Aerodinámica: Desentrañando los principios detrás de la generación de sustentación en la aviación
Introducción
La tecnología de perfiles alares ha permitido que los seres humanos vuelen. Los aerogeneradores, las turbinas de gas y las máquinas hidráulicas funcionan todos según los principios del perfil alar. En este artículo vamos a revelar la física detrás de esta simple forma que revolucionó el mundo de la ingeniería.
La fuente de la sustentación
Un perfil alar produce una fuerza de sustentación cuando un fluido fluye sobre él. Pero, ¿cuál es la fuente de esta sustentación? ¿Es el principio de Bernoulli o la tercera ley de Newton responsable de esto, o ambos efectos? Algunos libros de texto señalan el principio de Bernoulli, pero muchas personas rechazan esta afirmación. Los escépticos incluyen a científicos de la NASA y al profesor Holger Babinski de la Universidad de Cambridge, quien en su popular video de YouTube demostró experimentalmente y teóricamente que el argumento del tiempo igual es incorrecto. De todos modos, abordaremos este problema de manera racional y utilizaremos la dinámica de fluidos computacional y la experimentación para respaldar nuestros hallazgos. También incluiremos un acertijo interesante al final del artículo.
El argumento del tiempo igual
Antes de entrar en detalles, veamos cuál es el argumento que utiliza el principio de Bernoulli. Las partículas en la superficie superior deberían recorrer una distancia mayor que las partículas en la superficie inferior, ya que ambas partículas deberían llegar al borde de fuga al mismo tiempo. Por lo tanto, la partícula de la superficie superior debería tener mayor velocidad que las partículas de la superficie inferior. Esto significa que, según el principio de Bernoulli, hay más presión en la parte inferior y menos presión en la superficie superior. La diferencia de presión genera la sustentación. Este argumento, más específicamente conocido como el argumento del tiempo igual, es una forma elegante de explicar la sustentación, pero es completamente incorrecto.
El primer error tiene que ver con cómo dos partículas que parten del mismo punto llegan al borde de fuga al mismo tiempo. Este es un argumento completamente absurdo. No hay ninguna ley en la física que lo respalde. Las dos partículas pueden seguir caminos completamente diferentes y es posible que no se encuentren durante su existencia. El segundo error es que no se puede aplicar la ecuación de Bernoulli entre dos líneas de corriente. La ecuación de Bernoulli debe aplicarse estrictamente a lo largo de una línea de corriente. Incluso después de señalar estos errores, si aún apoyas este mito generalizado, solo tienes que echar un vistazo a esta forma. Según el argumento del tiempo igual, esta superficie también debería generar una fuerza de sustentación, y esta superficie indica que esto debería generar una cantidad increíble de sustentación. La ecuación de Bernoulli es completamente correcta. Es simplemente la segunda ley de movimiento de Newton aplicada a lo largo de una línea de corriente. Algunas personas la aplicaron incorrectamente y causaron confusión.
La generación de sustentación
Ahora vamos a investigar la ciencia detrás de la generación de sustentación, aplicando las leyes de la física correctamente. La partícula se acerca al perfil alar y toma una curva como se muestra. Pero, después de la curva, ¿por qué no se mueve en línea recta como se muestra? Examina más de cerca este movimiento curvado. Para tomar la curva, debe haber más presión en la parte superior de la partícula que en la parte inferior. Esto proporcionará la fuerza centrífuga. La mayor presión empuja la partícula hacia abajo, por lo que el flujo siempre está adherido al perfil alar. Este efecto se conoce como el efecto Coanda. Existe un experimento simple para demostrar este hecho: el flujo se curva en la parte inferior del perfil alar. Una superficie inferior curva hará que el flujo inferior también se curve en mayor medida. En resumen, la introducción del perfil alar hace que el flujo se curve y se desvíe, y este flujo curvo es exactamente lo que causa la sustentación.
Lejos del perfil alar, la presión es atmosférica. Sabemos que en un flujo curvo, la presión exterior debe ser mayor. Por lo tanto, en la parte superior, la presión disminuirá a medida que nos acercamos al perfil alar. Por otro lado, en la parte inferior y por la misma razón, la presión aumentará a medida que nos acerquemos al perfil alar. Esta diferencia de presión es lo que genera la sustentación. Básicamente, la introducción del perfil alar hace que el flujo se curve. Esta curvatura genera la diferencia de presiones y la sustentación. Esto significa que a mayor curvatura, mayor sustentación. Entonces, ¿por qué los perfiles alares de los aviones no tienen esta forma? La razón es proporcionar soporte estructural y espacio para acomodar los tanques de combustible.
La explicación de la sustentación
¿Existe alguna ley fundamental de la física que justifique la sustentación en lugar de esta explicación basada en la mecánica de fluidos? Sí, la tercera ley de movimiento de Newton. Puedes ver que el perfil alar desvía el flujo como se muestra o empuja el flujo hacia abajo. Entonces, según la tercera ley de Newton, el aire también debería empujar al perfil alar en dirección opuesta con la misma magnitud. Esto da lugar a la sustentación.
Conclusión
La desviación o curvatura del flujo causada por el efecto Coanda genera la sustentación. Si encuentras que otros aún respaldan el argumento del tiempo igual, pídeles que generen sustentación a partir de esta forma. Si son demasiado vagos para hacerlo, lo haremos por ellos. Tanto el análisis basado en la geometría simple y el argumento de la tercera ley de Newton predicen la dirección de la sustentación de diferentes maneras. Incluso hemos llevado a cabo un análisis CFD de alta calidad para demostrar lo mismo. Si comprendes lo que hemos discutido hasta ahora, aquí tienes un acertijo para ti: en experimentos reales, puedes ver que el aire en la parte superior del perfil alar se mueve mucho más rápido que el aire en la parte inferior y nunca se encuentran. ¿Por qué sucede esto? Si descubres la respuesta, por favor explícala en la sección de comentarios. De lo contrario, echa un vistazo a nuestro próximo artículo. Esperamos que este artículo haya aclarado muchas de tus concepciones erróneas. Para ayudarnos a continuar con la producción de contenido, apóyanos en Patreon.com. ¡Gracias!
