¿Por qué vuelan los aviones? ¿No más Bernoulli?

Buenas.

Me sorprenden algunas respuestas. La explicación de Bernoulli es solo una simplificación del razonamiento de como se genera la fuerza de sustentación en un ala.

Si aplicas las ecuaciones de Navier Stokes (por cierto estas ecuaciones son las de Newton teniendo en cuenta las particularidades de un medio fluido) sobre un volumen de control que no contenga el perfil aerodinamico (2D) y se extienda al infinito aguas arriba y abajo. Tras aplicar una serie de hipotesis simplificatorias pero perfectamente asumibles se obtiene de una de las ecuaciones de fuerzas (ya sabes fuerza igual a masa por aceleración) lo siguiente:

Sustentacion = densidad*U*Circulación.

Donde la velocidad (U) es la del aire en el infinito. Es decir suponiendo aire en calma la del avión (para ver esto es necesario seguir la explicación desde el principio donde se definen los sistemas de referencia).

Y la circulación es la integral a lo largo de la frontera del volumen del control que rodea el perfil aerodinamico de la velocidad del fluido en ese punto. Una integral de linea en 2D.

Por tanto como es logico la diferencia de velocidad en el extrados respecto al intrados del ala (esa diferencia de velocidad) es la que hace que la integral sea distinta de cero (suponiendo un perfil totalmente simetrico, que no es así aunque sin duda es el principal efecto). Por eso la explicación de Bernoulli funciona bien en primera aproximación, por que es la misma idea. Pero la ecuación de la sustentación se obtiene de la fisica newtonianana (faltaría mas).

Por eso me han sorprendido la respuestas de algunos colaboradores que normalmente suelen ser muy acertados.

Espero haberte aclarado.

Existen dos teorías acerca de la creación de la sustentación: la de Bernoulli y la de Newton. Aunque ninguna de las dos se consideran perfectas, ayudan a comprender un fenómeno que para explicarlo de otra forma requeriría de una demostración matemática compleja.

Teoría de Bernoulli

La teoría del científico suizo Daniel Bernoulli (1700-1782), constituye una ayuda fundamental para comprender la mecánica del movimiento de los fluidos. Para explicar la creación de la fuerza de levantamiento o sustentación, Bernoulli relaciona el aumento de la velocidad del flujo del fluido con la disminución de presión y viceversa.

Según se desprende de ese planteamiento, cuando las partículas pertenecientes a la masa de un flujo de aire chocan contra el borde de ataque de un plano aerodinámico en movimiento, cuya superficie superior es curva y la inferior plana (como es el caso del ala de un avión), estas se separan. A partir del momento en que la masa de aire choca contra el borde de ataque de la superficie aerodinámica, unas partículas se mueven por encima del plano aerodinámico, mientras las otras lo hacen por debajo hasta, supuestamente, reencontrarse en el borde opuesto o de salida.

Teóricamente para que las partículas de aire que se mueven por la parte curva superior se reencuentren con las que se mueven en línea recta por debajo, deberán recorrer un camino más largo debido a la curvatura, por lo que tendrán que desarrollar una velocidad mayor para lograr reencontrarse. Esa diferencia de velocidad provoca que por encima del plano aerodinámico se origine un área de baja presión, mientras que por debajo aparecerá, de forma simultánea, un área de alta presión. Como resultado, estas diferencias de presiones por encima y por debajo de las superficies del plano aerodinámico provocan que la baja presión lo succione hacia arriba, creando una fuerza de levantamiento o sustentación. En el caso del avión, esa fuerza actuando principalmente en las alas, hace que una vez vencida la oposición que ejerce la fuerza de gravedad sobre éste, permita mantenerlo en el aire.

El teorema de Bernoulli es la explicación más comúnmente aceptada de cómo se crea la sustentación para que el avión se mantenga en el aire. Sin embargo esa teoría no es completamente cierta, pues si así fuera ningún avión pudiera volar de cabeza como lo hacen los cazas militares y los aviones de acrobacia aérea, ya que al volar de forma invertida no se crearía la fuerza de sustentación necesaria para mantenerlo en el aire al variar la forma de las alas. De hecho, las alas de esos tipos de aviones son simétricas por ambos lados.

De cualquier forma la teoría de Bernoulli no es desacertada por completo, pues en realidad durante el vuelo de un avión el aire siempre se mueve más rápido por la parte de arriba que por la de abajo del ala, independientemente de la forma de su sección transversal. Como postula en parte el teorema, esa diferencia de velocidad origina una baja presión encima del ala que la succiona hacia arriba y, por tanto, crea la sustentación. Sin embargo, contrariamente a esa teoría, las partículas que viajan por arriba de un plano aerodinámico nunca se llegan a reencontrar con las que viajan por debajo.

