¿Por qué vuelan los aviones?
Los aviones no vuelan solo por Bernoulli. La verdadera esencia es que el ala desvía el flujo de aire hacia abajo y la reacción la empuja hacia arriba, con el ángulo de ataque y la curvatura como los dos mandos que controlan ese desvío.
Una mole de metal que pesa cientos de toneladas se sostiene en el aire. La cabina va llena de gente y equipaje, y las alas no aletean como las de un pájaro. Solo sobresalen, completamente quietas.
Un pájaro es ligero y al menos mueve las alas. Un avión es pesado y sus alas están fijas.
Y aun así vuela. ¿Qué está sosteniendo todo ese peso?
Viene a la mente la explicación de la escuela. El ala es curva por arriba y plana por debajo. Así que el aire que fluye por encima tiene un camino más largo que recorrer.
Como el aire de arriba y el de abajo supuestamente tienen que reencontrarse en el borde de salida, el aire de arriba debe fluir más rápido. El aire más rápido tiene menor presión, así que arriba se vuelve baja presión y succiona el ala hacia arriba. Esa es la historia habitual de "Bernoulli".
Suena razonable. Pero esta explicación se apoya en una suposición silenciosa: que el aire separado por arriba y por abajo "tiene que reencontrarse" en la parte trasera del ala.
¿Es cierta esa suposición?
No. No existe ninguna ley que diga que el aire de arriba y el de abajo deban reencontrarse. En realidad el aire de arriba fluye mucho más rápido que el de abajo y llega antes al borde de salida. Lejos de reencontrarse, va muy por delante. La suposición del "tránsito simultáneo" es simplemente falsa desde el principio.
Dos contraejemplos aún más decisivos. Primero, el ala de un avión de papel es solo papel plano. No es curva por arriba, y aun así vuela bien. Segundo, los aviones acrobáticos vuelan boca abajo. Si la sustentación viniera solo de la curvatura entre arriba y abajo, un avión invertido debería caer en picado. No lo hace.
Entonces, ¿cuál es la verdadera esencia? El ala desvía el flujo de aire hacia abajo. El aire que pasa el ala sale inclinado hacia abajo, no por su trayectoria original. Esto se llama downwash, flujo descendente.
Aquí entra la acción y reacción de Newton. Cuando el ala empuja una gran masa de aire hacia abajo, la reacción empuja el ala hacia arriba. Esa es la fuerza que sostiene el peso. Es el mismo principio del helicóptero que lanza aire hacia abajo para sostenerse, solo que un ala fija lo produce avanzando hacia adelante.
Bernoulli también sigue siendo correcto. A medida que el flujo se curva, el aire de arriba de verdad se acelera y baja de presión, mientras el de abajo se frena y sube de presión. Esa diferencia de presión empuja el ala hacia arriba. La única diferencia es que el aire de arriba se acelera porque el flujo sigue una curva, no porque "intente reencontrarse". La versión de Newton y la de Bernoulli no se contradicen; describen el mismo fenómeno en idiomas distintos, y ambas son correctas.
Dos cosas desvían el aire hacia abajo: la curvatura del ala y el ángulo de ataque. El ángulo de ataque es cuánto está inclinada el ala respecto al aire que llega de frente. Como el ángulo de ataque es lo clave, tanto un avión de papel plano como un avión acrobático invertido generan sustentación, siempre que el ala esté inclinada para desviar el flujo hacia abajo.
Pero el ángulo de ataque no puede aumentarse sin límite. Si se inclina demasiado, el aire ya no puede seguir la superficie del ala y se desprende. En el instante en que el flujo se separa, la sustentación se desploma de golpe. Esto es una pérdida (stall). Es la razón por la que un avión puede caer sin aviso, y el estado que más vigilan los pilotos.
Mira la sección del ala desde el lado. Las líneas de corriente que vienen de frente se doblan hacia abajo al pasar el ala. Ese doblez es el downwash.
Sube el control del ángulo de ataque y el flujo se dobla más, y la flecha de sustentación crece con él. Cuanto más aire empuja el ala hacia abajo, con más fuerza es empujada hacia arriba.
Activa el modo de error y las dos partículas de aire se reencuentran atrás al mismo tiempo. En el modo real, la de arriba llega primero. Ahí es donde se rompe la suposición de la escuela.
Sube demasiado el ángulo de ataque y el flujo se desprende de la superficie y la sustentación se desploma. Eso es una pérdida.
Las líneas de corriente fluyen junto a la sección del ala. Mueve el control del ángulo de ataque para ver cómo el flujo se dobla más hacia abajo y crece la sustentación; activa el modo de error para comprobar cómo la suposición del tránsito simultáneo no encaja con la realidad. Pasa el umbral de pérdida y el flujo se separa, la sustentación se desploma.
Puedes sentir este principio con una mano. Saca la mano plana por la ventanilla de un coche en marcha. Inclina las puntas de los dedos un poco hacia arriba, dándole un ángulo de ataque, y la mano se empuja hacia arriba. Inclínala hacia abajo y se presiona hacia abajo. Tu palma hace exactamente lo que hace el ala de un avión.
Un avión de papel que vuela, un bumerán y un frisbee que planean, todos funcionan con el mismo principio. Un helicóptero gira sus alas para empujar aire hacia abajo continuamente y se sostiene en el sitio; las hélices de un dron hacen lo mismo.
Un velero que avanza contra el viento es en realidad la misma historia. Una vela es un ala puesta de pie, y al curvarse el viento alrededor de ella, crea una sustentación que empuja el barco hacia adelante. La vela muestra que un ala no tiene por qué ser horizontal.
Y una pérdida es a la vez el momento más peligroso del vuelo y el mejor repaso. Cuando el ángulo de ataque es demasiado pronunciado, el flujo se separa y la sustentación desaparece. El piloto hace lo contraintuitivo: baja el morro para reducir el ángulo de ataque, vuelve a pegar el flujo y recupera la sustentación. El propio acto de salir de una pérdida es la prueba más clara de que la fuerza que sostiene viene de desviar el flujo, no de la curvatura.