domingo, 28 de octubre de 2007

ALAS (II)


Hasta ahora, chorlitos, hemos hablado principalmente de formas en planta. Pero nunca debemos olvidar que un ala es un cuerpo tridimensional, y que vuela en una corriente tridimensional (a pesar de que los humanos una y otra vez se empeñan en reducir las cosas a un problema en dos dimensiones, porque dicen que así es más fácil de calcular… qué perezosos).


el Wright Flyer

La primera vez que los humanos consiguieron que un avión volara lo hicieron con un biplano. Y resulta que hasta en eso nos copiaron. Recientemente (o eso dicen ellos, porque a mí tanta casualidad me parece sospechosa) se han descubierto los restos de varios de nuestros ancestros que tenían largas plumas en las patas, igual de funcionales que las de las alas, allá por los comienzos del Cretácico. El Microraptor gui, por ejemplo. El famoso Archaeopteryx tenía unas características similares, aunque las plumas de sus patas eran algo más cortas.


Microraptor gui
Reconstrucción de un Microraptor en vuelo

En realidad, si hacemos caso de la teoría de la evolución de Darwin (quien «casualmente», también era un humano), quizá el hecho de que tanto los pájaros como los humanos comenzáramos a volar con biplanos sea simplemente el progreso natural de las cosas. La sustentación que produce un ala es proporcional a su superficie, y en general, en vuelo subsónico, las alas de gran alargamiento son más eficientes, aerodinámicamente hablando, que las alas cortas y anchas. La sustentación también es proporcional a otra variable muy importante: el coeficiente de sustentación. Este último depende de la forma de los perfiles y de su ángulo de ataque.


Parámetros que definen el perfil alar.

Los primeros perfiles de los humanos, desarrollados a base de pruebas en un túneles de viento caseros, no estaban demasiado refinados, así que su coeficiente de sustentación era bastante bajo (su espesor era demasiado pequeño). En el caso de los pájaros prehistóricos probablemente entraban en juego más factores de la configuración general del ala (la distribución de cuerdas a lo largo de la envergadura, por ejemplo, o la presencia de garras en el borde de ataque).


primeros perfiles de los humanos

El caso es que, por una razón u otra, ni las alas de nuestros ancestros ni las de los hermanos Wright eran muy eficientes, por lo que para conseguir la sustentación necesaria la única solución era aumentar la superficie. Y como las alas debían ser estrechas, sólo se podía aumentar la envergadura. Pero un ala no se puede hacer indefinidamente larga, porque tiene que haber una estructura que evite que pierda su forma. ¿Solución? Pues partir el ala en dos. De esta manera se consigue más sustentación neta que con un ala única de igual envergadura, y a pesar de que la influencia de un ala sobre la otra aumenta bastante la resistencia aerodinámica, el balance final es positivo, y la configuración en biplano compensa frente al ala única. A veces los humanos utilizaban hasta tres planos (en el famoso Fokker Dr. I del Barón Rojo, por ejemplo), porque reduciendo la envergadura se conseguía mayor maniobrabilidad.


Fokker Dr.1

Seguro que os habéis fijado en los cables cruzados que suele haber entre los dos planos del ala en los primeros biplanos de los humanos. Cuando el avión está en tierra, el peso de las alas tira de ellas hacia abajo, lo que hace que los cables que van del encastre del ala superior a la punta del ala inferior estén en tensión, y los que los cruzan no soporten cargas. En vuelo, la sustentación tira de las alas hacia arriba y el efecto es contrario, invirtiéndose los papeles de los cables. Junto con las vigas verticales entre ambos planos contribuyen a hacer que este tipo de construcción sea bastante robusta, por lo que estructuralmente tiene muchas ventajas, sobre todo en los años en los que aún no se había avanzado demasiado en el tema de las estructuras ligeras.


estructura alar de un biplano

Sin embargo, el perfeccionamiento de los perfiles hizo posible reducir la superficie necesaria en las alas, y, cuando se consiguió reforzar la estructura lo suficiente como para que soportara las cargas de vuelo, los biplanos clásicos pasaron a mejor vida. Hoy día siguen haciéndose biplanos y triplanos, pero ya no tienen prácticamente nada que ver con los de aquella época. Ahora están diseñados para beneficiarse de la sustentación extra que proporcionan todas las superficies, minimizando los problemas de interferencia entre unas y otras al no colocarlas en la misma vertical, algo que antiguamente era casi obligatorio por cuestiones estructurales (en la imagen, un Rutan Proteus en vuelo). Al colocar las alas en tándem, la estela de la que va por delante suele afectar a la que está detrás, pero un buen diseño puede hacer que el efecto sea mínimo.


