sábado, 26 de abril de 2008

EFECTO SUELO


Seguro, chorlitos, que más de una vez habréis notado que cuando voláis cerca del suelo os resulta más fácil hacerlo que si estáis a una cierta altura. Esto ocurre también con los aviones, y es debido a algo que los humanos llaman «efecto suelo», una vez más demostrando su asombrosa originalidad para poner nombres.


Gaviota volando a ras de suelo (foto de imageo.blogspot.com)

Para explicar el efecto suelo como es debido, lo primero que hay que hacer es dibujar un esquema de cómo se mueve el aire alrededor de un ala en pleno vuelo. Ya sabéis que un avión vuela porque la presión bajo sus alas (en el intradós) es superior a la presión sobre ellas (en el extradós). Esta diferencia de presiones, además de producir la sustentación, hace que el aire del intradós tienda a ir hacia las zonas de menos presión del extradós, rodeando la punta de las alas. Ahí es donde ambos flujos de aire entran en contacto, produciendo los torbellinos marginales o de punta de ala de los que hemos hablado en otras ocasiones.


Formación de los torbellinos de punta de ala
Visualización de los torbellinos de punta de ala y la estela en un modelo en túnel de viento

El efecto de la presencia de dichos torbellinos es la creación de una corriente de aire hacia abajo, tras el ala, llamada downwash o velocidad inducida (wi), que a su vez es directamente responsable de la aparición de una de las componentes de la resistencia aerodinámica: la resistencia inducida (Di). Esta resistencia está indisolublemente ligada a la sustentación, y es el precio que hay que pagar para poder volar (un precio que los humanos están continuamente tratando de regatear, con winglets y otros inventos similares que intentan reducir los torbellinos marginales a la mínima expresión).


Fuerzas sobre un perfil en vuelo
Downwash y torbellinos marginales

Pues bien, cuando un avión vuela cerca de una superficie plana (sólida o líquida), hasta una altura aproximadamente igual a su envergadura, los torbellinos de punta de ala y el downwash se ven desviados por dicha superficie, y la resistencia inducida se reduce drásticamente, haciendo el vuelo mucho más fácil y eficiente. El ángulo de ataque efectivo del ala, al disminuir la velocidad inducida, se hace más grande, aumentando la sustentación (recordad que la sustentación crece proporcionalmente al ángulo de ataque). Además, el aire atrapado entre el ala y el suelo se comprime, con lo que la diferencia de presiones entre extradós e intradós es mayor y el efecto global es otro aumento de sustentación. En resumen: hay más sustentación y menos resistencia aerodinámica.


Efecto del suelo sobre la estela de un avión

Sin embargo, los pilotos humanos no sienten mucho aprecio en general por este fenómeno, ya que hace que los aviones sean más difíciles de controlar (el piloto debe compensar la repentina disminución de resistencia sobre la marcha, y el avión tiende a quedarse en el aire, lo que es un problema si uno quiere aterrizar). Algo, que, por supuesto, los pájaros dominamos a la perfección. Lo que sentimos al volar cerca del suelo es similar a lo que sienten ellos cuando se ponen unos patines.


Helicóptero HH-60 volando con efecto suelo

Pero, a veces, incluso ellos saben aprovechar el fenómeno. Es el caso de los helicópteros, por ejemplo. Para cada modelo de helicóptero hay una altitud, que depende de la potencia del motor, las características de la hélice y el peso del propio helicóptero, a partir de la cual éste no puede seguir subiendo: su «techo». Sin embargo, es posible, ya que las palas del rotor funcionan esencialmente como un ala, que un helicóptero vuele por encima de su techo si lo hace con efecto suelo, hasta, aproximadamente, una altura sobre el suelo igual a la longitud de una pala. Igualmente, un helicóptero volando a punto fijo (es decir, cuando se queda quieto en el aire) puede aprovecharse del efecto suelo para consumir menos combustible.


Efecto suelo en un helicóptero

En otras ocasiones el efecto suelo ha servido para quitarle méritos a un avión, como fue el caso del enorme Hercules H-4 «Spruce Goose», al que sus detractores consideraban incapaz de alzarse algo más de unos pocos metros sobre el agua (en su único vuelo se elevó sólo 21 metros, siendo su envergadura de casi 100, es decir, el efecto suelo era importante), o del propio Wright Flyer (también es algo típicamente humano intentar echar por tierra los esfuerzos de otros humanos).


