viernes, 21 de mayo de 2010

¿Por qué vuelan los aviones?


¿Quién no se ha planteado alguna vez esta pregunta? ¿Quién no se ha maravillado al ver cómo verdaderos monstruos de metal se elevan por los aires?

Los aviones vuelan simple y llanamente porque aparece una fuerza (llamada sustentación) que tira de ellos hacia arriba haciendo que se eleven por el aire. Vamos a ver cómo es esa fuerza y en especial, por qué aparece.

La fuerza de la sustentación es proporcional a la velocidad, a la densidad del aire y a una superficie de referencia llamada superficie alar. Por lo tanto, para que un avión se mantenga en el aire, necesita ir muy rápido, para que así su sustentación sea lo suficientemente grande como para vencer al peso (a la gravedad). Por eso, cuando un avión va despacio, éste entra en pérdida y cae siendo incapaz de soportar su peso. Pero... ¿por qué aparece la sustentación?

Bien, la sustentación aparece porque la presión en la cara superior del ala (extradós) es inferior a la de la cara inferior (intradós). Esa diferencia de presiones hace que aparezca dicha fuerza. Pero, ¿por qué pasa eso? Esto es debido a que la velocidad del aire que va por el extradós es mayor que la del intradós. Al ser la velocidad mayor, como Bernoulli demostró en su famosa ecuación, la presión disminuye. Esto se conoce como efecto Bernoulli.



¿Y cómo consiguen los ingenieros que el aire vaya más rápido por arriba? Muy fácil, simplemente curvando un poco el ala, de manera que una partícula fluida que vaya por el extradós tenga que recorrer más espacio que una que vaya por el intradós. Imaginaros dos partículas que están en reposo en el aire, y de repente se encuentran con el perfil de un ala como el de la figura. Una “decide” ir por arriba y otra por abajo. Debido a la forma y curvatura del ala, si las dos quieren volverse a encontrar al final de la misma, la que vaya por arriba deberá ir más rápido, para que le dé tiempo a recorrer su camino (más largo) en el mismo tiempo.

Por eso, los perfiles alares tienen esa forma. Gracias a la curvatura, el aire va más deprisa en el extradós, la presión es menor y debido a esa diferencia de presiones aparece la sustentación que hace que los aviones vuelen.

Para terminar, os propongo un sencillísimo experimento que demuestra e ilustra el efecto Bernoulli. Os dejo un link de un blog (lamentablemente cerrado), en el que su autor colgó un vídeo donde lo explica mucho mejor de lo que yo lo haría.

http://blogs.20minutos.es/ciencia/post/2008/07/14/aapor-quao-vuelan-aviones-

Así que ya sabéis por qué vuelan los aviones! Si algo no ha quedado claro, por favor, no dudéis en preguntarme!

Os recuerdo que podéis enviar vuestras preguntas a los.porques@gmail.com.




PARA QUIEN QUIERA SABER MÁS:

Este artículo (que os pongo abajo) me pareció muy completo. En él comprobaréis, que el efecto Bernoulli, sin dejar de ser cierto, no es suficiente para elevar un avión por los aires, y son necesarios más efectos y teorías para terminar de explicarlo. Ahí podéis ver cuales son y están muy bien explicadas. De todas formas, como siempre, si no entendéis algo, no dudéis en preguntarme!

http://home.comcast.net/~clipper-108/AVIONES.PDF



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27 comentarios:

Carlos Chordá dijo...

Estupendo. Y ahora, una pregunta para la que todavía no he encontrado respuesta: ¿Qué pasa con los aviones acrobáticos, que lo mismo vuelan en la posición "normal" que boca arriba?
Un saludo

nop dijo...

Los aviones no vuelan por efecto Bernoulli, la fuerza desarrollada no es suficiente para mantenerlos en el aire.

La principal fuerza de sustentación se produce por la inclinación del plano alar que ofrece una resistencia al avance y genera una fuerza ascendente.

En los aviones acrobaticos esta inclinación es bastante mayor para que tengan una mayor maniobralidad a cambio de sacrificar velocidad punta y consumo.

Los Porqués dijo...

