Capitán Bernoulli, a la cubierta de vuelo

Top Gun

Acabo de ver (de nuevo) La Batalla de Midway, una de esas grandes producciones bélicas de los años sesenta. El reparto es de los de aúpa, y tiene como mérito adicional que es una de las primeras en mostrar ambos bandos de la batalla, tanto el de los ganadores como el de los perdedores. Como su nombre indica, narra los sucesos que culminaron con la batalla de Midway, que apenas seis meses después de Pearl Harbor supuso el frenado en seco del expansionismo japonés.

Esta película es también una de las primeras que muestro a mis alumnos, porque la uso para ilustrar las coordenadas polares. Pero hoy permítanme que me centre en la dinámica de fluidos. Cuando Spruance manda lanzar sus aviones, dice a sus oficiales que orienten el portaaviones contra el viento. En principio, mucha gente piensa que debería ser a favor del viento. Así, el viento de cola empujará a los aviones durante el despegue. Sorprendentemente, resulta ser justo lo contrario.

Para explicarlo, comencemos por plantearnos una pregunta que se hacen millones de personas cuando van a embarcar en un avión. ¿Cómo es posible que esa cosa tan grande y pesada vuele? La pregunta es muy difícil de responder con exactitud. De hecho, la dinámica de fluidos es tan sencilla en su planteamiento como compleja en su ejecución. Tanto, que algunos de los mayores ordenadores del mundo se utilizan para simular dinámica de fluidos, sea la de una explosión de supernova o la de un ala de avión.

Sin embargo, podemos echar mano de una sencilla ecuación planteada por Daniel Bernoulli, quien en 1738 describió el comportamiento de una masa de fluido. Dicha masa se movería según fuese la relación entre tres elementos. Por un lado, la fuerza interna de unas partes del fluido contra otras (representada por la presión P); por otra, la energía cinética 1/2qv^2, donde q es la densidad y v la velocidad); y por último, la energía potencial debida a la gravedad (qgh, donde g es la aceleración de la gravedad y h es la altura). La relación entre altitud (h), velocidad (v) y presión (P) viene determinada por la llamada ecuación de Bernoulli:

P + qgh + 1/2qv^2 = constante

Vamos a nuestro avión. Estrictamente hablando, el avión es el que se mueve y el aire el que está quieto, pero podemos hacer la suposición contraria, o sea, que es el aire el que se mueve alrededor del avión. Puesto que el término qgh es casi nulo respecto a los otros dos, la ecuación de Bernoulli queda como P + 1/2qv^2 = constante. De ahí podemos sacar una importante conclusión: si la velocidad del fluido aumenta, su presión disminuye; y viceversa.

Ahora entra en juego la particular forma del ala del avión. Está diseñada para que el aire recorra una mayor distancia por encima del ala, lo que significa que deberá hacerlo a mayor velocidad. La energía que acelera el aire proviene de la presión estática. Esto hace que, en la parte superior del ala, la presión sea más baja que la habitual, creando una especie de ventosa. Debajo del ala el aire se mueve más lentamente, lo que hace que la presión aumente. Esa diferencia de presiones crea una fuerza vertical hacia arriba, que sustentará al avión y lo mantendrá en el aire.

Ahora bien, esa fuerza de sustentación depende de la densidad del aire y de su velocidad. Eso explica varias cosas. Por ejemplo, ¿nunca se preguntaron por qué los aviones tienen que tomar velocidad en la pista antes de despegar? Pues porque, a mayor velocidad, mayor fuerza de sustentación. Por ese motivo, los aviones aliados tienen tantos problemas en Afganistán. Allí hace mucho calor, y además el terreno está a gran altitud sobre el nivel del mar. Ambos factores hacen que la densidad del aire, y por tanto la sustentación, sean más bajas. También afecta a la capacidad de carga de los helicópteros.

Y por eso el portaaviones ha de ponerse contra el viento: para aumentar la sustentación, es decir, la fuerza que eleva al avión contrarrestrando su propio peso. Supongamos que el avión necesite una velocidad de 200 km/h (respecto al viento) para despegar. Si el portaaviones se mueve contra el viento a 20 km/h, basta con que el avión despegue a 180 km/h respecto a la pista. ¿Que el viento en contra tiende a frenar al avión? No problemo, de eso se encargan los motores del reactor. Lo importante es que el avión se mueva a una cierta velocidad con relación al aire que le rodea. De hecho, los portaaviones producen, por así decirlo, su propio viento. El Príncipe de Asturias, por ejemplo, tiene una velocidad máxima de 50 km/h, así que no hay más que ponerlo a toda máquina para obtener una agradable brisa. Por supuesto, si la madre naturaleza coopera con viento adicional, tanto mejor.

Hay una cuestión que se plantea a veces. Si es cierto eso que les he contado, ¿cómo es que algunos aviones pueden volar al revés? Pueden ver un ejemplo en la película Top Gun (creo que es un montaje, pero de todos modos sí se ven aviones despegando con el viento en contra). Por si tiene usted la oportunidad de intentarlo, un consejo: no lo intente. Solamente algunos tipos de aviones, fundamentalmente cazas, consiguen volar boca abajo. Y si lo hacen es jugando con el ángulo que el ala forma con la horizontal, llamado también ángulo de ataque.

Resulta que el ángulo de ataque influye en la sustentación del avión. Puede usted comprobarlo con un sencillo ejemplo. La próxima vez que viaje en un coche (¡y no esté conduciendo!), saque una mano por la ventanilla y póngala horizontal. A continuación, inclínela ligeramente hacia arriba. Verá enseguida cómo el aire tiende a empujar su mano hacia arriba, ¿verdad?. A un avión le sucede lo mismo. Jugando con el ángulo de ataque, se puede conseguir que un avión vuele boca abajo. Claro que no lo hará horizontalmente, como hace el tramposo de Tom Cruise en Top Gun.

También explica por qué un avión cae en barrena. Leslie Nielsen, en uno de sus momentos estelares de Aterriza como puedas, suelta su “solamente quiero desearle suerte, contamos con usted“, mientras el piloto accidental tira con fuerza de los mandos para volver a tomar el control. El problema es que, al caer (y también al subir con un ángulo demasiado alto), la sustentación de las alas cae casi hasta cero. Sin sustentación, el avión cae como una piedra. Así que ya puede el piloto poner cara de estreñido y agarrar los mandos hasta dejarse los dedos, que ni así tendrá asegurado el éxito. Para salir de una barrena hace falta un avión sólido y un piloto con gran habilidad. De otro modo, sería realmente un mal día para dejar de fumar.

¿Alguna vez se han preguntado por qué los aviones antiguos tenían varias alas superpuestas? Porque la sustentación también depende de la superficie alar. Un biplano tiene doble superficie de sustentación que un monoplano. Incluso hoy día, los aviones de pasajeros tienen unas pequeñas piezas en el ala que se extienden durante el despegue y aterrizaje. Son los flaps y los slats, y su función es aumentar la superficie del ala (y, por tanto, la sustentación) durante los momentos críticos del despegue y el aterrizaje. Su importancia quedó de manifiesto el 20 de Agosto de 2008, cuando el vuelo 5022 de Spanair se estrelló en el aeropuerto de Barajas durante el despegue. Por motivos que nunca sabremos, ni los flaps no los slats estaban desplegados. Ciento cincuenta y cuatro personas murieron por ello.

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