Hughes Hercules H-4 Spruce Goose

Pero quienes más provecho supieron sacar del efecto suelo fueron los rusos con sus ekranoplanos, o vehículos WIG (Wing In Ground). En realidad estaban trabajando en el concepto del hidroala: un barco equipado con un ala sumergida que, similar a la de un avión, eleva la mayor parte de éste sobre el agua al alcanzar cierta velocidad, reduciendo considerablemente la resistencia producida por el líquido. Hasta que, por fin, se les ocurrió que la forma de reducir esa resistencia al mínimo era sacando todo el barco del agua y convirtiéndolo en un avión (es que los rusos también son humanos, qué se le va a hacer).


KM Caspian Sea Monster

Así nació el KM, en 1965, al que los espías estadounidenses apodaron el Monstruo del Mar Caspio cuando lo descubrieron en las imágenes que enviaban los satélites que observaban la zona (y no me extraña que se asustaran al verlo). Alcanzaba un peso de hasta 540 toneladas (el An-225 «Mriya», el avión más pesado construido por el hombre, tiene un MTOW de 600 toneladas) y estaba propulsado por diez motores a reacción, ocho de los cuales se situaban delante de las alas. El flujo de salida de estos ocho motores se desviaba ligeramente hacia abajo a bajas velocidades para ayudar al ekranoplano a salir del agua, enderezándose después para aumentar la velocidad.


Rusia desarrolló bastantes modelos de ekranoplano más pequeños que el KM, como el Lun, y continúa trabajando en este concepto, aunque la mayor parte de sus proyectos fueron abandonados hacia los años 90 por cuestiones políticas y económicas.



Pero, en realidad, los vehículos de efecto suelo sólo son prácticos para tamaños mucho mayores que los del enorme Monstruo del Caspio. Cuanto mayor y más pesado es un avión, mayor superficie alar necesita para elevarse, lo que implica más material en las alas, estructuras más reforzadas y más peso todavía. Además, son necesarios más empuje (lo que casi siempre implica una planta propulsora más pesada) y más combustible para moverlo. Todo esto lo hace incluso más pesado, haciendo que no sea rentable construir aviones a partir de un cierto límite.


Pero cerca del suelo, al producirse mayor sustentación y menor resistencia inducida, el ala necesaria es más pequeña, lo que a su vez redunda en reducir los pesos de la estructura, los motores y el combustible, y permite que el avión sea mucho más eficiente. Por otro lado, el mayor problema de un avión de efecto suelo es que la alta densidad del aire al nivel del mar dificulta alcanzar grandes velocidades, algo que resulta completamente inadmisible para los pasajeros humanos, que siempre van con prisas a todas partes, pero que podría ser interesante para el transporte de mercancías a bajo coste.


Boeing Pelican

Este es el razonamiento seguido por la gente de Boeing para desarrollar su Pelican, un verdadero monstruo (este sí) capaz de transportar casi 1300 toneladas de carga, con una envergadura de 153 metros y una altura de crucero de 6 metros para muy largo alcance, capaz de despegar desde pistas convencionales sobre un tren de aterrizaje de 76 ruedas (el número de ruedas del tren está directamente relacionado con el peso, para distribuirlo lo suficiente como para no dañar la pista).


Quién sabe, puede que el futuro vea sustituidos los enormes y lentos barcos cargueros por unos cuantos «pelícanos» muy, muy grandes.


Más información: aquí y aquí.


17 piopíos:

Gizmo dijo...

Hace tiempo también estuve haciendo cosillas sobre esto, aunque me centré más en los Ekranoplanos que en el efecto suelo en si.

Te dejo todos los vídeos que encontré y que dejé colgados aquí

Giz dijo...

Aaaaaaaaaaaaaaampliando un poquito la info:

Ya sabes querida urraca que estos humanos siempre andan pensando en cómo hacerse daño unos a otros. Y los rusos tenían en el Ekranoplano esa esperanza: crear un señor arma! Contra la gran flota de superficie Estadounidense era algo bastante bueno: volar bajo, por debajo o casi de la zona de detección de los radares de los buques, rápido, soltar unos cuantos misiles y largarse por patas. También se pensó para desembarcos, con 6 misiles en la chepa y un cañón de 76mm para apoyar el desembarco, y grandes portalones para permitir el desembarco de tropas y blindados...

Orayo dijo...

Hagamos de este mundo algo mejor.

Consigamos que vuelvan los ekranoplanos y los dirigibles.

Buena entrada, explicativa y concisa.

Juzam Djinn dijo...

muy bueno chorlito jefe!

www.juzamdjinn.blogspot.com

Lyd dijo...

