LA FÍSICA Y EL AVIÓN

La verdad es que todos nos hemos preguntado por qué un avión vuela. Cuál es la razón de que un avión de 200 toneladas levante su morro y se eleve hasta los 12.000 metros de altitud, para volver a bajar y frenarse en sólo 2.000 metros. Pues bien, existe un principio físico que da explicación a este hecho. Aunque posee una gran complejidad, su resumen es relativamente sencillo. El principio se conoce como "Principio de Bernoulli", y afirma que en un fluido ideal, la energía del fluido es constante a lo largo de la trayectoria. Esto implica una relación en la que intervienen la velocidad del fluido, su densidad, su presión, la aceleración de la gravedad y la altura (en aviación, se considera altura 0 la altura a nivel del mar).
La relación es la siguiente:
V2d/2+ P+ dgh= constante

(V= velocidad, d= densidad del fluido, P= presión del fluido, g= aceleración de la gravedad, h= altura a nivel del mar).Las energías que afectan a los fluidos son la mecánica (cinética y potencial) y la energía de flujo, que deriva de su presión.Este principio se sustenta sobre otro, el llamado "Efecto Venturi", que afirma que la velocidad de un fluido es mayor cuanto menor es su presión.
El fluido considerado es el aire, y para que se cumpla la ecuación, es necesario que  se den unos requisitos:
- El caudal (cantidad de fluido que pasa por una sección o superficie) ha de ser constante.
- No se considera la viscosidad del fluido.
- La densidad también será constante.
Esta parte está contenida en la Dinámica de Fluidos, y estas teorías, junto con la de Pascal, son de vital importancia.El flujo en el ala y la sustentación.
Si nos preguntan qué hace que los aviones vuelen, todos dudamos entre alas y motores. La teoría de Bernoulli hace referencia a presiones y velocidades, algo que afecta directamente al ala. La función del ala es sustentar. La del motor, propulsar. Cualquier aparato con "alas" y con una velocidad inicial suficiente, volará.

Vamos a ayudarnos con un ejemplo gráfico.

Se parte de un objetivo: lograr una sustentación. Para ello, se toman dos puntos de referencia distintos: la cara inferior del ala (intradós) y la cara exterior (extradós). La sustentación se logra cuando el aire que fluye bajo el intradós se ve sometido a una presión mayor que en extradós. Para ello, los ingenieros pensaron en cómo hacer que un fluido exactamente igual, se comportase de diferente manera en cada cara. Siguiendo lo afirmado por Venturi, sabemos que para disminuir la presión, aumentamos la velocidad del aire (que sigue un flujo laminar, en láminas no secantes). Esto se logra modificando el perfil del ala, curvando la superficie del extradós. Explicado de otra manera, si el aire quiere encontrarse de nuevo consigo mismo al final del ala, debe aumentar la velocidad en aquel camino que es más largo (extradós).
Este perfil de ala es aplicable a aeronaves comerciales. En las aeronaves de combate, se utilizan perfiles mucho más complejos, adaptados a condiciones mucho más extremas (los cazas, durante sus maniobras, experimentan elevadas "g").

En esta sustentación, la velocidad juega uno de los principales papeles. La sustentación no será igual a velocidad de crucero (en un avión medio como el Airbus A320, ronda los 860 Km/h), a la mínima de despegue (260 Km/h en ese avión) o a la de aterrizaje (180 Km/h). En estos factores, influyen la altura, la presión y la densidad del aire (ec. gral. de los gases: PV= nRT). La temperatura también influye en la presión y, por tanto, en la sustentación. Por ello, en días de tormenta (bajas presiones), los aviones son más reacios a despegar.
Para concluir, cabe destacar que la presión desciende según aumenta la altitud. De ahí que ocurran las descompresiones o despresurizaciones, que son salidas bruscas de presión hacia el exterior que concluyen cuando ésta se iguala a la del interior (ocurren a gran altura, pudiendo causar grandes daños a la estructura del aparato).

