Los aviones vuelan gracias a una combinación de principios físicos que actúan sobre ellos, los cuales permiten generar la fuerza necesaria para mantenerse en el aire y desplazarse.
Los más importantes son la aerodinámica, la fuerza de sustentación, la propulsión y el control de vuelo. A continuación, se explicarán estos conceptos en detalle, así como la historia y evolución del vuelo, hasta llegar a los aviones modernos.
Principios físicos del vuelo
1. Sustentación
La fuerza de sustentación es la clave del vuelo de los aviones y es generada principalmente por las alas.
Para comprender cómo se produce, es necesario entender algunos principios básicos de la aerodinámica, como el principio de Bernoulli y la tercera ley de Newton.
Principio de Bernoulli
Este principio establece que a mayor velocidad de un fluido, menor será su presión.
En el caso de un avión, el "fluido" es el aire. Las alas de un avión tienen una forma particular, llamada perfil alar, que es curvada en la parte superior y más plana en la parte inferior. Cuando el avión se mueve hacia adelante, el aire fluye sobre y bajo las alas. Debido a la forma del perfil alar, el aire que pasa por la parte superior del ala tiene que recorrer una mayor distancia en el mismo tiempo que el aire que pasa por la parte inferior, lo que provoca que el aire sobre la parte superior se mueva más rápido.
Según el principio de Bernoulli, al moverse más rápido, la presión sobre la parte superior del ala es menor que en la parte inferior. Esta diferencia de presiones genera una fuerza hacia arriba, conocida como sustentación, que levanta el avión.
Ley de Newton
Además del principio de Bernoulli, la tercera ley de Newton, que establece que "para cada acción hay una reacción de igual magnitud y en sentido contrario", también juega un papel importante en la generación de sustentación.
El flujo de aire que se desvía hacia abajo al pasar por el ala genera una fuerza de reacción hacia arriba, que también contribuye a la sustentación del avión.
2. Propulsión
El siguiente componente clave en el vuelo de los aviones es la propulsión, que es la fuerza que impulsa al avión hacia adelante. Esta fuerza es producida por los motores del avión, que pueden ser motores a reacción (en la mayoría de los aviones comerciales) o hélices (en aviones más pequeños o antiguos).
La propulsión es lo que permite que el avión mantenga una velocidad suficiente para que las alas generen sustentación.
En el caso de los motores a reacción, funcionan expulsando gases a alta velocidad hacia atrás.
Según la tercera ley de Newton, la reacción a esta expulsión es una fuerza que empuja el avión hacia adelante. En el caso de las hélices, estas giran rápidamente y empujan el aire hacia atrás, lo que genera una fuerza de avance que mueve el avión hacia adelante.
3. Resistencia y peso
Existen dos fuerzas adicionales que deben ser contrarrestadas para que un avión pueda volar: la resistencia y el peso.
-
Resistencia: Es la fuerza que se opone al movimiento del avión a través del aire. Se produce debido al roce del avión con las moléculas de aire, lo que genera una fricción que tiende a ralentizar el avión. Los diseñadores de aviones trabajan para reducir la resistencia aerodinámica, dándoles formas suaves y optimizadas.
-
Peso: El peso del avión, que es la fuerza que actúa hacia abajo debido a la gravedad, debe ser contrarrestado por la fuerza de sustentación para que el avión no caiga. La sustentación debe ser mayor que el peso para que el avión suba, y debe igualarlo para que mantenga un vuelo estable.
4. Control de vuelo
Para controlar la dirección y estabilidad del avión en el aire, se utilizan diferentes superficies de control ubicadas principalmente en las alas y la cola del avión. Estas superficies son:
- Alerones: Ubicados en las alas, permiten que el avión gire sobre su eje longitudinal, inclinándose hacia un lado u otro (esto se conoce como "alabeo").
- Timón de dirección: Situado en la parte vertical de la cola, permite controlar el giro del avión sobre su eje vertical (movimiento conocido como "guiñada").
- Elevadores: Ubicados en la parte horizontal de la cola, permiten controlar la inclinación del avión sobre su eje lateral, es decir, hacen que el avión suba o baje (movimiento llamado "cabeceo").
5. Velocidad y altitud
La velocidad del avión es crucial para que se produzca la sustentación. A velocidades bajas, la cantidad de aire que pasa sobre las alas no es suficiente para generar la sustentación necesaria, y el avión puede perder altura o incluso entrar en una situación de pérdida (cuando el flujo de aire sobre el ala se separa de su superficie y el ala deja de generar sustentación).
Por esto, los aviones necesitan alcanzar una velocidad mínima para despegar y mantenerse en el aire. Una vez en vuelo, deben mantener una velocidad adecuada dependiendo de la altitud y condiciones de vuelo.
En cuanto a la altitud, a medida que el avión sube, la densidad del aire disminuye, lo que puede afectar tanto a la sustentación como a la eficiencia de los motores. Los aviones están diseñados para volar a altitudes donde el aire es menos denso, lo que reduce la resistencia aerodinámica y permite un vuelo más eficiente. Sin embargo, los pilotos deben tener en cuenta las condiciones atmosféricas y ajustar la velocidad y el ángulo de ataque (la inclinación del ala con respecto al flujo de aire) para mantener un vuelo estable.
