Potencia inducida y parásita

Uno de los conceptos más importantes para entender el vuelo tiene que ver con el empuje y la potencia del motor. Además de saber lo que significan es esencial conocer los requisitos de ambas. Curiosamente, en los libros de texto para pilotos normalmente se comienza haciendo una descripción exhaustiva de la resistencia, que es una fuerza que actúa en contra del movimiento del avión. Una vez que esto se explica, se pasa a una exposición detallada de los tipos de resistencia y su comportamiento según sea la configuración del avión, su velocidad o su actitud. Por el contrario, a la potencia y al empuje se le da menos importancia, lo cual podría ser apropiado si nos centráramos en el diseño de un avión en concreto, pero es menos útil si lo que queremos es comprender el fenómeno del vuelo. 

Vamos a empezar por clarificar aquí lo que se entiende por Fuerza, Trabajo, Potencia y Empuje. Muchos pilotos confunden estos términos que al fin y al cabo son dimensiones físicas, pero a los cuales les damos diferentes significados en el habla cotidiana.

• La potencia de cualquier motor es la capacidad que tiene este de desarrollar un trabajo. 
• El empuje es la "fuerza" con que la hélice o la turbina tira del avión hacia adelante.

Cuanto más potente es un motor, más capacidad tiene este de generar trabajo en un tiempo dado. O sea, la potencia es la cantidad de trabajo que puede generar un motor en la unidad de tiempo (en el Sistema Internacional es el segundo). El tiempo es pues lo que permite relacionar trabajo y potencia. El trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la letra W (del inglés Work) y se expresa en unidades de energía, esto es en julios o joules (J) en el Sistema Internacional de Unidades. En física se dice que existe trabajo cuando una fuerza aplicada consigue mover o desplazar algo. En la imagen que sigue se puede ver una masa que se desplaza una distancia d al aplicarle una fuerza constante F. Por ese motivo el trabajo es igual a Fuerza por distancia (W = F x d).

Existen varias unidades de medida para la potencia, las más usuales son el watio y los caballos. Los factores de conversión son sencillos: 1Kw (1.000 watios) equivalen a 1,36 Cv de potencia. Ver post donde se explica esta medición. Las cosas se complican un poco cuando tratamos de convertir la potencia en empuje. Por ahora simplificaremos diciendo que gracias a la potencia que entrega el motor conseguimos un empuje. 

Un avión genera empuje hacia adelante cuando la hélice que gira (movida por el motor), empuja el aire hacia atrás o en el caso de los reactores, cunado expulsa los gases expansivos hacia atrás. 

El empuje adelante es proporcional a la masa del aire multiplicada por la velocidad media del flujo de aire. El empuje es por tanto una magnitud de fuerza. No existe una forma directa de pasar de unidad de potencia a empuje, pero con un mismo motor, el empuje será distinto si utilizamos distintas hélices o distintos pasos de hélice. El empuje también varía incluso con una misma hélice o reactor cuando el avión vuela a a diferentes velocidades o en diferentes regímenes. El empuje, que los anglosajones llaman “thrust”, será mayor cuanto más masa de aire pueda ser movida y lanzada hacia atrás y/o al aumentar la velocidad a la que sale ésta proyectada hacia atrás. El producto de la masa de aire movida por la hélice multiplicada por la velocidad a la que se mueve hacia atrás es lo que se llama “cantidad de movimiento” y es una magnitud muy importante a la que también se conoce como “momentum”.

Actuaciones (performance) y rendimiento

La potencia asociada con el vuelo también se relaciona con la demanda del motor y las limitaciones del rendimiento del avión. Por ejemplo, un motor de pistones o atmosférico desarrollará distinta potencia cuando comparamos el vuelo a baja altura y a gran altura. Consideraremos dos tipos de requisitos de potencia. Primer requisito = generar sustentación. Hablamos entonces de la potencia inducida, que es aquella asociada con la producción de sustentación. Esta potencia es igual a la velocidad con la que la energía se transfiere al aire para poder producir sustentación. Al leer la palabra "inducida" en cualquier manual de vuelo siempre debemos pensar en sustentación. La segunda forma de potencia que debemos tener en cuenta es la parásita. Este tipo de potencia está asociada con el impacto del aire en el avión en movimiento. La potencia total es simplemente la suma de las dos potencias: inducida y parásita. 

