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17 mayo 2023

C贸mo las alas desaf铆an a la gravedad

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La mayor铆a de nosotros ha experimentado la emoci贸n de despegar en un avi贸n. La expectaci贸n aumenta a medida que los motores se aceleran y el avi贸n avanza por la pista ganando velocidad. Y entonces, de repente, las vibraciones se detienen, el suelo se desvanece y usted est谩 en el aire, llevado por la magia del vuelo. Pero 驴ha pensado alguna vez en la f铆sica que hay detr谩s de esta maravilla? Aunque todos entendemos que las alas proporcionan la sustentaci贸n, la ciencia dista mucho de ser sencilla. De hecho, incluso despu茅s de m谩s de un siglo de vuelo propulsado, el debate sobre la mejor manera de explicar lo que mantiene a los aviones en el aire sigue abierto, y abundan las malas explicaciones.聽

BBVA-OpenMind-Larsen-Como las alas desafian a la gravedad_1 Despu茅s de m谩s de un siglo de vuelo propulsado, el debate sobre la mejor manera de explicar lo que mantiene a los aviones en el aire sigue abierto. Cr茅dito: Ralf Hettler/Getty Images
Despu茅s de m谩s de un siglo de vuelo propulsado, el debate sobre la mejor manera de explicar lo que mantiene a los aviones en el aire sigue abierto. Cr茅dito: Ralf Hettler/Getty Images

La forma de un ala de avi贸n est谩 dise帽ada para generar sustentaci贸n, que es la fuerza ascendente que permite volar a un avi贸n. Las alas de los aviones suelen tener, aunque no siempre, una superficie superior curva y una inferior plana, y la sustentaci贸n es el resultado de las diferencias de presi贸n entre ambas superficies.聽

La explicaci贸n del “tiempo de tr谩nsito igual”

La explicaci贸n popular, aunque err贸nea, de c贸mo un ala genera sustentaci贸n es que, como la superficie superior est谩 curvada, el aire que pasa por encima del ala tiene que recorrer una distancia mayor que el aire que pasa por debajo del ala, por lo que debe moverse m谩s deprisa. A continuaci贸n, se cita el principio de Bernoulli para concluir que el aire que se mueve m谩s r谩pido por encima debe tener menor presi贸n, lo que genera sustentaci贸n. 脡sta es la enga帽osa explicaci贸n de la sustentaci贸n aerodin谩mica basada en la igualdad del tiempo de tr谩nsito, que puede encontrarse en muchos libros de texto y en Internet (incluido ChatGPT).

Las velocidades del flujo de aire son mucho mayores por encima del ala que por debajo. Cr茅dito: De Kraaiennest – CC BY-SA 3.0

El catedr谩tico de Aerodin谩mica de la Universidad de Cambridge Holger Babinsky se siente frustrado por el uso de este mito para explicar la sustentaci贸n. En su art铆culo How do wings work? (驴C贸mo funcionan las alas?) escribe: “La explicaci贸n popular de la sustentaci贸n es com煤n, r谩pida, suena l贸gica y da la respuesta correcta, pero tambi茅n introduce conceptos err贸neos, utiliza un argumento f铆sico sin sentido e invoca enga帽osamente la ecuaci贸n de Bernoulli”. No existe ninguna ley f铆sica que establezca que las parcelas de aire separadas en el borde de ataque del ala tengan que llegar al mismo tiempo al borde de salida del ala. De hecho, los estudios realizados en t煤neles de viento han demostrado claramente que el aire por encima del ala viaja en realidad mucho m谩s r谩pido que el aire por debajo, alcanzando el borde de salida del ala mucho antes que el aire que viaja por la superficie inferior.

Babinsky afirma que “la generaci贸n de sustentaci贸n no requiere distancias diferentes alrededor de las superficies superior e inferior”, y nos invita a “considerar una vela que no es m谩s que un ala vertical (que genera fuerza lateral para propulsar un yate)”. Las corrientes de aire recorren la misma distancia a ambos lados de la vela.聽

Una demostraci贸n enga帽osa

Una forma habitual de “demostrar” c贸mo el Principio de Bernoulli explica la sustentaci贸n consiste en sujetar una tira de papel por uno de sus extremos para que caiga hacia abajo por efecto de la gravedad. Al soplar en la parte superior de la superficie curva, el papel se eleva. La explicaci贸n que se da inevitablemente es que, como el aire expulsado por los pulmones se mueve m谩s deprisa que el aire circundante, tiene menor presi贸n que el aire que hay debajo del papel, por lo que la tira sube. Sin embargo, el aire que sale de los pulmones tiene la misma presi贸n que el aire circundante. Seg煤n Babinski, “es falso establecer una conexi贸n entre el flujo en los dos lados del papel utilizando la ecuaci贸n de Bernoulli”. Aunque las diferencias en la presi贸n atmosf茅rica har谩n que el aire se acelere al pasar de zonas de mayor a menor presi贸n (la explicaci贸n del viento), cambiar la velocidad del aire (por ejemplo, soplando) no afectar谩 a la presi贸n.聽

