martes, 23 de octubre de 2007

ALAS (I)


La forma de las alas es quizá el factor de mayor importancia cuando uno quiere volar (aparte del hecho, por supuesto, de que es necesario tener alas para hacerlo). Ya seáis aves marinas de esas que vuelan larguísimas distancias, planeadores natos como los buitres, o ases de la velocidad como los halcones, vuestra forma de volar va a estar siempre, sin excepción, determinada por la forma de vuestras alas. Pero antes de explicar nada, hay que introducir algunos de los parámetros que se usan para definir la forma en planta de un ala:


Parámetros del ala

Según los humanos, en los pájaros se pueden observar cuatro tipos de alas (que ningún chorlito se ofenda por no estar recogido en esta clasificación; recordad que la han hecho los humanos):


Tipos de alas en los pájaros

  • El ala elíptica, como la que tenemos los córvidos y la mayoría de los pájaros adaptados a moverse por el bosque, es corta y ancha (es decir, de bajo alargamiento), redondeada y muy ranurada, lo que nos permite mucha maniobrabilidad y buena sustentación a bajas velocidades.
  • Las golondrinas, halcones y demás amantes de la velocidad tienen unas alas estrechas (alto alargamiento) y sin ranuras, y un perfil con poca curvatura, y suelen tener un poco de flecha. Esta configuración les permite volar muy rápido con la menor resistencia aerodinámica posible.
  • Las aves migratorias marinas, como el albatros, tienen unas alas de muy alto alargamiento, no ranuradas, para volar rápido y con el mínimo gasto de energía.
  • Y los planeadores de tierra adentro, como las rapaces y los buitres, tienen alas de alargamiento relativamente bajo y muy ranuradas, con un perfil bastante curvo, que les permite llevar cargas pesadas y gastar la mínima energía posible durante el vuelo, así como volar a baja velocidad.


Águila Real levantando un zorro, y un pariente saliendo por patas

También hay quien no tiene alas y se las fabrica por pura envidia (léase humanos). Y, como suele ocurrir con casi todo lo que hacen los susodichos, han terminado por crear cosas verdaderamente estrambóticas. En lo referente a formas en planta, por ejemplo, ya les queda poco por probar (aunque nunca se sabe por dónde puede salir un humano inspirado).


Tipos de alas

Comenzaron con lo más sencillo que se les pudo ocurrir: la planta rectangular. Pero este diseño presenta bastantes problemas, sobre todo cuando las velocidades comienzan a ser un poco altas, porque produce mucha resistencia. Luego se les ocurrió estrechar gradualmente las alas desde la raíz (o encastre) hasta la punta. Esta forma tiene algunas ventajas en relación con la anterior: refuerza la estructura en el encastre del ala y reduce la resistencia aerodinámica. Aunque el hecho de que la cuerda se vaya reduciendo hacia la punta hace que sea más propensa a entrar en pérdida en esa zona, lo que suele solucionarse retorciéndola, de manera que el ángulo de ataque de la punta sea mayor que el de la raíz. Pero esto, claro, también aumenta la resistencia aerodinámica.


Alas rectas y elípticas

Resulta que la resistencia tiene un mínimo para una distribución de sustentación con forma elíptica. Así que los humanos intentaron conseguir el ala perfecta con esa forma (Heinkel He-70), aunque pronto descubrieron que, con este diseño, toda el ala entraba súbitamente en pérdida y era imposible controlar el avión cuando esto sucedía. Modificando ligeramente la forma del ala consiguieron paliar este efecto (el famoso Spitfire, por ejemplo). Pero la mejora en aerodinámica no compensaba el coste que suponía fabricar una forma en planta tan compleja, ya que un ala recta con un estrechamiento de 0,4 o 0,5 produce una resistencia similar. Así que el diseño fue abandonado (como es costumbre entre los humanos cuando consideran que algo no es rentable).


