Por qué vuelan los aviones

Vivimos dentro de un inmenso globo lleno de aire a presión. El aire nos envuelve y se mantiene alrededor de la Tierra como consecuencia de la atracción gravitatoria que el planeta ejerce sobre todo lo que encuentra en sus proximidades. La mezcla de gases que llamamos aire nos rodea por todas partes, nos pone a salvo de la radiación solar, nos protege de los meteoritos y aporta a nuestro entorno el oxígeno que necesitamos para vivir. Conocida también como atmósfera, su composición y parámetros físicos varían con la altura: arriba el aire es frío y poco denso  y abajo todo lo contrario. Cuando el aire se calienta asciende y el espacio que deja libre es ocupado por aire más frío, produciéndose el conocido y familiar fenómeno del viento.

La presión a la que está comprimido el aire es enorme, aunque no somos capaces de percibirlo porque su incidencia sobre los objetos físicos a los que envuelve es totalmente homogénea y actúa por igual en todas direcciones. La presión que sobre nosotros ejerce el aire desde arriba se compensa con la que ejerce desde abajo, la de la derecha con la de la izquierda, la de dentro con la de fuera, etc. Es decir, nos movemos dentro de un fluido gaseoso sin notar apenas su presencia, en la misma medida en que el pez que nada dentro de las profundidades del océano es ajeno a los miles de litros de agua que tiene sobre su cabeza.

¿Qué sucede si se rompe esta homogeneidad, este perfecto equilibrio en el campo de presiones? Veamos algunos ejemplos:

Me viene a la mente el accidente del vuelo 243 de la compañía Aloha Airlines con destino a Honolulu en abril de 1988. El accidente parecía recrear lo que hemos visto en innumerables películas: el avión sufre una descompresión al llegar a la altitud de crucero, se desprende el techo y todo lo que no está anclado al fuselaje del avión sale volando, incluido una azafata, que fue la única víctima del siniestro.

Sucedió lo siguiente: el aire que llena la cabina del avión en el momento de levantar el vuelo está a la presión del nivel del suelo, en equilibrio perfecto con la presión exterior. Cuando alcanza los 9.000 metros de altura, el avión se encuentra envuelto por un aire exterior que tiene una densidad y presión menor, con lo que el fuselaje de la cabina se ve sometido a un enorme desequilibrio de presiones. La diferencia de presión entre el interior del avión y el exterior es tan grande que para abrir la puerta necesitaríamos una fuerza equivalente a la que tendríamos que aplicar con los brazos para levantar una tonelada.

En consecuencia, el fuselaje tiene que ser capaz de resistir un enorme empuje de dentro hacia fuera. Si de repente se rompe o abre por algún punto, la presión del aire dentro del  avión disminuye bruscamente buscando equilibrarse con la presión externa. Esta disminución de presión se traduce en un incremento instantáneo de la velocidad del aire, de manera que la apacible atmósfera dentro del avión se  transforma súbitamente en una especie de tormenta con viento huracanado. En las películas vemos como en esta situación todo sale volando, equipajes, pasajeros…

Lo mismo sucede cuando pinchamos un globo. El aire de su interior, que está a mayor presión que el externo (por eso el globo está hinchado), sale velozmente hacia afuera. Siempre sucede lo mismo: el aire disminuye la presión incrementando su velocidad. En sentido opuesto también funciona la conversión, es decir, el aire aumenta la presión disminuyendo su velocidad. Presión y velocidad son intercambiables (Principio de Bernoulli).

Vamos a crear nosotros mismos una situación de desequilibrio de presiones con un sencillo y divertido experimento. Seguramente a más de uno les resulte familiar, porque era un clásico en nuestros tiempos del cole.

Llenamos un vaso con agua hasta el borde, intentando no dejar ningún espacio libre dentro del vaso. Colocamos una pequeña y frágil lámina de papel sobre el vaso y lo invertimos. El papel es capaz de soportar sobre sí el peso del agua sin que esta se derrame.

Miradlo en este vídeo:

La explicación de este comportamiento es bien simple. Al llenar completamente el vaso de agua expulsamos todo el aire que había dentro de él, creando una diferencia de presión entre el exterior y el interior del vaso. Al invertirlo, la presión del aire externo empuja la lámina de papel hacia arriba y el peso del agua hace lo propio hacia abajo. La presión del aire es mayor que el peso del agua y en consecuencia, el papel se sustenta en el aire soportando el  agua que tiene encima.

