Eficiencia: ala infinita, ala fija y rotatoria

El vuelo requiere mucha energía, pero todavía mucha gente piensa, de forma equivocada, que para producir sustentación un ala requiere muy poca energía y que no existe en realidad un aire que cambia de dirección hacia abajo cuando este deja el ala. En realidad, este concepto erróneo tan generalizado es fácil de entender. En aerodinámica, muchos cálculos se realizan con superficies bidimensionales. Es lo que se conoce como alas infinitas. Esto se hace porque (aunque pueda parecer lo contrario) un ala infinita es mucho más fácil de calcular que una de longitud finita definida. 

El ala infinita

El ala de una aeronave puede tener (en teoría) innumerables configuraciones, derivadas de la forma, posición, diedro, características de alabeo, flecha, partes móviles, etc, etc. Debido al altísimo número de variables, existe la imposibilidad de poder definir en una sola ala teórica todos los parámetros que permitieran determinar sus características aerodinámicas independientemente de la arquitectura del ala. Esto sugirió a los estudiosos que el procedimiento debía de ser diferente. Se concluyó que lo ideal era comenzar el diseño a partir del estudio de un ala rectangular genérica bidimensional y de extensión infinita, para luego corregir los resultados teóricos y observar la influencia de las otras características relativas a la construcción.

En otras palabras, el estudio aerodinámico inicial de un ala siempre es teórico y basado en la hipótesis de un ala infinita rectangular inmersa en un fluido en régimen incompresible. Posteriormente se realizan las modificaciones y se estudian los efectos relacionados con las características morfológicas mencionadas anteriormente. Estudiar un ala significa deducir su rendimiento aerodinámico; es decir, derivar la sustentación, la resistencia y el momento aerodinámico que se producen, cuando interactúa es un fluido de ciertas propiedades físicas.

El resultado se puede obtener utilizando dos métodos diferentes:
El primero consiste en recurrir a la ayuda de túneles aerodinámicos y escalas dinamométricas, el segundo se basa en procedimientos exclusivamente físico-matemáticos. A veces, estos procedimientos están integrados y el resultado teórico-matemático se ve respaldado por la confirmación experimental.

La eficiencia de un ala aumenta con la envergadura. El ala, como hemos dicho, desvía una cantidad de aire hacia abajo (el donwash). La cantidad de aire desviado aumenta con el área del ala, cuanta más "cantidad de ala" más aire se desvía. Por lo tanto, un ala infinita desvía una cantidad infinita de aire a velocidad cero para producir sustentación y por lo tanto es infinitamente eficiente. De ahí viene que se piense  que el ala infinita no requiere energía para producir sustentación. Por supuesto, esto no es lo que ocurre en un ala tridimensional real. Debajo se puede ver la cantidad de masa que un avión debe de levantar en el vuelo. Del total, la masa por la cual vamos a recibir dinero es la llamada carga de pago. El resto es algo con lo que los aviones deben de volar por fuerza.


Veamos ahora la física asociada con la eficiencia de la sustentación. Esto nos ayudará a entender cosas como por qué los helicópteros (...y los tan cacareados aero-taxis) son menos eficiente que las aeronaves de ala fija. El primer punto a considerar es que la fuerza que produce la sustentación es proporcional al impulso o cantidad de movimiento (mv, donde m es la masa del aire y v es la velocidad vertical de este) que se transfiere al aire por unidad de tiempo. Por lo tanto, o la aceleración de más masa o la aceleración del aire haciendo que aumente de velocidad, puede aumentar la sustentación. La sustentación por supuesto es el producto final deseado, la manera como se consiga es otra historia.

En la mecánica del vuelo, la potencia inducida consumida es proporcional a la cantidad de energía cinética (1/2mv2) que se le da al aire. Para una sustentación determinada, la energía consumida debe ser minimizada. Es decir, queremos producir la sustentación deseada con la menor potencia inducida. Por lo tanto, debemos de intentar hacer m lo más grande posible y reducir v al valor más pequeño posible. 

Para una máxima eficiencia al generar sustentación, debemos acelerar una gran cantidad de aire a la velocidad más baja posible. 

El punto clave es por lo tanto, acelerar una gran cantidad de aire a la velocidad más baja posible. Esto proporciona la sustentación deseada con la menor energía transferida al aire. Debido a que los rotores en un helicóptero son bastante pequeños para el peso de la aeronave, estos deben acelerar una cantidad relativamente pequeña de aire a una alta velocidad (alta energía cinética) para producir la sustentación necesaria. Esto es muy ineficiente. Se puede emplear un argumento similar para entender por qué un avión convencional (no acrobático) no puede "colgarse" de su hélice. Aunque el motor está produciendo suficiente potencia para levantar el avión con las alas, la hélice acelera demasiado poco aire a una velocidad demasiado alta para producir la sustentación necesaria por sí misma. Un avión que si puede "colgarse" de sus hélices es el Bell-Boeing V-22 Osprey que puede inclinar sus rotores.


Las hélices extremas, o prop-rotores (a veces denominados tilt-rotores) que equipan a este aparato, desvían una gran cantidad de aire, permitiendo que los motores produzcan suficiente empuje para levantar la nave verticalmente del suelo antes de que giren (se inclinen) hacia adelante para el vuelo horizontal. Aún así este tipo de aeronave resulta muy ineficiente para una explotación comercial y su empleo se limita casi exclusivamente al ámbito militar. Esta es una de las razones por las cuales no veremos los famosos aero-taxis eléctricos en muchos años.

¿Qué avión necesito para mi compañía?

En el mundo civil, el consumo específico de la aeronave es una medida de la cantidad de combustible que necesita operar. Con ello una empresa puede calcular el consumo de una sola aeronave o una flota de aeronaves de tipos diferentes, el consumo en relación con un servicio específico (es decir, número de pasajeros o tonelada de carga) y la distancia entre puntos de viaje. Se puede expresar de varias maneras, por ejemplo, por los litros o kilogramos de combustible consumido por pasajero por kilómetro.


Con estos mimbres una compañía aérea empieza a decidir cual es el avión ideal para un tipo de operación determinado. Cuando realicé el MBA en Gestión de Empresas Aeronáuticas el trabajo final fue precisamente crear una pequeña compañía con solo tres aeronaves para que fuera rentable en trayectos de corto y medio recorrido. Los tres marcados en blanco destacan sobre los demás. El Boeing 757 lleva a más pasajeros, el A320 Neo es el más eficiente por asiento y el Saab 340 (turbohélice) el que consume menos. No es tan sencillo como parece. ¿Qué tipo de operación, aviones y rutas elegiría el lector?

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