Pregunta tonta: ¿Por qué vuela un avión? mitos y leyendas Parte II

Terminábamos nuestro anterior post sobre este tema diciendo que en realidad la sustentación se consigue deflectando aire hacia abajo. No hacíamos referencia a las teorías populares, pues introducen elementos ciertos que luego se combinan con otros falsos. Entonces ¿Como hace el ala para redireccionar el flujo de aire? Para explicar esto echemos un vistazo a la imagen. Aquí es fácil aceptar que la parte baja del flujo debe por fuerza ir hacia abajo ¿No? 

En realidad cuando el aire choca con la parte del intradós no tienen otro sitio a donde ir. Esto es parecido al argumento esgrimido por, los que consideran que la sustentación se debe precisamente a la deflexión de partículas, pero no es lo mismo. Aquí lo que se dice es que se ha cambiado la dirección del flujo hacia abajo. Pero ¿Que ocurre en la parte alta (el extradós)? Por que el flujo sigue la línea de la flecha azul (hacia abajo), en vez de seguir recto, como en la línea roja?

Esto en cambio no es fácil de aceptar porque a simple vista no nos parece intuitivo. La realidad es que de hecho el flujo de aire si que puede ir recto, como en la línea roja. No tiene por qué pegarse al perfil alar. Este concepto es bien conocido por los ingenieros aeronáuticos y se llama "separación", tal cual ocurre en una situación de pérdida. Tal como se puede ver en esta extraordinaria fotografía, la parte que pasa por debajo del perfil alar si que cambia de dirección, pero en la parte alta es flujo se separa.

Esto es un ejemplo de que en realidad puede pasar. Pero lo que decimos nosotros es también cierto. En condiciones normales el flujo se pega a la parte superior del ala y esta hace que el flujo cambie de dirección, tal como se puede ver en esta otra (igualmente impresionante) fotografía computerizada que se muestra a continuación.

Aquí se puede ver el flujo sobre un perfila alar muy curvado. Este perfil alar en realidad está usando Slats y Flaps, que es la configuración típica para un aterrizaje. Curvatura máxima. Como se puede ver la mayor parte del flujo permanece "pegado" al ala. Se puede apreciar la parte trasera donde empieza la separación, con algo de turbulencia, pero la gran mayoría del flujo permanece pegado en su camino hacia la parte trasera del ala. Los ingenieros aeronáuticos precisamente lo que hacen es diseñar este tipo de perfiles para que el aire se pegue lo más posible al ala. Estos son los perfiles más eficientes que existen en la actualidad. Hablamos de perfiles alares de la familia E-Jet, el C-Series de Bombardier, el A-350 y el Boeing 787 por poner unos ejemplos. Apenas ofrecen separación en un amplio rango de maniobras, tienen grandes características aerodinámicas y poca resistencia al avance. Así que ¿Cómo se curva el fluido? 

Posibilidades

¿Es posible que exista un espacio vacío entre el aire que pasa por debajo y el que pasa por arriba? Respuesta: no.

Efectivamente, en realidad al aire (como a la mayoría de fluidos) no les gustan los espacios vacíos... por eso mismo el agua adopta la forma de su contenedor. 

Hay otras explicaciones que dicen que lo que se produce es una succión. Pues algo debe de haber... si no puede existir el vacío. Respuesta: no.

Si existiera una succión eso explicaría que el flujo se pegara. También podría ser por culpa de la viscosidad del aire. Pero no. Nada de eso es así. ¿Recirculación quizás? Si existiera en esta región una recirculación del aire este efectuaría círculos o corrientes circulares. Haciendo estos círculos se podría llegar a explicar cómo y por qué se pega el flujo al ala. Pero no, esto tampoco es así.

Mucha gente cree que es por la viscosidad del fluido (nos vamos acercando), pero en realidad el aire no es tan viscoso como para mantener sus partículas pegadas a una superficie. No es como la miel ni mucho menos. De hecho, los ingenieros aeronáuticos muchas veces asumen en sus cálculos que el aire tiene viscosidad cero y más tarde lo que hacen es introducir una serie de correcciones. ¡Suena igual que ser programador! Jajaja... lo siento no he podido resistirme :)

El efecto Coanda

Sí, ya sé que has oído hablar de él. Tal cual explicamos a los niños cuando soplamos encima de una hoja de papel y ellos ven como esta se levanta. O cuando dejamos correr el agua del grifo por encima de una cucharilla y vemos que la corriente de agua cambia de dirección. Esto sí ocurre en la realidad. Es lo que llamamos arrastre o entrainment en inglés. Es el efecto de unas partículas del fluido que ejercen su influencia en otras. Es muy intuitivo y se puede ver en la vida real en muchas situaciones. Cuando se sopla o se produce una corriente de aire por encima de un perfila alar esto también ocurre. 