El ala y sus orientaciones.
En la aviación comercial, la orientación de las alas depende del uso de la aeronave. Los aviones propulsados por turborreactores (altas velocidades), generalmente utilizan alas en flecha, puesto que resulta beneficioso a la hora de maniobrar. El ala recta y la trapezoidal son empleadas en aviones turbohélice y de pistón, que vuelan a velocidades medias o bajas. Permiten una menor velocidad de despegue y aterrizaje.

Ala en flecha en un Airbus A320 de Spanair    

Alas rectas en una avioneta Socata del Aeroclub de A Coruña.

LAS SUPERFICIES DE CONTROL

El diseño de las alas está optimizado para un determinado comportamiento en la fase de crucero (altitud y velocidad normales). Sin embargo, las prestaciones no son iguales en todas las fases. Para suplir las carencias y para dirigir el avión, los planos (alas delanteras, traseras y cola) cuentan con ciertas superficies móviles. Para su estudio, las dividiré en superficies de despegue y aterrizaje y en superficies de dirección. Para su colocación, mostraré los dibujos de las fases de despegue y aterrizaje.

1.- Flaps           5.- Alerones
2.- Slats            6.- Elevadores
3.- Spoilers       7.- Timón de dirección
4.- Winglets

Superficies de despegue/aterrizaje.
Modifican el comportamiento aerodinámico en las distintas fases del vuelo. Son:

• Flaps: Son superficies móviles, extensibles y graduables. Su función es aumentar o disminuir la superficie del ala, y se sitúan en su parte trasera. Durante las fases de despegue y aterrizaje, la velocidad del avión es mucho menor que en crucero. Al ser menor la velocidad, no se logra la sustentación necesaria, y el avión entra en pérdida. Durante el despegue (ver fase de despegue), los flaps se extienden un poco y reciben una ligera inclinación (posiciones memorizadas en el aparato). En el aterrizaje, se extienden al máximo y se inclinan considerablemente con respecto al ala (ver fase de aterrizaje). Por lo general, se contempla la posibilidad de aterrizar sin flaps como un procedimiento de emergencia (requiere una velocidad considerablemente mayor para mantener la igualdad de Bernoulli, y una pista de gran longitud). El despegue no es posible sin flaps. El 20 de agosto de 2008, un MD-82 que cubría el vuelo JKK5022 (Spanair), se estrellaba en el aeropuerto de Madrid-Barajas al no extender los flaps en el despegue. Al no existir sustentación suficiente, el aparato despegó para a continuación entrar en pérdida y estrellarse contra un arroyo.
• Slats: son, al igual que los flaps, móviles y extensibles, y se sitúan en la parte delantera de los planos principales. Su función es la misma (aumentar la superficie alar en las fases críticas). Sólo existen en  algunos aviones (no es necesario su uso en determinadas aeronaves). Su fallo no debería ser un problema ni causa de accidente, puesto que son un complemento).

                            
Slats desplegados en un Airbus A300.                      Slats en ascenso y en crucero.

• Spoilers o aerofrenos: Se sitúan en el extradós (cara superior) del ala. Su objetivo es "destruir sustentación" de forma controlada, permitiendo así esporádicos descensos o un control en la velocidad de subida. Al elevarse, el aire no se junta al final del ala, ya que no se desliza por la superficie trasera, lo que supone una pérdida de sustentación. Su uso como frenos también se debe a la resistencia que oponen contra el avance del avión, por lo que son muy empleados en las aproximaciones al aeropuerto para controlar la velocidad y en el frenado en la pista. Su fallo no debería suponer un problema grave.

Aerofrenos desplegados en un A320 de Iberia recién aterrizado en Alvedro.

• Canards: Son pequeñas aletas situadas en la parte delantera de algunos cazas y aviones comerciales de alta velocidad. Cumplen el papel de sustituir a las alas traseras en algunos cazas (sobre todo en aquellos con ala en delta). También proporcionan una sustentación más repartida en algunos aviones tanto civiles como militares. Algunos incorporan elevadores.

Canards móviles en un caza Eurofighter Typhoon, utilizado por el Ejército del Aire de España.

• Winglets: Son unas pequeñas aletas fijas situadas en la punta de las alas de los aviones más modernos. Su objetivo es el de aumentar la sustentación en la punta del ala, evitando así la aparición de remolinos de aire en ella. Esto se traduce en un importante ahorro de combustible. Sus formas son variadas.

