentadora, el ala, debe esa capacidadsustentadora a su forma, velocidad del avión, altitud del vuelo y ángulo deataque. Como queda dicho más arriba, todos estos factores tienen suslimitaciones:en efecto, un peso excesivo nunca podrá ser levantado del suelo.   

Ejes de un avión

          Todoslos movimientos de un avión se desarrollan sobre tres ejes, lateral,longitudinal y vertical.

Eje lateral

          Esuna línea imaginaria que une ambos extremos de las alas pasando por e centrodel avión. Sobre ella se efectúan los movimientos de nariz arriba (cabreada)y nariz abajo (picada)

Eje longitudinal

          Sellama así a la línea imaginaria que pasando por el centro del avión une suparte delantera (nariz)con su parte trasera (cola).Alrededor de esta línea se efectúa el movimiento de rolido.

Eje vertical

          La línea vertical imaginaria que cruza al avión por su centro, perpendicularmente a los otros ejes, se llama eje vertical y es alrededor de este eje que se ejecutalos movimientos de la proa o nariz hacia un lado y otro, ya sea en virajes o enguiñadas.

 



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