¿Por qué vuelan los aviones?

Los aviones vuelan gracias a la actuación de una serie de fuerzas, tanto en el plano horizontal como en el plano vertical. Para que el aparato se eleve es imprescindible que la fuerza que se produce en el eje vertical (sustentación en lenguaje aeronáutico) supere al peso del avión. Por otra parte, en el eje horizontal y gracias a los motores que expulsan gases, tiene lugar el principio de acción-reacción que provoca una fuerza hacia adelante que vence la resistencia del aire. Cuando el avión asciende y llega a su altura de crucero y a una velocidad constante es porque se ha alcanzado el equilibrio de fuerzas tanto en el eje vertical, en el que la sustentación se iguala al peso, como en el eje horizontal, en el que el empuje del motor es igual a la resistencia que nos ofrece el aire.

La magia se produce al conseguir esa fuerza de sustentación. Ahí tenemos que acudir a una serie de principios que lo explican. Básicamente, la sustentación se consigue gracias a las alas del avión. Si las cortáramos tendríamos lo que se llama el perfil del ala, la sección que tiene el ala por dentro. Esta sección tiene una forma muy eficiente desde el punto de vista aerodinámico. El borde por donde entra el aire según va volando el avión es redondeado y la parte de atrás del perfil es afilada y además está curvada por la parte de arriba (en lenguaje aeronáutico esta parte de arriba se llama extradós y la parte de abajo se llama intradós). Esa curvatura del perfil del ala hace que cuando la corriente de aire se encuentra con ella, se divida en dos caminos, una parte del flujo de aire se va por arriba del ala y otra parte, por abajo. Debido a la curvatura del ala, el camino que tiene que recorrer el flujo que va por arriba es más largo que el que va por debajo. Existe un teorema, el de Bernouilli, que es básicamente de conservación de la energía y que dice que para que esto ocurra, el flujo de aire que va por arriba tiene que ir a más velocidad. Eso implica que haya menos presión que en la parte de abajo donde va a menor velocidad y ejerce más presión. Esa diferencia de presión entre el flujo de aire por arriba y el de abajo genera una sustentación. Aunque esta sustentación debida al principio de Bernouilli no llega a explicar toda la que necesitamos para que el avión se eleve. Para explicar la elevación hay que recurrir a otra serie de principios físicos.

Uno de ellos es la tercera ley de Newton. Por la forma curvada que tiene el perfil, el aire que va por arriba en vez de seguir un camino recto, se dirige hacia abajo. Esta deflexión que provoca el perfil del ala en el flujo de aire hace que, debido a la tercera ley de Newton (principio de acción reacción), se produzca una reacción en sentido inverso, es decir, hacia arriba del ala, y eso nos va a dar más sustentación. Además, esa sustentación se ve incrementada por un efecto llamado Coanda que se aplica a todos los fluidos viscosos. El efecto Coanda hace que los fluidos al encontrarse con una superficie en su camino tienden a pegarse en ella. Hay una capa límite que se forma entre lo que es el perfil de ala y el flujo de aire que funciona como capitas laminares de flujo, la primera se pega al ala y va arrastrando al resto de capas que están por arriba. Al pegarse el flujo de aire al perfil se incrementa aún más el efecto de la tercera ley de Newton, el aire se dirige hacia abajo porque se queda pegado al perfil.

Y todo ello se incrementa con la velocidad del aire. Al iniciar su carrera de despegue, el avión acelera progresivamente, por lo que la sustentación aumenta según gana velocidad. Puedes entenderlo mejor con un ejemplo. Si vamos en un coche y sacamos la mano por la ventanilla, según va aumentando la velocidad notamos que la fuerza del aire tiende a subir la mano hacia arriba.

Pero lo que hace ya definitivamente que el avión ascienda es la elevación de la nariz, lo que se llama aumentar el ángulo de ataque. El ángulo de ataque es el que forma la corriente que incide sobre el perfil del ala con respecto a este perfil. Una vez que se ha aumentado la sustentación con el incremento de la curvatura del perfil del ala (extendiendo las superficies con las que cuenta: slats delanteros, y flaps traseros) se mueven los elevadores del estabilizador horizontal de la cola. Esta acción provoca que la nariz del avión se eleve. Con la nariz elevada aumentamos el ángulo de ataque. Es el mismo efecto que tendríamos cuando sacamos la mano por la ventanilla del coche, si giramos la mano hacia arriba en el sentido de la marcha, la mano se irá hacia arriba. Y todos estos efectos conjuntos consiguen que el avión se eleve.

Belén del Cerro es ingeniera aeronáutica, técnica de la Dirección de Espacio, Grandes Instalaciones y Programas Duales del CDTI (Centro para el Desarrollo Tecnológico e Industrial)

Pregunta enviada vía email por Estefanía Torres Ávila

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