¿Cómo vuelan los aviones? Sustentación y pérdida explicadas

Cuatro fuerzas en equilibrio

Sobre cualquier avión actúan cuatro fuerzas. La sustentación lo empuja hacia arriba, el peso tira de él hacia abajo, el empuje del motor o de la hélice lo arrastra hacia delante y la resistencia, el empuje del aire, lo frena. En vuelo estable y nivelado se compensan por parejas: la sustentación iguala al peso y el empuje iguala a la resistencia. Para una avioneta de 1.100 kg el peso es W = m·g = 1.100 × 9,81 ≈ 10.800 N, así que las alas deben dar exactamente esa sustentación. Si es mayor, el avión sube; si es menor, desciende. Las flechas luminosas de la imagen están dibujadas a escala: míralas crecer y encogerse cuando el avión sube o pica.

Aire desviado hacia abajo

Un ala funciona desviando el aire. Su parte superior curva y su borde delantero ligeramente inclinado empujan el aire que pasa hacia abajo y, como dice la tercera ley de Newton, el aire empuja el ala hacia arriba. Las líneas de corriente de la imagen se curvan sobre el perfil, la sección del ala, y salen de él hacia abajo. Menor presión arriba y mayor presión abajo describen el mismo empuje de otra manera. Más aire desviado con más fuerza significa más sustentación, y eso es justo lo que cuenta la fórmula siguiente.

La fórmula de la sustentación, con cifras

Los ingenieros escriben la sustentación como L = ½·ρ·v²·S·C_L. Aquí ρ (rho) es la densidad del aire, 1,225 kg/m³ a nivel del mar, v es la velocidad en m/s, S es la superficie alar y C_L es el coeficiente de sustentación, que depende de la forma y del ángulo del ala. Toma una avioneta con S = 16 m² y C_L = 0,5. Para el vuelo nivelado, L debe igualar 10.800 N, así que v² = 2 × 10.800 / (1,225 × 16 × 0,5) ≈ 2.204 y v ≈ 47 m/s, unos 169 km/h. Como v está al cuadrado, duplicar la velocidad da cuatro veces la sustentación.

Inclinar el ala hasta la pérdida

El ángulo entre el ala y el aire que llega es el ángulo de ataque. Súbelo un poco y C_L crece. Con C_L = 1,5, la misma avioneta necesita solo v ≈ 27 m/s, unos 98 km/h. Pero en muchas alas C_L sube casi en línea recta con el ángulo solo hasta unos 15 o 16 grados. Pasado ese ángulo crítico, el aire ya no puede seguir la curva. Se separa de la superficie y se rompe en turbulencia, y la sustentación se desploma. Esto es una pérdida. A menudo un ala entra en pérdida antes que la otra, así que el avión deja caer esa ala y cae. En la imagen se vuelca y se hunde.

Salir de la pérdida, y probarlo

Para recuperar, el aire debe volver a pegarse al ala, así que hay que reducir el ángulo de ataque. Primero baja el morro, aunque el suelo esté debajo. Después nivela las alas. Luego da potencia para que el empuje devuelva la velocidad. Solo cuando el ala vuelve a volar sube el morro con suavidad. Tirar demasiado pronto trae de vuelta la pérdida. Ahora rescata tú el avión en el laboratorio bajo la imagen. Empieza en pérdida y cae. Tú controlas el cabeceo y el gas. Es un juego de física, no una clase de vuelo: los pilotos de verdad lo aprenden con un instructor.

Volar sin motor

¿Y si el motor se para? El avión no cae como una piedra. Planea: el ala sigue produciendo sustentación y resistencia, y el avión se asienta en una pendiente suave. La relación de planeo dice cuánto avanzas por cada unidad que desciendes. Una relación de 15:1 significa 15 km hacia delante por cada kilómetro de altura perdido. Un velero está hecho para esto y llega a 40:1 o 60:1. Un avión de pasajeros logra de 15:1 a 20:1. Desde 10 km de altura, un avión de pasajeros con 15:1 puede planear unos 150 km sin motor alguno.

El planeador de Gimli

El 23 de julio de 1983, un Boeing 767 de Air Canada, el vuelo 143, se quedó sin combustible a unos 12.500 m de altura por una confusión entre libras y kilogramos. Los dos motores se pararon. El capitán Robert Pearson, que además era un piloto de planeador con experiencia, y el primer oficial Maurice Quintal tuvieron que encontrar una pista. Planearon el avión hasta una antigua base aérea en Gimli, en Manitoba, y aterrizaron. Las 69 personas a bordo sobrevivieron, y el avión pasó a conocerse como el planeador de Gimli. Demuestra que la sustentación y la resistencia siguen actuando aunque los motores no funcionen.

Cómo vuelan los aviones