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.