Simulación de disminución de torbellino con el winglet      

Winglet en un Airbus A321 de Iberia     

Superficies de dirección.
Son aquellas destinadas a controlar los virajes y el desplazamiento del avión en el aire. Son los alerones, los elevadores o timones de profundidad y el timón de dirección.

En muchos casos, la inclinación del alerón es casi inapreciable, como en este caza Spitfire inglés de la 2ª Guerra Mundial.

• Timones de profundidad o elevadores (6): se encuentran en las alas traseras. Son los responsables del ascenso o descenso del morro del avión. Permiten el cabeceo o movimiento del avión en su eje Y. La cola del avión siempre genera una fuerza descendente, puesto que el centro de gravedad no coincide con el de presiones. Esto también se ve modificado por otros factores, como por ejemplo el empuje del motor. La función del elevador es desequilibrar las fuerzas, aumentando o disminuyendo las fuerzas descendentes a base de modificar la sustentación. Como hemos visto y explicado en superficies anteriores, la sustentación se pierde al elevar las superficies y se gana al bajarlas. Por lo tanto, ascender el avión supone elevar el morro y bajar la cola (se bajan los timones). Para descender, cae el morro, sube la cola y los elevadores han de bajar. Su movimiento es parejo: ascienden o descienden a la vez en ambas alas.

Timón inclinado hacia la izquierda en un Airbus A300 de Iran Air.

CIRCUITOS HIDRÁULICOS.

Los circuitos hidráulicos aparecen en todas las superficies de control anteriormente descritas. Son las encargadas de transmitir las fuerzas de la columna de mando, pedales y otros instrumentos hasta las estructuras móviles. Estas últimas tienen un gran peso, y requieren una gran fuerza para su desplazamiento. Para lograr un movimiento ágil, se emplea la Ley de Pascal (la presión ejercida por un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido).

P1 = F1/S1 = F2/S2 = P2
(P= presión, F= fuerza, S= superficie)

Los sistemas hidráulicos actúan como una prensa. El inicio y el fin de los conductos por donde fluye el líquido tienen diferentes diámetros, por lo que los émbolos que transmiten la fuerza tienen diferente superficie. Los émbolos conectados a los mandos tienen la superficie más pequeña que los conectados a las superficies de control. Por lo tanto, para mantener la igualdad, la fuerza que ejerce el émbolo final es mucho mayor que la ejercida por los pilotos. Esta fuerza se multiplica por una constante, que es la presión del fluido.

P = F/S = K

Los circuitos hidráulicos cuentan con una gran complejidad, y montan numerosos componentes. Se pueden clasificar según la posesión o no de un resorte o muelle recuperador.
Circuitos con resorte: una vez activados, la fuerza ha de ser constante para mantener el cambio. Una vez que cesa la fuerza, el resorte devuelve los émbolos a su posición inicial. Se utilizan en superficies de corrección esporádica, como para activar los aerofrenos, los alerones, elevadores o timón de dirección. Si se cesa la la fuerza, vuelven al reposo.
Circuitos sin resorte: Su posición depende del módulo y del sentido de la fuerza. No regresan al reposo tras su activación, y requieren una nueva actuación para cambiar su estado. Se utilizan en las superficies de determinadas fases de vuelo, como los flaps, los slats y el tren de aterrizaje (las ruedas y las trampillas que las ocultan).

Antiguamente, las superficies no eran movidas por hidráulicos, sino por poleas. Este sistema requería una gran fuerza mecánica. Normalmente, un avión de pasajeros cuenta con tres circuitos hidráulicos independientes (el Boeing 747 lleva 4), que mueven todas las superficies.
La pérdida de un sistema hidráulico supone un problema de seguridad (ej: el tren de aterrizaje puede desplegarse por la acción de la gravedad). La pérdida de dos, una grave emergencia. La pérdida de tres, una catástrofe. Sin estos sistemas, el avión se vuelve ingobernable. El 19 de julio de 1989, el vuelo UAL 232 de la aerolínea norteamericana United Airlines (cubierto por un McDonell Douglas DC-10), perdió los tres sistemas hidráulicos en vuelo. El avión no respondía a los mandos, y fue guiado con la potencia de los motores hasta un aeropuerto, donde se estrelló justo al tocar la pista.