Comparación con el vuelo de un helicóptero
Los aviones y los helicópteros vuelan mediante principios aerodinámicos similares, pero existen diferencias clave en cómo generan la sustentación y se controlan en el aire.
Generación de sustentación
- Aviones: Generan sustentación a través de sus alas fijas. Para volar, deben moverse hacia adelante, lo que permite que el aire fluya sobre las alas y cree una diferencia de presión que los mantiene en el aire.
- Helicópteros: Generan sustentación mediante sus rotores, que actúan como alas giratorias. El rotor principal del helicóptero gira rápidamente y mueve el aire hacia abajo, lo que crea una fuerza de reacción hacia arriba, permitiendo el despegue y vuelo vertical sin necesidad de movimiento hacia adelante.
Propulsión
- Aviones: Utilizan motores a reacción o hélices para generar una fuerza de empuje hacia adelante, necesaria para que el aire fluya sobre las alas y se produzca la sustentación.
- Helicópteros: No necesitan desplazarse hacia adelante para volar. El rotor principal no solo proporciona sustentación, sino también empuje, permitiendo al helicóptero desplazarse en cualquier dirección (adelante, atrás, y lateralmente).
Control
- Aviones: Utilizan alerones, timón y elevadores para controlar el vuelo. Estos permiten girar y subir o bajar, pero siempre necesitan avanzar.
- Helicópteros: Controlan el vuelo ajustando el ángulo de los rotores (cíclico y colectivo) y utilizando el rotor de cola para controlar la guiñada, lo que les permite despegar y aterrizar verticalmente, y mantenerse en un punto fijo en el aire (flotar o "hovering").
Comparación con el vuelo de un globo aerostático
El vuelo de un avión y el de un globo aerostático se basan en principios completamente diferentes en cuanto a cómo se genera la sustentación, la propulsión y el control.
Generación de sustentación
- Aviones: Generan sustentación a través de sus alas fijas. Para que el avión vuele, necesita moverse hacia adelante, lo que permite que el aire pase sobre las alas y genere una diferencia de presión que lo mantiene en el aire.
- Globos aerostáticos: No generan sustentación a través del movimiento o alas. En lugar de eso, funcionan basándose en el principio de flotabilidad o principio de Arquímedes, que establece que un objeto sumergido en un fluido (en este caso, el aire) experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso del fluido desplazado. El aire caliente dentro del globo es menos denso que el aire frío que lo rodea, lo que hace que el globo flote hacia arriba.
Propulsión
- Aviones: Utilizan motores (a reacción o hélices) para generar empuje hacia adelante, lo que les permite avanzar y generar la sustentación necesaria para el vuelo.
- Globos aerostáticos: No tienen un sistema de propulsión activa. El globo simplemente flota con las corrientes de aire, siendo incapaz de moverse intencionalmente en una dirección específica. Solo sube o baja al calentar o enfriar el aire en su interior.
Control
- Aviones: Utilizan superficies de control (alerones, timón, elevadores) para maniobrar en el aire. Los pilotos tienen control sobre la dirección, la altitud y la velocidad.
- Globos aerostáticos: El control es mucho más limitado. Los pilotos pueden controlar solo la altitud ajustando la cantidad de calor en el globo, pero la dirección depende de las corrientes de viento, ya que el globo no tiene control directo sobre su desplazamiento horizontal.
Evolución del vuelo humano
Los pioneros del vuelo
La idea del vuelo ha fascinado a la humanidad desde tiempos antiguos. Sin embargo, no fue hasta finales del siglo XIX y principios del siglo XX que se logró el primer vuelo controlado y sostenido.
Los hermanos Wright, Orville y Wilbur, lograron este hito el 17 de diciembre de 1903, con su avión Flyer I. Este avión estaba equipado con alas fijas y un motor, y su éxito fue el resultado de años de investigación en aerodinámica, control de vuelo y motores ligeros.
Desarrollo de aviones comerciales
A medida que la tecnología avanzaba, se diseñaron aviones más grandes y eficientes. Durante la Primera y Segunda Guerra Mundial, la aviación militar impulsó muchos avances en el diseño de aviones, que luego se trasladaron a la aviación comercial.
Los aviones comenzaron a ser utilizados para el transporte de pasajeros y carga, y la aviación civil creció exponencialmente durante el siglo XX.
Uno de los hitos más importantes en la aviación comercial fue el desarrollo del Boeing 707 en la década de 1950, uno de los primeros aviones comerciales a reacción. Este avión revolucionó el transporte aéreo al permitir vuelos más rápidos y a mayores distancias, y marcó el inicio de la era de los aviones a reacción.
Aviones modernos
Hoy en día, los aviones son máquinas altamente sofisticadas, con sistemas avanzados de navegación, control y seguridad. Los aviones comerciales modernos, como el Boeing 787 Dreamliner o el Airbus A350, están diseñados para ser extremadamente eficientes en términos de consumo de combustible y reducir las emisiones de carbono.
Además, las mejoras en materiales compuestos y aerodinámica permiten que los aviones sean más ligeros, lo que reduce el peso y, por lo tanto, el consumo de combustible.
La introducción de tecnologías como los motores de alta eficiencia y el uso de materiales compuestos ligeros ha permitido que los aviones modernos sean más silenciosos y económicos.
La automatización también ha jugado un papel fundamental en el control del vuelo, con sistemas de piloto automático que permiten que los aviones vuelen trayectorias predeterminadas con mínima intervención humana.