Volant sense Bernoulli

2012/10/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Teknologia
• Aeronautika
• Fisika
• Garraioak

Un boeing 747, l'avió habitual de vols transatlàntics, pes aproximadament 180 tones quan està buit. La càrrega en vols comercials pot duplicar el pes. L'airbus 380 és encara major. Amb tota la càrrega pot aconseguir les 573 tones. Per a volar es necessita una força que compensi tot aquest pes. No obstant això, per als enginyers aeronàutics trobar aquesta força no és un repte perquè el principi físic que sustenta a aquests avions en l'aire és el mateix que el que sosté un avió en paper.

Així ho diu Antonio Cantó, divulgador i expert en avions del blog La Pissarra de Yuri: "Qualsevol hipòtesi de contenció aerodinàmica que no expliqui el vol de l'avió en paper és probablement incorrecta i --això segur - incompleta". L'avió de paper, el Boeing 747, un helicòpter, un ocell i una abella, cadascun amb un disseny molt diferent, i cadascun amb les seves condicions, vola empenyent l'aire cap avall. Aquest és el principi bàsic. L'explicació a partir d'aquí és complexa i varia molt d'una volada a un altre.

En el cas dels avions, no obstant això, aquesta explicació bàsica ha estat substituïda per una altra que manté en l'aire el principi de Bernoulli. Aquesta explicació no explica en si mateix el vol, però és un cas especial perquè es basa en un fenomen real i que s'ha utilitzat molt en la divulgació. En paraules del divulgador Cecil Adams, autor de la columna Straigh Dopi en el diari Chicago Reader, aquesta idea "s'ha publicat també en uns respectables llibres de text científics". No obstant això, en els textos tècnics no apareix aquesta figura.

Èxit de Bernoulli

En la divulgació és habitual simplificar les idees, i un exemple d'això és l'explicació del principi de Bernoulli. El principi és part del vol, però no és la clau del vol.

Daniel Bernoulli XVIII. Va ser un matemàtic i enginyer neerlandès del segle XIX, famós en la història de la ciència per les seves recerques en la dinàmica dels fluids. El seu principi més conegut és que com més ràpid es mou un fluid, menys pressió exerceix sobre una superfície sòlida.

Les ales dels avions comercials actuals estan basades en un pla aerodinàmic supercrític. Va ser dissenyat per l'enginyer de la NASA Richard Whitcomb en la dècada de 1960 i és gairebé pla des de dalt, amb una curvatura molt reduïda. Ed. Fundació Elhuyar

De fet, no hi ha relació entre el vol i la vida de Bernoulli. En aquell segle, l'única manera de volar era el globus, en el qual els germans Montgolfier van volar cinc mesos després de la mort de Bernoulli. I el concepte d'avió tampoc existia. Però l'aire és un fluid i les ales de l'avió són dues grans superfícies sòlides.

És una forma particular de les ales. En la majoria dels avions, les ales estan corbades per la part superior i són planes per la part inferior, i l'aire que circula per la part superior del sud és més llarg i es mou més ràpid que el que va per la part inferior. A més, l'aire superior arriba abans al final de l'ala que l'aire inferior. Aquí està Bernoulli, el principi del qual explica que aquest flux exerceix major pressió sobre el sud que sobre el superior. I com a conseqüència, l'avió s'eleva en l'aire.

En general el vol és així. L'argument és correcte; en aquest disseny típic de les ales, pel principi de Bernoulli, l'avió rep una força ascendent. Però aquest argument no és suficient per a arribar a la conclusió final, per la qual cosa la conclusió és errònia: aquesta força no és tan gran com per a mantenir l'avió en l'aire.

Mancada alguna cosa

Els càlculs són clars. L'efecte de Bernoulli augmenta amb la velocitat de l'avió, però per a mantenir en l'aire el pes d'un petit avió estàndard, com és el cas de Cessna 152, la velocitat hauria de ser superior a 480 km/h i aquests petits avions difícilment arriben a 100 km/h. I el mateix ocorre amb qualsevol altre avió; la força ascendent provocada pel principi de Bernoulli no arriba a l'1% del que necessita l'avió.

Fins i tot al marge dels números s'aprecia que l'efecte de Bernoulli no és la causa del vol. D'una banda, destaca el cas dels avions que realitzen acrobàcies. Aquests avions volen pujant i en aquests moments, a més de l'avió, l'efecte de Bernoulli està dirigit cap al costat contrari. En el cas de les ales presentades a dalt, l'efecte empeny l'avió cap a la terra.

Flux d'aire (d'esquerra a dreta) i angle d'incidència. En la imatge de l'esquerra, la secció de l'ala està horitzontal i l'aire surt per darrere com ve. En conseqüència, no hi ha forces ascendents en el sud. En la imatge de la dreta, la secció de l'ala té un petit angle d'incidència que empeny cap avall l'aire que sali per darrere. En conseqüència, les ales reben una força ascendent. Ed.: Guillermo Roa/Elhuyar Fundazioa.

D'altra banda, no totes les ales posseeixen el disseny abans esmentat. Un exemple són les ales dels avions comercials actuals. El seu disseny està basat en un pla aerodinàmic supercrític. Dissenyat per l'enginyer de la NASA Richard Whitcomb en la dècada de 1960, és gairebé pla des de dalt, amb una curvatura molt baixa i un efecte molt baix del principi de Bernoulli.

