Comprender el vuelo de forma sencilla: el downwash

Un buen amigo que no sabe nada de aviones, a pesar de que es un tío espabilado, me comentaba hace poco eso de que no entiende la razón final por la que un avión pude sostenerse en el aire. Para ti querido amigo va esta entrada simplificada al máximo. A ver si te puedo ayudar explicando lo que es el "Downwash".

En aerodinámica en general y en aeronáutica en particular, se define el "downwash" como el cambio en la dirección del aire desviado por la acción aerodinámica de una superficie, como la pala del rotor de un helicóptero o un ala de un avión en movimiento, como parte del proceso de producción de sustentación. Ya hemos dicho alguna vez en este blog que para no complicar las cosas y alejarnos de los textos académicos, un ala debe de verse como una herramienta diseñada precisamente para lanzar o impulsar el aire a su paso hacia abajo. Esa es la explicación más sencilla que se le puede dar a una persona corriente sobre que es lo que hace que un avión se sostenga en el aire sin tener que recurrir a fórmulas.

Esto es algo bastante intuítivo si miramos la forma del ala y vemos lo que ocurre con el efecto coanda en una cucharilla, pero es que también es explicable cuando vemos la distribución de presiones entre el intradós y el extradós.

El que un avión se sostenga en el aire o que un perfil aerodinámico genere sustentación es un ejemplo perfecto de la aplicación de la tercera ley de movimiento de Newton: la fuerza requerida para crear el flujo descendente es igual en magnitud y opuesta en la dirección a la fuerza de sustentación en el perfil aerodinámico. La sustentación es una fuerza, y como tal, se puede medir aplicando por ejemplo la segunda ley de Newton.

La sustentación creada en un perfil aerodinámico también es un ejemplo del teorema de Kutta-Joukowski: la condición de Kutta explica la existencia de un flujo descendente en el borde posterior del ala, tal como comentamos en los posts dedicados a la "pregunta tonta" ¿Por qué vuela un avión?

El aire detrás del ala va casi hacia abajo cuando se ve desde la tierra.

El vuelo es pura física y para entender la mayor parte de la física es fundamental entender lo que se conoce como conservación del momento (el famoso péndulo de Newton). 

Como decíamos más arriba, de la segunda ley de Newton se puede establecer la relación entre la sustentación de un ala y su downwash o aire desviado hacia abajo. La sustentación de un ala es proporcional a la cantidad de aire desviado por unidad tiempo, multiplicado por la velocidad vertical de ese aire. De forma similar al principio de operación de un cohete, uno puede aumentar la sustentación de un ala aumentando la cantidad de aire desviado, la velocidad vertical de ese aire, o una combinación de los dos. El concepto de velocidad vertical de el downwash puede parecer un poco extraño al principio. Todos estamos acostumbrados a pensar en el flujo de aire a través de un ala desde el punto de vista del piloto o según como se ve en un túnel de viento. En este "marco de referencia artificial y estático" el ala está estacionaria y el aire se mueve. Pero, ¿qué aspecto tiene el mundo en el marco de referencia dinámico, donde el aire se detiene inicialmente y es el ala la que se mueve? Imagínate querido lector que estás en la cima de una montaña. Ahora supongamos que vemos como un avión Learjet 45 pasa enfrente de nosotros. Con una cámara convenientemente modificada y preparada podríamos intentar tomar una fotografía de todas las velocidades del aire. ¿Qué verías? Te sorprenderías.

Lo primero que notarías es que el aire detrás del ala esta fluyendo casi recto en vertical hacia abajo cuando se ve desde la tierra. (Debido a la fricción con el ala, de hecho tiene una ligera dirección en el sentido del avance). ¿Te has quedado ojiplático? No te preocupes. La verosimilitud de esta afirmación es bastante fácil de demostrar. Enciende un pequeño ventilador doméstico y examina lo compacto y la dirección de la columna de aire que se forma. Si el aire que sale de los bordes posteriores de las palas del ventilador (que son realmente como alas) lo hiciera de forma no perpendicular a la dirección del movimiento de las palas, el aire entonces formaría un cono en lugar de una columna. Esto también se puede ver en la imagen de un helicóptero flotando sobre el agua (ver figura debajo). El patrón que se forma en el agua es del mismo tamaño que las palas del rotor. 

En realidad es una suerte que la naturaleza funcione de esta manera. Si el aire detrás de la hélice de un avión se desprendiera como un cono en lugar de una columna compacta de aire, las hélices serían un medio de propulsión mucho menos eficiente. El aire que se expande en un lado del flujo de aire simplemente compensaría la expansión del aire en el otro lado y no contribuiría al empuje.

El ala desarrolla sustentación al transferir impulso al aire. El impulso es la velocidad de la masa por la velocidad. En vuelo recto y nivelado, el impulso se transfiere hacia la tierra. Este momento eventualmente golpea la tierra. Si un avión volara sobre una báscula enorme, la báscula pesaría realmente el avión. Ver post con vídeo donde se demuestra esto de forma muy ingeniosa con un drone: 

https://greatbustardsflight.blogspot.com/2018/02/como-funciona-el-ala-de-un-avion.html

¿ENTONCES LA TIERRA SOPORTA EL AEROPLANO?

Esto que hemos explicado de forma muy simplificada no debe confundirse con el concepto (erróneo) de que la tierra de alguna manera soporta el avión. No es así. La creación de sustentación de un ala es muy parecido a dispararle a un árbol con una escopeta. La sustentación es algo así como el retroceso que siente el tirador, ya sea que los perdigones golpeen el árbol o no. Si los perdigones alcanzan el árbol, el árbol experimenta el evento pero no tiene nada que ver con el retroceso del arma que nosotros sentimos en el hombro.

Algunos insisten en que, dado que el avión ejerce una fuerza sobre la tierra, en un vuelo recto y nivelado, la tierra está de alguna manera sosteniendo el avión. Este definitivamente no es el caso. La sustentación en el ala no tiene nada que ver con la presencia de la superficie de la tierra. El examen cuidadoso de dos ejemplos simples puede demostrar esto de forma clara. El primer ejemplo es considerar el empuje de una hélice, que es solo un ala giratoria. Ciertamente no desarrolla su impulso debido a la presencia de la superficie de la tierra. Tampoco la presencia de la tierra puede proporcionar la componente horizontal de la sustentación en un alabeo muy pronunciado. El segundo ejemplo a considerar es el vuelo del Concorde. Este maravilloso avión volaba en crucero a Mach 2 a 55,000 pies (16,000 m) sobre la tierra. La información de presión del jet no se puede comunicar a la tierra y estar de vuelta más rápido que la velocidad del sonido. Para cuando la Tierra "supiera" que el Concorde estaba allí, este ya se había ido. Espero que esta sencilla explicación no te haya dejado 0|0 y que ahora entiendas un poco mejor lo del vuelo.