3.- ¿POR QUÉ VUELA UN AVIÓN Y EN PARTICULAR UN DRON O DRONE?

Sin lugar a dudas, esa es la gran pregunta que se hace todo el mundo antes de meterse en esto de los drones. Alguna vez en la vida todos hemos tenido esta clase de dudas o se las hemos oído a alguien:

-¿Cómo es posible que algo tan pesado pueda volar?,

-¡A mí me parece magia que algo así pueda elevarse del suelo!, etc…

Con los hermanos Wright, pioneros en elevarse por los aires de forma controlada con motor, se podría decir que nace la aviación tras su primer vuelo en 1903, culminación de todos lo que sus antecesores no consiguieron o al menos no está documentado su éxito (Leonardo da Vinci y otros muchos más que idearon planeadores y otros artefactos voladores y sobre los que se basaron los hermanos Wright para lograrlo.). Está claro (y documentado) que los hermanos Montgolfier volaron en globo en 1782 pero estamos hablando de vuelo tripulado con motor y no por aire caliente, así que para lo que nos interesa no sirve.

Principios físicos

Me centraré en alguno de los principios físicos básicos en los que se basa la aerodinámica (y la dinámica de fluidos porque el aire se puede considerar un fluido más), para explicar la gran pregunta: ¿por qué vuelan los drones (o los aviones)?. No me voy a enrollar demasiado porque es un mundo muy complejo y lleno de variables. Estoy seguro que el gran Leonardo Da Vinci habría regalado gustoso la Gioconda si alguien se lo hubiera explicado así  cuando él estaba ideando sus máquinas voladoras, pero es el problema que tienen los pioneros que no se pueden basar en aprendizajes previos sino que son ellos los que abren camino basándose en observaciones de la naturaleza como le pasó al bueno de Leonardo da Vinci.  No es nuestro caso, yo trasmito lo que he leído sobre el tema y como me lo han enseñado a mí.

Ecuación de Bernoulli o también llamado Teorema de Bernoulli o Trinomio de Bernoulli o Principio de Bernoulli.

Bernoulli describe cómo se comporta un fluido que se mueve a lo largo de una corriente de agua. Dicho principio o teorema afirma que un fluido ideal, sin viscosidad ni rozamiento y en circulación por un conducto cerrado, su energía permanece contante a lo largo de su recorrido. Por ello se afirma que la suma de la Presión Estática y la Presión Dinámica debida a la velocidad deben ser siempre constantes, denominándose a dicha constante Presión Total. Es decir, si un fluido (o aire) aumenta su velocidad, lo puede hacer si disminuye su Presión Estática o viceversa pero siempre con la condición de que la suma de ambas sea siempre constante.

Por Presión Estática se puede entender que es simplemente la presión atmosférica local y la Presión Dinámica podemos explicarla más o menos así: cuando un fluido está en movimiento, la inercia provoca un incremento adicional de la Presión Estática al chocar dicho fluido contra un área perpendicular al movimiento. Dicha Presión Dinámica depende de la velocidad  y de la densidad del fluido en cuestión .

Principio de Bernoulli

Tras este rollazo previo y necesario, ¿¿qué aplicación práctica tiene todo lo anterior??

Efecto Venturi.

Giovanni B. Venturi comprueba empíricamente el principio de Bernoulli anteriormente explicado haciendo pasar una corriente de aire por un tubo con un estrechamiento y comprobando que efectivamente al pasar por esa zona más estrecha, la velocidad del aire aumentaba a la vez que disminuía su presión estática.

Efecto Venturi

Aunque el efecto Venturi se utiliza frecuentemente para explicar la sustentación producida en las alas de los aviones, este efecto realmente no puede explicar la sustentación aérea, pues un perfil alar no actúa como un tubo de Venturi acelerando las partículas de aire: las partículas son aceleradas debido a la conservación de la energía (se explica mediante el teorema de Bernoulli, en virtud del cual el aire adquiere mayor velocidad al pasar por la región convexa del ala de un avión), la conservación del momento (se utiliza la tercera ley de Newton para su explicación) y de la masa (se utilizan las ecuaciones de Euler).

….Y lo imposible se hace posible.

Un objeto de forma plana con algo de curvatura o inclinación hacia arriba puesto en una corriente de aire es capaz de producir fuerza de sustentación. No voy a entrar en los tipos de perfiles aerodinámicos (o alares) que existen (gruesos o finos, poligonales o curvos, simétricos o no simétricos, incluso perfiles alares que varían a lo largo de todo el ala).

Perfil aerodinámico

El ángulo de ataque es independiente de la posición en que se encuentre el perfil aerodinámico con relación al horizonte puesto que lo que se está midiendo es la diferencia en grados entre el viento relativo y la cuerda del perfil alar. Y lo más importante: Dicho perfil en una corriente de aire es capaz de producir zonas de alta y baja presión alrededor de ellos proporcionalmente a la velocidad y ángulo de ataque (principalmente).

En este flujo de aire, el que discurre por la parte superior del ala o extradós del perfil, presentará una velocidad mayor que el que discurre por la parte inferior del ala o extradós. Esta mayor velocidad en la parte superior que la presenta la parte inferior del perfil implica una menor presión (tal y como se demuestra teóricamente en el principio de Bernoulli y empíricamente en el efecto Verturi), es decir, la parte superior del perfil soporta menos presión que la parte inferior del perfil.


..y aquí viene la explicación por la que Leonardo Da Vinci lo habría dado todo con tal de alcanzar dicho conocimiento.

Como la presión de los gases o fluidos tienden a igualarse fluyendo de la zona con mayor presión a la zona de menor presión, esa diferencia de presiones genera una fuerza aerodinámica que empuja el ala de la zona de mayor presión (parte baja del perfil) a la zona de menor presión (parte alta del perfil), conforme a La Tercera Ley del Movimiento de Newton (o Principio de Acción-Reacción) mencionada anteriormente. Si Leonardo lo hubiera sabido, habría fabricado con seguridad planeadores perfectamente capaces de volar de forma estable (sin motor porque obviamente en esa época no existían los motores de vapor ni de combustión).

Y además, el flujo de aire que se proyecta desde la parte inferior del ala, viaja a mayor velocidad que el flujo de aire que se proyecta desde la parte superior del ala, por lo que empuja, donde confluyen ambas partes (en la zona número dos del gráfico anterior) en el borde de salida o fuga, al mismo, generando lo que se llama flujo inducido con una fuerza adicional resultante hacia arriba.

Estas dos fuerzas que acabamos de explicar, empujan un perfil aerodinámico hacia arriba. A este empuje se le conoce como fuerza de sustentación y es lo que hace que un perfil aerodinámico pueda mantenerse en vuelo.

¿Habéis entendido algo?

Si tras ésto alguien ha entendido algo me doy por satisfecho. Aclaro algo más que seguro que alguno ya lo ha pensado:

– mmmmmm……….. pero un dron tipo multirrotor(o un helicóptero) tiene alas que giran sobre sí mismas…..¿es lo mismo?.            

Sí, es lo mismo, sólo que en lugar de que el aire pase por un ala fija, dicho aire pasa por una hélice con la misma forma o una doble hélice sobre un eje. La diferencia es que en un avión el flujo de aire se genera por la velocidad que alcanza el avión por su propulsión a chorro o como se propulse (puede ser también por hélice) y en el dron tipo multirrotor o el helicóptero, sus rotores son los que generan el flujo de aire a las hélices que generará la fuerza de sustentación.