Tomado del muro del Físico Luis Mario Zepeda
Mecánica de fluidos para aviones
Hay algo que es indudablemente cierto. Si tomamos las ecuaciones de Navier-Stokes (o la versión de ellas más adecuada para el contexto) y las resolvemos en la computadora (porque no se puede hacer de forma analítica), el resultado predice bastante bien, al menos a grandes rasgos, lo que pasará con el fluido alrededor de un ala o un avión en movimiento relativo. En ese sentido, “entendemos” bien por qué vuelan los aviones, y prueba de ello es que podemos diseñarlos y construirlos y vuelan perfectamente bien.
El problema de entender
Pero aquí es donde se interpone el asunto filosófico de qué quiere decir “entender” (en ciencia, ni hablar de otros contextos). Creo que fue el famoso físico Eugene Wigner el que dijo, “Me alegra que la computadora lo entienda, pero me gustaría entenderlo yo también”.
Nuestras ecuaciones y sus soluciones por computadora predicen bastante bien lo que hace el fluido alrededor del ala: revelan que habrá mayor velocidad y menor presión por arriba de un ala que por debajo. Esto es consistente con el teorema de Bernoulli, y la diferencia de presiones resultante entre los dos lados explica la fuerza de sustentación. Al mismo tiempo, partiendo del hecho que el flujo es netamente desviado hacia abajo tras pasar el ala la tercera ley de Newton también explica la aparición de una fuerza de sustentación.
Si el flujo acelera, entonces su presión disminuye
(Por cierto: no confundir la aplicación del teorema de Bernoulli con la “teoría de tiempos iguales” o asuntos relacionados con la curvatura del ala. Bernoulli es una explicación 100% correcta y no tiene problemas explicando por qué un avión con alas simétricas o uno invertido puede volar. Esos problemas sólo aparecen cuando intentas explicar por qué el flujo va más rápido de un lado con la falaz “teoría de tiempos iguales” o con la curvatura del ala; esas son ideas sin sustento propuestas por quién sabe quién que nada tienen que ver con Bernoulli y su principio. Todo lo que Bernoulli dice es que si el flujo acelera, entonces su presión disminuye (y viceversa). Esto es 100% correcto y es lo que pasa en la vecindad un ala.)
Newton vs Bernoulli
Lo que es cierto es que estas explicaciones no cuentan toda la historia. Funcionan a partir de saber a priori algunas cosas sobre cómo es el flujo alrededor del ala (para Bernoulli, que el aire acelera por arriba del ala y frena por debajo; para Newton, que después de pasar por el ala el flujo adquiere un momento vertical neto hacia abajo). *Dado* que el fluido hace eso alrededor de un ala, entonces tanto Bernoulli como Newton son perfectamente buenas explicaciones de por qué aparece una fuerza de sustentación. Pero ninguna de las dos explica por qué el fluido toma esa forma en primer lugar, por qué su presión y velocidad cambian así al rodear el ala.
(Y Bernoulli y Newton no son explicaciones excluyentes que compiten entre sí: las dos son formas válidas de explicar la sustentación a partir de distintos aspectos del campo de flujo. Es como si dijera que la segunda ley de Newton y la conservación de energía “compiten” para explicar la velocidad con la que un objeto llega al suelo tras ser soltado desde cierta altura. Ambas son explicaciones válidas.)
Pero… ¿por qué vuelan los aviones?
Ahí es donde llega nuestro momento ¿Por qué el fluido responde de esa forma cuando se encuentra con el ala? La respuesta es sencilla “porque las ecuaciones de Navier-Stokes así lo dicen”. Estoy de acuerdo que esa respuesta no es muy satisfactoria. Quizás la mejor explicación intuitiva a la que podemos llegar es algo como “porque el fluido intenta rodear el objeto de una forma suave” (los detalles ya son las ecuaciones). Aún así quedamos algo insatisfechos.
