Fundamentos de la AviaciónLos aeroplanos se sostienen por la manera en que la presión del aire los reconfigura cuando el flujo de aire fluye sobre el ala de un aeroplano.
Con el aeroplano en vuelo, pasa un flujo de aire sobre el ala, y la forma del perfil del ala, curvada por arriba, y plana ó casi plana por debajo, reduce la presión por encima, ocasionando una presión extra desde abajo, que ejerce una fuerza de elevación. La elevación se incrementa si el frente del ala se eleva ligeramente, picando el aire en movimiento en un ángulo pequeño ("ángulo de ataque"), y para la fuerza de elevación proporcionada, este tipo de ala produce menor resistencia al aire ("resistencia al avance") que una cometa.
Marcos de ReferenciaPero, espere un momento, ¿es el aeroplano el que está moviéndose ó es el aire?¡Depende de su marco de referencia! En el marco del aire o del suelo, el aeroplano está, efectivamente, en movimiento. Pero se puede calcular todo en el marco del aeroplano, donde el aire es el que se mueve. Siempre que vuele el aeroplano en línea recta y con velocidad constante, aplicar dichas leyes.
Para probar como actúa un ala en vuelo, en lugar de hacerla moverse en el aire en calma, puede hacerse bien montándola en el laboratorio y soplando sobre ella una corriente de aire. El proceso físico es el mismo. Este es el principio del Túnel de Viento, una caja con un ventilador que sopla aire hacia adentro (o mejor dicho, lo aspira hacia afuera, lo que produce un flujo más suave), dentro de la caja se montan las secciones alares y se prueban. El túnel de viento construido por Orville y Wilbur Wright, inventores del primer aeroplano práctico, no fue el primero, ya existían otros en su época, pero fue el primero en usarse para diseñar una máquina voladora. Los Wrights usaron réplicas a menor escala de las alas y midieron su elevación y resistencia al aire por medio de delicados equilibrios (existía una teoría sobre el comportamiento de los modelos a escala). Se puede ver una reconstrucción de su túnel de viento, así como los despliegues de equilibrio con los que hicieron sus mediciones, en el Museo del Franklin Institute en Filadelfia (USA). Pulse aquí para ver un lugar que describe esa exposición, con más enlaces que pueden ayudarle a construir su propio túnel de viento. Alas en FlechaLas alas de los pequeños aeroplanos, cuya velocidad está limitada, son rectas generalmente, un diseño que ofrece la mayor eficiencia. En los aviones a reacción de pasajeros y en los rápidos aviones militares, las alas son, a menudo, del tipo swept back (desplazamiento hacia atrás); algunos jets militares pueden hacer girar sus alas rectas hacia fuera, para una mayor eficiencia cuando despegan ó aterrizan, desplazándolas hacia atrás para volar cerca de la velocidad del sonido.
Pero se puede "trampear" en cierta medida desplazando el ala hacia atrás, en un ángulo s. Ahora, aún cuando el aire avance hacia el aeroplano con una velocidad v, el vector velocidad se puede analizar mediante la suma de los dos componentes perpendiculares, una velocidad de flujo v sen s se dirige a lo largo del ala y una velocidad de flujo v cos s se dirige perpendicular a ella. Ambas son menores que v, dado que ambas (sen s) y (cos s) son siempre menores que 1. Se puede discutir que el flujo de aire a lo largo del ala no causará ninguna acumulación, ó ninguna elevación y resistencia al aire e ignararla . Solamente el flujo perpendicular v cos s tiene este efecto, y en una teoría tosca, el funcionamiento del ala depende solo de lo cerca que esté de la velocidad del sonido esté esa perpendicular. Este desplazamiento en flecha permite al aeroplano volar un poco más cerca de la velocidad del sonido, sin que ocurran fenómenos asociados; el Airbus 320, por ejemplo, tiene una flecha de unos 25º. Para ver un lugar sobre alas en flecha, pulse aquí HélicesLas hélices de un aeroplano funcionan igual que pequeñas alas girando, cuyo empuje tira del aeroplano hacia adelante (La fuerza de tracción se denomina empuje). Posiblemente el mayor beneficio obtenido por los hermanos Wright de su túnel de viento fue que les ayudó a conseguir, no a plantear sus alas (era un diseño burdo, limitado por la tecnología disponible) sino a diseñar sus hélices, que eran el doble de eficientes que cualquier otra en su tiempo.De nuevo, es más conveniente observar la hélice estática y el aire en movimiento. También es admisible ignorar el hecho de que las aspas de la hélice se mueven en un círculo, considerando solo un pequeño segmento de ese movimiento circular, donde el movimiento es casi rectilíneo.
Considere la acción de la hélice antes de comenzar a moverse (v2=0). El empuje L sobre el aspa, que proporciona el empuje del aeroplano, es perpendicular al movimiento del aspa (ó casi), y tira del aeroplano hacia adelante, tal y como se necesita.