Efectivamente nop. Como indico en la sección final, el efecto Bernoulli, sin dejar de ser cierto, no es suficiente para sustentar el avión. Si os fijáis, no os he hablado ni de ángulos de ataque ni de la circulación a lo largo del ala. Sin embargo, me parece la explicación más sencilla e ilustrativa para este tipo de blog.

Carlos, en la práctica, el avión se sustenta debido a muchos efectos, entre ellos el que nombra nop.Lo que ocurre es que el ala se diseña de manera que expulse el aire hacia abajo (down wash) a una gran velocidad, produciendo, por la tercera ley de Newton (acción-reacción), una gran fuerza ascendente. Todo lo que te explico está en el archivo que os he indicado al final de la entrada. Ahí vienen figuras que te pueden ayudar a entenderlo y explicaciones detalladas en español.

Si te interesa el tema, leetelo y me preguntas cualquier duda que te surja, ok? Estoy a vuestra disposición.

Un saludo!

Héctor dijo...

Buena entrada! No se me había ocurrido nunca lo del folio y lo cierto es que es una forma muy sencilla de hacer la demostración :O

José Luis dijo...

Gracias Jesús ;)

Los Porqués dijo...

Gracias a vosotros!

Pedro J. dijo...

"Debido a la forma y curvatura del ala, si las dos quieren volverse a encontrar al final de la misma, la que vaya por arriba deberá ir más rápido, para que le dé tiempo a recorrer su camino (más largo) en el mismo tiempo."

La teoría de los tiempos iguales ha entrado dentro de la mitología de las explicaciones pero no es correcta. De hecho, el problema de la explicación de por qué vuela un avión es que no hay más explicación que el movimiento del fluido alrededor del ala y descrito por las ecuaciones del movimiento. Y lo mejor para ello es ver la solución de las ecuaciones del movimiento en una simulación. Lo explicaba detalladamente sobre un applet java en esta entrada
http://ecos.blogalia.com/historias/55848

Los Porqués dijo...

Pedro J.:

Esta entrada fue publicada previamente en mi blog (los-porques.blogspot.com). En los comentarios de dicha entrada:

http://los-porques.blogspot.com/2010/02/por-que-vuelan-los-aviones.html

podrás ver que todo los que apuntas se debatió allí y explicó. Pero déjame dar unas aclaraciones para esta entrada del Museo.

Es cierto que el principio del transito en tiempo equivalente no es del todo cierto, si nos atenemos a simulaciones numéricas. Sin embargo, en la experimentación la viscosidad del fluido termina por "comerse" esas discrepancias o dejarlas en un punto casi despreciable. Por eso los aeronáuticos siempre recorrimos a los túneles de viento.

Sería muchos más fácil implementar una simulación numérica que tallar un perfil, colocarle sondas, alquilar un túnel de viento y ejecutar el experimento. Pero no es del todo correcto.

Las ecuaciones a las que haces referencias (las de Navier-Stokes) son demasiado complicadas. (Para mi son de las ecuaciones más importantes que existen) Y como todo, no son más que una aproximación a la realidad, una simulación. Si las integras desde su forma más básica, comprobarás que para hacerlo es necesario multitud de hipótesis y suposiciones, porque de no hacerlas, no se podrían integrar!

Veo que en los comentarios de tu blog das a entender que la explicación de Bernoulli y la de Newton son suplementarias y que la de Bernoulli sería suficiente. Siento decirte que te equivocas. Primero, Bernoulli no es suficiente, y segundo, no son suplementarias, sino complementarias. Ambas existen y ambas son ciertas. Se ayudan entre ambas!

Te recomendaría que te leyeras el archivo adjunto, ahí se reconoce que el principio de transito equivalente no es cierto del todo, y se analiza en detalle todo este debate.

Permite para terminar, una nota personal, sin intención de ofender. No se puede ir por ahí diciendo que un avión vuela porque lo dicen sus ecuaciones. Eso no es una explicación. Hay que intentar ver el porqué de las cosas, su funcionamiento. Entender los fenómenos y teorías en los que se basan esas ecuaciones. Así es como se entienden unas ecuaciones. Y una vez entendidas, explicar el modelo a los demás, sin hacer uso de ellas.

