Teorías en la producción de Sustentación.

Leyes del movimiento de Newton
La formación de sustentación ha sido históricamente la adaptación, en los siglos pasados, de leyes básicas de la física.

Estas leyes, aunque aparentemente aplicables a todos los aspectos de la sustentación, no responden a cómo se forma la sustentación. De hecho, consideremos los perfiles aerodinámicos simétricos que producen una sustentación significante.

Las leyes físicas fundamentales que rigen las fuerzas que actúan sobre un avión en vuelo se adoptaron a partir de teorías postuladas desarrolladas antes que cualquier ser humano haya volado un avión con éxito.

El uso de estas leyes físicas se inició con la revolución científica, que comenzó en Europa en el 1600. Impulsado por la creencia de que el universo funciona de una manera predecible abierto a la comprensión humana, muchos filósofos, matemáticos, científicos, e inventores pasaron toda su vida descubriendo los secretos del universo. Uno de los más conocidos fue Sir Isaac Newton, que no sólo formuló la ley de gravitación universal, sino también describió las tres leyes básicas del movimiento.

Primera Ley de Newton:

«Cada objeto persiste en su estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme a menos que sea obligado a cambiar ese estado por fuerzas impuestas sobre él».

Esto significa que nada comienza o deja de moverse hasta que alguna fuerza externa lo obliga. Un avión estacionado en plataforma permanece en reposo a menos que se aplique una fuerza lo suficientemente fuerte como para vencer su inercia. Una vez que se mueve, su inercia lo mantiene en movimiento, sujeto a las distintas fuerzas que actúen sobre él. Estas fuerzas pueden acelerar su movimiento, hacerlo más lento, o cambiar su dirección.

Segunda Ley de Newton:

«La fuerza es igual a la variación en la cantidad de movimiento en el tiempo. Para una masa constante, la fuerza es igual a la masa por la aceleración. »
Cuando un cuerpo se halla sometido a una fuerza constante, la aceleración resultante es inversamente proporcional a la masa del cuerpo y es directamente proporcional a la fuerza aplicada. Esto toma en cuenta los factores que intervienen para vencer la Primera Ley de Newton.

Cubre tanto los cambios en dirección como velocidad, incluyendo el inicio del movimiento (aceleración positiva) hasta la detención (aceleración negativa o desaceleración).

Tercera Ley de Newton:

«Para cada acción hay una reacción igual y opuesta.»
En un avión, la hélice se mueve y empuja el aire hacia atrás y, en consecuencia, el aire empuja la hélice (y por lo tanto el avión) en la dirección opuesta, hacia adelante. En un jet el motor expulsa gases calientes hacia atrás, la fuerza de reacción igual y opuesta empuja el motor y fuerza al avión hacia adelante.

Efecto Magnus
En 1852, el físico y químico alemán Heinrich Gustav Magnus (1802-1870), hizo estudios experimentales de las fuerzas aerodinámicas en esferas y cilindros giratorios (El efecto ya había sido mencionado por Newton en 1672, al parecer en lo que respecta a las esferas o pelotas de tenis). Estos experimentos condujeron al descubrimiento del efecto Magnus, que ayuda a explicar la teoría de la sustentación.

Flujo de aire contra un cilindro estático
Si el aire fluye en contra de un cilindro que no está girando, el flujo de aire por encima y por debajo del cilindro es idéntico y las fuerzas son iguales. [Figura A]

Un cilindro rotatorio en un fluido inmóvil
En la figura B, el cilindro rota hacia la derecha y se observa desde el lado mientras se está inmerso en un fluido. La rotación del cilindro afecta el fluido que rodea el cilindro. El flujo alrededor del cilindro giratorio difiere del flujo alrededor de un cilindro estacionario debido a la resistencia causada por dos factores: viscosidad y fricción.

Viscosidad
La viscosidad es la propiedad de un fluido o semifluido que resiste su flujo. Esta resistencia al flujo es medible debido a la tendencia molecular de los fluidos a adherirse entre sí hasta cierto punto. Los fluidos de alta viscosidad resisten el flujo, los de baja viscosidad fluyen fácilmente.

Cantidades similares de agua y aceite derramados por dos rampas idénticas muestran la diferencia en la viscosidad. El agua parece fluir libremente, mientras que el aceite fluye más lentamente.

Debido a la resistencia al movimiento molecular que conlleva la viscosidad, la grasa es muy viscosa debido a que sus moléculas se resisten al flujo. La lava caliente es otro ejemplo de un fluido viscoso. Todos los fluidos son viscosos y tienen una resistencia al flujo, ya sea que esta se observe o no. El aire es un ejemplo de un fluido cuya viscosidad no puede ser observada.

