domingo, 24 de febrero de 2008

LA REGLA DEL ÁREA


¿Os habéis preguntado alguna vez, chorlitos, por qué los aviones llevan esa especie de cápsulas raras en el borde de salida de las alas? ¿O por qué muchos cazas tienen un fuselaje con forma de botella de Coca-Cola? ¿O a cuento de qué viene la «joroba» del Boeing 747?


Un F-106 con su fuselaje en forma de botella de Coca-Cola

Todas estas aparentes extravagancias obedecen a una misma causa, que se resume en un famoso dicho humano: «el tiempo es oro». O, lo que es lo mismo, los humanos son unos cagaprisas a los que únicamente les interesa el dinero, por lo que los aviones deben volar lo más rápidamente posible con un gasto mínimo. Y para ello, como ya hemos comentado alguna vez, es necesario reducir la resistencia aerodinámica.


Representación de la resistencia aerodinámica frente al Mach

La resistencia aerodinámica es la suma de varias contribuciones debidas a distintas causas. Una de ellas, la resistencia de onda, aparece debido a la formación de ondas de choque en régimen transónico y supersónico; es decir, sólo se da a velocidades altas (que son las que les interesan a los humanos, claro). Y es dominante frente a las otras, por lo que reducirla implica mejorar considerablemente las actuaciones del avión. De hecho, esta componente de la resistencia fue durante mucho tiempo la causante de que los humanos no pudieran superar la llamada «barrera del sonido».


Regla del área

Pues bien, hacia los años cincuenta este problema era uno de los más acuciantes en la ingeniería aeronáutica del momento (por las razones explicadas arriba, o sea, que los humanos son unos cagaprisas). Y fue un tal Whitcomb, un ingeniero de la NACA, quien dio con la solución. Que resultó ser una solución muy sencilla de aplicar y bastante curiosa, a decir verdad, y que actualmente se conoce como regla del área.


Comparación con la distribución de áreas ideal

Imaginad que cogéis un avión y lo cortáis en rodajas muy finas, como si fuera un salchichón. Dichas rodajas tendrán áreas diferentes dependiendo de la zona del avión a la que pertenezcan: tendrán mayor área en la zona de las alas, por ejemplo, y menor área en el morro. Whitcomb llegó a la conclusión de que una variación suave de las áreas de las rodajas, o secciones, a lo largo del avión, reduciría apreciablemente la resistencia de onda, independientemente de la forma que tuvieran. De hecho, hay distribuciones de áreas para las cuales la resistencia de onda es mínima: el cuerpo de Sears-Haack y la ojiva de von-Kármán (la última considera únicamente el cono de proa, mientras que la primera se aplica al avión completo).


Cuerpo de Sears-Haack
Ojiva de von-Kármán

La regla del área se utiliza en casi todos los aviones que vuelan un poco rápido (a partir de Mach 0,7), aunque en algunos casos es mucho más evidente que en otros. La forma de botella de Coca-Cola (o de Marilyn Monroe, como les gusta llamarla a algunos humanos), se utiliza sobre todo en los cazas. Si el fuselaje es perfectamente cilíndrico, el área de la sección transversal del avión aumenta bruscamente en la zona de las alas. En cambio, si se estrecha el fuselaje gradualmente según van ensanchándose las alas, el área total de la sección resultante cambia muy suavemente y la resistencia de onda disminuye considerablemente.


Planos del F-5, en el que se ha aplicado la regla del área

Esta estrategia fue adoptada también en el caso del Boeing 747. En un principio (en el Boeing 747-100), la «joroba» se diseñó sólo con la idea de que la cabina de los pilotos se encontrara por encima de la cubierta de carga, para poder cargar y descargar por el morro del avión (y para que los pilotos no fueran arrollados por la carga en caso de accidente, aunque esto es secundario), y se hizo lo más pequeña posible para intentar disminuir la resistencia al mínimo. Sin embargo, resultó que si la joroba se prolongaba hasta el nacimiento de las alas, con el objetivo de cumplir la regla del área (suavizando el efecto del aumento de sección debido a las mismas), se conseguían resultados mucho mejores. A los humanos les costó asimilar el hecho de que aumentando el volumen de la joroba disminuyera la resistencia, pero finalmente lo hicieron… A veces la aerodinámica es caprichosa.


Boeing 747 con la puerta de carga de morro abierta
Versión de carga del B-747 despegando

Y, entonces, os preguntaréis, ¿por qué el resto de los aviones comerciales tienen el fuselaje cilíndrico? ¿Es que no cumplen la regla del área?


Pues sí que la cumplen, aunque de forma mucho más sutil. Por supuesto, desde el punto de vista de un humano, hacer tanta curva y tanta historia en el fuselaje supone no poder llenarlo eficientemente, y además tener que pagar un extra por complejidad de fabricación… y, como ya sabréis a estas alturas, eso es algo del todo inaceptable para la mentalidad humana. Así que se buscaron la forma de cumplir la regla del área aun haciendo un fuselaje cilíndrico que admitiera enlatar al mayor número posible de pasajeros.