Imagínate que yo me hubiera dedicado ha integrar y explicar la ecuación de continuidad, conservación de la cantidad de movimiento y de la energía. Aquí lo hubieran flipado y nadie sabría porqué vuela un avión. Los que tenemos la suerte de comprender esas ecuaciones (como tú y yo), debemos hacer un esfuerzo para presentarlas a los demás de una manera sencilla. Así es como veo yo que se debe difundir la ciencia.

Por favor, espero no haber ofendido, discúlpame en tal caso. Por último, felicitarte por los applets, ojalá dispusiera y supiera poner unas cosas tan chulas en mi blog.

Un cordial saludo

NachoVi dijo...

Sólo una pequeña precisión, en uno de los primeros párrafos dices que la sustentación es proporcional a la velocidad, mientras que en realidad es proporcional al cuadrado de la velocidad :)

L = 1/2*Densidad*V^2*Superficie_alar*CL

Un saludo y muy buen artículo!

Los Porqués dijo...

Gracias Nacho,

la verdad es q no quería precisar tanto, simplemente que la gente supiera que hay una relación directa: cuando una crece, la otra también. Pero tienes toda la razón, para ser exactos la sustentación es proporcional a la superficie de referencia, al coeficiente de sustentación, a la densidad del aire y al cuadrado de la velocidad.

Un saludo!

Guille dijo...

Bueno, ya veo que el autor conoce que el efecto Bernoulli no es la respuesta correcta, ni mucho menos aproximada. Entonces mi pregunta es: ¿por qué después de hablar 7/8 del artículo sobre el efecto Bernoulli, dice "ahora ya conoces la respuesta"? Ya sé que al final, nada destacado, como información "extra por si quieres saber más", da un enlace a la verdadera respuesta, pero yo diría que el post es súmamente desinformativo!!!

Serloc dijo...

Vuelan porque van "tirando aire hacia abajo". Así de sencillo. La energía del combustible se va empleando en: 1.- Resitencia "horizontal" del aire, 2.- "Lanzar aire hacia abajo" (y por el principio de acción-reacción el avión "sufre" una fuerza hacia arriba.

Los Porqués dijo...

Como dije en un comentario: "me parece la explicación más sencilla e ilustrativa para este tipo de blog."

El efecto Bernoulli es cierto y está presente, tiene su aportación. ¿Que no es suficiente?
Sí, de acuerdo, pero el lector se encontrará en la red con dicho efecto. Y me gustaría que, primero lo entendiera bien y segundo, supiera que sin ser falso, no es suficiente.

Creo que la explicación de cómo el avión consigue echar hacia abajo el aire es mucho más complicada e inaccesible para muchos. Creo que para "andar por casa", y para que todo el mundo pueda entender por qué vuela un avión, el efecto Bernoulli es lo mejor. Para quien quiera saber más puede o bien preguntarme, o más fácil, acudir al material anexo que dejo en la entrada.

Siento si el post os ha parecido desinformativo, no era mi intención. A mi parecer es demasiado informativo, ya que quien se hubiera molestado en leer toda la documentación tendría la verdad y un conocimiento sumamente extenso.

Sinceramente, creo que lo mejor es aportar una explicación sencilla, cierta y que todo el mundo pueda entender. Y quien quiera una explicación más exhaustiva, o que lea lo apuntado al final o que por favor me pregunte!

En serio, estoy encantado de que me preguntéis, hago este blog por vosotros! Para resolveros dudas! Preguntadme lo que queráis, que yo os lo resuelvo con mucho gusto, os lo explico mil veces si hace falta y os aporto todo el material que sea necesario. Pero por favor, hagamos de este blog, un sitio accesible para todos, no sólo para unos pocos...

Manuel M. dijo...

(En tono humoristico) ...pues perdonen ustedes que les lleve la contraria, pero estan todos equivocadisimos. Lo que hace volar un avion es el dinero. (la lanzadera espacial es un buen ejemplo de como un ladrillo puede llegar a planear).

...y en realidad me parece muy sencillo y muy bueno el articulo.

Un saludo

Héctor dijo...

Hombre, sí que es cierto que se podría haber explicado alguna cosa más y hacerlo de forma que siga siendo sencillo (en los museos de ciencia suelen decir alguna cosa más y se puede hacer bien), sobre todo teniendo en cuenta que pueden ser cosas relevantes. Es decir, que comprendo lo que se pretende decir.

