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Ecos del futuro

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  • Inicio > Historias > ¿Por qué vuelan los aviones?

    ¿Por qué vuelan los aviones?

    Muchos físicos sienten la presión de explicar todo de una manera sencilla, por aquello de "si no eres capaz de explicárselo a tu abuela es que no lo entiendes". Einstein decía algo así como que las cosas hay que explicarlas de la manera más sencilla posible pero sin pasarse de sencillez.

    Uno de los proyectos que suelo realizar con mis alumnos es el de un modelo básico de aerogenerador , y una de las partes más complicadas es el rotor. Aunque nosotros elegimos un sistema de velas más sencillo y barato, les explicaba que las palas tienen básicamente la misma aerodinámica de las alas de un avión y sólo les mencioné superficialmente que tenía algo que ver con el principio de Bernoulli.

    Pero la cosa no es tan simple como encontramos en la mayoría de explicaciones populares a la razón de la sustentación de los aviones. Por ejemplo, si escribimos en google por qué vuelan los aviones , en primer lugar encontramos esta atractiva animación de las web consumer.es de los supermecados Eroski



    El misterio está en por qué el aire el extrados viaja más rápido que por el intradós.

    La teoría de los tiempos iguales de tránsito es una de las teorías más populares. El extradós es más largo que el intrados y por tanto el aire por el extradós tiene que hacer mayor recorrido para encontrarse con el aire que va por el intradós y en consecuencia moverse a mayor velocidad. El principio de Bernoulli implica que un fluido que se mueve a mayor velocidad ejerce menor presión. Entonces la diferencia de presión en el extradós y intradós explica la sustentación.

    Pero esta teoría simple tiene una pega bien sencilla. La teoría predice que los aviones invertidos no pueden volar. ¡Pero lo hacen!.

    En el siguiente applet, se puede ver y experimentar con un ala de perfil simétrico inmersa en un fluido cuyo movimiento es una simulación realizada a partir de las soluciones de las ecuaciones de euler, que no son más que un grupo de ecuaciones resultado de la aplicación simultánea al fluido de la conservación de la masa, el momento y la energía.




    Se pueden ver en primer lugar que, como predice la teoría de los tiempos iguales de tránsito, un perfil simétrico paralelo a la dirección de movimiento del fluido no presenta fuerza de sustentación. Si introducimos un ángulo de ataque, la propia teoría nos predice perfectamente que los recorridos serán distintos y que la velocidad del aire será mayor por el extrados.

    Podemos medir dicha velocidad con el applet moviendo la sonda por el extradós y el intradós y ver que efectivamente es de esa manera. ¿Entonces en qué falla la teoría?. En un aspecto obvio y en uno más sutil.

    El aspecto obvio es que que las masas de aires por el extradós y el intradós no toman el mismo tiempo en alcanzar el borde de salida del ala. Podemos verlo en el applet pulsando en direction, eligiendo far view y siguiendo las líneas del mismo color --que representan grupos de partículas que parten a la misma velocidad y paralelas a la misma distancia del borde de ataque- moviendo la barra de desplazamiento rake release point.

    Uno de los aspecto sutiles es que además las velocidades que se alcanza en el extradós es máxima en la zona más ancha del perfil, lo que es un indicativo de que un efecto fundamental es el cambio de dirección de la curva del perfil que acelera las partículas de aire.

    Lo que acabamos de hacer es una descripción a grosso modo de los que ocurre. Pero no es una explicación del porqué último de la sustentación. El porqué último se puede ver de dos maneras que llamaremos Bernoulli y Newton:

  • Bernoulli. Como la fuerza resultante vertical que proviene de la suma de productos de la presión por la superficie distribuido por toda el ala.

  • Newton. Como la componente vertical de la fuerza resultante de reacción al cambio de dirección del fluido que proviene de la contribución global de todos los cambios locales de velocidad.

    Que al fin y al cabo no es más que una manera de trasladar a un lenguaje semi-técnico algo que es inevitable en algunas situaciones: resolver las ecuaciones y determinar la magnitud y dirección de la fuerza resultante. Aquí no hay mayor simplificación que valga.

    Referencias
  • Theories of Lift. NASA Beginner's Guide to Aeronautics

    2008-02-26 00:45 | Fisica | 22 Comentarios


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    Comentarios

    1
    De: Ismael Fecha: 2008-02-26 23:40

    Alguien me contó alguna vez que este es el ,ismo principio por el que la cortina del baño se te pega cuando te duchas, por la diferencia de presiones ((creo)) ¿alguien me lo puede confirmar?, por cierto, ¿es verdad que los coches de formula 1 tienen los alerones invertidos a como lo tiene el avión para evitar que salga volando?.



    2
    De: Paco Fecha: 2008-02-26 23:54

    En realidad los aviones vuelan porque desplazan aire hacia abajo, igual que los pájaros:
    http://www.textbookleague.org/105wing.htm
    La suma de fuerzas verticales de las que hablas es 0 patatero, como predice la tercera ley de Newton.
    Bernouilli no tiene nada que ver, por cierto.



