Las cuatro fuerzas sobre un avión
Para comprender qué es la sustentación y para qué la necesitamos, empezaremos hablando de las cuatro fuerzas que actúan sobre todo avión:
- La sustentación
- El peso
- El empuje
- La resistencia aerodinámica
Estas fuerzas están siempre presentes (o deberían estarlo), y cuando se contrarrestan entre sí tenemos un avión en equilibrio:
El empuje y la resistencia aerodinámica
El empuje es la fuerza que generan los motores del avión, y que le impulsan hacia delante. Se le suele llamar así generalmente, aunque para ser más específicos, hablamos de tracción cuando se trata de motores a hélice. La razón es que un motor a reacción te “empuja” hacia adelante, mientras que los de hélices te “arrastran” en la corriente de aire.
Por otro lado, la resistencia aerodinámica es aquella fuerza en contra del sentido de la marcha que se produce por la fricción con el aire. Para explicarlo con términos menos técnicos, la resistencia es esa fuerza que empuja tu mano hacia atrás cuando la sacas por la ventanilla del coche en marcha.
Cuando el empuje es mayor que la resistencia aerodinámica, el avión acelera, y viceversa. Eso sí, en cuanto más rápido, más crece esta última. Por lo tanto, llega un punto en que el avión no puede seguir acelerando porque los motores no pueden generar más empuje que resistencia aerodinámica.
El peso y la sustentación
Todos sabemos más o menos lo que es el peso, que puede ir desde los 200 kilogramos en un avión ultraligero hasta las casi 600 toneladas que llega a pesar un Airbus A380 antes del despegue.
En cambio, la sustentación es una fuerza aerodinámica (es decir, producida únicamente por el aire exterior) que “empuja” el avión hacia arriba. Cuando la sustentación se hace lo suficientemente grande como para vencer el peso, el avión asciende. Si después la sustentación disminuye, el avión desciende. Cuando ambas fuerzas, sustentación y peso, están equilibradas, nos encontramos en un vuelo estacionario.
Los elementos que generan sustentación en un avión
En un avión, las alas son el principal elemento que genera sustentación. Como veremos un poco más adelante, no tiene por qué ser el único, pero es sin duda el que está diseñado y optimizado exclusivamente para producir dicha fuerza.
La fuerza de sustentación: cómo se genera
Hay varias explicaciones de cómo se genera sustentación, desde las muy sencillas hasta las ecuaciones matemáticas. Intentaremos buscar un compromiso para hacerlo de manera clara para todos.
El perfil alar
La clave número uno está en el diseño de las alas, en particular en la forma “de lágrima” que tienen vistas desde el lateral. Esto es lo que se conoce como perfil alar, y se puede ver claramente en la siguiente foto.
El diseño grueso y normalmente asimétrico permite “alterar” el flujo de aire alrededor del mismo, creando una diferencia de presiones que lo empuja hacia arriba. Vamos a ver con más detalle lo que significa esto.
El principio de Bernoulli
La presión es una fuerza que el aire ejerce sobre una superficie. Es como un globo, al soplar, la presión del aire dentro aumenta y ejerce una mayor fuerza sobre la parte interior. Esto hace que el globo se expanda.
Cuando tenemos un flujo de aire, la presión juega un papel fundamental. Sin entrar demasiado en fórmulas, el principio de Bernoulli nos dice que la presión del aire cambia en función de cómo de rápido se mueve. Es decir:
- En cuanto más rápido se mueve el aire, menos presión
- En cuanto más lento se mueve el aire, más presión
Igual que un globo se expande, esa diferencia de presiones en la superficie del ala crea una fuerza capaz de desplazarla.
En este vídeo se ve cómo soplando sobre una hoja de papel aceleramos el aire que hay encima. Esto hace que se reduzca la presión en este lado y papel es “empujado” hacia arriba.
La sustentación de un avión
Los perfiles alares están diseñados para que el aire que pasa por encima se acelere. ¿Cómo? – La siguiente explicación no es 100% correcta desde un punto de vista físico, pero nos vale para ilustrar este fenómeno.
Imagínate dos partículas de aire que viajan juntas y en un momento dado llegan al borde de ataque (punto A) del perfil alar. A partir de ahí, una se va por encima y otra por debajo, pero tienen que llegar al otro extremo del perfil (punto B) al mismo tiempo. Dado que la partícula de arriba tiene más distancia que recorrer que la de abajo, tendrá que moverse más rápido para alcanzar el borde a la vez.
En otras palabras, gracias a que el flujo de aire por encima se acelera, la presión en este lado disminuye. Como la presión por debajo es más grande que por arriba, se genera una diferencia que empuja al perfil hacia arriba, como en el ejemplo del globo.
Los factores que influyen en la sustentación
Hemos hablado de que el diseño del perfil permitía generar esta diferencia de presiones, pero no es el único elemento que contribuye. De hecho, existen perfiles simétricos (es decir, con los dos lados iguales) que pueden producir sustentación.
Vamos a hacer un pequeño repaso de aquellas cosas que nos ayudan a aumentarla:
El ángulo de ataque
Uno de los elementos fundamentales. El ángulo de ataque mide la inclinación del perfil alar con respecto a la dirección del flujo. Aumentar el ángulo de ataque incrementa considerablemente la diferencia de presiones entre la parte superior e inferior del perfil. Por tanto, en cuanto mayor sea el ángulo de ataque, mayor sustentación se produce. Además, esta es la razón por la que un perfil simétrico (en el que las dos partículas tienen que recorrer la misma distancia) también pueden generar sustentación.
¡Pero cuidado! El ángulo de ataque no se puede aumentar indefinidamente. Si pones un perfil alar a 90° deja de ser un perfil y se convierte en una pared. Pero no hay que llegar tan lejos: a partir de cierto ángulo (por lo general más de 20°) el perfil entra en pérdida y la sustentación desaparece abruptamente.
La velocidad y la densidad del aire
Estos dos parámetros forman parte de las ecuaciones de Bernoulli en realidad. En cuanto mayor sea la velocidad del aire, mayor sustentación se genera. Es por esto que los aviones necesitan una velocidad mínima para despegar, porque necesitan asegurar una sustentación suficiente.
Con la densidad del aire pasa algo parecido: a mayor densidad, mayor fuerza de sustentación. Cuando un avión vuela muy alto, la densidad atmosférica disminuye, y así su capacidad de generar sustentación. Esta es una de las razones por las que los aviones tienen una altitud máxima a la que pueden volar, ya que llega un momento que la escasa densidad del aire impide generar suficiente sustentación.
La superficie alar
El tamaño sí importa. Con un perfil simétrico y apenas un poco de ángulo de ataque, solo podremos generar un poquito de sustentación. Pero si utilizamos un ala lo suficientemente grande podremos levantar hasta un A380.
Un ejemplo claro es el avión espía U-2, desarrollado por los Estados Unidos durante la Guerra Fría. Querían un avión capaz de volar tan alto como ningún otro para no ser detectado. ¿Cómo lo lograron? Poniéndole unas alas exageradamente enormes.
Conclusión
Hemos visto los conceptos básicos de la sustentación de un avión, desde la forma de los perfiles alares hasta los parámetros que influyen en ella.
La aerodinámica es una ciencia compleja, pero justo eso es lo que la hace tan bonita. Si te has quedado con preguntas, o tienes sugerencias de cómo hacer este artículo más completo y fácil de entender, no dudes en dejar tu comentario.
