Avión

1

Introducción

Avión o Aeroplano, aeronave más pesada que el aire, por lo general propulsada por medios mecánicos y sustentada por alas fijas como consecuencia de la acción dinámica de la corriente de aire que incide sobre su superficie (véase Aerodinámica). Otras aeronaves más pesadas que el aire son: el planeador o velero, provisto también de alas fijas y carente de motor; aquéllas en las que se sustituyen las alas por un rotor que gira en el eje vertical (véase Autogiro; Helicóptero), y el ornitóptero, cuyo empuje y sustentación se consigue mediante alas batientes. Se han desarrollado modelos de juguete que vuelan perfectamente, pero los de mayor tamaño no han tenido éxito. Véase también Aviación, para la historia de aparatos más pesados que el aire.

La palabra “aeroplano” sugiere normalmente aparatos que operan desde tierra firme, pero en realidad se aplica a otros tipos de aviones, como los transportados, hidroaviones y anfibios. La principal diferencia de configuración entre estos aparatos está en el tren de aterrizaje. Los aviones transportados están diseñados para despegar y aterrizar desde una instalación móvil, la más común es el portaaviones; para ello disponen de un gancho con el que en el momento de aterrizar se sujetan a un cable que cruza la cubierta del portaaviones y, junto con los frenos del propio avión, permiten una carrera de aterrizaje muy corta. Para despegar se enganchan a una catapulta que en pocos segundos, junto con el motor a máxima potencia, les hacen alcanzar la velocidad de despegue. Los hidroaviones sustituyen las ruedas del tren de aterrizaje por flotadores. El modelo conocido como barca voladora tiene el fuselaje como el casco de un barco y, aparte de sus funciones aerodinámicas e hidrodinámicas, sirve para que flote una vez posado en el agua. Los anfibios van provistos de ruedas y flotadores y en algunos casos de casco, lo que permite operar con la misma efectividad tanto en tierra como en agua. Antes de la II Guerra Mundial los hidroaviones se utilizaron para el transporte militar y para el servicio comercial intercontinental. Por su configuración tenían que volar y amerizar despacio. Como los nuevos aviones volaban y podían aterrizar a mayor velocidad, para ganar eficiencia, los grandes aviones pasaron a operar solamente desde tierra. Los anfibios vuelan y aterrizan aún más despacio por su doble tren de aterrizaje y se usan menos. A veces son muy útiles, sobre todo en zonas como la selva, donde la construcción de una pista de aterrizaje es costosa y difícil de mantener, pero, sin embargo, hay abundantes ríos con aguas profundas y tranquilas. Existen flotadores anfibios para avionetas. Parecen flotadores convencionales y tienen una rueda en el centro. La rueda sobresale muy poco y no crea resistencia en el agua, pero asoma lo suficiente para permitir aterrizar en superficies de tierra o de hierba cortada.

Otros modelos de aviones más pesados que el aire son los VTOL y STOL. La aeronave VTOL (del inglés vertical takeoff and landing, ‘despegue y aterrizaje verticales’) es un avión cuyas características de vuelo son semejantes a las de los demás aviones; adicionalmente tienen la capacidad de despegar y aterrizar en vertical. Hay varias maneras de conseguir el despegue vertical desde tierra; la mayor parte de los diseños utilizan motores reactores giratorios que al comienzo del despegue se colocan en posición vertical, y después, poco a poco, van rotando hasta situarse horizontalmente al adquirir la velocidad necesaria para volar; este sistema requiere mucha potencia de empuje en los motores. Las alas variables y los ventiladores móviles se usan también en este tipo de despegues, pero originan resistencias aerodinámicas muy altas para el vuelo horizontal. Los aviones convertibles combinan los rotores de los helicópteros con las alas fijas de los aviones, y resultan apropiados para vuelos comerciales cortos de despegue vertical. Compiten con los helicópteros, pero vuelan a velocidades mayores.

La aeronave STOL (del inglés short takeoff and landing, ‘despegue y aterrizaje cortos’) es un avión que despega y aterriza en tan poca distancia que sólo requiere pistas muy cortas. Es más eficiente, en términos de consumo de combustible y potencia de los motores, que la aeronave VTOL, y además es capaz de volar también a mayores velocidades y con más alcance que los helicópteros. Para aeronaves más ligeras que el aire, véase Dirigible; Globo.

