¿Cómo vuelan los aviones?
Si alguna vez has visto despegar o aterrizar un avión a reacción, lo primero que habrás notado es el ruido de los motores. Los motores a reacción, que son largos tubos de metal que queman una ráfaga continua de combustible y aire, son mucho más ruidosos (y mucho más potentes) que los motores de hélice tradicionales. Puede pensar que los motores son la clave para hacer volar un avión, pero se equivocaría. Las cosas pueden volar muy felizmente sin motores, como los planeadores (aviones sin motores), aviones de papel y, de hecho, los pájaros deslizantes nos muestran fácilmente. Si está tratando de comprender cómo vuelan los aviones, debe ser claro acerca de 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.
¿Cómo se levantan las alas?
En una oración, las alas se elevan cambiando la dirección y la presión del aire que se estrella contra ellas cuando los motores las disparan por el cielo.
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Diferencias de presión
Bien, entonces las alas son la clave para hacer que algo vuele, pero ¿cómo funcionan? La mayoría de las alas de los aviones tienen una superficie superior curva y una superficie inferior más plana, haciendo una forma de sección transversal llamada perfil aerodinámico (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. Es así: cuando el aire se precipita sobre la superficie curva superior del ala, tiene que viajar más lejos que el aire que pasa por debajo, por lo que debe ir más rápido (para cubrir más distancia al mismo tiempo). De acuerdo con un principio de aerodinámica llamado ley de Bernoulli, el aire en movimiento rápido tiene una presión más baja que el aire en movimiento lento, por lo que la presión sobre el ala es más baja que la presión debajo, y esto crea la elevación que impulsa el avión hacia arriba.
Aunque esta explicación de cómo funcionan las alas se repite ampliamente, es incorrecta: da la respuesta correcta, ¡pero por razones completamente incorrectas! Piénselo por un momento y verá que si fuera cierto, los aviones acrobáticos no podrían volar boca abajo. Darle la vuelta a un avión produciría “downlift” y lo haría estrellarse contra el suelo. No solo eso, sino que es perfectamente posible diseñar aviones con superficies aerodinámicas que sean simétricas (mirando hacia el ala) y que sigan produciendo elevación. Por ejemplo, los aviones de papel (y los que están hechos de madera de balsa delgada) generan sustentación aunque tengan alas planas.
Pero la explicación estándar de la sustentación también es problemática por otra razón importante: el lanzamiento aéreo sobre el ala no tiene que mantenerse al ritmo del aire que pasa por debajo, y nada dice que tenga que recorrer una distancia mayor al mismo tiempo. . Imagine que dos moléculas de aire llegan al frente del ala y se separan, por lo que una se dispara por encima y la otra silba directamente por debajo. No hay razón para que esas dos moléculas tengan que llegar exactamente al mismo tiempo al final del ala: en su lugar, podrían encontrarse con otras moléculas de aire. Este defecto en la explicación estándar de una superficie de sustentación se conoce con el nombre técnico de la “teoría del tránsito igual”. Ese es solo un nombre elegante para la idea (incorrecta) de que la corriente de aire se separa en la parte delantera de la superficie de sustentación y se encuentra nuevamente en la parte posterior.
Entonces, ¿cuál es la verdadera explicación? Cuando un ala curva de la superficie aerodinámica 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 para eso está diseñado para hacer). Cuando un avión vuela hacia adelante, la parte superior curva del ala baja 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 lo empuja hacia atrás y hacia abajo. Por esta razón, el aire se estira efectivamente en un volumen mayor, el mismo número de moléculas de aire forzadas a ocupar más espacio, y esto es lo que disminuye su presión. Por exactamente la razón opuesta, la presión del aire debajo del ala aumenta: el ala que avanza aplasta las moléculas de aire frente a él 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 mayor de lo que se podría predecir de la teoría simple (tránsito igual). Entonces, si nuestras dos moléculas de aire se separan en la parte delantera, la que pasa por encima llega al extremo de la cola mucho más rápido que la que se encuentra por debajo. No importa cuándo lleguen, ambas moléculas se acelerarán hacia abajo, y esto ayuda a producir elevación de una segunda manera importante.
Downwash
Si alguna vez ha estado cerca de un helicóptero, sabrá exactamente cómo se mantiene en el cielo: crea una gran “corriente descendente” (corriente descendente) de aire que equilibra su peso. Los rotores de los helicópteros son muy similares a los perfiles de los aviones, pero giran en círculo en lugar de avanzar en línea recta, como los de un avión. Aun así, los aviones crean una corriente descendente exactamente de la misma manera que los helicópteros, es solo que no nos damos cuenta. La corriente descendente no es tan obvia, pero es tan importante como lo es con un helicóptero.
Este segundo aspecto de elevar es mucho más fácil de entender que las diferencias de presión, al menos para un físico: de acuerdo con la tercera ley de movimiento de Isaac Newton, si el aire da una fuerza hacia arriba a un avión, el avión debe dar un (igual y opuesto ) fuerza descendente hacia el aire. Entonces, un avión también genera elevación al usar sus alas para empujar el aire hacia abajo detrás de él. Eso sucede porque las alas no son perfectamente horizontales, como se puede suponer, sino que se inclinan ligeramente hacia atrás para que golpeen el aire en un ángulo de ataque. Las alas en ángulo empujan hacia abajo tanto el flujo de aire acelerado (desde arriba) como el flujo de aire en movimiento más lento (desde abajo), y esto produce elevación. Dado que la parte superior curva del perfil aerodinámico desvía (empuja) más aire que el fondo más recto (en otras palabras, altera la trayectoria del aire entrante mucho más dramáticamente), produce una elevación significativamente mayor.