jueves, 11 de febrero de 2010

¿Por qué vuelan los aviones?

¿Quién no se ha planteado alguna vez esta pregunta? ¿Quién no se ha maravillado al ver cómo verdaderos monstruos de metal se elevan por los aires?

Los aviones vuelan simple y llanamente porque aparece una fuerza (llamada sustentación) que tira de ellos hacia arriba haciendo que se eleven por el aire. Vamos a ver cómo es esa fuerza y en especial, por qué aparece.

La fuerza de la sustentación es proporcional a la velocidad, a la densidad del aire y a una superficie de referencia llamada superficie alar. Por lo tanto, para que un avión se mantenga en el aire, necesita ir muy rápido, para que así su sustentación sea la suficiente como para igualar el peso. Por eso, cuando un avión va despacio, éste entra en pérdida (se desprende la capa límite) y cae debido a que la sustentación es incapaz de soportar el peso. Pero, ¿por qué aparece?

Bien, la sustentación aparece porque la presión en la cara superior del ala (extradós) es inferior a la de la cara inferior (intradós). Pero, ¿por qué pasa eso? Esto es debido a que la velocidad del aire en extradós es mayor que en el intrados. Al ser la velocidad mayor, como Bernoulli demostró en su famosa ecuación, la presión disminuye.


¿Y cómo consiguen los ingenieros que el aire vaya más rápido por arriba? Muy fácil, simplemente haciendo que una partícula fluida que vaya por el extradós tenga que recorrer más espacio que la que vaya por el intradós. Imaginaros dos partículas que están en reposo en el aire, y de repente se encuentran con el perfil de un ala como el de la figura. Una decide ir por arriba y otra por abajo. Debido a la forma y curvatura del ala, si las dos quieren volverse a encontrar al final de la misma, la que vaya por arriba deberá ir más rápido, para que le dé tiempo a recorrer su camino (más largo) en el mismo tiempo.

Por eso, los perfiles alares tienen esa forma. Gracias a la curvatura, el aire va más deprisa en el extradós, la presión es menor y debido a esa diferencia de presiones aparece la sustentación que hace que los aviones vuelen.

26 comentarios:

  1. Uy! que parecido es esto a mi articulo:

    http://losporquesdesantiago.blogspot.com/

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  2. Sí, es cierto! No conocía tu blog, y me parece muy interesante. En internet hay varios como el nuestro, aunque tú abarcas muchos más temas que el mío y lo que yo tenía pensado.

    El parecido seguramente sea simplemente porque es la explicación de porqué vuelan. Si le preguntamos a cualquier ingeniero te dará la misma (todos bebemos de las mismas fuentes). En concreto, yo me detengo algo más en la expresión de la sustentación y cómo depende de la velocidad.

    Respecto a tu pregunta (era una típica pregunta de test de Mecánica del Vuelo, y de hecho me cayó un problema de vuelo invertido en un examen), una posible explicación:

    La sustentación, a pesar de estar boca abajo el avión, sigue siendo ascendente (haciéndose negativa si nos montáramos en el ala). El signo de L lo da el coeficiente de sustentación: cl=cl0+alfa*cl_alfa.
    cl0 es constante, mientras de alfa cambia de signo. Si miras la curva del coeficiente de sutentación (lo siento, pero por más que busco no consigo encuentro cómo colgar fotos en un comentario, aún no domino esto de los blogs) verás que para angulos de ataque negativos cl se hace negativo, haciendo que la sustentación sea negativa, es decir, vertical ascendente. Por eso puedes realizar vuelos invertidos.

    Seguiré tu blog, realmente me ha parecido muy interesante. Un saludo!

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  3. Lo que no entiendo (quiero decir, entiendo la explicación, pero hay algo que se me escapa) es por qué van a querer las dos partículas que se separan al principio volver a unirse al final del ala...Es obvio que las partículas no tienen voluntad, ¿entonces por qué se quieren juntar al mismo tiempo?

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  4. Me parece muy buena tu pregunta, más que nada porque demuestra que tienes curiosidad y no te contentas con una mera explicación.

    Lo cierto es que Bernoulli no es suficiente para explicar porqué vuela un avión, sin embargo, sin ser falso, es la explicación más sencilla y me pareció la adecuada para el tipo de blog (divulgativo y no técnico) que quiero tener.

    Para ser exactos debería haber hablado del efecto del ángulo de ataque, de la 3ª ley de Newton, de la circulación alrededor del ala, de medios contínuos, de movimientos irrotacionales y de la conservación de la vorticidad. Como comprenderás ni lo hice en su momento ni lo voy a hacer ahora, porque creo que espanta más que infunde curiosidad por la ciencia. Sin embargo voy a intentar explicarlo sencillamente:

    La realidad es que esas dos partículas no llegan a la vez. Esto es conocido como principio del transito en tiempo equivalente. Es una de las pegas que tiene la explicación de Bernoulli y que esta teoría deja sin aclarar. Aún así voy a intentar matizarlo.

