teorías de elevación

Una idea errónea popular es que los hermanos Wright, además de todos sus otros logros, inventaron el perfil aerodinámico. no lo hicieron Sir John Cayley, un ingeniero inglés que también identificó por primera vez las cuatro fuerzas del vuelo (ascensor, arrastre, empuje y peso), desarrolló el perfil aerodinámico combado a través de una experimentación detallada. Su obra en tres partes, Sobre la navegación aérea, publicada en 1809 y 1810, se cita a menudo como la primera descripción de lo que hoy llamamos un avión. También hoy, enseñamos que las teorías de Sir Isaac Newton (1642-1726) y el matemático suizo Daniel Bernoulli (1700-1782) proporcionan la ciencia detallada que explica el ascensor. No lo hacen, al menos no completamente.

El problema básico es que ninguna teoría explica completamente las observaciones del mundo real. El principio de Bernoulli, que el aire más rápido en la parte superior del ala experimenta una presión reducida, es correcto pero no explica por qué es correcto. Tampoco explica el vuelo invertido. Ahí es donde entran en juego la segunda y la tercera leyes de Newton (consulte la barra lateral a continuación para obtener más detalles). En conjunto, las leyes de Newton describen cómo podemos volar invertidos y cómo funciona el ángulo de ataque. Pero no tienen los detalles que necesitamos de Bernoulli. Aún así, una vez que ponemos a Bernoulli y Newton en la misma habitación, luego rociamos un poco de Cayley, tenemos una idea funcional de cómo construir y volar un avión. Pero aún no sabemos exactamente por qué el aire en la parte superior del ala tiene una presión más baja que el aire debajo.

Probablemente nos dijeron en la escuela de tierra que el área de baja presión en la parte superior del ala se debe a que las partículas de aire que pasan sobre ella tienen que acelerar en relación con el aire debajo del ala para que ambas lleguen al borde de salida al mismo tiempo. y reincorporarse. Esto se conoce comúnmente como la teoría del "camino más largo" o "tiempo de tránsito igual".

Pero no hay ciencia que diga que las partículas de aire tienen que llegar simultáneamente. De hecho, según el Centro de Investigación Glenn de la NASA, "la velocidad real sobre la parte superior de un perfil aerodinámico es mucho más rápida que la predicha por la teoría del 'camino más largo' y las partículas que se mueven sobre la parte superior llegan al borde posterior antes de que las partículas se muevan debajo del perfil aerodinámico". " (énfasis añadido).

Sí, la superficie superior curva del ala establece un área de aire de menor presión sobre ella, pero no hay efecto venturi porque no hay venturi. Bernoulli realmente no nos dice por qué sucede esto, solo que sucede. Bernoulli tampoco explica cómo los diseños de alas sin curvatura (aquellos que carecen de una superficie superior curva, o casi) pueden generar sustentación, o cómo las superficies aerodinámicas simétricas, con curvaturas idénticas en la parte superior e inferior, también la crean. Y ni siquiera hemos llegado al vuelo invertido.

Como dice la NASA: "Podemos... usar la ecuación de Bernoulli para calcular la presión y realizar el cálculo del área de presión y la respuesta que obtenemos no concuerda con la sustentación que medimos para un perfil aerodinámico dado. La sustentación predicha por el 'Equal Transit "La teoría es mucho menor que la sustentación observada, porque la velocidad es demasiado baja. La velocidad real sobre la parte superior de un perfil aerodinámico es mucho más rápida que la predicha... y las partículas que se mueven sobre la parte superior llegan al borde de salida antes que las partículas que se mueven debajo del perfil aerodinámico. ."

Una forma de explicar el vuelo invertido es la tercera ley de Newton, que toda acción tiene una reacción igual y opuesta. La demostración más sencilla es sacar la mano por la ventanilla de un automóvil en movimiento. Al mantener la mano horizontal en relación con el aire que se aproxima, hay poca resistencia. Sin embargo, mantenga su mano perpendicular y el aire en movimiento tiende a empujarla hacia atrás, hacia la parte trasera del automóvil. Deberá flexionar el brazo hacia el frente para mantenerlo en su lugar. Si sostiene su mano en, digamos, un ángulo de 45 grados, tiende a querer moverse tanto hacia atrás como hacia arriba al mismo tiempo. Debes flexionar el brazo hacia adelante y hacia abajo para contrarrestar el efecto.

El movimiento de su mano en la perpendicular y en un ángulo de 45 grados demuestra la tercera ley de Newton, con respecto a las reacciones iguales y opuestas: cuando el aire que se aproxima se encuentra con su mano, empuja hacia arriba y/o hacia atrás. Lo mismo sucede cuando un ala, o cualquier otra superficie, se coloca en un ángulo que no está alineado con el viento relativo.

