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jueves, septiembre 15, 2005

Bernouilli vs. Newton

Ayer comenté que mucha gente tiene una creencia errónea sobre el fenómeno físico que permite que un avión vuele, y que el motivo es en realidad otro. Al hacerlo, implicitamente descarté completamente ese fenómeno, y eso no es del todo cierto. Como rectificar es de sabios, voy a intentar profundizar más.

Es verdad que si un fluido como el aire, al rodear un objeto viaja a más velocidad por un lado que por otro, la presión del mismo en la zona donde se mueve más rápido es menor que en la zona donde se mueve más despacio, y esta diferencia de presión crea una fuerza de empuje. Se trata del efecto de Bernouilli. También es cierto que la mayoría de las alas de los aviones son diseñadas de forma que estén abombadas por arriba, para aprovechar este efecto.

Pero no es menos cierto que el efecto de Bernouilli no puede explicar por sí mismo muchas cosas. Así, existen avionetas diseñadas para hacer acrobacias, que pueden volar invertidas, y el diseño de sus alas es simétrico. No se puede explicar la sustentación únicamente con el efecto de Bernoulli. Además, las alas que tienen una concavidad en la parte inferior, tienen más sustentación que las que son completamente planas por debajo. Si la sustentación se debiese al efecto de Bernouilli, debería ser justo al reves, ya que en un ala plana por debajo, la diferencia de recorrido entre el aire de la parte superior y el de la inferior es mayor, por lo que la diferencia de velocidad debería ser mayor, lo que implica que la diferencia de presión es mayor, y la sustentación mayor.

Así que el efecto de Bernouilli por sí solo no explica la sustentación en muchos casos. Pero eso no quiere decir que no exista.

En el envío de ayer, expliqué que la sustentación se debe a que la forma e inclinación del ala desvían el flujo de aire hacia abajo, y que por el principio de acción y reacción, o la Tercera Ley de Newton, el ala es empujada hacia arriba. Esto no sólo ocurre con el aire que pasa bajo el ala, sino con el que pasa sobre ella, debido a otro efecto llamado efecto Coanda: al rodear un objeto, un fluído tiende a seguir su curvatura.

El efecto de acción y reacción es muy obvio en el despegue de un avión, que debe levantar el morro para elevarse. Pero una vez el avión ha alcanzado la altitud y velocidad de crucero, éste se mantiene más o menos horizontal. Eso no quiere decir que el ángulo de ataque sea cero, ya que por un lado las alas suelen estar curvadas un poco hacia abajo en su parte trasera, y por otro lado, no siempre son paralelas al fuselaje del avión, sino que pueden estar algo inclinadas con respecto a éste (es el ángulo de incidencia). Pero en ocasiones, el ángulo de ataque es demasiado pequeño para explicar la sustentación.

Y es que la sustentación de un avión se debe a la combinación de ambos efectos.

No hay que olvidar un factor muy importante: la resistencia del aire al avance. Es fácil ver que si aumentamos el ángulo de ataque, no sólo aumentamos la sustentación, sino también la resistencia al movimiento. Así que que por norma general, las alas tienen una forma que permite el efecto Bernouilli, para conseguir una buena sustentación con una ángulo de ataque pequeño, y por tanto, con menor resistencia. En cualquier caso, el diseño del ala siempre dependerá de la función del aparato (no es lo mismo un avión de pasajeros que un caza de combate), y de las velocidades y altitudes previstas de crucero.

Aún existe un debate en torno a este tema. Hay quien cree que la sustentación se debe únicamente a uno de los efectos, siendo el otro despreciable. Por otro lado, hay quien afirma que en realidad, ambos efectos son el mismo, y que explican de forma diferente el mismo principio físico. Así, el principio de Bernouilli se debe la conservación de energía en un fluído, y la Tercera Ley de Newton es una consecuencia de la conservación de la cantidad de movimiento. Ambos provienen pues, de la eterna ley de la conservación de la energía, que es uno de los pilares básicos de la física.

En la página de Jef Raskin, podemos ver unos cálculos utilizando la ecuación de Bernouilli para un avión real, y resulta que la sustentación debida al efecto Bernouilli es de sólo un 2% de la necesaria. Esto parece indicar que en realidad no se trata del mismo efecto. Sin embargo hay quien afirma que si se hicieran los cálculos considerando cada pequeña parte del ala por separado y sumando todas las fuerzas obtenidas, sí se obtendría la fuerza total necesaria.

En fin, como veis, es algo que está abierto a debate. En este caso es aconsejable más que nunca, visitar los enlaces que he ido poniendo en este envío, pero para los que prefieren leer sin interrupciones, pongo aquí los más importantes:

Actualización: Olvidad todo lo escrito aquí. La base de la sustentación de un avión está en la conservación de la cantidad de movimiento, aplicada al aire. Podría explicarse tanto con el Principio de Bernouilli, como con la Tercera Ley de Newton, que en realidad son dos formas distintas de resolver el mismo problema. Sin embargo, en aeronáutica se utiliza el Principio de Bernouilli, que es mucho más útil en estos casos. Para saber más, visitad el artículo ¿Por qué vuelan los aviones? (de verdad de la buena), del blog de Juan de la Cierva.