Pero no creo que llegue a ser desinformación como se comenta, Lo sería tal vez si explicara el vuelo del avión como lo ha hecho y no dijese nada más, pero termina diciendo...

"Este artículo (que os pongo abajo) me pareció muy completo. En él comprobaréis, que el efecto Bernoulli, sin dejar de ser cierto, no es suficiente para elevar un avión por los aires, y son necesarios más efectos y teorías para terminar de explicarlo."

Y se enlaza material para seguir leyendo. Desde mi punto de vista al menos, no creo que sea justo decir que la entrada ofrece desinformación.

Como propuesta, viendo que es un comentario que se repite el de que la explicación le vendría bien alguna cosa más, se podría hacer una segunda parte explicando algo más. Eso siempre que el autor esté de acuerdo y tenga ganas en un futuro por supuesto ;)

Pero lo que sí es cierto y no le falta razón al autor, es que aunque si bien se pudiera haber expliado algo más, algunas cosas tal vez son muy complejas como para explicarlas en una sola entrada.

Un saludo a todos y gracias por comentar, y por supuesto al autor por esta estupenda entrada ;)

Pedro J. dijo...

"Permite para terminar, una nota personal, sin intención de ofender. No se puede ir por ahí diciendo que un avión vuela porque lo dicen sus ecuaciones. Eso no es una explicación. Hay que intentar ver el porqué de las cosas, su funcionamiento"

Si te fijas en mi entrada utilizo una simulación --por cierto, de una página de NASA sobre el vuelo creo que imprescindible en este tema--
y sobre la simulación se hacen algunos comentarios como por ejemplo la importancia del perfil del borde de ataque o la influencia del ángulo de ataque. La explicación dentro obviamente de mis capacidades para hacerla más entretenida o comprensible trata de ser sencilla y divulgativa y llegar a todo el mundo. De hecho, llevo dos cursos utilizando el simulador con misa alumnos para que vean la correspondencia entre un principio general y sus aplicaciones prácticas.

Pero no veo realmente la diferencia con decir "por el principio de Bernoulli..." y luego para aplicar el principio de Bernoulli utilices la teoría del recorrido simultáneo. Alguien podría irse con la idea de que las alas de perfil simétrico no producen sustentación o plantearse por qué puede volar un avión con el perfil de ala invertido.

Será simplemente que tenemos dos conceptos diferentes de divulgación, que para mí es llegar al fondo de las cosas con las palabras más sencillas posibles.

Y por supuesto no es una crítica. Pretendía aportar más y mejor información. Y te sigo recomendando --y a los lectores-- las simulaciones en la página de NASA
http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/short.html
siempre que en las intenciones del lector esté de verdad buscar una respuesta a la pregunta de la entrada.

Los Porqués dijo...

Pedro J: Muchas gracias por el link, no lo conocía y la verdad es que promete. Da gusto que la gente de la NASA se preocupe tanto por enseñar. Ya te dije que me encantó el applet que tenías en tu blog. Ojalá mis profesores hubieran utilizado estas herramientas en vez de una tiza y la pizarra.

Creo que ya lo puse en un comentario, pero lo repito. En mi entrada no he explicado ni tenido en cuenta el ángulo de ataque, ni la curvatura, ni la cuerda, ni el espesor del perfil. Todos términos muy importantes. De hecho, un piloto para subir de nivel (ascender) aumenta el ángulo de ataque, no acelera. Muchos perfiles son simétricos ("la forma del extrados es igual a la del intradós"), y los aviones que lo usan vuelan!!

Como apuntaba Héctor, quizás lo mejor sería realizar una segunda entrega de la entrada con la explicación de Newton, y contando un poquito acerca de los perfiles alares, velocidades inducidas, vuelo invertido... Sólo espero que sea de interés para el público general, aunque viendo el número de comentarios y debate que está teniendo esta entrada parece que así será.

Un saludo a todos y muchas gracias por vuestros comentarios. Sin críticas no hay debate, sin debate no hay interés, y sin interés no se aprende!!!

SeaSky dijo...

Tambien os faltaria hacer referencia al efecto coanda.
newton + bernoulli + coanda.

Los Porqués dijo...

