Un avión
vuela gracias a su aerodinámica, su velocidad y el aire que lo sustenta
Por
Bruno Perera
Cuando
viajamos en un avión de pasajeros, por ejemplo a diez mil metros de altura, transportando a
cientos de personas y toneladas de equipaje, algunos se preguntarán cómo es
posible que una máquina tan pesada se mantenga en el aire sin caer a tierra por
efecto de la gravedad.
La respuesta
se encuentra en la física, concretamente en la aerodinámica, la velocidad, la
densidad del aire y las fuerzas que intervienen durante el vuelo.
Para
comprenderlo, debemos recordar que la Tierra ejerce una fuerza de gravedad
sobre todos los cuerpos. Una piedra, una bola de paja, una bola de hierro y un
avión están sometidos a esa fuerza, que los atrae hacia el suelo. Sin embargo,
cuando un objeto se desplaza por la atmósfera, también interactúa con el aire,
y esa interacción puede modificar considerablemente su movimiento.
La
importancia de la aerodinámica
La
aerodinámica es la rama de la física que estudia cómo se mueve el aire y cómo
interactúa con los objetos que se desplazan a través de él.
Gracias a
ella podemos comprender por qué un automóvil ofrece resistencia al avanzar, por
qué un paracaídas frena la caída de una persona y por qué las alas de un avión
pueden generar una fuerza capaz de mantenerlo en vuelo.
Las alas
están diseñadas para que, cuando el avión avanza, se produzca una distribución
de presiones a su alrededor y se desvíe el flujo de aire. El resultado es una
fuerza aerodinámica denominada sustentación,
que actúa principalmente hacia arriba durante el vuelo normal.
Por tanto,
las alas no funcionan como una mesa que descansa sobre una masa de aire
inmóvil. Su forma, su inclinación y el movimiento relativo entre el avión y el
aire permiten generar la fuerza necesaria para contrarrestar su peso.
Los motores
de reacción y los motores de hélice: dos maneras de impulsar un avión
Para
comprender cómo vuela un avión, también debemos conocer el funcionamiento de
sus motores. Aunque los motores de reacción y los de hélice son máquinas
diferentes, ambos aprovechan un principio fundamental de la física: producir
empuje mediante la aceleración de una masa de aire o de gases hacia atrás,
generando una fuerza que impulsa el avión hacia delante.
En un avión
con hélices, estas giran y aceleran una gran cantidad de aire hacia atrás. Como
consecuencia, aparece una fuerza de reacción que impulsa la aeronave hacia
delante.
En un avión
de reacción, el motor aspira aire, lo comprime y quema combustible en su interior.
Los gases resultantes se expulsan a gran velocidad por la parte posterior,
produciendo empuje. En los motores turbofán modernos, muy utilizados en la
aviación comercial, el ventilador delantero también acelera una gran cantidad
de aire alrededor del núcleo del motor, contribuyendo de manera importante al
empuje.
En ambos
casos interviene el principio de acción y reacción, relacionado con la tercera
ley de Newton: al acelerar una masa hacia atrás, el sistema recibe una fuerza
en sentido contrario, hacia delante.
Hay, sin
embargo, una diferencia importante. Las hélices aceleran principalmente una
gran masa de aire a una velocidad relativamente moderada, mientras que el
núcleo de un motor de reacción acelera los gases de escape a gran velocidad. En
los turbofanes, una parte importante del empuje también procede del aire que
mueve el ventilador.
Por tanto,
aunque sus mecanismos sean distintos, ambos sistemas cumplen una función
semejante: proporcionar el empuje que permite al avión avanzar.
No debemos
confundir el empuje con la sustentación. Los motores impulsan el avión hacia
delante; las alas, al interactuar con el aire, generan principalmente la fuerza
que contrarresta su peso.
La dirección
del avión se controla mediante distintas superficies móviles. Los alerones
permiten inclinar las alas para iniciar un giro; el timón de profundidad
controla principalmente el cabeceo, es decir, el movimiento del morro hacia
arriba o hacia abajo; y el timón de dirección ayuda a controlar el movimiento
lateral del morro. Estas superficies trabajan conjuntamente para controlar la
trayectoria de la aeronave.