10 comentarios:

  1. leyendo el link de Jef Raskin he llegado ala web de la NASA y
    parece se rie de estas discusiones de "alcoba", da por validos ambos principios para "el cálculo de la magnitud y la dirección de la fuerza aerodinámica"
    http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/bernnew.html
    Felicidades por el blog alf, y gracias por hacernos replantear lo que dábamos por supesto, eso es ciencia.
    Ah!, los aviones vuelan porque Dios quiere, no os comais más el tarro ( Principio del vuelo de la teoría creacionista)

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  2. Muy interesante el link a la página de la NASA. Definitivamente, son maneras diferentes de explicar el mismo fenómeno.

    Se ve que el error de concepto está en pensar que el aire viaja más rápido por encima que por debajo, porque el recorrido es mayor (y el tiempo que se tarda en hacerlo es el mismo). Es cierto que el aire se mueve más rápido, pero no es por eso.

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  3. Me han encantado estos dos post Alf, como siempre, porque hace años que conocía la polémica sobre el vuelo de los aviones pero no me la habían explicado tan bien.

    Enhorabuena una vez más.

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  4. Saludos, me encanta tu blog, sobre todo porque agrada leer a gente que sabe lo que escribe.

    [OT]
    No sé si conoces el proyecto WJD (http://www.worldjumpday.org/), suena estupendo, pero en mis humildes conocimientos de física lo veo un poco "malaciencia". Si es así, me encantaría que lo trataras algún día.

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  5. http://www.worldjumpday.org

    No dudes de que se trata de malaciencia. De hecho, es tan disparatado que casi me inclino a pensar que es una broma de alguien :-)

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  6. Alf, le he estado dando vueltas al tema. Hay un detalle que no me cuadra. Si realmente fuera un problema de acción-reacción, no importaría la forma de la parte superior del ala, ya que quien empujaría hacia abajo el aire es tan sólo la parte inferior de la misma. Si el ala fuera digamos "rugosa" no debería afectar a la sustentación.

    No sé si recuerdas un accidente de un (creo) boeing 737. Era en uno de esos países a no sé cuántos grados bajo cero y echaban ciertos líquidos en la parte superior para que el agua no congelara. La cuestión es que este avión estuvo demasiado tiempo esperando y se formó hielo en la parte superior del ala, lo que hizo que perdiera sustentación y cayese justo en el momento del despegue.

    Sigo pensando que es importante que las líneas de flujo se vuelvan a juntar detrás, cosa que con lo que tú dices no haría falta. Y puede ser que no sea únicamente la ecuación de Bernoulli, pero en mecánica de fluidos y enlos perfiles de ala se estudian un montón de cosas y no simplemente la acción-reacción.

    Si puedo ya encontraré información de ese accidente.

    Saludos

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  7. Sí, me suena de algo el accidente.

    La parte superior del ala es tan importante como la inferior, aunque utilicemos el principio de acción y reacción para razonar la sustentación. Ya he hablado del efecto Coanda, que hace que el aire se "pege" a una superficie en su recorrido. Así que el aire es desviado tanto por la parte inferior como por la superior.

    Y la forma debe ser aeródinámica, y no rugosa, ya que sino, por un lado aumentamos la resistencia del aire, que nos frenaría, disminuyendo la velocidad y por tanto la sustentación.

    Por otro lado, sí haría falta que se juntasen las líneas de flujo al final, aunque pensemos en términos de acción y reacción. Hay que desviar la mayor cantidad posible de aire hacia abajo, y que éste termine con la mayor velocidad posible. Rompiendo las líneas de flujo (con una forma poco aerodinámica), no todo el aire sería desviado como queremos (se formarían remolinos, parte de él se desviaría en otra dirección) ni a la velocidad deseada (parte del aire iría más despacio, pues sería frenado por las rugosidades o aristas de una forma poco aerodinámica).

    De todas formas, cada vez estoy convencido de lo que dicen algunos, de que en realidad el principio de Bernouilli y el de acción y reacción son dos formas distintas de explicar el mismo fenómeno físico, y por tanto, las dos son equivalentes.

    Es como explicar el retroceso de un arma de fuego al disparar. Puedes explicarlo con el principio de acción y reacción (se imprime una fuerza sobre la bala, y aparece una fuerza de reacción sobre el arma), o puedes explicarlo con el principio de conservación de cantidad de movimiento (el producto de la velocidad de salida la bala por su masa debe ser igual al producto de la velocidad de retroceso del arma por su masa). Ambas explicaciones son correctas, ya que son simplemente diferentes formas de entender el mismo principio físico.

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  8. OK, son dos formas de ver el mismo fenómeno físico desde puntos de vista diferentes. Ahí estamos de acuerdo.

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  9. Me sorprende que no conozcáis la famosa ley del seno cuadrado de Newton.
    En sus Principia de puede encontrar que planteó la segunda ley de Newton a una placa oblicua sometida a una corriente de aire, y demostró que la fuerza del aire sobre la placa es proporcional al seno del angulo de ataque de la placa al cuadrado(lo podeis demostrar vosotros, es muy simple)
    Según muchos cientificos de principio de siglo, este razonamiento erróneo (hasta Newton se equivocaba!) retrasó bastante el desarollo de la aeronáutica.(Hasta que llegó Lilienthal).

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  10. Creo que los tres conseptos de sustentacion son validos, solo que en determinadas sircunstancias interactuan para mantener el avion en el aire siempre que la velocidad del aire que pasa por el intra y extrados sean suficientes.
    Tema apacionante si los hay.

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