Para probar como actúa un ala en vuelo, en lugar de hacerla
moverse en el aire en calma, puede hacerse bien montándola en el
laboratorio y soplando sobre ella una corriente de aire. El proceso
físico es el mismo. Este es el principio del Túnel
de Viento, una caja con un ventilador que sopla aire hacia
adentro (o mejor dicho, lo aspira hacia afuera, lo que produce un flujo
más suave), dentro de la caja se montan las secciones alares y se
prueban.
El túnel de viento construido por Orville y Wilbur
Wright, inventores del primer aeroplano práctico, no fue el
primero, ya existían otros en su época, pero fue el primero
en usarse para diseñar una máquina voladora. Los Wrights
usaron réplicas a menor escala de las alas y midieron su elevación
y resistencia al aire por medio de delicados equilibrios (existía
una teoría sobre el comportamiento de los modelos a escala). Se
puede ver una reconstrucción de su túnel de viento, así
como los despliegues de equilibrio con los que hicieron sus mediciones,
en el Museo del Franklin Institute en Filadelfia (USA). Pulse
aquí
para ver un lugar que describe esa exposición, con más enlaces
que pueden ayudarle a construir su propio túnel de viento.
Alas en Flecha
Las alas de los pequeños aeroplanos, cuya velocidad
está limitada, son rectas generalmente, un diseño que ofrece
la mayor eficiencia. En los aviones a reacción de pasajeros y en
los rápidos aviones militares, las alas son, a menudo, del tipo
swept back (desplazamiento hacia atrás); algunos jets militares
pueden hacer girar sus alas rectas hacia fuera, para una mayor eficiencia
cuando despegan ó aterrizan, desplazándolas hacia atrás
para volar cerca de la velocidad del sonido.
A la velocidad del sonido, la resistencia del aire ("drag") se incrementa
abruptamente, porque el aire no puede salir apartado lo suficiente rápido
y por lo tanto se comprime y calienta. El calor es una forma de energía,
y para producirla hay que proporcionarle algo para aumentarla, en este
caso, es el movimiento el que produce un aumento de la resistencia. En
realidad, esos problemas comienzan antes de que se alcance la velocidad
del sonido, porque parte del flujo de encima del ala tiene una velocidad
mayor y puede esa velocidad antes que el aeroplano.
Pero se puede "trampear" en cierta medida desplazando el ala
hacia atrás, en un ángulo s. Ahora, aún cuando
el aire avance hacia el aeroplano con una velocidad v, el vector
velocidad se puede analizar mediante la suma de los dos componentes
perpendiculares, una velocidad de flujo v sen s se dirige
a
lo largo del ala y una velocidad de flujo v cos s se
dirige perpendicular a ella. Ambas son menores que v, dado
que ambas (sen s) y (cos s) son siempre menores
que 1.
Se puede discutir que el flujo de aire a lo largo del
ala no causará ninguna acumulación, ó ninguna elevación
y resistencia al aire e ignararla . Solamente el flujo perpendicular v
cos s tiene este efecto, y en una teoría tosca, el funcionamiento
del ala depende solo de lo cerca que esté de la velocidad del sonido
esté esa perpendicular. Este desplazamiento en flecha permite al
aeroplano volar un poco más cerca de la velocidad del sonido, sin
que ocurran fenómenos asociados; el Airbus
320, por ejemplo, tiene una flecha de unos 25º. Para ver un lugar
sobre alas en flecha, pulse aquí
Hélices
Las hélices de un aeroplano funcionan igual que pequeñas
alas girando, cuyo empuje tira del aeroplano hacia adelante (La fuerza
de tracción se denomina empuje). Posiblemente el mayor beneficio
obtenido por los hermanos Wright de su túnel de viento fue
que les ayudó a conseguir, no a plantear sus alas (era un diseño
burdo, limitado por la tecnología disponible) sino a diseñar
sus hélices, que eran el doble de eficientes que cualquier otra
en su tiempo.
De nuevo, es más conveniente observar la hélice
estática y el aire en movimiento. También es admisible ignorar
el hecho de que las aspas de la hélice se mueven en un círculo,
considerando solo un pequeño segmento de ese movimiento circular,
donde el movimiento es casi rectilíneo.
(Observe, no obstante, que cada parte del aspa de la hélice
se mueve con diferente velocidad. Podemos dividir la hélice en secciones,
cada una con su distancia al eje central y estudiar separadamente las fuerzas
en cada sección. Aquí déjenme concentrarme en las
secciones de la punta del aspa, cuya velocidad
v1
es la mayor y la que genera el mayor empuje.)
Lo que complica la situación es que el aeroplano también
se mueve. De nuevo, esto puede estudiarse desde el marco del aeroplano,
yendo el aire hacia él con una velocidad v2.
Desde el plano de la punta del aspa (figura), el aire es soplado por ella
con una velocidad que consiste en dos componentes perpendiculares, v1
debida a su propio movimiento y v2
debida al movimiento de avance del aeroplano.