F-22 repostando en vuelo desde un KC-10

Las siguientes en llegar fueron las alas en flecha, y lo hicieron cuando la velocidad de los aviones se acercó al régimen transónico. En estas condiciones comienza a aparecer otro tipo de resistencia aerodinámica: la resistencia de onda, asociada a la aparición de ondas de choque (ya hemos hablado de esto otras veces). Antes de llegar a vuelo supersónico aparecen ondas de choque locales en algunos puntos del avión, particularente en el extradós del ala, debido a que en esos puntos se alcanza la velocidad del sonido. Si el ala se coloca oblicua con respecto a la corriente, parte del aire puede desviarse siguiendo el borde de ataque, por lo que el flujo restante cruza el ala con menor velocidad. Es decir, es sólo la componente perpendicular al ala la que puede ocasionar ondas de choque. Cuanto menor sea esta componente (disminuye al aumentar la flecha), más velocidad neta necesitarán las ondas de choque para formarse, y, aunque el avión vuele a velocidades cercanas al transónico, la resistencia de onda será pequeña.


Flecha para distintas velocidades de vuelo supersónico

Cuando se alcanza y supera la velocidad del sonido, el punto más adelantado crea una onda de choque que afecta a todo lo que tiene detrás y tiene forma cónica. El cono será más afilado cuanto mayor sea la velocidad a la que vuela el avión. El objetivo en este caso es que las alas se mantengan siempre dentro de dicho cono, ya que en su interior la velocidad perpendicular al mismo es siempre subsónica y el comportamiento de las alas será bueno. Por tanto, cuanto mayor sea la velocidad de crucero de un avión, mayor deberá ser su flecha. Para régimen transónico debería valer entre 30 y 50 grados, dependiendo de la velocidad de crucero, y para vuelo supersónico la flecha debería ser mayor de 50 grados.


Maqueta del F-14 mostrando las distintas posiciones de las alas

A bajas velocidades, sin embargo, el hecho de que parte del flujo se desvíe a lo largo del ala, de la raíz a la punta, es perjudicial, porque hace que las puntas entren en pérdida (pudiendo ocasionar la «danza del Sabre», como la llamaron los humanos debido a que el F-86 Sabre tenía la mala costumbre de hacer eso). Además, la resistencia es mayor que si el ala no tuviera flecha. Se han diseñado varios aviones de flecha variable para intentar adaptar la flecha a las condiciones de vuelo (por ejemplo, el F-14), pero este sistema penaliza el peso y complica la estructura del avión.


Diferencias entre el flujo con flecha normal e invertida

La flecha invertida (X-29, Su-47) es una solución equivalente a la anterior para altas velocidades de vuelo, por las mismas razones. Sin embargo, presenta algunas diferencias. No tiene problemas de entrada en pérdida, porque el flujo de aire recorre el ala de la punta hacia la raíz, donde el fuselaje ayuda a reducir el desprendimiento de la corriente, y además, si es un ala con estrechamiento, la superficie es mayor cerca del encastre, proporcionando más sustentación. Por el contrario, son más inestables, y un avión con este diseño depende por completo de sistemas como el fly-by-wire, aunque esta misma inestabilidad también hace que sean más maniobrables.


Avión experimental de flecha invertida Grumman X-29

El ala en delta es un buen diseño para aviones supersónicos, ya que tiene un ángulo de flecha elevado y muy buen comportamiento a altas velocidades. Frente a un ala en flecha normal presenta las ventajas de ser más fácil de construir y mucho más robusta, además de disponer de mayor volumen en su interior para alojar mecanismos o combustible. La entrada en pérdida se produce para ángulos de ataque más elevados que en las alas en flecha. Sin embargo, los primeros diseños de ala en delta tenían una eficiencia aerodinámica muy pobre a bajas velocidades, por lo que los despegues y aterrizajes debían hacerse en pistas muy largas y a alta velocidad (lo que los hacía bastante peligrosillos), y presentaban problemas de estabilidad. Esto hizo que el diseño fuera casi abandonado. Fue en los años 70, con la llegada del fly-by-wire y la introducción de ligeros cambios en la geometría puramente delta, cuando se rescató el concepto. Muchos aviones modernos han conseguido retener las buenas cualidades del ala en delta y minimizar sus inconvenientes, obteniendo muy buena maniobrabilidad y altas prestaciones en un rango bastante amplio de condiciones de vuelo. Como ejemplo, un vídeo bastante espectacular del Su-27 haciendo la Cobra de Pugachev.


Eurofighter Typhoon, con su diseño en delta y canard

Otros diseños en delta incluyen el canard, además del fly-by-wire, con muy buenos resultados también, ya que ayuda a obtener la sustentación necesaria en el vuelo a baja velocidad, además de hacer el avión más maniobrable (JAS 39 Gripen, Eurofighter Typhoon).