Teoría de Newton

Por su parte, el matemático y físico inglés Sir Isaac Newton (1642-1727) planteaba que las moléculas de aire actuaban de forma similar a como lo hacen otras partículas. De ahí se desprende que, las partículas de aire al golpear la parte inferior de una superficie aerodinámica deben producir el mismo efecto que si disparamos una carga de perdigones al fondo de un plato o disco irrompible. De es forma parte de su velocidad la transferirían al plato, éste se elevaría y los perdigones rebotarían después de hacer impacto. Newton quería demostrar con esa experiencia que las partículas de aire actuaban de forma similar a como lo harían los perdigones, pues al chocar éstas con la parte de abajo de una superficie aerodinámica, le transfieren velocidad empujándola hacia arriba.

Esta teoría de Newton tampoco es completamente exacta, pues no tiene en cuenta la función que tiene la superficie superior del plano aerodinámico para crear la sustentación. Sin embargo, para condiciones de vuelo hipersónicas, que superen en cinco veces la velocidad del sonido y en densidades del aire muy bajas, la teoría de Newton sí se cumple, pues esas son, precisamente, las condiciones a las que se enfrentan los transbordadores en el espacio antes de reingresar en la atmósfera terrestre.

En relación con el teorema de Bernoulli y la teoría de Newton lo importante es comprender que la creación de la sustentación dentro de la atmósfera terrestre depende tanto de la superficie de arriba como la de abajo del ala y de las diferentes áreas de presiones que se crean. A pesar de que ninguna de las dos teorías se pueden considerar completamente perfectas ayudan, no obstante, a comprender el fenómeno de cómo se crea la sustentación que permite a los aviones mantenerse en el aire.

SAludosssssssssssssssssssssssssssssssssssss

Los aviones vuelan por el tipo de perfil de sus alas que es un diseño de la naturaleza y lo tienen las aves y que el hombre ha copiado, es curvo por encima y plano por debajo, redondo adelante y filoso detras, lo que permite que dada la velocidad que traen, al penetrar el aire lo golpeen empujandolo hacia abajo y este impulsa el avion hacia arriba por la diferencia de presion (baja arriba del ala y fuerte por debajo de ella).

Cuando estes en una piscina trata de penetrar el agua con la mano abierta haciendo con ella como si esta fuera un avion aterrizando, describiendo una curva con centro en tu cuerpo,y golpeando el agua al sesgo, veras que a mayor velocidad el agua hace que rebote tu mano, en este instante el agua se comporta como el aire al ser golpeado por el avion, el agua ejerce como un fluido que es, una fuerza hacia arribba elevando tu mano.

La explicación por Bernoulli no es una teoría que aún no está probada, como si dijera "el uso de antidepresivos no es concluyente y los laboratorios estuvieron exagerando los resultados de sus ensayos en pacientes con tal o cual droga".

Esa demostración es indubitable. Ocurre que no es la única causa y depende de qué condiciones se dan en cada caso puede o no tener mayor incidencia. Pero a muchos no les gusta porque sirve como modelo pero no describe la verdadera causa de que el aire fluya a mayor velocidad sobre el ala que por debajo.

Otra causa que a mi entender no quita ninguna validez a la explicación por Bernoulli (la cual entiendo que no necesitás que te desarrolle) es la transferencia dinámica de la cantidad de movimiento del aire al ala y por ende al avión.

La variación de cantidad de movimiento por unidad de tiepo es segundo principio de Newton => fuerza => sustentación.

Cuando el ángulo de ataque, es decir el ángulo de incidencia del "eje" del ala (no es un eje simétrico pero viene a ser el plano en el cual este efecto es nulo) con la horizontal es >0, el aire golpea al ala tranfiriendo impulso, o sea la masa de aire por la diferencia de velocidad. Vale decir que este efecto no es el de succión que hace el aire a menor presión por encima del perficl alar, sino lisa y llanamenrte un empuje dinámico desde abajo. Pero NO invalida lo otro, ni es válido en todo momento.

Si el ángulo de ataque es nulo no habrá tal efecto y el avión sigue volando.

También se habla del efecto Coanda, mediante el cual los fluidos permaencen adheridos a la superficie por viscosidad. No veo cómo esto invalida l de Bernoulli, al contrario, lo favorece.

Una discusión que leí luego de haber iniciado la respuesta plantea esta inquietud tuya. Los que discuten no dejan de indicar que saben de física, aún así no entiendo su duda en algunos aspectos.

Hecha una pausa veo unas cuantas respuestas y todas buenas.

Siguiendo con lo previo: dicen... por qué las partículas de aire por encima del ala deberían llegar al mismo tiempo al final del perfil? Si es más largo y explican que debe recorrerlo en igual tiempo.. ¿por qué? Yo también me hice alguna vez esa pregunta y la explicación que encuentro es que es una forma simplificada para novatos de explicar la cosa. No podemos poner en duda de que el aire fluye más rápido por arriba del ala que está demostrado experimentalmente. Lo que es cierto es que no hay nada que justifique que filetes de corriente adyacentes que se separan en el ala deban llegar conjuntamente a unirse luego de ella. ESA es la explicación simplista e incorrecta que más se critica, según creo o interpreto.Sin embargo antes de seguir debemos enfatizar que hablamos de los casos convencionales, como ya se mencionó en otras respuestas, vuelo subsónico y casos generales. Porque cuando citan el vuelo acrobático hablamos de un disño especial de ala, más simétrica, con muy poca diferencia en longitud de perfil sup/inf. y donde se aprovecha el efecto dinámico de la corriente de aire por el principio de Newton (aún así hay sustentación por Bernoulli).