La
velocidad es fundamental para volar
Imaginemos
un avión detenido en una pista. Aunque sus alas tengan una forma cuidadosamente
estudiada, mientras permanezca inmóvil respecto al aire no generará la
sustentación necesaria para despegar.
Para
conseguirla, el avión debe acelerar. Sus motores proporcionan el empuje que lo
impulsa hacia delante, mientras las alas interactúan con el aire que circula a
su alrededor.
A medida que
aumenta la velocidad, normalmente también aumenta la sustentación, siempre que
las demás condiciones se mantengan iguales.
Esto tiene
una explicación física: a mayor velocidad relativa entre las alas y el aire,
mayor puede ser la fuerza aerodinámica que se genera. No obstante, la velocidad
necesaria depende también del peso del avión, de la superficie de sus alas, de
su configuración y de la densidad del aire.
Aquí
conviene aclarar una cuestión que puede dar lugar a confusiones. Cuando un
avión avanza rápidamente, no hace que el aire que tiene delante o debajo se
vuelva realmente más denso, en el sentido de aumentar su masa por unidad de
volumen. Lo que sucede es que el aire circula alrededor de las alas,
experimenta cambios de presión y es desviado por ellas. La velocidad relativa
entre el avión y el aire permite generar las fuerzas aerodinámicas que
sostienen la aeronave.
Es decir, no
es necesario que aumente la densidad del aire para que aumente la sustentación.
Lo que cambia es la intensidad de la interacción entre el aire y las alas.
El esquí
acuático: una comparación que ayuda a comprender el vuelo
Podemos
entender mejor esta cuestión mediante una comparación con el esquí acuático.
Cuando una
persona practica esquí acuático, una embarcación la arrastra mediante una
cuerda. Al avanzar, los esquís interactúan con el agua y generan una fuerza
hidrodinámica ascendente que permite mantener al esquiador sobre la superficie.
Si la
velocidad es suficiente y la postura es adecuada, los esquís pueden sostener al
esquiador mientras se desliza. Si la velocidad disminuye demasiado, la fuerza
hidrodinámica puede dejar de ser suficiente para mantenerlo fuera del agua y la
persona termina hundiéndose parcialmente o cayendo.
La
comparación con el avión es útil porque en ambos casos el movimiento relativo
respecto a un fluido permite generar una fuerza capaz de contrarrestar el peso.
En el agua, esa fuerza se produce por la interacción de los esquís con el agua;
en el aire, las alas generan sustentación mediante las diferencias de presión y
la desviación del flujo de aire.
Sin embargo,
hay una diferencia importante: el agua es muchísimo más densa que el aire. Por
eso, los esquís acuáticos pueden producir grandes fuerzas a velocidades
relativamente moderadas, mientras que un avión necesita alas de dimensiones
adecuadas y velocidades mucho mayores para sostenerse.
La
comparación nos permite comprender un principio general: tanto el agua como el
aire pueden ejercer fuerzas sobre un cuerpo que se mueve a través de ellos. La
magnitud de esas fuerzas depende de la densidad del fluido, de la velocidad, de
la forma del objeto y de cómo este interactúa con el fluido.
¿Es igual
el aire cerca del suelo que a diez mil metros de altura?
No. Esta es
otra cuestión fundamental para entender el vuelo.
Cerca de la
superficie terrestre, el aire suele ser más denso porque la presión atmosférica
es mayor. A medida que ascendemos, la presión disminuye y, en condiciones
habituales, también lo hace la densidad del aire.
Las capas
inferiores de la atmósfera soportan el peso de las que tienen encima, lo que
contribuye a que el aire esté más comprimido cerca del suelo.
A unos diez
mil metros de altura, la densidad del aire en una atmósfera estándar es
aproximadamente un tercio de la que encontramos al nivel del mar.
¿Qué
significa esto para un avión?
Significa
que, a gran altura, sus alas encuentran menos masa de aire en un mismo volumen.
Para producir la misma sustentación, si todo lo demás permanece igual, el avión
necesita una mayor velocidad respecto al aire o modificar el coeficiente de
sustentación mediante su configuración y ángulo de ataque.