Hasta aquí hemos tratado los tipos de ala más comunes. Los humanos han diseñado cosas realmente extravagantes, aunque muchas de ellas se basan en los principios que hemos visto, como por ejemplo el ala oblicua, que persigue el mismo objetivo que el ala en flecha:


Avión experimental de ala oblicua AD-1

Las alas en anillo, que para el mismo alargamiento tienen mayor eficiencia aerodinámica que un ala plana:


Ala anular

O los extraños diseños facetados de los aviones espías, como el F-117 (que en realidad penalizan la aerodinámica).


Avión espía F-117

O, en fin, cosas más raras todavía.


El X-36 y su extraña geometría sin deriva vertical

Para los chorlitos que quieran ampliar información, unos enlaces: sobre el vuelo de las aves, sobre vuelo supersónico y sobre formas de alas.


24 piopíos:

Gizmo dijo...

otro articulo como este y me enamoro...

Voy a actualizar la linkoteka de Sandglass, voy a meter tu blog entre las webs recomendadas. No, no entre las 'tropecientas' que tenemos en el foro, si no entre las 'buenas' :D

Gizmo dijo...

Por cierto, entre las alas elípticas están las del precioso He112

Gizmo dijo...

esto... va, para la proxima intento dejartelo todo en un solo comentario.

El ala oblicua no es nuevo, ya lo pensaron los alemanes... un diseño de un ala oblicua de geometria variable, pivotaba sobre el punto central

Lyd dijo...

No, hombre, Gizmo, no te enamores... que todavía me queda por escribir la segunda parte! xD

No sabía que los alemanes también se hubieran metido con el ala oblicua. Desde luego, no sé a quién se le ocurriría primero, pero seguro que estaba un poco colgado :/

Gizmo dijo...

los alemanes... en la IIGM (44)

B&V P202

pipistrellum dijo...

No conocia que las alas tenian tanta miga.

Has comentado un monton de cosas que no conocia y todavia no habias tocado las cosas raras que conocia, el ala en diagonal, los triplano que comentamos en el foro y los canard.

Estos ultimo segun lei eran mas eficientes, porque producen sustentacion en las alitas delanteras.
En cambio en la configuracion normal, las centrales soportan todo el peso y las traseran tiran un poco para abajo.
Es asi?
Además, si entraba en perdida, lo hacian las alitas delanteras (timon de profundida) y corregia el defecto enseguida.
El avion de los hermanos Wright tenia esa configuración.

Yo tambien te iba a preguntar sobre las alas oblicuas. Aunque la hubiese llamado en W o dobladas, jeje.

Las tonel no las conocía de nada. Me recuerda al rizado de las alas en los aviones de papel. Se nota que vuelan mucho mejor.



Entre los animales te has olvidado de los murciélagos :)¡Que incomprendidos!
Y ahora que lo pienso yo me he olvidado de lo invertebrados que tienen un buen repertorio de alas.

Por cierto, porque los albatros usan alas muy largas en vez de cortas pero anchas?
Tener puntas pequeñas hace que los vortices de las puntas sean pequeños, pero las alas largas significan una mayor superficie frontal.

Seguro que explicas algo en las segunda parte y hablas de los Winglets.
¿Son mejor colocarlos por arriba o por abajo?
Porque (casi) siempre se ven por arriba, pero me parecia que producirian mas efecto colocandolos por abajo.

Como me enrollo!! ¿¿se nota que me ha gustado el tema?? :)

Lyd dijo...

Gizmo: Vaya bicho! Lo siento mucho, pero me gusta más el de la NASA (aunque ya puestos, me quedo con el X-29 de ala invertida... pero qué bonito es! :D)

Pipistrellum: ¿El ala en diagonal? Me temo que como no me enseñes una foto, no sé a qué te estás refiriendo :/

Los aviones biplano y triplano los atacaré en la segunda parte, no te preocupes ^^

En cuanto al canard, efectivamente, es como tú dices. Lo que ocurre es que en la configuración con estabilizador horizontal, el centro aerodinámico (punto de aplicación de la resultante de las fuerzas de sustentación) tanto de las alas como del estabilizador están por detrás del centro de gravedad del avión (cdg), así que una resultante debe ir para arriba y otra para abajo para equilibrar los momentos. En la configuración en canard, como una está por delante y otra por detrás del cdg, las dos deben ir hacia arriba para que el avión vuele equilibrado.