Ocurre que el aire cuando llega al perfil, es acelerado transfersalmente sumando esa velocidad a la relativa horizontal, y al fluir adherido al ala mantiene la mayor velocidad. También el diseño alar es tal que busca que los filetes se reencuentren, por así decirlo, con las mismas partículas (estoy medio dormido y sé que está referido poco académicamente).

En fin, habiendo muy buenas respuestas no voy a gastar mucho mas tiempo, simplemente espero sumar un poquitito o por lo menos reforzar algunas de las ideas ya dadas.

Sólo enfatizaría que no es Bernoulli o Newton, como si fueran cosas antagónicas. Bernoulli (su teoría) resulta porque aplica Newton. Simplemente algunos efectos predominan más que otros según el caso.

Si sabés inglés vas a ver una discusión que considero interesante en:

http://www.physicsforums.com/showthread.php?t=1901...

Pero para ver los enfoques acá tenés un paper escrito por Weltner y otros que dice que Bernoulli no va. Ese mismo papel explica sustentación L como la fuerza centrifuga de la masa de aire m cuando esta describiendo un arco de circunferencia de radio R (L=m v²/R). Teniendo en cuenta que sustentación es proporcional a v² la cosa tiene sentido también.

http://user.uni-frankfurt.de/~weltner/Flight/PHYSI...

Por otro lado Chris Waltham muestra lo siguiente:

http://www.physics.ubc.ca/~waltham/air/FwB.pdf

Y hay más dando vueltas...

Saludos!

Pd. Otra respuesta dice: "Me sorprenden algunas respuestas. La explicación de Bernoulli es solo una simplificación del razonamiento de como se genera la fuerza de sustentación en un ala."

TODOS, pero TODOS los modelos que podamos citar son eso, modelos y por ende simplificaciones. Sirven como explicación en la medida que su descripción de lo que sucede se pueda predecir y cuantificar.

Lo de Bernoulli no es antagónico o distinto de la física newtoniana. Que algo se explique mejor por otros modelos bajo ciertas condiciones no significa que esté mal aplicar éste. Uno leyó de mecánica clásica y mecánica relativista, modestamente y sin ser físico ni pretender saber mucho, pero resulta que ahora también debe haber física bernoulliniana, stokeana, qué más ????

Por si no queda claro (porque a buen entendedor pocas palabras, pero tenemos buenos entendedores, yo incluido?): Bernoulli ES mecánica newtoniana.

El asunto es que la velocidad del avion el aire choca contra la forma de las alas las cuales comprimen el aire el la parte inferior del ala provocando un empuje hacia arriba, la explicacion es la misma pero necesitas ver dibujos graficas y experimentarlo si no te lo puedes imaginar no lo vas a entender.

emmmm... depende de ke avion hablas....

si hablas de los aviones comerciales, o de pasajeros, avionetas.... etc...

si, su funcionamiento se basa en el teorema de bernoulli... basicamente, las alas estan puestas de forma que pase aire mas rapido por arriba de ellas que por abajo, asi, el avion se eleva...

Los aeroplanos, como el de los hermanor Wright ( no se como se escriba), aplicaba mas bien el principio de la conservacion de la cantidad de movimiento, haciendo ke las alas estubieran inclinadas, asi, el aire ke pasaba, era dirijido hacia abajo, y asi obtenia la fuerza para mantenerse volando... dependiendo de la inclinacion, este se elevava, o bajaba...

Esto tambien se aplica en los aviones comerciales actuales, pero en menor razon ke Bernoulli...

Pero hay un problema con vernoulli, cuando te acercas l la velocidad del sonido, hay mucha turbulencia, y el principio deja de aplicarse, por eso las alas de los jets, son tan delgadas, de nuevo se vuelve al antiguo principio de la inclinacion, claro, en un nivel mucho menos, aprovechandose de turbo-jets y propulsores... no es nesesaria tanta fuerza para mantenerte en vuelo cuando te mueves a 2 Mach ( 2 veces la velocidad del sonido), solo nesesitas mucho impulso para mantenerte viajando a esa velocidad...

pues yo digo que los aviones vuelan porque vuelan, por un principio u otro están por el aire así que.... porque preocuparnos por un problema resuelto?, otro gallo cantaría si todavía estuviéramos en el suelo, si estamos en el aire es gracias a ciertos individuos que, un poco escépticos, quisieron comprobar si de alguna manera lo conseguían, luego el merito lo tienen estos y no Bernoulli y cía., estos últimos solo nos explican la teoría, de lo que ocurre o puede ocurrir alrededor del ala, pero los primeros lo demostraron.