    En teoría, si el aire antes del paso del ala se encontraba en unas condiciones de velocidad, lo suyo sería que después del paso de la misma, y tras dejar tiempo para que pase la fase turbulenta, el aire se quedara igual que estaba. (Si sabes de fluidos lee la siguiente frase, si no, sáltatela: la vorticidad es cte y nula en todo el campo, siendo el movimiento irrotacional y el campo de velocidades deriva de un potencial)

    Imagínate que esas dos partículas no llegaran a la vez. Tras juntarse estas dos capas fluidas (la de arriba y la de abajo), habría una discontinuidad en la velocidad en el aire. Existiría un salto en la velocidad entre un lado y otro de las dos capas. De ser así, los aviones irían dividiendo el aire a su paso haciendo muy difícil que se pudiera volar tras ellos. En la practica, el aire tiene una cosa llamada viscosidad (de la que tampoco hablé) que amortigua y se "come" estas discontinuidades.

    Como ves, si profundizas un poco (y no lo he hecho mucho) la cosa es un poco más complicada de como lo conté. En resúmen, Bernouilli explica porqué se elevan los aviones, aunque tiene lagunas que deben ser explicadas con otras teorías. Si tienes interés, te dejo un artículo muy bueno en el que se explica, sin entrar mucho en el tema, todo esto con más detalle. (La figura 2 de muestra la discontinuidad de la que te he hablado):

    http://home.comcast.net/~clipper-108/AVIONES.PDF

    Espero habértelo aclarado un poco y no dudes en seguir preguntando!!

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  5. Genial!! jajajaja creo que más o menos lo tengo un poco más claro...aunque sigue siendo un tema que me provoca muchísima curiosidad desde siempre, así que ya que me has "picado" un poco con esta explicación por encima, curiosearé un poco más a ver qué encuentro...muchas gracias!

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  6. Me alegro de haber picado la curiosidad. Ese es el objetivo!
    No dudes en preguntar o proponer nuevas entradas, ¡soy todo oidos!

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  7. Catalina Garzón Buitrago20 de abril de 2010, 1:30

    Tengo un pequeño problema
    Tengo una esposicion sobre como vuelan los aviones y ps no se como hacer para demostrarlo en clase. ¿Me Ayudas?
    PDT: Si me respondes antes del miercoles te lo agradeceria!

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  8. Hola Catalina!

    Se me ocurren un par de cosillas que podrías hace para hacer tu exposición un poco más amena. La verdad es que no sé de qué medios dispones, si es un colegio, en la universidad, si puedes poner vídeos,...

    Existe un experimento muy sencillo, pero muy ilustrativo, del efecto Bernoulli. Se trataría de hacer pasar el aire por encima de un folio más rápido que el aire que está debajo, de manera que el folio se levante. Si es en un aula, quizás puedas hacer que todos los alumnos saquen un folio y lo intenten, ya que no es muy complicado. Te dejo un vídeo donde se explica muy bien:

    http://blogs.20minutos.es/ciencia/post/2008/07/14/aapor-quao-vuelan-aviones-

    El truco estaría en soplar y poner la boca de manera que no vaya aire hacia abajo. Otra opción, si es que tienes recursos, es hacerlo con un secador en vez de soplando. De esta forma se ve durante más tiempo cómo el folio se levanta. Te dejo un vídeo donde se ve (aunque está en gallego se entiende):

    http://www.youtube.com/watch?v=6LFiD2D2Edk

    Aparte de esto, puedes poner algún vídeo o animación donde se ven las 4 fuerzas que actúan: peso, resistencia, sustentación y empuje.

    http://www.youtube.com/watch?v=p5q9xa2fews&feature=fvw
    http://www.youtube.com/watch?v=jq-VnL55FXE
    http://www.youtube.com/watch?v=Ky6HZ3qawMM

    Espero haberte dado ideas y mucha suerte en tu exposición!!

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  9. Tio, si todavía lees esto, Jesús, me pareció estupendo !!! Soy un tipo de 60 que tiene más horas de vuelo, que algunos pilotos al comando de sus aviones, y me quedó muy claro, con todos los ejemplos y paginas citadas, el principio de sustentación. Y estudio esto porque soy temeroso, aún ahora, de los vuelos en avión.
    Gracias !!!!!

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  10. Muchas gracias!

    Me anima mucho saber que entradas antiguas aún siguen teniendo sus frutos y puedan ayudaros. Me parece increíble que una persona con las horas de vuelo y experiencia que tienes en tus espaldas pueda aún tener miedo de volar. Me estás dando una idea sobre una posible entrada sobre seguridad aérea. Desde aquí quisiera animarte a superar ese miedo. No olvides que a día de hoy, tienes más probabilidades de morir atropellado dando un paseo por la calle que a bordo de un avión. Gracias nuevamente y gracias por tomar parte en este blog!

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  11. no sabemos como quedó catalina, en su eXposición

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  12. Esta explicación está muy difundida pero no es la correcta. No puede explicar fenómenos como el vuelo invertido o las alas con perfil simétrico.

