La mayoría de nosotros ha experimentado la emoción de despegar en un avión. La expectación aumenta a medida que los motores se aceleran y el avión avanza por la pista ganando velocidad. Y entonces, de repente, las vibraciones se detienen, el suelo se desvanece y usted está en el aire, llevado por la magia del vuelo. Pero ¿ha pensado alguna vez en la física que hay detrás de esta maravilla? Aunque todos entendemos que las alas proporcionan la sustentación, la ciencia dista mucho de ser sencilla. De hecho, incluso después de más de un siglo de vuelo propulsado, el debate sobre la mejor manera de explicar lo que mantiene a los aviones en el aire sigue abierto, y abundan las malas explicaciones.
La forma de un ala de avión está diseñada para generar sustentación, que es la fuerza ascendente que permite volar a un avión. Las alas de los aviones suelen tener, aunque no siempre, una superficie superior curva y una inferior plana, y la sustentación es el resultado de las diferencias de presión entre ambas superficies.
La explicación del “tiempo de tránsito igual”
La explicación popular, aunque errónea, de cómo un ala genera sustentación es que, como la superficie superior está curvada, el aire que pasa por encima del ala tiene que recorrer una distancia mayor que el aire que pasa por debajo del ala, por lo que debe moverse más deprisa. A continuación, se cita el principio de Bernoulli para concluir que el aire que se mueve más rápido por encima debe tener menor presión, lo que genera sustentación. Ésta es la engañosa explicación de la sustentación aerodinámica basada en la igualdad del tiempo de tránsito, que puede encontrarse en muchos libros de texto y en Internet (incluido ChatGPT).
El catedrático de Aerodinámica de la Universidad de Cambridge Holger Babinsky se siente frustrado por el uso de este mito para explicar la sustentación. En su artículo How do wings work? (¿Cómo funcionan las alas?) escribe: “La explicación popular de la sustentación es común, rápida, suena lógica y da la respuesta correcta, pero también introduce conceptos erróneos, utiliza un argumento físico sin sentido e invoca engañosamente la ecuación de Bernoulli”. No existe ninguna ley física que establezca que las parcelas de aire separadas en el borde de ataque del ala tengan que llegar al mismo tiempo al borde de salida del ala. De hecho, los estudios realizados en túneles de viento han demostrado claramente que el aire por encima del ala viaja en realidad mucho más rápido que el aire por debajo, alcanzando el borde de salida del ala mucho antes que el aire que viaja por la superficie inferior.
Babinsky afirma que “la generación de sustentación no requiere distancias diferentes alrededor de las superficies superior e inferior”, y nos invita a “considerar una vela que no es más que un ala vertical (que genera fuerza lateral para propulsar un yate)”. Las corrientes de aire recorren la misma distancia a ambos lados de la vela.
Una demostración engañosa
Una forma habitual de “demostrar” cómo el Principio de Bernoulli explica la sustentación consiste en sujetar una tira de papel por uno de sus extremos para que caiga hacia abajo por efecto de la gravedad. Al soplar en la parte superior de la superficie curva, el papel se eleva. La explicación que se da inevitablemente es que, como el aire expulsado por los pulmones se mueve más deprisa que el aire circundante, tiene menor presión que el aire que hay debajo del papel, por lo que la tira sube. Sin embargo, el aire que sale de los pulmones tiene la misma presión que el aire circundante. Según Babinski, “es falso establecer una conexión entre el flujo en los dos lados del papel utilizando la ecuación de Bernoulli”. Aunque las diferencias en la presión atmosférica harán que el aire se acelere al pasar de zonas de mayor a menor presión (la explicación del viento), cambiar la velocidad del aire (por ejemplo, soplando) no afectará a la presión.
Una explicación más exacta de por qué el papel se eleva es que se trata de una demostración de la tendencia de un chorro de fluido a adherirse a una superficie convexa. La superficie del papel es microscópicamente rugosa, y la capa límite de la corriente de aire tiende a adherirse a la superficie. Como el papel intenta redirigir la corriente de aire hacia abajo, ésta tira hacia arriba de la tira curva, de acuerdo con la tercera ley del movimiento de Newton (para cada acción (fuerza) en la naturaleza hay una reacción igual y opuesta), y la tira se eleva.
Newton supera a Bernoulli en la explicación de la sustentación
Pero la demostración del papel nos ayuda a entender por qué la presión del aire es menor por encima del ala que por debajo. Al igual que el flujo de aire de tus pulmones se pega a la superficie del papel curvado cuando soplas sobre él, también la capa límite del flujo de aire se adhiere estrechamente a la curvatura del ala debido a la fricción. Como las moléculas de aire que se mueven horizontalmente por encima del ala son atraídas hacia abajo para permanecer cerca de la superficie curvada del ala, el aire se estira en un volumen mayor, creando un campo de baja presión sobre el ala que genera sustentación. El aumento de la velocidad del aire por encima del ala (mencionado anteriormente) se debe a que el aire se apresura a llenar el campo de baja presión creado por la forma curva del ala.
Pero hay algo más. Cuando el flujo de aire pasa por la parte superior curvada del ala, se desvía hacia abajo, siguiendo la curva descendente del ala inclinada. Aplicando de nuevo la tercera ley de Newton, si el ala redirige el flujo de aire hacia abajo, el aire debe ejercer una fuerza ascendente igual sobre el ala, lo que constituye la sustentación. Una idea clave es que la diferencia de presión entre las superficies superior e inferior del ala, el aire desviado hacia abajo y la fuerza de sustentación son todas facetas del mismo fenómeno. Uno no puede existir sin los otros dos.
Lo que ocurre debajo del ala es más fácil de explicar. Si la parte inferior del ala está inclinada con respecto a la corriente de aire (lo que se denomina ángulo de ataque), empujará el aire hacia abajo a medida que pasa, creando una fuerza igual y opuesta (hacia arriba) sobre el ala (Newton de nuevo). Esta fuerza se manifiesta como una zona de alta presión bajo el ala. A medida que aumenta el ángulo de ataque, se genera más sustentación, pero también aumenta el riesgo de entrar en pérdida, que se produce cuando el flujo de aire sobre el ala se separa de la superficie, se vuelve caótico y se pierde parte de la sustentación. Los aviones modernos cuentan con sistemas diseñados para evitar la entrada en pérdida.
La sustentación generada por la parte inferior del ala explica por qué los aviones a veces pueden volar boca abajo y por qué un avión de papel con alas planas puede mantenerse en el aire. Cuando el ángulo de ataque es óptimo, se genera suficiente sustentación bajo el ala para mantener el avión en el aire, aunque la superficie superior no proporcione sustentación. Como explica Babinsky, “la sustentación negativa (que sería necesaria para volar boca abajo) es simplemente una cuestión del ángulo de ataque con el que vuela el avión”.
Así que la próxima vez que veas un avión en el aire, o incluso un pájaro volando, recuerda que la forma curva de las alas y el ángulo de ataque redirigen el aire hacia abajo, creando diferencias de presión y una fuerza ascendente de acuerdo con la tercera ley de Newton, y dándonos el milagro del vuelo.
Comentarios sobre esta publicación