¿De qué modo las alas sustentan los aviones en el aire?
Resulta sorprendente que un objeto tan voluminoso y pesado como un gran avión de pasajeros pueda mantenerse en el aire. En principio, las responsables de semejante hazaña son las alas.
Al avanzar a gran velocidad a través del aire, las alas producen modificaciones de la velocidad y la presión del aire. Estos procesos son complejos, de manera que su correcta descripción sólo puede darse de modo riguroso a través de ecuaciones matemáticas que determinan el comportamiento de los fluidos en movimiento, y cuya solución e interpretación no son sencillas.
Por ese motivo, para comprender mejor de que modo se comporta un ala cuando avanza por el aire se construyen miniaturas o modelos a escala de las alas y se las somete a un chorro de aire uniforme. Dicha corriente de aire, transporta finos hilos de humo, que permiten ver cómo se deforma la corriente de aire al llegar al ala. De modo complementario, en torno al ala se colocan sensores que permiten medir que variaciones de velocidad y presión que se producen alrededor del ala. Estos ensayos se realizan en túneles aerodinámicos.
Esquema de funcionamiento de un túnel aerodinámico
Para estudiar el comportamiento aerodinámico de un avión se utilizan los túneles de viento. Son estructuras cerradas en forma de anillo, en cuyo interior se pueden ensayar modelos a escala, simulando condiciones análogas a las que existirán cuando el avión real esté volando. Para ello, se genera una corriente de aire mediante unos ventiladores gigantes, y se hace fluir sobre el fuselaje y las alas. Mediante técnicas adicionales, como el uso de pintura fosforescente, humo o pequeñas hebras de hilo, se puede visualizar la distribución del viento alrededor del modelo y, de paso, estudiar cómo se comporta un determinado diseño ante la acción del viento.
Modelo a escala de un avión en un túnel aerodinámico
Gráfico de velocidadGráfico de presión
A: Sobre el ala el aire es acelerado creando una caída de presión.
B: Bajo el ala el aire es frenado creando un aumento de la presión.C: Sustentación.
D: Resistencia.
Cuando un ala se mueve en el aire aparece una fuerza denominada empuje que "tira" hacia arriba del ala. Esta fuerza ascendente es el resultado de las diferencias de presión producidas por las variaciones que la velocidad del aire sufre en diferentes puntos del contorno del ala. Estas modificaciones de velocidad son el resultado de la forma del ala y de la inclinación con la que el se enfrenta a la corriente de aire.
El gráfico de velocidad muestra cómo se mueve el aire en diferentes zonas próximas al ala. Cuando el ala avanza, el aire que se desplaza por la parte superior es obligado a moverse mucho más rápido que el aire que viaja por la parte inferior, el cual es frenado. Al moverse, el ala no sólo produce una modificación de la velocidad del aire, sino que también altera la dirección de avance del aire, produciendo una corriente de aire hacia abajo.
Tal y como muestra el gráfico de presión, las modificaciones de la velocidad del aire van acompañadas de cambios en la presión, de manera que en la zona superior -donde el aire es acelerado- se produce una reducción de presión. Por el contrario, en la zona inferior delantera del ala -donde el aire es frenado- se genera un aumento de presión.
Por tanto, el avance del ala hace que la presión en la base del ala supere a la presión en la parte superior, lo cual da lugar a una fuerza dirigida hacia arriba, denominada "sustentación" y otra fuerza dirigida hacia atrás, denominada "resistencia de arrastre". Si la diferencia de presión entre ambas caras del ala es suficientemente intensa, entonces la fuerza de sustentación puede equilibrar a la fuerza de gravedad, gracias a lo cual el ala queda suspendida en el aire.
Pero otros de los principios que explica el vuelo de los aviones es el de acción y reacción de Newton. Éste nos dice que si el aire actúa ejerciendo una fuerza ascendente sobre el ala, entonces el ala debe reaccionar ejerciendo una fuerza contraria sobre el aire. Esta fuerza contraria da lugar, como se ha visto, a que el paso del ala a través del aire produzca una corriente de aire descendente, la cual compensa el impulso ascendente proporcionado al ala.
Concluyendo, un avión consigue volar generando una fuerza que supera a su peso, y que le mantiene suspendido en el aire. Los dos principios que explican este hecho son el de sustentación y el de acción y reacción.
Experiencias:
Hoja al viento.