Bernoulli fundamenta una explicación de que un fluido ideal que circula por un conducto cerrado mantiene su energía constante a lo largo de su recorrido; tristemente, desde el inicio se presentan una diversidad de fallas si nos apoyamos únicamente en el principio de Bernoulli. 

 

Por: Santa

¿Está usted completamente seguro de saber cómo vuela un avión?

Regocijándose uno en internet encuentra cosas muy interesantes, y algunas de ellas inclusive educativas y entre tantas cosas que uno ve, llega a adquirir información tan valiosa sobre ciertos fenómenos que parece importante compartir con los demás. Por hoy, habré de comenzar hablando de la terminología en el diseño del ala de un avión.

Todos bien sabemos que el ala de un avión no es del todo plana, ni está hecha del todo homogénea, pues si así fuera al someterla a las condiciones de un avión, tragedias que ocurrirían. A decir verdad, esto es algo muy sencillo de explicar, tomemos por ejemplo el caso en el que usted como lector va en un carro por una autopista larga que le permite tomar buena velocidad y que a sus alrededores no hay muchos otros automovilistas y entonces decide usted que el clima está perfecto para hacer un pequeño experimento y decide tomar un objeto de forma aparentemente similar a un ala pero completamente recto y procede a sacarlo por su ventana a medida que acelera y notará cómo el objeto temporalmente comenzará a vibrar y a empujar hacia atrás en diferentes grados dependiendo de su material, tamaño, etc etc etc. Pero eventualmente lo hará, y ahora con esa información imagínese el panorama a 400 kilómetros por hora.

Comencemos primero a hablar un poco sobre la terminología del diseño de un ala. Sin entrar mucho en detalles, el diseño de un ala se divide principalmente (para efectos de la explicación) en dos partes importantes, el intradós y el extradós, siendo el intradós la parte inferior o interior del ala y el extradós la parte exterior o superior de la misma. Además de ésto, el ala presenta algo conocido como el ángulo de ataque, el cuál es el ángulo que lleva el ala y genera el grosor del borde de ataque que es el borde con el cuál el ala procede a “cortar” el viento que se antepone en su camino, y es ésta anatomía sencilla del ala (quiero aclarar, sencilla para los efectos de ésta explicación) la que se convierte en la piedra angular del por qué un avión vuela. He acá una imagen que puede ser de ayuda:

01-Ala

Ahora bien, se suele fundamentar la explicación de por qué vuela un avión bajo el efecto Bernoulli y a esta fundamentación se le conoce como “explicación Bernoulli”, sin embargo, parece importante aclarar qué nos quiere decir el Bernoulli y por qué lo que él dijo en algún momento se tomó como referencia para explicar por qué un avión puede alzar vuelo. Bernoulli fundamenta una explicación de que un fluido ideal que circula por un conducto cerrado mantiene su energía constante a lo largo de su recorrido; tristemente, desde el inicio se presentan una diversidad de fallas si nos apoyamos únicamente en el principio de Bernoulli. Es decir, un fluido ideal es un fluido que no presenta viscosidad, primera falla, todo fluido real tiene un coeficiente de viscosidad presente. Segunda aclaración, aunque para algunos sea sorprendente, el aire de un fluido, mucho menos denso que el agua por decir algo, pero a fin de cuentas, un fluido, y tomo tal, hace que las leyes de la mecánica de fluidos se puedan aplicar en él, sin embargo, a pesar de ser muy poco denso, no significa que sea un fluido ideal y, por tanto, no podemos aceptar éste modelo ideal de Bernoulli como una explicación. Esto desde el fundamento, hay más problemas con la explicación de Bernoulli.

Ahora bien, esa explicación que brinda Bernoulli es una relación entre la presión, la velocidad, la densidad y la altura. Por lo cual, al ser esta relación constante, quiere decir que si alguno de éstos factores cambia en un sentido, el otro debe cambiar en el sentido opuesto para mantener el equilibrio, luego, si por ejemplo la velocidad aumenta, teniendo una densidad que no cambia y una altura fija, entonces la presión debe disminuir para mantener constante la relación. Y es justamente la relación que acabamos de describir la que juega un papel fundamental en la explicación de Bernoulli, pues la idea en términos generales es que el borde de ataque “corte” el aire y parte de este fluye por el intradós y otro por el extradós; al ser el extradós un área mayor, luego para que el aire recorra al mismo tiempo el intradós y el extradós, debe recorrer el extradós con mayor velocidad, lo que genera una diferencia de presión en relación al intradós y como resultado hay más presión en el intradós que empuja hacia el lugar de menor presión, es decir, el extradós y como resultado, hay una presión que empuja hacia arriba y por tanto, el avión vuela.

