Como despega un avion?
Tomamos por hecho que podemos volar de un lado del mundo al otro en cuestión de horas, pero hace un siglo esta increíble habilidad para correr por el aire acababa de descubrirse. ¿Qué harían los hermanos Wright -los pioneros del vuelo impulsado- en una era en la que unos 100.000 aviones vuelan al cielo cada día solo en los Estados Unidos? Estarían sorprendidos, por supuesto, y encantados también. Gracias a sus exitosos experimentos con vuelo motorizado, el avión es reconocido como uno de los mejores inventos de todos los tiempos. ¡Veamos más de cerca cómo funciona!
Foto: Necesitas alas grandes para levantar un avión grande como este C-17 Globemaster de la Fuerza Aérea de EE. UU. Las alas tienen 51,75 m (169 pies) de ancho, eso es solo un poco menos que la longitud del cuerpo del avión de 53 m (174 pies). El peso máximo de despegue es de 265,352 kg (585,000 lb), ¡aproximadamente 40 elefantes adultos! Foto de Jeremy Lock cortesía de la Fuerza Aérea de EE. UU.
¿Cómo vuelan los aviones?
Si alguna vez vio un avión despegar o aterrizar, lo primero que notará es el ruido de los motores. Los motores a reacción, que son tubos de metal largos que consumen una gran cantidad de combustible y aire, son mucho más ruidosos (y mucho más potentes) que los motores de hélice tradicionales. Podrías pensar que los motores son la clave para hacer volar un avión, pero estarías equivocado. Las cosas pueden volar muy felizmente sin motores, como los planeadores (aviones sin motores), los aviones de papel y, de hecho, las aves que se deslizan nos muestran con facilidad.
Fuerzas que actúan en un avión volador: empuje, peso, resistencia y sustentación
Foto: Cuatro fuerzas actúan en un avión en vuelo. Cuando el avión vuela horizontalmente a una velocidad constante, levantarse de las alas equilibra exactamente el peso del avión y el empuje equilibra exactamente el arrastre. Sin embargo, durante el despegue, o cuando el avión intenta subir al cielo (como se muestra aquí), el empuje de los motores que empujan el avión hacia adelante excede el arrastre (resistencia del aire) al tirar de él hacia atrás. Esto crea una fuerza de sustentación, mayor que el peso del avión, que impulsa el avión hacia el cielo. Foto de Nathanael Callon cortesía de la Fuerza Aérea de EE. UU.
Si intenta comprender cómo vuelan los aviones, debe tener en claro la diferencia entre los motores y las alas y los diferentes trabajos que realizan. Los motores de un avión están diseñados para moverlo hacia adelante a alta velocidad. Eso hace que el aire fluya rápidamente sobre las alas, que arrojan el aire hacia el suelo, generando una fuerza hacia arriba llamada elevación que supera el peso del avión y lo mantiene en el cielo. Entonces son los motores los que mueven un avión hacia adelante, mientras que las alas lo mueven hacia arriba.
Diagrama que muestra la tercera ley de movimiento de Newton aplicada a las alas y los motores de un avión.
Foto: La tercera ley del movimiento de Newton explica cómo los motores y las alas trabajan juntos para hacer que un avión se mueva a través del cielo. La fuerza del gas de escape caliente disparando hacia atrás desde el motor a reacción empuja el avión hacia adelante. Eso crea una corriente de aire en movimiento sobre las alas. Las alas fuerzan el aire hacia abajo y eso empuja al avión hacia arriba. Foto de Samuel Rogers (con anotaciones añadidas por explainthatstuff.com) cortesía de la Fuerza Aérea de EE. UU. Lea más sobre cómo funcionan los motores en nuestro artículo detallado sobre motores a reacción.
¿Cómo hacen las alas para levantar?
En una oración, las alas hacen la elevación al cambiar la dirección y la presión del aire que choca contra ellas cuando los motores las disparan a través del cielo.
Diferencias de presión
De acuerdo, entonces las alas son la clave para hacer volar algo, pero ¿cómo funcionan? La mayoría de las alas de los aviones tienen una superficie superior curva y una superficie inferior más plana, formando una sección transversal llamada superficie aerodinámica (o perfil aerodinámico, si eres británico):
En muchos libros de ciencias y páginas web, leerá una explicación incorrecta de cómo un perfil aerodinámico como este genera elevación. Dice así: cuando el aire se precipita sobre la superficie superior curva del ala, tiene que viajar más allá del aire que pasa por debajo, por lo que tiene que ir más rápido (para cubrir más distancia en el mismo tiempo). De acuerdo con un principio de aerodinámica llamado ley de Bernoulli, el aire de movimiento rápido está a menor presión que el aire de movimiento lento, por lo que la presión sobre el ala es menor que la presión de abajo, y esto crea la sustentación que impulsa al avión hacia arriba.