Hola SeaSky!

Aunque ya lo explicaré en detalle en una futura segunda entrega de esta entrada, aclarar dos cosas para los lectores que lean tu comentario.

El efecto Coanda en pocas palabras hace que un fluido al establecer contacto con un sólido, tienda a permanecer en contacto con él.

El efecto Coanda es utilizado por los aviones para "dirigir" el chorro de salida del aire del ala hacia abajo. Sin embargo, el incremento de sustentación que produce por sí mismo dicho efecto es mínimo. Más que nada es una herramienta usada para dirigir el aire, y que por la 3ª ley de Newton se sustente.

Sin embargo, algunos aviones (un ejemplo típico es el An-72) sí han hecho un uso más extenso del que se suele hacer de dicho efecto, produciendo en estos casos un aumento significativo de sustentación.

En resumen, Coanda, excepto en contados casos, no proporciona una sustentación significativa por sí mismo. Es una herramienta necesaria para que se sustente por Newton.

Anónimo dijo...

Hola
Gracias por la explicación, la he oído toda mi vida y nunca me ha convencido. Mi duda es la siguente: si le damos la vuelta al ala y ponemos lo de alante para atrás se le podría aplicar el mismo razonamiento (lo de que el camino que recorre la partícula de arriba es mayor que el de la partícula de abajo). Y sin embargo, las alas no se diseñan de ese modo, por lo que la explicación debe ser otra.
Un saludo

Jesús dijo...

Hola Anónimo,

como apuntas (y puedes leer en los comentarios) estás en lo cierto. Bernoulli por sí solo no puede explicar la sustentación de un avión ya que por ejemplo es incapaz de explicar, como bien dices, el vuelo invertido.

La realidad dice que existen dos efectos: Bernoulli y Newton, que se ayudan, cada uno aportando una ayuda a la sustentación.

Como prometí, y de hecho estoy haciendo, colgaré una nueva entrada (2ª Parte) sobre este tema, más extensa y un poco más técnica, para quien quiera profundizar más en el tema.

Sin embargo, como puse en algún lado, escogí esta explicación por (sin dejar de ser cierta) ser la más ilustrativa y sencilla de explicar para un blog de divulgación como éste.

Como adelanto te dejo una discusión sobre el tema que hace la NASA:

http://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/bernnew.html

Un saludo y muchas gracias por tu comentario!!

Uno más que intenta ignorar menos dijo...

Hola, estudio este tema y me gustaría decir que cualquier aplicación del efecto Bernoulli en la generación de sustentación de un avión es falsa. Cualquier teoría o explicación del vuelo de un avión donde aparezca el teorema de Bernoulli es incorrecta.
El teorema de Bernoulli se considera una expresión más de la conservación de la energía y por eso cuando la presión (estática) disminuye el aire se acelera etc. El problema esta en que para que esta energía se conserve, tenemos que hablar de un sistema cerrado, como una tubería, dónde la ecuación de Bernoulli es totalmente válida. En el caso del ala de un avión hablamos de un sistema abierto y por lo tanto hay intercambio de energía con los alrededores. Aquí Bernoulli no funciona.
Por último, decir que un avión vuela simplemente porqué el ala conduce el aire hacia abajo y esto genera una fuerza de reacción como muy bien han explicado por aquí.

Nada más, un saludo

Jesús dijo...

En breve colgaré una entrada más explayada al respecto, pero por ahora, perdona que no me extienda más, permíteme que te refiera a:

http://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/bernnew.html

"Newton's laws of motion are statements concerning the conservation of momentum. Bernoulli's equation is derived by considering conservation of energy. So both of these equations are satisfied in the generation of lift; both are correct."

Un saludo!

Uno más que intenta ignorar menos dijo...