Rutan Proteus

Los perfiles aerodinámicos son tan importantes para un ala como las alas lo son para un avión. La forma del perfil es determinante para el coeficiente de sustentación (ya explicamos en otra ocasión cómo influyen las distintas geometrías en él). Y, al igual que con la planta de las alas, los humanos descubrieron que la forma del perfil debía cambiar con el régimen de vuelo. En vuelo subsónico funcionan de maravilla los perfiles de borde de ataque redondeado y de cierto grosor (en contra de lo que pensaban los humanos al principio, es decir, que el grosor sólo aumentaba la resistencia), con una línea de curvatura media convexa. Al aumentar el grosor del perfil consigue retrasarse la entrada en pérdida, y además puede hacerse un ala más rígida que ya no necesita cables que la sujeten, lo que reduce la resistencia global del avión. El Fokker Dr.1 fue el primer avión diseñado siguiendo estas directrices, y supuso una revolución en el mundo de la aeronáutica.


Evolución histórica del perfil alar

Sin embargo, los humanos se encontraron de nuevo con graves problemas al acercarse al transónico. En un perfil de curvatura convexa (positiva), y a velocidades subsónicas de cierta magnitud, se forma una onda de choque en el extradós (la velocidad a la que esto ocurre se denomina Mach crítico) que hace que la eficiencia del perfil caiga en picado. Tras muchos experimentos se dieron cuenta de que, si le daban la vuelta al perfil, la eficiencia era mucho mejor. Por desgracia, los pilotos encontraron inaceptable la idea de que para poder volar en esas condiciones tenían que hacerlo del revés (no me explico por qué). Y como en vuelo a baja velocidad estos perfiles tenían una eficiencia muy pobre, la idea fue desechada.


Variación de la eficiencia aerodinámica con el número de Mach para un perfil en posición normal e invertido.

Hasta que llegó Whitcomb con su perfil supercrítico, claro, que, a grosso modo, era un perfil convencional invertido con el borde de salida modificado para aumentar la sustentación y el radio del borde de ataque más grande. Este perfil no sólo tiene muy buenas características en el transónico, ya que la onda de choque se forma a velocidades más altas, más cerca del borde de salida y es más débil; sino que además proporciona alta sustentación a bajas velocidades debido al gran radio de su borde de ataque. Hoy en día prácticamente todos los reactores grandes tienen perfiles supercríticos, y gracias a ellos el vuelo a Mach 0,8 de los aviones comerciales es económicamente viable.


perfil supercrítico de Whitcomb

En régimen supersónico un perfil se encuentra con el mismo problema que un ala: se forma una onda de choque por delante de su borde de ataque. Y hay dos formas de enfrentarse a ello. Ya hablamos antes de la primera: hacer las alas en flecha, de manera que pueden volar con un perfil subsónico sin problemas. O bien, utilizar lo que se llama un perfil supersónico, y no hacer las alas en flecha. Los perfiles supersónicos tienen los bordes afilados (tanto, en algunos casos, que son necesarias protecciones cuando el avión está en tierra para que nadie se corte con ellos), y son más gruesos en el centro. Esta geometría disminuye mucho la resistencia en supersónico, pero produce muy poca sustentación a baja velocidad, por lo que es necesario aterrizar y despegar a velocidades muy elevadas (es decir, peligrosas).


Evolución de las ondas de choque alrededor de un perfil con el aumento de velocidad.

El F-104 Starfighter está diseñado de esta manera, con alas cortas y sin flecha, más al estilo de los misiles que de los aviones. Las altas velocidades de aterrizaje y despegue se cobraron la vida de muchos pilotos, y los humanos, que a veces incluso tienen sentido del humor, solían decir que la forma más barata de conseguir un Starfighter era comprar un terreno y, simplemente, esperar.



Y luego hay humanos que se extrañan de que pongamos en duda su inteligencia.


Más información sobre perfiles supersónicos aquí. Y aquí podéis leer la evolución hasta el perfil supercrítico, contada por uno de los ingenieros de la NACA (actualmente la NASA) implicados en ella.


La foto de la estructura del ala de biplano es propiedad de Max Haynes.


27 piopíos:

Lyd dijo...

