Volando sin Bernoulli
2012/10/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
Un boeing 747, el avión habitual de vuelos transatlánticos, pesa aproximadamente 180 toneladas cuando está vacío. La carga en vuelos comerciales puede duplicar el peso. El airbus 380 es aún mayor. Con toda la carga puede alcanzar las 573 toneladas. Para volar se necesita una fuerza que compense todo este peso. Sin embargo, para los ingenieros aeronáuticos encontrar esta fuerza no es un reto porque el principio físico que sustenta a estos aviones en el aire es el mismo que el que sostiene un avión en papel.
Así lo dice Antonio Cantó, divulgador y experto en aviones del blog La Pizarra de Yuri: "Cualquier hipótesis de contención aerodinámica que no explique el vuelo del avión en papel es probablemente incorrecta y --esto seguro - incompleta". El avión de papel, el Boeing 747, un helicóptero, un pájaro y una abeja, cada uno con un diseño muy diferente, y cada uno con sus condiciones, vuela empujando el aire hacia abajo. Este es el principio básico. La explicación a partir de ahí es compleja y varía mucho de un voladizo a otro.
En el caso de los aviones, sin embargo, esta explicación básica ha sido sustituida por otra que mantiene en el aire el principio de Bernoulli. Esta explicación no explica en sí mismo el vuelo, pero es un caso especial porque se basa en un fenómeno real y que se ha utilizado mucho en la divulgación. En palabras del divulgador Cecil Adams, autor de la columna Straigh Dope en el diario Chicago Reader, esta idea "se ha publicado también en unos respetables libros de texto científicos". Sin embargo, en los textos técnicos no aparece esta figura.
Éxito de Bernoulli
En la divulgación es habitual simplificar las ideas, y un ejemplo de ello es la explicación del principio de Bernoulli. El principio es parte del vuelo, pero no es la clave del vuelo.
Daniel Bernoulli XVIII. Fue un matemático e ingeniero neerlandés del siglo XIX, famoso en la historia de la ciencia por sus investigaciones en la dinámica de los fluidos. Su principio más conocido es que cuanto más rápido se mueve un fluido, menos presión ejerce sobre una superficie sólida.
De hecho, no hay relación entre el vuelo y la vida de Bernoulli. En aquel siglo, la única forma de volar era el globo, en el que los hermanos Montgolfier volaron cinco meses después de la muerte de Bernoulli. Y el concepto de avión tampoco existía. Pero el aire es un fluido y las alas del avión son dos grandes superficies sólidas.
Es una forma particular de las alas. En la mayoría de los aviones, las alas están curvadas por la parte superior y son planas por la parte inferior, y el aire que circula por la parte superior del sur es más largo y se mueve más rápido que el que va por la parte inferior. Además, el aire superior llega antes al final del ala que el aire inferior. Ahí está Bernoulli, cuyo principio explica que este flujo ejerce mayor presión sobre el sur que sobre el superior. Y como consecuencia, el avión se eleva en el aire.
En general el vuelo es así. El argumento es correcto; en este diseño típico de las alas, por el principio de Bernoulli, el avión recibe una fuerza ascendente. Pero este argumento no es suficiente para llegar a la conclusión final, por lo que la conclusión es errónea: esa fuerza no es tan grande como para mantener el avión en el aire.
Falta algo
Los cálculos son claros. El efecto de Bernoulli aumenta con la velocidad del avión, pero para mantener en el aire el peso de un pequeño avión estándar, como es el caso de Cessna 152, la velocidad debería ser superior a 480 km/h y estos pequeños aviones difícilmente llegan a 100 km/h. Y lo mismo ocurre con cualquier otro avión; la fuerza ascendente provocada por el principio de Bernoulli no llega al 1% de lo que necesita el avión.
Incluso al margen de los números se aprecia que el efecto de Bernoulli no es la causa del vuelo. Por un lado, destaca el caso de los aviones que realizan acrobacias. Estos aviones vuelan subiendo y en esos momentos, además del avión, el efecto de Bernoulli está dirigido hacia el lado contrario. En el caso de las alas presentadas arriba, el efecto empuja el avión hacia la tierra.
Por otra parte, no todas las alas poseen el diseño antes mencionado. Un ejemplo son las alas de los aviones comerciales actuales. Su diseño está basado en un plano aerodinámico supercrítico. Diseñado por el ingeniero de la NASA Richard Whitcomb en la década de 1960, es casi plano desde arriba, con una curvatura muy baja y un efecto muy bajo del principio de Bernoulli.