Airbus A-320

Si os fijáis detenidamente en la fisonomía de un avión de pasajeros típico, puede que haya ciertos detalles que os llamen la atención, especialmente en las alas. Los motores, por ejemplo (en el caso de que el avión los lleve en las alas), suelen estar bastante adelantados con respecto al punto de anclaje, en lugar de colgar directamente bajo el ala, que estructuralmente sería lo más sencillo. Esto hace que la sección transversal del avión varíe de forma más gradual en la zona del borde de ataque, además de disminuir la resistencia debida a la interferencia entre las alas y las góndolas de los motores.


Ala de un Airbus

De forma similar, en el borde de salida se sitúan los FTF (Flap Track Fairings), que ayudan a cumplir la regla del área y, además, sirven para alojar todos los mecanismos que los flaps necesitan para moverse. Los FTF fueron desarrollados a partir de los cuerpos antichoque propuestos por Whitcomb para el Convair CV 990. En Europa, un tal Küchemann llegó a una solución similar, aunque con un nombre mucho más divertido: la «zanahoria de Küchemann», que fue aplicada con bastante éxito en aviones como el Handley-Page Victor.


Convair CV-990
Handley-Page Victor

Como veis, tratándose de aerodinámica (y, en particular, de aerodinámica a velocidades muy altas), hay ocasiones en las que la intuición (y, en particular, la intuición humana), no es demasiado fiable.


Más información sobre la regla del área aquí.

15 piopíos:

elnoziya dijo...

Increíble lo que puede aprender uno. ME ha encantado, muy original y muy explicativo.

Pipistrellum dijo...

Me ha encantado no conocía absolutamente nada de esto.

La joroba me recuerda a la del renault Trafic

Como una furgoneta no se desplaza en el transonico y tiene mucha
variacion en el area de su seccion, no tiene nada que ver con lo que
has comentado (supongo). Pero ¿tiene alguna razon aerodinamica?
Siempre me lo he preguntado.

Tambien ha cambiado el diseño de las furgoneta pequeñas.
La C15
tenia la "frente" inclinada y ahora no hay diferencia entre la zona de
carga y la cabina (c15
nueva
)

Desde luego, que asome la zona carga por los lados de la cabina o que
el deflector no llegue hasta el nivel del techo de la zona de carga no
es buena idea.

Pero tener la frente inclinada proporciona alguna ventaja respecto a
que tenga la misma altura desde el principio?

PD:Perdon por meter un offtopic...

UnAngel dijo...

Como siempre, muy interesante.

omalaled dijo...

Lidia: te has lucido, chica.

Salud!

Lyd dijo...

Hola a todos! Por fin puedo ponerme a escribir... Llevo toda la semana y parte de la anterior intentando poner en marcha mi ordenador nuevo. He tenido que desinstalar el Vista que traía y meterle el XP, porque el Catia no funciona en Vista, y me ha costado un montón, pero parece que ya va... Así que, hala, a estrenarlo :D

elnoziya: Espero que la explicación haya quedado clara, no son conceptos muy obvios y tenía miedo de hacerla demasiado enrevesada. Me alegro de que te haya gustado.

pipistrellum: No sé si sabré contestarte a las preguntas que me haces, pip. En los coches los diseños obedecen muchas veces a razones estéticas, más que a aerodinámicas. Por supuesto, en el caso de una furgoneta la regla del área no es aplicable. Yo me atrevería a decir (aunque tirándome un poco a la piscina) que el objetivo de la joroba de la renault podría ser cambiar la capa límite de laminar a turbulenta (igual que se hace con los agujeros de las pelotas de golf). Si bien una capa límite turbulenta produce mayor resistencia, como tiene mayor tendencia a adherirse a la superficie, tarda más en desprenderse, por lo que la resistencia total es bastante menor que la que produce una capa límite laminar que se desprende muy pronto (la estela es menor). En el link que puse arriba de las pelotas de golf se ve bastante bien la diferencia.
Y no sé muy bien a qué te refieres con lo de la "frente inclinada". Supongo que lo dices por la curva que hace la transición entra la cabina y la zona de carga. La razón es la misma que antes: evitar el desprendimiento de la capa límite. Para disminuir la resistencia debe procurarse que el fluido siga las líneas del cuerpo el mayor tiempo posible. Las transiciones suaves ayudan a que esto sea así. Si la inclinación cambia bruscamente, la capa límite se desprenderá y la resistencia aumentará mucho, y eso no interesa, claro ;)

unangel, omalaled: Gracias por los comentarios! Os digo lo mismo que a elnoziya, espero que no os hayáis perdido mucho con la explicación ^^

pipistrellum dijo...

Felicidades por tu nuevo ordenador :)

Gracias por la explicación.

No habia caido, pero que creo en los dos casos es la segunda respuesta.
La joroba permite un cambio de direccion de la corriente suave.
Igual que con la Kagoo o la C15 nueva. Solo que la curva se ha hecho por encima de la linea del techo de la zona de carga, en vez de por debajo.
Me parece que no hay falta de espacio en la cabina, para hacer la
joroba. Tal vez sea solo estético.