Imagen del vuelo 232 tomada por la prensa segundos antes de estrellarse. Los daños son visibles en las alas traseras. Además, falta el cono de cola.

Foto del DC-10 al aterrizar. El contacto con la pista se produjo con un ala, explotando el combustible que contenía.

Circuitos hidráulicos de freno: se utilizan en las ruedas. Cuentan con un resorte recuperador, y su función es comprimir los discos del tren de aterrizaje y, por medio de esta fricción, detener al avión durante la toma. Es un sistema delicado: su uso excesivo puede provocar sobrecalentamiento de los discos, algo que puede desembocar en incendio. El tiempo mínimo entre vuelo y vuelo, depende del tiempo que tarden en enfriarse (mínimo 15-20 minutos). Para reducir el problema, el fabricante europeo Airbus ha diseñado los "brake fan", sistemas que generan un remolino de aire cerca de la rueda o que soplan por la presencia de un ventilador. Es un sistema extra y opcional, si bien las aerolíneas como Iberia y Vueling los emplean en la mayoría de sus aviones de medio recorrido.

TECNOLOGÍA DE FRENADO EN LOS AVIONES

Al posarse sobre la pista, el avión se detiene tras recorrer un espacio que puede alcanzar los 3 Km. Pero, ¿qué es lo que hace que una gran masa con una gran velocidad (y por tanto, una gran inercia), se detenga?. Las respuestas se encuentran en el tren de aterrizaje, las alas y los motores.

Frenado de ruedas: como ya hemos visto, el émbolo de un sistema hidráulico hace que dos zapatas ejerzan una enorme presión sobre los discos de frenos o brakes. El trabajo por rozamiento es enorme y, de esta forma, la energía cinética se transforma pos completo en energía térmica (energía por rozamiento en forma de calor).

Frenado de alas: en las alas, los spoilers y en menor medida los slats y los flaps, intervienen en la fase de freno. La reducción de velocidad también se basa en el rozamiento, en este caso con el aire. La velocidad de ascenso (Vy) es cero, y la Vx se va reduciendo, puesto que aumenta la superficie vertical del ala (perpendicular a Vx), lo que se traduce en una mayor resistencia. Esto sólo ocurre al aterrizar contra el viento, requisito fundamental en todo aterrizaje. De lo contrario, estas superficies harían ganar mayor velocidad.

Frenado de motores o reversas: Es quizás la parte más sencilla de entender, aunque la más efectiva. Consta de 4 sistemas diferentes.

• Reversa por clamshell o "concha de almeja" (1): justo detrás de la tobera de salida se abren dos piezas a modo de pantalla, que hacen desviar el aire con el mismo ángulo de incidencia. Ahora toda la fuerza destinada a la propulsión del avión es cambiada de sentido. Ahora existe una velocidad negativa que trata de vencer a una velocidad positiva que sólo se mantiene por la inercia.

Clamshell desactivado en el motor de un MD-87 de Spanair.

Clamshell activado durante el freno del mismo MD-87.

• Reversa por rejilla interna (2): Este sistema de reversa es inapreciable exteriormente. Dentro del motor, una rejilla (abierta por el exterior) se desplaza hacia atrás, bloqueando la salida de aire, y haciendo que este se redirija en un pronunciado ángulo hacia delante, saliendo el aire fuera. El efecto logrado es similar al clamshell.

El hueco de salida de aire (zonas metalizadas) está siempre abierto, pero sólo deja pasar aire cuando el mecanismo interno se activa, algo inapreciable. En este caso, vemos el sistema en un motor Rolls-Royce Spey en un BAC One -eleven de las aerolíneas británicas expuesto en un museo. El alargamiento posterior es un silenciador (mezclador de gases), necesario por el ruido causado por la mezcla y expansión del aire que entra.

