Continuando con esta serie, hoy vamos a concluir con un tópico que iniciamos en el artículo anterior, la resistencia inducida, y su importancia en la aerodinámica, y porqué está ligada a los Winglets.
Efectos de la resistencia inducida: Upwash y downwash
Cuando un ala se mueve a través del aire, la corriente de éste, al ir aproximándose al borde de ataque, se divide en dos: una parte pasa por encima del perfil, y la otra por abajo, como ya vimos. Esta corriente que “sube” es llamada “upwash”, que en español sería como decir “aguas arriba”. Al llegar la misma corriente al borde de fuga, el aire vuelve a cambiar de dirección, esta vez hacia abajo: a esta corriente de aire descendente se la llama “downwash”, o “aguas abajo”, y es la acción que crea la sustentación, como su reacción.
En resumen, el aire cambia de dirección constantemente alrededor del ala, produciendo un “lavado” (de ahí viene la analogía de llamar a este fenómeno “wash”). La primera ley de Newton dice que una fuerza se produce cuando existe:
- Un cambio en la velocidad del cuerpo (aceleración, Fuerzas “G”), o
- Un cambio en la dirección de movimiento del mismo.
Como en este caso, el aire cambia de dirección, sobre esa porción de aire aparecerán fuerzas sobre esta masa, y a su vez las transmitirá a su entorno (el ala); a su vez, la tercera ley de Newton dice que hay una fuerza igual y opuesta (reacción), y es la que se ejercerá en el ala. Esa es una descripción básica de la sustentación. La diferencia de presión (fuerza por unidad de área) a través del ala es el mecanismo por el cual la sustentación se transfiere al ala debido al cambio de dirección del aire.
Estos dos efectos, son particularmente importantes en los bordes de las alas, es decir, en las puntas y en el borde de fuga, porque la estela de vórtices creada en los extremos de las alas, genera un downwash en la parte interior de la envergadura, y un upwash en la parte exterior de las mismas.
Estas estelas vorticosas así formadas, generan importantes consecuencias:
- Al igual que los frentes de ondas de agua al pasar un barco, que provocan olas laterales, estas estelas generan aire turbulento que persiste incluso después de haber pasado la aeronave, y las aeronaves circundantes deben tomar distancia prudente para no caer dentro de estos vórtices, y perder el control. Esto es muy común en despegues y aterrizajes en aeropuertos, donde hay un tiempo específico entre cada aeronave para prevenir incidentes o accidentes.
- Como se mencionó al principio, estas estelas son “arrastradas” como cadenas por la aeronave en su paso, es decir, quedan vinculadas a la misma, por lo que la aeronave debe incrementar su potencia para vencer esta resistencia extra.
- La sustentación también se ve afectada: la resistencia inducida que provocan estos vórtices en las puntas de las alas reducen la sustentación de la aeronave, por el “barrido” sobre el extradós que provoca el downwash en las puntas de las alas.
Envergadura “efectiva” y “Geométrica”.
Como se mencionó en el último punto del párrafo anterior, el downwash provocado por los vórtices de punta de ala provocan un soplado de la capa límite sobre esa porción del extradós, haciendo que la sustentación en esa área se vea afectada. Esto hace que la envergadura geométrica (la que medimos con una cinta métrica) sea muy distinta de la envergadura efectiva (la envergadura donde hay sustentación útil). Es decir, con un ala de una cierta envergadura (geométrica), la sustentación que obtengamos será mucho menor en la realidad que la calculada en teoría: esto es debido a la reducción provocada por el downwash a ambos extremos de las alas, que “recorta” la sustentación, haciendo el efecto como si el ala fuera más corta. Esto provoca que, cuando se diseña un ala para una aeronave, se debe prever un incremento extra en la envergadura, para luego obtener la sustentación deseada en la teoría, caso contrario el ala no sustentaría lo suficiente.
En la siguiente imagen se muestra la diferencia entre la envergadura geométrica y efectiva, debida al downwash:
Debajo se muestra una gráfica en donde se ven los resultados experimentales de un ala sin y con Winglets:
En el próximo artículo, veremos otro tema que seguro usted se lo habrá preguntado muchas veces: ¿Por qué se forman esas estelas vorticosas, (conocidas como “trailing vortex”)?
