En el capítulo anterior ya comenzamos a entender estos curiosos fenómenos de “nubes” que se desprenden de ciertas partes de una aeronave. Hoy vamos a terminar de responder a la pregunta formulada antes: ¿Por qué se forman los “trailing vortex”?
Quienes observamos aeronaves, hemos visto varias veces aeronaves que, a su paso, formaban remolinos con las nubes, o largas estelas tubulares de vapor de agua, que como hilos blancos se desprendían de las alas, o de otras partes de su estructura. Usted se habrá hecho la pregunta ¿Cómo se forman? ¿Por qué ocurre ese fenómeno?
Bien, para responder estas preguntas, debemos considerar que el aire es una mezcla de distintos gases, y entre ellos se encuentra el agua, que en condiciones normales está en un estado de vapor, siendo invisible a la vista.
Vimos que los vórtices de punta de ala (“Wingtip vortex”), presentan la forma de conos en donde el aire rota, y es el resultado del fenómeno de mezcla del aire de baja presión del extradós con el aire de alta presión del intradós. Analicemos más detenidamente este fenómeno, para entender el porqué de su forma cónica tubular.
Observemos la punta de un ala de costado: debajo está el aire a alta presión, que busca expandirse, y lo consigue por el camino en donde está la presión atmosférica (Patm) y la presión del aire en el extradós (menor incluso que la Patm); también debemos tener en cuenta que la aeronave se está moviendo: entonces, al perfil del ala le parece que es el aire el que se mueve, pasando por arriba y por debajo de éste, a una velocidad que es la de movimiento de la aeronave (en el caso de que el aire esté en calma); como consecuencia, el aire del intradós se mueve hacia afuera del ala y hacia arriba, siguiendo el camino de menor resistencia (menor presión) y también hacia atrás del perfil. Esta combinación de movimiento resulta en que cada partícula de aire se mueve desde el intradós hacia el extradós en una línea helicoidal, justamente como un remolino o tornado. Si nosotros nos movemos junto con la aeronave, y tomamos una secuencia de fotos, siguiendo una partícula de aire, veríamos que en cada fotograma se mueve siguiendo una trayectoria oblicua, de abajo hacia arriba, y de forma circular, que es justamente la forma de una hélice.
La siguiente imagen ilustra este experimento:
Hasta aquí hemos estudiado el porqué de la forma de los vórtices, pero, nos falta responder una pregunta más:
¿Por qué se desprenden vórtices blanquecinos (“nubes”) de las alas?
Muchas veces usted se habrá hecho esta pregunta, y quizás aún no le haya encontrado una respuesta o tenga un concepto erróneo del tema; habrá escuchado que le responden que ese vapor es “vapor de agua condensada”, lo cual es cierto, ¡pero no le explicaron por qué!
Observemos en la siguiente foto una aeronave en donde se ve claramente este fenómeno:
De los muchos ejemplos que podemos observar (incluido el famoso “Cono” formado alrededor de una aeronave supersónica), se pueden apreciar tres tipos de fenómenos, que en condiciones especiales podemos apreciar en una aeronave:
- Estelas de condensación, en el extradós,
- Vórtices tubulares, que se desprenden de los flaps,
- Torbellinos de punta de ala (que se ven detrás).
Los tres fenómenos tienen la misma explicación. Analicemos entonces el vórtice de punta de ala, para entender la aparición de estas “nubes blancas” en las aeronaves.
Presión, densidad y temperatura.
Anteriormente aprendimos porque el aire tiene esa forma cónica particular en las puntas de las alas: demostramos que era debido a la diferencia de presión: el aire del intradós, a mayor presión, intenta volver a mezclarse con el aire del extradós, de menor presión (menor presión incluso que la atmosférica), resultando un movimiento helicoidal. Esto es lo dicho hasta ahora. Pero debemos agregar otros elementos, para que nuestro análisis esté completo; y es que, en ese movimiento, se produce una EXPANSION del aire que viene del intradós, debido a que encuentra poca resistencia al costado y arriba; entonces, esa masa de aire empuja en todas direcciones, merced a su mayor fuerza de presión; entonces, el aire aumenta su volumen, pero a costa de una disminución en su presión, densidad y temperatura. Para quienes no están familiarizados con estos conceptos de termodinámica, a continuación, se da un ejemplo simple de un gas que se encuentra dentro de un cilindro, con un pistón móvil; si se mueve el pistón, permitiendo que el gas se expanda, entonces el gas aumenta su volumen, y su densidad disminuye (recordemos que la densidad es el cociente de la masa sobre su volumen: al ser el volumen inversamente proporcional a la densidad, al aumentar el volumen del gas, disminuye su densidad), lo mismo que su presión, y su temperatura.
