Bernouilli vs. Newton

Ayer comenté que mucha gente tiene una creencia errónea sobre el fenómeno físico que permite que un avión vuele, y que el motivo es en realidad otro. Al hacerlo, implicitamente descarté completamente ese fenómeno, y eso no es del todo cierto. Como rectificar es de sabios, voy a intentar profundizar más.

Es verdad que si un fluido como el aire, al rodear un objeto viaja a más velocidad por un lado que por otro, la presión del mismo en la zona donde se mueve más rápido es menor que en la zona donde se mueve más despacio, y esta diferencia de presión crea una fuerza de empuje. Se trata del efecto de Bernouilli. También es cierto que la mayoría de las alas de los aviones son diseñadas de forma que estén abombadas por arriba, para aprovechar este efecto.

Pero no es menos cierto que el efecto de Bernouilli no puede explicar por sí mismo muchas cosas. Así, existen avionetas diseñadas para hacer acrobacias, que pueden volar invertidas, y el diseño de sus alas es simétrico. No se puede explicar la sustentación únicamente con el efecto de Bernoulli. Además, las alas que tienen una concavidad en la parte inferior, tienen más sustentación que las que son completamente planas por debajo. Si la sustentación se debiese al efecto de Bernouilli, debería ser justo al reves, ya que en un ala plana por debajo, la diferencia de recorrido entre el aire de la parte superior y el de la inferior es mayor, por lo que la diferencia de velocidad debería ser mayor, lo que implica que la diferencia de presión es mayor, y la sustentación mayor.

Así que el efecto de Bernouilli por sí solo no explica la sustentación en muchos casos. Pero eso no quiere decir que no exista.

En el envío de ayer, expliqué que la sustentación se debe a que la forma e inclinación del ala desvían el flujo de aire hacia abajo, y que por el principio de acción y reacción, o la Tercera Ley de Newton, el ala es empujada hacia arriba. Esto no sólo ocurre con el aire que pasa bajo el ala, sino con el que pasa sobre ella, debido a otro efecto llamado efecto Coanda: al rodear un objeto, un fluído tiende a seguir su curvatura.

El efecto de acción y reacción es muy obvio en el despegue de un avión, que debe levantar el morro para elevarse. Pero una vez el avión ha alcanzado la altitud y velocidad de crucero, éste se mantiene más o menos horizontal. Eso no quiere decir que el ángulo de ataque sea cero, ya que por un lado las alas suelen estar curvadas un poco hacia abajo en su parte trasera, y por otro lado, no siempre son paralelas al fuselaje del avión, sino que pueden estar algo inclinadas con respecto a éste (es el ángulo de incidencia). Pero en ocasiones, el ángulo de ataque es demasiado pequeño para explicar la sustentación.

Y es que la sustentación de un avión se debe a la combinación de ambos efectos.

No hay que olvidar un factor muy importante: la resistencia del aire al avance. Es fácil ver que si aumentamos el ángulo de ataque, no sólo aumentamos la sustentación, sino también la resistencia al movimiento. Así que que por norma general, las alas tienen una forma que permite el efecto Bernouilli, para conseguir una buena sustentación con una ángulo de ataque pequeño, y por tanto, con menor resistencia. En cualquier caso, el diseño del ala siempre dependerá de la función del aparato (no es lo mismo un avión de pasajeros que un caza de combate), y de las velocidades y altitudes previstas de crucero.

Aún existe un debate en torno a este tema. Hay quien cree que la sustentación se debe únicamente a uno de los efectos, siendo el otro despreciable. Por otro lado, hay quien afirma que en realidad, ambos efectos son el mismo, y que explican de forma diferente el mismo principio físico. Así, el principio de Bernouilli se debe la conservación de energía en un fluído, y la Tercera Ley de Newton es una consecuencia de la conservación de la cantidad de movimiento. Ambos provienen pues, de la eterna ley de la conservación de la energía, que es uno de los pilares básicos de la física.

En la página de Jef Raskin, podemos ver unos cálculos utilizando la ecuación de Bernouilli para un avión real, y resulta que la sustentación debida al efecto Bernouilli es de sólo un 2% de la necesaria. Esto parece indicar que en realidad no se trata del mismo efecto. Sin embargo hay quien afirma que si se hicieran los cálculos considerando cada pequeña parte del ala por separado y sumando todas las fuerzas obtenidas, sí se obtendría la fuerza total necesaria.

En fin, como veis, es algo que está abierto a debate. En este caso es aconsejable más que nunca, visitar los enlaces que he ido poniendo en este envío, pero para los que prefieren leer sin interrupciones, pongo aquí los más importantes:

• http://jef.raskincenter.org/published/coanda_effect.html
  
• http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/fluids/airfoil.html
  
• http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/pber.html#airf
  
• http://en.wikipedia.org/wiki/Lift_%28force%29
  
• http://en.wikipedia.org/wiki/Airfoil
  

Actualización: Olvidad todo lo escrito aquí. La base de la sustentación de un avión está en la conservación de la cantidad de movimiento, aplicada al aire. Podría explicarse tanto con el Principio de Bernouilli, como con la Tercera Ley de Newton, que en realidad son dos formas distintas de resolver el mismo problema. Sin embargo, en aeronáutica se utiliza el Principio de Bernouilli, que es mucho más útil en estos casos. Para saber más, visitad el artículo ¿Por qué vuelan los aviones? (de verdad de la buena), del blog de Juan de la Cierva.