Por lo tanto, el ala invertida todavía genera sustentación al volar en un ángulo de ataque mayor que el que se requeriría cuando la superficie combada es la superficie superior, gracias a la tercera ley de Newton: a medida que el aire es empujado hacia abajo por el ala, la reacción newtoniana también empuja arriba en el ala.

Una cosa a tener en cuenta al considerar el vuelo invertido es que un estabilizador horizontal típico es un perfil aerodinámico. Está montado con la superficie combada hacia abajo, de modo que su sustentación se dirige en dirección opuesta a la de las alas como contrapeso a favor de la estabilidad. Por lo tanto, no es correcto decir que el ascensor solo funciona en una dirección. Presumiendo un ala combada, el avión invertido permanece en el aire más como resultado de la tercera ley de Newton que cualquier cosa que Bernoulli haya dicho.

Dado que la sustentación es una fuerza, la segunda ley de Newton, que establece que las fuerzas resultan de la aceleración de una masa, también ocupa un lugar destacado en nuestro viaje hacia la comprensión. La masa que nos preocupa es el aire que fluye a través del perfil aerodinámico como un fluido. A medida que el aire pasa por el perfil aerodinámico, parte de él se desvía o gira, lo que cambia su velocidad en magnitud, dirección o ambas. En el borde de ataque, el aire se desvía hacia arriba y hacia abajo gracias a la forma del perfil aerodinámico. También gracias al perfil aerodinámico, el aire se desvía hacia abajo cuando pasa más allá del borde de salida. Debido a la tercera ley de Newton que involucra reacciones iguales y opuestas, el flujo de aire hacia abajo empuja el ala hacia arriba, creando sustentación.

Sin embargo, una cosa que las leyes de Newton con respecto a las fuerzas y las reacciones no hacen es explicar por qué existe aire a una presión relativamente baja sobre el ala. Por supuesto, Bernoulli tampoco.

Según un artículo de febrero de 2020 de Scientific American (SA), los especialistas en aerodinámica son conscientes de las lagunas en las teorías de sustentación incluso cuando aplican cálculos de dinámica de fluidos cada vez más avanzados. Y se están moviendo hacia lo que algunos podrían llamar una teoría unificada de sustentación.

Uno de esos aerodinámicos es Doug McLean, ex ingeniero de Boeing Commercial Airplanes y autor de Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics. Parte del libro de McLean está dedicado a explicar la sustentación y, como describe SA, se decidió por cuatro componentes necesarios: "un giro hacia abajo del flujo de aire, un aumento en la velocidad del flujo de aire, un área de baja presión y un área de alta presión".

"Se apoyan mutuamente en una relación recíproca de causa y efecto, y ninguno existiría sin los demás", cita SA su libro. "Las diferencias de presión ejercen la fuerza de sustentación sobre el perfil aerodinámico, mientras que el giro hacia abajo del flujo y los cambios en la velocidad del flujo sostienen las diferencias de presión".

Según SA, McLean también se dio cuenta de que su libro "no había tenido en cuenta completamente todos los elementos de la sustentación aerodinámica, porque no explicó de manera convincente qué causa que las presiones en el ala cambien con respecto al ambiente". McLean actualizó su texto, reconociendo que el aire es un fluido y que interactúa con un objeto sólido. Los flujos de fluidos alrededor de los objetos son de naturaleza muy variable, lo que requiere una disciplina separada, la dinámica de fluidos, y una potencia informática masiva para modelar los comportamientos no uniformes.

La producción de sustentación tiene un amplio impacto en la velocidad y la presión del aire cuando entra en contacto con el perfil aerodinámico. Hay un área de mayor presión debajo, un área de menor presión arriba, y las partículas de aire se aceleran y desaceleran. Luego, después de que pasa el perfil aerodinámico, la velocidad y la presión regresan a la temperatura ambiente. En otras palabras, la ciencia detrás de lo que realmente sucede cuando un perfil aerodinámico genera sustentación es mucho más complicada de lo que Bernoulli y Newton tenían herramientas para comprender. Aunque el campo de la dinámica de fluidos ha hecho grandes avances, todavía hay detalles menores sobre la producción de ascensores y la gran cantidad de variables presentadas que eluden a los matemáticos.

Para nuestros propósitos, pocos de esos detalles finales importan. Lo que importa es que entendamos que la sustentación se produce por las complejas interacciones de un fluido (aire) cuando impacta contra objetos sólidos (perfiles aerodinámicos) o, si lo prefiere, viceversa. Estas interacciones dan como resultado combinaciones variables y dinámicas de cambios de presión y aire que fluye hacia abajo que produce sustentación.

Varias perlas de sabiduría disfrazadas de dichos ingeniosos se me han quedado grabadas en un curso de preparación para exámenes que tomé cuando estudiaba para los exámenes escritos de instructor comercial y de vuelo. Uno de ellos, que hace referencia a Bernoulli, es "El cielo apesta". Otra es: "Si tienes suficiente poder, puedes volar un ladrillo". Este último también destaca que esta discusión de sustentación supone un ángulo de ataque constante y una velocidad constante. En el mundo real, estos valores rara vez son constantes durante mucho tiempo y, en cualquier caso, dependen en gran medida de la cantidad de energía disponible y aplicada. La barra lateral "¿Qué pasa con el poder?" a continuación se aborda la relación del poder con la generación de ascensores, que en sí mismo es otro tema.