Al final me he liado contando cosas sobre los perfiles y me ha salido un artículo larguísimo, así que me temo que dejaré lo del diedro, los winglets y demás para otra ocasión. Pero lo pongo en la lista de espera, que lo prometido es deuda ^^

Gizmo dijo...

encantado de leerte, como siempre.

ahora... curiosidades!!

sabías que el triplano del barón rojo, originalmente tenía 3 alas... ¡¡en cantilever!! si, en voladizo. pero por problemas de vibraciones se incorporaron los puntales entre alas. sin embargo, si re fijas, NO tiene cables.

El triplano rojo... no fue siempre el triplano más temido. antes que ese eran los triplanos negros, los Spwith Triplane, ingleses. Tenían mucha resistencia... pero trepaban bien y giraban mucho. En la IGM el combate era horizontal (de giros), y los alemanes, envidiosos ellos, crearon un concurso de triplanos, y ganó el de Fokker (que era Holandés).

y un último comentario, es curioso que el avión más abanzado que tenian los franceses... no fue militarizado! Es el Deperdussin Monococque (si, el 1º en tener estructura monocasco). Te dejo un link a una entrada de unforo, con fotos y links de este pájaro. A que no parece un bicho de 1913??

y ya me callo, antes de que me llames listillo.

Laertes dijo...

Pues a simple vista no parece mucho más avanzado que el Eindecker de Fokker, que también carecía de alerones y se pilotaba torsionando el ala.

Gizmo dijo...

@ laertes: pero volaba al doble de velocidad que el eindecker, o el bullet

Agus dijo...

Fenomenal el artículo Lyd....de nuevo te sales de la tabla!!!

Anónimo dijo...

Me encanta este blog.
Provengo del "efecto microsiervos" y he de decirte que he revisado todas las entradas desde que empezaste.

Un saludo.

Lyd dijo...

gizmo: No, no sabía que las alas del Dr.1 fueron en voladizo durante un tiempo. Lo que sí que sabía era que no tiene cables. Es porque los perfiles son mucho más gruesos, y el ala más rígida.

Y no, el Depedussin no parece de 1913, la verdad (a no ser que te fijes con detalle en las alas, claro). Mola! Y sí, es increíble que no lo militarizaran.

(No te preocupes, que no te voy a llamar listillo... como mucho, diré que estás un poco "volao" xD)

laertes: La verdad es que tanto uno como otro están llenos de cables por todas partes. Eso sí, el fuselaje del Deperdussin tiene mucha mejor pinta; seguramente la resistencia que produce es bastante más pequeña.

agus: Muchas muchas gracias! ^^

Anónimo: Me alegro mucho de que te haya gustado tanto! :D

Laertes dijo...

Lyd: Sí, a simple vista parece que tiene menos resistencia, pero ese "parece" suele engañar. Algo parecido pasó con la disyuntiva entre motores en línea refrigereados por agua (más aerodinámicos) y motores radiales refrigerados por aire en la IIGM. AL final hubo cazas excelentes tanto con motores en línea (Spitfire, Me-109, P-51...) como con radiales (FW-190, Zero, Corsair...)

Gizmo dijo...

no solo es menos resistencia, también el doble de potencia, y el doble de velocidad! (89km/h eindecker y este... pues....)

El Otro dijo...

¿Y si ahora pregunto por geometría variable en alguna de las formas y dimensiones?

Ciertamente la primera aproximación qe veo a la geometría variable de un ala está en los flaps y spoliers.

También me viene a la mente la flecha variable del F-14.

¿Podría haber una aproximación a la variación del perfil dependiendo de la velocidad? No digo un cambio radical del perfil, pero si con el Concorte modificaban la posición del morro podría pensarse en un "afilado" progresivo del perfil, un adelgazamiento de la parte posterior...

También me queda una duda sobre el perfil frontal del ala. Hemos visto el ala desde arriba, desde el lado pero no desde enfrente aunque, al ser perpendicular a la dirección de avance probablemente no tenga ningún efecto a nivel de sustentación pero sí en la maniobrabilidad (quien sabe si asi el X-29 sería más manejable).

En fin, paranoias de neófito.

El Otro

Laertes dijo...

Gizmo: Lo del doble de potencia ya me cuadra más. Aunque habría que ver como se desenvolvería semejante "ladrillo" (lo digo por la falta de alerones) contra los mucho más ágiles biplanos y triplanos.

Gizmo dijo...