    3
    De: Alex Fecha: 2008-02-27 00:08

    Soy piloto privado y no os podéis imaginar la de pilotos privados y comerciales que no sabrían responder a esa pregunta ni sencilla ni profesionalmente.

    Al menos, los procedimientos de vuelo y de seguridad los conocemos todos bien, pero lo que aquí se explica vendría bien a más de uno de los que volamos ;)

    Gracias !



    4
    De: Anónimo Fecha: 2008-02-27 03:19

    lo que hay que leer...



    5
    De: pepe Fecha: 2008-02-27 08:51

    Está explicado en el efecto Magnus :

    "La diferencia de presiones que actuán alrededor de un cuerpo que se desplaza en un fluído, crean un efecto de succión perpendicular a su sentido de la marcha."

    Yá tenemos sustentación, claro que para conseguirla hay que vencer a una de las "presiones" la gravedad, necesitamos un motor para vencerla, unos "planos" para apoyarnos y dotándolos de determinados perfiles podremos aumentar o disminuir dicha sustentación basándonos en el efecto "venturí".

    Ahora lo tendrás un poquito más claro Ismael, efectivamente es por la diferencia de presiones.

    La cortina se te pega..... porque estás mojado.

    Por la parte inferior del ala o intradós, siempre hay una "sobrepresión" por la parte de arriba o extradós una "depresión" ¡¡ya tienes sustentación!!

    Espero haberos aclarado algo.

    Yo además de procedimientos también recuerdo los fundamentos.

    Por cierto Bernoulli también tiene que ver en el vuelo, siento disentir con Paco.

    Un saludo de un piloto deportivo que sí conoce los fundamentos.







    6
    De: Mizar Fecha: 2008-02-27 10:09

    Un artículo magnífico, ¡muchas gracias!



    7
    De: Pedro J. Fecha: 2008-02-27 17:02

    Por eso el artículo insistía en que el problema es intentar simplificar lo que no es simplificable. La razón última no es más que los que ven en el applet que son las soluciones de las ecuaciones del movimiento --en este caso las de Euler--.

    Si tienen paciencia en medir algunas presiones alrededor del ala con un cierto ángulo de ataque verán que siempre son menores en el extradós que en el intradós. Luego la conexión tipo Bernoulli velocidad-presión existe. Lo que hay que pensar es quién causa la otra. Y es la diferencia de presión la que debe provocar la diferencia de velocidades alrededor del ala.

    Piensen si quieren en pequeñas masas de aire por la que pasa el perfil del ala. Sus posiciones relativas cambiaran y habrá zonas de baja densidad y por tanto menor presión. Piensen en concreto en el perfil del estradós cómo retirará el aire y creará una zona de baja densidad en la parte opuesta al flujo de aire. La existencia de ese efecto básico se produce incluso en un ala plana --como pueden comprobar en esta otra simulación--
    Pero está claro --como cualquier piloto sabe-- que cierto perfil mejora la sustentación.

    Los que argumentan que todo es cuestión del tercer principio de acción-reacción tampoco es del todo correcta. El tercer principio no es más que un caso particular de algo más general que el la conservación del momento. En las ecuaciones de Euler --que son tres-- efectivamente puede verse implementada la conservación del momento. Pero también están la de conservación de la energía y la de continuidad --o conservación de la masa del fluido si quieres--. Por eso, repito que la explicación última está en los detalles y no en la aplicación de un solo principio.



    8
    De: Ing. Aronautico Angel velazquez Fecha: 2008-02-28 07:24

    Me parece muy bien tratar de explicar el por qué vuela un avión con la teoria de Bernoulli (lo de las diferencias de presiones), pero en verdad es tan grande la diferencia de presiones como para sustentar a una maquina de 50 ton? por que no ponen también una explicación de porque vuela pero con las leyes ded Newton, estan también pueden dar una muy buena expliicación de esto.

    Aun así la explicación es muy buena para que los pilotos puedan entender los conceptos, pero habemos mucha más gente que queremos saber un poco más de detalles.

    Saludos!



    9
    De: Pedro J. Fecha: 2008-02-28 11:35

    pero en verdad es tan grande la diferencia de presiones como para sustentar a una maquina de 50 ton?.


    Lo es si haces el cálculo correctamente. Se trata de calcular la presión en cada pedacito de superficie del ala, multiplicarla por el valor del área. Eso te dará la fuerza en la dirección perpedicular a la superficie del ala. Extrae la componente en la dirección vertical. Luego sumas la contribución de todas esas componentes. (tecnicamente no es más que la integral de superficie de la presión). Así es cómo calcula la sustentación (lift) la simulación.

    "por que no ponen también una explicación de porque vuela pero con las leyes ded Newton, estan también pueden dar una muy buena expliicación de esto."

