LA ENERGÍA DEL VIENTO

Todos sabemos que la fiebre consumista de los humanos es insostenible. Y últimamente este hecho se ha vuelto tan flagrante que hasta los propios humanos se han visto forzados a reconocerlo, a pesar de que durante casi todo su desarrollo industrial han hecho como si no pasara nada. Por fin se han dado cuenta de que los recursos del planeta son limitados, y de que, de seguir como hasta ahora, llegará un momento en el que sólo queden unos pocos despojos, o ni siquiera eso. Y, claro, les está empezando a entrar miedito.

Más terrorífico aún resulta que la parte del mundo más desarrollada, lo que ellos llaman el «primer mundo» (culpable, entre otras cosas, de que el planeta parezca un estercolero), no supone ni la mitad de la población, y que las regiones en vías de desarrollo, que es donde se concentra la mayor parte de la gente, van (¡proporcionalmente!) por el mismo camino. Es por eso por lo que buscan como locos formas de energía que no consuman los recursos que aún quedan, que no contaminen, que sean eficientes, y que además sean baratas (sólo les queda pedir que traigan la paz al mundo y que se puedan aplicar como cura para el cáncer). Lo cual explica la curiosa proliferación de molinos de viento (o aerogeneradores).

En realidad los humanos llevan muchos siglos aprovechando la fuerza del viento para mil cosas, desde bombear agua a moler grano. Sin embargo, el concepto de molino como generador de energía a nivel masivo es un invento más bien reciente. Los aerogeneradores han sido los grandes beneficiados del desarrollo del helicóptero: el hecho de comprender –más o menos, que lo suyo les costó– cómo funciona el ala rotatoria posibilitó un diseño mucho más eficiente de los molinos de viento, ya que en esencia vienen a ser iguales que los helicópteros, aunque con algunas diferencias importantes.

En un helicóptero el objetivo es crear una fuerza de sustentación en la dirección perpendicular al plano del rotor que sea capaz de contrarrestar el peso, para lo que es necesario un motor que le suministre potencia, manteniendo la velocidad de giro del rotor y, por tanto, también el movimiento de la corriente de aire a través de él. En cambio un aerogenerador produce potencia debido a que funciona extrayendo energía de una corriente de aire que ya está en movimiento y que a su vez produce una fuerza que lo hace girar. Simplificando: un helicóptero mueve el aire con el rotor y un aerogenerador mueve el rotor con el aire, y el orden de los factores, en este caso, sí que altera el producto.

Hay otra gran diferencia entre un helicóptero y un aerogenerador. Mientras que, por lo general, el rotor de un helicóptero siempre gira a la misma velocidad (lo que simplifica mucho el sistema de transmisión y permite un diseño óptimo del motor), un aerogenerador está sujeto a los caprichos del viento (que es realmente muy, muy caprichoso, como las aves sabemos muy bien). Habrá una velocidad mínima del viento a partir de la cual el generador comience a funcionar, cuando ésta sea suficiente para mover las palas, llamada velocidad de conexión, y una velocidad máxima que garantice la integridad del mismo, que es la velocidad de corte (el rango de funcionamiento suele estar entre 3 y 24 m/s), y a partir de la cual el aerogenerador no puede funcionar. La curva de potencia del generador eléctrico relaciona la velocidad del viento con la potencia que el molino es capaz de producir, que es una magnitud variable, ya que la velocidad del viento también lo es.

Hay que tener en cuenta que, como en el helicóptero, el viento produce fuerzas de sustentación y rozamiento sobre la pala que se invierten en parte en hacer que el aerogenerador gire, y que en parte empujan el molino hacia atrás. Cuanto mayor sea la velocidad del viento, mayor será la velocidad de giro y mayores serán estas fuerzas, haciendo que todo el molino esté sometido a grandes esfuerzos que pueden llegar a romperlo. El aerogenerador debe detenerse para evitar daños a la maquinaria y a la estructura. La mayoría de los aparatos que funcionan hoy en día consiguen esto cambiando el ángulo de paso de la pala, de forma que la fuerza del aire sobre ella sea mínima. Y si este dispositivo no funciona... el siguiente video es un ejemplo bastante gráfico de lo que puede suceder:

Aunque, como decíamos, los aerogeneradores se han puesto muy de moda últimamente, y cada vez se ven más por los campos españoles (de hecho, hay muchos agricultores que han decidido plantar molinos en lugar de cosas más tradicionales), no se puede poner un complejo eólico en cualquier sitio. No sólo hay que tener en cuenta lo abundante de los vientos en la zona: la orografía circundante, la rugosidad del terreno y la presencia de obstáculos son cruciales en el rendimiento de un aerogenerador. La tierra funciona como cualquier otra superficie en presencia de una corriente de aire: los obstáculos y los terrenos rugosos disminuyen la velocidad del viento y crean una zona turbulenta que puede llegar a cubrir por completo un molino de viento convencional (y estamos hablando de alturas de entre 30 y 90 metros). Y para que un molino trabaje a pleno rendimiento lo ideal es una corriente estable y laminar, así que cuanto más pequeña sea la zona turbulenta mucho mejor.

