Nadie puede explicar por qué los aviones permanecen en el aire

Einstein procedió a dar una explicación que asumía una incompresible, sin fricción fluido, es decir, un fluido ideal. Sin mencionar a Bernoulli por su nombre, dio un relato que es consistente con el principio de Bernoulli al decir que la presión del fluido es mayor donde su velocidad es más lenta, y viceversa. Para aprovechar estas diferencias de presión, Einstein propuso un perfil aerodinámico con una protuberancia en la parte superior de modo que la forma aumentaría la velocidad del flujo de aire por encima de la protuberancia y, por lo tanto, disminuiría la presión allí también.

Einstein probablemente pensó que su ideal- El análisis de fluidos se aplicaría igualmente bien a los flujos de fluidos del mundo real. En 1917, sobre la base de su teoría, Einstein diseñó un perfil aerodinámico que más tarde llegó a conocerse como un ala trasera de gato debido a su parecido con la espalda encorvada de un gato que se estira. Llevó el diseño al fabricante de aviones LVG (Luftverkehrsgesellschaft) en Berlín, que construyó una nueva máquina voladora a su alrededor. Un piloto de pruebas informó que la nave se balanceaba en el aire como «un pato preñado». Mucho más tarde, en 1954, el propio Einstein calificó su incursión en la aeronáutica como una «locura juvenil». El individuo que nos dio teorías radicalmente nuevas que penetraron tanto en los componentes más pequeños como en los más grandes del universo, sin embargo, no logró hacer una contribución positiva a la comprensión de la sustentación ni a la hora de idear un diseño de perfil aerodinámico práctico.

Hacia una teoría completa de la sustentación

Los enfoques científicos contemporáneos para el diseño de aeronaves son el ámbito de las simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) y las llamadas ecuaciones de Navier-Stokes, que tienen en cuenta la viscosidad real del aire real . Las soluciones de esas ecuaciones y el resultado de las simulaciones CFD producen predicciones de distribución de presión, patrones de flujo de aire y resultados cuantitativos que son la base de los diseños de aviones altamente avanzados de hoy. Aún así, por sí mismos no dan una explicación física y cualitativa de la sustentación.

Sin embargo, en los últimos años, el destacado aerodinámico Doug McLean ha intentado ir más allá del puro formalismo matemático y abordar la causa física: relaciones y efecto que explican la elevación en todas sus manifestaciones de la vida real. McLean, quien pasó la mayor parte de su carrera profesional como ingeniero en Boeing Commercial Airplanes, donde se especializó en el desarrollo de códigos CFD, publicó sus nuevas ideas en el texto de 2012 Understanding Aerodynamics: Arguing from the Real Physics.

Considerando que el libro tiene más de 500 páginas de análisis técnico bastante denso, es sorprendente ver que incluye una sección (7.3.3) titulada «Explicación básica de la sustentación en un perfil aerodinámico, accesible para un público no técnico». Producir estas 16 páginas no fue fácil para McLean, un maestro del tema, de hecho, fue «probablemente la parte más difícil de escribir del libro», dice el autor. «Vio más revisiones de las que puedo contar. Nunca estuve del todo satisfecho con él».

La compleja explicación de McLean sobre la sustentación comienza con el supuesto básico de toda aerodinámica ordinaria: el aire alrededor de un ala actúa como «un material continuo que se deforma para seguir los contornos del perfil aerodinámico «. Esa deformación existe en forma de una franja profunda de flujo de fluido tanto por encima como por debajo del ala. «La superficie aerodinámica afecta la presión sobre un área amplia en lo que se llama un campo de presión», escribe McLean. «Cuando se produce la sustentación, siempre se forma una nube difusa de baja presión sobre la superficie aerodinámica, y una nube difusa de alta presión generalmente se forma debajo . Donde estas nubes tocan la superficie aerodinámica, constituyen la diferencia de presión que ejerce la sustentación sobre la superficie aerodinámica ”.

El ala empuja el aire hacia abajo, lo que resulta en un giro hacia abajo del flujo de aire. El aire sobre el ala se acelera de acuerdo con el principio de Bernoulli. Además, hay un área de alta presión debajo del ala y una región de baja presión arriba. Esto significa que hay cuatro componentes necesarios en la explicación de McLean de la sustentación: un giro hacia abajo del flujo de aire, un aumento en la velocidad del flujo de aire, un área de baja presión y un área de alta presión.

Pero es la interrelación entre estos cuatro elementos es el aspecto más novedoso y distintivo del relato de McLean. «Se apoyan entre sí en una relación recíproca de causa y efecto, y ninguno existiría sin los demás», escribe. «Las diferencias de presión ejercen la fuerza de sustentación en el perfil aerodinámico, mientras que el giro hacia abajo del flujo y los cambios en La velocidad de flujo mantiene las diferencias de presión.Es esta interrelación la que constituye un quinto elemento de la explicación de McLean: la reciprocidad entre los otros cuatro. Es como si esos cuatro componentes cobraran existencia y se sostuvieran colectivamente mediante actos simultáneos de creación y causalidad mutuas.

Parece haber una pizca de magia en esta sinergia. El proceso que describe McLean parece similar a cuatro agentes activos que se apoyan mutuamente para mantenerse en el aire colectivamente. O, como él reconoce, es un caso de «causa y efecto circular». ¿Cómo es posible que cada elemento de la interacción sostenga y refuerce a todos los demás? ¿Y qué causa esta interacción dinámica, recíproca y mutua? La respuesta de McLean: la segunda ley del movimiento de Newton.