Como el aire tiene propiedades viscosas, se resiste al flujo hasta cierto punto. En el caso del cilindro que gira dentro de un fluido (aceite, agua o aire), el fluido (no importa lo que sea) se resiste a fluir sobre la superficie del cilindro.

Fricción
La fricción es el segundo factor actuando cuando un fluido fluye alrededor de un cilindro giratorio. La fricción es la resistencia que una superficie u objeto encuentra cuando se mueve sobre otro, y existe entre un fluido y la superficie sobre la cual fluye.

Si fluidos idénticos se vierten por la rampa, fluyen de la misma manera y con la misma velocidad. Si la superficie de una rampa está cubierta con pequeños gránulos, el flujo por las rampas difiere significativamente.

La rampa de superficie rugosa impide el flujo del fluido debido a la resistencia de la superficie (por fricción). Es importante recordar que todas las superficies, no importa lo lisas que parecen, no son lisas e impiden el flujo de un fluido. Tanto la superficie de un ala y el cilindro giratorio tienen una cierta rugosidad, aunque a un nivel microscópico, provocando la resistencia de un fluido a fluir.

Esta reducción en la velocidad del flujo de aire sobre una superficie es causada por la fricción de la superficie o resistencia.

Al pasar sobre una superficie, las moléculas se pegan de hecho a la superficie, ilustrado por el cilindro rotatorio en un fluido que no se mueve. Por lo tanto,
1. En el caso del cilindro giratorio, las partículas del aire cerca de la superficie que resisten al movimiento tienen una velocidad relativa cercana a cero. La rugosidad de la superficie impide su movimiento.
2. Debido a la viscosidad del fluido, las moléculas en la superficie arrastran o tiran, el flujo sobre ellas en el sentido de rotación debido a la adherencia del fluido a sí mismo.

También hay una diferencia en el flujo alrededor del cilindro rotatorio y el flujo alrededor de un cilindro estático. Las moléculas en la superficie del cilindro giratorio no están en movimiento relativo al cilindro, giran hacia la derecha con el cilindro. Debido a la viscosidad, estas moléculas arrastran a otras encima de ellas resultando en un aumento del flujo en el sentido de las agujas del reloj. Sustituyendo el aire por otros fluidos resulta en una mayor velocidad de circulación de aire sobre el cilindro, simplemente porque más moléculas se mueven en sentido horario.

Cilindro rotatorio en un fluido en movimiento
Cuando el cilindro rota en un fluido que también se está moviendo, el resultado es un mayor flujo circulatorio en la dirección del cilindro giratorio. [Figura C] Agregando movimiento al fluido, la magnitud del flujo aumenta.

Las mayores diferencias de velocidad son a 90° desde el movimiento relativo entre el cilindro y el flujo de aire. Además, y como se muestra en la Figura, en el punto «A», existe un punto de estancamiento donde la corriente de aire impacta en la parte frontal del perfil, dividiéndose; parte del aire pasa por encima y parte por debajo. Otro punto de estancamiento existe en «B», donde las dos corrientes de aire y vuelven a juntarse y retoman velocidades idénticas. Cuando se ve desde un lado, se crea una corriente ascendente por delante del perfil y descendente en la parte trasera.

En el caso de la figura anterior, la máxima velocidad se encuentra en la parte superior del perfil, con la menor velocidad en la parte inferior. Debido a que estas velocidades están asociados con un objeto (en este caso, un perfil aerodinámico) se les llama velocidades locales, ya que no existen fuera del sistema de sustentación que producen. Este concepto puede aplicarse fácilmente a un ala u otro tipo de superficie.

Debido a que existe una diferencia de velocidad por encima y por debajo del ala, el resultado es una mayor presión en la parte inferior del ala y una menor presión en la parte superior del ala.

Esta área de baja presión produce una fuerza ascendente conocida como el Efecto Magnus, el fenómeno físico por el cual la rotación de un objeto afecta su trayectoria en un fluido, incluyendo el aire.

Dos aerodinamicistas, Martin Kutta y Nicolai Joukowski, eventualmente midieron y calcularon las fuerzas para la ecuación de sustentación en un cilindro rotatorio (el teorema de Kutta-Joukowski).

Para resumir el efecto Magnus, un perfil con un AOA (ángulo de ataque) positivo desarrolla una circulación del aire sobre la superficie superior del ala. Su borde de salida afilado fuerza al punto de estancamiento posterior a estar por detrás del borde de salida, mientras que el punto de estancamiento frontal cae por debajo del borde de ataque.

Bibliografía.

U.S. Department of Transportation

Federal Aviation Administration