Este es un punto importante: al expandirse el gas, necesita energía para vencer las fuerzas externas que se le oponen, y lo hace gracias a su mayor presión, pero para realizar ese trabajo, necesita ENERGIA; que un gas cede calor cuando es comprimido (cuando aumenta su presión), lo podemos comprobar cuando usamos un inflador de mano: luego de accionar varias veces el émbolo, si tocamos el cilindro del inflador, cerca de la punta notaremos que su temperatura aumentó; esto es debido a que, cuando el gas se comprime rápidamente (se lo llama compresión adiabática) su temperatura aumenta.
Lo mismo ocurre en este caso: el aire que viaja por el intradós, al ser de mayor presión que el que viaja por el extradós, ganó energía calórica (su temperatura subió). Ahora ese gas se escapa por las zonas por donde la estructura de la aeronave se lo permite (las puntas de las alas, por ejemplo) y comienza a mezclarse con el aire que viene del extradós, y además con el aire libre (atmosfera no perturbada), para así volver a restablecer el equilibrio que había antes del pasaje de la aeronave.
Bien, pero, la pregunta formulada al principio sigue sin ser respondida:
¿Por qué los vórtices se pueden ver?
Con todo lo ya visto, falta considerar algo más: en el aire, no hay solamente oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono, y otros gases; también hay agua. Pero está en estado de vapor, mezclada con el aire, y no es visible a simple vista en condiciones de atmosfera standard.
Dijimos antes que cuando el aire se expandía, necesitaba ENERGIA: ¿De dónde puede el aire sacar energía? La respuesta es bien simple: del medio que lo rodea, y de si mismo. Entonces, debido a su expansión, les quita energía a otros elementos a su alrededor, del cual uno de los principales es EL AGUA. Esto hace que el vapor de agua allí mezclado se enfríe, disminuyendo su temperatura, y entonces alcanza el conocido punto de rocío, pasando de estado de vapor de agua a agua en estado líquido, donde microscópicas gotitas de agua aparecen y, lo mismo que una neblina, permiten ser vistas a simple vista, y además permiten ver la forma que poseen junto con el aire en su movimiento.
Resumiendo: el agua contenida en el aire, no es ajena a los cambios de presión, volumen, densidad y temperatura de éste, sino que participa activamente en estos cambios, y al disminuir la presión y la temperatura del aire, el agua también pierde calor, y se transforma en gotitas que forman una neblina que hacen visibles estas formas vorticosas del aire en movimiento.
Ahora usted ya sabe porque ese vapor de agua se hace presente en diversas partes de una aeronave en vuelo. Vemos en la siguiente fotoeste fenómeno en los Flaps de una aeronave aterrizando:
También los helicópteros y las hélices…
Para finalizar este capítulo, merece ser mencionado que este fenómeno de vórtices neblinosos desprendiéndose de las alas no es exclusivo de aeronaves de ala fija; en los helicópteros, y en las hélices podemos verlos también. Si tenemos en cuenta que una hélice, o una pala de un rotor de helicóptero es como “un ala que gira”, aplicando el mismo concepto en sus puntas, el aire del intradós y el del extradós se mezclarán en la forma de vórtices en las puntas de las palas, y bajo ciertas condiciones, veremos desprenderse de los extremos de las mismas hermosas formas semejantes a tubos neblinosos, que obedecen al mismo concepto explicado más arriba para las alas.
Dejo estas imágenes que muestran la belleza de la aerodinámica:
