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Si alguna vez te has parado cerca de un helicóptero, sabrás exactamente cómo permanece en el cielo: crea una enorme «corriente descendente» (corriente descendente) de aire que equilibra su peso. Los rotores de helicópteros son muy similares a las superficies aerodinámicas de los aviones, pero giran en círculo en lugar de moverse hacia adelante 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 caída no es tan obvia, pero es tan importante como lo es con un helicóptero.
Este segundo aspecto de la elevación es mucho más fácil de entender que las diferencias de presión, al menos para un físico. : de acuerdo con la tercera ley del movimiento de Isaac Newton, si el aire le da una fuerza hacia arriba a un avión, el avión debe dar una fuerza hacia abajo (igual y opuesta) al aire. Por lo tanto, un avión también genera sustentación usando sus alas para empujar el aire Eso sucede porque las alas no están perfectamente horizontales, como podría suponer, sino que están ligeramente inclinadas hacia atrás, por lo que golpean 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 que se mueve más lento (desde debajo de ellas), y esto produce elevación. Dado que la parte superior curva de la superficie aerodinámica desvía (empuja hacia abajo) más aire que la parte inferior más recta (en otras palabras, altera la trayectoria del aire entrante de forma mucho más espectacular), produce una sustentación significativamente mayor.
Cómo las alas aerodinámicas generan sustentación # 2: La forma curva de un ala crea un área de baja presión arriba (rojo), que genera sustentación. La baja presión hace que el aire se acelere sobre el ala, y la forma curva del ala (y la presión de aire más alta muy por encima de la corriente de aire alterada) fuerza ese aire en una poderosa corriente descendente, empujando también el avión hacia arriba. Esta animación muestra cómo los diferentes ángulos de ataque (el ángulo entre el ala y el aire entrante) cambian la región de baja presión sobre un ala y la sustentación que realiza. Cuando un ala es plana, su superficie superior curva crea una región modesta de baja presión y una modesta cantidad de sustentación (rojo). A medida que aumenta el ángulo de ataque, la sustentación también aumenta drásticamente, hasta un punto en el que aumentar la resistencia hace que el avión se detenga (ver más abajo). Si inclinamos el ala hacia abajo, producimos una menor presión debajo de ella, haciendo que el avión caiga. Basado en Aerodinámica, una película de entrenamiento del Departamento de Guerra de dominio público de 1941.
Es posible que se pregunte por qué el aire fluye detrás de un ala. ¿Por qué, por ejemplo, no golpea la parte delantera del ala, no se curva sobre la parte superior y luego continúa horizontalmente? ¿Por qué hay una corriente descendente en lugar de simplemente una «contracorriente» horizontal? Piense en nuestra discusión anterior sobre la presión: un ala reduce la presión del aire inmediatamente por encima de él. Más arriba, muy por encima del avión, el aire todavía está a su presión normal, que es más alta que el aire inmediatamente por encima del ala. Por lo tanto, el aire a presión normal muy por encima del ala empuja hacia abajo en el aire de menor presión inmediatamente por encima de ella, efectivamente «arrojando» aire hacia abajo y detrás del ala en un retrolavado. En otras palabras, la diferencia de presión que crea un ala y la corriente de aire detrás de ella no son dos cosas separadas, sino todas parte integrante del mismo efecto: un ala de perfil aerodinámico en ángulo crea una diferencia de presión que produce una corriente descendente, y esto produce sustentación.
Ahora podemos ver que las alas son dispositivos diseñados para empujar el aire hacia abajo, es fácil de entender por qué aviones con alas planas o simétricas (o ups aviones de acrobacias hacia abajo) todavía pueden volar con seguridad. Mientras las alas estén creando un flujo de aire hacia abajo, el avión experimentará una fuerza igual y opuesta, la elevación, que lo mantendrá en el aire. En otras palabras, el piloto invertido crea un ángulo de ataque particular que genera suficiente presión baja sobre el ala para mantener el avión en el aire.
¿Cuánta elevación puedes hacer?
Por lo general, el aire que fluye por la parte superior e inferior de un ala sigue muy de cerca la curva de las superficies del ala, tal como lo seguirías si estuvieras trazando su contorno con un lápiz. Pero a medida que aumenta el ángulo de ataque, el flujo de aire suave detrás del ala comienza a romperse y se vuelve más turbulento y eso reduce la sustentación. En un cierto ángulo (generalmente alrededor de 15 °, aunque varía), el aire ya no fluye suavemente alrededor del ala. Hay un gran aumento en la resistencia, una gran reducción en la sustentación, y se dice que el avión se ha detenido. Ese es un término un poco confuso porque los motores siguen funcionando y el avión sigue volando; la pérdida de sustentación significa simplemente una pérdida de sustentación.