Un altre exemple il·lustratiu són els primers avions de la història: La màquina no tripulada de Samuel Langley de 1896, el famós Full de mà dels germans Wright, i els avions que es van fer en els anys següents, tenien les ales per tots dos costats, per dalt i per baix. En ells, l'aire segueix el mateix recorregut per les dues cares i l'efecte de Bernoulli no influeix. El mateix per a avions de paper i ala de delta. La força que suporta en l'aire la genera una altra cosa.

Com atacar l'aire

La clau està en la tercera llei de Newton, en el principi d'acció i reacció: empenyent l'aire cap avall, l'aire empeny l'avió cap amunt. Però com succeeix això? La resposta està en un altre factor: l'angle d'incidència. En volar, la secció de l'ala no està horitzontal, té un angle d'atac pel qual l'aire que sali per darrere de l'ala va cap avall.

És una força que es pot sentir fàcilment. Produït per Discovery Channel en el documental Understanding Flight, el propi actor John Travolta, que és pilot, explicava com: "Si condueixes el cotxe a una distància mínima de 50 km/h és segur, obre la finestra i estira el braç en l'exterior". Si girem el braç i col·loquem la mà en un angle ascendent, la mà notarà la força cap amunt. "Si rodones la mà amb els dits, l'efecte augmenta", explica el dissenyador d'avions Burt Rutan en el mateix documental. Les plomes d'ocells també presenten aquest disseny corb.

Com més aire s'empeny cap avall, més força ascendeix rep l'avió. I com més ràpid vagi, més aire empeny l'avió cap avall. Si l'avió es mou lentament, per a mantenir la mateixa força de contenció, l'angle d'atac ha de ser major, però fins a un límit. Quan l'angle és de 18-20 graus, l'aire que envolta l'ala deixa de moure's per les capes i comença a crear turbulències. La força de contenció desapareix i l'avió cau. Per això, el vol està basat en petits angles d'atac, normalment de fins a 10 graus. Aquest angle també explica el vol de l'avió de paper, que planeja l'avió mentre dura al voltant d'aquest angle.

Una còpia de l'avió Full de mà dels germans Wright. Les ales dels avions d'aquella època eren corbades per totes dues cares, per dalt i per baix. Per tant, l'efecte de Bernoulli era menyspreable en aquestes ales i, no obstant això, volaven. Ed.: 350z33/CC-BY-SA.

Juntament amb l'angle d'atac, molts altres factors intervenen en la capacitat d'empènyer l'aire de l'avió cap avall: longitud i superfície de les ales, densitat d'aire en funció de l'altura de l'avió, vent, etc. Però l'angle d'atac és clau, i això és de summa importància per als pilots, en gran manera pilotar un avió és l'art d'ajustar l'angle d'atac.

El principi de Bernoulli torna a aparèixer en el joc d'angles. Els canvis en l'angle acceleren i frenen els dos fluxos d'aire, és a dir, per damunt i per sota del sud. La pressió de tots dos fluxos és diferent, per la qual cosa l'embranzida cap amunt que es genera també ajuda. Bernoulli no està completament descartat de l'explicació del vol.

No està totalment descartat, però no és la principal causa de volar. La forma de l'ala no és un factor clau que converteix a un avió en un volador. No obstant això, té importància. Si no, per què fan la majoria de les ales de la mateixa forma? Hi ha diverses raons. D'una banda, l'aspecte típic de les ales és molt aerodinàmic. El disseny de l'avió no depèn únicament de la força que sosté en l'aire, sinó que hi ha altres tres forces importants: el pes, la propulsió cap endavant i la resistència de l'aire. Aquesta última força va en direcció contrària al moviment, i per a combatre-la és una bona opció utilitzar el perfil de l'ala normal.

D'altra banda, el límit de l'angle d'incidència varia en funció del perfil de l'ala. Les ales corbades per damunt funcionen en angles majors que les planes. Per tant, la forma de l'ala, encara que no sigui la primera raó de volar, té gran importància perquè influeix molt en el flux d'aire que li envolta.

El comportament de l'aire sobre l'avió pot veure's modificat pel sòl quan el vol és molt baix. En aquest cas, la diferència de pressió és molt gran entre els fluxos d'aire per damunt i per sota de l'avió. Quan el sòl està molt a prop, l'aire sota l'avió està comprimit formant una bossa d'alta pressió. La diferència que es genera és molt gran i la força ascendent que rep l'avió és gran. Es diu efecte sòl. Tampoc és l'aportació de Bernoulli, però sí la diferència de pressió. I una vegada més és el resultat d'empènyer l'aire cap avall. En definitiva, aquest és el secret de volar.

Ocells, ratapinyades i insectes: vol d'animals

Ocells, ratapinyades i molts insectes volen. Com? Perquè cadascun té la seva pròpia manera de volar, segons les seves necessitats. Hi ha ocells que són planeadoras, unes altres que afecten ràpidament les ales, les ratapinyades deformen les ales per a poder maniobrar, les colibrias i els insectes creen remolins d'aire per a romandre immòbils en l'aire i ningú està segur de com volaven els pterodactilos en l'època dels dinosaures.

Flux d'aire durant el vol d'una oti. New South Wales d'Austràlia J. Foto d'un experiment realitzat pel biofísic Young. Ed.: Science/AAAS ©

Depenent de la mena de volant, l'explicació del vol canvia, però tots tenen una característica diferent dels avions: les ales dels vius no són estructures rígides immòbils. No obstant això, tots els animals voladors tenen una similitud amb les màquines voladores: empenyen l'aire cap avall per a poder volar.