Introducción al aeromodelismo eléctrico. Parte 12

¿PORQUE VUELA UN AVIÓN?

Tenemos que hacer una alto en el camino. Es mas que necesario. Antes de continuar construyendo el IKK001 creo oportuno saber porque estamos haciendo las cosas, en concreto, las alas.

Para comprender como funciona un ala, nada de soplarle a un folio, nos vamos directos de excursión a la NASA. En la dirección siguiente, nos ofrecen un simulador interactivo de perfiles de alas. Entrad y trastearlo un poco.

http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/foil2.html 

Empezad configurando la pantalla con los parámetros de la imagen siguiente:

¿Que estamos viendo? Es un perfil de un ala ( un corte en el sentido de la marcha del avión) sometido a una corriente de aire.

En la imagen vemos que tengo seleccionado el perfil clásico de un avión (airfoil). En el círculo amarillo viene una cifra, es una magnitud expresada en Newtons. Esa es la fuerza que hace el ala hacia arriba para mantener al avión en el aire. Se llama SUSTENTACION, (lift). Cuanto mayor sea, mas tira el ala hacia arriba del avión. Depende de muchísimos parámetros, entre otros, de la velocidad, la forma, la inclinación, la densidad del aire…

Vamos al concepto.

Existiran miles de textos en la web con respuestas a esta pregunta. No he leido demasiadas, pero no me ha gustado la explicación de ninguna. He decidido montar una explicación intentando que esto lo entienda el mayor número de personas posible.

El asunto de explicar esto  no es sencillo. Existen tesis universitarias sobre los efectos de los balones de futbol en los goles colados de falta.  Los perfiles de las alas de los aviones solo se conocen bien si son probados y estudiados en tuneles de viento (no se por donde irán las cosas ahora  gracias a los superordenadores).

 Antes de que me critiqueis, quiero decir que he leido sobre Newton, Bernouilli, efecto Coanda, viscosidad de los fluidos, efecto Venturi, fuerzas intermoleculares de los gases …. Y hasta sobre el efecto de los balones de futbol cuando cuelan un gol directo desde el corner que se llama “Magnus”.

Habitualmente, el ala de un avión real tiene alguna de las siguientes formas..

Primera pregunta. ¿Puede volar un avión si le coloco de alas una tabla plana, en vez de las formas de arriba?
La respuesta es si.

Utilizo a Newton. Si pongo la tabla un poco inclinada respecto al a dirección en la que vuela el avión, desvia el aire hacia abajo, y el avión logra sustentación, es decir, se mantiene en el aire.

Es el mismo efecto que mantiene a las cometas clásicas en el aire, o que cuando sacas la mano por la ventana del coche, y la pones plana, te a mueve hacia arriba o hacia abajo, según la orientes.

 ¿Por qué pasa esto? Pues al igual que cuando se chocan dos bolas de billar, o le tiramos una piedra a una lata, el objeto golpeado sale desplazado debido a la velocidad del que golpea.

 En un ala plana o una cometa, las partículas de aire golpean abajo y logicamente, el ala tira hacia arriba de todo el avión.

 Vamos a hacer el experimento en el simulador. Si yo lo configuro con la imagen siguiente, es decir lamina plana, y la mantengo horizontal, el LIFT o SUSTENTACION marca 0 Newtons.

 

Si a continuación inclino un poco la hoja como en la imagen siguiente, veo como aparece sustentación. (LIFT).

Conclusión: Un avión con unas alas hechas con un trozo plano de depron o de cartón, puede volar sin problemas.

Segunda pregunta. ¿Por qué las alas de los aviones no son tablas planas?
Porque una tabla plana puesta de lado, aunque sea poco frena el avión.  no es aerodinámico.  Aunque no las podamos ver, se crean turbulencias en la parte superior y esto despedicia parte del esfuerzo del motor para desplazar al avión. Pero nos vale para nuestros aviones sencillos.

 

Tercera pregunta. ¿Por qué tiene esa forma las alas de avión y como funcionan?
Para dar respuesta, hay que asimilar varias ideas.

El aire es un fluido, como el agua, con sus corrientes, lógico.
El aire está formado por particulas de gas. En definitiva partículas, átomos y moléculas, con su peso  (masa).
Existen fuerzas que tienden a unir esas partículas, es decir se atraen entre sí.
El aire es como el agua, se pega a las superficies que toca, es viscoso/pegajoso.
 
Bien, voy a empezar a poner ejemplos de situaciones que nos van a hacer falta.

Si un hombre como Homer Simpson (gordo) (o como yo) va corriendo por la calle, y para girar una esquina, se agarra a un arbolillo con la mano, medio colgandose de el ¿Qué le puede pasar a ese pequeño arbol? Pues que se dobla hacia la posición del gordo, conforme va girando agarrado. El individuo tiene que hacer una fuerza con el brazo para poder modificar su trayectoria, y el arbol sufre un desplazamiento porque le están tirando. (fuerza centripeta).

