Voando sen Bernoulli

2012/10/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Teknologia
• Aeronautika
• Fisika
• Garraioak

Un boeing 747, o avión habitual de voos transatlánticos, pesa aproximadamente 180 toneladas cando está baleiro. A carga en voos comerciais pode duplicar o peso. O airbus 380 é aínda maior. Con toda a carga pode alcanzar as 573 toneladas. Paira voar necesítase una forza que compense todo este peso. Con todo, paira os enxeñeiros aeronáuticos atopar esta forza non é un reto porque o principio físico que sustenta a estes avións no aire é o mesmo que o que sostén un avión en papel.

Así o di Antonio Cantou, divulgador e experto en avións do blog A Lousa de Yuri: "Calquera hipótese de contención aerodinámica que non explique o voo do avión en papel é probablemente incorrecta e --isto seguro - incompleta". O avión de papel, o Boeing 747, un helicóptero, un paxaro e una abella, cada un cun deseño moi diferente, e cada un coas súas condicións, voa empuxando o aire cara abaixo. Este é o principio básico. A explicación a partir de aí é complexa e varía moito dun voladizo a outro.

No caso dos avións, con todo, esta explicación básica foi substituída por outra que mantén no aire o principio de Bernoulli. Esta explicación non explica en si mesmo o voo, pero é un caso especial porque se basea nun fenómeno real e que se utilizou moito na divulgación. En palabras do divulgador Cecil Adams, autor da columna Straigh Dope no diario Chicago Reader, esta idea "publicouse tamén nuns respectables libros de texto científicos". Con todo, nos textos técnicos non aparece esta figura.

Éxito de Bernoulli

Na divulgación é habitual simplificar as ideas, e un exemplo diso é a explicación do principio de Bernoulli. O principio é parte do voo, pero non é a clave do voo.

Daniel Bernoulli XVIII. Foi un matemático e enxeñeiro neerlandés do século XIX, famoso na historia da ciencia polas súas investigacións na dinámica dos fluídos. O seu principio máis coñecido é que canto máis rápido móvese un fluído, menos presión exerce sobre unha superficie sólida.

As ás dos avións comerciais actuais están baseadas nun plano aerodinámico supercrítico. Foi deseñado polo enxeñeiro da NASA Richard Whitcomb na década de 1960 e é case plano desde arriba, cunha curvatura moi reducida. Ed. Fundación Elhuyar

De feito, non hai relación entre o voo e a vida de Bernoulli. Naquel século, a única forma de voar era o globo, no que os irmáns Montgolfier voaron cinco meses despois da morte de Bernoulli. E o concepto de avión tampouco existía. Pero o aire é un fluído e as ás do avión son dúas grandes superficies sólidas.

É una forma particular das ás. Na maioría dos avións, as ás están curvadas pola parte superior e son planas pola parte inferior, e o aire que circula pola parte superior do sur é máis longo e móvese máis rápido que o que vai pola parte inferior. Ademais, o aire superior chega antes ao final da á que o aire inferior. Aí está Bernoulli, cuxo principio explica que este fluxo exerce maior presión sobre o sur que sobre o superior. E como consecuencia, o avión elévase no aire.

En xeral o voo é así. O argumento é correcto; neste deseño típico das ás, polo principio de Bernoulli, o avión recibe una forza ascendente. Pero este argumento non é suficiente paira chegar á conclusión final, polo que a conclusión é errónea: esa forza non é tan grande como paira manter o avión no aire.

Falta algo

Os cálculos son claros. O efecto de Bernoulli aumenta coa velocidade do avión, pero paira manter no aire o peso dun pequeno avión estándar, como é o caso de Cessna 152, a velocidade debería ser superior a 480 km/h e estes pequenos avións dificilmente chegan a 100 km/h. E o mesmo ocorre con calquera outro avión; a forza ascendente provocada polo principio de Bernoulli non chega ao 1% do que necesita o avión.

Mesmo á marxe dos números apréciase que o efecto de Bernoulli non é a causa do voo. Por unha banda, destaca o caso dos avións que realizan acrobacias. Estes avións voan subindo e neses momentos, ademais do avión, o efecto de Bernoulli está dirixido cara ao lado contrario. No caso das ás presentadas arriba, o efecto empuxa o avión cara á terra.

Fluxo de aire (de esquerda a dereita) e ángulo de incidencia. Na imaxe da esquerda, a sección da á está horizontal e o aire salgue por detrás como vén. En consecuencia, non hai forzas ascendentes no sur. Na imaxe da dereita, a sección da á ten un pequeno ángulo de incidencia que empuxa cara abaixo o aire que salgue por detrás. En consecuencia, as ás reciben una forza ascendente. Ed.: Guillermo Roia/Elhuyar Fundazioa.

Por outra banda, non todas as ás posúen o deseño antes mencionado. Un exemplo son as ás dos avións comerciais actuais. O seu deseño está baseado nun plano aerodinámico supercrítico. Deseñado polo enxeñeiro da NASA Richard Whitcomb na década de 1960, é case plano desde arriba, cunha curvatura moi baixa e un efecto moi baixo do principio de Bernoulli.