Sin embargo, los aeroplanos rápidos necesitan hélices con aspas ajustables, capaces de aumentar el ángulo ("paso") con el cual "hincan" el aire cuando aumenta la velocidad de vuelo, a fin de que siempre estén orientadas con una velocidad combinada v debida a su propio movimiento y al del aeroplano. No se puede compensar incrementando la velocidad v1 del aspa, ya que cuando la punta de la hélice alcanza la velocidad del sonido, baja mucho su eficiencia (¡y aumenta el ruido que produce!) Las aspas ajustables ("hélices de paso variable"), más caras y complicadas que las hélices de una pieza, han sido durante mucho tiempo el equipo estándar de los aeroplanos rápidos de hélice. Pero hasta estas tienen un límite. Suponga que el aeroplano se mueve a la misma velocidad que la punta de la hélice, ó sea, v2 = v1. La punta del aspa necesita girarse 45º en la dirección del movimiento (dibujo inferior). Se hacen evidentes dos tendencias desestabilizadoras. En primer lugar, como se ve del "triángulo vector suma" y del teorema de Pitágoras, la velocidad total v sentida por el aspa es considerablemente más rápida (un 41%) que cualquiera de sus dos velocidades componentes, empujándola más cerca de la velocidad del sonido y sus problemas asociados. Y segundo, la fuerza de elevación L sobre el aspa también gira 45 º. Solo el componente L1 tira del aeroplano hacia adelante, el otro componente, L2, normalmente, se opone al giro de la hélice y exige más potencia del motor, que no sirve para un uso útil. Debido a estos problemas, los aeroplanos de hélice nunca se han acercado a la velocidad de los jets. Los cazas más rápidos de la 2ª Guerra Mundial volaban a una velocidad de unas 370-400 mph. El récord de velocidad para un aeroplano de hélice, 463 mph, se logró en Alemania, antes de la guerra, en 1939, y nunca se ha superado.
Y, por cierto...Las alas de los aeroplanos de reacción son en flecha, para reducir el componente de velocidad que fluye perpendicular al ala. ¿Podemos conseguir el mismo efecto desplazando las alas hacia adelante? Es posible y se realizó en el avión experimental NASA's X-29 (fotografía de abajo; más sobre él, aquí). No obstante, el flujo de aire sobre un ala desplazada hacia adelante tiende a girar de modo que reduce su estabilidad, y por esta razón, generalmente, se prefiere el diseño en flecha.
Aviones de Ala InclinadaUn ingeniero de la NASA, Robert T. Jones, ha experimentado con una idea relacionada, un lado del ala hacia adelante y el otro hacia atrás. Esta ala puede sujetarse al aeroplano mediante un pivote. Para el despegue y el aterrizaje, el ala está perpendicular al fuselaje, operando con su mayor eficiencia y dándole al aeroplano una apariencia convencional. Luego, a la altitud de crucero, cuando el aeroplano aumenta su velocidad, el ala gira sobre su pivote, un lado apunta hacia adelante y el otro hacia atrás. ¿Funcionará?
El trabajo con modelos de control remoto ha demostrado que esto realmente podría trabajar. Ese modelo (a la derecha) está ahora en un almacén junto con otros modelos del Museo Nacional del Aire y del Espacio de la Institución Smithsoniana. Este trabajo fue proseguido por una peque–o avión pilotado de doble motor, AD-1 (imagen abajo), dise–ado por la Fábrica de Aeronaves Rutan y volado por la NASA entre 1979-82 desde el centro de Investigaci˜n del Vuelo Dryden en Edwards, California. Para más detalles, vea la página Dryden del AD-1. Las ligas al final de esa página dan información adicional aquí, y también un peque–o video del AD-1 en vuelo. |
Cualquier objeto sumergido en un fluido (por ejemplo en aire ó agua)
experimenta una presión en toda su superficie, una fuerza
por cada unidad de área debida al peso del aire ó del agua
amontonado sobre él (aún si esa superficie es la lateral
ó la inferior). En ausencia de movimiento, p.e. cuando el aeroplano
está parado en la pista, un ala experimenta igual presión
en su parte superior y su inferior, y, por lo tanto, no tiende a moverse
ni arriba ni abajo.
A la velocidad del sonido, la resistencia del aire ("drag") se incrementa
abruptamente, porque el aire no puede salir apartado lo suficiente rápido
y por lo tanto se comprime y calienta. El calor es una forma de energía,
y para producirla hay que proporcionarle algo para aumentarla, en este
caso, es el movimiento el que produce un aumento de la resistencia. En
realidad, esos problemas comienzan antes de que se alcance la velocidad
del sonido, porque parte del flujo de encima del ala tiene una velocidad
mayor y puede esa velocidad antes que el aeroplano.
A continuación suponga que el aeroplano está volando a una
velocidad moderada v2. Ahora la
hélice no detecta la velocidad frontal v1,
pero una velocidad v choca con el aspa a un ángulo inclinado
del frente (parte superior de la figura). Esto no era un problema
serio en los antiguos aeroplanos, porque volaban más bien lento.
Como v2 es siempre mucho menor
que v1, y la hélice es de
una pieza de metal ó madera, con sus aspas giradas ligeramente para
encarar frontalmente v a la velocidad normal de crucero del aeroplano
(ó algo más, para suministrar un pequeño ángulo
de ataque), funciona también muy bien a otras velocidades. Muchos
aeroplanos pequeños usan estas hélices.