Bien. Pues vamos a suponer que el gordo es una particula de aire.  Pues mirad lo que le pasa a una partícula de aire cuando pasa por la parte de arriba de un ala como la del dibujo inicial o los perfiles habituales.

 Tiene que hacer una trayectoria curva como nuestro gordo, luego sufrirá una fuerza hacia afuera de la trayectoria. Y hemos dicho que el aire es viscoso/pegajoso, por tanto, la partícula de aire va paseandose por la superficie del ala atraida como si fuera un iman  y la superficie fuera hierro. Entonces esta pegajosidad de la partícula hacia el ala es como el brazo del individuo del ejemplo. Luego cuando una particula de aire pasa por una superficie curva, tira de la superficie como el gordo tira del arbol.

¿Y si van 100 gordos cogidos de la mano de lado a lado de una calle ancha y van a girar la esquina agarrandose al arbol el individuo que está mas cerca de este?, ¿que fuerza va a tener que aguantar el arbol? Pobre arbolillo

. Bien, pues  Los brazos de los gordos son las fuerzas de atracción que hay entre las partículas del aire. Entonces la partículas de aire, aunque pasen a cierta distancia del ala, como tiene que hacer una curva, le tiran a las que tienen al lado, y como los gordos, sucesivamente hasta llegar a la que hay cerca del ala, que le tira al ala hacia arriba.

Este tiro hacia arriba cuando el aire recorre un ala, es la sustentación (lift en ingles).

Se puede hacer un experimiento con una cuchara sopera, y en vez de aire, el agua de un grifo.

Si sujetamos una cuchara colgando con dos dedos y la aproximamos por el lado de abajo a un chorro de agua, veremos como sucede lo que hemos explicado arriba. Aparece una fuerza perpendicular al chorro de agua que tira de la cuchara hacia el chorro, porque las partículas de agua tienen que hacer una curva. (fhssssss…..).

En la  parte de abajo del ala, si es plana, no sucede nada. Arriba existe una depresión respecto a el aire que pasa por abajo.

Ya tenemos bastante dominado el asunto, vamos ahora a redondear la cosa.

¿Que pasa si el ala tiene curva por arriba y por abajo?.
Pues que también tirara hacia abajo el aire, entonces tendremos dos fuerzas, y ganará la mayor, es decir, el lado que tenga mas curva. Si ambos lados son iguales, no existe sustentación. Volvemos otra vez a recurrir a la tabla plana y newton, inclinamos el ala un poco y ya sustenta otra vez (mas o menos).

 

¿Que pasa si el ala es como una tabla curva?
Pues que logramos el efecto de sustentación y además, tenemos una presión en la parte inferior. ES decir, sustentación extra.  Este ala es similar a la de los pajaros, pero en la mayoría de los aviones tenemos demasiada sustentación y no vale para ir a mucha velocidad.

Si continuais leyendo esto todavía, observad que esto es lo que hemos hecho en nuestro prototipo IKKARO 001. Hemos curvado el ala para tener sustentación, y le hemos chafado el borde delantero (borde de ataque) solo en la parte de arriba, para intentar mandar mas aire a la parte superior del ala.

Los aviones de pasajeros si necesitan ir despacio en el despegue y el aterrizaje, y entonces extiende en la parte posterior  unas superficies que se llaman flaps, que ensanchan  el ala y le dan la forma de la que estamos hablando.

Mas cosas.
Con el simulador también podemos comprobar que la sustentación depende de la diferencia de curva entre la parte de arriba  la de abajo, por tanto, podemos aumentar el espesor, que la sustentación varía poco. Esto de las alas gruesas viene bien porque se utilizan como depósito de combustible.

Y si ponemos una pelota. Que pasa?
Pues si no gira, nada. 

Si gira tenemos que echarle otra vez imaginación, porque se produce una sustentación en el lado por el que pasan mas partículas de aire por segundo. Es decir, cuantos mas hileras de gordos cogidos de la mano pasen por segundo y le tiren al arbol, pues mas fuerza sufrirá.

Podeis comprobarlo en el simulador con las configuración siguiente, basta darle a “SPIN”.

Si practicais algún deporte que utilice bolas o pelotas, sabreis que existen los efectos. Si la bola va girando en el sentido de como si rodase por el suelo, se produce sustentación negativa y tiende a caer rápido (liftado en el tenis) pasan mas moléculas de aire por debajo y tiran hacia abajo. Si gira en el sentido contrario, como en la imagen anterior, es lo que se llama “cortado” y la pelota se ralentiza y se mantiene mas tiempo en el aire. Logra sustentación hacia arriba como el ala de avión.

 

Adjunto las imágenes por si no se ven bien en el post.

Y todo lo anterior sin ánimo de ofender a nadie, que yo soy pequeñajo y peso 86 kilos. Todo sea por la ciencia.

 

 

 


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