Repito lo que dijo JdlC: la clasificación de las alas de los pájaros está hecha por otro humano, así que las omisiones deberías reprochárselas a él :P
De todos modos, el ala del murciélago (también según D.B.O. Savile) está incluída en el grupo de las alas elípticas. Con los insectos ya no me meto, porque probablemente el Reynolds cambie bastante y los principios en los que se basan sus alas sean algo distintos.

Las alas largas y estrechas (de alto alargamiento) de los albatros, a la velocidad a la que vuelan ellos, hacen que la resistencia sea pequeña y que la energía que gastan para mantener el vuelo sea muy poca. Viene a ser lo mismo que un planeador (vaya, se me olvidó hablar de los planeadores... puede que les dedique todo un post, que molan mogollón).

De los winglets ya he hablado alguna vez, aunque es verdad que no me he extendido. Creo que podré incluirlos en el próximo post, y, si no, los dejaré para más adelante.

Si es que las alas son un mundo... y me dejo muuuchas cosas en el tintero. A fin de cuentas, son lo más importante del avión ^^

pipistrellum dijo...

Vaya que me he liado con las alas

En diagonal me referia a esas.

Y creo que me he liado con la alas elipticas y oblicuas.
En realidad queria preguntar por las alas que no son planas vistas desde el frente.

Sobre los planeadores tal vez te interese este articulo.
Planeadores amas de 200km/h solo con la ayuda del viento

Sobre los murcielagos pensaba que tendrian un dinamica muy diferente a la de las aves.
Tambien me contaron sobre las alas de las aves que si le cortas un par de plumas en las alas ya no puede volar hasta que les crezcan.
Yo entendi que eran las de las puntas, pero no estoy seguro si en realidad son las alulas, que utiliza en el despegue y el aterrizaje.


Gizmo: Muy interesante la Linkoteca :D

Anónimo dijo...

Genial el artículo :). Aprovecho para decirte que tengo este Blog RSSeado y no me pierdo una de las nuevas publicaciones!

Saludos de uno que espera entrar el año que viene en Ingeniería Aeronáutica :D.

wowned

Gizmo dijo...

@pipistrellum
oblicuas son las del pájaro de la nasa o ese alemán.

las que no son rectas si miras de frente... pueden ser de varios tipos: diedro positivo, diedro negativo, ala de gaviota o ala de gaviota invertida
Por aqui puedes ver varios ejemplos gráficos de lo que te digo.

@ anónimo: suerte y ánimo, a por todas!

Lyd dijo...

pipistrellum: Comentaré la razón por la que se hacen alas en diedro en el próximo post, pero te adelanto que básicamente es por una cuestión de estabilidad. Gizmo ha mencionado unos cuantos tipos, pero hay más (de hecho, las anulares también están fuera del plano). Pero lo voy a dejar aquí, como hacen en las series, para poner las cosas un poco interesantes :P

Para que no vuelen a los pájaros se les suelen cortar las remeras primarias (las plumas más largas). Lo que se consigue así es reducir prácticamente a la mitad la superficie alar, y por tanto la sustentación que genera el ala ya no es suficiente para que eleven el vuelo.

Anónimo: Pues, como dice Gizmo, mucho ánimo! Espero que te vaya muy bien en la carrera y la disfrutes al máximo, que es muy dura, pero también muy bonita ;)

sauco dijo...

esto me ha recordado una pregunta de mi primo que vive al lado de un aeropuerto, porque antes no y ahora cada ves mas se ven las alas de los aviones llevando esta terminacion en punta hacia arriba, y que sirve para dar mas estabilidad o algo? :S

nada,me rindo no se que salga el link bien...
http://www.juanramartin.com/wp-content/uploads/2006/03/100_0691.JPG

Giz dijo...

Coñe lyd, solo he mencionado unas pocas, tampoco es plan rventarte el próximo articulo!!

a ver, comentarios varios...
1/ el de la imagen es un He112, el otro que tiene ala eliptica de He es el 70, hermano mayor del 1º

2/Lo de las puntas de las alas se llama winglets, es para reducir la resistencia (asi que el avión consume menos combustible), por ejemplo, Lyd habló de ello ya, creo...