Otro ejemplo ilustrativo son los primeros aviones de la historia: La máquina no tripulada de Samuel Langley de 1896, el famoso Flyer de los hermanos Wright, y los aviones que se hicieron en los años siguientes, tenían las alas por ambos lados, por arriba y por abajo. En ellos, el aire sigue el mismo recorrido por las dos caras y el efecto de Bernoulli no influye. Lo mismo para aviones de papel y ala de delta. La fuerza que soporta en el aire la genera otra cosa.
Cómo atacar el aire
La clave está en la tercera ley de Newton, en el principio de acción y reacción: empujando el aire hacia abajo, el aire empuja el avión hacia arriba. ¿Pero cómo sucede eso? La respuesta está en otro factor: el ángulo de incidencia. Al volar, la sección del ala no está horizontal, tiene un ángulo de ataque por el que el aire que sale por detrás del ala va hacia abajo.
Es una fuerza que se puede sentir fácilmente. Producido por Discovery Channel en el documental Understanding Flight, el propio actor John Travolta, que es piloto, explicaba cómo: "Si conduces el coche a una distancia mínima de 50 km/h es seguro, abre la ventana y estira el brazo en el exterior". Si giramos el brazo y colocamos la mano en un ángulo ascendente, la mano notará la fuerza hacia arriba. "Si redondas la mano con los dedos, el efecto aumenta", explica el diseñador de aviones Burt Rutan en el mismo documental. Las plumas de aves también presentan este diseño curvo.
Cuanto más aire se empuja hacia abajo, más fuerza asciende recibe el avión. Y cuanto más rápido vaya, más aire empuja el avión hacia abajo. Si el avión se mueve lentamente, para mantener la misma fuerza de contención, el ángulo de ataque debe ser mayor, pero hasta un límite. Cuando el ángulo es de 18-20 grados, el aire que rodea el ala deja de moverse por las capas y comienza a crear turbulencias. La fuerza de contención desaparece y el avión cae. Por ello, el vuelo está basado en pequeños ángulos de ataque, normalmente de hasta 10 grados. Este ángulo también explica el vuelo del avión de papel, que planea el avión mientras dura alrededor de ese ángulo.
Junto con el ángulo de ataque, muchos otros factores intervienen en la capacidad de empujar el aire del avión hacia abajo: longitud y superficie de las alas, densidad de aire en función de la altura del avión, viento, etc. Pero el ángulo de ataque es clave, y esto es de suma importancia para los pilotos, en gran medida pilotar un avión es el arte de ajustar el ángulo de ataque.
El principio de Bernoulli vuelve a aparecer en el juego de ángulos. Los cambios en el ángulo aceleran y frenan los dos flujos de aire, es decir, por encima y por debajo del sur. La presión de ambos flujos es diferente, por lo que el empuje hacia arriba que se genera también ayuda. Bernoulli no está completamente descartado de la explicación del vuelo.
No está totalmente descartado, pero no es la principal causa de volar. La forma del ala no es un factor clave que convierte a un avión en un volador. Sin embargo, tiene importancia. Si no, ¿por qué hacen la mayoría de las alas de la misma forma? Hay varias razones. Por un lado, el aspecto típico de las alas es muy aerodinámico. El diseño del avión no depende únicamente de la fuerza que sostiene en el aire, sino que hay otras tres fuerzas importantes: el peso, la propulsión hacia adelante y la resistencia del aire. Esta última fuerza va en dirección contraria al movimiento, y para combatirla es una buena opción utilizar el perfil del ala normal.
Por otro lado, el límite del ángulo de incidencia varía en función del perfil del ala. Las alas curvadas por encima funcionan en ángulos mayores que las planas. Por lo tanto, la forma del ala, aunque no sea la primera razón de volar, tiene gran importancia porque influye mucho en el flujo de aire que le rodea.
El comportamiento del aire sobre el avión puede verse modificado por el suelo cuando el vuelo es muy bajo. En este caso, la diferencia de presión es muy grande entre los flujos de aire por encima y por debajo del avión. Cuando el suelo está muy cerca, el aire bajo el avión está comprimido formando una bolsa de alta presión. La diferencia que se genera es muy grande y la fuerza ascendente que recibe el avión es grande. Se llama efecto suelo. Tampoco es la aportación de Bernoulli, pero sí la diferencia de presión. Y una vez más es el resultado de empujar el aire hacia abajo. En definitiva, ese es el secreto de volar.
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