Por esa
razón, los aviones comerciales vuelan a velocidades elevadas cuando realizan
sus travesías a gran altura. También por eso los pilotos deben respetar los
límites de velocidad y las condiciones de vuelo correspondientes a cada
altitud.
Las cuatro
fuerzas que intervienen en el vuelo
En un avión
actúan cuatro fuerzas principales:
1.
La gravedad o peso. Es la fuerza que atrae al avión hacia la Tierra.
2.
La sustentación.
Es la fuerza aerodinámica generada principalmente por las alas, que permite
contrarrestar el peso.
3.
El empuje.
Es la fuerza producida por los motores que impulsa el avión hacia delante.
4.
La resistencia aerodinámica. Es la fuerza que se opone al movimiento del
avión a través del aire.
Cuando una
aeronave vuela en línea recta y a una altura constante, la sustentación
equilibra aproximadamente el peso y el empuje compensa la resistencia
aerodinámica.
Esto no
significa que la gravedad desaparezca ni que los motores tengan que levantar
directamente el avión. Los motores proporcionan principalmente el empuje,
mientras que las alas generan la sustentación.
Si el avión
reduce demasiado su velocidad para el peso, la configuración y las condiciones
existentes, puede llegar a una situación en la que las alas ya no produzcan
suficiente sustentación. También puede producirse una pérdida aerodinámica si
se supera el ángulo de ataque crítico, incluso aunque el avión tenga una
velocidad considerable. Por eso, la seguridad depende de mantener unas
condiciones de vuelo adecuadas y no solamente de volar rápido.
¿Podríamos
calcular cuánta sustentación genera un avión?
Si conocemos
la velocidad, la densidad del aire, la superficie alar y las características
aerodinámicas de las alas, podemos calcular la sustentación que se genera bajo
determinadas condiciones.
La ecuación
simplificada que describe esa fuerza es:
L =
½ × ρ × v² × S × Cₗ
En ella, L
representa la sustentación; ρ, la densidad del aire; v, la velocidad del avión
respecto al aire; S, la superficie alar; y Cₗ, un coeficiente que depende,
entre otros factores, de la forma del ala y de su ángulo de ataque.
La ecuación
muestra que la velocidad tiene una influencia especialmente importante: si se
duplica la velocidad respecto al aire, manteniendo constantes la densidad, la
superficie y el coeficiente de sustentación, la sustentación calculada se
multiplica por cuatro.
Durante el
vuelo horizontal y estable, la sustentación debe ser aproximadamente igual al
peso del avión. Por eso, el peso también es un dato esencial si queremos
determinar las condiciones necesarias para mantenerlo en el aire.
Sin embargo,
no basta con conocer la velocidad para determinar una cantidad exacta de aire
que se encuentra debajo del avión y lo sostiene. La sustentación no depende de
una bolsa de aire inmóvil bajo las alas, sino de la interacción entre el avión
y el flujo de aire que lo rodea.
Las alas
ejercen fuerzas sobre el aire y, al mismo tiempo, el aire ejerce fuerzas sobre
las alas. Esta interacción, junto con las diferencias de presión que aparecen
alrededor de las superficies alares, permite que el avión se mantenga en vuelo.
Una
comparación con la caída de los objetos
Podemos
relacionar estos conocimientos con un experimento sencillo: imaginemos que
dejamos caer desde un edificio una bola de hierro de un kilogramo y diez
centímetros de diámetro, y otra bola de paja del mismo peso, pero de cincuenta
centímetros de diámetro.
En
condiciones normales, la bola de hierro llegará antes al suelo porque presenta
una superficie frontal mucho menor en relación con su peso y, por tanto, la
resistencia del aire la frena menos, suponiendo que la bola de paja sea
suficientemente compacta para conservar su forma y que las condiciones de caída
sean comparables.
En cambio,
si soltamos ambos cuerpos en el vacío, donde no existe resistencia del aire,
caerán con la misma aceleración gravitatoria y llegarán juntos, siempre que
partan de la misma altura y al mismo tiempo.
