La encrucijada entre Bernoulli, Newton y la sustentación en las alas

Escrito por: Guillermo Casalins | Ingeniero aeronáutico F.I.A.

Hay una feroz discusión, que no es nueva, de cómo se produce la sustentación en un ala, muchos estudios y análisis en aulas de clases, laboratorios y túneles de viento (reales y virtuales) en la NASA y entes de el mismo nivel alrededor del mundo; es el tema de moda en la aeronáutica y metieron en la discusión a Newton en algo que para los profanos era territorio absoluto de Bernoulli, al que le creemos a pie juntillas todo lo relacionado con su famosa y muy sencilla formula.

Bueno, dejemos entonces que los científicos sigan la discusión, yo me voy por lo que dice Rutan: “eso de la sustentación es pura magia blanca”. Pero ya que estamos aquí podemos hacer una pequeña discusión (superficial) del tema. Vamos a ver que dicen las teorías por separado (aunque sabemos que hay algunas más).

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Teoría de Bernoulli

En palabras sencillas Daniel Bernoulli nos dice: “según la conservación de la energía, en fluidos incomprensibles, si aumentamos la velocidad de este, la presión disminuye, y si hacemos pasar ese fluido por un perfil (curvo arriba y plano debajo) se acelera en la parte superior para poder llegar al mismo tiempo que en la parte inferior que tiene menos distancia; al existir una diferencia de presiones sobre un área, se crea una fuerza en la dirección de la menor presión”.

Según la formula F = A x P o en este caso F = A(P2-P1) siendo P1 la presión por debajo del ala (intradós) y P2 la presión por arriba (extradós). Miles de comprobaciones a lo largo de la historia lo han demostrado y mientras la velocidad sea lo suficientemente baja para evitar que se comprima y empiece  a comportarse de otra forma (haciendo transferencia de energía y creando ondas de choque) todo lo dicho por Bernoulli es legal; una vez traspase cierta velocidad, toda esa teoría se va a la “porra”, nada funciona, ya los perfiles y la planta alar empiezan a ser muy diferentes; porque no solo hay que tener en cuenta la sustentación sino que el resistencia (drag) también es un factor de gran importancia para el diseño de las aeronaves.

FORMULA DE SUSTENTACION

S = CL *  ρ/2  * A * V²

Hay algunas variables que son muy importantes para la sustentación y que son fáciles de insertar en la formula, sin embargo, hay un coeficiente que es la combinación de otras variables mucho más difíciles de conocer, entonces se hace un modelo físico a escala, lo meten en un túnel de viento, y se le dan diferentes ángulos de ataque a varias velocidades, se obtienen las mediciones de equivalente a CL, al Cd o al Mc. En la actualidad las simulaciones en computadores de altas prestaciones están haciendo este trabajo mucho más fácil para los ingenieros.

Teoría de Newton

Todo esto es basado en el cambio de dirección de aire que sale del borde de fuga, en palabras igual de sencillas nos dice: ese gran volumen de aire (que tiene masa) y sale disparado hacia abajo (DOWNWASH) hace el trabajo, esa gran cantidad de masa de aire a una velocidad dada, tiene un peso que se desvía y al ser desplazado hacia abajo, según la tercera ley de Newton, Impulsará en sentido contrario a cualquier cosa que lo produzca (el ala) y así obtiene la sustentación. Al principio no se le dio la suficiente importancia hasta que los ingenieros tuvieron que lidiar con que los cálculos de estabilidad realmente no coincidían con la realidad, dado que el ángulo de cálculo era muy diferente al que le llegaba a los estabilizadores horizontales detrás del ala principal; luego se dieron cuenta que por delante el flujo del aire se distorsionaba desde mucho antes de llegar a el ala, es el menos famoso UPWASH, es debido a que las partículas de aire les “avisan” a las que van detrás de ellas que se aparten del camino, que algo grande está por delante y pronto van a chocar.

Yo no tengo dudas de que Bernoulli existe, lo vemos en las pruebas de túnel de viento con un perfil alar lleno de orificios para medir la velocidad y la presión en cada una de las secciones, también podemos “ver” la tercera ley de Newton, cuando sentimos el downswash que se le genera detrás de un perfil alar (si nos paramos atrás de una hélice o debajo de un helicóptero) es puro downwash lo que sentimos como un viento fuerte que nos golpea. Los diseñadores de aviones también lo sienten cuando saben que tienen que corregir el ángulo de ataque de cualquier estabilizador horizontal detrás de un ala principal, aunque estos ingenieros evadían, casi todo el tiempo, tener que discutir de dónde venía la sustentación, simplemente la median, la multiplicaban por el área actual del ala y los ponían a volar.

En mi concepto esas teorías van ligadas y no existiría Newton sin Bernoulli, tampoco existiría sustentación sin newton, o sea downwash sin diferencia de presiones y eso lo podemos demostrar en un perfil simétrico con (0) ángulo de ataque.

Es esa misma idea que se tiene de porqué las alas crean sustentación si no son perfiles curvos arriba y planos abajo (intradós y extrados, respectivamente), nos llena de dudas cuando vemos aviones con alas de todo tipo y toda clase de secciones de perfil; algunas simétricas y otras con un perfil curvo también por debajo; nos rebanamos la cabeza pensando entonces, ¿cómo vuela un avión invertido o una cometa se sostiene si es solo una placa plana?

En algunos perfiles asimétricos, con curva arriba como un CLARK Y, se puede producir sustentación con (0) ángulo de ataque (inclusive ligeramente negativo), pero para conseguir sustentación con un perfil simétrico o volar invertido con un (CLARK Y) debes tener un ángulo de ataque positivo; y para lograr sustentación en un perfil de plano, como el de una cometa, necesitas definitivamente fuerza bruta, solo newton.

Las gráficas como siempre serán de gran ayuda.

Como nos podemos dar cuenta, estos pequeños artículos son solo para aficionados, no me atrevería a discutir estos temas con algún especialista que ha estado sentado durante muchas horas en las mediciones de un túnel de viento con muchas variables, teniendo en cuenta el efecto de la escala de los modelos medidos, el efecto del número de REYNOLDS. Pero bueno eso es de otra historia de la que ya hablare después.

Agradezco la ayuda inconmensurable del ingeniero Mauricio Parra y mi amigo Leonardo Angarita para la mejor comprensión del tema.

Escrito por: Guillermo Casalins

Ingeniero aeronáutico F.I.A.

Artículista en Transponder 1200