BBVA-OpenMind-Larsen-Como las alas desafian a la gravedad_3 El aumento de la velocidad del aire por encima del ala se debe a que el aire se apresura a llenar el campo de baja presi贸n creado por la forma curva del ala. Cr茅dito
El aumento de la velocidad del aire por encima del ala se debe a que el aire se apresura a llenar el campo de baja presi贸n creado por la forma curva del ala. Cr茅dito:聽DeAgostini/Getty Images

Una explicaci贸n m谩s exacta de por qu茅 el papel se eleva es que se trata de una demostraci贸n de la tendencia de un chorro de fluido a adherirse a una superficie convexa. La superficie del papel es microsc贸picamente rugosa, y la capa l铆mite de la corriente de aire tiende a adherirse a la superficie. Como el papel intenta redirigir la corriente de aire hacia abajo, 茅sta tira hacia arriba de la tira curva, de acuerdo con la tercera ley del movimiento de Newton (para cada acci贸n (fuerza) en la naturaleza hay una reacci贸n igual y opuesta), y la tira se eleva.

Newton supera a Bernoulli en la explicaci贸n de la sustentaci贸n

Pero la demostraci贸n del papel nos ayuda a entender por qu茅 la presi贸n del aire es menor por encima del ala que por debajo. Al igual que el flujo de aire de tus pulmones se pega a la superficie del papel curvado cuando soplas sobre 茅l, tambi茅n la capa l铆mite del flujo de aire se adhiere estrechamente a la curvatura del ala debido a la fricci贸n. Como las mol茅culas de aire que se mueven horizontalmente por encima del ala son atra铆das hacia abajo para permanecer cerca de la superficie curvada del ala, el aire se estira en un volumen mayor, creando un campo de baja presi贸n sobre el ala que genera sustentaci贸n. El aumento de la velocidad del aire por encima del ala (mencionado anteriormente) se debe a que el aire se apresura a llenar el campo de baja presi贸n creado por la forma curva del ala.

Pero hay algo m谩s. Cuando el flujo de aire pasa por la parte superior curvada del ala, se desv铆a hacia abajo, siguiendo la curva descendente del ala inclinada. Aplicando de nuevo la tercera ley de Newton, si el ala redirige el flujo de aire hacia abajo, el aire debe ejercer una fuerza ascendente igual sobre el ala, lo que constituye la sustentaci贸n. Una idea clave es que la diferencia de presi贸n entre las superficies superior e inferior del ala, el aire desviado hacia abajo y la fuerza de sustentaci贸n son todas facetas del mismo fen贸meno. Uno no puede existir sin los otros dos.

La sustentaci贸n generada por la parte inferior del ala explica por qu茅 los aviones a veces pueden volar boca abajo o un avi贸n de papel con alas planas puede mantenerse en el aire. Cr茅dito: iStock / Getty Images Plus.

Lo que ocurre debajo del ala es m谩s f谩cil de explicar. Si la parte inferior del ala est谩 inclinada con respecto a la corriente de aire (lo que se denomina 谩ngulo de ataque), empujar谩 el aire hacia abajo a medida que pasa, creando una fuerza igual y opuesta (hacia arriba) sobre el ala (Newton de nuevo). Esta fuerza se manifiesta como una zona de alta presi贸n bajo el ala. A medida que aumenta el 谩ngulo de ataque, se genera m谩s sustentaci贸n, pero tambi茅n aumenta el riesgo de entrar en p茅rdida, que se produce cuando el flujo de aire sobre el ala se separa de la superficie, se vuelve ca贸tico y se pierde parte de la sustentaci贸n. Los aviones modernos cuentan con sistemas dise帽ados para evitar la entrada en p茅rdida.

La sustentaci贸n generada por la parte inferior del ala explica por qu茅 los aviones a veces pueden volar boca abajo y por qu茅 un avi贸n de papel con alas planas puede mantenerse en el aire. Cuando el 谩ngulo de ataque es 贸ptimo, se genera suficiente sustentaci贸n bajo el ala para mantener el avi贸n en el aire, aunque la superficie superior no proporcione sustentaci贸n. Como explica Babinsky, “la sustentaci贸n negativa (que ser铆a necesaria para volar boca abajo) es simplemente una cuesti贸n del 谩ngulo de ataque con el que vuela el avi贸n”.

As铆 que la pr贸xima vez que veas un avi贸n en el aire, o incluso un p谩jaro volando, recuerda que la forma curva de las alas y el 谩ngulo de ataque redirigen el aire hacia abajo, creando diferencias de presi贸n y una fuerza ascendente de acuerdo con la tercera ley de Newton, y d谩ndonos el milagro del vuelo.

Neil Larsen

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