2

Principios del vuelo

Un aeroplano se sustenta en el aire como consecuencia de la diferencia de presión que se origina al incidir la corriente de aire en una superficie aerodinámica como es el ala. En la parte superior la presión es menor que en la inferior (véase Teorema de Bernoulli), y esa diferencia produce un efecto de empuje hacia arriba llamado sustentación. La magnitud del empuje depende de la forma del corte transversal del ala, de su área, de las características de su superficie, de su inclinación respecto al flujo del aire y de la velocidad del mismo.

2.1

Sustentación

La sustentación producida en un ala o superficie aerodinámica es directamente proporcional al área total expuesta al flujo de aire y al cuadrado de la velocidad con que ese flujo incide en el ala. También es proporcional, para valores medios, a la inclinación del ángulo de ataque del eje de la superficie de sustentación respecto al de la corriente de aire. Para ángulos superiores a 14 grados, la sustentación cambia con rapidez hasta llegar a la pérdida total cuando, por efecto de esos valores, el aire se mueve produciendo torbellinos en la superficie de las alas. En esta situación se dice que el perfil aerodinámico ha entrado en pérdida.

Cuando un avión está manteniendo la altura, la sustentación producida por las alas y otras partes del fuselaje se equilibra con su peso total. Hasta ciertos límites, cuando aumenta el ángulo de ataque y la velocidad de vuelo se mantiene constante, el avión ascenderá; si, por el contrario, baja el morro del avión, disminuyendo así el ángulo de ataque, perderá sustentación y comenzará a descender. El sistema por el cual sube y baja el morro del avión se llama control de cabeceo.

Durante un vuelo, el piloto altera con frecuencia la velocidad y ángulo de ataque de la aeronave. Estos dos factores a menudo se compensan uno con otro. Por ejemplo, si el piloto desea ganar velocidad y mantener el nivel de vuelo, primero incrementa la potencia del motor, lo que eleva la velocidad; esto a su vez aumenta la sustentación, por lo que para equilibrarla con el peso, bajará poco a poco el morro del avión con el control de cabeceo hasta conseguirlo.

Durante la aproximación para el aterrizaje, el piloto tiene que ir descendiendo y a la vez disminuyendo la velocidad lo más posible; esto produciría una considerable pérdida de sustentación y, en consecuencia, un descenso muy fuerte y un impacto violento en la pista. Para remediarlo hay que lograr sustentación adicional alterando la superficie de las alas, su curvatura efectiva y su ángulo de ataque, mediante mecanismos adicionales como los flaps, alerones sustentadores que se extienden en la parte posterior de las alas, y los slats, en la parte frontal. Ambas superficies se usan para el despegue y aterrizaje, yendo retraídas durante el vuelo de crucero al tener una limitación de velocidad muy reducida, por encima de la cual sufrirían daños estructurales.

2.2

Resistencia

Los mismos factores que contribuyen al vuelo producen efectos no deseables, como la resistencia, la fuerza que tiende a retardar el movimiento del avión en el aire. Un tipo de resistencia es la aerodinámica, producida por la fricción que se opone a que los objetos se muevan en el aire. Depende de la forma del objeto y de la rugosidad de su superficie. Se puede reducir mediante perfiles muy aerodinámicos del fuselaje y alas del avión. Hay diseños que incorporan elementos para reducir la fricción, consiguiendo que el aire que fluye en contacto con las alas mantenga el llamado flujo laminar cuando se desliza sobre ellas sin producir torbellinos.

Otro tipo de resistencia, llamada resistencia inducida, es el resultado directo de la sustentación producida por las alas. Se manifiesta en forma de torbellinos o vórtices en la parte posterior de los slats y especialmente del extremo de las alas, y en algunos aviones se coloca una aleta pequeña denominada winglet, que reduce notablemente su efecto.

Se llama resistencia total a la suma de ambas resistencias. La ingeniería aeronáutica trata de conseguir que la relación entre la sustentación y la resistencia total sea lo más alta posible, lo que se obtiene teóricamente al igualar la resistencia aerodinámica con la inducida, pero dicha relación en la práctica está limitada por factores como la velocidad y el peso admisible de la célula del avión. En el avión de transporte subsónico su valor puede llegar a veinte; en los de altas características se duplica ese valor, mientras que el incremento de la resistencia, cuando se vuela a velocidades supersónicas, lo reduce a menos de diez.