La mecánica de fluidos es uno de los ámbitos más complejos que se pueden encontrar en ingeniería. Muchos de los fenómenos que ocurren en el vuelo de un avión son tan tremendamente complejos y dependen de tantas variables que todavía no se comprenden con exactitud. Por consiguiente, realizar una simplificación en aras de construir una explicación asequible para el profano en la materia, es una tarea difícil. De ahí que circulen por la red (e incluso en algunos libros sobre aerodinámica) tantas explicaciones erróneas de por qué vuela un avión.
El pasado 16 de diciembre, se publicó un artículo al respecto titulado Así vuela un avión en el excelente blog La pizarra de Yuri. Dicho artículo se dedica a desmontar una a una estas explicaciones erróneas para luego desarrollar la correcta. Aunque la explicación es magnífica y tremendamente divulgativa, considero que todavía quedan unos flecos pendientes que convendría matizar. En la presente entrada, mi pretensión es, precisamente, la que reza el título: puntualizar algunos aspectos de aquel artículo (confío en que sirva para convencer a algún aerotrastornado que no quedó muy satisfecho). Para ello, voy a apoyarme en la misma referencia que se utiliza en La pizarra de Yuri [1]. Además, si estás leyendo esto, es porque ha pasado la revisión de un amigo mío ingeniero aeronáutico que trabaja en el departamento de aerodinámica de una de las empresas de motores más importantes del mundo.
¿Por qué vuela un avión?
La madre del cordero, es decir, la razón última por la que un avión vuela es el hecho de que el aire es un fluido real y, como tal, presenta cierta viscosidad. La viscosidad es, para que nos entendamos, la fricción que se produce entre las partículas de un fluido. La consecuencia principal de dicha propiedad es que existe una comunicación entre las partículas: si una de ellas se mueve, golpea a las adyacentes, que a su vez golpean a las adyacentes, que a su vez… Esto vuelve al fluido pegajoso (tanto más cuanto más alta es la viscosidad) y hace que se dé el fenómeno físico denominado efecto Coanda.
¿Quién no ha desviado alguna vez el chorro del grifo acercando un dedo? Como puede verse en la imagen que acompaña a este texto*, una corriente de fluido tiende a pegarse a una superficie sólida cuando discurre cerca de ella. Pues bien, esto es exactamente lo que ocurre con el aire que pasa cerca de un ala de avión: se crea una circulación de aire alrededor de la misma.
La viscosidad inherente del fluido permite que alrededor de un ala se forme una capa de aire de un determinado espesor (que puede ser de unos centímetros en el ala de un avión) denominada capa límite. En esta capa, la velocidad relativa del aire con respecto del ala varía desde cero —sobre la superficie del sólido (por eso la capa de polvo que ensucia nuestro coche no se va circulando con él)— hasta el 100 % de la velocidad del aire no perturbado conforme nos vamos alejando.
Las fuerzas presentes debidas a la viscosidad entre las capas de aire con distintas velocidades obligan a estas a seguir el perfil alar y a formar la capa límite. De hecho, cuando el ángulo de ataque supera un cierto límite, estas fuerzas no son suficientes como para que las capas de aire sigan pegadas a la parte superior del ala. Entonces se produce el fenómeno denominado desprendimiento de la capa límite, y la sustentación se pierde [2]. El avión cae.
No existe sustentación sin viscosidad
Así pues, es cierto que el principio de Bernoulli se cumple. También es cierto que un avión vuela porque desvía una gran cantidad de aire hacia abajo. Pero la razón última de que el aire sea desviado es su viscosidad. No existe sustentación en un fluido ideal no viscoso. De hecho, existen experimentos con helio que lo demuestran. Concretamente, el helio-4 es un isótopo que presenta un punto crítico a 2.81 K, de modo que a temperaturas inferiores se comporta como si estuviera formado por dos fluidos diferentes: uno viscoso (helio normal) y otro con viscosidad nula (helio superfluido). Mediante un tapón poroso y a una velocidad inferior a un valor crítico, es posible retener el helio normal y separarlo así del superfluido. Con este helio superfluido no viscoso se ha comprobado que un perfil no genera sustentación [3].
Es cierto que los cálculos de la sustentación suelen hacerse empleando formulaciones que toman la simplificación del fluido ideal (viscosidad nula), pero la viscosidad vuelve a reintroducirse en la ecuación de manera implícita al establecer la llamada condición de Kutta, que fija el punto de salida del aire justo en el borde de salida del perfil. Y esto, a su vez, impone que el aire tenga que circular alrededor del ala.
Resumiendo, el ala de un avión sufre una fuerza de sustentación que puede entenderse desde dos perspectivas: 1) la existencia de una diferencia de presiones entre la parte superior y la inferior y 2) el hecho de que una gran cantidad de aire es desviada hacia abajo. Ahora bien, esta diferencia de presiones y el hecho de que el aire se desvíe hacia abajo solo se puede mantener si existe una circulación: si el aire se acomoda para seguir la forma del ala y alcanzar el borde de salida. Y esto es consecuencia directa de la viscosidad.
El error principal, a mi juicio, del artículo de La pizarra de Yuri es precisamente ese: que no menciona en ningún momento la viscosidad, un elemento básico dentro del complejo entramado que supone el vuelo de un avión.
* En realidad, la imagen de la cuchara no se corresponde con el efecto Coanda. En este ejemplo particular, el agua se pega a la cuchara por efecto de la tensión superficial más que por la viscosidad, ya que tenemos un fluido (el agua) dentro de otro (el aire). El efecto Coanda propiamente dicho se daría al meter la cuchara completamente en la corriente de un río, por ejemplo. Sin embargo, he escogido esta imagen porque creo que transmite mucho mejor esa idea de «pegarse a un sólido».