Hagamos una aclaración importante, y es la de por qué el aire en el extradós se tiene que mover más rápido. Eso no parece tan obvio, ¿o sí? La cuestión es que, sel aire cuando se corta no llega al tiempo al otro lado si van a la misma velocidad pues la distancia es mayor de un lado que de otro y como resultado tenemos que un recorrido que inició una cantidad de materia lo terminó una cantidad menor de materia y esto genera un vacío, y el vacío busca ocuparse, por decirlo de alguna manera, lo que empuja al aire a que llegue más rápido. No es técnicamente un empuje, pero es más fácil hacerlo entender así. Ese empuje es el mismo que siente uno cuando pasa un carro muy rápido y uno siente que el aire después de que éste pasa lo empuja a uno, es esa atracción la que siente el aire que recorre mayor distancia y, por tanto, acelera su ritmo para cubrir una mayor distancia en igual tiempo.

Sin embargo, hay varios problemas con esta explicación, más allá del problema con que no sea un fluido ideal. Por un lado, la diferencia de presión no parece ser la suficiente como para hacer que un avión suba, y pues, en este punto parece importante hacer los cálculos, sin embargo, ya hechos, pasamos a asumirlo como un acto de fe que damos por cierto (para ver más sobre los cálculos realizados, puede visitar www.lapizarradeyuri.com). Además, se propone otra situación, si ésto ha de ser así, ¿por qué los aviones cuando hacen piruetas de 360 grados no caen? Pues, de acuerdo con ésto, un avión cuando vuela al revés, sufre la diferencia de presión hacia abajo y por tanto, debería caer. Retomando el debate, el hecho de que no sea un fluido ideal le adiciona una variable a la situación, y es la de la existencia de un fenómeno llamado viscosidad, que se puede entender como la capacidad para que un fluido o gas fluya.

Nos acercamos ahora a una parte esencial y no tan evidente sobre el funcionamiento del vuelo de un avión. La viscosidad es un factor fundamental pues éste determina el flujo del fluido como lo es el aire y la interacción de éste con el ala permite el vuelo; en resumidas cuentas, el proceso es así: El aire fluye por el ala, tanto en el intradós como en el extradós y es la viscosidad, es decir, la facilidad con la que fluye el aire, la que permite que el aire interactúe con la ala del avión y se produzca algo que se conoce como régimen laminar. Un régimen laminar es una serie de “láminas” que se entienden como capas de aire que fluyen y entre éstas estén más cerca de la ala del avión, menos fluyen; así pues, si uno toma una pila de hojas y coloca la mano sobre la que está en la parte de encima y la mueve paralela a la mesa, las hojas más cercanas a la mano se arrastran mientras que las hojas cercanas al escritorio se mueven cada vez menos hasta que la última hoja, la que está en contacto con el escritorio, no se mueve. Esto es una representación de lo que sucede con cada lámina del régimen laminar que se forma en el contacto con las alas del avión. A la capa que está en contacto con la superficie del ala se le conoce como capa laminar y es ésta la que funciona como plataforma para las demás capas superiores.

Las demás capas son forzadas por la misma viscosidad a fluir sobre la capa límite que tiene la forma del ala y ésto genera que en el extradós se forme una plataforma que genera una caída hacia el ángulo de ataque (ver mapa de la forma del ala de un avión y se puede notar cómo el aire después de ser roto por el borde de ataque cae por el extradós) y ésta caída evoca la tercera ley de Newton, y es gracias a esa ley que, cada capa de aire que baja desde el extradós por la viscosidad genera como reacción un empuje hacia arriba, y es la mezcla de la diferencia de presiones y éste efecto de la tercera ley de Newton lo que provoca como resultado que un avión mantenga su vuelo.