El engaño detrás de las teorías de sustentación

Preguntarle a un piloto porqué vuela un avión puede ser una de las preguntas más fáciles de responder, la respuesta es diferencia de presiones, pero ¿sabes cómo se originan?. Te aseguro que el 90%(como mínimo) de los pilotos no sabe cuál es el verdadero origen de la sustentación, pues tenemos una explicación errada de cómo se produce.

A continuación, vamos a repasar algunas de las teorías de sustentación mas explicadas y conocidas en el ámbito aeronáutico y que también se han hecho muy popular a lo largo de los años.

TEORÍA #1 “MAYOR RECORRIDO EN LA PARTE SUPERIOR”

Imagen de Xakata.com

Los perfiles aerodinámicos de las alas están diseñados para que el aire al pasar por la parte superior (estrados) tenga un mayor recorrido. Las partículas de aire que son separadas por el perfil aerodinámico deben encontrarse de nuevo en el borde de fuga del ala, entonces, como la partícula de arriba debe recorrer más distancia en menos tiempo es traducido en mayor velocidad, aplicando la ecuación de Bernoulli “mayor velocidad del fluido produce menor presión”. Todo eso genera la diferencia de presiones en el ala, siendo por encima baja presión y por debajo alta presión, dando resultado la sustentación.

Una explicación que parece ser muy convincente, pero… ¡INCORRECTA!

Evaluación de la teoría:

1.- Esta teoría no es del todo correcta debido a que un perfil aerodinámico simétrico (ambas partes del perfil son iguales) puede generar sustentación como uno asimétrico. Esta teoría tampoco podría explicar por qué los aviones pueden volar invertidos, siendo que la parte curva del perfil (y de mayor recorrido para el aire) se encuentra hacia abajo.

2.- La explicación de que dos moléculas de aire al separarse por el perfil aerodinámico deben encontrarse al mismo tiempo en el borde de fuga del ala, explicando así la aceleración en la parte superior del ala no es correcta, esta teoría intenta explicar el cambio de velocidad en la parte superior tomando en cuenta una suposición que no tiene ninguna propiedad física que la valide. Experimentos realizados por la NASA concluyeron que haciendo cálculos basados en esta teoría la velocidad del fluido y la sustentación producida eran inferiores a los verdaderamente producidos por el ala de la aeronave. En los experimentos de túnel de viento se puede observar como el flujo superior del ala alcanza el borde de fuga mucho antes que el flujo inferior de aire, descartando totalmente esta teoría.

Imagen de Universidad de Cambridge

3.- Tomando en cuenta la ecuación de Bernoulli, el flujo superior al ser más rápido que el inferior genera un área de baja presión por encima del ala, existiendo una diferencia de presión alrededor del ala produciendo sustentación. Esta teoría es bastante atractiva pues la ecuación de Bernoulli es correcta, pero se encuentra mal aplicada, el problema es que se le atribuye propiedades físicas al aire que no son reales para así justificar el cambio de velocidad en el flujo superior.

TEORÍA #2 “TUBO VENTURI”

imagen de flowmaxx

El perfil de un ala actúa como un tubo Venturi, generando una constricción tal cual el tubo Venturi, entonces el aire al pasar por el ala aumenta la velocidad, aplicando la ecuación de Bernoulli, mayor velocidad se traduce en menor velocidad en el fluido, explicando así la diferencia de presiones en el ala que dan como resultado la sustentación.

Teoría ¡INCORRECTA!

Evaluación de la teoría:

1.- La teoría es basada en el análisis de un tubo Venturi, el ala no es un tubo Venturi y tampoco se puede asumir una parte fantasma faltante del tubo Venturi. En los experimentos realizados por la NASA se observó que la velocidad del flujo superior reducía a medida que se alejaba del perfil aerodinámico alcanzando gradualmente la velocidad del aire circundante. En un tubo Venturi la velocidad del fluido es mayor cuando más lejos se encuentra de las paredes (en la sección donde existe la constricción).

2.- El análisis basado en el tubo Venturi no pueden predecir la sustentación generada por un perfil simétrico, pues no presenta ninguna constricción al aire, como así lo hace el perfil asimétrico. Por lo tanto, usando esta teoría errada se podría decir que al inclinar un perfil con un ángulo negativo podría producir sustentación ya que está generando una constricción al aire parecido al de un tubo Venturi. Llevando este ejemplo al túnel de viento se aprecia algo totalmente opuesto pues por encima del ala se produce un área de baja presión y desaceleración del fluido, dando como resultado sustentación negativa (downforce).

3.- Esta teoría trata de explicar el origen de la presión y velocidad en el flujo superior, pero omite la función de la superficie inferior del ala, Si esta teoría fuera correcta se podría tener cualquier forma en la parte inferior del ala y la fuerza de sustentación se mantendría igual, obviamente no es así como funciona, la parte inferior contribuye con la sustentación generada por el perfil.