@laertes: la estructura es mejor, y tiene mucha menos resistencia. eso ayuda. ademas el doble de potencia, ayuda más. siendo mucho más rapido que los eindecker y bullet (que son los que estaban en servicio en la epoca en la que hubiera entrado en servicio este pajaro), la maniobrabilidad no hubiera sido demasiado importante. picas, disparas, trepas.

Gizmo dijo...

@ el otro: la primera geometria variable que recuerdo es un avion ruso que pasa de biplano a monoplano (toma variacion de geometría). por otro lado, lo que dices de variar el perfil es lo que se hace en los f16, f18, etc ;)

Lyd dijo...

laertes: Bueno, los motores radiales y en línea tienen cada uno sus ventajas y sus inconvenientes, como todo. Con un motor en estrella hay mayor resistencia aerodinámica, pero se ahorra bastante en peso y la mecánica es más sencilla, por eso compensa ponerlo. Pero no es que "parezca" que tiene menos resistencia. Hay cosas que las mires por donde las mires siempre empeoran la resistencia aerodinámica.

El Otro: no son paranoias, es una buena idea. Como dice Gizmo, ya hay aviones con los que se ha optado por esa solución. Lo que pasa es que añadir mecanismos para que un ala cambie de geometría supone aumentar el peso y complicar la estructura, y hacerla menos fiable (la fiabilidad es crucial en aeronáutica), porque los mecanismos pueden estropearse. Y como un borde afilado no es necesario en vuelo subsónico si las alas tienen la flecha adecuada, en el fondo es mucho más práctico optar por una solución en flecha o en delta, que no tiene tantos problemas, sobre todo con los nuevos sistemas de control electrónico.

En cuanto a la vista frontal, también es importante. Se habló sobre ello en los comentarios del post anterior, y yo quería haberme explayado un poco más, pero, como dije arriba, no vi la manera de meterlo en este artículo para que quedara bien.

gizmo: Te acuerdas del nombre de ese avión ruso? Porque según lo describes tiene pinta de X-Wing, y me gustaría ver una foto! :D

El Otro dijo...

Hablando de volar, ¿será este el futuro?

http://gizmodo.com/gadgets/world-record/hydrogen-fuel-cell+propelled-airplane-breaks-world-record-318203.php

El Otro

Giz dijo...

@ el otro:
el futuro en principio es conseguir usar el hidrógeno como combustible. hace ya casi 4 años estuvo un amigo mio en suecia con el pfc, con un A340 propulsado por H2

@Lyd: no recuerdo ahora el nombre, mañána is puedo lo busco, ahora mismo es tardíiiiiiiisimo y yo ya debería andar empiltrado. Pero para que te hagas una idea, es algo así como el I15ter o I153, solo que el tren se retrae en el ala de abajo, y el ala de abajo en el de arriba.

respecto a los motores radiales...
en principio tiene más resistencia aerodinamica que uno lineal, o eso se creia. El truco consiste en hacer un buen carenado. algunos de los aviones más rápidos del mundo de hecho son de motores radiales (Xp47J, Seafury....).

La ventaja principal es el menor peso, y la mayor tolerancia al daño. La desventaja? es dificil de refrigerar. Si lo edjas al aire, refrigra bien pero tiene mucha resistencia. pero si lo carenas, y no lo haces en condiciones, no refrigera y se achicharra. por ejemplo, en el boeing(stearman) kaydet va al descubierto, en el i16 o i15 va carenado, pero el carenado es malísimo y da mucha resistencia, sin embargo otros usan carenados tipo naca, como los p36, p47 o fw190... y estos son igual de buenos o mejores que los de motor refrigerado por líquido de la época.

ah! no siempre uno refrigerado por aire tiene que ser en estrella. la miles falcon six es una preciosidad con un motor de 6 cilindros en linea refrigerados por aire, y con una aerodinamica muy buena, para ser de los 30

Gizmo dijo...

Lo prometido es deuda: uno de geometria variable... de biplano a monoplano
Nikitin-Shevchenko IS-1

Anónimo dijo...

Saludos, es la primera vez que pongo un mensaje en tu blog (aunque creo que he leido todas las entradas) y aprovecho para darte mis felicitaciones y decir que me ha gustado mucho.

Pero el objeto de mi comentario es una pregunta que ya hace tiempo que tengo en mente. En los perfiles asimetricos (o almenos en los normalitos) se dice que el aire que pasa por arriba va mas rapido que el de abajo. Durante un teimpo crei que era Venturi, aunque mas tarde me entere que no lo justificava bien. Y por otra parte, si hacen mas recorrido parece que lo mas logico es que por el rozamiento pierdan mas velocidad.

