Entre las causas que provocan la sustentación de un avión, se encuentran:
EFECTO VENTURI: Cuando un fluido es obligado a circular por una zona de menor sección, la velocidad de sus moléculas, aumenta.
EFECTO BERNOULLI: Cuando la velocidad de un fluido aumenta, su presión interna disminuye.
EFECTO COANDA: Un fluido en circulación tiende a adherirse a la superficie del conducto sólido sobre el que circula.
ACCIÓN Y REACCIÓN: Toda acción o fuerza contra un objeto, provoca un efecto de reacción de idéntica intensidad y sentido contrario
MOMENTO DE FUERZA (TORQUE): Es la fuerza que se aplica a un sistema que puede girar sobre un determinado centro de masas
Los efectos Venturi, Bernoulli y Coanda tan sólo intervienen en un porcentaje muy pequeño de la sustentación. Según ellos, en la parte superior del ala (llamada Extradós) se experimenta una menor presión que en la parte inferior de la misma (Intradós). Dicha diferencia de presión "empuja" al avión hacia arriba. Pero, ¿es suficiente esa diferencia de presión para hacer que un avión de varias toneladas se eleve por los aires?: Realmente, NO. El efecto Bernoulli apenas supone un 5% del empuje ascendente que experimenta el avión.
De hecho, si el secreto fuera la forma curva de las alas, el efecto Bernoulli impediría que los aviones volaran boca abajo (vuelo acrobático) y tampoco permitiría que los aviones de papel (con alas planas) volaran.
El Principio de Bernoulli no es difícil de entender. Viene a decir símplemente, que la Energía total que posee un fluido en movimiento, se mantiene constante en todos los puntos de su recorrido. Esta energía es la suma de otras tres: la Energía cinética (debida a su movimiento), la Energía Potencial (debida a las variaciones de la altura del recorrido), más la Energía debida a la Presión a la que está sometida dicho fluido. Veamos el dibujo de abajo: si calculáramos los tres tipos de energías del fluido (Cinética, Potencial y de Presión), en tre puntos diferentes, comprobaríamos como, en todos los casos, la suma de las tres energías es siempre la misma
Este principio puede representarse matemáticamente con la siguiente fórmula:
ENERGÍA TOTAL EN CUALQUIER PUNTO (ET) = CONSTANTE (CTE)
ET = CTE = ENERGÍA CINÉTICA + ENERGÍA POTENCIAL + PRESIÓN
ET=CTE= EC + Ep + P
Sustituyendo cada tipo de energía por su equivalente, se obtiene la siguiente fórmula:
En la cuál, la parte amarilla es la que corresponde a la Energía cinética
V2 es la velocidad del fluido al cuadrado
r es la densidad del fluido
La parte verde corresponde a la Energía Potencial:
g es la aceleración de la gravedad
r es la densidad del fluido
h es la diferencia de alturas de las zonas
Y finalmente, la zona azul es la correspondiente a la Presión del Fluido en un punto dado:
P es la Presión
Pues bien, haciendo los cálculos necesarios, comprobaríamos que cuando el aire circula por ambas zonas del ala del avión (el extradós y el intradós), la diferencia de presión entre ambos puntos, apenas se multiplica por 1.25. Es decir, sólo hay unas décimas de atmósferas de diferencia entre ambas zonas, lo cuál es insuficiente para levantar el tonelaje de un avión.
Entonces, ¿ Qué es lo que eleva al avión, o cúal es la fuerza más importante en este fenómeno ?
La respuesta es doble: La acción-reacción, y el Torque
ACCIÓN-REACCIÓN
Se refiere al hecho de que el aire a gran velocidad, impacta contra el ala y la "empuja" hacia arriba. Dicho impacto, que será más fuerte cuanto mayor sea la velocidad del aire, se produce en la base del ala, cuando ésta se encuentra a un determinado ángulo (ángulo de ataque).
