¶ INTRODUCCIÓN
Para poder empezar a volar (aunque sea en el simulador) es importante saber qué se tiene entre manos. Un avión es una máquina diseñada para levantarse del suelo y mantenerse de forma estable por encima de este si se dan ciertas circunstancias. Para que esto suceda, son imprescindibles ciertas estructuras que todos los aviones tienen. Pero, a su vez, es importante conocer cómo interaccionan estas estructuras con el fluido que les rodea, es decir, el aire. Así, en este documento se exponen por un lado la estructura básica de las aeronaves, y por otro, los conceptos fundamentales de aerodinámica.
La aerodinámica es la rama de la mecánica de fluidos que estudia la interacción entre cuerpos sólidos y el aire cuando existe un movimiento relativo entre ellos. De acuerdo con la velocidad relativa entre un móvil y un fluido cualquiera, se dice que dicho móvil se mueve en flujo subsónico o supersónico.
En nuestro caso, sólo volaremos dentro de flujo subsónico, por lo que no ahondaremos en esta
distinción.
Con arreglo a esto, se puede decir que conocer y comprender los conceptos de aerodinámica es muy importante para el piloto, de cara a que éste, sepa en todo momento qué comportamiento tiene su aeronave y por qué. Sin embargo, dada la complejidad del tema, en este nivel será suficiente con lo expuesto en este documento, que se restringe a un conocimiento superficial de los fundamentos de la aerodinámica.
¶ ESTRUCTURA DE AERONAVES
Comencemos entonces por conocer mejor la estructura de los aviones. Cualquier aeronave tiene las
siguientes partes:
Como puede verse, todo avión tiene uno o varios motores (grupo propulsor), un fuselaje, un tren de aterrizaje, varios estabilizadores en la cola (vertical y horizontales) y, la parte fundamental, las alas.
Como veremos en el apartado siguiente, la parte fundamental y, de hecho, el motivo por el que vuela un avión, son las alas. Sin embargo, antes de entrar a detallar el ala, es importante comentar, siquiera someramente, un concepto importante: el de motor crítico.
En aviones bimotores (excepto en caso de que éste tenga motores contra-rotatorios) siempre existe un motor que se denomina "crítico". El motor crítico es el motor que más puede afectar al control de la dirección. Si falla este motor, es muy complicado recuperar el control de la aeronave. Esto es debido al denominado factor "P" (empuje asimétrico de la hélice). La rotación de los motores determina cuál es el motor crítico. Como puede verse en la figura, el motor crítico es el izquierdo, pues cuando éste falla es cuando se produce más guiñada, en este caso a la izquierda.
En resumen: el motor crítico es aquel que obliga a ejercer más fuerza sobre el timón de dirección para corregir la guiñada cuando se avería.
A continuación, veamos las partes del ala y veamos también en detalle en qué consiste un perfil alar.
Las alas del avión son las superficies aerodinámicas que generan la fuerza que hace volar a los aviones, la sustentación. Éstas tienen en su parte trasera las superficies de mando y control que hacen virar al avión, los alerones. Al lado de los alerones, se encuentran los flaps. Los flaps, son lo que denominamos superficies hipersustentadoras, pues su principal función es aumentar mucho la sustentación de la aeronave en las situaciones en las que el avión vuela más despacio, el despegue y el aterrizaje. Por supuesto, estos también aumentan la resistencia al aire, por lo que es muy importante saber en qué momento y en qué configuración usar estas estructuras. Las alas pueden tener distintas configuraciones a su vez. Entre las más comunes están las siguientes:
Ahora, veamos las partes de un perfil alar, es decir, del ala vista completamente desde el lateral:
- Borde de ataque: Es la parte delantera del perfil alar. Se le denomina “borde de ataque” ya que es la primera parte que toma contacto con la corriente de aire, provocando que esta se bifurque hacia el intradós y el extradós.
- Borde de Salida: Corresponde al punto en el que las corrientes de aire provenientes del intradós y extradós confluyen y abandonan el perfil.
- Extradós: Superficie superior del perfil alar, donde se produce la fuerza de succión.
- Intradós: Superficie inferior del perfil alar, en ella se produce la fuerza de sobrepresión.
- Cuerda: Es la línea recta que une el borde de ataque con el borde de salida. Es una dimensión característica de los perfiles.
- Línea de curvatura media: Es una línea equidistante entre el extradós y el intradós, en definitiva, fija la curvatura del perfil. Si la línea de curvatura media cae por encima de la cuerda se dice que la curvatura es positiva, negativa si va por debajo y de doble si va en un tramo por arriba y en otro por debajo.
- Ángulo de ataque: Es el ángulo que existe entre la cuerda, y la dirección de la corriente libre de aire.