Asi pues, ¿porque el flujo en el extradós es más rapido que en el intradós?

Lyd dijo...

Anónimo: Muchas gracias! Voy a ver si puedo resolverte la duda. Lo primero, quisiera aclarar que en un perfil asimétrico el aire no tiene por qué ir más rápido por arriba que por abajo, todo depende de la forma del perfil. Por ejemplo, si el perfil es antisimétrico (imagina un perfil curvo y muy, muy fino), el aire va exactamente a la misma velocidad por arriba que por abajo, siendo las distribuciones de presiones iguales también arriba y abajo, y sustenta porque ambas se suman (al contrario de lo que ocurre en el perfil simétrico, que sin ángulo de ataque no puede producir sustentación porque se restan). Y el aire va más rápido por abajo que por arriba si es un perfil de curvatura negativa (como el que sale aquí).

En cuanto a tu pregunta, la forma más comprensible de responderla que se me ocurre es recurrir al principio de conservación de la masa. Fíjate en esta imagen. Las líneas que hay dibujadas son líneas de corriente, e indican el movimiento del aire. Un volumen determinado de aire entre dos líneas se mantendrá en todo momento entre esas dos líneas. Y, por conservación de la masa, suponiendo que la densidad del aire se mantiene constante (los efectos de compresibilidad son despreciables hasta llegar al transónico), el producto de la sección del volumen escogido (en este caso, como estamos en 2D, de la distancia que separa las dos líneas que estamos considerando) por la velocidad del aire siempre se mantiene constante. Así que, si las líneas se juntan, la velocidad aumenta, y si se separan, disminuye. Como la geometría del perfil hace que las líneas de corriente sobre el extradós se junten más que en el intradós, la velocidad en el extradós deberá ser mayor que en el intradós para que el principio de conservación de la masa pueda cumplirse.

(Espero que la explicación no haya quedado muy enrevesada! ^^')

Lyd dijo...

Fe de erratas: se me olvidó poner un enlace, al final del primer párrafo.

Donde dice: "(como el que sale aquí)"

Debe decir "(como el que sale aquí)"

Gizmo dijo...

Hola anónimo! voy a aprovechar tu comentario para recomendar 1 web en castellano que explica algunas cosilllas, como el por qué vuelan los aviones manual de vuelo

hay muchos más... pero casi todos en inglés, si a alguien le interesan, que pida ;)

Anónimo de antes dijo...

Gracias por responder,
O sea, que en pocas palabras si que se da efecto venturi (aunque no como en un tunel)en ciertos perfiles. Aunque no pasa en todos los casos, y por tanto, no siempre puede usarse para justificar la sustentacion.

wyrm dijo...

Hola! me ha llevado su tiempo volver a ponerme al dia despues de tantos años, pero ya he conseguido leerme todos los articulos, tarea nada desdeñable por otra parte.

Felicitarte por ellos, y aunque no tan gracil como el vuelo de tu amigo juan, recordarte que otros tambien volamos de maneras algo menos ortodoxas, como es mi caso, por pura fuerza bruta :D

Lyd dijo...

Hola wyrm! Bueno, en realidad no llevo tanto tiempo con el blog, menos de un año, en realidad. Cambié las fechas de las tiras cómicas porque quería que se viera la fecha en que se publicaron (sí que llevo unos cuantos años publicando tiras cómicas en la revista de la escuela).

Supongo que lo de volar por fuerza bruta es por lo de "wyrm", verdad? xD

wyrm dijo...

Obviamente si, es Wyrm el entendido en volar, yo tan solo vuelo bajo... cambie las alas por los motores de combustion interna, y digamos que disfruto mucho con ellos, tanto tecnicamente (mantenimento y performance) como espiritualmente (has oido un V-tec japones al corte alguna vez? jeje)

A ver si un dia me paso por madrid y te vuelvo a ver tras 7 años, que seria gracioso

Félix R. López dijo...

Interesante blog. Me trae viejos recuerdos.

Un saludo de un compañero de profesión que se dedica ahora a otros menesteres.

El Otro dijo...

Me gusta el nuevo look de tu blog. La parte de la derecha queda muy bien. Necesitaré tus expertos consejos para los mios que son tristísimos.

El Otro



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