• Reversa por rejilla externa (prolongación de la carcasa)(3): el mecanismo es similar al anterior, pero la rejilla de salida sólo es visible cuando el sistema de bloqueo se desplaza. La envoltura trasera del motor se desplaza hacia atrás, bloqueando el flujo de aire del motor, que rebota y sale hacia delante por la rejilla ahora aparecida. Es un sistema seguro y muy eficaz ya que el ángulo de salida es muy escaso, lo que evita la neutralidad de salida del aire (la salida es neutra cuando es perpendicular a la inercia).

Rejilla externa en reposo en un A320 de Spanair.

Rejilla abierta en otro A320 de Spanair. Nótese cómo se ha desplazado. Por el hueco sale el aire creando una velocidad de sentido contrario a la inercia.

Reversa por pétalos: muy similar al anterior, cambia la rejilla por unas compuertas que generan poco ángulo. Ideal para motores de potencia media.

Motor de un A320 de Vueling sin la reversa.

Pétalos activados en otro A320 de Vueling.

 

• Reversa en los motores turbohélice: Los aviones propulsados por hélice y turbohélice poseen un diferente tipo de inversión de empuje. Las hélices cuentan con diferentes inclinaciones en sus palas, lo que se conoce como "paso de la hélice". El paso se caracteriza por un determinado ángulo. Una hélice cuyas palas son paralelas o perpendiculares a las alas del avión, no desvían el aire hacia ningún sitio, sólo lo "baten". Por ello, tienen un determinado ángulo que hace que al girar, se desvíe el aire hacia atrás. Para poner la reversa, el paso se invierte, es decir, que las palas de la hélice giran 90º con respecto a su orientación normal. Al tener un ángulo inverso, el aire se propulsa en sentido contrario. El empuje se aprovecha al 100%. Esta es la principal razón por la cual un avión de hélices frena en muy poco espacio.



Ejemplo de inclinación que no proporciona empuje (perpendicular a las alas).

 

La reversa, por lo general, no se puede activar en vuelo. Únicamente algunos clamshell en aviones tetramotores (como el Il-62M) y rejillas externas (CV-990). Tampoco se pueden abrir asimétricamente. Este caso fue motivo de dos graves accidentes en los últimos 30 años (uno en vuelo y otro en tierra). También hay aviones que carecen de ella. De todas formas, es apreciable debido a su fuerte sonido en el aterrizaje, que a menudo se escucha a varios kilómetros del aeropuerto (en especial los clamshell).

ALGO MÁS SOBRE... LA PÉRDIDA
La pérdida es un fenómeno que consiste en la disminución de la corriente de aire sobre el perfil aerodinámico (el ala). En esta situación, el avión no logra la sustentación suficiente y tiende a caer. La pérdida acarrea una desaparición mayor o menor de la capacidad de control en el avión.
Vamos a explicarlo desde un punto de vista físico y matemático. La sustentación se puede representar por medio de una ecuación:

L = 1/2 rV2SCL
(L= sustentación, r= densidad del aire, V= velocidad, S= superficie del ala, CL= coeficiente de sustentación)

A la hora de entrada en pérdida también influye en ángulo de ataque (α). El ángulo de ataque es el ángulo que forma la cuerda del perfil alar con la dirección de incidencia del aire.




La cuerda es la línea imaginaria que une el extremo delantero del ala con el trasero.
El coeficiente de sustentación del ala se puede relacionar con este ángulo por medio de útiles gráficas. Cuanto mayor es el ángulo, menor es la sustentación, aumentando el riesgo de pérdida. La sustentación aumenta con el ángulo pero, al alcanzar cierto límite (el ángulo de pérdida), la sustentación cae y desaparece para el resto de valores.



Para evitar la entrada en pérdida aerodinámica, los ingenieros aeronáuticos desarrollan diversos mecanismos:

• Los flaps: descritos anteriormente, permiten o aumentan cierta sustentación cuando el valor del ángulo es cero, a costa de adelantar el ángulo de pérdida. En el aterrizaje el ángulo es muy bajo por lo que, al extenderse, aumentan la superficie y con ella la sustentación.