Giz: Gracias por las aportaciones! ^^

Orayo: Están en ello, están en ello. No son malas ideas y se piensa que puede haber salida para ellas. El Pelican es un ejemplo, y el Skyfreighter otro. A ver en qué termina la cosa.

juzam djinn: Gracias! :D

Juan Diego dijo...

querida córvida,
no te olvides que, debajo de todas las fórmulas y explicaciones, la fuerza de sustentación es una fuerza y por tanto sigue el principio de acción y reacción de Newton.
Ya sea con un ventilador o, más eficinentemente, con el rotor de un helicóptero, lo que se persigue es darle velocidad al aire, esa es la acción, y conseguir por reacción el impulso del aire en sentido contrario.
Las alas de las aves, imitadas por las que inventamos los chorlitos humanos, no son más que un aparato que se traslada por el aire y, aparte de los torbellinos marginales, lo que dejan fundamentalmente es al aire aguas abajo desplazándose en sentido perpendicular a las alas con esa velocidad inducida. Así que, por reacción, ese aire impulsa a las alas en sentido contrario al movimiento que se le ha dado.

Tanta fórmula y torbellino son los árboles que no nos dejan ver el bosque. Lo fundamental es que el aire está quieto y que, cuando le pasa un ala en movimiento horizontal con cierto ángulo de ataque hacia arriba, al aire le damos un movimiento hacia abajo en la franja de la envergadura del ala, aparte de los remolinos en los extremos y otras complicaciones y chapuzas que debemos minimizar para no gastar energía. Claro, que con la fuerza bruta cualquier cosa vuela.

El efecto suelo es poner un obstáculo a ese chorro de aire al que hemos puesto en movimiento, la reacción es mayor -o bien para conseguir la misma reacción necesitamos menos acción.

De todas formas tus explicaciones e ilustraciones ¡son las mejores!

Lyd dijo...

juan diego: Lo sé. De hecho, el principio de acción y reacción normalmente se utiliza para explicar el downwash, yo lo he utilizado unas cuantas veces, y suele ser suficiente en muchos casos. Pero si uno pretende entender el mecanismo por el que se producen todos estos fenómenos (los torbellinos, el downwash, la resistencia inducida, el efecto suelo, etc), el principio de acción y reacción se queda corto. Es como cuando, llevando puestos unos patines, te impulsas contra una pared. Te mueves gracias a la reacción de la pared, pero la causa última del movimiento es la fuerza que has hecho tú al impulsarte. El principio de acción y reacción es más un efecto que una causa. Aunque, de todos modos, nunca está de más mencionarlo ;)

Folken dijo...

Cuando te den el título te contrataré para conseguir un escuadron de Moto-Jet basados en esto y dominaré el mundo junto a ti, Bevel Lemel... Cuerva.

Folken dijo...

Bueno, cuerva, urraca o lo que se tercie

Lyd dijo...

Folken: Qwi Xux, en realidad. Pero te has acercado bastante xD

Javi dijo...

No sé si efecto suelo... pero estos cazas pasan muuuuuuy cerca de la superficie del agua

http://www.youtube.com/watch?v=ia2OE2Amvj0

Javi dijo...

Para comprobar el tema de los vortices...

Para volar más eficientemente dijo...

Para volar más eficientemente

Resumen: Siempre me he sentido fascinado por los aviones, por la parte física que les permite volar. Cuando veía un avión, si me paraba a pensarlo fríamente me quedaba rayado: ¿¿cómo es posible que un bicharraco...
Bitácora: Dos Variables.
Fecha: Lunes, 5 Mayo 2008.

Carlos dijo...

Muy buen artículo, como siempre, se nota que te lo curras mucho.

Sólo tengo un pero, entiendo que el Pelican tendrá una altura de crucero de 6 metros pero podrá ascender más cuando despegue ¿no? Porque despegar desde un aeropuerto con sólo 6 metros de diferencia con el suelo me parece un poco suicida, sobre todo con la cantidad de gruas que hay en casi todos los aeropuertos, por no hablar de las antenas del ILS -véase Air Europa en Katowice-.

Ahora, si consiguen que sea operable va a ser la bomba, 1300 toneladas de payload es...

Carlos dijo...

Seguimiento!!

Lyd dijo...

javi: Muy chulo, el vídeo ;)

Carlos: Bueno, es que no me extendí en explicar el funcionamiento del Pelican. Si te fijas, puse que la altura son 6 metros para crucero de largo alcance. De hecho, tiene las alas articuladas para cumplir la normativa en los aeropuertos y que haya suficiente distancia al suelo, y su techo es mucho más alto que 6 metros, puede volar como un avión normal... sacrificando mucho alcance, claro. Veremos en qué termina la cosa (tengo ganas de ver por dónde salen los de Boeing con esto y el BWB).
Seguimiento? o_O

Anónimo dijo...

Hola, estoy trabajando en el diseño de uno de estos mastodontes para la universidad y quería saber si podíais decirme algo sobre los tipos de perfiles alares que usan, o por donde encontrar algo de info sobre ello. Graaacias! :)



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