    Cada partícula de aire entra con una velocidad y una dirección y sale por la parte posterior del ala a otra velocidad y en otra dirección. Realmente es otra forma de verlo. Calculas esa variación para cada partícula, sumas para toda la masa de aire y obtines la resultante.

    Lo que trataba de explicar es que ambos puntos de vista son correctos pero no son exactamente el principio de Bernoulli o la tercera ley de Newton aplicadas de una manera simple.






    10
    De: Ingeniero Aeronáutico Ricardo Fecha: 2008-02-28 19:41

    ¿de veras eres Ingeniero Aeronáutico? En la carrera, como debe ser, te cuentan lo de la diferencia de presiones, los cálculos, la conservación de la presión dinámica, etc....
    Veamos... si colocamos un area alrededor del ala (lo suficientemente lejos como para que por arriba y abajo no se encuentren los flujos de aire distorsionados, encontramos que la masa de aire que entra y sale debe ser la misma, lo que nos da una velocidad de entrada y salida de los flujos iguales y que las partículas a cierta distancia sí salen juntas las que entraron juntas, si no, habría un provblema de vacíos. La dirección de las particulas antes y después serán paralelas, también.... no hay partículas que van para arriba ni para abajo (como dice uno).
    El que la cortina de la ducha se te pegue o el que el agua al pasar cerca de un cuerpo se devíe de la dirección una relación lejana, produce un efecto suelo (ese que se usaba en coches de carreras, y algunos deslizadores).
    Se puede hablar muuuucho de esto, pero no creo que sea el lugar de profundizar en ello ¿verdad?



    11
    De: Pedro J. Fecha: 2008-02-28 20:11

    Yo no soy ingeniero aeronaútico, pero simplemente fíjate en la simulación del texto, pulsa Direction y sigue los grupos de partículas del mismo color que siguen por el extradós y el intrados y fíjate como cambian de velocidad y dirección. Yo creo que es obvio que hay cambios de velocidad y dirección alrededor del ala que son los que producen la fuerza.



    12
    De: Pedro J. Fecha: 2008-02-28 20:48

    Por cierto, respecto a lo de la ducha, también hubo un ingeniero que probablemente harto de las discusiones sobre el asunto simuló en su ordenador de sobremesa una ducha y aplicó las ecuaciones hidrodinámicas. Según su resultado, la baja presión que se produce en la parte de la cortina que da a la ducha es debida a dos fenómenos: el movimiento ascendente del aire caliente (efecto Bernoulli) y el arrastre aerodinámico de las gotas de agua la caer que producen un movimiento ascendente de reacción del aire. Eso en pocas palabras, porque ocurre lo mismo que en el caso del avión. Resuelves las ecuaciones hidrodinámicas y miras lo que dicen las soluciones. La situación tiene un grado de complejidad mínimo que no puedes abarcar en un par de principios simples que no son suficientemente generales.

    Por cierto, éste se llevó un premio Ignobel de física a la investigación más chorra de 2001.



    13
    De: Pedro J. Fecha: 2008-03-16 00:01

    Interesante artículo que cuenta los detalles de manera simplificada

    How do wings work?

    Visto en este blog



    14
    De: Roberto Fecha: 2008-05-09 17:03

    Yo soy un chaval con poca edad,la verdad,exactamente 10.
    Me gustan los aviones y sé mucho de ellos.Y he leído algunas opiniones y me han parecido que no han sido muy exactas,es decir,se creen que los aviones vuelan como pájaros. :)
    Y es complicado para algunos,pero para mí no.



    15
    De: luis jimenez Fecha: 2009-12-11 02:15

    entiendes



    16
    De: tatiana Fecha: 2010-05-10 20:53

    esta muy bien lo que relatas de porque vuela un avion pero yo creo que no explicaste la verdadera ley de la fisica de que porque vuela un avion y eso es lo que la mayoria de personas quieren saber asi que si puedes respondeme esta pregunta ¿PORQUE VUELA UN ANVION? Y ESTA VEZ SIN ENREDOS Y SOLO PALABRAS CORTAS Y CIERTAS



    17
    De: Pedro J. Fecha: 2010-05-10 21:16

    Las cosas hay que explicarlas de la manera más sencilla posible, pero no más. :-)
    De todo lo que se explica en el texto, ¿qué es lo que exactamente no entiendes?.



    18
    De: Pedro J. Fecha: 2010-12-30 23:42

    Un libro interesante



    19
    De: Pedro J. Fecha: 2011-01-06 02:44

    Unos apuntes sobre “Así vuela un avión”



    20
    De: Pedro J. Fecha: 2012-02-01 22:20

    En este vídeo de New Scientist se puede apreciar pefectamente la diferencia de tiempos entre el flujo de aire por el extradós y el intradós



    21
    De: Yepa Fecha: 2012-02-02 14:40

    Tira comica relativamente a cuento del genial Randall Munroe:

    XKCD: Airfoil



    22
    De: Pedro J. Fecha: 2013-05-20 20:14

    Así vuela un avión, y ojalá que por fin se aclare el tema de una vez por todas en Naukas



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