¿Cómo la hélice produce empuje? ¿Por qué es retorcida?

Todos tenemos claro que la hélice se encarga de producir el empuje necesario a la aeronave, pero ¿alguna vez te has preguntado cómo es que se produce? Es mucho más que solo un ventilador gigante y lo más curioso… ¿Por qué tiene forma retorcida?

Para empezar con este artículo primero describamos brevemente las características y funciones de la hélice de una aeronave. La hélice está compuesta de al menos dos palas o aspas, pudiendo llegar a un máximo de entre seis y siete, cada una de ella es un dispositivo aerodinámico que se encarga de convertir la velocidad rotacional en energía propulsiva, mejor conocido como empuje, este es aproximadamente perpendicular (90°) al plano de rotación de la hélice.

La energía rotacional es proporcionada por un motor a pistón (este es el caso más común de las aeronaves de aviación general) e incluso por motores a reacción. La hélice puede o no estar conectada directamente al eje de movimiento del motor, en el caso de un motor a pistón la hélice está conectada al cigüeñal del motor, pero cuando se trata de motores a reacción debido a que la hélice funciona a menor velocidad rotacional esta es conectada a una caja de engranes de reducción (RGB, por sus siglas en inglés, Reduction Gear Box) ¿Por qué está limitada la velocidad rotacional de la hélice? Responderemos esta pregunta más adelante en el artículo.

Muy bien, ya sabemos perfectamente que es una hélice, pero ¿Cómo se produce el empuje? Si nos fijamos detenidamente en la forma de una hélice nos daremos cuenta que esta es prácticamente un perfil alar y produce empuje de la misma forma que el ala produce sustentación, por un diferencial de presión que se produce gracias a la forma que esta tiene. La NASA resume la explicación de la siguiente forma: “Una hélice al girar, gracias a la forma que tiene, establece una zona de presión más baja que la atmosférica en el extrados de la hélice y una zona de presión más alta que la atmosférica por detrás de la hélice (intrados del perfil).”

La explicación mencionada en el párrafo anterior es una breve y simple explicación de cómo se produce la sustentación, si quieres conocer a profundidad todo lo relacionado a este punto te invitamos a leer nuestra entrada sobre: ¿Cómo realmente se produce la sustentación? Y los engaños de las teorías de sustentación.

Nuestro siguiente punto a analizar en una hélice es su retorcimiento, ¿Por qué lo tiene? Cuando una hélice está en movimiento la sección más próxima a la raíz de la hélice se mueve a mucha menor velocidad que la sección de la punta de la hélice simplemente porque recorre mas distancia en la misma cantidad de tiempo que la sección próxima a la raíz, esto representa un problema debido al ángulo de ataque, o AOA por sus siglas en inglés, Angle of Attack.

El ángulo de ataque de la hélice es ángulo formado entre la cuerda aerodinámica del perfil y el viento relativo, el cual es la resultante de dos componentes: velocidad tangencial (velocidad rotacional) y velocidad axial (velocidad de avance de la aeronave). La razón de que la hélice tenga una forma retorcida es para tener un ángulo de ataque constante a lo largo de la hélice y así el empuje producido se constante. Un mayor ángulo o paso de la hélice se encuentra más próximo a la raíz debido a la baja velocidad rotacional en esa sección y menor ángulo de inclinación o menor paso es el aplicado en la sección más lejana a la raíz por su alta velocidad rotacional.

Lo más probable es que mientras leías el párrafo anterior estés pensando “¿Por qué los helicópteros no tienen las hélices retorcidas como las de una aeronave?” de hecho la hélice de los helicópteros cambia su inclinación a lo largo de la misma al igual que en una hélice de avión, la diferencia está en la velocidad rotacional a la cual cada hélice opera. En el caso de un helicóptero su hélice opera entre velocidades de entre 400 y 500 revoluciones por minuto (RPM) y la hélice de un avión tiene una velocidad rotacional próxima a 2000 RPM. La relativa baja velocidad rotacional de la hélice del helicóptero hace que no necesite de un diseño retorcido tan notorio.  

En los primeros párrafos hicimos la pregunta de por qué está limitada la velocidad rotacional de la hélice, es momento de responderla. Cuando una hélice alcanza velocidades rotacionales muy altas puede darse el caso de que hélice entre en perdida, pues la componente de velocidad tangencial (velocidad rotacional) forma un ángulo de ataque muy amplio. Una alta velocidad de rotación también puede llevar a la formación de ondas de choque en las puntas de la hélice gracias a que la velocidad con la que la sección más lejana de la raíz puede estar atravesando el aire a una velocidad superior a la velocidad del sonido, sin embargo, esta limitación depende mucho del largo y forma que tenga la hélice.

Pero si tenemos limitación en el largo de la hélice y la velocidad rotacional entonces ¿Cómo se puede aumentar la producción? El empuje varía mucho dependiendo del perfil aerodinámico que tenga la hélice, el diseño del mismo permite ser más eficiente que otras, pero adicional a este punto también se puede aumentar más palas o aspas al juego de la hélice, de esa forma se multiplica el empuje producido.

Artículo redactado por: Rafael Paccieri F.

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