Según este razonamiento el lugar ideal para colocar un molino de viento es una zona completamente llana, que es por lo que a veces se colocan en el mar directamente. Las zonas de costa también son un buen lugar, ya que el viento suele soplar de forma estable y siempre en la misma dirección, durante el día del mar a la tierra y durante la noche de la tierra hacia el mar. Otro buen emplazamiento son los valles, debido al llamado «efecto túnel», que hace que el viento se acelere al comprimirse entre sus paredes. Y en la cima de una elevación, donde se produce el «efecto colina», que hace que la velocidad sea también mayor que en los alrededores al comprimirse el aire contra la ladera. Entre los efectos negativos se cuentan en general todos los producidos por obstáculos, y en particular por la estela de otros molinos de viento, donde el aire es turbulento y tiene ya muy poca energía. Es decir, que lo ideal sería alejar mucho un molino de otro... algo que sin embargo muchas veces es imposible, debido a la infraestructura necesaria para conectar los molinos a la red eléctrica, así que en los parques eólicos se llega a lo que los ingenieros humanos son aficionados a llamar una «solución de compromiso» entre los dos extremos.

Hoy en día la producción de energía eólica en España (que es el tercer país del mundo en potencia instalada tras Estados Unidos y Alemania) supone un 15,3% de la producción nacional total, según la REE.

Hay muchos defensores de este tipo de energía entre los humanos, y también, como no podía ser de otra forma (que hablamos de humanos), muchos detractores. Los principales argumentos que esgrimen en contra de los molinos de viento son lo antiestéticos que resultan, ya que destacan mucho sobre el paisaje, el ruido que hacen, que es bastante, y lo peligrosos que resultan para nosotros los pájaros. De donde se sigue que los detractores de los molinos piensan que los pájaros, en general, somos cortos de vista y estamos medio sordos (o eso, o que somos bastante lerdos).

En fin, creo que a estas alturas ya he superado lo de sentirme ofendido por lo que puedan decir los humanos...

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.

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.

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 (w_i), que a su vez es directamente responsable de la aparición de una de las componentes de la resistencia aerodinámica: la resistencia inducida (D_i). 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).

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.

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.

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.

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).

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).

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.

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.

CAPA LÍMITE

Hoy vamos a hablar de la capa límite, un concepto que es importantísimo para entender cómo se comporta el aire cuando es atravesado por un cuerpo, y que es la base de las fuerzas que actúan sobre él, sin las cuales el vuelo de aves, aviones y similares sería imposible. Aunque seguro que muchos de vosotros tenéis ya una idea de lo que estamos hablando, dado que es algo que se suele mencionar cuando se habla de aviones y de aerodinámica (algo que yo mismo he hecho en numerosas ocasiones), nunca está de más definir las cosas como es debido.

En realidad, la capa límite es un invento humano, una forma de facilitar las cosas para que sus limitadas capacidades matemáticas no se vean sobrepasadas por las complicadas ecuaciones que gobiernan el movimiento de un fluido. Estas ecuaciones se conocen como ecuaciones de Navier-Stokes, y son tan difíciles de resolver que los humanos sólo saben hacerlo en determinados casos muy simplificados (tengo por norma no poner ecuaciones en mis explicaciones, pero en esta ocasión haré una excepción para que alucinéis un poco con los berenjenales en los que se meten).

Supongamos un cuerpo que viaja a través de un fluido a una velocidad V. Si imaginamos que viajamos con el cuerpo, éste estará quieto desde nuestro punto de vista y el aire se moverá a su alrededor. Lejos del cuerpo el fluido no se entera de la presencia de éste, por lo que se moverá a la velocidad V como si nada. Y, en cambio, el fluido que está en contacto inmediato con el cuerpo se queda pegado a él (debido a efectos de viscosidad), por lo que su velocidad respecto al mismo será nula. Los humanos lo tienen bastante claro hasta ahí. Pero, ¿qué pasa en la zona intermedia?

En dicha zona se produce una transición gradual entre ambos comportamientos, y el aire pasa de tener velocidad nula a tener velocidad V. La capa límite se suele definir como la zona en la que el flujo de aire tiene una velocidad de entre el 0 y el 99% de V. Así, fuera de la capa límite, se puede considerar que la viscosidad es despreciable, con lo cual las ecuaciones de Navier-Stokes toman una forma bastante menos intimidante. Y dentro de ella, aunque el efecto de la viscosidad es dominante y no se puede despreciar, se pueden hacer otras simplificaciones que también facilitan mucho las cosas. Fue Prandtl el que tuvo la genial idea de dividir las cosas de esta manera, y el que habló de la capa límite por primera vez en la historia. Como imaginaréis, hay un gran número de humanos que estudian mecánica de fluidos que le están muy agradecidos (sin embargo, por algún motivo, Navier y Stokes no despiertan tantas simpatías).

El grosor de la capa límite depende, por tanto, del perfil de velocidades de la zona de transición, y comparada con el tamaño de un avión suele ser bastante fina. Sin embargo, no todas las capas límites son iguales.