Aunque esta explicación de cómo funcionan las alas se repite ampliamente, está mal: da la respuesta correcta, ¡pero por razones totalmente equivocadas! Piénselo un momento y verá que si fuera cierto, los aviones acrobáticos no podrían volar boca abajo. Voltear un avión producirá un “descenso” y lo arrojará al suelo. No solo eso, sino que es perfectamente posible diseñar planos con perfiles aerodinámicos que sean simétricos (mirando hacia abajo del ala) y que aún generen sustentación. Por ejemplo, los aviones de papel (y los hechos de madera de balsa delgada) generan sustentación a pesar de que tienen alas planas.
“La explicación popular de la elevación es común, rápida, suena lógica y da la respuesta correcta, pero también introduce conceptos erróneos, utiliza un argumento físico sin sentido e invoca de manera engañosa la ecuación de Bernoulli”.
Profesor Holger Babinsky, Universidad de Cambridge
Pero la explicación estándar del levantamiento también es problemática por otra razón importante: el aire que dispara sobre el ala no tiene que estar al mismo ritmo que el aire que pasa debajo, y nada dice que tiene que viajar una distancia mayor al mismo tiempo. . Imagine dos moléculas de aire que llegan al frente del ala y se separan, por lo que uno se dispara por encima y el otro silba directamente por debajo. No hay ninguna razón para que esas dos moléculas tengan que llegar exactamente al mismo tiempo en la parte posterior del ala: podrían encontrarse con otras moléculas de aire en su lugar. Este defecto en la explicación estándar de un perfil aerodinámico se conoce con el nombre técnico de la “teoría del tránsito igualitario”. Ese es simplemente un nombre elegante para la idea (incorrecta) de que la corriente de aire se separa en la parte delantera del perfil aerodinámico y se encuentra prolijamente otra vez en la parte posterior.
Un perfil aerodinámico genera sustentación a través de una combinación de diferencias de presión y contracorriente: el aire se mueve hacia abajo, por lo que el avión se mueve hacia arriba.
Entonces, ¿cuál es la verdadera explicación? A medida que un ala de perfil aerodinámico vuela por el cielo, desvía el aire y altera la presión del aire por encima y por debajo. Eso es intuitivamente obvio. Piense cómo se siente cuando camina lentamente a través de una piscina y siente la fuerza del agua empujando contra su cuerpo: su cuerpo está desviando el flujo de agua a medida que lo empuja, y un ala aerodinámica hace lo mismo (mucho más dramáticamente Porque es lo que está diseñado para hacer). Cuando un avión vuela hacia adelante, la parte superior curva del ala reduce la presión del aire directamente sobre él, por lo que se mueve hacia arriba.
¿Por qué pasó esto? A medida que el aire fluye sobre la superficie superior curva, su inclinación natural es moverse en línea recta, pero la curva del ala la hace girar y retroceder. Por esta razón, el aire se estira efectivamente en un volumen mayor -el mismo número de moléculas de aire forzado a ocupar más espacio- y esto es lo que reduce su presión. Por exactamente la razón opuesta, la presión del aire debajo del ala aumenta: el ala que avanza aplasta las moléculas de aire que están delante de ella en un espacio más pequeño. La diferencia en la presión del aire entre las superficies superior e inferior causa una gran diferencia en la velocidad del aire (no al revés, como en la teoría tradicional de un ala). La diferencia de velocidad (observada en los experimentos reales del túnel de viento) es mucho más grande de lo que predecirías a partir de la teoría simple (tránsito equitativo). Entonces, si nuestras dos moléculas de aire se separan en la parte delantera, la que pasa por arriba llega al extremo del ala mucho más rápido que la que está debajo del ala. No importa cuándo lleguen, ambas moléculas acelerarán hacia abajo, y esto ayuda a producir la elevación de una segunda manera importante.
Cómo generan las alas de las alas aerodinámicas elevación # 1: una superficie aerodinámica separa el aire entrante, reduce la presión de la corriente de aire superior y acelera ambas corrientes de aire hacia abajo. A medida que el aire acelera hacia abajo, el ala (y el avión) se mueven hacia arriba. Cuanto más una superficie aerodinámica desvía el camino del aire que se aproxima, más levantamiento genera.
Downwash
Si alguna vez se ha parado cerca de un helicóptero, sabrá exactamente cómo se queda en el cielo: crea un gran “downwash” (corriente descendente) de aire que equilibra su peso. Los rotores de los helicópteros son muy similares a los perfiles aerodinámicos de los aviones, pero giran en círculos en lugar de avanzar en línea recta, como los de un avión. Aun así, los aviones crean un downwash exactamente de la misma manera que los helicópteros, es solo que no nos damos cuenta. El downwash no es tan obvio, pero es tan importante como lo es con un chopper.