• Los slats: No aumentan la sustentación directamente, sino que permiten que, al estar extendidos, aumente el ángulo y con él la sustentación (retrasan el ángulo de pérdida). Permiten ascensos más pronunciados. Todos conocemos el accidente ocurrido en Barajas hace unos años (vuelo 5022 de Spanair). Lo cierto es que la tripulación no extendió los slats, y se lanzó al aire con un ángulo de pérdida (con slats, el ángulo sería asumible). La pérdida fue a baja altura, y el avión no se pudo recuperar de ella.



• La torsión alar: Las alas tienen un ángulo de torsión inapreciable, que permite que la pérdida se inicie en el encastre de las alas y no llegue a las puntas. De esta manera, los alerones allí localizados continúan recibiendo flujo de aire y el avión sigue siendo controlable.
• El diseño de la cola también se puede ver afectado por el fenómeno. En caso de pérdida, las alas traseras pueden entrar en sombra aerodinámica (no reciben flujo de aire, consecuencia de la pérdida). Si entran en sombra, se pierde el control de los elevadores allí localizados. El avión posiblemente esté condenado.


El haz gris simboliza la sombra aerodinámica.

 

CÓMO SIMULAR UNA PÉRDIDA EN CASA
Se puede hacer diseñando un túnel de viento. Para ello se necesita unas tablas que hagan un cerramiento, un perfil de ala frente a un ventilador y parafina.
La parafina se derrite hasta transformarla en gas, y se coloca frente al ventilador. Al conectarlo, propulsa el aire que arrastra la parafina. Al incidir sobre el perfil alar, se observa cómo el aire teñido se desliza sobre ambas caras del perfil. Al variar manualmente el ángulo de ataque, observamos que llegado un ángulo, el flujo de aire deja de ser laminar para hacer unos torbellinos o vórtices sobre el ala. La pérdida se ha producido.

 

ALGO MÁS SOBRE... EL VUELO 232.


Réplica del avión DC-10 del accidente, sujetado por el superviviente comandante del vuelo 232, Alfred Haynes.

Puesto que he nombrado este accidente en la tercera parte del trabajo, considero que este hecho heroico merece una pequeña mención. La historia es mundialmente conocida, y los pilotos de este vuelo son considerados héroes.

El 19 de julio de 1989, un avión trimotor McDonell Douglas DC-10 (serie DC-10-10), cubría un vuelo entre Denver y Chicago (EEUU). A mitad de camino, el motor central de este DC-10 de 17 años de servicio explotó. El incidente no suponía un grave problema (quedaban dos motores activos). Al poco rato, el ingeniero de vuelo se dio cuenta de que lo existía presión hidráulica en ningún circuito (el DC-10 lleva tres). Los trozos del motor habían penetrado en la cola, las alas traseras y el cono de cola, seccionando las tuberías de los tres hidráulicos. El fluido se escapó, y las superficies de control no podían ser movidas. Los pilotos no podían ascender, descender, girar o frenar el avión, que se tambaleaba y escoraba a merced del aire. Sin embargo, la pericia de los tripulantes permitió guiar al avión hasta un pequeño aeródromo. Para ascender, ponían los motores al máximo y para descender, al mínimo. Para girar a la izquierda, metían gas al motor derecho y ralentizaban el izquierdo, induciendo un alabeo poco controlado. A la derecha, del modo contrario. El milagro se estaba dando, y el avión se aproximó hasta el aeródromo de Sioux City (Iowa). Mientras tanto, las televisiones afirmaban que un DC-10 de United Airlines estaba sin control y se iba a estrellar. El avión se había alineado para aterrizar por el método de los motores, y se preparó para realizar un aterrizaje forzoso a gran velocidad. Las ruedas se romperían, pero no habría heridos graves. Pero tres segundos antes de pisar, la mala suerte hizo que el avión se escorase a la derecha, chocando contra la pista y estallando. De los 296 ocupantes, 185 salvaron la vida. La hazaña es estudiada en todas las academias, los cuatro pilotos son hoy héroes y dan conferencias en todo el mundo.


A simple vista se observan los agujeros en las alas traseras, dejados por los restos del motor despedidos a gran velocidad. Los trozos de turbina seccionaron los conductos hudráulicos que paraban por el interior de alas y cola. El cono de cola también se desprendió.

 

~Para saber más sobre el vuelo 232~

Documental en español (parte 1)

Documental en español (parte 2)