Sirviéndonos de la presión del aire hemos sido capaces de mantener suspendidos trescientos gramos de agua, pero sustentar en el cielo las trescientas toneladas de un avión parece otra historia. Efectivamente, no es nada intuitivo, pero no siempre la realidad es intuitiva.

La presión del aire en este gran globo que constituye nuestra atmósfera es enorme y por supuesto capaz de levantar un avión del suelo. En 1656, el científico alemán y burgomaestre de Magdeburgo, ​ Otto von Guericke, quiso poner de manifiesto empíricamente la magnitud de la presión del aire que nos rodea, valiéndose de dos semiesferas metálicas de medio metro de diámetro construidas a tal efecto. El perímetro ecuatorial de una encajaba perfectamente con el de la otra, al enfrentarlas para formar una esfera. Sin mayor sujeción que el apoyo limpio de una pieza contra la otra, extrajo el aire de la cavidad creando un desequilibrio de presiones entre interior y exterior.

Tirando de unas argollas soldadas a las semiesferas, dieciséis caballos fueron incapaces de separarlas.

El poder de la presión del aire hace que un avión se mantenga en el aire con toneladas de peso encima. La única cuestión que tenemos que aclarar ahora es cómo nos aprovechamos de este principio físico para  hacer volar a un avión.

A pesar de que todo parece estudiado, conocido y experimentado, todavía existe controversia al hablar de la explicación científica del porqué vuelan los aviones. En lo que sí parece haber consenso es en que el secreto está en el empuje de los motores, la geometría de las alas y su disposición. Y, por supuesto, el aire.

El ala de un avión tiene una forma curvada en la parte superior y una inclinación hacia arriba, como se muestra en la figura.

Estamos todavía en la pista del aeropuerto con los motores encendidos, iniciando maniobra de despegue. Los motores despliegan su máxima potencia y empujan al avión hacia adelante a gran velocidad. El aire que encuentre de frente en su recorrido impacta contra el ala impulsándola en un ángulo ascendente, como cuando sacamos el brazo fuera del coche y experimentamos esa sensación de que el viento lo eleva.

El impacto del aire se produce en la base del ala y es tanto más efectivo cuanto mayor es su superficie y su ángulo de inclinación. Para aumentar ambos en esta fase del vuelo nos ayudamos de los famosos “flaps”.

Bien, ya hemos ganado altura y ahora hay que mantenerse arriba.

Un ala moviéndose velozmente a través del aire produce un flujo circulatorio alrededor de ella. Debido a la viscosidad del aire (que no es más que un fluido como otro cualquiera), las capas más próximas al ala se pegan a ella, recorriendo enteramente su perfil geométrico. Como vemos en la siguiente figura, la superficie superior del ala es alabeada, lo que obliga al aire que circula por ella a recorrer en el mismo tiempo una distancia mayor que la recorrida por el aire de la parte inferior. En definitiva, el flujo circulatorio es más rápido en la parte superior que en la inferior del ala.

Dicho en otras palabras, las alas del avión están diseñadas para que el aire que circula por su parte superior se mueva a mayor velocidad que el aire que circula por debajo.

Como hemos visto antes, mayor velocidad equivale a menor presión, es decir en la parte superior del ala la presión del aire es menor. La diferente presión arriba y abajo produce sustentación, como en el experimento de la lámina de papel y el vaso de agua.

Justificar la sustentación en el aire del avión a partir solo de este principio físico sería un poco ingenuo. Si todo se reduce a disminuir la presión encima del ala aprovechando su  curvatura, ¿cómo podríamos explicar el vuelo invertido de los aviones?

Lo cierto es que la elevación del avión y su sustentación en el aire son fruto de una combinación de factores, entre ellos los dos que hemos visto hasta ahora, pero no son los únicos.

Si nos fijamos en la figura anterior, el flujo de aire que envuelve el ala sale proyectado hacia abajo como si se tratara de la salida de gases del reactor de un cohete. En este caso también se genera sustentación, pero ahora el protagonismo no es para la presión atmosférica.

El principio de acción reacción o el de conservación de la cantidad de movimiento explica que un gas expulsado a gran velocidad desde un objeto genera una impulsión de ese objeto en sentido contrario. Cuando se pincha un globo, la brusca salida del aire hace que el globo vuele en dirección opuesta.

De igual forma, el aire proyectado hacia abajo desde las alas hace que el avión experimente un empuje hacia arriba.

En alguna próxima entrega hablaremos del porqué vuelan los cohetes en el espacio, donde no existe atmósfera, ni aire, ni presión.