En el artículo anterior vimos una introducción acerca de los Winglets. De a poco vamos comprendiendo su evolución histórica y técnica. Ahora veremos un enfoque técnico, mediante un análisis aerodinámico básico, enfocado en un elemento fundamental de la física de las alas: La resistencia inducida. Lo que se pretende es que usted lo entienda desde un punto de vista conceptual, sin entrar en formulas matemáticas, pero sin pérdida de claridad.
¿Qué es la resistencia inducida…?
La resistencia inducida es bien conocida desde los inicios de la aviación: sin embargo, la búsqueda de reducirla – para mejorar la eficiencia aerodinámica – llevó a los diseñadores a buscar diversas soluciones, hasta llegar a la actual, que es el tema de esta serie de artículos, es decir, los Winglets. Si tenemos en cuenta que la razón de la aparición de los Winglets / Sharklets es precisamente el gran gasto de energía requerida para vencer esta resistencia, que en una aeronave representa el 40% del total de su resistencia aerodinámica, merece que este tópico sea tratado detenidamente.
Comencemos por explicar que significa esta palabra, “inducida”, que otros autores también llaman “Resistencia debida a la sustentación”, lo cual es cierto, ya que este tipo de resistencia, está directa y necesariamente asociada con la generación de sustentación en alas de aeronaves, también en fuselajes y hasta en autos. Se la llama inducida por analogía con los campos magnéticos inducidos por una corriente eléctrica, ya que la forma circular que presenta el fluido se asemeja con la forma del campo magnético alrededor de un conductor eléctrico. Esta resistencia es particularmente importante en las vecindades de la punta de las alas y en bordes de alas y fuselajes.
Quienes somos asiduos observadores de aeronaves, en épocas invernales, con nubes, o con altas tasas de humedad, habremos notado ciertas estelas de vapor de agua, que se desprenden de ciertas partes de las alas, en la forma de un pequeño y largo “tornado” de color blanco. En la siguiente imagen vemos una imagen que muestra esto:
Estas estelas, que siempre presentan un característico color blanco (debido al color del vapor del agua condensada), permiten ver un fenómeno que, debido a la naturaleza del aire, no lo hace posible en condiciones atmosféricas normales, salvo en condiciones especiales, como en este caso.
Si pudiéramos ver el aire, veríamos remolinos que se desprenden de las puntas de las alas y que se extienden hacia atrás y a los costados de la aeronave, formando dos grandes estelas cónicas de aire en rotación.
En la figura siguiente, podemos apreciar estas estelas de vórtices desprendiéndose de las puntas de alas de una aeronave comercial: se ven claramente los “conos” de aire en rotación que pueden persistir durante varios segundos, o incluso más, luego de que la aeronave haya pasado; su tamaño también es considerable, pudiendo influir en un radio de acción de hasta incluso 1000 pies.
¿Porque se forman estos vórtices…?
Para responder esta pregunta, y entender mejor que es la resistencia inducida, imaginemos que estas estelas así formadas, son como “cadenas” que la aeronave debe arrastrar en su paso, generándole una fuerza resistente extra; estas “cadenas” le quitan energía de movimiento a la aeronave, y, lo mismo que una bandera que flamea, generan una estela turbulenta, con la forma ya vista en la figura anterior.
Comencemos a analizar el porqué de la formación de estos vórtices:
Si observamos un perfil alar, vemos que el aire se mueve por el extradós y por el intradós del mismo, generando valores de presión diversos de tal forma, que la fuerza resultante eleva al perfil alar, venciendo la fuerza de gravedad: este es el fenómeno de la SUSTENTACION.
Continuando con nuestro análisis, para mayor claridad y facilidad de comprensión, en lugar de simbolizar las fuerzas de presión con vectores, simbolicemos a las presiones MENORES a la atmosférica con una letra “p” minúscula de color azul, y a las presiones MAYORES a la atmosférica con una letra “P” mayúscula de color rojo. También, el tamaño de cada letra determinará el valor de esa fuerza de presión en ese punto.
Ahora demos un paso más, y hagamos el mismo experimento, pero esta vez mirando la aeronave de frente, y midamos las presiones a lo largo de toda su envergadura, como muestra la siguiente figura:
En esta figura, podemos observar algo importante: las fuerzas de presión no son uniformes, no son todas iguales; esto es lo que ocurre en la realidad, ya que las fuerzas de sustentación dependen de muchos factores (geometría alar, velocidad y densidad del aire, turbulencia, etc.) y por eso las fuerzas varían punto a punto.
Detengámonos un instante y recapitulemos lo visto hasta ahora:
Al atravesar un ala una masa de aire, provoca los siguientes efectos:
- Una superficie de presión mayor que la atmosférica, en el intradós,
- Una superficie de presión menor que la atmosférica, en el extradós.
Imaginemos estas dos situaciones:
En la zona del intradós, el aire, por su mayor presión, empuja en todas direcciones, dado que a su alrededor hay menos presión, y, por lo tanto, menos fuerza;
En la zona del extradós, el aire trata de “absorber” aire de todas las direcciones, debido a que su presión es más baja que en su vecindad;
Estas dos situaciones, generan un desequilibrio en el aire circundante del ala, y la reacción a esto es que el aire trata de restablecer el equilibrio de fuerzas.
Si tomamos una foto de un ala pasando por una masa de aire, y hacemos una ampliación en la zona cercana a la punta, veremos algo similar a como se muestra abajo:
Con la ayuda de esta figura analicemos bien el fenómeno que ocurre: la alta presión en el intradós, intenta empujar aire en todas direcciones, y una de esas direcciones se encuentra impedida por la superficie del ala; lo mismo ocurre en el extradós, en donde el aire trata de absorber masas de aire de mayor presión hacia su dominio, pero, lo mismo que ocurre con la alta presión, la superficie alar se lo impide, generando una barrera cuya resultante es la sustentación.
Si comenzamos analizando en el extremo derecho de la figura y vamos avanzando hacia el extremo izquierdo, es decir hacia la punta, tanto la geometría como el espesor alar van disminuyendo, y al llegar al límite, es decir, la punta misma, ahí ocurre un fenómeno físico importante: el aire de mayor presión encuentra una brecha por donde pasar y mezclarse con el aire de menor presión, y lo hace a través del camino que circunda la punta del ala; y como la menor presión se encuentra a la izquierda y arriba (Patm y “p”, presión en el extradós), entonces ese aire tiende a subir porque, justamente, esa es la dirección en la cual encuentra menos oposición para su movimiento.
Debemos tener en cuenta también que esa masa de aire que sube, no lo hace como un sólido, sino que las partículas de aire tienden a distribuirse en caminos en donde la resistencia en la menor posible, y la forma resultante del movimiento del aire en esta zona es similar a la de un tornado o vórtice; esta situación no sólo ocurre en esta zona, también la encontramos en el borde de fuga, en donde ambas masas separadas de aire se vuelven a juntar formando aire en rotación.
En el próximo articulo continuaremos ahondando más en este apasionante tema de los Winglets…hasta el mes próximo!
