Unos apuntes sobre “Así vuela un avión”

La mecánica de fluidos es uno de los ámbitos más complejos que se pueden encontrar en ingeniería. Muchos de los fenómenos que ocurren en el vuelo de un avión son tan tremendamente complejos y dependen de tantas variables que todavía no se comprenden con exactitud. Por consiguiente, realizar una simplificación en aras de construir una explicación asequible para el profano en la materia, es una tarea difícil. De ahí que circulen por la red (e incluso en algunos libros sobre aerodinámica) tantas explicaciones erróneas de por qué vuela un avión.

El pasado 16 de diciembre, se publicó un artículo al respecto titulado Así vuela un avión en el excelente blog La pizarra de Yuri. Dicho artículo se dedica a desmontar una a una estas explicaciones erróneas para luego desarrollar la correcta. Aunque la explicación es magnífica y tremendamente divulgativa, considero que todavía quedan unos flecos pendientes que convendría matizar. En la presente entrada, mi pretensión es, precisamente, la que reza el título: puntualizar algunos aspectos de aquel artículo (confío en que sirva para convencer a algún aerotrastornado que no quedó muy satisfecho). Para ello, voy a apoyarme en la misma referencia que se utiliza en La pizarra de Yuri [1]. Además, si estás leyendo esto, es porque ha pasado la revisión de un amigo mío ingeniero aeronáutico que trabaja en el departamento de aerodinámica de una de las empresas de motores más importantes del mundo.

¿Por qué vuela un avión?

La madre del cordero, es decir, la razón última por la que un avión vuela es el hecho de que el aire es un fluido real y, como tal, presenta cierta viscosidad. La viscosidad es, para que nos entendamos, la fricción que se produce entre las partículas de un fluido. La consecuencia principal de dicha propiedad es que existe una comunicación entre las partículas: si una de ellas se mueve, golpea a las adyacentes, que a su vez golpean a las adyacentes, que a su vez… Esto vuelve al fluido pegajoso (tanto más cuanto más alta es la viscosidad) y hace que se dé el fenómeno físico denominado efecto Coanda.

¿Quién no ha desviado alguna vez el chorro del grifo acercando un dedo? Como puede verse en la imagen que acompaña a este texto*, una corriente de fluido tiende a pegarse a una superficie sólida cuando discurre cerca de ella. Pues bien, esto es exactamente lo que ocurre con el aire que pasa cerca de un ala de avión: se crea una circulación de aire alrededor de la misma.

La viscosidad inherente del fluido permite que alrededor de un ala se forme una capa de aire de un determinado espesor (que puede ser de unos centímetros en el ala de un avión) denominada capa límite. En esta capa, la velocidad relativa del aire con respecto del ala varía desde cero —sobre la superficie del sólido (por eso la capa de polvo que ensucia nuestro coche no se va circulando con él)— hasta el 100 % de la velocidad del aire no perturbado conforme nos vamos alejando.

Variación de la velocidad en la capa límite

Las fuerzas presentes debidas a la viscosidad entre las capas de aire con distintas velocidades obligan a estas a seguir el perfil alar y a formar la capa límite. De hecho, cuando el ángulo de ataque supera un cierto límite, estas fuerzas no son suficientes como para que las capas de aire sigan pegadas a la parte superior del ala. Entonces se produce el fenómeno denominado desprendimiento de la capa límite, y la sustentación se pierde [2]. El avión cae.

Perfil en pérdida

No existe sustentación sin viscosidad

Así pues, es cierto que el principio de Bernoulli se cumple. También es cierto que un avión vuela porque desvía una gran cantidad de aire hacia abajo. Pero la razón última de que el aire sea desviado es su viscosidad. No existe sustentación en un fluido ideal no viscoso. De hecho, existen experimentos con helio que lo demuestran. Concretamente, el helio-4 es un isótopo que presenta un punto crítico a 2.81 K, de modo que a temperaturas inferiores se comporta como si estuviera formado por dos fluidos diferentes: uno viscoso (helio normal) y otro con viscosidad nula (helio superfluido). Mediante un tapón poroso y a una velocidad inferior a un valor crítico, es posible retener el helio normal y separarlo así del superfluido. Con este helio superfluido no viscoso se ha comprobado que un perfil no genera sustentación [3].

Es cierto que los cálculos de la sustentación suelen hacerse empleando formulaciones que toman la simplificación del fluido ideal (viscosidad nula), pero la viscosidad vuelve a reintroducirse en la ecuación de manera implícita al establecer la llamada condición de Kutta, que fija el punto de salida del aire justo en el borde de salida del perfil. Y esto, a su vez, impone que el aire tenga que circular alrededor del ala.

Resumiendo, el ala de un avión sufre una fuerza de sustentación que puede entenderse desde dos perspectivas: 1) la existencia de una diferencia de presiones entre la parte superior y la inferior y 2) el hecho de que una gran cantidad de aire es desviada hacia abajo. Ahora bien, esta diferencia de presiones y el hecho de que el aire se desvíe hacia abajo solo se puede mantener si existe una circulación: si el aire se acomoda para seguir la forma del ala y alcanzar el borde de salida. Y esto es consecuencia directa de la viscosidad.

El error principal, a mi juicio, del artículo de La pizarra de Yuri es precisamente ese: que no menciona en ningún momento la viscosidad, un elemento básico dentro del complejo entramado que supone el vuelo de un avión.