Outro exemplo ilustrativo son os primeiros avións da historia: A máquina non tripulada de Samuel Langley de 1896, o famoso Flyer dos irmáns Wright, e os avións que se fixeron nos anos seguintes, tiñan as ás por ambos os lados, por arriba e por abaixo. Neles, o aire segue o mesmo percorrido polas dúas caras e o efecto de Bernoulli non inflúe. O mesmo paira avións de papel e á de delta. A forza que soporta no aire xéraa outra cousa.

Como atacar o aire

A clave está na terceira lei de Newton, no principio de acción e reacción: empuxando o aire cara abaixo, o aire empuxa o avión cara arriba. Pero como sucede iso? A resposta está noutro factor: o ángulo de incidencia. Ao voar, a sección da á non está horizontal, ten un ángulo de ataque polo que o aire que salgue por detrás da á vai cara abaixo.

É una forza que se pode sentir facilmente. Producido por Discovery Channel no documental Understanding Flight, o propio actor John Travolta, que é piloto, explicaba como: "Se conduces o coche a unha distancia mínima de 50 km/h é seguro, abre a xanela e estira o brazo no exterior". Se viramos o brazo e colocamos a man nun ángulo ascendente, a man notará a forza cara arriba. "Se redondas a man cos dedos, o efecto aumenta", explica o deseñador de avións Burt Rutan no mesmo documental. As plumas de aves tamén presentan este deseño curvo.

Canto máis aire empúxase cara abaixo, máis forza ascende recibe o avión. E canto máis rápido vaia, máis aire empuxa o avión cara abaixo. Se o avión móvese lentamente, paira manter a mesma forza de contención, o ángulo de ataque debe ser maior, pero até un límite. Cando o ángulo é de 18-20 graos, o aire que rodea a á deixa de moverse polas capas e comeza a crear turbulencias. A forza de contención desaparece e o avión cae. Por iso, o voo está baseado en pequenos ángulos de ataque, normalmente de até 10 graos. Este ángulo tamén explica o voo do avión de papel, que planea o avión mentres dura ao redor dese ángulo.

Una copia do avión Flyer dos irmáns Wright. As ás dos avións daquela época eran curvadas por ambas as caras, por arriba e por abaixo. Por tanto, o efecto de Bernoulli era despreciable nesas ás e, con todo, voaban. Ed.: 350z33/CC-BY-SA.

Xunto co ángulo de ataque, moitos outros factores interveñen na capacidade de empuxar o aire do avión cara abaixo: lonxitude e superficie das ás, densidade de aire en función da altura do avión, vento, etc. Pero o ángulo de ataque é clave, e isto é de suma importancia paira os pilotos, en gran medida pilotar un avión é a arte de axustar o ángulo de ataque.

O principio de Bernoulli volve aparecer no xogo de ángulos. Os cambios no ángulo aceleran e frean os dous fluxos de aire, é dicir, por encima e por baixo do sur. A presión de ambos os fluxos é diferente, polo que o empuxe cara arriba que se xera tamén axuda. Bernoulli non está completamente descartado da explicación do voo.

Non está totalmente descartado, pero non é a principal causa de voar. A forma da á non é un factor crave que converte a un avión nun voador. Con todo, ten importancia. Se non, por que fan a maioría das ás da mesma forma? Hai varias razóns. Por unha banda, o aspecto típico das ás é moi aerodinámico. O deseño do avión non depende unicamente da forza que sostén no aire, senón que hai outras tres forzas importantes: o peso, a propulsión cara a adiante e a resistencia do aire. Esta última forza vai en dirección contraria ao movemento, e paira combatela é una boa opción utilizar o perfil da á normal.

Doutra banda, o límite do ángulo de incidencia varía en función do perfil da á. As ás curvadas por encima funcionan en ángulos maiores que as planas. Por tanto, a forma da á, aínda que non sexa a primeira razón de voar, ten gran importancia porque inflúe moito no fluxo de aire que lle rodea.

O comportamento do aire sobre o avión pode verse modificado polo chan cando o voo é moi baixo. Neste caso, a diferenza de presión é moi grande entre os fluxos de aire por encima e por baixo do avión. Cando o chan está moi preto, o aire baixo o avión está comprimido formando una bolsa de alta presión. A diferenza que se xera é moi grande e a forza ascendente que recibe o avión é grande. Chámase efecto adoito. Tampouco é a achega de Bernoulli, pero si a diferenza de presión. E una vez máis é o resultado de empuxar o aire cara abaixo. En definitiva, ese é o segredo de voar.

Paxaros, morcegos e insectos: voo de animais

Aves, morcegos e moitos insectos voan. Como? Pois cada un ten a súa propia maneira de voar, segundo as súas necesidades. Hai aves que son planadoras, outras que afectan rapidamente ás ás, os morcegos deforman as ás paira poder manobrar, as colibrias e os insectos crean remolinos de aire paira permanecer inmóbiles no aire e ninguén está seguro de como voaban os pterodactilos na época dos dinosauros.

Fluxo de aire durante o voo dunha oti. New South Wales de Australia J. Foto dun experimento realizado polo biofísico Young. Ed.: Science/AAAS ©

Dependendo do tipo de volante, a explicación do voo cambia, pero todos teñen una característica distinta dos avións: as ás dos vivos non son estruturas ríxidas inmóbiles. Con todo, todos os animais voadores teñen una similitude coas máquinas voadoras: empuxan o aire cara abaixo paira poder voar.