Pero darle un nombre a las cosas no explica el por qué, así que debemos de dar más explicaciones intuitivas. Vamos a tratar de simplificar las cosas al máximo, pero aun así se requiere un poco de abstracción para entender alguna de estas explicaciones. Un poco de paciencia.

Supongamos que tenemos un fluido invisible y que este fluido no tiene ninguna viscosidad así que la única forma de que este fluido cambie de dirección es que se ejerza alguna forma de presión. La presión es algo que consideramos como isotrópico, es decir  uniforme y que actúa normalmente (ortogonalmente) en el elemento inmerso en el fluido. Esta presión por lo tanto no puede causar por ejemplo que un elemento rote porque actúa en todas direcciones.

Ahora bien sabemos que en un perfil alar no puede haber una zona de remanso detrás del ala (stagnation) porque precisamente Bernouilli nos dice que las presiones deben de ser diferentes. 

Tampoco puede haber recirculación, porque como hemos visto antes, la presión actúa normalmente de forma isotrópica impidiendo la rotación.

Tampoco puede haber succión, ¿Por qué? Pues sencillamente porque existen las llamadas cizalladuras o cortes en las corrientes de aire. El fluido aéreo se comporta de esta forma. Se producen cortes o cizalladuras que impiden la recirculación o cualquiera de las otras posibilidades discutidas anteriormente.

Entonces, lo que ocurre es esto. El aire se divide a la entrada y se vuelve a juntar a la salida. Pero no lo vemos porque como hemos dicho anteriormente el fluido es invisible... por eso mismo lo vamos pintar con las flechas azules. Bien, ahora lo vemos en la ilustración.

...no, no tan rápido ¿Podría ser también algo así? 

...pues si, realmente también podría ser así. Podría suceder. Una vez que especulas con la posibilidad de que no exista la viscosidad, entras en un mundo de gran diversidad de opciones para el flujo. ¿Cuántas opciones o soluciones? pues en realidad habría infinitas soluciones. No nos vamos a meter ahora con esto, pero si le preguntamos a un matemático este nos dirá que sí, que en realidad existen infinitas soluciones para este caso. Aquí vemos tres de ellas y todas igualmente válidas.

Cada una de estas soluciones es igualmente ingeniosa y atractiva, pero lo que es peor... puede ser correcta e invalidar nuestra explicación. Esto es lo que pasa cuando haces asunciones con respecto a que no exista viscosidad (...o cualquier otra cosa que en realidad sí que existe). Sin embargo, y aquí viene lo interesante, se puede demostrar también que el aire puede curvarse en cualquier dirección, excepto en los puntos de remanso. Solo hay dos puntos de remanso o "stagnation points" en el ala. Donde el aire impacta con la superficie y a la salida. Así pues es necesario tener en cuenta que un cierto grado de viscosidad si que existe o debe de existir por pequeño que este sea. De hecho esta y no otra es la clave para encontrar la solución correcta. 

¿Como? ¿Que has oído hablar del efecto Coanda y no has oído hablar de la condición de Kutta? ¡No me lo puedo creer! 

El borde de salida (trailing edge) del ala es un ángulo agudo "muy afilado", si el aire siguiera la parte inferior del ala, realmente sería un giro muy brusco, incluso excesivo para el flujo como el aire dar la vuelta en ese punto. De hecho el aire no hace el giro. El nombre de esta situación o condición se debe al matemático alemán  Martin Wilhelm Kutta, que descubrió que: "A body with a sharp trailing edge which is moving through a fluid will create about itself a circulation of sufficient strength to hold the rear stagnation point at the trailing edge." y que traducido podría ser algo así como: cualquier cuerpo con un borde de salida afilado que se desplaza por un fluido, crea alrededor del mismo cuerpo una circulación lo suficientemente fuerte como para mantener un punto de remanso en el borde de salida.

Por ello las flechas azules de la ilustración superior son reales (es lo que ocurre en la naturaleza "physical"), las rojas no lo pueden ser (son "non-physical" o soluciones no válidas). Este Kutta nos ha resuelto el problema. El flujo de aire no puede efectuar giros muy cerrados porque existe algo llamado capa límite (boundary layer) y la famosa separación. Por todo esto y tal como vimos más arriba en esta ilustración...

La única solución posible sería el ejemplo de en medio o algo parecido. Ya no tenemos un número infinito de soluciones. Entonces vemos que la viscosidad aunque sea muy poca, si juega un papel muy importante.

Tal como se puede ver en las ilustraciones de abajo. Un fluido poco viscoso como el aire, tiene un efecto limitado y localizado en lo que se conoce como la capa límite alrededor del perfil alar. En estas regiones muy cercanas a la estructura, la velocidad del aire llega a ser cero en contacto con la superficie del ala. Esta es la razón por la que algunas gotitas de lluvia en las ventanillas y parabrisas de los coches (y también en los aviones) no son barridas por el aire. Fuera de estas delgadas regiones el fluido aéreo si se comporta como si no fuera viscoso y evoluciona tal cual hemos dicho anteriormente en nuestro modelo teórico (no viscoso).

