¿Por qué vuelan los aviones?

A menudo viajamos en avión.  Volar es la forma más segura de viajar, y para mí es la más espectacular, ya que desde el aire admiras el país y al aterrizar y despegar las ciudades se ven impactantes desde el aire, volar a las ciudades de la costa del golfo de México es todo un espectáculo.  Otra ventaja es que en tan sólo minutos se recorren varias distancias.  El volar hace que sea válido el dicho que dice que a veces el viaje es mejor que la llegada, o la versión que dice que el viaje es mejor que el destino; yo digo que a veces el recorrer viaje es más satisfactorio que el estar en el destino (y aplica no tan sólo para viajar, sino para cuando se trabaja en lograr un objetivo).

Los aviones vuelan por el efecto de varias fuerzas y principios físicos, entre los que destacan la tercera ley de Newton y el principio de Bernoulli.  Vamos por partes.

En el vuelo se involucran varias fuerzas:  sustentación (o elevación), gravedad, empuje y arrastre.  La primera se encarga de hacer volar al avión y adquirir altura, la segunda es una fuerza natural que contrarresta en cierto sentido a la sustentación, en un avión volando a altitud de crucero sustentación y gravedad están en equilibrio, al elevarse llega un punto en el que las alas no pueden producir la sustentación suficiente para contrarrestar la gravedad, es la altura máxima a la que puede volar un avión; el empuje es debido a los motores y aumenta la velocidad y sustentación de las alas, el arrastre es un efecto aerodinámico que contrarresta el empuje y se debe a la acción del roce de las moléculas de aire con el avión.  El arrastre es uno de los factores a tomarse en cuenta al calcular es gasto de combustible, por cada vez que se duplica la velocidad se cuatriplica el arrastre, aunque a veces el arrastre es útil, ya que sirve para hacer disminuir la velocidad del avión y para hacer descender al avión desde su altitud de crucero sin aumentar la velocidad (es la razón de los frenos aerodinámicos o spoilers).

Como se dijo antes en el vuelo intervienen las fuerzas de Newton.

La primera ley, la ley de la inercia interviene poco pero se calcula.  La ley dice que un cuerpo al que se le aplica una fuerza seguirá un movimiento a menos que se aplica una fuerza contraria, en éste caso la fricción con el aire y el arrastre contrarrestan la fuerza de empuje.

La segunda ley es la ley de la fuerza.  Nos dice que la sumatoria de fuerzas es igual al producto de la masa por la sumatoria de las aceleraciones, o de otro modo, fuerza es igual a masa por aceleración.  En éste caso la fuerza es igual a la masa del avión por la aceleración de los motores, la aceleración es la única cantidad que puede medir el sistema de navegación inercial del avión (INS), el INS no mide velocidad ni distancia, sino que calcula velocidad y posición a partir de los datos de la aceleración, suministrada por los motores.  Cuanto más aceleren los motores más fuerza se aplica y más veloz se mueve el avión.  ésta ley es importante puesto que los aviones comerciales tienen más de un motor, generalmente tienen dos o cuatro motores, aunque algunos tienen tres.

La tercera ley es una de las más importantes y con más aplicaciones.  Nos dice que a toda acción corresponde una reacción de igual magnitud, pero en sentido contrario.  Hay que recordar que el avión se mueve en el aire, el cual se considera un fluído.  Los motores empujan el aire hacia atrás con fuerza, y en respuesta el aire empuja hacia adelante el avión con ésa misma fuerza, de ésta manera la aceleración aplicada por los motores se correlaciones con la aceleración del avión respecto al aire.

Tercera ley de Newton.  Cada motor ejerce una fuerza igual al producto de la masa por la aceleración.  Como el avión (un Boeing 747) tiene cuatro motores la fuerza total es igual a la fuerza de cada motor multiplicada por cuatro.  La fuerza total de los motores es igual a la fuerza ejercido por el aire, pero ésta útlima es sentido en contrario.

El principio que explica directamente la creación de la sustentación es el principio de Bernoulli.  Éste principio es visto por quienes estudian alguna ingeniería en la materia de dinámica de fluidos, o en su equivalente de alguno de los cursos de operaciones unitarias, que es el nombre de ésa materia en las instituciones de gobierno.  El principio de Bernoulli es usado en la industria química, aeronáutica, civil, etc., incluso en la agronomía, ya que sirve para calcuar flujos de fluídos (líquidos y gases son fluidos porque pueden fluir) y longitudes de tuberías.  El principio de Bernoulli establece que para un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido; o en otras palabras, un incremento en la velocidad del fluido ocurre simultáneamente con una disminución de la presión o en la energía potencial del fluido.

Expresión matemática del Principio de Bernoulli.

 Para comprender cómo influye esto es mejor ver un diagrama de un ala.

Esquema del perfil alar, cortesía Kraaienest.

Aerodinámica de diversos objetos.

Las alas no son rectas, si se observan detenidamente se verá que son curvadas por arriba, para disminuir la resistencia al viento y aprovechar el principio de Bernoulli.  El aire entra por el borde de ataque y sale por el borde de fuga, al entrar al primero se divide en dos flujos, uno pasa debajo del ala y el otro pasa sobre el ala, saliendo por el borde de fuga.  El resultado es que el aire fluyendo por la parte superior corre más rápido que el que fluye por la parte inferior, y esto crea un diferencial de presión, la presión en la parte superior es menor que en la inferior, y éste diferencial de presión resulta en sustentación, que es una fuerza que actúa hacia arriba.  Mientras mayor sea la potencia de los motores mayor es la velocidad del aire pasando por las alas y mayor es la sustentación; de hecho los pilotos controlan la elevación del avión moviendo la potencia de los motores (con las palancas de control), para elevarse aplican más potencia a los motores, para descender bajan o cortan la potencia de los motores.  Mientras mayor sea el ala mayor es la sustentación creada por ella, es por eso que los aviones pesados como el Boeing 747 “Jumbojet” y el Airbus A380 “Superjumbo” son aviones con alas grandes y motores potentes, los motores se encargan de crear el empuje necesario para mover esos aviones tan pesados, mientras que las alas son grandes para crear una sustentación muy grande, necesaria para elevar las tan pesadas naves.

Es así como vuelan los aviones, combinando las 3 leyes de Newton con el Principio de Bernoulli.

Imagen del ala de un Airbus A340, en donde se puede apreciar físicamente el principio de Bernoulli.  En la imagen, la condensación visible sobre la parte superior del ala es causada por la caída en la temperatura acompañando la caída en la presión, ambas debidas a la aceleración del aire.