Desde
que el hombre tiene conciencia de que es hombre y ha elevado la vista
observando a las aves volar, ha anhelado emularlas y poder así
surcar los cielos y expandir sus capacidades más rápido aún de lo
que lo ha conseguido a lo largo de la historia de la humanidad. Hoy
en día el hombre vuela pero no de ese modo tan deseado, sino de
forma artificial y gracias a haber adquirido unos conocimientos, a
base de errar, qué duda cabe, desde aquel viaje de los hermanos
Wright hasta conquistar el espacio y nuestro satélite natural.
Cuando
la fabricación de ingenios que permiten al hombre elevarse, dominar
el vuelo y aterrizar, todo ello de forma segura, se consigue a
comienzos del siglo XX da comienzo la era aeronáutica y, por ende,
una nueva forma de vivir en el planeta y fuera de él.
La
base de la aeronáutica se cimenta en varios principios físicos y,
en particular, en el entendimiento de la dinámica de fluidos (no
olvidemos que el aire es un fluido) y sus propiedades. No me referiré
en esta entrada a la forma de comportarse en vuelo de cualquier
objeto artificial porque aquí entrarían tanto aviones como
helicópteros, misiles o cohetes, cada clase de estas con sus
características y sus formas de vuelo. Alguna entrada he dedicado en
este blog a los cohetes, basta localizarla en el buscador en la
columna de la derecha. Así, el vuelo de una aeronave (avión o
cometa) se fundamenta en el Principio
de Sustentación
y en el Teorema
de Bernoulli.
Vamos
a entrar de lleno en explicar brevemente estos conceptos sin entrar
en detalles engorrosos que, como ya he explicado varias veces en
diferentes entradas, no es el objetivo de este blog, sino la
simplicidad y claridad de los conceptos dejando al lector curioso a
que explore si desea adquirir más cuestiones técnicas.
La
sustentación
en los aviones (lift
en inglés) se calcula con la siguiente fórmula: lift
= ½
ρ
· v2
· S · CL
,
siendo
CL
el coeficiente de sustentación que depende del tipo de perfil y del
ángulo de ataque, S
es la superficie alar, ρ
es la densidad del aire.
Para
que un avión pueda volar, la
sustentación debe ser igual o superior a su peso.
A iguales valores de velocidad, tamaño, forma y posición del ala,
el único valor que es independiente del avión en sí, es la
densidad
de la atmósfera.
Y es que, a mayor densidad, mayor sustentación. Por
otra parte,
el
Principio
de Bernoulli
promulga que cualquier
líquido o gas que aumente su velocidad de movimiento, también verá
disminuida su presión.
En
realidad, el principio de Bernoulli es una descripción de la ley de
conservación de la energía, cuya definición nos dice que, en
un fluido ideal, la energía permanece constante
a lo largo de todo el recorrido del conducto cerrado. La ecuación de
Bernoulli matemáticamente
es ½
(V2
ρ)
+ P + ρgz
= constante siendo
V
=
velocidad, ρ
= densidad del fluido (líquido o gas), P
= presión, g
= aceleración de
la gravedad, z
=
altura en la dirección de la gravedad. Es
decir, se tiene la expresión E
cinética +
E. presión
+
E. potencial
= cte
No voy a entrar en la deducción de la fórmula anterior porque entraña
un poco de complejidad y requiere conocimientos no triviales de
física y matemáticas pero la expresión anterior proviene del caso
particular de la Ecuación Fundamental de la Hidráulica
en el que la única fuerza exterior es la de la gravedad, es decir,
la del peso del fluido.
El
motivo principal que hace que los aviones puedan volar son las
fuerzas
que actúan sobre ellos cuando están en el aire.
Y son cuatro: dos
en horizontal
(la
fuerza de empuje y
su opuesta, la aplicada), y dos
en vertical (el
peso del avión que tira hacia abajo
de la aeronave y, en contra de éste,
la
fuerza de sustentación que es la que consigue levantarla).
Por
todo ello, es principal
prestar especial atención a la
forma de las alas de los aviones o
las cometas, en menor medida.
Y es que la parte superior (llamada
extradós)
está más curvada que la inferior (llamada
intradós),
que es más recta. Esto hace que el aire que circula por encima del
ala tenga más superficie, lo que consigue que viaje a más velocidad
que el aire de la parte inferior. Y la principal consecuencia de este
cambio de velocidad en el aire que circula sobre el
ala de un avión y
bajo ella
está en que se
crea una diferencia de presión.
Con
la definición
del principio de Bernoulli,
donde la suma de las presiones debe ser constante, lo que ocurre con
el aire en este caso, es que la menor
presión de la parte superior del ala ejerce una fuerza bajo ella que
la impulsa hacia arriba.
Las
aves voladoras utilizan este principio de forma natural, obviamente,
y es la razón por la que los aviones quieren adoptar desde siempre
la forma característica de los animales voladores.
Y,
¿qué aplicaciones puede tener el principio de Bernoulli, aparte de
al vuelo de aeronaves? En general, en mecánica de fluidos, se puede
aplicar
a
cualquiera
de ellos,
ya sea líquido, viscoso o gas. Aquí
dejo al lector varios ejemplos por si su curiosidad se ha de
satisfacer urgentemente:
tubo piezométrico, tubo de efecto Venturi, tubo Pitot, tubo de
Prandtl (pitot + piezométrico), tubo de Pitot-Darcy, estos dos
últimos usados en meteorología.
Hasta
aquí estos sucintos apuntes sobre el vuelo y el comportamiento de
los fluidos del planeta que habitamos. Espero
haber despertado interés y animo a investigar sobre un tema
fascinante muy relacionado con una de mis pasiones recientes: la
meteorología.