La "verdadera" distribución de presiones

En la imagen inferior se muestra una solución computarizada de la distribución de presiones alrededor de un perfila alar NACA 2412. Esta imagen ilustra muy bien todo lo que hemos venido comentando hasta ahora. Las áreas de altas presiones son las de color rojizo, cambiando hacia el azulado cuanta menos presión haya. La presión está medida en atmósferas y también se pueden ver los gradientes y los giros del flujo. 

Tal como se puede ver, lo que hace la presión en la realidad es bastante diferente a lo que se suele contar en las academias de vuelo. En cualquier clase para pilotos se suele decir eso de que tenemos menos presión en la parte del extradós y más presión en el intradós, lo cual genera la sustentación. Bueno, pues aquí se puede ver que en realidad eso no es como se cuenta. De hecho en la imagen se pueden ver los contornos de la presión y como estos son máximos justo debajo del borde de ataque (rojizo). También son muy elevados en el borde de salida (el segundo punto con más presión con colores anaranjados). Esta imagen explica bastante bien el por qué tenemos mayor presión en la parte frontal del perfil. El cómputo de todas estas presiones nos da como resultado el famoso centro de presiones del ala, que como en casi todos los casos se encuentra situado en un punto cercano a 1/4 de la cuerda.

En la parte superior junto al borde de ataque se puede ver el área de más bajas presiones de todo el perfil alar (azulado). !Sorpresa! !Solo en la misma punta! Después la presión crece considerablemente. En realidad esto no es un problema en absoluto, al contrario, pues tener esa diferencia de presiones al comienzo facilita el giro del aire por encima del borde de ataque. Esto es lo que se denomina un "gradiente de presión favorable". Pero una vez que el flujo de aire se encuentra ya por encima, esta zona se convierte en un área o "gradiente de presión adverso" (la presión aumenta según nos acercamos a la salida). Esto quiere decir que es más fácil que tengamos separación en este área antes que en otras. Este área superior del ala es por lo tanto donde se suele producir la separación del flujo causando la pérdida de sustentación.

Como vemos el gradiente de presión adverso en la parte superior del perfil puede causar la separación del flujo, pero la capa límite (debido a esa viscosidad) no se llega a separar inmediatamente en el primer punto donde encuentra gradiente de presión adverso. En vez de eso la capa límite adelgaza en grosor (cercano a la separación) según el flujo se mueve hacia el borde de salida. Finalmente ocurre la separación justo un poco antes de alcanzar el borde de salida. Solo en el caso de  que el borde de ataque sea muy estrecho generando un giro del aire muy brusco y que el ángulo de ataque sea muy alto, tendríamos una separación en ese punto. Pero eso no es lo típico precisamente por lo que comentamos anteriormente de que la capa límite mantiene su velocidad sobre el perfil después del gradiente de presión favorable.  

Resumiendo

El ala simplemente crea sustentación porque deflecta el aire hacia abajo. En concreto se puede decir que existe un gradiente (flujo potencial) y 

el flujo potencial + el efecto Kutta = flujo del aire hacia abajo. 

Las teorías populares como: las partículas que transitan tiempos iguales, la teoría cinética (3a Ley de Newton), la teoría del efecto Venturi, etc. no son ciertas (son falacias) e inducen a la confusión. Si metemos encima la ecuación de Bernouilli por medio la vamos a acabar de liar, pues la ecuación es verdadera, pero lo que tratamos de explicar con ella no lo es.

Si queremos explicar un poco más el flujo curvado, podemos hacer referencia o teorizar con la existencia de un fluido no viscoso para ver como este puede seguir una curvatura determinada. Para que no existan soluciones ambiguas (matemáticamente posibles) se debe de volver a introducir el concepto de la ligera viscosidad del aire para poder explicar cómo actúa la capa límite y por qué esta no acaba separándose en el primer punto del ala. Si un lego en la materia nos pregunta y nos pide una explicación rápida de por qué vuela un avión yo me inclinaría por este tipo de explicación:

Un avión vuela porque posee una herramienta llamada ala que está especialmente diseñada para cambiar la dirección de la corriente de aire. Cuando el aire sale hacia abajo el ala se ve impulsada hacia arriba.

Ojo, esto que aquí se dice solo funciona en vuelo subsónico. El vuelo supersónico es otra historia. 

Actualización (13-01-2016): Muy buena entrada de Wicho en Microsiervos (ver el PDF)

http://www.microsiervos.com/archivo/humor/por-que-vuela-un-avion-nadie-lo-sabe.html