Perfiles aerodinámicos: sustentación

Mucha gente aficionada a la aviación ha asistido a alguna exhibición aérea. Son ocasiones muy especiales donde podemos ver in situ los verdaderos aviones y también es un buen momento para hacer un estudio sociológico informal. Me refiero al comportamiento de la multitud. Después de un tiempo al sol viendo aviones, la mayoría de nosotros acabamos por resguardarnos y nos reunimos bajo el ala de algún avión, como se muestra en la Figura 1.1.

Ilustración 1.1

Bajo un sol abrasador, la multitud migra buscando cobijo a la sombra protectora de las alas de enormes aviones, preferiblemente un bombardero de grandes dimensiones como el B-1 o similar; cualquier cosa que tenga una buena ala. ¡Hemos descubierto otro uso práctico para las alas de los aviones! 

En este artículo vamos a hablar de la razón de ser de las alas. Todos tenemos una idea intuitiva del ala, pero aquí yo me quedaría con la idea ingenieril que aseguraba que las alas son simplemente amplificadores de empuje. Como suena. Podríamos usar cohetes para ir del punto A al punto B, pero eso sería increíblemente ineficiente en lo que respecta al consumo de combustible, también sería más ruidoso y muy dañino para el medio ambiente. Ahí es donde entran en juego las alas. 

Las alas proporcionan una capacidad similar para desafiar la gravedad, pero a una fracción del consumo de combustible en comparación con los cohetes. En lugar de usar fuerza bruta dirigida, las alas tienen una característica única; generan una fuerza que es perpendicular a la dirección del movimiento. Los aviones se mueven horizontalmente, pero las alas se elevan verticalmente (SUSTENTACIÓN). Esta “magia” de la física es simplemente el resultado de cómo el aire fluye sobre las alas. 

 Ilustración 1.1b

Este trabajo trata sobre cómo se crea la sustentación, cómo estimarla y cómo producirla. El origen de la sustentación es muy simple: es el resultado de tener una menor presión de aire sobre el ala que debajo de ella. El aire no puede generar fuerzas directas sobre un ala como lo hace un martillo. En su lugar, solo puede generar fuerzas a través de dos métodos: presión y fricción. Esas son las únicas dos formas. La sustentación proviene de una diferencia de presión entre las superficies superior e inferior del ala. Un concepto bastante sencillo, ¿no? Sin duda, hay muchas teorías sobre qué causa la diferencia de presión requerida. Ahí es donde la gente se pone campanuda y empieza a discutir acaloradamente. ¿Ocurre por Bernoulli? ¿Es debido a la transferencia de impulso? Como se suele decir en inglés, el diablo está en los detalles, o lo que es lo mismo, existen muchas más cosas involucradas. Las alas no son las únicas cosas que pueden crear sustentación; una lámina de madera contrachapada también puede generar mucha sustentación. A diferencia de un ala, por supuesto, una lámina de madera contrachapada es aerodinámicamente muy ineficiente. El secreto para hacer que este milagro de diferencia de presiones sea más eficiente es usar una sección transversal con una forma especial que impedirá la separación del aire en la parte delantera.

La madera contrachapada tiene un borde muy afilado cuando se enfrenta al viento (borde de ataque), lo que genera montones de resistencia (DRAG); esa es la fuerza que dificulta el avance, nos impide avanzar tan rápido como nos gustaría. Históricamente, las buenas alas utilizan formas de sección transversal que son redondeadas en la parte delantera y afiladas en la parte posterior. Llamamos a esta forma un perfil aerodinámico (Figura 1.2). Hay partes del mundo que usan diferentes nombres como aerofoil (a veces airfoil) o simplemente perfil.

Ilustración 1.2 - Forma de un perfil alar en 2D

Técnicamente, los perfiles aerodinámicos son formas bidimensionales planas y no pueden producir ningún tipo de sustentación; un concepto estupendo para ser representado en papel, pero pésimo para generar sustentación. Tendríamos que extruir (estirar) un perfil aerodinámico en la tercera dimensión para crear un objeto que pueda generar sustentación. Llamamos a esta forma extruida una sección de ala (ver Figura 1.3).  