En algunos coches se utiliza el regimen turbulento para mejorar la
aerodinamica, pero me suena que siempre en la zona trasera, para que detras haya menos vacio.
El primer opel astra, creo que fue de los primeros que utilizo ese
pequeño aleron.
Despega la corriente de aire del techo dirigiendola hacia abajo, para que se forme una zona turbulenta mas pequeña y estable.
El autobus de Irizar PB tambien lo usa.

A mi me sorprendio mucho que los agujeros mejoraren la aerodinamica de las pelotas de golf.
Tambien ayuda a crear un efecto de elevacion si va girando hacia atras
(Efecto Magnus).
Creo que tambien hacen la trayectoria mas estable y permite apuntar mejor.
Acabo de leer que los
href="http://www.fi.edu/wright/again/wings.avkids.com/wings.avkids.com/Book/Sports/instructor/golf-01.html">"Agujeros
hexagonales" son aun mas efectivos
. No se me habria ocurrido.

Gizmo dijo...

Se ve peor de lo que yo pensaba... pero puede valer de ejemplo el B-58 Hustler

Fernando dijo...

¿Estas segura de que la Regla del Área es de aplicación en régimen subsónico?

goloviarte dijo...

te invito a participar con tu blog en http://aquiestatublog.blogspot.com
te conocerán un poco mas.
Para ir mas rápido utilizo el mismo texto en todos,si consideras que es spam te pido perdón,pásate y deja tu blog en el libro de visitas y si quieres mira algo de publi,eso valora mi trabajo,gracias.
Soy un particular en esta aventura no una empresa
nota
no sabría en que apartado meter tu blog,jejej

Anónimo dijo...

Que interesante, siempre me habia preguntado porque los aviones tenian a veces esas formas complicadas que a veces inclusio parecian aumentar la resistencia mirandolo de forma intuitiva, pero como has dicho, la intuicion en la aerodinamica nos puede engañar.
Ahora cuando vea excentricidades de esas ya sabre porque son.

Solo hay una cosa que no me ha quedado del todo clara: la razon de que el aumento gradual de la superfície disminuya la resistencia a altas velocidades es debido solo a la resistencia de las ondas del sonido (si es que se puede decir asi)?

Lyd dijo...

pipistrellum: Ojo, que creo que estás confundiendo capa límite turbulenta con las turbulencias que quedan con la corriente desprendida, que no es lo mismo. Échale un ojo al artículo nuevo ;) (me pareció mejor escribir un artículo en condiciones que intentar explicártelo en un comentario).

goloviarte: No me opongo a que la gente enlace a Juan de la Cuerva, al contrario, lo agradezco, así que eres libre de hacerlo si quieres ^^



gizmo: Hombre, la "joroba" a lo 747 se aprecia bastante bien...

fernando: En régimen transónico y supersónico, a partir de Mach 0,7, sí que lo es. Los aviones comerciales a reacción vuelan entre M0,75 y M0,85, por lo que la regla del área es aplicable, aunque tenga menos importancia que en el caso de los aviones supersónicos. Por supuesto, a un avión turbohélice tipo ATR sí que le da un poco igual la regla del área...

anónimo: Sí, más o menos puede decirse así, aunque la forma apropiada de decirlo es "resistencia de onda". Esta componente de la resistencia aparece debido a las ondas de choque que comienzan a formarse a partir de ciertas velocidades. Te recomiendo que le eches un ojo a esta entrada si quieres saber más ;)

Anónimo dijo...

Estupendo Articulo.
Un par de batallitas: El convair coronado, el primer avión en el que volé (creo que fabricaron poquísimos, que compro espantax, ejemplo de un producto industrial mal calculado)
La segunda: Hace tiempo vi una película sobre el avro arrow, y allí se afirmaba que la regla del área la descubrió un ingeniero canadiense trabajando para el arrow, en un túnel de viento de la naca (creo), y que los USA se lo chulearon.
No se si es verdad.
Saludos.

Lyd dijo...

Anónimo: Gracias! La verdad es que, en cuanto a quién descubrió la regla del área, ya sabes que muchas veces la historia depende de quién te la cuente. A nosotros en clase de aerodinámica supersónica ni nos mencionaron a Whitcomb; sino que lo estudiamos desde el punto de vista analítico buscando el mínimo de la resistencia de onda a partir de la expresión matemática, siguiendo el método desarrollado por un tal Hayes, que es anterior a la regla del área de Whitcomb. Whitcomb llegó a la misma conclusión independientemente y por otro camino, más intuitivo y sin tanto análisis matemático (aquí lo cuentan muy bien). Y de la historia del ingeniero canadiense... pues ni idea, no había oído hablar de él. Whitcomb dijo que a él le inspiró la charla de un alemán, un tal Busemann.

colo dijo...

Mas claro, echale agua.
Exelente.

Jaime Beneyto dijo...

Hallábame yo estudiando fuerzas longitudinales sobre cuerpos esbeltos del libro de Meseguer, cuando me dió por hacer una búsqueda por internet de cómo era la ojiva óptima de von Karman y como por arte de magia acabe en el blog de un aeronáutico... jajaja, si es que somos una plaga... jajaja



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