Lección 6 de 16
Fuerzas aerodinámicas: sustentación y resistencia
Cómo se genera la sustentación (sin mitos), la fórmula de la sustentación, los tipos de resistencia, la curva característica del perfil y los dispositivos que modifican la sustentación.
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GU09 Bloque 2 · Fuerzas aerodinámicas sobre un perfil
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El aire empuja y roza toda la superficie del ala. Sumado todo, da una única fuerza aerodinámica, inclinada hacia arriba y hacia atrás y aplicada en el centro de presiones. Por convenio se descompone en dos:
- Sustentación (L): la componente perpendicular al viento relativo. No es perpendicular a la cuerda ni al eje longitudinal.
- Resistencia (D): la componente paralela al viento relativo, que frena la aeronave.
Cómo se genera la sustentación
El ala, con su curvatura y su ángulo de ataque, desvía hacia abajo una gran masa de aire. Por la tercera ley de Newton, si el ala empuja el aire hacia abajo, el aire empuja el ala hacia arriba. Al mismo tiempo, el flujo se curva al rodear el perfil: sobre el extradós el aire acelera y su presión baja; bajo el intradós se frena algo y su presión sube un poco. Esa diferencia de presiones, sumada sobre toda el ala, es la sustentación.
Conviene saber
Newton y Bernoulli no son explicaciones rivales, sino dos maneras de describir el mismo fenómeno: la diferencia de presiones es la fuerza sobre el ala y el aire desviado hacia abajo es la reacción. Lo que es falso es la teoría de los «tiempos de tránsito iguales»: el aire del extradós no tiene que reencontrarse con el del intradós y, de hecho, llega antes al borde de salida.
La mayor parte de la sustentación procede de la depresión del extradós, no de la sobrepresión del intradós. Por eso es tan importante que el extradós esté limpio.
Fórmula
L = ½ · ρ · V² · S · CL
ρ: densidad del aire; V: velocidad verdadera; S: superficie alar; CL: coeficiente de sustentación, que depende del perfil y del ángulo de ataque.
Para tener más sustentación puedes aumentar el ángulo de ataque, que sube el CL hasta el ángulo crítico, o aumentar la velocidad: la sustentación crece con su cuadrado, así que al doble de velocidad hay cuatro veces más. Los flaps aumentan la curvatura y a veces la superficie. La densidad no la controlas: con calor o en altura hay menos.
En vuelo nivelado la sustentación debe igualar al peso. Si vuelas más despacio necesitas más ángulo de ataque; si vuelas más rápido, menos. A cada velocidad le corresponde un ángulo de ataque.
La curva característica del perfil
Si representas el CL frente al ángulo de ataque obtienes una recta que se curva hasta un máximo (CLmax) en el ángulo crítico y cae después: es la pérdida. La resistencia, en cambio, crece siempre con el ángulo de ataque, cada vez más deprisa. Hay un ángulo de ataque intermedio en el que la relación L/D es máxima: con él se consigue el mayor alcance en planeo.
La resistencia
Fórmula
D = ½ · ρ · V² · S · CD
CD: coeficiente de resistencia. La resistencia total se divide en parásita e inducida.
Resistencia parásita
La que producen todos los componentes por moverse en el aire, independientemente de que sustenten: de forma (fuselaje, tren, montantes, cables, el propio piloto en un pendular), de rozamiento con la capa límite y de interferencia en las uniones. Crece con el cuadrado de la velocidad.
Resistencia inducida
Consecuencia inevitable de producir sustentación. Los torbellinos de punta desvían el flujo hacia abajo, la sustentación local se inclina hacia atrás y su componente hacia atrás es la inducida. Es mayor a baja velocidad y gran ángulo de ataque, con mucho peso y con poco alargamiento, y disminuye cerca del suelo.
Fórmula
Parásita ∝ V² · Inducida ∝ 1 / V²
La resistencia total es mínima donde ambas son iguales: a esa velocidad la fineza (L/D) es máxima.
Ilustración en preparación
Gráfico de resistencia frente a velocidad: curva parásita creciente, curva inducida decreciente y curva total en forma de U con su mínimo marcado como velocidad de máxima fineza.
La fineza es el cociente entre sustentación y resistencia. En planeo coincide con la relación entre distancia recorrida y altura perdida: con fineza 10, recorres 10 km por cada 1.000 m de altura en aire en calma.
Centro de gravedad
El centro de gravedad es el punto donde se considera aplicado todo el peso de la aeronave y alrededor del cual gira. Su posición respecto al centro de presiones decide la estabilidad longitudinal, como verás más adelante.
Dispositivos que modifican la sustentación
- Flaps: superficies del borde de salida que aumentan la curvatura y, en algunos tipos, la superficie. Suben el CLmax, bajan la velocidad de pérdida y aumentan la resistencia, lo que permite aproximaciones más pronunciadas.
- Slats y ranuras: en el borde de ataque, dirigen aire de alta energía hacia el extradós y permiten alcanzar más ángulo de ataque antes de la pérdida.
- Disruptores (spoilers): se levantan sobre el extradós, destruyen sustentación y aumentan la resistencia. Funcionan como freno aerodinámico.
Ideas clave
- La sustentación es perpendicular al viento relativo; la resistencia, paralela.
- L = ½ρV²S·CL: más ángulo de ataque o más velocidad dan más sustentación.
- Resistencia parásita: componentes del avión, crece con V². Inducida: debida a la sustentación, mayor a baja velocidad.
- La fineza máxima está donde parásita e inducida son iguales.
- Los disruptores son freno aerodinámico, no dispositivos hipersustentadores.
Para el examen
- Para aumentar la sustentación, tanto el ángulo de ataque como la velocidad son respuestas correctas: suele buscarse «A y B son correctas».
- La resistencia se divide en inducida y parásita; «resultante» no es un tipo de resistencia.
- No marques que la sustentación es perpendicular a la cuerda o al eje longitudinal.
Glosario
Sustentación
Componente de la fuerza aerodinámica perpendicular al viento relativo.
Resistencia inducida
Resistencia producida como consecuencia de generar sustentación.
Resistencia parásita
Resistencia de forma, rozamiento e interferencia de los componentes de la aeronave.
Fineza
Relación sustentación/resistencia (L/D); en planeo, distancia recorrida por unidad de altura perdida.
Disruptor
Superficie que se levanta sobre el extradós para destruir sustentación y frenar.
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