    Les dejo un artículo al respecto: http://home.comcast.net/~clipper-108/AVIONES.PDF

    Saludos!

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  13. Muchas gracias David por tu aclaración.

    Aunque si lees mi comentario del 24 de Febrero, ya introducía lo que tú explicas (de hecho, casualmente proporcionaba el mismo material).

    Un saludo y gracias de nuevo!

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  14. hola jesus me puedes ayudar en esto POR QUE UN BARCO NO SE HUNDE?
    estoy apuradita con esta pregunta y no se q responder me podrias ayudar?
    gracias te lo agradesco!

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  15. muy bueno tu blog me sirvio de mucho esta respuestas de que por que vuelan los aviones!
    salu2!

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  16. Hola SaMa!

    Muchas gracias por tus comentarios, me alegro de ser de ayuda! Para la pregunta de los barcos, por qué no le echas un vistazo a esta entrada:

    http://los-porques.blogspot.com/2010/02/por-que-flotan-los-barcos.html

    Y si tienes dudas, no dudes en preguntar!

    Un saludo!

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  17. ola jesus me llamo lissa y quisiera saber que es la resistencia aerodinamica??
    Por cierto muy bonita tu publicacion muy informativa.
    Me sirvio bastante para la tarea. Solo me hace falta esto de resistencia.
    Saludos :)

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  18. Hola Lissa!

    Muchas gracias por tu comentario. En respuesta a tu pregunta, imagínate un ala volando en el aire. Fruto de ese vuelo, aparecerá una fuerza sobre él, llamémosla fuerza aerodinámica. Pues bien, la componente vertical de esa fuerza aerodinámica es la sustentación y la horizontal sería al resistencia. Mira el 7º dibujo de esta página, donde se explica la fuerza aerodinámica:

    http://www.academiadeciencias.com/index.php?module=noticias&type=user&func=ver&notid=1365

    Es decir, la resistencia no es más que otra componente del efecto que el aire produce en el ala, lo único es que va en dirección contraria al movimiento. De hecho, la resistencia y la sustentación están relacionadas por algo llamado polar del avión.

    No sé si con esto te basta o quieres más. Si es así, no dudes en preguntar!

    Un saludo!

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  19. Muchisimas gracias por tu blog es fantastico, soy un estudiante de 2º de bachillerato que este año esta en EEUU, que quiere ser piloto y tengo la asignatura de física y como proyecto de fin de curso escoji el tema de diferencias de presiones centrandome en como vuelan los aviones y con un poco mas de busqueda que he hecho y tu blogg me han quedado las cosas clarisimas y me va a venir genial para mi exposicion. gracias

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  20. no me puedes dar mas informacion sobre porque vuelan los aviones? te pido informacion porque voy a entrar en una feria de ciencias y necesito mas informacion por favor dame mas

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  21. Hola Anónimo!

    En Septiembre, cuando abra el blog, colgaré una entrada bastante más extensa sobre este tema. Sin embargo, por si llego tarde a tu feria de ciencias, te recomiendo un enlace que puse en los comentarios:
    http://home.comcast.net/~clipper-108/AVIONES.PDF
    y este otro de la NASA donde encontrarás documentación, vídeos, aplicaciones,...:
    http://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/short.html

    Si me das más información de tu exposición (tema concreto, edades a las que va destinado, enfoque que le quieres dar...) te puedo ayudar más.

    Un saludo y bienvenido al blog!!

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  22. Entonces ¿Porqué un avión puede volar al revés? Sólo con efecto bernoulli debería caer muy rápido

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  23. Jorge, debes tener en cuenta que existen otros efectos que producen sustentación.si lees los comentarios anteriores y pinchad en los enlaces que pongo seguro que te queda todo más claro.
    Un saludo!

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  24. Hola Jesús!Entiendo perfectamente que las 2 particulas deben encontrarse, pero eso ocurre cuando una aeronave está estable en el aire vd? Cuando una aeronave quiere elevarse, osea, despegar, yo pienso de la siguiente manera, espero que entiendas y me corrijas, una aeronave debe dejar pasar mas particulas por debajo osea en el intrados, para que ellas las puedan sostener y ayudarlas a que se eleve, mientras que se está elevando, y llega a cierta altura ideal, deben pasar misma cantidad de particulas en intrados y extrados para mantener el equilibrio, y para que descienda, deben pasar mas particulas por arriba,osea en el extrados para que la curve y le haga descender gradualmente. Bueno, esto lo estuve pensando estos días nada mas, que leí tu blog. Es un pensamiento correcto??? Por favor. Corrigueme si está mal. Desde Paraguay, Mónica S. Muchas gracias :)

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    1. Mónica, te he respondido por Facebook. Espero haberme explicado bien y haber aclarado un poco tus dudas. Si no es así, dímelo e intento explicarlo de otra manera. Puedes escribirme también a los.porques@gmail.com

      Un saludo!

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  25. JesuuuuuSS!!!! contestame please :(

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