Foto: Cómo se detiene un avión: Aquí hay un ala aerodinámica en el viento túnel frente al aire que se aproxima en un ángulo de ataque pronunciado. Puedes ver líneas de aire lleno de humo que se acercan desde la derecha y se desvían alrededor del ala a medida que se mueven hacia la izquierda.Normalmente, las líneas de flujo de aire seguirían muy de cerca la forma (perfil) del ala. Aquí, debido al ángulo de ataque pronunciado, el flujo de aire se ha separado detrás del ala y la turbulencia y la resistencia se han incrementado significativamente. Un avión que vuele así experimentaría una pérdida repentina de sustentación, lo que llamamos «pérdida». Foto cortesía del Centro de Investigación Langley de la NASA.
Los aviones pueden volar sin alas en forma de perfil aerodinámico; lo sabrá si alguna vez ha hecho un avión de papel, y los hermanos Wright lo probaron el 17 de diciembre de 1903. En su patente original de «Máquina voladora» (patente de EE.UU. nº 821393), está claro que las alas ligeramente inclinadas (a las que se refieren como «aviones») son las partes clave de su invención. Sus «aviones» eran simplemente piezas de tela estirados sobre un marco de madera; no tenían un perfil aerodinámico (aerodinámico). Los Wright se dieron cuenta de que el ángulo de ataque es crucial: «En las máquinas voladoras del tipo al que se refiere esta invención, el aparato se sostiene en el aire debido al contacto entre el aire y la superficie inferior de uno o más aviones, el contacto -superficie se presenta con un pequeño ángulo de incidencia con el aire «. . Aunque los Wright eran científicos experimentales brillantes, es importante recordar que carecían de nuestro conocimiento moderno de aerodinámica y una comprensión completa de cómo funcionan exactamente las alas.
No es sorprendente que cuanto más grandes sean las alas, más sustentación crean: duplicar el área de un ala (que es el área plana que ves mirando hacia abajo desde arriba) duplica tanto la sustentación como la resistencia que hace. Es por eso que los aviones gigantes (como el C-17 Globemaster en la foto superior) tienen alas gigantes. Pero las alas pequeñas también pueden producir una gran cantidad de sustentación si se mueven lo suficientemente rápido. Para producir sustentación adicional en el despegue, los aviones tienen flaps en sus alas que pueden extender para empujar más aire hacia abajo. La elevación y el arrastre varían con el cuadrado de su velocidad, por lo que si un avión va dos veces más rápido, en relación con el aire que se aproxima, sus alas producen cuatro veces más elevación (y arrastre). Helicópteros producen una gran cantidad de sustentación haciendo girar sus palas de rotor (esencialmente alas delgadas que giran en un círculo) muy rápidamente.
Vórtices de alas
Ahora un avión no arroja aire detrás de una manera completamente limpia. (Podrías imaginar, por ejemplo, a alguien empujando una gran caja de aire por la puerta trasera de un transportador militar para que caiga hacia abajo. ¡Pero no funciona así!) Cada ala en realidad envía aire hacia abajo haciendo un vórtice giratorio (una especie de mini tornado) inmediatamente detrás de él. Es un poco como cuando estás parado en una plataforma en una estación de ferrocarril y un tren de alta velocidad pasa corriendo sin detenerse, dejando lo que se siente como un enorme vacío de succión en su estela. Con un avión, el vórtice tiene una forma bastante compleja y la mayor parte se mueve hacia abajo, pero no todo. Hay una gran corriente de aire que se mueve hacia abajo en el centro, pero algo de aire en realidad gira hacia arriba a ambos lados de las puntas de las alas , reduciendo la sustentación.
Foto: Las leyes de Newton hacen que los aviones vuelen: un avión genera una fuerza ascendente (elevación) al empujar el aire hacia el suelo. Como muestran estas fotos, el aire se mueve hacia abajo no en una corriente limpia y ordenada, sino en un vórtice. Entre otras cosas, El vórtice afecta qué tan cerca un avión puede volar detrás de otro y es particularmente importante cerca de los aeropuertos donde hay muchos aviones en movimiento todo el tiempo, creando patrones complejos de turbulencia en el aire. Izquierda: El humo de colores muestra los vórtices de las alas producidos por un avión real. El humo en el centro se mueve hacia abajo, pero se mueve hacia arriba más allá de las puntas de las alas. Derecha: cómo aparece el vórtice desde abajo. El humo blanco muestra el mismo efecto en una escala más pequeña en una prueba de túnel de viento. Ambas fotos cortesía de NASA Langley Research Centro.