3/El diedro y otras formas puede venir dado por...
-diedro positivo, hace estable al avión
-diedro negativo: lo hace inestable
-ala en gaviota: además de dar cierta estabilidad (es como el positivo) solía usarse para permitir al piloto cierta visibilidad (P11, I15 e I153)
-Ala de gaviota invertida: solía usare para acortar la longitud del tren de aterrizaje, cuanto más corto sea éste, menos problemas de 'pandeo' -menos posibilidad de que se rompa en un porrazo-, ejemlo, el Corsair

El Otro dijo...

Muy bueno, ya echaba de menos tus artículos. Además este me recuerda a mi niñez cuando vi por primera vez los planos de un X-29. Siempre pensé que era una idea genial (y no sé porqué ya intutía algo sobre su especial maniobrabilidad).

El Otro

Giz dijo...

Como no, la flecha invertida tampoco es cosa yanki... echad un ojo al Ju 287, creo que es de los primeros que recuerdo cn ala de flecha negativa

Lyd dijo...

saúco: sí, ya hablé de los winglets un par de veces (si buscas "winglet" en el glosario de la izquierda lo verás... que, por cierto, está sin actualizar, a ver si un día me pongo con ello). Pero creo que en el próximo artículo explicaré cómo funcionan con un poco más de detalle ;)

gizmo: No conocía muchos de esos aviones... Vaya, el Jane's se queda corto a tu lado! Da gusto contigo! xD

El Otro: Sí, los aviones de ala invertida son una preciosidad (en particular el x-29 :P), pero también tienen sus problemas. Aparte de que son difíciles de controlar, el exceso de sustentación en las puntas de las alas hace que el encastre tenga que soportar momentos muy grandes, por lo que hay que reforzarlo mucho... y eso supone aumentar el peso, claro.

Anónimo dijo...

he vivido mil vidas, conquistado el mundo 100 veces... que esperabas? mi memoria historica es mejor que la del jane's

(amos a por la pastillita...)

El Rober dijo...

Fantástico.
Para un apasionado de la aviación como yo, encontrar éste blog ha sido del todo genial.
Gran trabajo, de verdad.
A mis favoritos ahora mismo.

Lyd dijo...

Gracias! ^^

Proximo dijo...

Lo de las alas invertidas y oblicuas o el vídeo del Pugachev's Cobra, el repaso a los tipos de alas. Genial :D tengo ganas de leer la 2a parte.

dixman dijo...

estupendo blog. Desde que lo descubri me suelo pasar todas las semanas a ver los nuevos "articulos".
Un saludo, por cierto pasate alguna vez por el mio
http://la-gazzeta-de-dixman.blogspot.com/
Un saludo,

Luis dijo...

A propósito del tema de las alas, seguro que a los chorlitos os interesa un estudio que se comenta hoy en un artículo de soitu.es

http://www.soitu.es/soitu/2008/05/14/medioambiente/1210791746_011995.html

No sé si los chorlitos sois aves migratorias, pero el estudio que han realizado esa gente del instituto Max Plank y de Princeton parece bastante interesante ;)

Lyd dijo...

luis: Muy interesante el estudio, muchas gracias por el enlace. Aunque cualquier aeronáutico podría haberles dicho lo de que con unas alas puntiagudas cuesta menos volar... en general son cosas lógicas, pero muchas veces no nos paramos a pensar en todos los efectos que podría tener el cambio climático, y terminas por sorprenderte de que pueda afectar incluso a las rutas migratorias de las aves. Por cierto, muchas gracias por recomendar mi blog! ;)

Alextreme dijo...

Hola amigo que tal, muy interesante tu blog, pero tienes un error donde dices.

"Aunque el hecho de que la cuerda se vaya reduciendo hacia la punta hace que sea más propensa a entrar en pérdida en esa zona, lo que suele solucionarse retorciéndola, de manera que el ángulo de ataque de la punta sea mayor que el de la raíz."

EL ángulo de ataque en la punta no debe ser mayor que en la raíz sino todo lo contrario, es menor, y debido a eso esta parte del ala no entra en perdida tan facilmente, otra ventaja es que se reduce la resitencia inducida, es decir que la curva de sustentación es un poco similar a la de un ala elíptica. Saludos



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