Potencia inducida y potencia parásita

Veamos primero los requisitos de potencia inducida del vuelo. El ala desarrolla sustentación al acelerar el aire hacia abajo. Antes de que el ala del avión llegue, el aire enfrente de nosotros está quieto. Cuando el ala pasa por el aire, este adquiere una velocidad descendente, y por lo tanto se le ha dado energía cinética. Como se indicó en anteriores posts sobre el tema, si se dispara una bala con una masa m y una velocidad v, la energía que se le da a la bala es simplemente 1/2mv^2. Dado que la potencia inducida es la velocidad a la que la energía se transfiere al aire, esta es proporcional a la cantidad de aire desviado multiplicado por la velocidad vertical al cuadrado de ese aire.

En un post anterior dedicado al downwash, decíamos que en el marco de referencia de un observador que desde el suelo ve pasar un avión, la dirección del downwash es vertical hacia abajo. Ver post.

Pero dado que la sustentación de un ala es proporcional a la cantidad de aire desviado multiplicado por la velocidad vertical de ese aire, podemos hacer una simplificación. La potencia inducida asociada con el vuelo es proporcional a la sustentación del ala multiplicada por la velocidad vertical del aire. 

Ahora veamos la dependencia de la potencia inducida con respecto a la velocidad del avión. Volamos con una cierta velocidad en las figura A creando una velocidad vertical determinada. Sabemos que si la velocidad de un avión se duplicara, la cantidad de aire desviado también se duplicaría (ver figura B). Entonces si queremos que la sustentación siga siendo la misma, el ángulo de ataque debe ajustarse para dar la mitad de la velocidad vertical al aire (C).

La sustentación es constante y la velocidad vertical del downwash se ha reducido a la mitad. Por lo tanto, la potencia inducida se ha reducido a la mitad. De esto podemos deducir que la potencia inducida varía con el inverso de la velocidad o lo que es lo mismo, con 1/velocidad para un factor de  carga constante. Debajo se puede ver otra forma de interpretar lo dicho hasta ahora. Un avión vuela con diferentes ángulos de ataque (2°, 4° y 8°) y para crear la misma sustentación (flecha azul: lift) el piloto vuela a diferentes velocidades.

La potencia inducida se puede ver en el gráfico que sigue como una línea azul discontinua que decrece en función de la velocidad (ver figura). Esto muestra que cuanto más lentamente vuela el avión, mayor es el requerimiento de energía para mantener la sustentación. 

A medida que el avión se ralentiza en vuelo, se debe ir añadiendo más y más potencia hasta que finalmente el avión esté volando a máxima potencia con el morro muy elevado (gran ángulo de ataque). Lo que está sucediendo es que a medida que se reduce la velocidad del avión, se debe dar más y más energía a cada vez menos aire para proporcionar la sustentación necesaria. 

Potencia parásita

La potencia parásita está asociada con la energía que el avión pierde debido a las colisiones con las partículas de aire. Esta potencia es proporcional a la energía promedio que el avión transfiere a una molécula de aire por unidad de tiempo por la tasa o cantidad de colisiones. Al igual que ocurría con la energía dada a la bala del ejemplo anterior, la energía que se pierde en las moléculas de aire es proporcional a la velocidad del avión al cuadrado. La tasa de colisiones es simplemente proporcional a la velocidad del avión. Cuanto más rápido va el avión, mayor es la tasa de colisiones. Así que tenemos una velocidad al cuadrado debido a la energía que se le da a cada molécula y otra velocidad más debido a la tasa de colisión. Esto da como resultado que la potencia parásita varíe según la velocidad al cubo. La potencia parásita en función de la velocidad también se puede ver representada gráficamente en la figura anterior mediante la línea discontinua de color anaranjado.

El hecho de que la potencia parásita sea proporcional a la velocidad del avión al cubo tiene una consecuencia importante para el rendimiento de un avión en su velocidad de crucero, donde está limitado por la potencia parásita. ¡Para que un avión duplique su velocidad de crucero, debería aumentar el tamaño de su motor ocho veces! 

Esto explica el por que que cuando el propietario de un avión quiere modernizar su aeronave y le instala un nuevo y potente motor, obtiene una mejora en la velocidad de ascenso y viraje del avión, pero solo un modesto incremento en la velocidad de crucero. Para aumentar sustancialmente la velocidad del avión, la potencia parásita debe disminuir. Las características de diseño tales como el tren de aterrizaje retráctil, secciones transversales más pequeñas del fuselaje y un diseño de ala mejorado lo logran.