Este ejemplo
demuestra que la gravedad actúa sobre los cuerpos, pero que el aire modifica su
movimiento. En el caso del avión, esa interacción se aprovecha mediante un
diseño aerodinámico que permite generar sustentación en lugar de limitarse a
frenar una caída.
Conclusión
El vuelo de
un avión es una magnífica demostración de cómo las leyes de la física pueden
aprovecharse para resolver un problema que, a primera vista, parece
extraordinario: mantener en el aire una máquina de muchas toneladas.
La gravedad
continúa atrayendo al avión hacia la Tierra. Sin embargo, gracias al empuje de
sus motores, a la velocidad adecuada, a la densidad del aire y al diseño
aerodinámico de sus alas, se genera la sustentación necesaria para
contrarrestar su peso.
Los motores
de hélice y los de reacción impulsan el avión hacia delante mediante mecanismos
diferentes que aprovechan el principio de acción y reacción. Las alas, por su
parte, interactúan con el aire y generan las fuerzas que permiten mantener la
aeronave en vuelo.
La
comparación con el esquí acuático nos ayuda a comprender que un fluido puede
ejercer fuerzas capaces de sostener un cuerpo cuando existe movimiento relativo
entre ambos. No obstante, ni el agua ni el aire necesitan volverse más densos
para producir esas fuerzas: lo importante es cómo interactúan con la superficie
que se desplaza a través de ellos.
El aire,
aunque sea invisible, es materia y puede ejercer fuerzas considerables cuando
interactúa con un objeto que se desplaza a gran velocidad. Comprender esta
relación entre gravedad, aire, velocidad y sustentación nos permite apreciar
mejor la ingeniería aeronáutica y descubrir algo fundamental sobre nuestro
mundo: muchas de las máquinas que utilizamos funcionan porque hemos aprendido a
conocer y aprovechar las fuerzas que gobiernan la naturaleza.
Nota extra:
A diferencia de un avión, que necesita avanzar
para que sus alas generen la mayor parte de la sustentación que lo mantiene en
el aire, un helicóptero puede elevarse verticalmente, permanecer prácticamente
inmóvil en el aire y desplazarse en distintas direcciones. ¿Cómo lo consigue?
La clave está en sus grandes palas giratorias,
que forman el rotor principal. Estas palas tienen un perfil aerodinámico
parecido al de las alas de un avión. Cuando giran a gran velocidad, empujan el
aire hacia abajo y generan una fuerza que impulsa al helicóptero hacia arriba.
Cuando esa fuerza supera el peso de la aeronave, el helicóptero asciende;
cuando se equilibra con su peso, puede mantenerse a una altura determinada.
Pero ¿cómo puede volar hacia delante, hacia atrás
o lateralmente? Para conseguirlo, el piloto modifica el ángulo de las palas del
rotor, de manera que la fuerza aerodinámica resultante se incline en la
dirección deseada. Así, el helicóptero puede desplazarse sin necesitar una
pista de despegue.
También dispone de un rotor de cola en muchos de
sus diseños convencionales. Este rotor contrarresta el giro que el motor
transmitiría al fuselaje en sentido contrario al rotor principal, de acuerdo
con el principio de acción y reacción. Además, permite controlar la orientación
del aparato. Algunos helicópteros utilizan otros sistemas para realizar esta
función, como dos rotores principales que giran en sentidos opuestos.
Para descender, el piloto reduce la sustentación
o ajusta la potencia y el ángulo de las palas, según las condiciones del vuelo.
Y para permanecer suspendido en un mismo punto, regula continuamente la fuerza
del rotor principal y los mandos de dirección.
En definitiva, el helicóptero vuela porque sus
palas giratorias actúan como alas que trabajan continuamente sobre el aire,
generando sustentación incluso cuando la aeronave no avanza. Su gran ventaja es
que puede despegar y aterrizar verticalmente, acceder a lugares donde un avión
no podría operar y mantenerse en el aire sobre un punto concreto.
La diferencia fundamental es esta: el avión
necesita normalmente avanzar para obtener la sustentación de sus alas; el
helicóptero puede generarla mediante sus palas giratorias, incluso estando
prácticamente quieto respecto al suelo.