* En realidad, la imagen de la cuchara no se corresponde con el efecto Coanda. En este ejemplo particular, el agua se pega a la cuchara por efecto de la tensión superficial más que por la viscosidad, ya que tenemos un fluido (el agua) dentro de otro (el aire). El efecto Coanda propiamente dicho se daría al meter la cuchara completamente en la corriente de un río, por ejemplo. Sin embargo, he escogido esta imagen porque creo que transmite mucho mejor esa idea de «pegarse a un sólido».

14 comentarios sobre “Unos apuntes sobre “Así vuela un avión”

  1. @SlowBait: Es exactamente lo mismo. Probablemente el ángulo de ataque deberá aumentar porque el perfil alar está optimizado para volar “boca arriba”.

  2. En realidad lo que arranca el polvo del coche, o erosiona el lecho de un río no es la velocidad sino el gradiente de velocidad, que se traduce en una tensión tangencial

  3. Muy buen articulo Iñaki, lo vi más claro que el original.
    He de puntualizar que la capa limite se extiende hasta el 98% de la velocidad del aire en el infinito y no hasta el 100%; paranoias matemáticas vaya usted a saber por qué.
    Otra no cosa que acabo de ver claro ni en tu articulo ni en el de la pizarra de Yuri es lo de la referencia a Bernoulli y dado que fluidos es algo que he estudiado me preocupa.

  4. @Javi: Fácil: la ecuación de Bernoulli se obtiene integrando las ecuaciones de Euler a través de una línea de corriente y, a su vez, las ecuaciones de Euler son una simplificación de las de Navier-Stokes. Esa es la relación.

    El principio de Bernouilli dice que la energía que posee un fluido a lo largo de su recorrido permanece constante. Eso supone que, si la velocidad varía, tiene que variar la presión. Si conocemos las velocidades del aire alrededor del ala, con Bernoulli podemos calcular las presiones. E integrando estas, podemos obtener la sustentación total.

  5. Buen artículo :)

    Es cierto que la viscosidad tiende a pasar inadvertida, pero siempre forma parte de los cálculos aunque sea de manera indirecta: a través del número de Reynolds (Re), que describe el ratio entre las fuerzas viscosas y las de inercia.
    Por otro lado, soy de los que piensan que el efecto Coanda es otra forma de llamar a la presión. Si la viscosidad es elevada, el número de Reynolds es bajo y por tanto prevalecen las fuerzas viscosas sobre las de inercia; y por tanto, el fluido tiene menos tendencia a seguir una trayectoria rectilínea (menos inercia) y más a ser influenciado por la presión negativa generada en la superficie del perfil y que hace que el fluido se pegue a éste.

    Sólo corregirte en un punto: la capa límite no es la zona del fluido en la que el flujo es laminar, sino que es la frontera entre las zonas de flujo laminar y turbulento.

    Un saludo :)

  6. Vale gracias Iñaki es que Bernoulli lo veia yo como una comparación entre dos puntos de un mismo sistema y no veia entre que puntos se estaba comparando. Supongo que visto de una forma genérica tiene sentido

  7. Lo de la viscosidad es fàcil verlo en los barcos hidroala (miradlo en la wikipedia si no sabéis qué son) que llevan un par de “alas submarinas” de dos palmos de ancho que bastan para levantarlo a velocidades elevadas, siendo posible gracias a la mayor viscosidad del agua respecto al aire.

  8. En mi opinión, el artículo de La Pizarra de Yuri es suficiente. Entiendo la puntualización pero, para el común de los mortales, la viscosidad ya está presente en nuestra idea de un líquido cualquiera. Es dificil para una persona pensar en cómo se comportaría un superfluido de ahí que el artículo de La Pizarra ignore ese hecho.

    Supongo que en un superfluido no hay sustentacion porque las partículas no arrastran a otras y mucha menos cantidad de aire es desplazada hacia abajo. Supongo que será como decir que las partículas en contacto con el ala salen despedidas hacia abajo pero el resto no y se crearía un vacío bajo el ala y sobre él, el ala no tendría nada sobre lo que sustentarse.

  9. Muy buen artículo y estoy completamente de acuerdo en que explicar porque vuela un avión sin mencionar la viscosidad es un grave error.
    La viscosidad es “culpable” de que aparezca la circulación alrededor del perfil, y sin embargo una vez establecida esa configuración, puede prescindirse de la existencia de visxosidad para el cálculo de la distribución de velocidades y preciones alrededor del perfil.
    Se puede decir en sentido figurado que la viscosidad actua como “catalizador” en la genreación de la sustentación aerodinámica del perfil.

    Otra de las claves(que nadie ha mencionado)es la translacion de el punto de remando al borde de salida(la punta) del perfil.

  10. @David:
    Respecto a esto:Sólo corregirte en un punto: la capa límite no es la zona del fluido en la que el flujo es laminar, sino que es la frontera entre las zonas de flujo laminar y turbulento.
    Te recorrigo.
    Los efectos de viscosidad se presentan solamente en una delgada capa que rodea al sólido.Fuera de la capa límite, la corriente se comporta como si no existiera viscosidad.El valor de la velocidad es nulo en la pared y V en el borde de la capa limite(99% de V).
    La capa limite puede ser laminar o turbulenta.Existiendo una zona de transición en la cual pasa de sar laminar a turbulenta.Si bien interesa que la capa limite sea turbulenta ya que asi se desprende mas dificilmente(y no queremos que eso pase).
    En los puntos próximos al borde de ataque,la capa límite es laminar,conforme nos vamos desplazando hacia el borde de salida,la capa limite empieza a surir una serie de perturbaciones que conllevan a un aumento de espesor de la capa limite y una destruccion de la corriente laminar que existia,pasando a ser de tipo turbulenta.(obviamente el paso no es brusco sino que hay una zona de transicion)
    Espero habertelo aclarado,un saludo

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