La forma del perfil alar, así como sus características (la cuerda, etc.), determinan cuánta sustentación proporciona el ala y en qué situaciones. Por ejemplo, los perfiles de los aviones de acrobacia son simétricos, lo que les permite volar de forma invertida sin que se invierta la sustentación. Dicho en otros términos, sus alas generan la misma sustentación boca arriba que boca abajo. Asimismo, lo más habitual es que la curvatura sea positiva, esto es, que la cuerda quede por debajo de la línea de curvatura media. En el caso de los aviones de la escuela (C208B y B1900D) nos encontraremos con este tipo de perfil.
¶ ¿Por qué vuelan los aviones?
Independientemente de la complejidad del flujo de aire alrededor de un cuerpo (en este caso un perfil alar), las fuerzas y momentos de origen aerodinámico (cargas aerodinámicas) que percibe el cuerpo se deben exclusivamente a dos causas: por un lado, a la distribución de presiones sobre la superficie del cuerpo, y por otro lado a la distribución de esfuerzos viscosos sobre la superficie del cuerpo; en este documento se desprecia esta segunda causa, por su complejidad en la explicación.
Para entender esta distribución de presiones, se habla de velocidad del flujo del aire en el intradós y el extradós. Así, como se ve en la imagen, la diferencia de velocidad del flujo en estas partes del perfil, consecuencia del efecto Venturi, crea dicha distribución o diferencia de presiones, lo que hace que se cree una fuerza neta resultante, que recibirá el nombre de sustentación.
Esa fuerza neta resultante empuja el perfil hacia arriba, lo que hace que el perfil –o extrapolando—el avión, se sustente, es decir, vuele.
Por supuesto, cabe esperar que esta generación de la sustentación, como diferencia de presiones producida por la diferencia de velocidad del aire, no sea infinita o, dicho de otra manera, tenga un límite.
¶ Fuerzas Aerodinámicas
Las fuerzas que afectan a un avión de forma más relevante son las aerodinámicas. Como se ha visto en el apartado anterior, un avión vuela gracias a la sustentación neta que su ala puede generar, como consecuencia de una diferencia de presiones. Como no puede ser de otro modo, las fuerzas aerodinámicas que actúan en un avión deben tener fuerzas opuestas que compensan la resultante y permitan así el vuelo. En el siguiente gráfico, se esquematizan alrededor de un aeroplano cualquiera:
Como se puede ver, son cuatro: Sustentación, peso, resistencia e impulso. Para saber un poco más sobre ellas, atendemos a su definición y algunos conceptos importantes también definidos aquí.
¶ La sustentación
Es la fuerza desarrollada por un perfil aerodinámico moviéndose en el aire, ejercida de abajo hacia arriba, y cuya dirección es perpendicular al viento relativo y a la envergadura del avión (no necesariamente perpendiculares al horizonte). Se suele representar con la letra L (del inglés Lift ).
Actitud del avión: Este término se refiere a la orientación o referencia angular de los ejes longitudinal y transversal del avión con respecto al horizonte, y se especifica en términos de: posición de morro (pitch) y posición de las alas (bank). Ej. El avión está volando con 5º de morro arriba (cabeceo) y 15º de alabeo a la izquierda.
Trayectoria de vuelo: Es la dirección seguida por el perfil aerodinámico durante su desplazamiento en el aire, es decir, la trayectoria que siguen las alas y, por tanto, el avión.
Viento relativo: Es el flujo de aire que produce el avión al desplazarse. El viento relativo es paralelo a la trayectoria de vuelo y de dirección opuesta.
Ángulo de incidencia: Es el ángulo agudo formado por la cuerda del ala con respecto al eje longitudinal del avión. Este ángulo es fijo, pues responde a consideraciones de diseño y no es modificable por el piloto.
Ángulo de ataque: Es el ángulo formado por la cuerda del ala y la dirección del viento relativo. Este ángulo es variable, pues depende de la dirección del viento relativo y de la posición de las alas con respecto a este, ambos extremos controlados por el piloto. Es conveniente tener muy claro el concepto de ángulo de ataque, pues el vuelo está directa y estrechamente relacionado con él.
¶ El Peso
Es la fuerza de atracción gravitatoria sobre un cuerpo, siendo su dirección perpendicular a la superficie de la tierra, su sentido hacia abajo, y su intensidad proporcional a la masa de dicho cuerpo. Esta fuerza es la que atrae al avión hacia la tierra y ha de ser contrarrestada por la fuerza de sustentación para mantener al avión en el aire.
Centro de gravedad (C.G.): Es el punto donde se considera ejercida toda la fuerza de gravedad, es decir, el peso. El C.G. es el punto de balance de tal manera que si se pudiera colgar el avión por ese punto específico este quedaría en perfecto equilibrio. El avión realiza todos sus movimientos pivotando sobre el C.G.