Considere la acción de la hélice antes de
comenzar a moverse (v2=0). El empuje
L sobre el aspa, que proporciona el empuje del aeroplano, es perpendicular
al movimiento del aspa (ó casi), y tira del aeroplano hacia
adelante, tal y como se necesita.
A continuación suponga que el aeroplano está volando a una
velocidad moderada v2. Ahora la
hélice no detecta la velocidad frontal v1,
pero una velocidad v choca con el aspa a un ángulo inclinado
del frente (parte superior de la figura). Esto no era un problema
serio en los antiguos aeroplanos, porque volaban más bien lento.
Como v2 es siempre mucho menor
que v1, y la hélice es de
una pieza de metal ó madera, con sus aspas giradas ligeramente para
encarar frontalmente v a la velocidad normal de crucero del aeroplano
(ó algo más, para suministrar un pequeño ángulo
de ataque), funciona también muy bien a otras velocidades. Muchos
aeroplanos pequeños usan estas hélices.
Sin embargo, los aeroplanos rápidos necesitan hélices
con aspas ajustables, capaces de aumentar el ángulo ("paso")
con el cual "hincan" el aire cuando aumenta la velocidad de vuelo, a fin
de que siempre estén orientadas con una velocidad combinada v
debida a su propio movimiento y al del aeroplano. No se puede compensar
incrementando la velocidad v1 del
aspa, ya que cuando la punta de la hélice alcanza la velocidad del
sonido, baja mucho su eficiencia (¡y aumenta el ruido que produce!)
Las aspas ajustables ("hélices de paso variable"),
más caras y complicadas que las hélices de una pieza, han
sido durante mucho tiempo el equipo estándar de los aeroplanos rápidos
de hélice. Pero hasta estas tienen un límite. Suponga que
el aeroplano se mueve a la misma velocidad que la punta de la hélice,
ó sea, v2
= v1. La punta del aspa necesita
girarse 45º en la dirección del movimiento (dibujo inferior).
Se hacen evidentes dos tendencias desestabilizadoras.
En primer lugar, como se ve del "triángulo vector suma"
y del teorema de Pitágoras, la velocidad total v sentida
por el aspa es considerablemente más rápida (un 41%) que
cualquiera de sus dos velocidades componentes, empujándola más
cerca de la velocidad del sonido y sus problemas asociados. Y segundo,
la fuerza de elevación L sobre el aspa también
gira 45 º. Solo el componente L1
tira del aeroplano hacia adelante, el otro componente, L2,
normalmente, se opone al giro de la hélice y exige más potencia
del motor, que no sirve para un uso útil.
Debido a estos problemas, los aeroplanos de hélice
nunca se han acercado a la velocidad de los jets. Los cazas más
rápidos de la 2ª Guerra Mundial volaban a una velocidad de
unas 370-400 mph. El récord de velocidad para un aeroplano de hélice,
463 mph, se logró en Alemania, antes de la guerra, en 1939, y nunca
se ha superado.
Y, por cierto...
Las alas de los aeroplanos de reacción son en flecha,
para reducir el componente de velocidad que fluye perpendicular al ala.
¿Podemos conseguir el mismo efecto desplazando las alas hacia adelante?
Es posible y se realizó en el avión experimental NASA's X-29
(fotografía de abajo; más sobre él, Un ingeniero de la NASA, Robert T. Jones, ha experimentado con una idea
relacionada, un lado del ala hacia adelante y el otro hacia atrás. Esta ala
puede sujetarse al aeroplano mediante un pivote. Para el despegue y el
aterrizaje, el ala está perpendicular al fuselaje, operando
con su mayor eficiencia y dándole al aeroplano una apariencia convencional.
Luego, a la altitud de crucero, cuando el aeroplano aumenta su velocidad,
el ala gira sobre su pivote, un lado apunta hacia adelante y el otro hacia
atrás. ¿Funcionará?
El trabajo con modelos de control remoto ha demostrado que esto realmente podría trabajar. Ese modelo (a la derecha) está ahora en un almacén junto con otros modelos del Museo Nacional del Aire y del Espacio de la Institución Smithsoniana. Este trabajo fue proseguido por una peque–o avión pilotado de doble motor, AD-1 (imagen abajo), dise–ado por la Fábrica de Aeronaves Rutan y volado por la NASA entre 1979-82 desde el centro de Investigaci˜n del Vuelo Dryden en Edwards, California. Para más detalles, vea la página Dryden del AD-1. Las ligas al final de esa página dan información adicional aquí, y también un peque–o video del AD-1 en vuelo.
Cualquier objeto sumergido en un fluido (por ejemplo en aire ó agua)
experimenta una presión en toda su superficie, una fuerza
por cada unidad de área debida al peso del aire ó del agua
amontonado sobre él (aún si esa superficie es la lateral
ó la inferior). En ausencia de movimiento, p.e. cuando el aeroplano
está parado en la pista, un ala experimenta igual presión
en su parte superior y su inferior, y, por lo tanto, no tiende a moverse
ni arriba ni abajo.
