PRINCIPIOS DEL VUELO
Un aeroplano se sustenta en el aire como consecuencia de la diferencia de
presión que se origina al incidir la corriente de aire en una superficie
aerodinámica como es el ala. En la parte superior la presión es menor que en la
inferior (véase Teorema de Bernoulli), y esa diferencia produce un efecto de
empuje hacia arriba llamado sustentación. La magnitud del empuje depende de la
forma del corte transversal del ala, de su área, de las características de su
superficie, de su inclinación respecto al flujo del aire y de la velocidad del
mismo.
Sustentación.
La sustentación producida en un ala o superficie aerodinámica es directamente
proporcional al área total expuesta al flujo de aire y al cuadrado de la
velocidad con que ese flujo incide en el ala. También es proporcional, para
valores medios, a la inclinación del ángulo de ataque del eje de la superficie
de sustentación respecto al de la corriente de aire. Para ángulos superiores a
14 grados, la sustentación cambia con rapidez hasta llegar a la pérdida total
cuando, por efecto de esos valores, el aire se mueve produciendo torbellinos en
la superficie de las alas. En esta situación se dice que el perfil aerodinámico
ha entrado en pérdida.
Cuando un avión está manteniendo la altura, la sustentación producida por las
alas y otras partes del fuselaje se equilibra con su peso total. Hasta ciertos
límites, cuando aumenta el ángulo de ataque y la velocidad de vuelo se mantiene
constante, el avión ascenderá; si, por el contrario, baja el morro del avión,
disminuyendo así el ángulo de ataque, perderá sustentación y comenzará a
descender. El sistema por el cual sube y baja el morro del avión se llama
control de cabeceo.
Durante un vuelo, el piloto altera con frecuencia la velocidad y ángulo de
ataque de la aeronave. Estos dos factores a menudo se compensan uno con otro.
Por ejemplo, si el piloto desea ganar velocidad y mantener el nivel de vuelo,
primero incrementa la potencia del motor, lo que eleva la velocidad; esto a su
vez aumenta la sustentación, por lo que para equilibrarla con el peso, bajará
poco a poco el morro del avión con el control de cabeceo hasta conseguirlo.
Durante la aproximación para el aterrizaje, el piloto tiene que ir
descendiendo y a la vez disminuyendo la velocidad lo más posible; esto
produciría una considerable pérdida de sustentación y, en consecuencia, un
descenso muy fuerte y un impacto violento en la pista. Para remediarlo hay que
lograr sustentación adicional alterando la superficie de las alas, su curvatura
efectiva y su ángulo de ataque, mediante mecanismos adicionales como los flaps,
alerones sustentadores que se extienden en la parte posterior de las alas, y los
slats, en la parte frontal. Ambas superficies se usan para el despegue y
aterrizaje, yendo retraídas durante el vuelo de crucero al tener una limitación
de velocidad muy reducida, por encima de la cual sufrirían daños estructurales.
Resistencia
Los mismos factores que contribuyen al vuelo producen efectos no deseables,
como la resistencia, la fuerza que tiende a retardar el movimiento del avión en
el aire. Un tipo de resistencia es la aerodinámica, producida por la fricción
que se opone a que los objetos se muevan en el aire. Depende de la forma del
objeto y de la rugosidad de su superficie. Se puede reducir mediante perfiles
muy aerodinámicos del fuselaje y alas del avión. Hay diseños que incorporan
elementos para reducir la fricción, consiguiendo que el aire que fluye en
contacto con las alas mantenga el llamado flujo laminar cuando se desliza sobre
ellas sin producir torbellinos.
Otro tipo de resistencia, llamada resistencia inducida, es el resultado
directo de la sustentación producida por las alas. Se manifiesta en forma de
torbellinos o vórtices en la parte posterior de los slats y especialmente del
extremo de las alas, y en algunos aviones se coloca una aleta pequeña denominada
winglet, que reduce notablemente su efecto.
Se llama resistencia total a la suma de ambas resistencias. La ingeniería
aeronáutica trata de conseguir que la relación entre la sustentación y la
resistencia total sea lo más alta posible, lo que se obtiene teóricamente al
igualar la resistencia aerodinámica con la inducida, pero dicha relación en la
práctica está limitada por factores como la velocidad y el peso admisible de la
célula del avión. En el avión de transporte subsónico su valor puede llegar a
veinte; en los de altas características se duplica ese valor, mientras que el
incremento de la resistencia, cuando se vuela a velocidades supersónicas, lo
reduce a menos de diez.
VUELO SUPERSONICO
La era de la aviación supersónica comenzó después de la II Guerra Mundial y
su desarrollo tuvo que resolver problemas aerodinámicos y técnicos que hicieron
los vuelos de experimentación tan peligrosos e inciertos como los de los
primeros aviadores. Ni los complejos análisis matemáticos ni los resultados
obtenidos en el túnel aerodinámico, donde se experimentaban los prototipos,
podían garantizar que las características de un avión en vuelo supersónico
fuesen, no ya satisfactorias, sino seguras sin más.
La barrera del sonido
El primer gran problema que encontraron los ingenieros aeronáuticos se conoce
popularmente como la barrera del sonido. Se alcanza cuando la aeronave llega a
la velocidad del sonido en el aire (unos 1.220 km/h al nivel del mar) conocida
como Mach 1. Al obtener esa velocidad, se produce de forma brusca una
modificación en la compresibilidad del aire, llamada onda de choque. El
resultado de esta distorsión incrementa la resistencia al avance del avión que
afecta a la sustentación del ala y a los mandos de vuelo. Por tanto, en los
aviones que no estén adecuadamente diseñados, es imposible controlar el vuelo.
Véase Número de Mach.
Contaminación acústica
El ruido es un gran problema asociado con los aviones y sobre todo con el
vuelo supersónico. El ruido de los motores de los aviones supersónicos es alto y
más agudo que el de los subsónicos y constituye una seria molestia para los
trabajadores y vecinos de las comunidades próximas a los aeropuertos. Su mayor
nivel de ruido se produce cuando la onda de choque originada por un vuelo
supersónico impacta el suelo, generando un fragor en forma de explosión. Este
efecto se conoce con el nombre de estampido sónico y puede romper los cristales
de las ventanas de las casas en zonas muy alejadas del avión que lo ha causado.
Los investigadores y los fabricantes intentan reducir tanto el ruido de los
motores como el estampido sónico, entre otras cosas porque les obligan las
regulaciones de las autoridades aeronáuticas, que van desde prohibir el vuelo de
aviones supersónicos sobre áreas pobladas, hasta establecer procedimientos,
horarios y trayectorias especiales de despegue y aterrizaje, con el fin de
reducir el impacto acústico de cualquier tipo de avión que opera en los
aeropuertos.
La barrera del calor
Otro de los problemas asociados con el vuelo supersónico es la alta
temperatura que se produce por la fricción del aire con las superficies
exteriores del aeroplano. Este problema se conoce con el nombre de barrera del
calor. Para contrarrestar las altas temperaturas y presiones que origina la
velocidad supersónica, los materiales de la estructura y los de la superficie
deben ser más resistentes al calor y a la presión que los utilizados en los
aviones subsónicos. El titanio es un ejemplo de material con gran eficiencia
ante ambos efectos. La necesidad de volar cada vez a mayor velocidad y altitud,
y con más autonomía de vuelo, han propiciado la aparición de nuevos diseños
aerodinámicos y de modernos materiales para las estructuras del aparato.