Medio de transporte aéreo impulsado por motores, cuyo diseño hace uso de las fuerzas aerodinámicas para desplazarse y volar. En su diseño, el perfil aerodinámico del ala es fundamental para que la fuerza de sustentación se produzca y contrarreste al peso, permitiendo la elevación.
Desde sus comienzos, la humanidad ha albergado el deseo del vuelo, y creado numerosos diseños para poder volar. Se cuentan historias de personas que lo intentaron (infructuosamente) provistos de trajes con alas. Leonardo da Vinci hizo numerosos diseños de máquinas voladoras, pero no fue sino hasta finales del siglo XIX que aparecieron los primeros aviones impulsados por motores.
Las cuatro fuerzas del vuelo
Para que este vehículo sea capaz de desplazarse en el aire existen cuatro fuerzas principales, que constituyen la dinámica del vuelo. Se han representado en la siguiente imagen, aplicadas sobre el centro de masas (CM) del avión, el cual se supone volando a velocidad constante.
Las fuerzas verticales son la sustentación \(\vec{L}\), dirigida verticalmente hacia arriba, el peso \(\vec{W}\), también vertical hacia abajo, el empuje \(\vec{T}\) hacia la izquierda y el arrastre \(\vec{D}\) hacia la derecha.
El efecto combinado de estas cuatro fuerzas hace posible el viejo sueño de volar: la sustentación que proporcionan las alas contrarresta la acción de la gravedad, mientras que el empuje permite el desplazamiento horizontal del avión, oponiéndose a la resistencia del aire.
El peso
Es la fuerza siempre presente ejercida por la Tierra sobre todos los objetos cercanos a su superficie. Está dirigida verticalmente hacia el suelo, es proporcional a la masa M del objeto y depende del campo gravitatorio terrestre g como:
W = Mg
Donde W es la magnitud del peso (del inglés “weight”) y g responde a la aceleración de la gravedad, con un valor de 9.8 m/s2 aproximadamente.
La sustentación
La sustentación (“lift”) se opone al peso y es la fuerza que logra elevar al avión y mantenerlo a determinada altura. Se denota con la letra L y es una cantidad vectorial, cuyo origen está en la forma y el movimiento de las alas del avión respecto al aire. Aunque se representa como una fuerza única aplicada en el centro de masas, la sustentación es un conjunto de fuerzas distribuidas en la superficie del ala. Sumando vectorialmente estas fuerzas, la resultante apunta hacia arriba.
Para que se produzca la sustentación, el ala debe estar inmersa en el aire y en movimiento relativo respecto a este, es decir, debe existir una diferencia de velocidad entre el ala y el aire. Además, el ala puede tener un pequeño ángulo de inclinación hacia arriba, respecto a la dirección horizontal de avance, llamado “ángulo de ataque”.
El perfil del ala es determinante para el vuelo, como se verá en breve. El perfil es convexo en su parte superior y plano o ligeramente cóncavo en la superficie inferior, según el diseño.
La magnitud de la fuerza de sustentación L se puede calcular a través de la siguiente fórmula, deducida en forma empírica por científicos e ingenieros aeronáuticos, tras numerosos estudios y ensayos del vuelo:
\(L=\frac{1}{2}\rho {{C}_{L}}{{v}^{2}}S\)
En esta ecuación, ρ representa la densidad del aire, v es la velocidad del avión, S es la superficie alar y CL es un coeficiente adimensional que depende de la geometría del ala y el ángulo de ataque de la misma.
Principios físicos de la sustentación
De acuerdo a la forma del ala, las partículas de aire en la capa límite de la misma, tienen un recorrido mayor en su parte superior, que las partículas que viajan por la capa límite inferior.
Así, las partículas de aire de la parte superior convexa se mueven a una velocidad mayor, mientras que las partículas de aire cercanas a la parte inferior, de forma plana o ligeramente cóncava, lo hacen con más lentitud. El principio de Bernoulli de los fluidos en movimiento, asegura que allí donde la velocidad es mayor, la presión es menor, y por el contrario, donde la velocidad es menor, la presión es mayor.
Esto explica que en la parte superior del ala se forme una zona de baja presión, mientras que la parte inferior se halla a una presión mayor. La diferencia de presiones genera una fuerza neta ascendente o sustentación dinámica, capaz de vencer el peso del avión.
Hay una explicación alternativa para la sustentación, basada en el principio de acción y reacción (tercera ley de Newton). Este segundo punto de vista afirma que las partículas de aire que impactan la parte inferior del ala, son desviadas hacia abajo por ella.
Pero la reacción del aire produce sobre el ala una fuerza con una componente vertical hacia arriba. Además, por la parte superior se forma un vacío cerca de la superficie, que succiona el ala también hacia arriba.
De acuerdo a esta teoría, el ángulo de ataque del ala es más relevante que su forma curva, ya que está demostrado que la sustentación se produce en perfiles de ala planos, siempre que el ángulo de ataque sea lo suficientemente grande. Pero también hay sustentación, si el ala tiene perfil superior convexo y ángulo de ataque nulo.
En realidad, ambas teorías no se excluyen mutuamente, sino que se complementan. En el fenómeno de la sustentación aerodinámica están implicados tanto el principio de Bernoulli como las leyes de Newton.
A baja velocidad, el ángulo de ataque debe aumentarse, inclinando el avión hacia atrás o desplegando los “flaps” (superficies móviles sobre el ala). En este caso predomina el principio de acción y reacción de Newton como fundamento de la sustentación.
Pero a alta velocidad, con ángulo de ataque casi nulo, es el principio de Bernoulli el que mejor explica la sustentación.
El empuje
Lo proporcionan las turbinas o las hélices del avión. El empuje es la fuerza que va a favor del movimiento del avión respecto al aire, venciendo la fuerza de arrastre o resistencia por la fricción de la masa de aire que debe ser desplazada por el avión en movimiento.
El arrastre o resistencia del aire
Es ejercido por la masa de aire que rodea al avión y se opone a su movimiento, por lo tanto, los motores tienen que vencerla para que el avión se mueva hacia adelante.
Hay dos contribuciones fundamentales a esta fuerza:
• La fricción entre las moléculas del aire y el avión, conocida como resistencia parásita.
• El arrastre inducido, relacionado con la sustentación creada en las alas.
La fórmula para cuantificar el arrastre es semejante a la que se emplea para calcular la sustentación. Difiere únicamente en el coeficiente, que en este caso recibe el nombre de coeficiente de arrastre CD, el cual también es adimensional y depende de la forma del fuselaje y la geometría del ala:
\(D=\frac{1}{2}\rho {{C}_{D}}{{v}^{2}}S\)
Del cuidadoso equilibrio entre las cuatro fuerzas descritas, depende que el avión se eleve y se mantenga en vuelo.