¿Por qué vuelan los aviones?

La pregunta del millón, ¿por qué vuelan los aviones? Una pregunta fácil, pero con una respuesta más compleja e interesante de lo que te imaginas.

Post escritor por: Juan Matheus

La aviación comercial ha estado presente en la vida del ser humano por algo más de un siglo. Por esta razón muchas personas hoy en día lo ven como algo normal y ya no hay la capacidad de asombro de cómo logramos conquistar los cielos. Es por esto que vale la pena comenzar una serie de posts que ayuden a los #AvGeeks y a la gente en general, a entender cómo es que un avión hoy en día logra llevarnos de A a B en tan poco tiempo y todo lo que esto conlleva.

Esta nueva serie de entregas que tienen como objetivo informar, educar y enseñar sobre aspectos técnicos a gente que no tiene una formación técnica, pero sí el deseo de aprender y su pasión por la aviación trataremos temas interesantes gracias a Juan, nuevo colaborador del blog.

¿Por qué vuelan los aviones?

Sin más preámbulo, lo primero que debemos resolver es los principios físicos básicos que gobiernan el vuelo de una aeronave. Lo primero que debemos reconocer es la presencia de ciertas fuerzas físicas que afectan a un objeto, en este caso un avión en vuelo. Debemos reconocer en un avión 4 fuerzas físicas muy importantes y que están relacionadas entre sí por las leyes de Newton que todos habrán oído alguna vez. Dos de ellas se ejercen en sentido vertical (eje Y) y dos de ellas en sentido horizontal (eje X). Esta es quizá una simplificación (vivimos en un mundo 3D) sin embargo es suficiente para nuestro propósito.

Para que un avión pueda volar, debe ser capaz de vencer dos fuerzas clave: La resistencia aerodinámica que es una fuerza que actúa horizontalmente (pensemos en “arrastre”) y la gravedad que lógicamente atrae a un objeto al suelo, es decir actúa de forma vertical (ya veremos por qué el peso de una aeronave es un factor clave y limitante en la aviación). Cada una de ellas, tiene su contraparte: El empuje y la sustentación. Cuando el empuje y la sustentación son mayores que el peso de la aeronave y el efecto de arrastre (que puede ser la fricción de la pista con las ruedas en tierra o la resistencia del aire) podemos tener un avión que vuela. Más adelante veremos otros componentes del diseño de los aviones modernos que contribuyen a vencer estas fuerzas.

Cuando un avión está volando a velocidad crucero y a una altitud fija, el empuje y el arrastre son de igual magnitud y diferente sentido y lo mismo pasa con el peso y la sustentación. Cualquier desequilibrio en cualquiera de estas fuerzas se traduce en una aceleración o desaceleración (horizontal o vertical). Esto es tan solo una prueba de las leyes del movimiento de Newton en acción.

Una vez más, simplificando las cosas, podemos observar que la sustentación de un avión (la fuerza que empuja a la aeronave hacia arriba) se debe a las alas (y en particular a su forma) y el empuje viene dado por los motores. Esto puede parecer quizá obvio pero no fue fácil entender la aerodinámica, una rama de la física que hasta hace poco parecía “magia negra” pues la matemática detrás de ella es muy compleja y hasta el día de hoy no hemos logrado encontrar la solución a muchas ecuaciones que la gobiernan y tan solo hemos podido simular sus efectos a través de una computadora. Sin entender las fuerzas aerodinámicas no podríamos haber desarrollado la aviación moderna y se lo debemos en parte al científico suizo Daniel Bernoulli. Dicho de otra forma, no todo objeto que tenga suficiente empuje (dos turbinas de jet por ejemplo) podrá volar.

El Airfoil

Anteriormente hablamos de las fuerzas aerodinámicas y como contribuyen a que un avión pueda volar.

Ahora vamos a enfocarnos en cómo se genera sustentación, que es la fuerza aerodinámica responsable de que una aeronave pueda elevarse, y lo más importante, mantenerse en el aire.

El aire es un fluido. No solo los líquidos lo son. En el caso del aire existen diferentes presiones en nuestra atmósfera y que ejercen una fuerza sobre el mismo (más adelante veremos otros factores atmosféricos como la temperatura y que también juegan un papel importante). Y si hablamos de movimiento, no podemos evitar pensar en la velocidad como una forma de saber que tan rápido se mueve algún objeto.

Ahora que sabemos cuáles son algunos de los factores que influyen en el movimiento de un fluido, podemos concluir que la presión y la velocidad del aire son las variables que quisiéramos controlar para que un avión pueda surcar los cielos sin contratiempos. El principio de Bernoulli justamente describe cual es la relación entre esas dos variables. En pocas palabras, el principio de Bernoulli dice que la velocidad y la presión de un fluido son inversamente proporcionales. Es decir, que si la velocidad de un fluido se incrementa, la presión disminuye y viceversa. Si les interesa pueden buscar videos sobre experimentos en un tubo de Venturi para que puedan observarlo mejor.

Pero, ¿qué tiene que ver todo esto con un avión? Pues, todo. Arriba mencionamos que la forma del ala de un avión es lo que genera la sustentación para que este se mantenga en el aire. Pues es justamente esa forma, conocida como airfoil o perfil aerodinámico, lo que hace que controlemos el principio de Bernoulli a nuestro favor. Para que un avión se mueva, debemos desplazar el aire a su alrededor. Y ya sabemos que un fluido se mueve si existe un diferencial de presión. El objetivo del ala de una aeronave es, entonces,  generar un diferencial de presión para que el aire pueda fluir.

Si observamos la imagen del airfoil podemos, por simple inspección visual ver que el “recorrido” de una partícula de aire sobre el borde superior será distinto al recorrido si lo hace por debajo del ala. Lejos del ala, la presión del aire es atmosférica. A medida que el aire se acerca, lo que llamamos viento relativo vamos a ver que se crea una distribución en gradiente de la presión alrededor del airfoil.

Existen muchas teorías y formas de explicar cómo es que en la parte superior del ala tenemos alta velocidad y baja presión y lo opuesto en su lado inferior sin embargo es algo demasiado complejo para desarrollarlo aquí.

En conclusión, el perfil alar nos brinda el diferencial de presión que buscábamos y que genera la sustentación. Por qué el resultado es una fuerza que va para arriba y no al revés? El diferencial de presión es mayor abajo que arriba. Mayor velocidad, menor presión. Literalmente, la parte inferior “presiona” el aire hacia arriba.

Este tema es bastante complejo y requiere leerlo y releerlo para poder entender mejor la lógica detrás de la física.