El problema es que esas preguntas “¿pero por qué?” pueden ser un agujero sin fin: siempre que hayamos encontrado una explicación intuitiva de algo a cierto nivel podemos llevar la pregunta al siguiente nivel y seguir sintiéndonos insatisfechos, y así continuar hasta que al final lleguemos a cosas fundamentales y ya claramente filosóficas de la índole de “por qué existe el Universo” o “por qué los electrones tienen esa carga y no otra”. El asunto me recuerda mucho a este cómic
Quizás la explicación que tenemos ya del vuelo es perfectamente suficiente, y esa tendencia de sentirnos perpetuamente insatisfechos con las explicaciones, consecuencia quizás de nuestra gran capacidad de abstracción, es meramente parte de la naturaleza humana y no hay mucho que podamos hacer, más allá de aceptarla y aprender a decir “hasta aquí”.
Animación de aviones
Esta animación explica de manera sencilla cómo funcionan los tres elementos fundamentales de los aviones: la aerodinámica del avión, las partes principales de la aeronave y los mandos de vuelo. El empuje o tracción es la fuerza que hace que el avión avance y contrarreste la resistencia al aire. Los aviones comerciales usan motores a reacción, pero también hay aviones de hélices y otros que usan cohetes como propulsión. Un motor a reacción o motor jet descarga un chorro de gas para generar el empuje con ayuda de la tercera ley de Newton: el gas, que se expulsa hacia atrás a gran velocidad, empuja el motor hacia adelante, lo que hace que el avión avance… Click para seguir leyendo.
Diez conceptos físicos
1. El principio de Bernoulli: El principio de Bernoulli se refiere a la relación entre la presión y el flujo de un fluido. Durante el vuelo, el aire se mueve por encima y por debajo de las alas del avión, lo cual produce una diferencia de presión entre los dos lados. Esta diferencia de presión genera una fuerza ascendente llamada empuje hacia arriba que permite que el avión se eleve.
2. El efecto Coanda: El efecto Coanda se refiere a la tendencia del aire a seguir una superficie curvada. Los aviones modernos tienen alas curvas diseñadas para aprovechar este efecto. Esto causa que el aire se conecte más firmemente con el ala, lo que aumenta la cantidad de empuje ascendente que se genera.
3. La inercia: La inercia es la tendencia de un objeto a mantenerse en movimiento con la misma velocidad y dirección. Debido a que los aviones tienen un gran peso y un alto momento de inercia, una vez que los motores lo impulsan hacia arriba, el avión tiende a mantenerse en movimiento ascendente.
4. La fuerza de sustentación: La fuerza de sustentación hace referencia a la presión descendente del aire sobre el ala del avión que genera una fuerza de empuje hacia abajo. Esta fuerza de empuje ayuda a contrarrestar el peso del avión y contribuye a mantenerlo en el aire.
5. La resistencia al avance: Esta fuerza se relaciona con la velocidad y resistencia del avión al viento. Cuanto más rápido se mueva el avión, mayor será la resistencia al avance. Esto significa que el avión tendrá que generar una cantidad adicional de empuje ascendente para que se mantenga en el aire.
6. La resistencia al desplazamiento: Esta fuerza se refiere a la resistencia del avión al desplazamiento lateral. Los aviones modernos tienen alas diseñadas para minimizar la resistencia al desplazamiento, lo que les permite volar con mayor eficiencia.
7. El efecto Magnus: Hace referencia a la tendencia de un objeto giratorio a generar una fuerza de empuje hacia arriba. Esto se debe a que un objeto giratorio crea una presión diferencial entre los lados superior e inferior. Esta presión diferencial genera una fuerza ascendente que ayuda a mantener al avión en el aire.
8. La corriente ascendente: La corriente ascendente se refiere a una corriente de aire que asciende desde la superficie terrestre hacia el aire libre. Esta corriente de aire aumenta la cantidad de empuje ascendente que se genera cuando el avión vuela a bajas altitudes.
9. El efecto sol: El efecto sol hace referencia a la forma en que el calor del sol genera una corriente ascendente de aire. Esta corriente ascendente de aire ayuda a generar una cantidad adicional de empuje ascendente.
10. El efecto térmico: El efecto térmico se refiere a la tendencia de la temperatura del aire a disminuir con la altitud. Esto significa que el aire en la parte superior del ala del avión es más frío y más denso que el aire en la parte inferior. Esto genera una diferencia de presión que ayuda a generar una cantidad adicional de empuje ascendente.
Nadie entiende la Aerodinámica
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