Hay muchos subtemas de la generación de sustentación que no se abordan en este artículo, quizás más notablemente cómo se distribuyen los diferenciales de presión por encima y por debajo del ala, y cómo se pueden mover sus centros. Cuando los centros de presión se mueven, también debe cambiar la actitud del avión, y viceversa. En parte y para un ala determinada, estos diferenciales de presión dependen del ángulo de ataque y la velocidad del aire, y siguen siendo temas importantes para comprender la sustentación.

El remate de todo esto es bastante simple: generar sustentación es un proceso dinámico y complicado que depende de un puñado de leyes físicas relacionadas con la presión y la fuerza. Si bien esas leyes se entienden bien, su aplicación puede dejarnos con lagunas en nuestra comprensión que son difíciles de llenar sin abarcar las interacciones que definen, que dependen de esas mismas leyes físicas.

Sir Isaac Newton publicó por primera vez lo que se conoce como sus leyes del movimiento en 1687. La física newtoniana funciona bien para explicar el comportamiento de los objetos que se mueven a velocidades muy por debajo de las relativistas, por lo que usarla en un solo pistón no debería presentar un problema.

Una traducción popular de la segunda ley de Newton es: "La alteración del movimiento es siempre proporcional a la fuerza motriz aplicada, y se realiza en la dirección de la línea recta en la que se imprime esa fuerza". Este es el principio básico de la aceleración: la velocidad de un objeto depende de la fuerza aplicada.

Esta ley a menudo se describe con la frase "reacción igual y opuesta" cuando una fuerza externa actúa sobre un objeto. Su traducción dice: "A cada acción siempre se opone una reacción igual: o las acciones mutuas de dos cuerpos entre sí son siempre iguales y dirigidas a partes contrarias".

Según la NASA, la interpretación de "tiempo de tránsito igual" o "trayecto más largo" del principio de Bernoulli establece que "las alas están diseñadas con la superficie superior más larga que la superficie inferior, para generar velocidades más altas en la superficie superior debido a que las moléculas de gas en el la superficie superior tiene que alcanzar el borde posterior al mismo tiempo que las moléculas en la superficie inferior".

El error surge porque, en realidad, "la velocidad en la superficie superior de un ala que se eleva es mucho mayor que la velocidad que produce un tiempo de tránsito igual. Si conocemos la distribución de velocidad correcta, podemos usar la ecuación de Bernoulli para obtener la presión, luego use la presión para determinar la fuerza. Pero la velocidad de tránsito igual no es la velocidad correcta".

Uno de mis aviones menos favoritos para presenciar, el avión militar AV-8B Harrier VTOL, porque es ruidoso, proporciona un ejemplo extremo de vuelo de ladrillos. Por supuesto, un despegue vertical de un Harrier no implica generación de sustentación, solo un empuje que excede el peso de la aeronave. Hasta que el ala del Harrier no se mueve hacia adelante a lo que podría llamarse un buen clip, no se elimina el vector descendente de su único motor a reacción en favor del empuje hacia adelante.

Para generar sustentación, debemos tener alguna forma de energía, ya sea cinética (movimiento hacia adelante) o potencial (altitud), o ambas en alguna combinación. Independientemente de cuál usemos y en qué proporción, el impulso producido probablemente cambiará con la energía que apliquemos a la tarea. A su vez, es probable que también se requiera la entrada de control para ajustar la actitud del avión y compensar el aumento de sustentación del ala y la cola.

Como era de esperar, los materiales publicados por la FAA no entran en gran detalle sobre las relaciones entre el principio de Bernoulli y las leyes de Newton. Pero entendieron bien la esencia. Considere el siguiente extracto del Manual de conocimientos aeronáuticos para pilotos de la FAA, FAA-H-8083-25B (PHAK):

"Aplicando el principio de presión de Bernoulli, el aumento en la velocidad del aire a través de la parte superior de un perfil aerodinámico produce una caída en la presión. Esta presión reducida es un componente de la sustentación total. La diferencia de presión entre la superficie superior e inferior de un ala sola no tiene en cuenta la fuerza de sustentación total producida.

"El flujo descendente hacia atrás desde la superficie superior de un perfil aerodinámico crea una corriente descendente. Esta corriente descendente se encuentra con el flujo desde la parte inferior del perfil aerodinámico en el borde de salida. Aplicando la tercera ley de Newton, la reacción de este flujo descendente hacia atrás da como resultado una fuerza ascendente hacia adelante en el perfil aerodinámico".

Este artículo apareció originalmente en la edición de abril de 2020 de la revista Aviation Safety.

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