Cómo vuelan los aviones: aire, presión y sustentación
Las alas modifican el movimiento del aire. La presión y las leyes de Newton permiten entender la fuerza que producen.
Una fuerza que nace del movimiento
Un avión necesita interactuar con el aire para que sus alas produzcan sustentación. Lo importante es el movimiento relativo: puede avanzar el ala a través del aire o puede circular aire alrededor de un ala quieta, como en un túnel de viento. Sin ese movimiento relativo, un ala convencional no genera sustentación aerodinámica.
La sustentación es la componente de la fuerza aerodinámica perpendicular a la dirección del flujo que llega al avión. En un vuelo recto y horizontal estable contribuye a equilibrar el peso. Aunque solemos dibujarla hacia arriba, su dirección cambia cuando el avión inclina las alas.
Presión y desvío del aire describen el mismo fenómeno
Al pasar alrededor del ala, el aire cambia de velocidad y dirección. La presión tampoco es igual en todos los puntos de su superficie. Al sumar las fuerzas que ejerce esa distribución de presión sobre el ala, obtenemos una fuerza aerodinámica cuya componente perpendicular al flujo es la sustentación.
También podemos observar lo que le ocurre al aire: cuando un ala produce sustentación hacia arriba, desvía aire hacia abajo en conjunto. El cambio de movimiento del aire y la fuerza sobre el ala están relacionados por las leyes de Newton. Ambas superficies del ala participan en el proceso.
La explicación mediante presiones y la explicación mediante el movimiento del aire son compatibles. La ecuación de Bernoulli relaciona presión y velocidad bajo determinadas condiciones; las leyes de Newton describen los cambios de movimiento. Para calcular un flujo real hay que aplicar estas relaciones de forma coherente.
El aire no tiene una cita detrás del ala
Una explicación muy extendida afirma que el aire separado en la parte delantera del ala debe reunirse al mismo tiempo en la parte trasera. Según esa historia, el aire de arriba aceleraría porque recorre un camino más largo. Esa obligación de reunirse no existe.
En los ejemplos que analiza la NASA, las partículas que pasan por encima de un ala sustentadora pueden alcanzar la parte trasera antes que las que pasan por debajo. Además, un perfil simétrico puede generar sustentación con un ángulo de ataque adecuado. La diferencia entre las longitudes de ambas caras no explica por sí sola el vuelo.
Inclinar más el ala tiene un límite
El ángulo de ataque es el ángulo entre una línea de referencia del ala, llamada cuerda, y el flujo de aire que llega. Aumentarlo puede incrementar la sustentación, pero solo dentro de cierto intervalo. Si aumenta demasiado, el flujo puede separarse de una parte importante del ala y la sustentación disminuye: es la entrada en pérdida.
También influyen la velocidad respecto al aire, su densidad, la superficie del ala y su forma. Por eso entender cómo vuela un avión exige mirar el conjunto. Una sola frase sobre aire rápido o alas curvas resulta insuficiente para describir todas las condiciones de vuelo.