¶ La Resistencia
Es la fuerza que impide o retarda el movimiento de un avión. La resistencia actúa de forma paralela y en la misma dirección que el viento relativo, aunque también se podría afirmar que la resistencia es paralela y de dirección opuesta a la trayectoria.
Cabe destacar que, en términos aerodinámicos, se pueden definir varios tipos de resistencia, a saber:
- Resistencia inducida: Indeseada pero inevitable, es un producto de la sustentación, y se incrementa en proporción directa al incremento del ángulo de ataque.
- Resistencia parásita: Es la producida por las demás resistencias no relacionadas con la sustentación, como son: resistencia al avance de las partes del avión que ejercen rozamiento o fricción superficial con el aire, el flujo de aire canalizado al compartimento del motor para refrigerarlo (que puede suponer en algunos aeroplanos cerca del 30% de la resistencia total), etc. También, la superficie total del ala y la forma de esta afectan a la resistencia parásita. Lógicamente, cuanto mayor sea la velocidad mayor será el efecto de la resistencia parásita: la resistencia parásita aumenta con la velocidad.
En resumen:
A mayor velocidad menor resistencia inducida.
A mayor ángulo de ataque mayor resistencia inducida.
A mayor velocidad mayor resistencia parásita.
¶ El Impulso
Es la fuerza necesaria para vencer la inercia del avión parado y acelerarlo. Esta fuerza se obtiene acelerando una masa de aire a una velocidad mayor que la de la aeronave. Como consecuencia derivada de la tercera Ley de Newton (que no se va a exponer aquí), aparece una reacción a dicha aceleración de la masa de aire, de sentido contrario, que es la que hace que el avión avance. En aviones de hélice, la fuerza de propulsión la genera la rotación de la hélice, movida por el motor (convencional o turbina) y se le llama tracción; en reactores, la propulsión se logra por la expulsión violenta de los gases quemados por la turbina y al impulso se le llama empuje.
Esta fuerza se ejerce en la misma dirección a la que apunta el eje del sistema propulsor, que suele ser más o menos paralela al eje longitudinal del avión.
¶ La Capa Límite y La Pérdida
Uno de los conceptos más importantes a tener en cuenta en aerodinámica, dada su importancia en el vuelo de las aeronaves, es la capa límite. Se muestran aquí algunas explicaciones (algo densas), que proporcionan lo necesario para la comprensión de la capa límite y sus consecuencias en el vuelo.
Existe alrededor de todo cuerpo (en movimiento relativo) inmerso en un fluido, una delgada capa, llamada capa límite, donde los esfuerzos viscosos entre fluido (aire) y superficie (ala), son importantes. Esta capa, no permanece adherida al ala de forma indefinida, sino que en algún punto se desprende. Este punto, se conoce como punto de desprendimiento. Y a partir de él, se genera una estela que provoca una zona de baja presión y, por lo tanto, la distribución de presión se vuelve asimétrica, dando origen a la resistencia aerodinámica. Se puede decir, que el hecho de que la capa se desprenda, así como el punto donde esto sucede, dependen de la energía cinética que contenga la capa límite. Así, cuanto mayor sea aquella, menos susceptible de desprenderse es la capa límite.
Existen por lo tanto varios tipos de capa límite. Ésta puede ser laminar (que contiene mayor energía cinética) y turbulenta (que contiene menos).
En la siguiente imagen se aprecian las consecuencias del desprendimiento de la capa límite, en relación al ángulo de ataque.
Una vez comprendida la capa, veamos qué es la pérdida y por qué sucede.
Se han obviado aquí los conceptos de flujo laminar y turbulento, así como otros de mecánica de fluidos que harían la explicación demasiado prolija y costosa de entender. A continuación, se deja la definición de algunos conceptos a disposición del lector.
Flujo laminar: Es un flujo en el cual se puede considerar que el fluido se mueve en capas uniformes denominadas láminas.
Flujo turbulento: En este tipo de flujo las láminas fluyen desorganizadas, tanto en su dirección como en su velocidad.
¶ ¿Por qué sucede la pérdida?
Este perfil alar tiene adherida una capa laminar hasta un punto muy cercano al borde de salida (1). A medida que el ángulo de ataque aumenta, el punto de desprendimiento se acerca más al borde de ataque (2). Aquí la capa límite es más turbulenta y aumenta la sustentación. Una vez se alcanza el ángulo de ataque crítico (3), el perfil no genera más sustentación y el punto de desprendimiento está muy adelantado. Finalmente, si el ángulo de ataque sigue aumentando, la “transición a turbulenta se producirá demasiado cerca del borde de ataque, provocando que al aire le cueste adherirse al ala, y haciendo que ésta entre en pérdida (4).