La segunda ley de Newton establece que la aceleración de un cuerpo, o una parcela de fluido, es proporcional a la fuerza ejercida sobre él «. La segunda ley de Newton nos dice que cuando una diferencia de presión impone una fuerza neta sobre una parcela de fluido, debe causar un cambio en la velocidad o la dirección (o ambas) del movimiento del paquete ”, explica McLean. Pero recíprocamente, la diferencia de presión depende y existe debido a la aceleración del paquete.

¿No obtenemos algo a cambio de nada aquí? McLean dice que no: si el ala estuviera en reposo, no existiría ninguna parte de este grupo de actividades que se refuerzan mutuamente. Pero el hecho de que el ala se mueva por el aire, y que cada paquete afecte a todos los demás, hace que estos elementos co-dependientes cobren existencia y los sostiene durante todo el vuelo.

Activación de la reciprocidad de sustentación

Poco después de la publicación de Understanding Aerodynamics, McLean se dio cuenta de que no había tenido en cuenta por completo todos los elementos de la sustentación aerodinámica, porque no explicó de manera convincente qué causa que las presiones en el ala cambien de la ambiental. Entonces, en noviembre de 2018, McLean publicó un artículo de dos partes en The Physics Teacher en el que propuso «una explicación física completa» de la sustentación aerodinámica.

Aunque el artículo reitera en gran medida la línea de argumento anterior de McLean, También intenta agregar una mejor explicación de lo que causa que el campo de presión no sea uniforme y asumir la forma física que lo hace. En particular, su nuevo argumento introduce una interacción mutua en el nivel del campo de flujo para que el campo de presión no uniforme sea un resultado de una fuerza aplicada, la fuerza descendente ejercida en el aire por el perfil aerodinámico.

Si la sección 7.3.3 de McLean y su artículo de seguimiento tienen éxito en proporcionar una descripción completa y correcta de la sustentación está abierto a interpretación y debate. Hay razones por las que es difícil producir una descripción clara, simple y satisfactoria de la sustentación aerodinámica. Por un lado, los flujos de fluidos son más complejos y más difíciles de entender que los movimientos de los objetos sólidos, especialmente los fluidos Flujos que se separan en el borde de ataque del ala y están sujetos a diferentes fuerzas físicas en la parte superior e inferior. Algunas de las disputas con respecto a la elevación no involucran los hechos en sí mismos, sino más bien cómo deben interpretarse esos hechos, lo que puede involucrar cuestiones que son imposibles de resolver mediante experimentos.

Sin embargo, en este momento solo hay unas pocas asuntos pendientes que requieren explicación. La sustentación, como recordará, es el resultado de las diferencias de presión entre las partes superior e inferior de un perfil aerodinámico. Ya tenemos una explicación aceptable de lo que sucede en la parte inferior de un perfil aerodinámico: el aire que se aproxima empuja el ala tanto verticalmente (produciendo sustentación) como horizontalmente (produciendo resistencia). El empuje hacia arriba existe en forma de mayor presión debajo del ala, y esta mayor presión es el resultado de una simple acción y reacción newtoniana.

Sin embargo, las cosas son bastante diferentes en la parte superior del ala. Allí existe una región de menor presión que también forma parte de la fuerza de elevación aerodinámica. Pero si ni el principio de Bernoulli ni la tercera ley de Newton lo explican, ¿qué lo explica? Sabemos por las líneas de corriente que el aire sobre el ala se adhiere estrechamente a la curvatura hacia abajo del perfil aerodinámico. Pero, ¿por qué las parcelas de aire que se mueven a través de la superficie superior del ala deben seguir su curvatura hacia abajo? ¿Por qué no pueden separarse de él y volar de regreso?

Mark Drela, profesor de dinámica de fluidos en el Instituto de Tecnología de Massachusetts y autor de Flight Vehicle Aerodynamics, ofrece una respuesta: «Si los paquetes momentáneamente voló tangente a la superficie superior del perfil aerodinámico, literalmente se crearía un vacío debajo de ellos «, explica.» Este vacío succionaría los paquetes hasta que llenen la mayor parte del vacío, es decir, hasta que se muevan de nuevo tangente al perfil aerodinámico . Este es el mecanismo físico que obliga a los paquetes a moverse a lo largo de la forma del perfil aerodinámico. Queda un ligero vacío parcial para mantener las parcelas en una trayectoria curva ”.

Este alejar o tirar hacia abajo de esas parcelas de aire de sus parcelas vecinas de arriba es lo que crea el área de menor presión sobre el ala.Pero otro efecto también acompaña a esta acción: la mayor velocidad del flujo de aire en la parte superior del ala. «La presión reducida sobre un ala de elevación también tira horizontalmente en las parcelas de aire a medida que se acercan desde aguas arriba, por lo que tienen una velocidad más alta cuando llegan por encima del ala», dice Drela. «Entonces, el aumento de velocidad sobre el ala de elevación se puede ver como un efecto secundario de la presión reducida allí ”.

Pero como siempre, cuando se trata de explicar el levantamiento en un nivel no técnico, otro experto tendrá otra respuesta. El aerodinámico Babinsky de Cambridge dice: «Odio estar en desacuerdo con mi estimado colega Mark Drela, pero si la creación de un vacío fuera la explicación, entonces es difícil explicar por qué a veces el flujo no obstante se separa de la superficie. Pero tiene razón en todo lo demás. El problema es que no hay una explicación rápida y fácil ”.

El propio Drela admite que su explicación es insatisfactoria en algunos aspectos.“ Un problema aparente es que no hay una explicación que sea universalmente aceptada ,» él dice. Entonces, ¿dónde nos deja eso? De hecho, justo donde comenzamos: con John D. Anderson, quien dijo: «No hay una respuesta sencilla a esto».