Cada molécula de aire es como un proyectil que impacta contra el ala y la impulsa en un ángulo ascendente. Lo vemos mejor en el dibujo de abajo
Es importante notar que si el ángulo de ataque es nulo (alas paralelas al suelo), el avión no se eleva, sino que planea sólo en horizontal, manteniendo una cierta tendencia a caer lentamente por efecto de su peso, igual que lo haría un paracaidista, cuyo ángulo de ataque (el de la superficie del paracaídas) también es nulo. La velocidad del descenso del paracaidista depende, no sólo del peso de éste, sino de la gran superficie que posee la tela: cuanta más superficie, más moléculas de aire chocan contra el paracaídas en su descenso, y más se oponen éstas al "avance" del mismo hacia abajo.
La gran diferencia entre un paracaidista y un avión, es que este último genera una fuerza de empuje (por medio de sus hélices o turbinas) que es redireccionada hacia abajo por medio del ángulo de ataque de las alas, mientras que el paracaidista no dispone de dicha fuerza. Es decir, cuando las hélices propulsan al avión hacia adelante, las alas desvían parte de ese empuje hacia abajo, y al propulsar aire hacia abajo, se genera una reacción de sentido contrario en dichas alas, impulsando al avión hacia arriba (Ley de Acción-Reacción).
TORQUE (MOMENTO DE FUERZA)
Pero, qué pasa cuando las alas de los aviones no presentan un ángulo de ataque significativo? Por ejemplo, los aviones de papel poco elaborados suelen presentar una superficie alar paralela al cuerpo del avión, y aún así, son capaces de planear bastante lejos. ¿Puede un avión de alas paralelas remontar el vuelo). La respuesta es SI. Se puede hacer que un avión vuele usando el Torque (momento de Fuerza)
El "Torque" es cualquier fuerza que se aplique en el extremo de un objeto que puede girar sobre un eje. La fuerza que aplicamos a una manivela mecánica es un Torque, una fuerza que se aplica en el extremo de una rueda que gira sobre un eje
Diferentes ejemplos de manivelas
El "eje" sobre el que puede girar un avión en pleno vuelo, no es otra cosa que su Centro de Masa (su punto de equilibrio). Incluso, cuando el avión se encontrara en el espacio profundo, sin apoyarse en ningún suelo sólido, La masa inercial permitiría que el avión se "apoyara" en su centro de masa. Cualquier Fuerza que se haga fuera del Centro de Masa, obliga al avión a girar, convirtiéndose en un Torque. En el dibujo de aquí abajo vemos un avión de papel, con su centro de masa sañalado con un punto rojo. Hemos dibujado unos "alerones" en la parte trasera de las alas
Las alas de este avión de papel tienen un ángulo de ataque nulo y un perfil completamente plano (sin curvatura). Sin embargo posee un alerón trasero casi perpendicular al aire en circulación. Es en este alerón donde chocan las moléculas de aire en movimiento. Dicho choque constante fuerza al avión a girar sobre su centro de masas, generando una fuerza de giro (torque). Este torque obliga a que el morro del avión se eleve, por encontrarse delante del centro de masa, y cuando esto sucede, el plano completo del avión se convierte en un "ala" con ángulo de ataque positivo, como se muestra aquí abajo:
Así pues, TODO EL AVIÓN se enfrenta al aire con un ángulo de ataque suficiente para forzar su elevación.
Recordemos: Los efectos Bernoulli, Coanda y Venturi apenas proveen al avión de una ligera sustentación y no son los responsables principales de su sustentación.
Un avión con alas planas puede volar perfectamente sin que sus alas deban presentar una curvatura especial.
Lo que sí es imprescindible es un ángulo de ataque positivo, bien porque las alas sean capaces de girar sobre sí mismas, o bien por la presencia de unos alerones traseros que provoquen un Torque en todo el aparato.
Un avión con alas planas puede volar perfectamente sin que sus alas deban presentar una curvatura especial.
Lo que sí es imprescindible es un ángulo de ataque positivo, bien porque las alas sean capaces de girar sobre sí mismas, o bien por la presencia de unos alerones traseros que provoquen un Torque en todo el aparato.