Ya hemos hablado alguna vez de las diferencias entre flujo laminar y flujo turbulento. El flujo laminar es bonito, sencillo y simple de entender; el fluido se comporta de forma ordenada, moviéndose suavemente y siguiendo los contornos de las cosas. El flujo turbulento, por el contrario, es un infierno caótico que nadie entiende demasiado bien, donde las propiedades pasan de unas zonas a otras del fluido en cualquier dirección, sin orden aparente. De hecho, el Clay Mathematics Institute ofrece una recompensa de un millón de dólares al primero que sea capaz de explicar el fenómeno de la turbulencia… o, lo que es lo mismo, a aquél que sea capaz de resolver las ecuaciones de Navier-Stokes en tres dimensiones y globalmente, sin hacer simplificaciones. Aquí el problema, por si alguno se anima.

Pues bien, existen dos tipos de capa límite: la capa límite laminar y la capa límite turbulenta. La segunda es ligeramente más gruesa que la primera, y como el fluido se mueve en todas direcciones, disipa mayor energía, por lo que la fuerza de fricción derivada de ella es mayor. Así que, en principio, a un avión le interesa que su capa límite sea siempre laminar. Sin embargo, el que una capa límite sea laminar o turbulenta depende del tamaño del avión. Cualquier avión convencional tiene un tamaño que obliga a que la capa límite sea turbulenta, y, en realidad, los únicos aviones que son lo suficientemente pequeños como para volar en condiciones de flujo laminar son los de aeromodelismo.

Sin embargo, una capa límite turbulenta tiene una ventaja muy importante frente a una capa límite laminar. El flujo laminar va perdiendo velocidad a lo largo de la capa límite, hasta que finalmente se para o incluso retrocede, provocando que la capa límite se desprenda y el flujo ya no siga la forma de la superficie. Este efecto es especialmente perjudicial en el ala de un avión, ya que la sustentación depende de que el flujo siga la forma del perfil del ala. El desprendimiento de la capa límite de las alas es lo que ocurre cuando se dice que el avión «entra en pérdida», es decir, deja de sustentar y cae como una piedra, y si el piloto no es capaz de hacer que la capa límite vuelva a adherirse al ala, el avión se estrellará (algo que seguramente no le hará ninguna gracia al piloto).

Una capa límite turbulenta, en cambio, hace que parte de la energía cinética de la zona exterior (ya sabéis, la que es aproximadamente el 99% de V) se transmita al interior, estimulando el avance de las zonas de menor velocidad, por lo que el desprendimiento tarda mucho más en ocurrir, y el avión es mucho menos propenso a entrar en pérdida. Además, cuando la capa límite se desprende, la sección efectiva del objeto aumenta mucho porque el fluido no sigue su forma, de modo que la resistencia también es mucho mayor. Cuanto menor sea el desprendimiento, menor será dicha sección efectiva, y por tanto menor será la resistencia (el aire tendrá que desviarse menos para rodear el obstáculo). Así que se da la paradoja de que, con una capa límite turbulenta, muchas veces se consigue reducir bastante la resistencia aerodinámica al retrasar el desprendimiento, a pesar de que en principio parece que no debería ser así. Es debido a esto que las pelotas de golf tienen agujeros y las de tenis son peludas.

Los aviones también están llenos de inventos para que la capa límite sea de la forma más conveniente en cada zona. Quizá lo que más llame la atención a la vista sean los generadores de torbellinos, esa especie de pequeños salientes que tienen en algunos sitios de las alas o el fuselaje, y que producen un pequeño torbellino que energiza la capa límite para evitar el desprendimiento.

En los motores bajo las alas suele haber unos generadores de torbellinos más grandes, para hacer que el aire, tras recorrer el carenado del motor, llegue al ala con la energía suficiente como para que alcance el borde de salida de la misma sin desprenderse.

Sin embargo, también interesa que parte de la capa límite sobre el ala sea laminar, para disminuir la resistencia, siempre y cuando no exista riesgo de desprendimiento. Por eso, si os fijáis, la mayoría de los aviones comerciales llevan los bordes de ataque de las alas, la cola e incluso los motores sin pintar. El metal pulido es mucho menos rugoso que la pintura, y ayuda a que la capa límite sea laminar. Otros métodos para conseguir el mismo objetivo se basan en manipular la velocidad de la zona interior de la capa límite, succionando el aire más lento o inyectando aire a mayor velocidad, aunque son sistemas difíciles de construir en la mayoría de los casos, y se utilizan poco. Algunos dispositivos hipersustentadores (flaps y slats) ponen en contacto las capas límite del intradós y el extradós mediante ranuras, persiguiendo un objetivo parecido.

En cualquier caso, lo crucial en lo que se refiere a la capa límite del ala de un avión es situar la transición de laminar a turbulenta en el punto óptimo, de forma que se pueda prolongar la capa límite laminar todo lo posible, transformándola en turbulenta en el momento en que tenga tendencia a desprenderse. Así se consigue una resistencia aerodinámica mínima y buen comportamiento en velocidades próximas a la velocidad de pérdida.

A pesar de que, a estas alturas, los humanos sigan sin comprender muy bien cómo funciona eso de la turbulencia.

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?

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.

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».

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.