4.- La parte mencionada sobre la formula de Bernoulli y la diferencia de presión existente es correcta, esta teoría llega a ser muy atractiva porque partes de ella son correctas. El talón de Aquiles de esta teoría es que intenta explicar la velocidad superior del perfil basados en una suposición tomando como base un tubo Venturi. La NASA realizó un experimento para probarlo, calcularon la velocidad y la velocidad tomando en cuenta esta suposición basada en un tubo Venturi y compararon los con resultados medidos de un perfil aerodinámico, como resultado la sustentación medida a partir del perfil aerodinámico no coincide con los cálculos realizados en base de la teoría del tubo Venturi.

Si nada de lo anterior explica cómo se produce la sustentación, entonces ¿Qué produce la sustentación en las aeronaves? Y una de las preguntas más importantes es ¿Por qué se ha explicado tanto tiempo teorías que son totalmente incorrectas? No he encontrado una respuesta para la segunda pregunta, pero en mi opinión puede ser a que son teorías simples de explicar y que llegan a tener sentido para las personas, pues el explicar la sustentación involucra muchas otras cosas más de las que mencionaré a continuación.

Primero debemos entender la ecuación de Bernoulli pues se ha generado una confusión debido a la mala aplicación del mismo con las teorías mencionada anteriormente. El principio de Bernoulli también puede derivarse directamente de la Segunda Ley del Movimiento de Isaac Newton. Imaginemos el siguiente escenario, si una partícula fluye horizontalmente en una linea de corriente constante y si la presión desciende en la dirección del movimiento del la corriente, la presión que se encuentra por detrás por lo tanto es mayor, esto aumenta la fuerza neta en la partícula, de acuerdo a la Segunda Ley de Newton, esta fuerza causa una aceleración en la partícula incrementando así su velocidad a través de la linea de corriente.

Analizando lo mencionado en el párrafo anterior junto con la ecuación de Bernoulli seria de la siguiente manera:

  • p = Presión a lo largo de la línea de corriente
  • ρ = Densidad del aire
  • v= Velocidad

Entonces si aumentamos la presión en la ecuación, siendo el resultado siempre constante para esa línea de corriente, la velocidad debe disminuir. También se aplica de manera contraria, si aumenta la velocidad para una línea de corriente en específico reduce la presión. La densidad se mantendrá constante en la misma corriente de aire.

El error de las anteriores teorías al aplicar la fórmula de Bernoulli para explicar el origen del diferencial de presión en ambos flujos del ala es que la ecuación describe el comportamiento de un fluido moviéndose en una línea de corriente y en el ala existen dos, los resultados de ambas líneas de corriente tienen constantes diferentes como resultado, por lo tanto, no se las podría aplicar para comparar.

Como ya sabemos el flujo del aire alrededor del ala es curvo, pero ¿Por qué es curvo? ¿Qué hace que el fluido siga el contorno del ala? La respuesta a estas preguntas es el Efecto Coanda, este efecto explica como los fluidos tienden a seguir el contorno de objetos que tienen superficies curvas, la fuerza que permite al fluido adherirse a la superficie es fuerza centrípeta, esta fuerza solo puede ser producida por una gradiente de presión. La línea de corriente al ser curva presenta una gradiente de presión a través de la misma, el cual la presión incrementa al estar más lejos del centro de la curvatura, esto le permite al fluido seguir el contorno de la superficie curva.

P exterior > P interior

Al observar una imagen inferior de un perfil aerodinámico en un túnel de viento se aprecia como la corriente es recta (la presión del aire en este punto es la presión atmosférica) pero a medida que el flujo es más próximo al ala se observan curvaturas, aplicando lo aprendido en el párrafo anterior explica el origen de la diferencia de presiones en el perfil, baja presión en el flujo superior y mayor presión en el flujo inferior, el resultante de esta diferencia de presiones es la sustentación.

Imagen de Universidad de Cambridge

A todo esto, ahora aplicamos la fórmula de Bernoulli, el aire en el flujo superior al pasar de una zona de presión atmosférica a una de menor presión se acelera, haciendo que el fluido tenga mayor velocidad. Lo contrario sucede en el flujo inferior, el aire al pasar de un área de presión atmosférica a una zona de mayor presión se desacelera, haciendo que el fluido tenga menor velocidad.

Esta explicación del origen del diferencial de presión producida en el ala ha sido publicada por el Profesor Holger Babinsky, del departamento de ingeniería de la Universidad de Cambridge, Inglaterra.

La NASA explica que adicional al diferencial de presión producido por el perfil existe otro factor que contribuye a la sustentación. El ala continuamente empuja el flujo deflectándolo hacia abajo, el perfil alar tiene la forma perfecta para así deflectar tanto el flujo superior e inferior, en respuesta a esto el ala es empujado hacia arriba, como dice la tercera ley de Newton. Mientras mayor es el ángulo de ataque mayor es el flujo que es deflectado hacia abajo (en conjunto con el aumento del diferencial de presión mencionado anteriormente), dando como resultado mayor sustentación, el flujo descendente es mejor conocido como downwash.

imagen de engineeringsociety

En conclusión y para simplificar se podría decir que el ala genera sustentación debido a que el perfil alar genera curvaturas en las líneas de corriente generando la diferencia de presiones y el otro factor que contribuye es el downwash.

Todas las explicaciones presentadas en este artículo son referencias de la página web de la NASA y publicaciones del profesor Holger Babinsky (Universidad de Cambridge).

Articulo redactado por: Rafael Paccieri F.

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