Ilustración 1.3 - Sección alar

De esta forma tendremos un dispositivo que genera diferencia de presiones y que dará lugar a una fuerza de sustentación vertical y una ligera deflexión del aire hacia abajo en la parte trasera (llamada borde de salida). ¿Es eso tan importante? Por supuesto. Millones de aerolíneas se preocupan porque ese resultado sea lo más eficiente posible. 

La naturaleza dirigirá el flujo de aire alrededor de una sección del ala para que el aire obedezca las leyes de conservación de la masa y el impulso. Si se obedece la física del mundo real, parte del aire que se aproxima pasará por encima de la sección del ala y parte pasará por debajo de la sección del ala. El punto en el borde de ataque donde se divide el flujo que se aproxima se denomina punto de estancamiento o punto de remanso. Curiosamente, la velocidad del aire en ese punto es cero. Hay otro punto de estancamiento en el borde de salida, donde estas dos masas de aire que viajan por arriba y por abajo se vuelven a juntar. La Figura 1.4 ilustra estos puntos de estancamiento.

 

Ilustración 1.4

La presión del aire a lo largo de las superficies superior e inferior puede variar enormemente. Por lo general, cae por debajo de la presión ambiental a lo largo de la superficie superior, especialmente si la sección del ala está inclinada hacia arriba. Para un perfil aerodinámico que genere sustentación, el flujo de aire que pasa por arriba normalmente se acelera más rápido que el aire de debajo. Pensemos en esto como si el aire de la parte delantera llenara rápidamente el vacío de todo el aire que acaba de salir hacia abajo por detrás del ala. Por el famoso efecto de Bernoulli, sabemos que cuando el aire se acelera, la presión de este cae. El resultado final es que la diferencia de presión entre la superficie superior e inferior literalmente succiona el ala hacia arriba.

Para concluir la idea, pensemos que la sustentación proviene de un trabajo combinado del ala que succiona hacia arriba y esa misma ala que desvía parte del aire hacia abajo. Los efectos están tan intrínsecamente vinculados entre sí que podemos calcular la fuerza de sustentación simplemente midiendo las presiones superficiales alrededor de la sección del ala. Ese es uno de los métodos que usan los túneles de viento para medir las fuerzas de sustentación y los momentos de cabeceo en un modelo de sección de ala. Muchos túneles de viento avanzados utilizan una técnica diferente para la resistencia que mide cuánto impulso "roba" el modelo del flujo de aire que se aproxima a través de la capa límite; entraremos en eso más tarde. 

Una última nota sobre la sustentación. Una sección de ala expuesta a una corriente de viento genera una sola fuerza conjunta, generalmente apuntando hacia arriba vertical y ligeramente hacia atrás. A esto lo llamamos la fuerza resultante. La sustentación es la parte de esa fuerza que es perpendicular a la dirección de desplazamiento, no la dirección a la que apunta el perfil aerodinámico. La resistencia es la parte que es paralela a la dirección de desplazamiento. Consulte la Figura 1.5 para ver una ilustración. 

 Ilustración 1.5

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Si te interesan estos temas quizás te guste el nuevo libro del Blog: Perfiles aerodinámicos para torpes.

Después del éxito cosechado por el anterior libro dedicado a comprender la función del ala, Perfiles aerodinámicos para torpes es el nuevo libro del Blog de la Gran Avutarda que ya está a la venta en Bubok.

Este pequeño libro es una introducción concisa y sin complicaciones al mundillo de los perfiles aerodinámicos. Un trabajo hecho para gente que siente curiosidad por el tema pero que no tiene conocimientos previos. No se han incluido fórmulas complejas intencionadamente para que todo el mundo pueda entender las explicaciones. 

El Anexo al final es una compilación de varios artículos del Blog de la Gran Avutarda relacionados con el tema para ayudar a clarificar las ideas de la primera parte. 