Hola de nuevo, respecto a mi comentario anterior debo añadir que me he basado en lo explicado en el libro "Understanding flight" de David F.Anderson y Scott Eberhardt. Concretamente en el apéndice B de este libro, titulado precisamente "Misapplications of Bernoulli's principle", se explica lo siguiente (pag. 275-276):

"some people will argue that Bernoulli's principle is simply the conservation of energy and so must be appicable. However, for Bernoulli to be applicable, there can be no external work done, and the air must be in equilibrium. That is, no energy can be added to or removed from the airflow. Before the wing came by, the air was standing still. Afterward, a great deal of air has been accelerated down (opposite to the direction of the lift). As we saw, this is the source of induced power and induced drag. A great deal of energy has been added ti the air. Thus either we must have an engine to oppose this drag, which is a source of external work, or the wing will decelerate, which means it is not in equilibrium. Thus Bernoulli's principle is not applicable to a real, three-dimensional wing.
We wish to point out that this may appear to contradict an accepted application of Bernoulli. However, what is suggested is that Bernoulli is not applicable unless the wing is 100 percent efficient. That is, there is no energy loss in producing the lift. In classical presentations of lift on a two-dimensional airfoil, the wing is 100 percent efficient, and so Bernoulli can apply. This is so because an infinite amount of air is accelerated at almost zero velocity. It is only when considering a true, three-dimensional wing, which cannot be 100 percent efficient, that Bernoulli becomes inapplicable. The pressures and velocities of the air passing over a real wing producing lift are not related by Bernoulli's principle. In this case, a great deal of energy is given to the air, so either energy has to be added (with an engine) or there can be no lift."

En definitiva, es totalmente cierto que en el estudio de los perfiles aerodinámicos Bernoulli aplica, pero un perfil aerodinámico no existe en la realidad, y por lo tanto no explica por qué vuela un avión. Quedaros con esta frase: "An airplane flies by diverting air down".

Es una pena la cantidad de páginas y textos que explican estos fenómenos de manera de incorrecta. Te felicito por el blog, con estos debates todos aprendemos que es lo más importante.

Saludos!

Anónimo dijo...

La "explicación" de igualdad de tiempos para recorrer el perfil es falsa, simplemente.

No es una forma de explicarlo, no es una aproximación; es falso, sencillamente.

Hay incluso un diagrama de la NASA se explica que es falsa. Lo denomina "Equal transit fallacy", la falacia de la igualdad de tiempos.

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Equal_transit-time_NASA_wrong1.gif

Puedes ver en un modelo gráfico dinámico de un perfil que las partículas de aire por arriba necesariamente tienen que ir mucho más deprisa que por abajo, tanto que dejan atrás a las que van por abajo; si esto no sucediera así los aviones no podrían volar.

Con igualdad de tiempos de tránsito y Bernouilli es absolutamente imposible que un avión vuele. Si la igualdad de tránsitos fuera cierta o incluso aproximada, los aviones no podrían volar:

http://en.wikipedia.org/wiki/Lift_(force)#.22Popular.22_explanation_based_on_equal_transit-time


Por favor no difundas la falacia de la igualdad de tiempos. Nadie lo podrá entender porque es falso.

(soy ingeniero técnico aeronáutico)

un saludo y gracias por intentar difundir la ciencia

Jesús dijo...

Gracias a anónimo por tu comentario.
Como habrás leído en los demás comentarios, esta entrada está pendiente de actualización (sí, ya sé que lleva cierto retraso...).
Efectivamente, la igualdad de tiempos de tránsito es falsa; al igual que se dice que Bernoulli por sí solo no puede explicar por qué vuelan los aviones.

Pero lo que no estoy de acuerdo, y deberías saber, es que Bernoulli sea falso. Bernoulli se cumple y es cierto. Vuelvo a dejar una discusión de la NASA (que tanto parece gustar) al respecto:

http://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/bernnew.html

Te ruego que leas los comentarios y sobre todo los links que se han dejado en los comentarios y comprobarás que todo lo que apuntas ya se ha comentado.

Si tienes alguna duda, no dudes en comentarlo; aunque te rogaría que esperaras a la nueva entrada que estoy redactando, y entonces corrijas lo que veas incorrecto.

Gracias nuevamente por tus comentarios

Un saludo

Anónimo dijo...

La explicación al vuelo de un avión lo da el teorema de la circulación.-
Si el desplazamiento del avión es de derecha a izquierda, en el borde de salida del ala aparece un torbellino, cuyo sentido de giro es antihorario. Luego este torbellino, debe ser cancelado por uno opuesto según la ley de conservación del momento de la cantidad de movimiento. Este segundo torbellino es la circulación alrededor del ala en sentido horario según el caso planteado.-