DETALLES:

• Autor: Manuel M. Represa Suevos
• Estado: Público
• N° de páginas: 115
• Tamaño: 150x210
• Interior: Blanco y negro
• Maquetación: Rústica (tapa blanda)
• Acabado portada: Brillo

Ya se puede adquirir en Bubok como de costumbre. Puedes echar un vistazo al interior en:

https://www.bubok.es/libros/270690/Perfiles-aerodinamicos-para-torpes

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Otro libro: Comprender la función del ala

El ala de un avión es la herramienta básica que permite el vuelo. En este libro, a través de una serie de artículos de carácter divulgativo, vamos a intentar ofrecer al lector interesado en el tema una visión más completa de lo que representan las alas de los aviones. 

Existen infinidad de términos que a primera vista parecen sencillos, pero tienen un fondo y una definición mucho más complicada de lo que parece. Aun así, vamos a intentar hacer gala del leitmotiv principal de este libro de divulgación aeronáutica y vamos a hablar de cosas complejas en términos simples. 

Para aquellos lectores interesados y con capacidad suficiente para entender los formalismos matemáticos, les remito a que consulten los textos especializados, porque seguramente aquí no van encontrar lo que buscan.

N° de páginas: 352

Tamaño: 150x210

Interior: Blanco y negro

Maquetación: Rústica (tapa blanda)

Acabado portada: Brillo

Temas que se tratan en el libro:

• Comprender el ala de los aviones        
• La era del transporte comercial a reacción        
• ¿Puede volar un avión sin alas? 
• Belleza, forma y función de la planta alar 
• ¿Qué es un perfil alar?
• El código NACA de 4 y 5 dígitos
• El ala, su forma y su nomenclatura
• Aerodinámica básica para pilotos: sustentación (I)
• Aerodinámica básica para pilotos: sustentación (II) 
• La forma del ala: ala en flecha Vs ala recta
• Mas sobre aerodinámica del reactor con ala en flecha
• Ala con diedro Vs ala recta 
• Doblando agua con una taza para entender el vuelo
• Variando la sustentación con el downwash y el ángulo de ataque 
• El ala como herramienta para producir sustentación
• Sustentación = capacidad de mover aire
• Explicaciones equivalentes de la sustentación: Bernoulli Vs Newton 
• Aerodinámica para una mejor economía de combustible 
• Número y posición de las alas
• El MAC o cuerda aerodinámica media 
• ¿Qué parámetros se tienen en cuenta cuando se diseña un ala? 
• La capa límite
• El número de Reynolds
• Distribución de la sustentación a lo largo del ala
• El efecto suelo
• El área del ala y el Yehudi
• Envergadura, dispositivos de punta de ala y relación de aspecto 
• Alas de envergadura desechable y otras "locuras" 
• La geometría variable en aviones de superioridad aérea
• ¿Spoilers o aerofrenos? No son lo mismo 
• La punta de ala con aflechamiento (raked wingtip) 
• El vuelo en formación
• ¿Qué se mueve primero los Flaps o los Slats?
• Cálculo de la sustentación (de forma aproximada) 
• Las características de vuelo del Me 163 Komet
• La importancia de los kits aerodinámicos
• ¿Por qué tenemos que alabear en un viraje? 
• Los Canards, su posición y su influencia 
• El avión experimental CCV-F104G de MBB 
• Eficiencia: ala infinita, ala fija y rotatoria 
• Sobre el extraordinario diseño del F-104 Starfighter 
• Alas diseñadas para volar rápido, económico y confortable
• El ala del Boeing 727
• Controles de vuelo en el ERJ-145
• El ala supercrítica del ERJ-145 
• El ala del C-Series de Bombardier 
• El ala de los E-Jet
• El ala del F-18 
• El "twist" del ala en el F-18
• La forma de los pilones subalares en el F-18
• Entender la relación sustentación/resistencia 
• Colocación de diferentes motores en el 737 
• Doblando las alas en mitad del vuelo
• Vuelo invertido 
• Actuaciones en aproximación y aterrizaje 
• ¿Qué tipo de aparato es un V22 Osprey?
• Alas cantiléver, semicantilever y cálculo ingenieril 

El libro se puede adquirir en Bubok:

https://www.bubok.es/libros/270549/Comprender-la-funcion-del-ala